Early season BVOC emission for young potted Norway spruce (Picea abies)

Abstract

Biogenic volatile organic compounds (BVOC) are emitted naturally from the biosphere to the atmosphere and are a part of the global carbon emissions. BVOCs are contributing to around 5-10% of the total net carbon exchange to the atmosphere. The BVOC emissions from the biosphere are mainly from plants and other organisms and consists of many different compounds, such as isoprene, monoterpenes (MT) and methanol. BVOCs have a high chemical reactivity and reactions with atmospheric compounds leads to oxidization of BVOCs, which contributes to formation of cloud condensation nuclei and secondary organic aerosols, affecting the solar radiation penetration and particle composition of the atmosphere, making the study of BVOCs important. The compounds produced are affected by different environmental factors such as light, temperature and stress.
This thesis analyzed the relationship of BVOC emissions affected by light and mechanical stress on young potted Norway spruce (Picea abies) by using proton transfer reaction – time of flight mass spectrometry combined with a portable photosynthesis system with a conifer chamber.
Despite the choice of instrument, no sesquiterpene emissions could be detected. The results of the thesis reveal differences in emissions for the different spruces, where MT emissions for spruce 2 were twice as high than for spruce 6. However, isoprene and methanol emissions were not found for spruce 2 but emitted from spruce 6 indicating differences between the spruces. Differences between branches of the same spruce were found as well, where branch 1 on spruce 2 emitted MT in a range between 0.13 and 0.24 μg gdw-1 h-1, emissions in line with published research, while the other branches had emissions closer to 0 μg gdw-1 h-1. The light response measurements revealed the increase with light of emissions to be 10 to 40 times lower for all compounds compared to published research. The analyze of mechanical stress by cutting the needles revealed expected results with induced emissions for all compounds, and up to two orders of magnitude for MT compared to before mechanical damage. Isoprene revealed higher induced emissions directly after cut in light conditions compared to dark conditions. The decay of the emissions after cut showed no difference in light or dark conditions for the compounds.
The results of this thesis are compared to published literature analyzing mature spruce stands during an entire season, which makes the comparison uncertain, however, some of the spruces in this thesis did show emissions on the lower end of the published research.

Popular Abstract (Swedish)

Biogena flyktiga organiska föreningar (BVOC) förekommer som naturliga utsläpp från biosfären till atmosfären och är en del av de globala utsläppen av kol. BVOC bidrar med omkring 5-10% av de totala kolutbytet med atmosfären. Utsläppen av BVOC från biosfären kommer främst från växter och organismer och består av flera olika kemiska föreningar, som till exempel kan vara isopren, monoterpener (MT), seskviterpener (SQT) eller metanol. BVOC föreningarna reagerar lätt med andra föreningar i atmosfären som till exempel hydroxidjoner (OH) eller ozon, vilket kan påverka marknära ozon och på så sätt bidra till den globala uppvärmningen. BVOC kan även bilda molnkondensations-kärnor och sekundära organiska aerosoler, vilket i sin tur påverkar molnbildning och kan ha en nedkylande effekt på atmosfären. Detta gör forskning på växters utsläpp av BVOC viktig. Forskning har även visat att utsläppen av de olika BVOC föreningarna är beroende av ljus, temperatur och stress.
Denna studie har analyserat hur relationen ser ut mellan BVOC utsläpp och ljus samt mekanisk stress på ung planterad gran (Picea abies) genom att använda proton transfer reaction – time of flight mass spectrometry kombinerat med ett portabelt fotosyntes system och en anpassad barrkammare. Även olikheter i utsläpp från grenar på samma gran har undersökts.
Resultaten visar att det finns tydliga skillnader i utsläpp mellan olika granar, men även mellan grenar på samma gran. Det fans tydliga skillnader i MT ustläpp mellan gran 2 och gran 6, där gran 2 hade dubbelt så höga utsläpp jämfört med gran 6. För gran 2 visade gren 1 ustläpp av MT mellan 0.13 och 0.24 μg gdw-1 h-1, vilket är i linje med annan publicerad forskning, medan de andra grenarna visade utsläpp närmre 0 μg gdw-1 h-1. Relationen mellan ljus och BVOC utsläpp visade på en svag ökning utsläpp vid höjda ljusnivåer, men med en ökning som var 10 till 40 gånger lägre än annan publicerad forskning. Analyser av mekanisk stress, genom att skära barren på mitten visade att utsläpp av MT ökar upp till två storleksordningar efter skada jämfört med innan, för att sedan avta till stabila nivåer. En lika tydlig ökning kunde inte ses för isporen eller metanol. Analysen genomfördes både under ljusa och mörka förhållanden och visade ingen distinkt skillnad i hur snabbt utsläppen avtog i styrka efter skada. Inga utsläpp av SQT kunde analyseras i denna studie, vilket troligtvis kan bero på den tidiga växtsäsongen.
Denna studie visar resultat som för vissa grenar är jämförbara med de lägre utsläppen som uppmätts av annan publicerad forskning som analyserat vuxna granbestånd under en hel växtsäsong. För många av grenarna kunde dock inga utsläpp uppmätas och detta kan bero på att granarna var i för låg ålder, samt på grund av att säsongen var för tidig.

• author: Jaakkola, Erica
• supervisor: Thomas Holst
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science
• course: NGEM01 20182
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Physical Geography and Ecosystem analysis, BVOC, Norway spruce, PTR-TOFMS, photosynthesis
• publication/series: Student thesis series INES
• report number: 468
• language: English
• id: 8967929
• date added to LUP: 2019-01-24 15:41:38
• date last changed: 2019-01-24 15:41:38