Ecophysiological control of biogenic volatile organic compound emissions in ozone polluted forest ecosystems

Ing. Stanislav Juráň

Doctoral thesis

Ekofyziologická kontrola emisí biogenních volatilních organických látek v lesních ekosystémech znečištěných ozonem

Abstract:

Biogenní volatilní organické látky (BVOC) jsou nedílnou součástí atmosféry a významně se podílejí na interakcích mezi ní a biosférou. Působením různých stresorů dochází v rostlinných pletivech k vyšší produkci těchto látek, které mají řadu ochranných funkcí. Vyšší emise BVOC však mohou zároveň vést k tvorbě troposférického ozonu a to zejména při zvýšené koncentraci oxidů dusíku a zvýšené intenzitě ultrafialové radiace. BVOC mohou rovněž přispívat k tvorbě sekundárního organického aerosolu. Troposférický ozon působí jako silné oxidační činidlo a rozkládá BVOC na odlišné produkty. Vlivem globální změny se zvyšuje míra a četnost výskytu stresorů působících na lesní porosty, což vede k vyšším emisím BVOC. Po chemické stránce jsou BVOC velmi heterogenní skupinou. Nejvýznamnější sloučeniny představují monoterpeny a isopren. Cílem práce bylo (1) zvládnutí metod detekce BVOC v polních podmínkách, (2) provedení polních experimentů na ekosystémových stanicích Castelporziano u Říma, Itálie s dominujícím porostem dubu cesmínového a Bílý Kříž, Česká republika s porostem smrku ztepilého a (3) kvantifikovat toky BVOC za různých synoptických situací a s ohledem na přítomnost troposférického ozonu. K měření BVOC byla použita analytická technika proton-transfer-reaction spojená s hmotnostním spektrometrem typu time-of-flight (PTR-TOF-MS) a kvadrupolem (PTR-MS). K získání denních a sezónních toků různých monoterpenů byl využit Inverzní Lagrangianův Transportní Model. Bylo prokázáno, že rozdílný základní emisní faktor pro slunné a stinné jehlice vede ke zpřesnění modelovaných emisí modelem MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature). Byla kvantifikována ztráta uhlíku díky emisím BVOC oproti GPP (gross primary production) ve výši až 1,5 %.

Abstract:

Biogenic volatile organic compounds (BVOCs) are important constituents of the atmosphere and substantially contribute to biosphere-atmosphere interactions. Occurrence of various stressors induces their production in plant tissue, which might be plant-protective. Higher BVOC emissions might lead to tropospheric ozone production under the presence of nitrogen oxides and high intensities of ultraviolet radiation. BVOCs contribute to secondary organic aerosol formation. Tropospheric ozone as a powerful oxidizing agent cleaves BVOCs into other compounds. Frequency and severity of stressors occurrence is enhanced under the climate change and thus BVOCs are emitted in higher quantities. Chemically are BVOCs heterogeneous group with most important compounds being monoterpenes and isoprene. The aim of the thesis was (1) to manage BVOC detection methods in field conditions, (2) to conduct field experiments at Castelporziano experimental station nearby Rome, Italy with dominating Holm oak forest and Bílý Kříž, Czech Republic with dominating Norway spruce forest, and (3) to quantify BVOC fluxes under the presence of tropospheric ozone. Spectrometers with time-of-flight (PTR-TOF-MS) and quadrupole (PTR-MS) have been used for measurements. To get fluxes of various monoterpenes, Inverse Lagrangian Transport Model has been deployed. It was proven, that distinguished basal emission factor for sun and shaded needles leads for better prediction by MEGAN (Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature) model. Carbon loss due to BVOC emissions was quantified to be up to 1.5 % of GPP (gross primary production).

Keywords

modelování, smrk ztepilý, ozon

Keywords

Norway spruce, ozone, modelling

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 2. 2017

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Ing. Michal Vladimír Marek, DrSc.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Botany / Plant Anatomy and Physiology