Exchange rates and content of VOCs in Mediterranean soils; their responses to drought and warming and their linkage with biotic factors

Abstract

Los organismos vivos intercambian gases con la atmósfera. Estos gases llamados Compuestos Orgánicos Volátiles Biogénicos (COVBs) son muy importantes para la química de la troposfera y el ciclo global del carbono. Las plantas producen una gran variedad de hidrocarburos de los cuales el grupo más representativo y abundante son los isoprenoides. El isopreno, los monoterpenos y sesquiterpenos representan una pequeña proporción de esta gran diversidad de productos vegetales dentro del grupo de los isoprenoides. Además de isoprenoides, las plantas emiten otros compuestos orgánicos volátiles, por ejemplo, el metanol, metil jasmonato, etileno y muchos compuestos orgánicos oxigenados de carbono. <br/>Existen muchos procesos de retroalimentación entre la biosfera y la atmósfera. Por un lado las plantas juegan un papel importante en la química de la zona baja de la atmósfera. La foto-oxidación atmosférica de las emisiones de COVs produce dos productos importantes en la baja atmósfera, el ozono y los aerosoles orgánicos. Ambos tienen importantes consecuencias para la calidad del aire y el clima. Por otro lado, el clima, es decir, los cambios en la variabilidad o estado medio de la atmósfera a través del tiempo, está afectando a su vez las actividades de la biosfera. Por lo tanto, es de gran importancia estimar los flujos biogénicos COVs a la atmósfera y sus variaciones en el contexto del cambio climático, especialmente ante las predicciones, por parte de modelos climáticos y ecofisiológicos, de un aumento de la sequía durante las próximas décadas.<br/>La mayor parte de la investigación acerca de los flujos de COVs (sin incluir el metano) se ha centrado en los flujos de las partes aéreas de las plantas a diferentes niveles, desde la cubierta foliar hasta flores y tallos. Sin embargo, hasta los últimos años, la información sobre los flujos COV procedentes las partes subterráneas de las plantas, por ejemplo las raíces, era muy escasa. <br/>En esta tesis nos hemos interesado por el intercambio de gases traza diferentes al metano biogénico: CO2 y COVs. El principal método utilizado para medir los flujos de gases del suelo en este trabajo es una variante del método de cámara cerrada. El modo de funcionamiento en este caso es dinámico. Un flujo continuo de aire se bombea a través de la cámara, y el gas emitido desde el suelo se mide directamente en la corriente de aire o es adsorbido en un material adecuado para la captura y posterior análisis de la emisión del suelo.<br/>Los objetivos generales de esta tesis doctoral fueron: 1) caracterizar el contenido y el intercambio de COVs en suelos Mediterráneos, en particular monoterpenos por su importante papel en la ecología, la fisiología vegetal y la química atmosférica, y también de otros compuestos orgánicos volátiles, y 2) evaluar los posibles cambios en el intercambio de COVs y CO2 del suelo ante la perspectiva de un cambio ambiental global hacia unas condiciones más áridas y secas en la región Mediterránea. <br/>Las principales conclusiones son las siguientes: <br/>Las tasas de intercambio de COVs totales y de monoterpenos entre la superficie del suelo y la atmósfera son muy bajas. La contribución de las emisiones del suelo por unidad de superficie al total de emisiones monoterpenos de origen biogénico a la atmósfera, es relativamente baja. Las tasas absorción de COVs y monoterpenos del suelo son también bajas, sin embargo, son comparables con algunas tasas de absorción foliar de monoterpenos. Se requieren más estudios para corroborar estos resultados y la posible importancia del suelo como un sumidero de COVs en el los modelos químico-climáticos. <br/>Los resultados sugieren que la reducción en la disponibilidad de agua y el incremento de las temperaturas previstos para las próximas décadas podría afectar de manera importante las tasas de intercambio de COVs del suelo con la atmósfera, sin embargo se necesitan estudios a largo término para determinar con exactitud esta respuesta frente al cambio climático.<br/>En este trabajo hemos encontrado que la sequía y las altas temperaturas tienden a incrementar las tasas de emisión de COVs del suelo. Los resultados sugieren que las causas podrían ser más bien debidas al efecto físico de la sequía y las altas temperaturas en las características del suelo y la volatilidad de los COVs, más que un efecto en las actividad de las raíces y los microorganismos del suelo. Sin embargo, los resultados también muestran que la sequía reduce el flujo de CO2 del suelo, mientras que las altas temperaturas los aumentan. Así pues, la sequía y el calentamiento están afectando diversos procesos biológicos que se desarrollan en las partes aéreas y subterráneas del ecosistema, los cuales podrían afectar el intercambio de COVs del suelo. El efecto final del cambio climático no es, por tanto, claro, ya que es probable que las factores que afectan el intercambio de COVs del suelo estén produciendo diferentes efectos de manera desacoplada.

Living organisms exchange trace gases with the atmosphere. These gases named biogenic volatile organic compounds (BVOCs) are very important for the global tropospheric chemistry and the global carbon cycle (Fehsenfeld et al, 1992; Singh and Zimmerman, 1992). Plants produce a variety of hydrocarbons of which the most representative and abundant group is isoprenoids. Isoprene, monoterpenes and sesquiterpenes represent a small proportion of the diverse group of isoprenoid plant products. In addition to isoprenoids, several other volatile organic compounds are emitted by plants, for example methanol, methyl jasmonate, ethylene and many organic oxygenated carbon compounds. <br/>Biosphere and atmosphere show multiple regulation feedbacks in their processes. On one hand plants play an important role in the low atmosphere chemistry. The atmospheric photo-oxidation of the emitted VOCs leads to two important products in the lower atmosphere, ozone and organic aerosol, which have important consequences for air quality and climate. On the other hand, the earth's global climate, i. e. the changes in the variability or average state of the atmosphere over time, is affecting biosphere activities in turn. Hence, it is important to estimate biogenic VOC fluxes to the atmosphere and their variations under the climate warming and the increased drought projected for the next decades by climatic and ecophysiological models. <br/>Most of the research about non methane VOC fluxes has focused on fluxes from the above-ground part of the plants at different levels, from canopy to foliar/flower/stem level. However, until the last years, information about VOC fluxes from the below-ground parts of the plants was very scarce.<br/>We were interested in the soil atmosphere trace gas exchange of CO2 and non methane biogenic VOCs. The principal method used to measure soil fluxes in this work is a variant of the enclosure method. The mode of operation was dynamic. A steady stream of air is pumped though the chamber, and the gas emitted from the soil is measured directly in the air stream or adsorbed in a suitable trapping material for subsequent release and analysis.<br/>The general objectives of this PhD thesis were 1) to characterize Mediterranean soil VOC contents and exchange, particularly monoterpenes because of their important role on ecology, plant physiology and atmospheric chemistry, but also other VOCs, and 2) to assess the possible changes in soil VOC and CO2 exchange rates under the global environmental change towards more arid and warm conditions in the Mediterranean region.<br/>The major conclusions are the following ones: <br/>Total VOC and monoterpene exchange rates from soil surfaces are low. There is relatively low soil emissions contribution to total biogenic monoterpene emissions to the atmosphere on a land area basis. Soil VOC and monoterpene uptake rates were also low, though comparable with some foliar uptake rates. Further studies are needed to corroborate these results and the possible importance of the soil VOCs sink in chemistry-climate models.<br/>Results suggest that the water availability reduction and the increase of temperature expected in the next decades might greatly affect soil VOC exchange rates to the atmosphere, but longer-term studies are needed to discern the response of soil VOC exchange rates to climate change. We found that drought and high temperatures tended to increase soil VOC emission rates. Results suggest the causes may be more the physical effects on soil features and VOCs volatility than the effects on soil roots and microorganisms activities. However, results also showed that drought reduced soil CO2 fluxes, while high temperature increased them. Thus, drought and warming are affecting several biological below-ground and above-ground processes which could affect soil VOCs exchange. The final effect of climate change is not clear but uncoupling effects to different processes are thus likely to occur.