Measurements of Volatile Organic Compounds - from Biogenic Emissions to Concentrations in Ambient Air

Volatile organic compounds (VOCs) affect atmospheric chemistry and thereafter also participate in the climate change in many ways. The long-lived greenhouse gases and tropospheric ozone are the most important radiative forcing components warming the climate, while aerosols are the most important cooling component. VOCs can have warming effects on the climate: they participate in tropospheric ozone formation and compete for oxidants with the greenhouse gases thus, for example, lengthening the atmospheric lifetime of methane. Some VOCs, on the other hand, cool the atmosphere by taking part in the formation of aerosol particles. Some VOCs, in addition, have direct health effects, such as carcinogenic benzene. VOCs are emitted into the atmosphere in various processes. Primary emissions of VOC include biogenic emissions from vegetation, biomass burning and human activities. VOCs are also produced in secondary emissions from the reactions of other organic compounds. Globally, forests are the largest source of VOC entering the atmosphere. This thesis focuses on the measurement results of emissions and concentrations of VOCs in one of the largest vegetation zones in the world, the boreal zone. An automated sampling system was designed and built for continuous VOC concentration and emission measurements with a proton transfer reaction - mass spectrometer (PTR-MS). The system measured one hour at a time in three-hourly cycles: 1) ambient volume mixing-ratios of VOCs in the Scots-pine-dominated boreal forest, 2) VOC fluxes above the canopy, and 3) VOC emissions from Scots pine shoots. In addition to the online PTR-MS measurements, we determined the composition and seasonality of the VOC emissions from a Siberian larch with adsorbent samples and GC-MS analysis. The VOC emissions from Siberian larch were reported for the fist time in the literature. The VOC emissions were 90% monoterpenes (mainly sabinene) and the rest sesquiterpenes (mainly a-farnesene). The normalized monoterpene emission potentials were highest in late summer, rising again in late autumn. The normalized sesquiterpene emission potentials were also highest in late summer, but decreased towards the autumn. The emissions of mono- and sesquiterpenes from the deciduous Siberian larch, as well as the emissions of monoterpenes measured from the evergreen Scots pine, were well described by the temperature-dependent algorithm. In the Scots-pine-dominated forest, canopy-scale emissions of monoterpenes and oxygenated VOCs (OVOCs) were of the same magnitude. Methanol and acetone were the most abundant OVOCs emitted from the forest and also in the ambient air. Annually, methanol and mixing ratios were of the order of 1 ppbv. The monoterpene and sum of isoprene 2-methyl-3-buten-2-ol (MBO) volume mixing-ratios were an order of magnitude lower. The majority of the monoterpene and methanol emissions from the Scots-pinedominated forest were explained by emissions from Scots pine shoots. The VOCs were divided into three classes based on the dynamics of the summer-time concentrations: 1) reactive compounds with local biological, anthropogenic or chemical sources (methanol, acetone, butanol and hexanal), 2) compounds whose emissions are only temperaturedependent (monoterpenes), 3) long-lived compounds (benzene, acetaldehyde). Biogenic VOC (methanol, acetone, isoprene MBO and monoterpene) volume mixing-ratios had clear diurnal patterns during summer. The ambient mixing ratios of other VOCs did not show this behaviour. During winter we did not observe systematical diurnal cycles for any of the VOCs. Different sources, removal processes and turbulent mixing explained the dynamics of the measured mixing-ratios qualitatively. However, quantitative understanding will require longterm emission measurements of the OVOCs and the use of comprehensive chemistry models. Keywords: Hydrocarbons, VOC, fluxes, volume mixing-ratio, boreal forest

Havupuiden erikoismuotojen lisäysmenetelmät

Havupuiden erikoismuotoja on käytetty koristekasveina jo vuosisatoja ympäri maailmaa. Niitä on lisätty pääsääntöisesti pistokkaista ja varttamalla. Suomessa kotimaisten metsäpuidemme erikois-muotoja on kartoitettu ja kerätty kokoelmiin järjestelmällisemmin 1960-luvulta alkaen. Taimisto-viljelijät, puutarhasuunnittelijat ja kotipuutarhurit ovat olleet enenevässä määrin kiinnostuneita näistä kotimaisista kestävistä havukasveista. Yli 90 prosenttia markkinoillamme olevista havukas-veista tuodaan ulkomailta, joten on selvää, että niiden talvenkestävyydessä on ongelmia. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kotimaisille erikoismuodoille sopivia lisäysmene-telmiä ja siten edistää kotimaisen havukasvituotannon mahdollisuuksia. Aineistona kokeissa oli kotimaisia erikoismuotoja metsäkuusesta (Picea abies (L.) Karsten) ja kotikatajasta (Juniperus communis L.), tavallisia metsäkuusia sekä kahdeksan ulkomaista havupuutaksonia. Lisäysmene-telmistä tutkittiin varttamista ja pistokaslisäystä ja kokeet suoritettiin Metsäntutkimuslaitoksen toimipaikoissa Lopen Haapastensyrjässä sekä Punkaharjulla. Varttamiskokeessa vertailtiin koti-maisen kuusen erikoismuotokloonien varttamisen onnistumista. Pistokaskokeissa tutkittiin geno-tyypin, emopuun iän, pistokasoksan sijainnin sekä hormonikäsittelyn vaikutusta havukasvien pis-tokkaiden juurtumiseen. Tavalliset metsäkuuset toimivat kontrolleina. Tutkimus osoitti, että varttaminen onnistui erinomaisesti kaikilla erikoismuotoklooneilla. Ovat-ko vartteet esteettisesti katsottuna koristekäyttöön sopivia, jää vielä seurattavaksi. Pistokaskokeis-sa havaittiin, että juveniilisuus vaikutti pistokkaiden juurtumiseen, mutta iäkkäistäkin puista lisää-minen onnistuu, kunhan genotyyppi on sopiva. Keskimäärin alaoksat juurtuivat paremmin kuin latvuksen yläosista otetut pistokasoksat, mutta vain yhdellä kloonilla ero oli tilastollisesti merkit-sevä. Hormonikäsittely heikensi selvästi kotimaisen kuusen ja katajan pistokkaiden juurtumista, mutta ulkomaisiin havupuulajeihin käsittelyllä ei ollut vaikutusta. Kotimaisen havukasvituotannon pohjaksi pitäisi tehdä kloonivalintaa, jossa koristearvon lisäksi otettaisiin huomioon myös kloonin lisättävyys. Taimien tuottaminen pistokkaista on selvästi edul-lisempaa kuin vartteiden tuottaminen, joskin varte kasvaa myyntikuntoon nopeammin kuin pisto-kastaimi. Pistokastaimi on kuitenkin omajuurinen ja stabiilimpi kasvutavaltaan kuin varte. Tämä korostuu etenkin kääpiömuotoja tuotettaessa.