Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems: Ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions

Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht. Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen. rnrnVOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie Lichtintensität, Temperatur, CO2 und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung. In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen, fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese, Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.rnrnPflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht. Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin. In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen herangezogen werden. rn

Diversity Promotes Temporal Stability across Levels of Ecosystem Organization in Experimental Grasslands

The diversity–stability hypothesis states that current losses of biodiversity can impair the ability of an ecosystem to dampen the effect of environmental perturbations on its functioning. Using data from a long-term and comprehensive biodiversity experiment, we quantified the temporal stability of 42 variables characterizing twelve ecological functions in managed grassland plots varying in plant species richness. We demonstrate that diversity increases stability i) across trophic levels (producer, consumer), ii) at both the system (community, ecosystem) and the component levels (population, functional group, phylogenetic clade), and iii) primarily for aboveground rather than belowground processes. Temporal synchronization across studied variables was mostly unaffected with increasing species richness. This study provides the strongest empirical support so far that diversity promotes stability across different ecological functions and levels of ecosystem organization in grasslands

Abandoned Coal Mine Drainage and Its Remediation: Impacts on Stream Ecosystem Structure and Function

The effects of abandoned mine drainage (AMD) on streams and responses to remediation efforts were studied using three streams (AMD-impacted, remediated, reference) in both the anthracite and the bituminous coal mining regions of Pennsylvania (USA). Response variables included ecosystem function as well as water chemistry and macroinvertebrate community composition. The bituminous AMD stream was extremely acidic with high dissolved metals concentrations, a prolific mid-summer growth of the filamentous alga, Mougeotia, and .10-fold more chlorophyll than the reference stream. The anthracite AMD stream had a higher pH, substrata coated with iron hydroxide(s), and negligible chlorophyll. Macroinvertebrate communities in the AMD streams were different from the reference streams, the remediated streams, and each other. Relative to the reference stream, the AMD stream(s) had (1) greater gross primary productivity (GPP) in the bituminous region and undetectable GPP in the anthracite region, (2) greater ecosystem respiration in both regions, (3) greatly reduced ammonium uptake and nitrification in both regions, (4) lower nitrate uptake in the bituminous (but not the anthracite) region, (5) more rapid phosphorus removal from the water column in both regions, (6) activities of phosphorus-acquiring, nitrogenacquiring, and hydrolytic-carbon-acquiring enzymes that indicated extreme phosphorus limitation in both regions, and (7) slower oak and maple leaf decomposition in the bituminous region and slower oak decomposition in the anthracite region. Remediation brought chlorophyll concentrations and GPP nearer to values for respective reference streams, depressed ecosystem respiration, restored ammonium uptake, and partially restored nitrification in the bituminous (but not the anthracite) region, reduced nitrate uptake to an undetectable level, restored phosphorus uptake to near normal rates, and brought enzyme activities more in line with the reference stream in the bituminous (but not the anthracite) region. Denitrification was not detected in any stream. Water chemistry and macroinvertebrate community structure analyses capture the impact of AMD at the local reach scale, but functional measures revealed that AMD has ramifications that can cascade to downstream reaches and perhaps to receiving estuaries.

The Importance of Place Names in the Search for Ecosystem-Like Concepts in Indigenous Societies: An Example from the Bolivian Andes

This paper aims to deepen the search for ecosystem-like concepts in indigenous societies by highlighting the importance of place names used by Quechua indigenous farmers from the central Bolivian Andes. Villagers from two communities in the Tunari Mountain Range were asked to list, describe, map and categorize the places they knew on their community’s territory. Results show that place names capture spatially explicit units which integrate biotic and abiotic nature and humans, and that there is an emphasis on topographic terms, highlighting the importance of geodiversity. Farmers’ perspectives differ from the classical view of ecosystems because they ‘humanize’ places, considering them as living beings with agency. Consequently, they do not make a distinction between natural and cultural heritage. Their perspective of the environment is that of a personalized, dynamic relationship with the elements of the natural world that are perceived as living entities. A practical implication of the findings for sustainable development is that since places names make the links between people and the elements of the landscape, toponymy is a tool for ecosystem management rooted in indigenous knowledge. Because place names refer to holistic units linked with people’s experience and spatially explicit, they can be used as an entry point to implement an intercultural dialogue for more sustainable land management.

Effects of Silvicultural Practices on Soil Carbon and Nitrogen in a Nitrogen Saturated Central Appalachian (USA) Hardwood Forest Ecosystem

Silvicultural treatments represent disturbances to forest ecosystems often resulting in transient increases in net nitrification and leaching of nitrate and base cations from the soil. Response of soil carbon (C) is more complex, decreasing from enhanced soil respiration and increasing from enhanced postharvest inputs of detritus. Because nitrogen (N) saturation can have similar effects on cation mobility, timber harvesting in N-saturated forests may contribute to a decline in both soil C and base cation fertility, decreasing tree growth. Although studies have addressed effects of either forest harvesting or N saturation separately, few data exist on their combined effects. Our study examined the responses of soil C and N to several commercially used silvicultural treatments within the Fernow Experimental Forest, West Virginia, USA, a site with N-saturated soils. Soil analyses included soil organic matter (SOM), C, N, C/N ratios, pH, and net nitrification. We hypothesized the following gradient of disturbance intensity among silvicultural practices (from most to least intense): even-age with intensive harvesting (EA-I), even-age with extensive harvesting, even-age with commercial harvesting, diameter limit, and single-tree harvesting (ST). We anticipated that effects on soil C and N would be greatest for EA-I and least with ST. Tree species exhibited a response to the gradient of disturbance intensity, with early successional species more predominant in high-intensity treatments and late successional species more predominant in low-intensity treatments. Results for soil variables, however, generally did not support our predictions, with few significant differences among treatments and between treatments and their paired controls for any of the measured soil variables. Multiple regression indicated that the best predictors for net nitrification among samples were SOM (positive relationship) and pH (negative relationship). This finding confirms the challenge of sustainable management of N-saturated forests.

Effects of experimental freezing on soil nitrogen dynamics in soils from a net nitrification gradient in a nitrogen-saturated hardwood forest ecosystem

This study examined effects of soil freezing on N dynamics in soil along an N processing gradient within a mixed hardwood dominated watershed at Fernow Experimental Forest, West Virginia. Sites were designated as LN (low rates of N processing), ML (moderately low), MH (moderately high), and HN (high). Soils underwent three 7-day freezing treatments (0, –20, or –80 °C) in the laboratory. Responses varied between temperature treatments and along the gradient. Initial effects differed among freezing treatments for net N mineralization, but not nitrification, in soils across the gradient, generally maintained at LN < ML ≤ MH < HN for all treatments. Net N mineralization potential was higher following freezing at –20 and –80 °C than control; all were higher than at 0 °C. Net nitrification potential exhibited similar patterns. LN was an exception, with net nitrification low regardless of treatment. Freezing response of N mineralization differed greatly from that of nitrification, suggesting that soil freezing may decouple two processes of the soil N cycle that are otherwise tightly linked at our site. Results also suggest that soil freezing at temperatures commonly experienced at this site can further increase net nitrification in soils already exhibiting high nitrification from N saturation.