Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Autotrofisen ja heterotrofisen maahengityksen kehittyminen kuivuudessa boreaalisen metsämännyn (Pinus sylvestris) kasvualustalla

Show full item record

Title: Autotrofisen ja heterotrofisen maahengityksen kehittyminen kuivuudessa boreaalisen metsämännyn (Pinus sylvestris) kasvualustalla
Author(s): Salko, Sini-Selina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences
Discipline: Forest Ecology and Management
Language: Finnish
Acceptance year: 2020
Abstract:
Tiivistelmä/Referat – Abstract Maahengitys on prosessi, jossa orgaanista hiiltä vapautuu maasta hiilidioksidina ilmakehään. Boreaalisissa metsissä maan hiilivarasto on erityisen suuri suhteessa maanpäällisen biomassan muodostamaan hiilivarastoon, ja biomin metsäalueiden suuren koon vuoksi niiden maan orgaanisen hiilen varasto onkin huomattava. Maan hiilivaraston muodostuminen johtuu boreaalisilla alueilla vallitsevasta viileästä ilmastosta, jossa orgaanisen aineen hajoaminen on hidasta. Ilmastonmuutoksen myötä kuivemmaksi tai lämpimämmäksi muuttuva ilmasto saattaa aiheuttaa muutoksen maasta ilmakehään hiilidioksidina vapautuvan hiilen poistumisnopeudessa ja siten lämmittää ilmastoa entisestään. Maahengitys jaetaan kahteen erilliseen prosessiin: kuolleen orgaanisen aineen hajotuksessa vapautuvaan heterotrofiseen hengitykseen sekä kasvinjuurten ja niiden pinnalla elävän mikrobiston soluhengitykseen eli autotrofiseen hengitykseen. Heterotrofisen hengityksen kasvaminen suhteessa karikkeen muodostumisnopeuteen tarkoittaa maaperän hiilivaraston pienenemistä, kun taas autotrofisen hengityksen kasvaminen tarkoittaa kasvien aktiivisuuden kasvamista ja samalla juuristoon varastoituvan hiilen määrän kasvua. Kuivuuden vaikutusta kummankin ositteen toimintaan on tutkittu paljon, ja vaikuttaa siltä, että boreaalisessa metsäekosysteemissä autotrofinen maahengitys reagoi kuivuuteen heterotrofista hitaammin ja vähemmän voimakkaasti. Ilmakehän hiilidioksidissa on hiilen kahta vakaata isotooppia, hiili-12 ja hiili-13:ta, joista boreaalisella alueella vallitsevat C3-kasvilajit suosivat yhteytyksessään hiili-12:ta. Näiden hiili-isotooppien välistä suhdetta ilmaistaan δ13C-arvolla, ja hiili-13 syrjiminen yhteytyksessä näkyy myös yhteyttävien organismien soluhengityksessä. Maahengityksen ositteista autotrofisen hengityksen δ13C-arvon onkin havaittu olevan pienempi kuin heterotrofisen hengityksen δ13C-arvo, sillä heterotrofisessa prosessissa hiili-13 syrjäytyy vähemmän. On kuitenkin havaittu, että kuivuuden aikana yhteytyksessä tapahtuu vähemmän hiili-13:n syrjimistä, sillä yhteyttävä kasvi ei kuivuudessa ole yhtä valikoiva sitomansa hiilen suhteen kuin silloin, kun se ei koe kuivuutta. Maahengityksen ositteiden δ13C-arvossa on siis ero, joka muuttuu pienemmäksi ositteiden kokiessa kuivuutta. Tässä tutkimuksessa haluttiin selvittää, muuttuuko maahengityksen ositteiden suuruus eri tavoin niiden kokiessa kuivuutta sekä tarkastella, pieneneekö autotrofinen maahengitys heterotrofista hitaammin. Lisäksi haluttiin selvittää, voiko ositteita erottaa niiden δ13C-arvon perusteella; tätä tarkasteltiin seuraamalla ositteiden δ13C-arvon muutosta kuivuudessa. Maahengitystä mitattiin kahdesta eri koeasetelmasta: kasvihuoneella tehdystä männyntaimien (Pinus sylvestris) kuivuuskokeesta, jossa männyn juurista ja niiden kasvualustan maaperästä mitattiin hiilidioksidivuota ja vuon δ13C-arvoa inkubointimenetelmällä, sekä pirkanmaalaisesta mäntymetsästä, jossa hiilidioksidivuota ja sen δ13C-arvoa mitattiin inkubointi- ja kammiomittausmenetelmillä. Tämän jälkeen niiden kehitystä tarkasteltiin suhteessa toisiinsa sekä mittaushetkellä vallinneisiin kosteus- ja lämpötilaolosuhteisiin. Sekä kasvihuonekokeessa että mäntymetsässä autotrofinen maahengitys muuttui vähemmän suhteessa kuivuuden kehitykseen kuin heterotrofinen. Lisäksi mäntymetsässä autotrofisen hengityksen δ13C-arvo mitattiin teorian mukaisesti heterotrofista δ13C-arvoa pienemmäksi. Kummassakaan koeasetelmassa ei kuitenkaan havaittu kehittyvän selkeästi suhteessa kuivuuteen. Molemmissa koeasetelmassa vaikutti olevan virhelähteitä, sillä ympäristöolosuhteet kehittyivät odottamattomasti sekä kasvihuoneella että metsässä. δ13C-mittauksissa vähemmän destruktiivisen kammiomittausmenetelmän havaittiin tuottavan parempia tuloksia.
Soil respiration is a process in which soil organic carbon is released in the atmosphere as carbon dioxide. In boreal forests, soil carbon storage is particularly high relative to the carbon storage of aboveground biomass. Due to the large size of the forest areas of the biome, boreal forests’ soil organic carbon storage is globally is significant. The cool climate drives the formation of soil carbon storage in boreal regions. With climate change, the growing conditions can become drier and warmer than they have been in the past, which can accelerate the carbon release from soil to the atmosphere, thereby further warming the climate. Soil respiration is divided into two distinct processes: heterotrophic respiration where carbon dioxide is released from decomposi-tion of dead organic matter, and autotrophic cellular respiration of plant roots and root associated fungi. Increase in heterotrophic respiration in relation to litter formation rate implies a decrease in the carbon stock of the soil, whereas increase in autotrophic respiration implies an acceleration in the activity of the photosynthesizing biomass and, at the same time, an increase in the amount of carbon stored in the root system. The effect of drought on the activity of both components has been studied extensive-ly, and it appears that autotrophic terrestrial respiration responds to drought more slowly and less strongly in the boreal forest ecosystem. Atmospheric carbon dioxide contains two stable carbon isotopes, carbon-12 and carbon-13, of which C3 plants prefer lighter carbon-12 in photosynthesis. The relationship between these carbon isotopes is expressed with δ13C-value, and the discrimina-tion of carbon-13 in photosynthesis reflected in the cellular respiration of the autotrophic organisms. As a result, the δ13C-value of autotrophic respiration has been found to be lower than the δ13C value of heterotrophic respiration, as carbon-13 is discriminated less in the heterotrophic respiration. However, it has been found that during a drought period there is less discrimination of car-bon-13 in plants’ carbon assimilation, as the photosynthesizing plant may not be as selective for the carbon as when it is not exposed to drought. Thus, there is a difference in the δ13C-value of the soil respiration components, but it becomes smaller as the components experience drought. The purpose of this study was to determine whether the respiration rate of the components vary in different ways as they experi-ence drought by examining whether autotrophic respiration decreases more slowly than heterotrophic. In addition, it was sought to determine whether the components could be distinguished by their δ13C-value, so the study examined the development of the components’ δ13C-valu during drought. The measurements were done in two different experiment sites. The first one was an artificial drought experiment with pine saplings (Pinus sylvestris) in a greenhouse, where carbon dioxide flux and its δ13C-flux was measured from pine roots and their soil by incubation method. Second one was in a Pirkanmaa pine forest where carbon dioxide flux and its δ13C-flux were measured with incubation method and chamber measuring method. After the sampling, the development of the phenomenon was examined together with moisture- and temperature conditions at the time of the measure-ment. In this study, soil respiration’s autotrophic component changed more slowly in relation to drought than the heterotrophic compo-nent. In addition, in the pine forest, the δ13C-value of autotrophic respiration was below the heterotrophic δ13C-value, as the theory suggests. However, there was no clear development in relation to drought with the components’ δ13C-value. In the green-house experiment, no clearly distinguishable development was observed between the development of the components, and the δ13C-value of soil respiration was rather similar between the components. In both experiment sites, there appeared to be sources of error as environmental conditions improved unexpectedly in both the greenhouse and in the forest. Furthermore, it can be stated that the less destructive chamber measuring protocol seems to produce more reliable data.
Keyword(s): maahengitys maahengityksen ositteet C13 syrjäytyminen boreaalinen metsämaa mänty


Files in this item

Files Size Format View
Salko_Sini-Selina_ProGradu_2020.pdf 986.0Kb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record