Plant Responses to Volcanically Elevated CO2 in Two Costa Rican Forests

Abstract

We explore the use of active volcanoes to determine the short- and long-term effects of elevated CO2 on tropical trees. Active volcanoes continuously but variably emit CO2 through diffuse emissions on their flanks, exposing the overlying ecosystems to elevated levels of atmospheric CO2. We found tight correlations (r2=0.86 and r2=0.74) between wood stable carbon isotopic composition and co-located volcanogenic CO2 emissions for two of three investigated species (Oreopanax xalapensis and Buddleja nitida), which documents the long-term photosynthetic incorporation of isotopically heavy volcanogenic carbon into wood biomass. Measurements of leaf fluorescence and chlorophyll concentration suggest that volcanic CO2 also has measurable short-term functional impacts on select species of tropical trees. Our findings indicate significant potential for future studies to utilize ecosystems located on active volcanoes as natural experiments to examine the ecological impacts of elevated atmospheric CO2 in the tropics and elsewhere. Results also point the way toward a possible future utilization of ecosystems exposed to volcanically elevated CO2 to detect changes in deep volcanic degassing by using selected species of trees as sensors.

Exploramos el uso de volcanes activos para determinar los efectos a corto y largo plazo del CO2 elevado en árboles tropicales. Los volcanes activos emiten CO2 de forma continua pero variable a través de emisiones difusas en sus flancos, exponiendo los ecosistemas suprayacentes a niveles elevados de CO2 atmosférico. Encontramos correlaciones estrechas (r² = 0,86 y r² = 0,74) entre la composición isotópica del carbono estable de la madera y las emisiones de CO2 volcanogénico co-localizadas para dos de las tres especies investigadas (Oreopanax xalapensis y Buddleja nitida), lo que documenta la incorporación fotosintética a largo plazo del carbono volcanogénico isotópicamente pesado en la biomasa de la madera. Las mediciones de la fluorescencia foliar y la concentración de clorofila sugieren que el CO2 volcánico también tiene impactos funcionales medibles a corto plazo en especies seleccionadas de árboles tropicales. Nuestros hallazgos indican un potencial significativo para futuros estudios que utilicen ecosistemas ubicados en volcanes activos como experimentos naturales para examinar los impactos ecológicos del CO2 atmosférico elevado en los trópicos y en otros lugares. Los resultados también señalan el camino hacia una posible utilización futura de ecosistemas expuestos a niveles elevados de CO2 volcánicamente para detectar cambios en la desgasificación volcánica profunda mediante el uso de especies seleccionadas de árboles como sensores.