Effect of dew and fog on Swiss grasslands using stable isotopes of water
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ETH Library Effect of dew and fog on Swiss grasslands using stable isotopes of water Doctoral Thesis Author(s): Li, Yafei Publication date: 2022 Permanent link: https://doi.org/10.3929/ethz-b-000535428 Funding acknowledgement: 175733 - The importance of fog and dew for Swiss grasslands today and in the future (Acronym: IFDewS) (SNF) This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information, please consult the Terms of use.
DISS. ETH NO. 28146
Effect of dew and fog on Swiss grasslands
using stable isotopes of water
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCE of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
Yafei Li
M.Sc. in Environmental Science,
University of Chinese Academy of Sciences
M.Sc. in Water and Environment, University of Copenhagen
born on 20 July 1990
citizen of China
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Werner Eugster (examiner)
Dr. Franziska Aemisegger (co-examiner)
Prof. Dr. Nina Buchmann (co-examiner)
Prof. Dr. Todd Dawson (co-examiner)
2022Abstract
Abstract
Non-rainfall water (NRW), mainly dew and fog, have been identified as important water sources
for many ecosystems. NRW, as an additional water source besides rainfall, is expected to become
more important for regions suffering from longer and more frequent dry spells, as they are predicted
with climate change. This also affects the midlatitudes, where regionally more frequent droughts
and dry spells are expected during the warm season. Stable isotopes of water are an efficient and
naturally available tracer to investigate hydrological processes. Differences in saturation vapor
pressure and diffusivity of different water molecules inducing so-called isotopic fractionation
during phase changes can be linked to the key processes in the hydrological cycle. Therefore, stable
isotopes can be used for analyzing soil–plant–atmosphere interactions associated with NRW input
related to dew and fog.
My doctoral thesis aimed to investigate the effect of dew and fog on Swiss grasslands through
event-based field campaigns at three temperate grassland sites (CH-CHA, CH-RHB, CH-FRU) and
one alpine grassland site (CH-AWS) in 2018–2021. I explored the role of dew and fog in local
water cycling, and the effect of dew and fog on plant water status and net ecosystem exchange
(NEE). This was done by measuring the isotopic composition (δ18O and δ2H) in all relevant
compartments of the hydrological cycle: (1) atmospheric water vapor, (2) NRW droplets on foliage,
(3) leaf water, (4) root xylem water, and (5) soil water, combined with (6) eddy-covariance (EC)
flux measurements of water vapor, (7) meteorological and (8) physiological measurements. The
primary aim of this thesis is to emphasize the ecological importance of dew and fog for temperate
and alpine grasslands during summer dry spells. The functions of NRW inputs have been rarely
investigated in the past, because rainfall gain tends to exceed annual evapotranspiration loss in
these regions during normal years. However, the fact that NRW inputs may play a key role at the
event timescale in overcoming a dry spell without irreversible eco-hydrological damage has
recently attracted more attention towards this important moisture source for plants in temperate
regions.
After a general introduction in Chapter 1, I illustrate in Chapter 2, the role of dew and fog
in local water cycling through analyzing the isotopic composition of atmospheric water vapor, and
NRW droplets on foliage, complemented by EC and meteorological variables during three dew and
fog events in summer 2018 at the CH-CHA site located in the bottom of a broad valley. The
IAbstract
environmental conditions relevant for the formation of dew and fog are discussed. Deuterium
excess (d = δ2H – 8δ18O) derived from δ18O and δ2H was employed to analyze the main drivers of
diel water vapor isotope variability. Furthermore, a simple two-end-member mixing model based
on an isotope mass balance was employed to partition the input pathways of NRW droplets on
foliage into condensation from ambient water vapor and soil water distillation. The results in
Chapter 2 showed that dew droplets on foliage were mixed with 9–42 % of condensate from soil
vapor diffusion, and 52–91 % of condensate from atmospheric water vapor. The water vapor d was
found to be strongly linked with local surface relative humidity, highlighting the dominant role of
local moisture as a source for ambient water vapor in the synoptic context of the studied dry spells
with very limited impact from large-scale advection. Chapter 2 underlines the importance of NRW
inputs to temperate grasslands during dry spells and reveals the complexity of the local water cycle
in such conditions.
In Chapter 3, I focused on the complexity of water vapor isotopes in the near-surface
atmosphere as affected by the temporal evolution of radiation fog and cloud coverage at the CH-
CHA site, Water vapor isotopes were combined with EC and meteorological measurements, as
well as COSMO-1 model (Consortium for Small-scale Modeling) output. Five events were selected:
(1) event 1 with shallow radiation fog occurring around sunrise; (2) event 2 with the transition of
fog from shallow radiation fog to deep radiation fog; (3) event 3 with the transition of fog from
shallow radiation fog, and further to deep radiation fog, which persisted after sunrise with a low-
level cloud cover aloft; (4) event 4 with midnight fog dissipation due to low-level clouds aloft; and
(5) event 5 with low to mid-level frontal cloud coverage but without fog in the context of a cold
frontal passage. The results in Chapter 3 showed that shallow radiation fog and deep radiation fog
are associated with different characteristic signatures in the variability of the water vapor isotope
signals depending on the relative strength of mixing, condensation, and deposition processes.
Furthermore, Chapter 3 highlights the importance of cloud coverage on the temporal evolution of
the isotope signals of fog events. The results reveal the highly variable isotopic composition in the
near-surface atmosphere affected by land–atmosphere interactions relating to radiation fog
evolution and cloud coverage.
In Chapter 4, I investigated the effect of dew and fog on plants of a temperate grassland at
the CH-CHA site through analyzing the isotopic composition of atmospheric water vapor, NRW
droplets on foliage, leaf water, root xylem water, and soil water, complemented by the changes of
leaf water potential (LWP) and leaf relative water content (RWC), EC and meteorological
IIAbstract
measurements. The controls of radiative cooling and leaf wetting on nighttime stomatal opening
were investigated. The physical prerequisite of dew and fog formation, with cooler leaf surface
allowing for warmer atmospheric water vapor condensing on foliage, controlled the directions of
water exchange from the atmosphere to the leaf. Leaf conductance computed from an isotopic mass
balance model indicates nighttime stomatal opening, and minor influence of root water flux on leaf
conductance during dew and fog formation. The results in Chapter 4 underline the ecological
relevance of radiative cooling and leaf wetting for land–atmosphere interactions in natural
temperate grasslands which is hardly considered in laboratory experiments, thereby
complementing previous chamber experiment studies.
In Chapter 5, I concentrated on the effect of dew water on plant water status and gross
primary production (GPP) of ecosystem, and in an alpine grassland site CH-AWS during the June
2019 heatwave. GPP partitioned from net ecosystem CO2 flux was analyzed during no-rain period
of the heatwave from 25 to 30 June 2019. To allow for natural drought treatment, at the end of the
heatwave periods (28–30 June), the isotopic composition of atmospheric water vapor, NRW
droplets on foliage, root xylem water, soil water, leaf water and leaf sugar, as well as leaf water
potential (LWP) was measured. A chamber-tracer experiment in a custom-made canopy chamber
was carried out on 28–29 June by amending isotopically depleted water on plant surfaces for leaf
water and sugar isotopic analysis. The results indicate the suppression of CO2 uptake by heat-
drought stress, and the promotion of dew water on CO2 uptake in the early morning hours. The
effect of dew water on LWP varied by species and is related to species-specific dependences on
soil water. In the chamber-tracer experiment, the leaf water isotopes were found to be depleted by
the tracer, which could not be successfully transferred to leaf sugar, suggesting that the effect of
dew water on GPP was not directly via influencing photosynthesis, but via indirectly benefiting
CO2 uptake of plants suffering from drought and heat stress by suppressing atmospheric
evaporative demand. Chapter 5 underlines the effect of dew on GPP of alpine grassland during
the June 2019 heatwave.
As synthesized in the conclusions in Chapter 6, this doctoral thesis used stable isotopes of
water combined with site-based EC and meteorological measurements, regional-scale COSMO-1
model output at km resolution, and event-based physiological measurements to investigate the role
of dew and fog in grassland–atmosphere water and carbon exchange. The results of this doctoral
thesis contribute to advance our understanding on the complex ecologically relevant processes
associated with the occurrences of dew and fog during droughts.
IIIZusammenfassung
Zusammenfassung
Wasser, das nicht aus Niederschlägen stammt (NRW), sondern vor allem aus Tau und Nebel, wurde
als wichtige Wasserquelle für viele Ökosysteme identifiziert. Es wird erwartet, dass NRW als
zusätzliche Wasserquelle neben den Niederschlägen für Regionen, die unter längeren und
häufigeren Trockenperioden leiden, wie sie mit dem Klimawandel vorhergesagt werden, an
Bedeutung gewinnen wird. Dies betrifft auch die mittleren Breiten, wo regional häufigere Dürren
und Trockenperioden während der warmen Jahreszeit zu erwarten sind. Stabile Wasserisotope sind
ein natürlicher und effizienter Tracer zur Untersuchung hydrologischer Prozesse. Unterschiede im
Sättigungsdampfdruck und in der Diffusionsgeschwindigkeit verschiedener Wassermoleküle, die
bei Phasenübergängen zur so genannten Isotopenfraktionierung führen, können mit den
Schlüsselprozessen im Wasserkreislauf in Verbindung gebracht werden. Daher können stabile
Isotope für die Analyse von Boden-Pflanze-Atmosphäre-Wechselwirkungen im Zusammenhang
mit NRW-Einträgen verwendet werden, die direkt mit Tau und Nebel zusammenhängen.
In meiner Dissertation untersuchte ich die Auswirkungen von Tau und Nebel auf Schweizer
Grasland durch ereignisbasierte Feldkampagnen an drei der gemässigten klimazone Standorten
Grasland (CH-CHA, CH-RHB, CH-FRU) und einem Standort mit alpinem Grasland (CH-AWS)
im Zeitraum 2018–2021. Ich analysierte die Rolle von Tau und Nebel im lokalen Wasserkreislauf
und die Auswirkungen von Tau und Nebel auf den Wasserstatus der Pflanzen und den Netto-
Ökosystemaustausch (NEE). Dazu wurde die Isotopenzusammensetzung (δ18O und δ2H) in allen
relevanten Kompartimenten des hydrologischen Kreislaufs gemessen: (1) atmosphärischer
Wasserdampf, (2) NRW-Tropfen auf Blättern, (3) Blattwasser, (4) Wurzel-Xylem-Wasser und (5)
Bodenwasser, kombiniert mit (6) Eddy-Kovarianz (EC)-Flussmessungen von Wasserdampf, (7)
meteorologischen und (8) pflanzenphysiologisch Messungen. Das Hauptziel dieser Arbeit war es,
die ökologische Bedeutung von Tau und Nebel auf der gemässigten und alpinen klimazonen
Graslandschaften während sommerlicher Trockenperioden herauszustellen. Die Funktionen von
NRW-Einträgen wurden in der Vergangenheit nur selten untersucht, da der Niederschlagsgewinn
in diesen Regionen den jährlichen Evapotranspirationsverlust bei weitem übersteigt. Die Tatsache,
dass NRW Einträge jedoch eine Schlüsselrolle spielen könnten auf der Ereigniszeitskala, um die
Trockenperioden zu überbrücken, hat in den letzten Jahren zu immer mehr Aufsehen geführt.
IVZusammenfassung
In Kapitel 2 veranschaulichte ich die Rolle von Tau und Nebel im lokalen Wasserkreislauf
durch die Analyse der Isotopenzusammensetzung des atmosphärischen Wasserdampfs und der
NRW-Tröpfchen auf dem Gras, ergänzt durch EC- und meteorologische Variablen während dreier
erwarteter Tau- und Nebelereignisse im Sommer 2018 am CH-CHA-Standort, der in einem breiten
Talboden liegt. Die Umweltbedingungen für die Tau- und Nebelbildung wurden im Detail
beschrieben. Ein sekundärer Parameter, der Deuteriumüberschuss (d = δ2H – 8δ18O), der aus δ18O
und δ2H abgeleitet wurde, wurde verwendet, um die Haupttreiber des Tagesgangs der
Wasserdampf-Isotopenvariabilität zu analysieren. Darüber hinaus wurde ein einfaches, auf einer
Isotopen-Massenbilanz basierendes Zwei-Komponenten-Mischungsmodell verwendet, um die
Eintragspfade von NRW-Tröpfchen auf Laub zu unterscheiden. Die Ergebnisse in Kapitel 2
zeigten, dass Tautropfen auf Gras zu 9–42 % aus Kondensat der Bodendampfdiffusion stammt und
zu 52–91 % aus Kondensat des atmosphärischen Wasserdampfs. Es wurde festgestellt, dass das
Wasserdampf-basierte d stark mit der lokalen relativen Oberflächenfeuchte zusammenhängt, was
die dominante Rolle der lokalen Feuchtigkeit als Quelle für den umgebenden Wasserdampf im
synoptischen Kontext der untersuchten Trockenperioden unterstreicht. Kapitel 2 zeigt die
Bedeutung von NRW-Einträgen in der gemässigt klimazone Grasländer während Trockenperioden
auf und weist auf die Komplexität des lokalen Wasserkreislaufs unter solchen Bedingungen hin.
In Kapitel 3 konzentrierte ich mich auf die Komplexität der Wasserdampfisotop in der
oberflächennahen Atmosphäre, die von der Entwicklung des Strahlungsnebels und der
Wolkenbedeckung am CH-CHA-Standort beeinflusst wird. Die Wasserdampfisotop wurden mit
EC- und meteorologischen Messungen sowie mit den Ergebnissen des COSMO-1-Modells
(Consortium for Small-scale Modeling) kombiniert. Es wurden fünf Ereignisse ausgewählt: (1)
Ereignis 1 mit geringmächtigem bis kompaktem Strahlungsnebel bei Sonnenaufgang; (2) Ereignis
2 mit dem Übergang des Nebels von geringmächtigem bis kompaktem Strahlungsnebel zu tief
liegendem adiabatischen Strahlungsnebel; (3) Ereignis 3 mit dem Übergang des Nebels von
geringmächtigem bis kompaktem Strahlungsnebel zu tief liegendem adiabatischen Strahlungsnebel
und dem Fortbestehen des Nebels nach Sonnenaufgang bei darüberliegender Bewölkung; (4)
Ereignis 4 mit mitternächtlicher Nebelauflösung aufgrund darüberliegender Bewölkung; und (5)
Ereignis 5 mit Wolkenbedeckung, aber ohne Nebel, im Zusammenhang mit einem
Kaltfrontdurchgang. Die Ergebnisse in Kapitel 3 zeigten, dass geringmächtiger bis kompakter
Strahlungsnebel und mächtiger adiabatischer Strahlungsnebel durch unterschiedliche
charakteristische Signaturen in der Variabilität der Wasserdampf-Isotopensignale verbunden sind,
VZusammenfassung
abhängig von der relativen Stärke der Mischungs-, Kondensations- und Depositionsprozesse.
Darüber hinaus wird in Kapitel 3 die Bedeutung der darüber liegenden Wolken für die zeitliche
Entwicklung der Isotopensignale der Nebelereignisse hervorgehoben. Die Ergebnisse zeigen die
hochgradig variable Isotopenzusammensetzung in der oberflächennahen Atmosphäre, die durch
Wechselwirkungen zwischen Land und Atmosphäre im Zusammenhang mit der Entwicklung von
Strahlungsnebel und der Wolkenbedeckung beeinflusst wird.
In Kapitel 4 untersuchte ich die Auswirkungen von Tau und Nebel auf Pflanzen eines
gemässigten Graslandes der gemässister klimazone am Standort CH-CHA durch die Analyse der
Isotopenzusammensetzung des atmosphärischen Wasserdampfes, der NRW-Tröpfchen auf dem
Laub, des Blattwassers, des Wurzel-Xylem-Wassers und des Bodenwassers, ergänzt durch die
Veränderungen des Blattwasserpotenzials (LWP) und des relativen Wassergehalts des Blattes
(RWC), der EC- und meteorologischer Messungen. Die Auswirkungen von Abkühlung in Folge
langwelliger Strahlungsverluste und der Blattfeuchte auf die nächtliche Dynamik der
Spaltöffnungen der blätter wurden untersucht. Die physikalische Voraussetzung der Tau- und
Nebelbildung, bei der die kühlere Blattoberfläche die Kondensation des wärmeren
atmosphärischen Wasserdampfs auf dem Blatt ermöglicht, kontrollierte die Richtung des
Wasseraustauschs von der Atmosphäre zum Blatt. Der anhand eines Isotopen-
Massenbilanzmodells berechnete blattleitfähigkeitswert deutet auf eine nächtliche Öffnung der
Spaltöffnungen und einen geringen Einfluss des Wurzelwasserflusses auf den Blattleitwert
während der Tau- und Nebelbildung hin. Die Ergebnisse in Kapitel 4 unterstreichen die
ökologische Relevanz der Abkühlung in Folge langwelliger Strahlungsverluste und der
Blattfeuchte für die Land-Atmosphäre-Interaktionen in natürlichen Graslandschaften der
gemässigten Breiten, die in Laborexperimenten kaum berücksichtigt werden. Unsere Ergebnisse
ergänzen damit frühere Kammerversuchsstudien.
In Kapitel 5 konzentrierte ich mich auf die Auswirkung von Tauwasser auf den Wasserstatus
der Pflanzen und die Bruttoprimärproduktion (GPP) des Ökosystems, und zwar am alpinen
Graslandstandort CH-AWS während der Hitzewelle im Juni 2019. Die aus dem Netto-CO2-Fluss
des Ökosystems abgeleitete GPP wurde während der regenfreien Periode der Hitzewelle vom 25.
bis 30. Juni 2019 analysiert. Um die natürliche Trockenheit zu berücksichtigen, wurde am Ende
der Hitzewelle (28.–30. Juni) die Isotopenzusammensetzung des atmosphärischen Wasserdampfs,
der NRW-Tropfen auf dem Laub, des Wurzel-Xylem-Wassers, des Bodenwassers, des
Blattwassers und des Blattzuckers sowie das Blattwasserpotenzial (LWP) gemessen. Am 28. und
VIZusammenfassung
29. Juni wurde ein Kammer-Tracer-Experiment in einer speziell angefertigten Baumkronen-
Kammer durchgeführt, bei dem Wasser mit sehr tiefem anfeil des schwereren isotops auf
Pflanzenoberflächen für die Isotopenanalyse des Blattwassers und -zuckers beigemischt wurde.
Die Ergebnisse zeigen die Unterdrückung der CO2-Aufnahme durch Hitze-Trockenstress und die
Förderung der CO2-Aufnahme durch Tauwasser in den frühen Morgenstunden. Die Auswirkung
von Tauwasser auf das LWP variierte je nach Art und hängt mit den artspezifischen
Abhängigkeiten vom Bodenwasser zusammen. Im Kammer-Tracer-Experiment wurde festgestellt,
dass die Isotope des Blattwassers durch den Tracer abgereichert wurden, was nicht erfolgreich in
den Blattzucker gelangtem, was darauf hindeutet, dass die Wirkung von Tauwasser auf die GPP
nicht direkt über die Beeinflussung der Photosynthese, sondern indirekt über die Förderung der
CO2-Aufnahme von Pflanzen, die unter Trockenheit und Hitzestress leiden erfolgt, durch die
Unterdrückung des atmosphärischen Verdunstungsbedarfs. Kapitel 5 unterstreicht somit die
Wirkung von Tau auf die GPP von alpinem Grasland während der Hitzewelle im Juni 2019.
Wie in den Schlussfolgerungen in Kapitel 6 zusammengefasst, werden in dieser
Doktorarbeit stabile Wasserisotope in Kombination mit standortbezogenen EC- und
meteorologischen Messungen, dem kleinräumigen COSMO-1-Modelloutput und ereignisbasierten
pflanzenphysiologischen Messungen verwendet, um die Rolle von Tau und Nebel im Wasser- und
Kohlenstoffaustausch zwischen Grasland und Atmosphäre zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser
Dissertation tragen dazu bei, die ökologische Relevanz von Tau und Nebel bei trockenerem Klima
zu untersuchen.
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