Long-term dynamics of BVOC production, storage and emission in boreal Scots pine

Abstract

Plants synthesise thousands of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) as part of their secondary metabolism. Scots pine (Pinus sylvestris) particularly produces mono- and sesquiterpenes, which are mainly stored in oleoresin in resin ducts. In this study, the monoterpene emission rate from stems was found to increase as a function of increasing resin pressure, which was positively correlated with the air temperature and foliage transpiration rate.

Monoterpene synthase activity describes the maximum monoterpene production potential. The seasonal cycle and needle age were observed to explain the majority of the variation in needle monoterpene synthase activities, monoterpene storage pools and monoterpene emissions from shoots. Variation in the monoterpene concentration between seasons, different needle age classes and different trees was observed to be minor. Monoterpene synthase activity was higher in <1-year-old needles compared to older ones. Within a single tree, the compound-specific composition of monoterpene synthase activities and monoterpene storages was not reflected in the composition of emissions. For example, the share of δ-3-carene was substantially higher in the emissions than in the storage pools and synthase activities.

An automated enclosure measurement system including a proton transfer reaction mass spectrometer was utilized to follow the VOC emissions from the woody compartments of trees over several years. This was the first study to quantify such emissions for an extended period. Scots pine stems were observed to emit monoterpenes and methanol into the ambient air. The fluxes displayed a seasonal cycle: methanol emissions were highest in the midst of the growing season, whereas monoterpene emissions peaked not only on the hottest summer days, but also in the spring when the photosynthetic capacity of trees recovered. The emissions of some monoterpenes exhibited distinct diurnal patterns in their enantiomeric compositions. The above-canopy air terpene concentrations reflected the emission rates from trees, the atmospheric reactivities of the compounds, the tree species composition of the measurement site and the abundances of different tree chemotypes.

Kasvit tuottavat osana sekundaarimetaboliaansa tuhansia erilaisia haihtuvia orgaanisia yhdisteitä eli VOC-yhdisteitä, joita ne hyödyntävät erityisesti puolustusyhdisteinä. Alhaisista pitoisuuksistaan huolimatta nämä yhdisteet osallistuvat ilmakehässä moninaisiin kemiallisiin prosesseihin, jolloin niiden vaikutus ulottuu paljon yksittäisen kasvin kasvuympäristöä laajemmalle. Mänty (Pinus sylvestris L.) tuottaa erityisesti mono- ja seskviterpeenejä, joista valtaosa varastoituu pihkaan. Pihka on tiehyissä paineenalaisena. Tässä tutkimuksessa paineen havaittiin korreloivan positiivisesti sekä ilman lämpötilan että versojen transpiraationopeuden kanssa. Lisäksi sekä korkean pihkanpaineen että ilman korkean lämpötilan havaittiin lisäävän monoterpeenien haihduntanopeutta rungosta.

Monoterpeenisyntaasiaktiivisuus kuvaa neulasten maksimaalista kykyä tuottaa monoterpeenejä. Ympäristötekijöiden vuodenaikaisvaihtelun ja neulasten iän todettiin selittävän suurimman osan neulasten monoterpeenisyntaasiaktiivisuuksien sekä monoterpeenivarastojen ja -päästöjen vaihtelusta. Männynneulasten monoterpeenipitoisuuden vaihtelu vuodenaikojen, eri-ikäisten neulasten ja eri puiden välillä oli puolestaan verrattain pientä. Monoterpeenisyntaasiaktiivisuus oli suurempaa alle vuoden ikäisillä neulasilla kuin tätä vanhemmilla. Saman puun neulasten monoterpeenisyntaasiaktiivisuuksien ja monoterpeenivarastojen yhdistekohtainen koostumus ei heijastunut päästöjen koostumukseen: esimerkiksi δ-3-kareenia oli päästöissä selvästi suurempi osuus kuin varastoissa ja syntaasiaktiivisuuksissa.

VOC-yhdisteiden päästöjä on mitattu puiden yhteyttävistä osista jo pitkään, mutta tässä tutkimuksessa seurattiin ensikertaa puiden puuosien päästöjä usean vuoden ajan. Mittaukseen käytettiin automaattista kammiomittausjärjestelmää ja siihen liitettyä protoninvaihtoreaktiomassaspektrometriä.

Männyn rungosta havaittiin vapautuvan ilmaan monoterpeenejä ja metanolia. Kummankin aineen päästöissä näkyi vuodenaikaisvaihtelua: Metanolipäästöt olivat suurimmillaan keskellä kasvukautta. Monoterpeenipäästöt puolestaan olivat korkeimmillaan paitsi kesien kuumimpina päivinä, myös keväällä puiden yhteytyskapasiteetin palautuessa lepokauden jälkeen. Tutkittujen puiden monoterpeenipäästöjen enantiomeerikoostumuksessa esiintyi vuorokausivaihtelua. Puiden vapauttamien yhdisteiden määrän, yhdisteiden reaktiivisuuden, metsän puulajikoostumuksen ja puiden eri kemotyyppien runsauden havaittiin heijastuvan latvuskerroksen yläpuolisen ilman terpeenikoostumukseen.