Tropospheric ozone fluxes in agroecosystem and Norway spruce forest

Thomas Agyei

Doctoral thesis

Toky troposférického ozonu ve smrkovém lese a v agroekosystému

Abstract:

Přízemní ozon (O3) je druhotná znečisťující látka, která je jedním z největších stresorů v přírodních ekosystémech. Snižuje produkci a růst rostlin, fotosyntézu, akumulaci biomasy a ovlivňuje vzájemnou vazbu mezi rostlinami a živočichy. Podle měření a výstupů z modelů se jeho koncentrace v troposféře zvyšuje a předpokládá se další zvyšování spolu s postupujícím globálním oteplováním. Efekt působení O3 na rostliny je dán především jeho tokem do průduchů, který je ovlivněn přírodními podmínkami, jako jsou vlastnosti půdy a charakteristika daného rostlinného druhu. Cílem práce je stanovit toky přízemního O3 v lesním ekosystému a v agroekosystému a stanovit poměr mezi tokem O3 do průduchů a celkovým tokem O3 spolu s vlivem na produktivitu rostlin. Za tímto účelem se práce zabývá vlivem působení O3 na rostliny Brassica nigra stresované požerem býložravci a vlivem na emise volatilních organických látek biogenního původu (BVOCs). Součástí práce je i výzkum mapující vliv sucha a nedostatku vláhy na depozici O3 v ekosystému. Práce se zabývá i vlivem O3 na produktivitu jetelo-travního porostu (jílek vytrvalý a jetel luční) polních podmínkách. Polní pokusy s obohaceným vzdušným O3 (FACE) spolu s laboratorními experimenty byly provedeny za účelem zjištění vlivu O|3 na emise BVOCs, biochemii a fyziologii rostlin. Systém vířivé kovariance doplněný o sadu meteorologických sensorů v porostu smrku ztepilého byl využit pro měření toků CO2 a O3 na úrovni ekosystému. Navíc, koncentrace ozonu ([O3]) a tok ozonu do průduchů (Fsto) byl měřen, respektive vypočítán na základě resistenční analogie. Vliv působení [O3] a Fsto byl posléze modelován za využití smíšených lineárních modelů. Bylo zjištěno, že kombinace stresu O3 s pořezem býložravci vede k navýšení emisí BVOCs u rostlin rostoucích v polních podmínkách. Krátkodobé vystavení rostlin B. nigra spolu s O3 a požerem býložravci nemělo žádný vliv na obsah uhlíku a dusíku v listech rostlin, nicméně dlouhodobé chronické působení O3 a požer způsobilo potlačení fotosyntézy. V dalším experimentu během období silného sucha (vlhkost půdy 13%) byla zjištěna vysoká depozice celkového O3 v porovnání s obdobím počátků sucha (vlhkost půdy 19%). Porovnáním vlivů O3 podmínek ([O3] a Fsto) během období před průmyslovou revolucí s aktuálním stavem bylo zjištěno, že došlo ke snížení čisté ekosystémové produkce během vegetační sezony o 29,7 a 13,5%, podle modelu založeném na [O3], respektive Fsto. Z toho vyplývá, že otevřenost průduchů je formována a měněna velmi komplexními vnějšími podmínkami, které jsou zodpovědné za depozici O3 do rostlinných ekosystémů. Depozice O3 do průduchů vede přímo ke změnám produktivity rostliny, k anatomickým a fyziologickým změnám. Tedy, nikoliv pouze vnější koncentrace O3, ale především Fsto je zodpovědný za stupeň poškození rostliny. V souladu s výše uvedeným, modely předpovídající dopad působení O3 na ekosystémy založené na Fsto jsou mnohem přesnější než ty založené pouze na O3.

Abstract:

Tropospheric ozone (O3) is a secondary photochemical pollutant belonging to major stressors in natural ecosystems. It reduces plant productivity, decreases photosynthesis, slows plant growth, reduces biomass accumulation, and affects the interactions between plants and animals. Moreover, measurements and model results indicate that its concentration in the troposphere has increased over the years, and it is expected to rise along with global warming. The effects of O3 on plants are heavily influenced by stomatal uptake, which depends on the environmental conditions, soil factors, species characteristics. The aim of this thesis is to quantify tropospheric O3 fluxes in forests and agroecosystems, determine the fraction of stomatal to total O3 flux and its effects on plant productivity. To achieve this aim, the thesis investigates the effects of O3 exposure, herbivore-feeding, and a combination of the two stressors on the emission rates of biogenic volatile organic compounds (BVOCs), physiological and biochemical properties of Brassica nigra plants. The effect of limited water availability on O3 deposition in the forest ecosystem was also investigated. The thesis also explores the effect of O3 on the productivity of a managed ryegrass-clover mixture under field conditions. Field experiments in an O3-Free Air Concentration Enrichment (FACE) facility and laboratory experiments were conducted to investigate the effect of O3 on BVOCs emission rates and profiles, plant biochemistry, and physiology. Eddy-covariance system complemented with meteorological sensors mounted at the Norway spruce forest and agroecosystem was used to measure CO2 and O3 fluxes. Ozone concentration ([O3]) and stomatal O3 flux (Fsto) were measured and calculated based on the resistance analogy model, respectively. The impact of [O3] and Fsto on Net Ecosystem Production (NEP) were modelled by linear mixed-effects models. The combined stress of O3 and herbivore feeding enhanced emission rates of BVOCs from field-grown plants. Short-term O3 exposure and herbivore-feeding had no effect on foliar carbon and nitrogen content, but chronic O3 exposure and herbivore-feeding suppressed net photosynthesis of B. nigra plants. There was a substantially higher total O3 deposition during severe drought (soil humidity 13%) period compared to mild drought period (soil humidity 19%). When lower pre-industrial O3 conditions were compared to current O3 conditions, the latter led to a decrease of cumulative net ecosystem production over the vegetation season up to 29.7 and 13.5% when the [O3]-based and Fsto-based model was applied, respectively. To conclude, my research shows a critical role of stomatal conductance in O3 deposition at plant and even at the ecosystem level. Stomatal deposition of O3 is crucial as it directly leads to anatomical and physiological constraints of plants and reduction of carbon assimilation and plant productivity. So not only O3 concentration but mainly Fsto drives the level of plant injury. Accordingly, models predicting the impacts of O3 on terrestrial ecosystems based on Fsto are more precise as compared to O3-based ones.

Keywords

průdochová vodivost, vířivá kovariance, fotosyntéza

Keywords

photosynthesis, Stomatal conductance, eddy-covariance

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 3. 2022

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Ing. Michal Vladimír Marek, DrSc.
• Reader: Jana Albrechtová, Ph.D., prof. RNDr., Vít Šrámek, externi, Ľubica Ditmarová, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme / field:
Botany / Plant Anatomy and Physiology