Stress-induced BVOC emissions from forests in Sweden
Jaakkola, Erica LU
(2024)
- Abstract
- A changing climate is expected to lead to more extreme weather events, such as an increased frequency of droughts and forest fires. Changing forest conditions can offer benefits to species such as insects, including bark borers that thrive in warm conditions. Warmer temperatures also favor the acceleration of ozone (O3) production, which can cause stress on vegetation. Vegetation stress can have negative impacts on growth and can also result in increased tree mortality, negatively impacting global forests with deforestation, loss of biodiversity and associated ecosystem services. This thesis aimed to quantify the effect of forest stress from the European spruce bark beetle (Ips typographus), elevated O3 concentrations and forest fires by... (More)
- A changing climate is expected to lead to more extreme weather events, such as an increased frequency of droughts and forest fires. Changing forest conditions can offer benefits to species such as insects, including bark borers that thrive in warm conditions. Warmer temperatures also favor the acceleration of ozone (O3) production, which can cause stress on vegetation. Vegetation stress can have negative impacts on growth and can also result in increased tree mortality, negatively impacting global forests with deforestation, loss of biodiversity and associated ecosystem services. This thesis aimed to quantify the effect of forest stress from the European spruce bark beetle (Ips typographus), elevated O3 concentrations and forest fires by analyzing the biogenic volatile compound (BVOC) emissions from both healthy and stressed trees.
The results of this thesis revealed that bark beetle infestations appear as a critical stressor, increasing the total BVOC emissions by 7 900%. Recovery after forest fires, on the other hand, indicated a 54% to 90% reduction in emission rates. Similarly, elevated O3 concentrations revealed an 80% reduction in BVOC emissions from mountain birch leaves. However, after exposure the emissions were instead boosted with 16% higher emissions compared to healthy leaves. In addition to the total emission rates, the importance of the individual compounds were highlighted in this thesis. Bark beetle infestations caused significant increases for all measured compounds, plus the addition of eucalyptol not seen from healthy bark. Even if there was a reduction in the total emission rates from the forest fire recovery and the O3 exposure, increases were seen for individual compounds. This can have substantial implications for atmospheric chemistry as certain compounds found to increase have a higher capacity for secondary organic aerosol (SOA) formation. Scaling up the impacts to cover all of Sweden, the study estimates a 2% increase in BVOC emissions when considering all stresses concurrently.
This thesis provides an insight into how stress from drought, bark beetle and forest fire can have long-term impacts on BVOC emissions. The quantified emissions are an important contribution to our knowledge on vegetation response to stress. These results can be used as a basis for better prediction of future emission changes in atmospheric and ecosystem models. Additional applications of the thesis results can be to monitor forest status by using the quantified stress emissions as indicators of forest stress.
(Less) - Abstract (Swedish)
- Sveriges skogar påverkas av de hastiga globala klimatförändringarna. Inverkan av klimatförändringana syns redan med både ökad frekvens och kraftigare extremväder som stormar, värmeböljor, torka och skyfall. Ett tydligt exempel är den extrema torka som drabbade hela landet år 2018. Till följd av torkan har det bland annat skett en explosionsartad ökning av antalet granbarkborrar som angriper och dödar granar i Sveriges skogar. Den värsta skogsbranden i svensk modern tid drabbade Mellansverige samma år och förhöjda halter av ozon uppmättes till följd av de förhöjda temperaturerna. Det står klart att klimatförändringana påverkar oss på en märkbar nivå men utöver de direkta effekter som leder till att träd och skogar dör, är det inte riktigt... (More)
- Sveriges skogar påverkas av de hastiga globala klimatförändringarna. Inverkan av klimatförändringana syns redan med både ökad frekvens och kraftigare extremväder som stormar, värmeböljor, torka och skyfall. Ett tydligt exempel är den extrema torka som drabbade hela landet år 2018. Till följd av torkan har det bland annat skett en explosionsartad ökning av antalet granbarkborrar som angriper och dödar granar i Sveriges skogar. Den värsta skogsbranden i svensk modern tid drabbade Mellansverige samma år och förhöjda halter av ozon uppmättes till följd av de förhöjda temperaturerna. Det står klart att klimatförändringana påverkar oss på en märkbar nivå men utöver de direkta effekter som leder till att träd och skogar dör, är det inte riktigt lika tydligt hur skog och mark egentligen påverkas.
All vegetation interagerar med atmosfären där bland annat koldioxid är en vital del för att växter ska kunna leva och växa med hjälp av fotosyntes. Men utöver fotosyntesen har växter ytterligare interaktioner med atmosfären. Under fotosyntesprocessen tillverkas nämligen även andra ämnen som är användbara för växterna. Dessa ämnen är små kolväten som bland annat produceras för försvar mot till exempel insektsangrepp, men också mot förhöjda temperaturer eller mot oxidativ ozonstress som annars hade kunnat skada växters celler och vävnader. Kolvätena som släpps ut har en engelsk förkortning, BVOC, som kan översättas till biogena volatila organiska kolväten.
Syftet med denna avhandling var att analysera effekten av barkborreangrepp, oxidativ ozonstress samt återhämtning efter skogsbränder genom att mäta dessa BVOC utsläpp. Resultaten är tydliga från barkborrestudien, BVOC utsläppen från granbark ökade med 7 900 % vilket var den största uppmätta ökningen av alla studier. Skogsbränder och oxidativ ozonstress påverkade BVOC utsläppen i motsatt riktning, efter skogsbrand minskade utsläppen från skogsmark med upp till 90 % och under oxidativ ozonstress sågs en minskning med 80 %. En viktig uppräckt i denna avhandling var också att även om de totala utsläppen minskade, så uppmättes en ökning för vissa kolväten.
Denna upptäckt är av stor vikt eftersom BVOC utsläppen även påverkar en stor del av kemin i atmosfären. BVOC kan bland annat bilda sekundära organiska aerosoler, partiklar som påverkar atmosfären genom att bland annat direkt sprida och reflektera solstrålning. Aerosolerna bidrar även till att bilda moln. Det har gjorts upptäckter att vissa kolväten är bättre än andra på att bilda aerosoler, och det är även dessa kolväten som sågs öka vid stress, även om totalen minskar. Utöver dessa resultat bidrar denna avhandling också till en fördjupad förståelse av hur skog påverkas av stress förorsakad av klimatförändringar. Dessa resultat är även av stor vikt för att förbättra prognoser från modeller av atmosfärskemi och ekosystemmodeller.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/d49d7d45-cf1a-4360-89e1-e2011770816d
- author
- Jaakkola, Erica
LU
- supervisor
- opponent
-
- Professor Potosnak, Mark J., DePaul University, Chicago, United States
- organization
- publishing date
- 2024
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Volatile organic compounds, Plant stress, Forests, Volatile emissions, spruce bark beetle infestations, ozone stress, wildfire recovery, Picea abies (Norway spruce), Betula pubescens ssp. czerepanovii, Pinus sylvestris (Scots pine), sweden
- pages
- 204 pages
- publisher
- Lunds Universitet/Lunds Tekniska Högskola
- defense location
- Lecture hall "Pangea" (Hörsal 229), Geocentrum II, Sölvegatan 12, Lund
- defense date
- 2024-03-08 09:30:00
- ISBN
- 978-91-89187-35-1
- 978-91-89187-36-8
- project
- Stress-induced BVOC emissions from forests in Sweden
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- d49d7d45-cf1a-4360-89e1-e2011770816d
- date added to LUP
- 2024-02-07 15:12:09
- date last changed
- 2024-02-09 14:42:00
@phdthesis{d49d7d45-cf1a-4360-89e1-e2011770816d,
abstract = {{A changing climate is expected to lead to more extreme weather events, such as an increased frequency of droughts and forest fires. Changing forest conditions can offer benefits to species such as insects, including bark borers that thrive in warm conditions. Warmer temperatures also favor the acceleration of ozone (O3) production, which can cause stress on vegetation. Vegetation stress can have negative impacts on growth and can also result in increased tree mortality, negatively impacting global forests with deforestation, loss of biodiversity and associated ecosystem services. This thesis aimed to quantify the effect of forest stress from the European spruce bark beetle (Ips typographus), elevated O3 concentrations and forest fires by analyzing the biogenic volatile compound (BVOC) emissions from both healthy and stressed trees.<br/>The results of this thesis revealed that bark beetle infestations appear as a critical stressor, increasing the total BVOC emissions by 7 900%. Recovery after forest fires, on the other hand, indicated a 54% to 90% reduction in emission rates. Similarly, elevated O3 concentrations revealed an 80% reduction in BVOC emissions from mountain birch leaves. However, after exposure the emissions were instead boosted with 16% higher emissions compared to healthy leaves. In addition to the total emission rates, the importance of the individual compounds were highlighted in this thesis. Bark beetle infestations caused significant increases for all measured compounds, plus the addition of eucalyptol not seen from healthy bark. Even if there was a reduction in the total emission rates from the forest fire recovery and the O3 exposure, increases were seen for individual compounds. This can have substantial implications for atmospheric chemistry as certain compounds found to increase have a higher capacity for secondary organic aerosol (SOA) formation. Scaling up the impacts to cover all of Sweden, the study estimates a 2% increase in BVOC emissions when considering all stresses concurrently.<br/>This thesis provides an insight into how stress from drought, bark beetle and forest fire can have long-term impacts on BVOC emissions. The quantified emissions are an important contribution to our knowledge on vegetation response to stress. These results can be used as a basis for better prediction of future emission changes in atmospheric and ecosystem models. Additional applications of the thesis results can be to monitor forest status by using the quantified stress emissions as indicators of forest stress.<br/>}},
author = {{Jaakkola, Erica}},
isbn = {{978-91-89187-35-1}},
keywords = {{Volatile organic compounds; Plant stress; Forests; Volatile emissions; spruce bark beetle infestations; ozone stress; wildfire recovery; Picea abies (Norway spruce); Betula pubescens ssp. czerepanovii; Pinus sylvestris (Scots pine); sweden}},
language = {{eng}},
publisher = {{Lunds Universitet/Lunds Tekniska Högskola}},
school = {{Lund University}},
title = {{Stress-induced BVOC emissions from forests in Sweden}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/170929122/Kappa_EJ.pdf}},
year = {{2024}},
}