Role of Temperature in the Biological Activity of a Boreal Forest

Abstract

In northern latitudes, temperature is the key factor driving the temporal scales of biological activity, namely the length of the growing season and the seasonal efficiency of photosynthesis. The formation of atmospheric concentrations of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) are linked to the intensity of biological activity. However, interdisciplinary knowledge of the role of temperature in the biological processes related to the annual cycle and photosynthesis and atmospheric chemistry is not fully understood. The aim of this study was to improve understanding of the role of temperature in these three interlinked areas: 1) onset of growing season, 2) photosynthetic efficiency and 3) BVOC air concentrations in a boreal forest.

The results present a cross-section of the role of temperature on different spatial (southern northern boreal), structural (tree forest stand - forest) and temporal (day-season- year) scales.

The fundamental status of the Thermal Time model in predicting the onset of spring recovery was confirmed. However, it was recommended that sequential models would be more appropriate tools when the onset of the growing season is estimated under a warmer climate. A similar type of relationship between photosynthetic efficiency and temperature history was found in both southern and northern boreal forest stands. This result draws attention to the critical question of the seasonal efficiency of coniferous species to emit organic compounds under a warmer climate. New knowledge about the temperature dependence of the concentrations of biogenic volatile organic compounds in a boreal forest stand was obtained. The seasonal progress and the inter-correlation of BVOC concentrations in ambient air indicated a link to biological activity. Temperature was found to be the main driving factor for the concentrations. However, in addition to temperature, other factors may play a significant role here, especially when the peak concentrations are studied.

There is strong evidence that the spring recovery and phenological events of many plant species have already advanced in Europe. This study does not fully support this observation. In a boreal forest, changes in the annual cycle, especially the temperature requirement in winter, would have an impact on the atmospheric BVOC composition. According to this study, more joint phenological and BVOC field observations and laboratory experiments are still needed to improve these scenarios.

Lämpötila on keskeinen biologisista aktiivisuutta, kuten kasvukauden pituutta ja fotosynteesiä, säätelevä ympäristötekijä pohjoisella havumetsävyöhykkeellä. Ilmakehän säätelymekanismien kannalta keskeisten orgaanisia hiilivety-yhdisteiden muodostuminen on yhteydessä biologiseen aktiivisuuteen. Tämän tutkimuksen tavoitteena on lisätä ymmärrystä lämpötilan merkityksestä näillä kolmella toisiinsa liittyvillä alueilla: 1) kasvukauden alkaminen, 2) fotosynteesin tehokkuus sekä 3) ilmakehän orgaanisten hiilivetyjen pitoisuudet. Tutkimustuloksia tarkastellaan orgaanisten hiilivetyjen näkökulmasta ja pohditaan, mitä mahdollisia vaikutuksia ilman lämpötilan muutoksilla voisi olla boreaalisen metsän orgaanisiin hiilivety pitoisuuksiin.

Tutkimustulokset esittelevät lämpötilan vaikutusta eri aika (päivä vuodenaika- vuosi) ja alueskaaloilla (etelä-pohjoisboreaalinen metsä). Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että ns. yksinkertaistettu lämpösumma-malli ennustaa parhaiten lehteentulon päivämäärän. Sen sijaan fenologinen malli, joka huomio lepokauden aikaisen lämpötilavaatimuksen, on todennäköisesti tarkempi ilmaston muuttuessa. Laaja SMEAR mittausaineisto vahvistaa käsitystä, että fotosynteesitehokkuuden yhteys lämpötilaan on hyvin samantyyppinen niin etelä- kuin pohjoisboreaalisessa metsässä. Tätä tietoa voidaan hyödyntää arvioitaessa orgaanisten hiilivety päästöjä ja ilmakehäpitoisuuksia muuttuneissa ilmasto-olosuhteissa. Lämpötila ohjaa voimakkaasti ilmakehän orgaanisia hiilivetypitoisuuksia boreaalisessa metsässä, mutta hiilivedyille tyypillisten korkeiden pitoisuuspiikkien kuvaamisen tarvitaan lisätutkimusta.

Aikasarja-analyysien perusteella on havaittu, että kasvillisuuden keväänherääminen on keskimäärin aikaistunut Euroopassa. Tämä tutkimus ei suoraan vahvista tätä yleistä käsitystä. Erityispiirteenä boreaalisille puulajeille on lepokaudenaikainen lämpötilavaatimus, jolla voi olla tulevaisuudessa vaikutusta biologisen aktiivisuuden käynnistymisen ajankohtaan ja tätä kautta aina ilmakehän orgaanisten hiilivetyjen pitoisuuksiin asti. Tämän tutkimuksen perusteella tarvitsemme lisää samanaikaisia fenologisia ja BVOC yhdisteisiin liittyviä havaintoja ja mittauksia näiden arvioiden tueksi.