Boreaaliset puut metaanin lähteenä kasvukauden alussa

Metaani (CH4) on yksi tärkeimmästä kasvihuonekaasusta. Sen ilmastoa lämmittävä vaikutus on 100 vuoden lämmi-tyspotentiaalina 28-kertainen hiilidioksidiin verrattuna. Lisäksi metaanin määrä ilmakehässä on yli kaksinkertaistunut esiteollisen ajan alun jälkeen ja sen lähteiden tuntemisessa on puutteita. Ilmakehän metaanista suurimman osan on arveltu olevan peräisin anaerobisissa olosuhteissa tapahtuvasta metanogeneesistä. Boreaaliset metsät on mielletty CH4-nieluiksi maan hapellisessa kerroksessa tapahtuvan metaaninsitoutumisen vuoksi. Myös puut toimivat CH4-lähteinä joko helpottamalla maassa anaerobisesti syntyneen metaanin pääsyä ilmakehään tai tuottamalla sitä itse. Vaikka ensimmäiset havainnot puiden CH4-päästöistä tehtiin jo lähes 20 vuotta sitten, on vasta viimeaikainen tutkimus osoittanut että puiden CH4-päästöt voivat vaikuttaa huomattavasti metsien CH4-taseeseen. Suurimpien arvioiden mu-kaan puiden vapauttaman metaanin osuus on jopa 10–40 % globaalista CH4-budjetista. Puiden CH4-päästöjen tutki-mus on tähän asti suuntautunut enimmäkseen trooppiselle ja temperaattiselle kasvillisuusvyöhykkeelle, mutta tutki-mus boreaalisella kasvillisuusvyöhykkeellä on jäänyt vähäiseksi. Tämän pro gradu -työn tavoitteena on arvioida boreaalisella havumetsävyöhykkeellä tavanomaisesti esiintyvien kah-den puulajin, hieskoivun (Betula pubescens) ja kuusen (Picea abies), CH4-vuota ja sen vaihtelua kasvukauden alussa. Työn aineistona on käytetty 28.4.–11.6.2015 Hyytiälässä kahdella eri koealalla havaittuja puiden ja metsänpohjan CH4-voita, jotka on mitattu hieskoivujen ja kuusien rungoista ja oksista käyttäen suljettua kammiomittausmenetelmää. Koealoina olivat soistunut alue (metsäkortekorpi), jolta valittiin 4 koepuuta (2 hieskoivua, 2 kuusta) ja kivennäismaa-alue (kuivahko kangas), jolta valittiin yksi koepuu (hieskoivu). Tutkimuksissa havaittiin, että sekä hieskoivut että kuuset toimivat CH4-lähteinä rungoista ja oksista, vaikka ne myös ajoittain sitoivat metaania. Havaitut CH4-vuot olivat suuruusluokaltaan hyvin vaihtelevia. Suurimmat CH4-päästöt ha-vaittiin soistuneella kasvupaikalla kasvavien hieskoivujen rungoista, joissa runkopinta-ala kohtaiset päästöt vähenivät eksponentiaalisesti puun pituusprofiilissa tyvestä latvaa, ja rungon tyveltä mitatut suurimmat päästöt myös kasvoivat kevään edetessä. Soistuneella koealalla puiden runkojen CH4-vuo korreloi maalämpötilojen kanssa sekä positiivisesti (hieskoivut) että negatiivisesti (kuuset). Sadekertymän havaittiin korreloivan negatiivisesti koivujen runkojen vuon kanssa. Muilla taustamuuttujilla (esim. ilman lämpötila, säteily, mahlan virtausnopeus) ei ollut havaittavaa yhteyttä puiden CH4-vuohon. Korrelaatioita ei myöskään havaittu kivennäismaakohteella olleen hieskoivun keskiarvoisten CH4-voiden ja taustamuuttujien välillä. Puiden CH4-vuosta tehtiin yleistys metsikkötasolle, mikä osoitti kuusien päästö-jen (6,15 g ha−1 vrk−1) olevan suurempia kuin hieskoivujen päästöt (5,82 g ha−1 vrk−1) johtuen kuusien oksiin sitoutu-neesta suuremmasta biomassan määrästä verrattuna hieskoivuihin. Tästä syystä kuuset voivat olla merkittävämpiä metaanin vapauttajia kuin hieskoivut. Työn tulokset vahvistavat aiempien tutkimusten havainnot puiden CH4-päästöistä ja osoittavat että myös boreaalisen kasvillisuusvyöhykkeen puilla voi olla merkittävä rooli globaalissa CH4-budjetissa, jossa puiden CH4-vuota ei ole tähän asti lainkaan huomioitu. Hieskoivujen ja kuusien erilainen vaste kasvukauden alkuun, maalämpötilaan ja sateisuuteen viittaa puulajien välisiin eroihin CH4-vuota säätelevissä tekijöissä tai metaanin kuljetukseen liittyvässä fysiologiassa

Soil-tree-atmosphere CH4 flux dynamics of boreal birch and spruce trees during spring leaf-out

Peer reviewe

New insight to the role of microbes in the methane exchange in trees : evidence from metagenomic sequencing

Methane (CH4) exchange in tree stems and canopies and the processes involved are among the least understood components of the global CH4 cycle. Recent studies have focused on quantifying tree stems as sources of CH4 and understanding abiotic CH4 emissions in plant canopies, with the role of microbial in situ CH4 formation receiving less attention. Moreover, despite initial reports revealing CH4 consumption, studies have not adequately evaluated the potential of microbial CH4 oxidation within trees. In this paper, we discuss the current level of understanding on these processes. Further, we demonstrate the potential of novel metagenomic tools in revealing the involvement of microbes in the CH4 exchange of plants, and particularly in boreal trees. We detected CH4-producing methanogens and novel monooxygenases, potentially involved in CH4 consumption, in coniferous plants. In addition, our field flux measurements from Norway spruce (Picea abies) canopies demonstrate both net CH4 emissions and uptake, giving further evidence that both production and consumption are relevant to the net CH4 exchange. Our findings, together with the emerging diversity of novel CH4-producing microbial groups, strongly suggest microbial analyses should be integrated in the studies aiming to reveal the processes and drivers behind plant CH4 exchange.Peer reviewe

Technical note: Interferences of volatile organic compounds (VOCs) on methane concentration measurements

Studies that quantify plant methane (CH4) emission rely on the accurate measurement of small changes in the mixing ratio of CH4 that coincide with much larger changes in the mixing ratio of volatile organic compounds (VOCs). Here, we assessed whether 11 commonly occurring VOCs (e.g. methanol, α- and β-pinene, Δ3-carene) interfered with the quantitation of CH4 by five laser-absorption spectroscopy and Fourier-transformed infrared spectroscopy (FTIR) based CH4 analysers, and quantified the interference of seven compounds on three instruments. Our results showed minimal interference with laser-based analysers and underlined the importance of identifying and compensating for interferences with FTIR instruments. When VOCs were not included in the spectral library, they exerted a strong bias on FTIR-based instruments (64–1800 ppbv apparent CH4 ppmv−1 VOC). Minor (0.7–126 ppbv ppmv−1) interference with FTIR-based measurements were also detected when the spectrum of the interfering VOC was included in the library. In contrast, we detected only minor (<20 ppbv ppmv−1) and transient (< 1 min) VOC interferences on laser-absorption spectroscopy-based analysers. Overall, our results demonstrate that VOC interferences have only minor effects on CH4 flux measurements in soil chambers, but may severely impact stem and shoot flux measurements. Laser-absorption-based instruments are better suited for quantifying CH4 fluxes from plant leaves and stems than FTIR-based instruments; however, significant interferences in shoot chamber measurements could not be excluded for any of the tested instruments. Our results furthermore showed that FTIR can precisely quantify VOC mixing ratios and could therefore provide a method complementary to proton-transfer-reaction mass spectrometry (PTR-MS).Peer reviewe

Methane (CH4) emissions from trees in boreal upland and drained peatland forests

201

Effects of Crop Leaf Angle on LAI-Sensitive Narrow-Band Vegetation Indices Derived from Imaging Spectroscopy

Leaf area index (LAI) is an important biophysical variable for understanding the radiation use efficiency of field crops and their potential yield. On a large scale, LAI can be estimated with the help of imaging spectroscopy. However, recent studies have revealed that the leaf angle greatly affects the spectral reflectance of the canopy and hence imaging spectroscopy data. To investigate the effects of the leaf angle on LAI-sensitive narrowband vegetation indices, we used both empirical measurements from field crops and model-simulated data generated by the PROSAIL canopy reflectance model. We found the relationship between vegetation indices and LAI to be notably affected, especially when the leaf mean tilt angle (MTA) exceeded 70 degrees. Of the indices used in the study, the modified soil-adjusted vegetation index (MSAVI) was most strongly affected by leaf angles, while the blue normalized difference vegetation index (BNDVI), the green normalized difference vegetation index (GNDVI), the modified simple ratio using the wavelength of 705 nm (MSR705), the normalized difference vegetation index (NDVI), and the soil-adjusted vegetation index (SAVI) were only affected for sparse canopies (LAI 3 and showed considerable nonlinearity. Thus, none of the studied indices were well suited for across-species LAI estimation: information on the leaf angle would be required for remote LAI measurement, especially at low LAI values. Nevertheless, narrowband indices can be used to monitor the LAI of crops with a constant leaf angle distribution.Leaf area index (LAI) is an important biophysical variable for understanding the radiation use efficiency of field crops and their potential yield. On a large scale, LAI can be estimated with the help of imaging spectroscopy. However, recent studies have revealed that the leaf angle greatly affects the spectral reflectance of the canopy and hence imaging spectroscopy data. To investigate the effects of the leaf angle on LAI-sensitive narrowband vegetation indices, we used both empirical measurements from field crops and model-simulated data generated by the PROSAIL canopy reflectance model. We found the relationship between vegetation indices and LAI to be notably affected, especially when the leaf mean tilt angle (MTA) exceeded 70 degrees. Of the indices used in the study, the modified soil-adjusted vegetation index (MSAVI) was most strongly affected by leaf angles, while the blue normalized difference vegetation index (BNDVI), the green normalized difference vegetation index (GNDVI), the modified simple ratio using the wavelength of 705 nm (MSR705), the normalized difference vegetation index (NDVI), and the soil-adjusted vegetation index (SAVI) were only affected for sparse canopies (LAI 3 and showed considerable nonlinearity. Thus, none of the studied indices were well suited for across-species LAI estimation: information on the leaf angle would be required for remote LAI measurement, especially at low LAI values. Nevertheless, narrowband indices can be used to monitor the LAI of crops with a constant leaf angle distribution. Keywords: LAI; leaf inclination angle; vegetation indices; imaging spectroscopy; field cropsPeer reviewe

Links between soil CH4 cycling and tree-derived CH4 emissions on a forestry-drained peatland

Abstrakti P187201

Microbial CH4 turnover in soil and trees on a forestry drained peatland

201

Microbial CH4 turnover in soil and trees on a forestry drained peatland

201

Model of methane transport in tree stems: Case study of sap flow and radial diffusion

The transport processes of methane (CH4) in tree stems remain largely unknown, although they are critical in assessing the whole-forest CH4 dynamics. We used a physically based dynamic model to study the spatial and diurnal dynamics of stem CH4 transport and fluxes. We parameterised the model using data from laboratory experiments with Pinus sylvestris and Betula pendula and compared the model to experimental data from a field study. Stem CH4 flux in laboratory and field conditions were explained by the axial advective CH4 transport from soil with xylem sap flow and the radial CH4 diffusion through the stem conditions. Diffusion resistance caused by the bark permeability did not significantly affect gas transport or stem CH4 flux in the laboratory experiments. The role of axial diffusion of CH4 in trees was unresolved and requires further studies. Due to the transit time of CH4 in the stem, the diurnal dynamics of stem CH4 fluxes can deviate markedly from the diurnal dynamics of sap flow.Peer reviewe