Aphid infested Norway spruce are “hot spots” in throughfall carbon chemistry in coniferous forests

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Abstract

Throughfall chemistry in deciduous and coniferous forests is characterized by a high spatial and temporal variability, the sources of which are largely unknown. Aphids on Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) produce large quantities of honeydew, which is rich in sugars. We investigated the effect of changes in aphid abundance on throughfall carbon chemistry of Norway spruce using a rainfall simulation experiment. Aphid numbers in the experiment paralleled field infestations. Infested trees showed significantly higher concentrations of dissolved organic carbon (DOC) and hexose-C in throughfall solutions compared with uninfested trees. There was also a pronounced seasonal trend in the concentrations of these carbon compounds with highest concentrations recorded at the time of peak aphid abundance at the end of June - beginning of July. The throughfall from a spruce tree showed no spatial (center vs. periphery) differences in DOC and hexose-C concentrations. The number of aphids on a tree was the best predictor of the carbohydrate concentration of throughfall, explaining more than 60% of the variability. During the period of aphid infestation (May-September) average estimated field fluxes of DOC in throughfall collected under heavily infested trees (“hot spots”) were 11.6 and 240 times higher than those recorded under moderately and uninfested trees, respectively. The results implicate herbivores as a major potential source of the spatiotemporal heterogeneity in flows of nutrients in forests.

La chimie du pluviolessivat dans les forêts décidues et conifériennes est caractérisée par une forte variation spatiale et temporelle dont les causes sont largement inconnues. Les aphidés, sur l'épinette de Norvège, Picea abies (L.) Karst., produisent d'importantes quantités de miellat riche en sucres. Nous avons étudié l'effet des changements dans l'abondance des aphidés sur la chimie carbonée du pluviolessivat de l'épinette de Norvège lors d'une expérience simulant une chute de pluie. Le nombre d'aphidés utilisés dans le cadre de l'expérience reflétait les infestations retrouvées sur le terrain. Les solutions de pluviolessivat des arbres infestés montraient des concentrations significativement plus élevées de carbone organique dissout (COD) et d'hexose-C, comparativement aux arbres non infestés. Les concentrations de ces composés carbonés présentaient également une tendance saisonnière prononcée, les concentrations les plus élevées étant enregistrées au moment du pic d'abondance des aphidés, soit à la fin de juin et au début de juillet. Aucune différence spatiale (centre contre périphérie) n'a été trouvée dans les concentrations en COD et en hexose-C du pluviolessivat d'une épinette. La meilleure variable de prédiction de la concentration en hydrates de carbone du pluviolessivat était le nombre d'aphidés sur l'arbre, qui expliquait plus de 60% de la variabilité rencontrée. Pendant la période d'infestation des aphidés (de mai à septembre), les fluctuations moyennes de COD, enregistrées sur le terrain dans le pluviolessivat récolté sous des arbres fortement infestés (« zones sensibles »), étaient 11,6 et 240 fois plus élevées que celles mesurées sous des arbres modérément et non infestés, respectivement. Ces résultats laissent présager que les herbivores seraient une source potentielle majeure d'hétérogénéité spatiotemporelle dans le flux des nutriments en forêt.

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