Volatile organic compounds (VOCs) in plants and soils of Mediterranean ecosystems

Abstract

Els compostos orgànics volàtils biogènics (COVBs) juguen un paper important en l'ecologia i la química atmosfèrica. Les emissions d'aquests COVBs pels ecosistemes terrestres són degudes principalment a les plantes i estan molt influenciades per les variacions en les variables ambientals i, per tant, es veuen afectades per l'augment del canvi ambiental global. No obstant això, aquestes emissions i les seves influències no són ben conegudes en els ecosistemes mediterranis.

Si bé els COVBs del sòl aparentment tenen un paper menor en la química atmosfèrica, per la seva fracció generalment baixa pel que fa a les emissions totals dels ecosistemes de tipus mediterrani, tenen un paper ecològic important en els processos del sòl. Molts estudis anteriors sobre COVs del sòl han analitzat els fluxos, mentre que les concentracions reals de COVs en els sòls dels ecosistemes mediterranis no s'han considerat fins ara.

En aquest treball, faig el seguiment d'experiments de manipulació ambiental en ecosistemes típics mediterranis per estudiar els intercanvis de COVs, incloses les emissions de les plantes, i els intercanvis i concentracions de sòls, i els factors que els determinen.

L'arbust Erica multiflora L., espècie abundant en matolls mediterranis i l'arbre Quercus ilex L., espècie dominant en molts boscos mediterranis van ser les espècies estudiades, la primera al Parc Natural de Garraf (matoll) i la segona en les Muntanyes de Prades (bosc), dos ecosistemes típicament mediterranis. Les dues espècies van emetre terpens, però només es va detectar una emissió significativa d’isoprè en E. multiflora. Les emissions d'isoprenoides van augmentar amb la temperatura de l'aire i generalment van disminuir a mesura que augmentava la humitat del sòl. Les emissions de terpens van augmentar sinèrgicament a causa de l'estrès per calor i la sequera a l'estiu. La fertilització amb nitrogen no va afectar significativament l'emissió de isoprè, però va augmentar significativament les emissions totals de terpens i va disminuir la seva diversitat.

Per als sòls dels mateixos ecosistemes de matolls i boscos d'alzines, els de matolls van mostrar concentracions totals de COVs més altes que els boscos. Les concentracions de metanol, àcid acètic, formaldehid, etanol i acetaldehid van ser els compostos dominants en ambdós ecosistemes. La temperatura del sòl i el contingut d'aigua, el flux de CO2 i l'activitat enzimàtica van ser les millors variables explicatives de la variació en les concentracions de COVs del sòl en els dos ecosistemes: hi va haver una associació més forta entre la concentració de compostos dominants, excepte el formaldehid, amb la temperatura del sòl i / o el flux de CO2 que amb el contingut d'aigua del sòl. L'activitat dels enzims que degraden el C i el N es va associar positivament amb la concentració de COVs, segons l'ecosistema, i es va correlacionar constantment amb un alt contingut d'aigua en el sòl.

També vaig analitzar una gespa mediterrània amb arbres de Pinus pinea L. Vaig quantificar l'intercanvi d'isoprenoides entre el sòl (amb fullaraca) i l'atmosfera al llarg d'un gradient horitzontal des dels troncs de Pinus pinea. Les emissions d'isoprenoides van ser majors i més diverses, i també es poden estimar aproximadament pel pes sec de la fullaraca a prop del tronc, on la fullaraca d'acícules era més densa. Les taxes d'intercanvi es van correlacionar positivament amb la temperatura del sòl i negativament amb la humitat del sòl a la zona de gespa a cel obert.

En conclusió, es poden esperar més emissions de COVBs a causa dels augments en les emissions foliars, i els intercanvis i concentracions de sòls com a resultat del canvi climàtic a la regió mediterrània.

Los compuestos orgánicos volátiles biogénicos (COVBs) juegan un papel importante en la ecología y la química atmosférica. Las emisiones de éstos por los ecosistemas terrestres son debidas principalmente a las plantas y están muy influenciadas por las variaciones en las variables ambientales y, por lo tanto, se ven afectadas por el aumento del cambio ambiental global. Sin embargo, estas emisiones y sus influencias no son bien conocidas en los ecosistemas mediterráneos.

Si bien los COVBs del suelo aparentemente desempeñan un papel menor en la química atmosférica, debido a su fracción generalmente baja con respecto a las emisiones totales de los ecosistemas de tipo mediterráneo, desempeñan un papel ecológico importante en los procesos del suelo. Muchos estudios anteriores sobre COVs del suelo han analizado los flujos, mientras que las concentraciones reales de COVs en los suelos de los ecosistemas mediterráneos no se han considerado.

En este trabajo, realizo el seguimiento de experimentos de manipulación ambiental en ecosistemas típicos mediterráneos para estudiar los intercambios de COVs, incluidas las emisiones de las plantas, y los intercambios y concentraciones de suelos, y los factores que los determinan.

El arbusto Erica multiflora L., especie abundante en matorrales mediterráneos y el árbol Quercus ilex L., especie dominante en muchos bosques mediterráneos fueron las especies estudiadas, la primera en el Parque Natural del Garraf (matorral) y la segunda en Les Muntanyes de Prades (bosque), dos ecosistemas típicamente mediterráneos. Ambas especies emitieron terpenos, pero sólo se detectó una emisión significativa de isopreno en E. multiflora. Las emisiones de isoprenoides aumentaron con la temperatura del aire y generalmente disminuyeron a medida que aumentaba la humedad del suelo. Las emisiones de terpenos aumentaron sinérgicamente debido al estrés por calor y la sequía en verano. El fertilizante nitrogenado no afectó significativamente la emisión de isopreno, pero aumentó significativamente las emisiones totales de terpenos y disminuyó su diversidad.

Para los suelos de los mismos ecosistemas de matorrales y bosques de encinas, los de matorrales mostraron concentraciones totales de COVs más altas que los bosques. Las concentraciones de metanol, ácido acético, formaldehído, etanol y acetaldehído fueron los compuestos dominantes en ambos ecosistemas. La temperatura del suelo y el contenido de agua, el flujo de CO2 y la actividad enzimática fueron las mejores variables explicativas de la variación en las concentraciones de COVs del suelo en los dos ecosistemas: hubo una asociación más fuerte entre la concentración de compuestos dominantes, excepto el formaldehído, con la temperatura del suelo y / o el flujo de CO2 que con el contenido de agua del suelo. La actividad de las enzimas que degradan el C y el N se asoció positivamente con la concentración de COVs, según el ecosistema, y se correlacionó constantemente con un alto contenido de agua en el suelo.

También muestreé un césped mediterráneo con árboles de Pinus pinea L. Cuantifiqué el intercambio de isoprenoides entre el suelo (con hojarasca) y la atmósfera a lo largo de un gradiente horizontal desde los troncos de Pinus pinea. Las emisiones de isoprenoides fueron mayores y más diversas, y también pueden estimarse aproximadamente por el peso seco de la hojarasca cerca del tronco, donde la hojarasca de acículas era más densa. Las tasas de intercambio se correlacionaron positivamente con la temperatura del suelo y negativamente con la humedad del suelo en la zona de césped en cielo abierto.

En conclusión, se pueden esperar mayores emisiones de COVBs debido a los aumentos en las emisiones foliares, y los intercambios y concentraciones en los suelos como resultado del cambio climático en la región mediterránea.

Biogenic volatile organic compounds (BVOCs) play important roles in ecology and atmospheric chemistry. Their emissions from terrestrial ecosystems are driven mainly by plants, and are greatly influenced by the variations in environmental variables and therefore are altered by increasing global environmental change (GEC). However, these emissions and their influences are not well known in natural Mediterranean ecosystems.

While soil BVOCs apparently play a minor role in atmospheric chemistry, owing to their usually low fraction with respect to the total ecosystem emissions in Mediterranean-type ecosystems, they play important ecological roles in soil processes. Much previous studies on soil VOCs have looked at fluxes, while the actual VOC concentrations in soils from Mediterranean ecosystems have never been considered.

In this work, I carry out the monitoring of environmental manipulation experiments in typical Mediterranean ecosystems to study the exchanges of VOCs, including emissions from plants, and exchanges and concentrations of soils, and their possible drivers.

The shrub Erica multiflora L. abundant species in Mediterranean shrublands and the tree Quercus ilex L. dominant species in many Mediterranean forests were the species studied, the former in the Garraf Natural Park (shrubland) and the latter in Les Muntanyes de Prades (forest), two typically Mediterranean ecosystems. Both species emitted terpenes, but a significant emission of isoprene was only detected from E. multiflora. Isoprenoid emissions increased with air temperature and generally decreased as the amount of soil moisture increased. Terpene emissions increased synergistically due to heat stress and drought in summer. Nitrogenous fertilizer did not significantly affect the emission of isoprene, but it significantly increased the total emissions of terpenes and decreased their diversity. The results suggest that higher isoprenoid emissions can be expected as the Mediterranean region becomes warmer and drier over the next few decades and that N deposition could further stimulate these emissions.

For the soils of the same shrubland and holm oak forest ecosystems, those of shrubland showed higher total VOC concentrations than forest. The concentrations of methanol, acetic acid, formaldehyde, ethanol, and acetaldehyde were the dominant compounds in both ecosystems. Soil temperature and water content, CO2 efflux, and enzyme activity were the best explanatory variables for variation in soil VOC concentrations in the two ecosystems: there was a stronger association between concentration of dominant compounds, except formaldehyde, with soil temperature and/or CO2 efflux than with soil water content. Activity of C- and N-degrading enzymes was positively associated with the concentration of VOCs, depending on ecosystem, and consistently correlated with high soil water content. In the holm oak forest soils, net photosynthetic rate (A) was positively correlated with soil concentration of monoterpenes. These results show that soil VOC concentrations in these Mediterranean ecosystems are driven by soil temperature and water content, and microbial activity, in combination with ecosystem plant activity.

I also analyzed a Mediterranean turf with Pinus pinea L. trees. I quantified the exchange of isoprenoids between soil (with litter) and atmosphere along a horizontal gradient from the trunks of Pinus pinea. Isoprenoid emissions were greatest and most diverse, and also can be roughly estimated by litter dry weight near the trunk, where the needle litter was denser. Irregular emission and adsorption of isoprenoids with low exchange rates were recorded, and exchange rates were correlated positively with soil temperature and negatively with soil moisture in open turf.

In conclusion, higher BVOC emissions can be expected owing to the increases in foliar emissions, and exchanges and concentrations of soils, and N deposition will also further stimulate these emission trends by increasing foliar isoprenoid emissions in the warmer and drier conditions predicted for the coming decades in the Mediterranean region.