The double punch: ozone and climate stresses on vegetation

Vegetasjonen er for tiden utsatt for et dobbelt stress; luftforurensning og klimaendringer. Bakkenær ozonforurensning er et problem som reduserer avlinger og vekst av planter i naturlig vegetasjon over hele verden. I Nord-Norge er ozonverdiene i lufta lavere enn i mer tett befolkede områder, men nivået kan være økende på grunn av økt skipstrafikk langs kysten mot isfrie områder i Arktis om sommeren. Derfor er det grunn til å følge med på hvordan vegetasjonen på land reagerer. Planteforskere og klimaforskere har samarbeidet i dette prosjektet om å studere ozonnivåene i lufta i Finnmark gjennom vekstsesongen, og å undersøke om de spesielle forholdene med midnattssol gir større ozonskader enn man ellers skulle forvente. Videre må vegetasjonens egen virkning på ozonnivået i lufta og på klimaet også tas med i beregningene, fordi det finnes tilbakekoblingseffekter fra vegetasjonen både til ozoninnholdet i lufta og til klimaet i området. Vegetasjonen i Finnmark kan være stresset av ozonforurensning, noe som kan føre til mindre størrelse på plantene og favorisering av de planteartene som blir minst skadet. Samtidig stresses vegetasjonen av endringer i klimaet. Høyere temperaturer fører til tidligere snøsmelting, som gir lengre vekstsesong. Disse ulike endringene i vekstvilkårene for plantene kan føre til at sammensetningen av artene forskyves slik at vegetasjonen blir annerledes. Ved hjelp av klimamodeller og modeller for luftforurensning har vi undersøkt nærmere hva som foregår i disse nordlige områdene. Vi har eksperimentelt utstyr for å kunne eksponere planter for ozonforurenset luft under kontrollerte betingelser, slik at vi kan beskrive og kvantifisere effektene av ozon på de planteartene vi er interessert i. Med planter som vokser i rhizotroner blir det mulig å observere røtter mens de vokser langs en gjennomsiktig overflate. Vi undersøker om plantenes overjordiske og underjordiske respons på ozon er påvirket av daglengden, fordi plantene i Finnmark lever under forhold med lang dag hele vekstsesongen. I felt har vi gjort målinger av fotosyntese- og transpirasjonsrate som trengs for å kunne parameterisere noen viktige deler av Finnmarksvegetasjonen i modeller. Vi har lagt vekt på å undersøke døgnvariasjonene i plantenes aktivitet i felt, i tre ulike deler av vekstsesongen. I vekstsesongen 2021 hadde vi etablert to ozonhager i Norge, en på Blindern i Oslo og en på Svanhovd i Pasvikdalen, Finnmark. Ozonhager består av planter som viser synlige skader på bladene når de er utsatt for ozon. Vi dyrket blant annet tre sorter av tobakk i ozonhagene. Det er to viktige fordeler med å dyrke disse tobakksortene i ozonhager. Den ene er at ozonskadene som utvikles på bladene er veldig karakteristiske og ikke lette å forveksle med noe annet. I tillegg har de tre sortene ulik følsomhet for ozon, slik at man kan se at det utvikles synlige skader på den mest følsomme sorten først og i størst grad. Den mest ozonfølsomme sorten viste ozonskader fra juli til september. Også gjerdesolhatt, en ozonhageart fra USA, viste typiske ozonskader i samme periode. Et viktig mål for arbeidet vårt er å kunne modellere planters respons på ozoneksponering ved høye breddegrader med bedre nøyaktighet. Vi har utviklet en prosessbasert måte å implementere stresset ozon påfører plantene i modellen, via en reduksjon i den maksimale fotosyntesehastigheten. Vi vil evaluere modellresultatene for å se om effektene av ozon blir bedre beskrevet med denne nye metoden. Nivåene av bakkenært ozon nord i Skandinavia i løpet av sommeren 2018 var 5-8 % høyere enn forventet utfra klimatologien, delvis på grunn av varme og skogbranner andre steder i Skandinavia. Våre estimater viser at ozon hadde en tydelig negativ virkning på vekst av bjørkeskog og gresseng i Pasvik, Finnmark, det året. Furuskogene så derimot ikke ut til å bli nevneverdig skadet. Videre fant vi faktisk det samme mønsteret for disse tre vegetasjonstypene for 2019, som var et år med mer normale betingelser enn året før.

Double Punch har ført til et kompetansehevende tverrfaglig samarbeid. Vi har også bidratt i et større tverrfaglig miljø både nasjonalt og internt på UiO. Dette har gitt oss et nettverk av kolleger for framtidige forskningsprosjekter. Vi har også fått god kontakt med kolleger i USA som jobber med den store modellen CLM for interaksjoner mellom landområder (vegetasjon) og atmosfæren. I Europa har vi bidratt til arbeidsgruppa for estimering av effekter av ozon på landbruksprodukter og naturlig vegetasjon (ICP Vegetation) i FNs LRTAP-konvensjon (Long-Range Transboundary Air Pollution). Vi har løftet kunnskapen om de nordligste delene av Europa, og påvist at modellene ikke er godt nok tilpasset våre områder. Vi har foreslått forbedringer, og ser at de estimerte ozonskadene på vegetasjon og avling blir større enn modellene sier originalt. Det er allerede estimert at skog og landbruk mange steder i Norden taper over 5 % på grunn av ozonforurensning, men disse verdiene kan være for lave.

In the Anthropocene vegetation is hit by a double punch; air pollution and global warming. OzoNorClim investigates combined effects of ozone and climate stresses on Arctic and boreal species, with a focus on impacts of the long daylengths in this region as a novel element. Interdisciplinary research questions from the MILJØFORSK and KLIMAFORSK programmes are addressed, combining plant ecophysiology and atmosphere physics methods. OzoNorClim has a female coordinator. The work consists of plant physiological and mycological experiments to quantify the effects of ozone polluted air under the particular conditions in Northern areas, with midnight sun, and feed the new information into widely used climate and tropospheric ozone injury models. The improved models will give a better representation of the interactions between tropospheric ozone, vegetation and climate in Arctic and tundra areas, and therefore a better foundation for political decisions. The UNECE Convention on Long-range Transported Air Pollution (LRTAP) uses the Deposition of Ozone for Stomatal Exchange (DO3SE, see below) model to provide information to European policy makers. The DO3SE model will be modified according to experimental findings to make it better suited for Northern areas. Stockholm Environment Institute (York, UK, centrally placed in DO3SE development) is part of the team, and will cooperate with the Norwegian groups in this project, making our results highly available for the model users in Europe and North America. We will collaborate with Norwegian Institute for Air Research (NILU) for ozone monitoring at Svanhovd, and with Norwegian Institute of Bioeconomy Research (NIBIO) at the same place for field work. OzoNorClim is organised in five work packages, starting with field and lab work, from which results will be used to develop and apply models to estimate ozone concentrations and impacts on vegetation in combination with future climate change.