Impact of free-air ozone fumigation on the seasonal allocation of C, N, S in adult beech and spruce in a mixed stand

Abstract

In the present study the influence of ozone on beech (Fagus sylvatica) and spruce (Picea abies) was examined in a natural adult mixed stand subjected to free-air fumigation. Ozone effects were investigated under sun and shade exposition of the tree crown at the metabolite level. The metabolites studied included total soluble sugars, as indicators of the carbon cycle, total amino compounds and total soluble proteins as indicators of the nitrogen cycle and glutathione as indicator of the sulphur cycle. Ion concentrations in the leaves were investigated as an additional factor. The plant material studied consisted of leaves, phloem exudates, fine roots and xylem sap. Apart from the natural competition of the two species, the effect of seasonality and the year was taken into consideration, since the sampling campaigns were conducted during several months of the vegetation period from 2002 to 2004. In addition, experiments for the determination of root uptake rates for inorganic nitrogen compounds and transport velocity in the phloem were conducted in the field.In beech leaves contents of sugars were more influenced by inter-annual effects and exposition of the crown than by ozone fumigation. Sun leaves had significantly higher sugar levels than shade leaves, a fact observed in soluble proteins as well. Amino compounds showed not significantly influence by ozone or sun exposition. Soluble proteins in the sun leaves in 2004- when ozone uptake was higher due to higher stomatal conductance- decreased significantly due to ozone fumigation. Glutathione was more affected by the different years and the investigated month rather by ozone. GSSG was significantly higher in shade than the sun leaves in these months. Nitrate contents in beech leaves were more affected by the different years and the month of the year rather by ozone fumigation. Sulphate was increased by elevated ozone in July 2003, which suggests sulphur assimilation impairment in the summer. Cation contents in the leaves were not affected by ozone, except for Mg contents in June 2003 that showed significant increase due to ozone, as the GSSG levels did.In spruce needles ozone did not affect the contents of soluble sugar, amino compounds, and glutathione. Nitrate and magnesium levels in spruce needles were not affected by ozone fumigation either. Ozone increased significantly however, the contents of soluble protein and potassium in 2003. The light exposition effect was significant in the contents of sugars, amino compounds, nitrate, ammonium, potassium and magnesium, particularly in 2003. In spruce contents of soluble sugars, ammonium and Mg were increased in the sun needles, while amino compounds nitrate and K were increased in the shade needles. The seasonality pattern in leaves/needles was affected mostly in 2003, when water deficiency conditions acted synergistically with ozone. Phloem sugars, amino compounds, soluble proteins and glutathione contents were not affected by ozone fumigation. Sugar contents in fine roots of beech significantly increased due to elevated ozone in May 2003, June 2004, while in July 2003, July 2004, September 2004 significant decreases in contents of amino compounds were found in fine roots of spruce. Soluble protein contents increased due to ozone in June 2004 in beech and in June 2003 in fine roots of spruce. Glutathione contents decreased significantly in fine roots of beech in September 2004, while in September 2003 in fine roots of spruce. Thus, a difference in the effect of ozone on the species was recorded in sugars and amino compounds, while the effect of each species in fine roots on soluble proteins and glutathione contents was alike.In beech xylem sap elevated ozone concentrations had opposite effects between years: e.g. in July 2003 a significant increase and in July 2004 a significant decrease of soluble sugars. Similar results were observed in spruce, with an increase of soluble sugars in the xylem sap in July 2003 and a decrease in September 2003 and September 2004 due to ozone. This effect was attributed to a synergistic effect of ozone and water deficiency or the higher ozone uptakeby the trees in 2004. Amino compound contents in beech xylem sap in September 2004 decreased significantly in September 2004 due to ozone in the sun twigs as a result of the combined ozone and sun exposition effect. In spruce xylem sap amino compound contents decreased significantly in July 2002 and July 2004. Ozone fumigation affected in the same way the amino compound levels in the xylem sap of both beech and spruce in each year ofinvestigation, but in different months. The phloem transport velocity and the nutrient uptake rate in fine roots were unaffected by ozone treatment, except for the nitrate uptake in beech in July 2004 and the ammonium uptake in July 2003 that were significantly decreased due to ozone.

Στην παρούσα έρευνα εξετάστηκε η επίδραση του όζοντος πάνω στην οξυά και την ερυθρελάτη σε φυσικές μικτές συστάδες που υποβλήθηκαν σε υποκαπνισμό ελεύθερου αέρα. Η επίδραση του όζοντος ερευνήθηκε σε επίπεδο μεταβολιτών λαμβάνοντας υπόψη την έκθεση της κόμης των δέντρων σε φως και σκιά. Οι μεταβολίτες που μελετήθηκαν περιλαμβάνουν ολικά διαλυτά σάκχαρα, ως δείκτες του κύκλου του άνθρακα, ολικά αμινοξέα και ολικές μη δομικές πρωτεΐνες ως δείκτες του κύκλου του αζώτου, και γλουταθειόνης ως δείκτη του κύκλου του θείου. Συγκεντρώσεις ιόντων στα φύλλα ερευνήθηκαν ως επιπλέον συντελεστής. Το φυτικό υλικό που μελετήθηκε αποτελούνταν από φύλλα, εκχύλισμα φλοιώματος, λεπτές ρίζες και χυμό ξυλώματος. Εκτός από τον φυσικό ανταγωνισμό μεταξύ των δυο ειδών, η επίδραση της εποχικότητας και του έτους ελήφθησαν υπόψη, αφού οι δειγματοληψίες πραγματοποιήθηκαν στη διάρκεια αρκετών μηνών της βλαστητικής περιόδου από το 2002 μέχρι το 2004. Επιπλέον, πειράματα για τον υπολογισμό των ρυθμών πρόσληψης για ανόργανες ενώσεις αζώτου από τις ρίζες και της ταχύτητας μεταφοράς στο φλοίωμα διεξάχθηκαν στο πεδίο.Στα φύλλα της οξυάς τα περιεχόμενα σάκχαρα επηρεάστηκαν περισσότερο από τις διαχρονικές επιδράσεις και την έκθεση της κόμης στον φως παρά από την έκθεση στο όζον. Τα φωτόφυλλα είχαν σημαντικά υψηλότερα επίπεδα σακχάρων από τα σκιόφυλλα, γεγονός που παρατηρήθηκε και στις πρωτεΐνες. Τα αμινοξέα δεν δέχτηκαν σημαντική επίδραση από την έκθεση στο όζον ή στο φως. Οι διαλυτές πρωτεΐνες στα φωτόφυλλα το 2004, όταν η πρόσληψη όζοντος ήταν υψηλότερη λόγω υψηλής στοματικής αγωγιμότητας, μειώθηκαν σημαντικά από την έκθεση στο όζον. Η γλουταθειόνη επηρεάστηκε περισσότερο από την επίδραση του έτους και του μήνα της έρευνας παρά από το όζον. Η οξειδωμένη γλουταθειόνη, GSSG, ήταν σημαντικά πιο υψηλή στα σκιόφυλλα σε σχέση με τα φωτόφυλλα σε αυτούς τους μήνες. Τα επίπεδα νιτρικών ιόντων στα φύλλα της οξυάς επηρεάστηκαν περισσότερο από το έτος έρευνας και το μήνα του έτους παρά από την έκθεση στο όζον. Τα θειικά ιόντα αυξήθηκαν από την έκθεση στο όζον τον Ιούλιο του 2003, το οποίο δείχνει απομείωση της αφομοίωσης θείου το καλοκαίρι. Τα κατιόντα στα φύλλα δεν επηρεάστηκαν από το όζον, εκτός από τα επίπεδα Mg τον Ιούνιο του 2003, όταν έδειξε σημαντική αύξηση εξαιτίας του όζοντος, όπως και τα επίπεδα GSSG.Στην ερυθρελάτη το όζον δεν επηρέασε τα επίπεδα διαλυτών σακχάρων, αμινοξέων και γλουταθειόνης στις βελόνες. Τα επίπεδα νιτρικών ιόντων και Mg στις βελόνες της ερυθρελάτης δεν επηρεάστηκαν από την έκθεση στο όζον. Το όζον όμως αύξησε σημαντικά τα επίπεδα της διαλυτής πρωτεΐνης και του Κ το 2003. Η επίδραση της έκθεσης στο φως ήταν σημαντική στα επίπεδα σακχάρων αμινοξέων, νιτρικών, αμμωνίου, Κ και Mg, ιδιαίτερα το 2003. Στην ερυθρελάτη τα επίπεδα διαλυτών σακχάρων, αμμωνίου και Mg ήταν αυξημένα στις βελόνες που εκτίθονταν στο φως, ενώ τα αμινοξέα, τα νιτρικά ιόντα και το Κ ήταν αυξημένα στις βελόνες στη σκιά. Το μοτίβο της εποχικότητας σε φύλλα/βελόνες επηρεάστηκε περισσότερο το 2003, όταν οι συνθήκες έλλειψης νερού έδρασαν συνεργητικά με το όζον. Στο φλοίωμα τα επίπεδα σακχάρων, αμινοξέων, διαλυτών πρωτεϊνών και γλουταθειόνης δεν επηρεάστηκαν από την έκθεση στο όζον. Τα επίπεδα σακχάρων στις λεπτές ρίζες της οξυάς αυξήθηκαν σημαντικά εξαιτίας του όζοντος το Μάη 2003, και Ιούνιο 2004, ενώ τον Ιούλιο 2003, Ιούλιο 2004, Σεπτέμβριο 2004 σημαντικές μειώσεις στα επίπεδα των αμινοξέων βρέθηκαν στις λεπτές ρίζες της ερυθρελάτης. Τα επίπεδα διαλυτής πρωτεΐνης στις λεπτές ρίζες αυξήθηκαν εξαιτίας του όζοντος τον Ιούνιο 2004 στην οξυά και τον Ιούνιο 2003 στην ερυθρελάτη. Τα επίπεδα γλουταθειόνης μειώθηκαν σημαντικά στις λεπτές ρίζες της οξυάς το Σεπτέμβρη του 2004, ενώ το Σεπτέμβριο του 2003 στις λεπτές ρίζες της ερυθρελάτης. Έτσι, διαφορά στην επίδραση του όζοντος πάνω στο είδος καταγράφτηκε στα σάκχαρα και τα αμινοξέα, ενώ η επίδραση του κάθε φυτικού είδους στις λεπτές ρίζες σε διαλυτές πρωτεΐνες και γλουταθειόνη ήταν παρόμοια.Στο χυμό ξυλώματος της οξυάς η αυξημένη συγκέντρωση όζοντος είχε αντίθετη επίδραση μεταξύ των ετών, πχ τον Ιούλιο 2003 σημαντική αύξηση και τον Ιούλιο 2004 σημαντική μείωση διαλυτών σακχάρων. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν στην ερυθρελάτη με αύξηση διαλυτών σακχάρων στο χυμό ξυλώματος τον Ιούλιο του 2003 και μείωση το Σεπτέμβρη του 2003 και 2004 εξαιτίας του όζοντος. Αυτή η επίδραση αποδόθηκε στην συνέργεια του όζοντος και της έλλειψης νερού ή στην αυξημένη πρόσληψη όζοντος από τα δέντρα το 2004. Τα επίπεδα αμινοξέων στον χυμό ξυλώματος της οξυάς το Σεπτέμβρη 2004 μειωθήκαν σημαντικά λόγω του όζοντος το Σεπτέμβρη 2004 στα κλαδιά που εκτίθονταν στο φως, ως αποτέλεσμα της συνδυασμένης επίδρασης όζοντος και έκθεσης στο φως. Στην ερυθρελάτη τα επίπεδα αμινοξέων στο χυμό ξυλώματος μειώθηκαν σημαντικά τον Ιούλιο 2002 και τον Ιούλιο 2004. Το όζον επηρέασε με τον ίδιο τρόπο τα αμινοξέα στον χυμό ξυλώματος της οξυάς και της ερυθρελάτης σε κάθε έτος της έρευνας, αλλά σε διαφορετικούς μήνες.Η ταχύτητα μεταφοράς στο φλοίωμα και η πρόσληψη θρεπτικών στις λεπτές ρίζες παρέμεινε ανεπηρέαστη από την έκθεση στο όζον, εκτός από την πρόσληψη νιτρικών στην οξυά τον Ιούλιο 2004 και του αμμωνίου τον Ιούλιο 2003, που μειώθηκαν σημαντικά εξαιτίας του όζοντος.