More extreme and frequent drought periods reduced crop production and altered stable isotope ratios of C and N in plants

Andrea Watzinger; Judith Prommer; Andreea Spiridon; Weronika Kisielinska; Rebecca Hood-Nowotny; Herbert Formayer; Anna Wawra; Johannes Hösch; Julia Miloczki

doi:10.2478/boku-2023-0004

Figures & Tables

Period of cover/irrigation (black line) and precipitation and irrigation applied to the lysimeter soil from 2017 until 2019. From 2018 onward, the variation of irrigation – the minimum (light gray) and the maximum (black) on lysimeter replicates – besides the average (dark gray) irrigation is illustrated.Abbildung 1. Folienabdeckung der Lysimeteranlage und Bewässerung (schwarze Linie) sowie die akkumulierte Niederschlags- und Bewässerungsmenge in den Jahren 2017, 2018 und 2019. Ab 2018 wurde die Schwankung - Minimum (hellgrau), Maximum (schwarz), Mittelwert (dunkelgrau) – der Lysimeterbewässerung dargestellt.

Grain yield of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in g m−2. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Abbildung 2. Ertrag von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in g m−2. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n=3) und die Standardabweichung als Fehlerbalken.

Grain δ15N values of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Abbildung 3. Korn δ15N Werte von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3) und die Standardabweichung als Fehlerbalken.

Harvests of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in g m−2. Given are the arithmetic mean values (n = 3) of the aboveground dry biomass, and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 1. Ernten von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in g m−2. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n=3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Grain N content of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 2. Stickstoffgehalt im Korn von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Straw N content of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 3. Stickstoffgehalt des Strohs von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Straw δ15N values of spring wheat (2017), spring barley (2018), and winter wheat (2019) for the different soil types and precipitation treatments in ‰. Given are the arithmetic mean values (n = 3), and the error bars represent the standard deviation.Ergänzungsabbildung 4. Delta15N-Werte des Strohs von Sommerweizen (2017), Sommergerste (2018) und Winterweizen (2019) für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsbehandlungen in ‰. Gegeben sind die arithmetischen Mittelwerte (n = 3). Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung dar.

Harvests of cultivated crops and weeds per plant species and year for the different soil types and precipitation treatments in g m−2Tabelle 3_ Ernteertrag (g m−2) von Getreide, Zwischenfrucht und Beikräutern aus den Jahren 2017, 2018 und 2019 für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien

Crop (year)	Gleyic Phaeozem		Calcaric Phaeozem		Calcic Chernozem

	Current	Predicted	Current	Predicted	Current	Predicted
Spring wheat (2017)	112 (19)	35 (4)	150 (38)	73 (56)	81 (19)	33 (30)
Mustard (2017–2018)	351 (38)	360 (43)	199 (63)	177 (17)	247 (88)	351 (81)
Spring barley (2018)	542 (56)	352 (56)	247 (104)	145 (122)	327 (68)	249 (44)
Weed (2018)	119 (47)	104 (53)	121 (36)	100 (40)	118 (88)	70 (27)
Winter wheat (2019)	953 (119)	562 (118)	456 (12)	242 (83)	625 (140)	564 (37)
Weed (2019)	12 (10)	6 (7)	33 (16)	3 (0)	35 (14)	8 (9)

Chemical and physical soil characteristics (n = 6) of gleyic Phaeozem (Pg), sandy calcaric Phaeozem (Ps), and calcic Chernozem (Ch) in the upper 10 cm_Ergänzungstabelle 1_ Chemische und physikalische Bodeneigenschaften (n = 6) des gleyic Phaeozem (Pg), des sandigen calcaric Phaeozem (Ps) und des calcic Chernozem (Ch) in den oberen 10 cm_

Parameter	Pg	Ps	Ch
pH	7.92 ± 0.04	7.93 ± 0.03	7.94 ± 0.03
CaCO₃ (%)	29.0 ± 1.0	13.9 ± 0.4	20.9 ± 1.0
Total organic C (%)	2.32 ± 0.09	1.93 ± 0.12	2.91 ± 0.04
Total N (%)	0.211 ± 0.012	0.102 ± 0.005	0.227 ± 0.005
Available N (mg/kg/7 d)	57.9 ± 5.7	37.5 ± 5.5	59.2 ± 4.5
Available P (mg/kg)	62.5 ± 5.2	134.3 ± 3.8	81.0 ± 6.2
Available K (mg/kg)	82.02 ± 13.5	57.0 ± 8.5	73.5 ± 8.0
CEC (cmolc/kg)	25.9 ± 1.2	13.8 ± 0.4	28.9 ± 0.3
Ca (% from CEC)	76.5 ± 1.4	78.1 ± 0.7	78.4 ± 1.0
Mg (% from CEC)	19.8 ± 1.2	18.0 ± 0.6	18.6 ± 0.9
K (% from CEC)	1.1 ± 0.1	1.5 ± 0.2	0.9 ± 0.1
Na (% from CEC)	2.5 ± 0.4	2.4 ± 0.4	2.1 ± 0.3
Aggregate stability (%)	21.3 ± 5.5	23.2 ± 8.5	30.7 ± 6.8

Delta13C values of cultivated crops per plant species and year for the different soil types and precipitation treatments in ‰Tabelle 5_ Delta13C Werte der Kulturpflanzen pro Jahr für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in ‰

Crop (year)/part	Gleyic Phaeozem		Calcaric Phaeozem		Calcic Chernozem

	Current	Predicted	Current	Predicted	Current	Predicted
Spring wheat (2017)/grain	−25.3 (0.6)	−23.6 (0.8)	−24.8 (0.8)	−23.7 (0.4)	−25.1 (1.0)	−24.4 (1.0)
Spring wheat (2017)/straw	−27.2 (1.0)	−26.0 (0.3)	−26.9 (0.3)	−26.0 (0.4)	−26.5 (0.6)	−25.5 (0.3)

Spring barley (2018)/grain	−27.1 (0.2)	−26.0 (0.3)	−25.2 (1.0)	−24.6 (0.7)	−27.9 (0.4)	−27.5 (0.3)
Spring barley (2018)/straw	n.d.	n.d.	−26.5 (0.3)	−25.7 (0.2)	−28.0 (0.3)	−27.1 (0.1)

Winter wheat (2019)/grain	−26.4 (0.1)	−24.6 (0.1)	−24.4 (0.1)	−23.6 (0.9)	−26.9 (0.8)	−25.1 (0.0)
Winter wheat (2019)/straw	−28.3 (0.8)	−27.5 (0.4)	−27.6 (0.5)	−26.7 (0.3)	−28.2 (0.4)	−27.6 (0.6)

Three-way ANOVA tables of the overall impact of soil, precipitation, and year (2017, 2018, and 2019) on crop yield, carbon and nitrogen content, and carbon and nitrogen isotope signatureErgänzungstabelle 2_ 3-Wege-ANOVA-Tabellen der Auswirkungen von Boden, Niederschlag und Jahr (2017, 2018 und 2019) auf Ernteertrag, Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt sowie Kohlenstoff- und Stickstoffisotopensignatur_

Parameter	Unit	Soil		Precipitation		Year
Parameter	Unit	F	p	F	p	p
Crop	g m⁻²	25.8/Pg, Ch	<0.001	34.1/curr	<0.001	<0.001
- Grain	g m⁻²	30.9/Pg, Ch	<0.001	42.9/curr	<0.001	<0.001
- Straw	g m⁻²	16.4/Pg	<0.001	20.5/curr	<0.001	<0.001
Harvest index		2.004	0.150	7.98/curr	0.008	0.031
Weed^**	g m⁻²	0.08	0.924	3.75	0.065	<0.001

Grain N	%	0.76	0.474	0.60	0.444	0.005
Straw N^*	%	0.79	0.461	12.3/pre	0.001	<0.001
Grain δ¹⁵N	‰	40.3/Pg	<0.001	6.09/curr	0.019	<0.001
Straw δ¹⁵N^*	‰	11.0/Ch	<0.001	0.16	0.688	<0.001
Grain C	%	4.19/P_S, Ch	0.024	0.248	0.662	0.061
Straw C^*	%	5.94/P_S	0.006	0.50	0.485	<0.001
Grain δ¹³C	‰	28.4/P_S	<0.001	33.8/pre	<0.001	<0.001
Straw δ¹³C^*	‰	10.2/P_S	<0.001	38.7/pre	<0.001	<0.001

Two-way ANOVA tables of the impact of soil and precipitation on yield, carbon and nitrogen content, and isotope signature of spring barley cultivated in 2018Ergänzungstabelle 4_ 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt und die Isotopensignatur von Sommergerste (2018)

Spring barley – harvest 23.07.2018

Parameter	Unit	Soil		Precipitation
Parameter	Unit	F	p	F	p
Grain N	%	0.24	0.792	3.11	0.103
Straw N^*	%	7.71/P_S	0.024	1.76	0.221
Grain δ¹⁵N	‰	15.2/Pg	<0.001	0.01	0.919
Straw δ¹⁵N^*	‰	0.05	0.834	4.92	0.057
Grain C	%	1.39	0.286	0.46	0.512
Straw C^*	%	7.11/P_S	0.028	0.76	0.409
Grain δ¹³C	‰	37.5/P_S Pg	<0.001	7.15/pre	0.020
Straw δ¹³C^*	‰	117/P_S	<0.001	40.5/pre	<0.001

Two-way ANOVA table of the impact of soil and precipitation on the plant biomass of cash and catch crops, grain yield, and weeds in the years 2017–2019Tabelle 4_ 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf die Pflanzenbiomasse von Haupt- und Zwischenfrüchten, Ertrag und Beikräuter für die Jahre 2017 bis 2019

Parameter	Unit	Soil		Precipitation
Parameter	Unit	F	p	F	p
Spring wheat	g m⁻²	4.47/P_S	0.035	19.6/curr	<0.001
- Grain	g m⁻²	2.60	0.115	12.8/curr	0.004
- Straw	g m⁻²	6.17/P_S	0.014	19.2/curr	<0.001

Mustard	g m⁻²	12.0	0.001	1.14	0.306

Spring barley	g m⁻²	12.4/Pg	0.001	8.76/curr	0.012
- Grain	g m⁻²	12.2/Pg	0.001	8.73/curr	0.012
- Straw	g m⁻²	4.09/Pg	0.044	6.97/curr	0.022

Weed	g m⁻²	0.208	0.815	1.29	0.279

Winter wheat	g m⁻²	18.6/Pg	<0.001	16.3/curr	0.002

- Grain	g m⁻²	28.6/Pg	<0.001	27.6/curr	<0.001
- Straw	g m⁻²	14.3/Pg	<0.001	9.15/curr	0.011
Weed	g m⁻²	2.27	0.146	17.0/curr	0.001

Two-way ANOVA table of the impact of soil and precipitation on carbon and nitrogen content and isotope signature of spring wheat and mustard cultivated in 2017Ergänzungstabelle 3_ 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt und die Isotopensignatur von Sommerweizen und Senf (2017)

Parameter	Unit	Soil		Precipitation
Parameter	Unit	F	p	F	p
Spring wheat – harvest 20.07.2017

Grain N	%	16.8/Pg, Ch	<0.001	5.11/pre	0.043
Straw N	%	13.4/Pg, Ch	<0.001	9.65/pre	0.009
Grain δ¹⁵N	‰	7.61/Pg	0.007	4.46	0.056
Straw δ¹⁵N	‰	10.1/Pg, Ch	0.003	2.78	0.121
Grain C	%	8.11/Pg, Ch	0.006	0.61	0.450
Straw C	%	4.49	0.035	0.71	0.416
Grain δ¹³C	‰	0.61	0.561	8.83/pre	0.012
Straw δ¹³C	‰	2.16	0.158	15.2/pre	0.002

Spring wheat – leaf 06.07.2017

Leaf N	%	19.0/Pg, Ch	<0.001	5.11/pre	0.043
Leaf δ¹⁵N	‰	8.96/Pg	0.004	14.0/curr	0.003
Leaf C	%	0.088	0.916	3.97	0.070
Leaf δ¹³C	‰	2.13	0.161	30.8/pre	<0.001

Mustard leaf 24.10.2017

Mustard N	%	41.3/Pg	<0.001	17.1/pre	0.003
Mustard δ¹⁵N	‰	0.52	0.609	1.52	0.241
Mustard C	%	3.59	0.063	4.50	0.057
Mustard δ¹³C	‰	0.65	0.538	4.18	0.064

Crop rotation and management of the lysimetersTabelle 1_ Fruchtfolge und Bewirtschaftung der Lysimeteranlage

Crop	Sowing	Harvest	Crop residue management
Spring wheat (Triticum turgidum subsp. durum (Desf.) Husn) cv. Floradur	04.04.2017	20.07.2017	Crop residues removed
White mustard (Sinapis alba L.) catch crop	24.08.2017	07.03.2018	Mustard residues were mulched and incorporated into the soil on 09.04.2018
Spring barley (Hordeum vulgare L. cv. Cerbinetta)	09.04.2018	23.07.2018	Crop residues removed
Winter wheat (Triticum aestivum L.) cv. Capo	11.10.2018	03.07.2019	Crop residues incorporated

Application rates of N fertilizer in kg N ha−1 dependent on the soil type (calcaric Phaeozem - PS; calcic Chernozem – Ch; gleyic Phaeozem – Pg)Tabelle 2_ Stickstoffdüngung in kg N ha−1 angepasst an den Bodentyp (calcaric Phaeozem - PS; calcic Chernozem – Ch; gleyic Phaeozem – Pg)

Fertilization date	Pg	P_s	Ch
04.04.2017	55	40	55
08.05.2018	50	50	50
20.03.2019	40	35	40
16.04.2019	65	45	65
16.05.2019	45	40	45

Two-way ANOVA tables of the impact of soil and precipitation on yield, carbon and nitrogen content, and isotope signature of winter wheat cultivated in 2019Ergänzungstabelle 5_ 2-Wege-ANOVA-Tabelle zum Einfluss von Boden und Niederschlag auf den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt und die Isotopensignatur von Winterweizen (2019)

Parameter	Winter wheat – harvest 03.07.2019

	Unit	Soil		Precipitation
	Unit	F	p	F	p
Grain N	%	0.77	0.488	0.41	0.536
Straw N	%	2.10	0.166	4.92/pre	0.047
Grain δ¹⁵N	‰	36.8/Pg, Ch	<0.001	5.74/curr	0.038
Straw δ¹⁵N	‰	5.22/Pg	0.023	0.17	0.688
Grain C	%	91.6/Pg	<0.001	0.00	0.987
Straw C	%	5.79/P_S, Ch	0.017	0.60	0.452
Grain δ¹³C	‰	13.2/P_S	0.002	21.1/pre	0.001
Straw δ¹³C	‰	4.05/P_S	0.045	8.38/pre	0.013

More extreme and frequent drought periods reduced crop production and altered stable isotope ratios of C and N in plants

Figures & Tables

Figure 1.

Figure 2.

Figure 3.

Supplemental Figure 1.

Supplemental Figure 2.

Supplemental Figure 3.

Supplemental Figure 4.

Delta13C values of cultivated crops per plant species and year for the different soil types and precipitation treatments in ‰Tabelle 5_ Delta13C Werte der Kulturpflanzen pro Jahr für die verschiedenen Bodentypen und Niederschlagsszenarien in ‰

Crop rotation and management of the lysimetersTabelle 1_ Fruchtfolge und Bewirtschaftung der Lysimeteranlage

Application rates of N fertilizer in kg N ha−1 dependent on the soil type (calcaric Phaeozem - PS; calcic Chernozem – Ch; gleyic Phaeozem – Pg)Tabelle 2_ Stickstoffdüngung in kg N ha−1 angepasst an den Bodentyp (calcaric Phaeozem - PS; calcic Chernozem – Ch; gleyic Phaeozem – Pg)

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