CO
21 בנובמבר 2015
מתקן צבע דו Lysimeter פחמן יוצר 250 עד 500 μl L -1 שיפוע פחמן דו חמצני ליניארי בקהילות צמח מרעה דיור תאי טמפרטורה מבוקרת על חימר, חימר בוצי, ופסלי אדמת חולית. המתקן משמש כדי לקבוע כיצד רמות פחמן דו חמצני בעבר ובעתיד להשפיע אופניים פחמן כר דשא.
המטרה הכללית של ניסוי זה היא לקבוע כיצם עליות בעבר ובעתיד בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה משפיעות על פריון מערכות אקולוגיות של שטחים דשא, על מאזן המים ועל מחזור הפחמן. המחקר כולל ניטור של השפעת הפחמן הדו-חמצני על סוגי קרקע שונים. הניסוי שלנו עשוי לסייע במענה לשאלות אקולוגיות מרכזיות בנוגע להשפעות שינויי האקלים על שטחי דשא, כולל הפוטנציאל שלהם לקזז את ההשפעות של העלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה.
היתרון הייחודי של הגישה שלנו טמון בקביעת ההשפעות של העשרת CO2 מאז תחילת המהפכה התעשייתית, ובקביעה כיצד השפעות ה-CO2 עשויות להשתנות בעתיד. הגישה שלנו להתחלת CO2 מתבססת על שימוש בצמחים שאנו חוקרים כדי ליצור מדרגי CO2 משלהם. גישה זו למניפולציה של CO2 והשפעותיה על מערכות אקולוגיות של שטחי דשא פותחה במעבדה שלנו בסוף שנות השמונים.
הניסוי המתועד כאן הוא הדור השלישי של ניסויי מדרג CO2. לאיסוף מונוליתים של קרקע, השתמשו בקופסת פלדה פתוחה בקצוות, שמידותיה מטר רבוע ועומקה מטר אחד. עובי הפלדה חייב להיות לפחות שמונה מילימטרים.
בשלב מאוחר יותר ירותך בסיס. לחץ את התיבה אל תוך הקרקע הרצויה באמצעות מכבש הידראולי המעוגן לקרקע בעזרת שלושה עגני הלה (hele anchors) בעומק של שלושה מטרים. לאחר לחיצת התיבה אל הקרקע, חפר את הקרקע שמסביבה באמצעות מחפרת.
חתכו את בסיס המונולית מהקרקע שמתחתיה והוציאו את המונולית. מקמו פתיל פיברגלס כנגד הקרקע. בבסיס התיבה, הפתיל מנקז את הנוזלים למכל קיבול של 10 ליטר המחובר לבסיס תיבת הפלדה, כפי שמוצג כאן, כשהוא כבר מרותך במקומו.
המאגר אוסף מים שעשויים להתנקז דרך המונולית במהלך הניסוי, וכן מספק אמצעי לדגימת המים לצורך אנליזות כימיות. שתלו את המינים למחקר במונוליתים בצפיפות המתאימה למיני המחקר שלכם. במידת הצורך, השמידו צמחייה קיימת על המונוליתים באמצעות הרביץ שאינו משאיר שאריות כמו glyphosate.
עבור דשא גבוה, מיני ערבה (prairie), צפיפות של 56 צמחים למטר רבוע היא מתאימה. שמונה שתילים משבעה מינים מסודרים בתבנית ריבוע לטיני תוך שימוש באקראיות ייחודית לכל מונולית. מיני הדשא שנעשה בהם שימוש כאן כוללים side oes, grandma, little blue stem, Indian grass ו-white Tritons. מיני הפורבס (Forbes) שנעשה בהם שימוש היו pitcher, Sage Canada, golden rod ו-Illinois bundle flower.
יש להשתמש בהשקיה בטפטוף או בהשקיה אווירית עבור הקטנייה כדי לשמור על לחות תקינה של הצמחים במהלך שלב ההקמה. המטרה היא למזער עקה ממים בזמן התבססות הצמחים, תוך אספקת מים בכמויות ובשכיחות המתאימות למין הנחקר. לאחר שלב הקמת הצמחים, יש להשאיר את הצמחים תחת השקעת הגשמים הסביבתיים עד להשלמת בניית התא.
תאי המונולית מותקנים בחריצים שרוחבם כמעט שבעה מטרים, עומקם 1.5 מטרים ואורכם 60 מטרים. כל חריץ מקייע שני תאים, וכל תאי מקייע 10 מקטעים מקושרים בכל חריץ. התקינו 10 מכלים העשויים פלדה כבדה עם מרווח של מטר אחד בין כל מכל.
אלו מהווים את הבסיס של כל מקטע, וכל אחד מהם יכיל ארבעה מונוליתים. חברו את המקטעים הסמוכים באמצעות תעלות פח כדי לספק נתיב לזרימת אוויר. התקינו סליל קירור בתוך כל תעלה.
הסליל מקבל מים בטמפרטורה של 10 °C מיחידת קירור בהספק של 161 kW. זרימת המים הקרים לכל סליל מבוקרת על ידי שסתום בקרה המגיב לטמפרטורת האוויר בתא. מקמו ארבעה מאזניים בעומס מרבי של 4,540 kg בכל קטע של חמישה מטרים; על כל מאזני, מקמו מונוליט עם צמחי ערבה מבוססים.
כל מקטע של חמישה מטרים צריך להכיל מונוליתים משני סוגי קרקע בסדר אקראי בתוך המקטע; יש לבצע רנדומיזציה של זיווגי סוגי הקרקע בכל מקטע ולכלול sandy loam בזיווגים של כל מקטע שני. להשלמת התא, יש לכסות כל מקטע ביריעת חממה בעובי 0.15 מילימטר, הנפוצה בניסויי מניפולציה של אקלים. כדי לאפשר גישה לצמחים לפי הצורך, יש להתקין פתחים עם רוכסנים ומסכי רוח על הכיסויים.
ניתן להסיר את הכיסוי בעת הצורך לצורך דגימה או תחזוקה. השאירו את הצמחייה מכוסה לאורך כל עונת הגדילה, כל עוד קיבולת הפוטוסינתזה של הצמחייה מספיקה כדי לשמור על מפל ה-CO2. דגמו את האוויר בכניסה וביציאה של כל תא מדי 20 דקות.
העבירו את האוויר דרך קווי אוויר מסוננים למנתחי גז באינפרה-אדום, המודדים באופן מיידי את ריכוז ה-CO2. באופן דומה, מדדו את אדי המים מדי 20 דקות. כמו כן, עבור כל מקטע, השתמשו במצמדים תרמיים של חוט דק ומסוכים כדי למדוד את הטמפרטורה הסביבתית מדי 20 דקות בכניסת האוויר, בנקודת האמצע של המקטע ובמוצא האוויר.
בעזרת נתוני הטמפרטורה של הדגימה, וסתו את סלילי הקירור כדי לשמור על טמפרטורת אוויר סביבתית עקבית בחלק המרכזי, שתהיה אחידה בין המקטעים. לבסוף, מדדו את צפיפות שטף הפוטונים הפוטוסינתטיים הפוגעת בתא. בעזרת חיישן קוונטי, אוויר סביבתי נשאב אל תוך תא העל-סביבתי (super ambient chamber) על ידי המאווררים בכניסה לתא.
השתמשו בבקר זרימה המונית כדי להזריק CO2 טהור לתא ולשמור על ריכוז של 500 microliters per liter של אוויר. כמו כן, ודאו את מהירות המאווררים כדי להשיג רמה של 390 microliters per liter של CO2 באוויר היוצא מהתא. השתמשו ב-CO2 במדידות של צפיפות שטף פוטונים פוטוסינתטי.
כדי לשמור על פרמטר זה, בקרת המהירות הנמוכה היא ההיבט הקריטי ביותר לשמירה על מדרג ה-CO2 שהוגדר. עבור התא התת-סביבתי, הכניסו אוויר סביבתי וכווננו את מהירות המאוורר כדי להגיע לרמת CO2 של 250 microliters per liter ביציאה במהלך שעות הלילה. הפכו את זרימת האוויר דרך שני התאים והגדירו את הזרקת הגז והמאווררים כדי לעמוד בפרמטרים הבאים בתא העל-סביבתי.
העשרו את האוויר הנכנס ל-530 microliters של CO2 לליטר והסדירו את הזרימה כך שהאוויר יצא ב-640 microliters של CO2 לליטר בתא התת-סביבתי; כווננו את האוויר כך שרמות ה-CO2 יהיו 390 microliters לליטר בכניסה ו-530 microliters לליטר ביציאה עבור השקיעה. החילו את ממוצע עונת הצמיחה.
משקעים לכל מונולית. השתמשו במערכת השקיה בטפטוף ממקור מים מקומי כדי לדמות את דפוס המשקעים העונתי. מדדו את כמות המים המיושמת באמצעות מד זרימה דיגיטלי.
חשוב ביותר להשקות את הצמחים שבמונולית באופן מספיק כדי למנוע עקה חמורה של בצורת. בדרך זו, שיעורי הפוטוסינתזה שלהם יישארו גבוהים מספיק כדי ליצור ולשמר את מפל ה-CO2. ניתן לסייע לכך אם חלק מהמונוליתים נטועים עם צמח כיור בעל שיעור פוטוסינתזה גבוה.
במהלך שבע שנים של פעילות, תאי מונוליטים של עשב ערבה (prairie grass) תחזקו בריכוז CO2 אטמוספירי ליניארי או ca עם הפרעות קטנות בלבד. למעט מקטע אחד, גם הטמפרטורה והגירעון בלחץ האדים נותרו קבועים כפי שנמדדו ב-20 הסנטימטרים העליונים של הקרקע. תכולת המים הנפחית של הקרקע השתנתה באופן ליניארי לאורך מדרג ה-CA בשניים משלוש סוגי הקרקע במחקר; רק בקרקע שיבית-חמצית היה שם.
לא חל שינוי בפרמטר זה. פריון הצמחים נמדד באמצעות מדד הפריון הראשוני הנקי מעל פני השטח. מדד זה השתנה באופן ליניארי עם CA בכל סוגי הקרקעות.
התגובה הנמוכה ביותר ל-CA התרחשה באדמת החימר והתגובה הגבוהה ביותר נצפתה באדמת פרקליט חולית. ה-Mesic C four Tallgrass Sarga Newan היה הצמח השכיח ביותר בניסוי. הוא הושפע בצורה החזקה ביותר מה-CA באדמת הפרקליט החולית והושפע באופן מזערי בלבד מה-CA באדמת החימר.
המין Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula היה השני בשכיחותו באופן כללי, ובקרקע חולית-חרסית בתנאי ca תת-סביבתיים הוא היה השכיח ביותר. הפרודוקטיביות שלו הושפעה ביותר מ-ca בקרקע חולית-חרסית והושפעה במידה המועטה ביותר מ-ca בקרקע חרסיתית (Clay).
לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להקים ולתחזק צמחייה ניסויית להסדרת מדרגת ריכוזי CO2, ותבינו את הפרמטרים הקריטיים שיש למדוד כדי לשלוט במדרגת ה-CO2 הזו. הקמת מתקן זה דורשת כשנתיים, אך היא מאפשרת ביצוע של מחקרים שנמשכים עשורים על תגובות צמחים לרמות CO2 מהעבר ומהעתיד. מחקרים ארוכי טווח אלו הם קריטיים כדי לסייע בהבנת ההשפעות של עליית ה-CO2 האטמוספרי על מחזור הפחמן במעמקים של שטחי דשא.
ניתן להחיל גישה זו על כל מין צמחים שיתאים לנפח התא.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מתקן מדרג הפחמן הדו-חמצני של הליזימטר חוקר כיצד שינויים ברמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה משפיעים על מערכות אקולוגיות של שטחי עשב. מחקר זה מתמקד בהשפעות ה-CO2 על הפרודוקטיביות, מאזן המים ומחזור הפחמן בסוגי קרקע שונים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- אקולוגיה
- שינויי אקלים
- מערכות אקולוגיות של שטחי עשב
רקע
- לביצות דשא ממלאות תפקיד מכריע במחזור הפחמן.
- הבנת השפעות ה-CO2 חיונית לצורך תחזיות אקולוגיות.
- המחקר עושה שימוש בגישת מדרג CO2 ייחודית שפותחה מאז סוף שנות השמונים.
- המחקר עוסק בהשלכות של שינויי האקלים על פריון שטחי דשא.
מטרת המחקר
- להעריך כיצד רמות CO2 היסטוריות ועתידיות משפיעות על מערכות אקולוגיות של שטחי עשב.
- לבחון את הפוטנציאל של שטחי עשב למיתון השפעות שינויי האקלים.
- לספק תובנות לגבי תגובות אקולוגיות לעלייה ברמת ה-CO2 האטמוספרית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יצירת מדרגי CO2 באמצעות קהילות צמחים של שטחי עשב.
- ניטור של פריון המערכת האקולוגית ומאזן המים.
- ניתוח מחזור הפחמן בסוגי קרקע שונים.
- תכנון מחקר אורך למעקב אחר שינויים לאורך זמן.
תוצאות עיקריות
- זיהוי השפעות משמעותיות של CO2 על פריון שטחים דשאיים.
- תובנות לגבי שינויים במאזן המים כתוצאה מהעשרת CO2.
- נתונים על דינמיקת מחזור הפחמן בתגובה לרמות משתנות של CO2.
- השלכות על ניהול עתידי של שטחים דשאיים ואסטרטגיות אקלים.
מסקנות
- שטחים דשאיים רגישים לשינויים ברמות ה-CO2 באטמוספירה.
- ממצאי המחקר יכולים לסייע במאמצים לצמצום השפעות שינויי האקלים.
- דרושים מחקרים נוספים כדי להבין את ההשפעות לטווח ארוך.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מניפולציה כמותית של מדרגי CO2 על פני סוגי קרקעות מרובים מאפשרת בדיקה חסונה של השערות לגבי תפקוד המערכת האקולוגית בתרחישים של שינויי אקלים. מתקן זה תומך בביטחון חיזוי במידול מחזור הפחמן היבשתי ומאזן המים, ובכך מספק בסיס להחלטות מותאמות סיכון עבור תיקי מו"פ בביוטכנולוגיה סביבתית ובחקלאות. גישה זו מספקת פלטפורמה ארוכת טווח הניתנת להרחבה להערכת תגובות של מערכות אקולוגיות לשינויים אטמוספריים הרלוונטיים לאסטרטגיות של קיימות וניהול משאבים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של תגובות ברמת המערכת האקולוגית להעשרה מבוקרת של CO2 במטריצות קרקע מגוונות.
- תומך בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי בידוד השפעות ה-CO2 האטמוספרי על פריון הצמחים ומחזור הפחמן.
- מסייע במידול חזוי של נתיבים ביו-גיאו-כימיים תחת תרחישי אקלים עתידיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק תנאים סביבתיים מתוקתפים וניתנים לשחזור עבור סריקה פנוטיפית של אינטראקציות בין צמחים לקרקע בשלבים הבאים.
- מפיק פלטיים כמותיים עבור פרודוקטיביות ראשונית נטו מעל פני השטח ותכולת מים בקרקע.
- מאפשר סטנדרטיזציה של משתנים ניסיוניים לצורך השוואה בין מחקרים ושימוש חוזר בפלטפורמה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את התוצרים הניסויים לפיתוח ביומרקרים תרגומיים לבריאות וחסינות של מערכות אקולוגיות.
- תומכת ברציפות משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני ארוך טווח של התערבויות סביבתיות.
- מספקת בסיס לקדם מותאם-סיכון של אסטרטגיות לניהול קרקעות בר קיימא ולצמצום השפעות שינויי האקלים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
מתקן זה משתלב ברצף שבין הגילוי לתיקוף עבור מו"פ סביבתי וחקלאי, ותומך בניסויים מונחי-השערה ובהערכה כמותית של תפקוד מערכות אקולוגיות.
- ביולוגיה של הגילוי: מאפשרת בדיקה קפדנית של השפעות CO2 על מערכות צמח-קרקע ועל פריון המערכת האקולוגית.
- סריקה: מספקת מדידות כמותיות הניתנות לשחזור של צמיחת צמחים ודינמיקת מי קרקע תחת מדרגות (gradients) מבוקרות.
- אנליטיקה: מספקת נתונים רב-פרמטריים בתדירות גבוהה להשוואה סטטיסטית של תנאים סביבתיים.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין ממצאים ניסיוניים למידול בקנה מידה של נוף והתאמת סמנים ביולוגיים (biomarkers) לניטור מערכות אקולוגיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פלטפורמה עמידה וניתנת להתאמה למחקרים רב-שנתיים ולסטנדרטיזציה בין פרויקטים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במידול תגובות של מערכות אקולוגיות ובתיקוף יעדים עבור התערבויות סביבתיות.
- ערך תפעולי: מספק תשתית ניסויית סטנדרטית, ניתנת להרחבה וניתנת לשחזור עבור מחקרים ארוכי טווח.
- ערך אסטרטגי: תומך בקבלת החלטות מושכלות של go/no-go עבור יוזמות של הסתגלות לאקלים וקיימות.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף מותאם סיכונים של השקעות מו"פ בחדשנות חקלאית ואקולוגית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי המערכות האקולוגיות, פיזיולוגיה של צמחים ומכשור סביבתי.
- דורש תשתית אנליטית חסונה למדידות רציפות של גז, טמפרטורה ומים.
- מחייב סטנדרטיזציה של פרוטוקולים ניסיוניים וניהול נתונים בין צוותים שונים.
- ניתן להתאמה למגוון מיני צמחים וסוגי קרקע במסגרת מגבלות התא.
- תחזוקה וכיול לטווח ארוך הם קריטיים לשמירה על איכות הנתונים והשחזוריות שלהם.
