Global patterns in leaf 13 C discrimination and implications for studies of past and future climate

常绿 生物群落 比叶面积 纬度 初级生产 大气科学 δ13C 环境科学 植物功能类型 高度(三角形) 碳同位素 光合作用 生态学 生物 植物 稳定同位素比值 生态系统 总有机碳 地理 量子力学 数学 物理 地质学 大地测量学 几何学
作者
Aaron F. Diefendorf,Kevin E. Mueller,Scott L. Wing,Paul L. Koch,Katherine H. Freeman
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:107 (13): 5738-5743 被引量:849
标识
DOI:10.1073/pnas.0910513107
摘要

Fractionation of carbon isotopes by plants during CO 2 uptake and fixation (Δ leaf ) varies with environmental conditions, but quantitative patterns of Δ leaf across environmental gradients at the global scale are lacking. This impedes interpretation of variability in ancient terrestrial organic matter, which encodes climatic and ecological signals. To address this problem, we converted 3,310 published leaf δ 13 C values into mean Δ leaf values for 334 woody plant species at 105 locations (yielding 570 species-site combinations) representing a wide range of environmental conditions. Our analyses reveal a strong positive correlation between Δ leaf and mean annual precipitation (MAP; R 2 = 0.55), mirroring global trends in gross primary production and indicating stomatal constraints on leaf gas-exchange, mediated by water supply, are the dominant control of Δ leaf at large spatial scales. Independent of MAP, we show a lesser, negative effect of altitude on Δ leaf and minor effects of temperature and latitude. After accounting for these factors, mean Δ leaf of evergreen gymnosperms is lower (by 1–2.7‰) than for other woody plant functional types (PFT), likely due to greater leaf-level water-use efficiency. Together, environmental and PFT effects contribute to differences in mean Δ leaf of up to 6‰ between biomes. Coupling geologic indicators of ancient precipitation and PFT (or biome) with modern Δ leaf patterns has potential to yield more robust reconstructions of atmospheric δ 13 C values, leading to better constraints on past greenhouse-gas perturbations. Accordingly, we estimate a 4.6‰ decline in the δ 13 C of atmospheric CO 2 at the onset of the Paleocene-Eocene Thermal Maximum, an abrupt global warming event ∼55.8 Ma.
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