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L'obiettivo generale di questo esperimento è determinare in che modo gli aumenti passati e futuri della concentrazione di anidride carbonica atmosferica influenzano la produttività degli ecosistemi prativi, il bilancio idrico e il ciclo del carbonio. Lo studio comprende il monitoraggio dell'effetto della anidride carbonica su diversi tipi di suolo. Il nostro esperimento può contribuire a rispondere a domande ecologiche fondamentali sugli impatti del cambiamento climatico sui prati, inclusa la loro capacità di compensare gli effetti dell'aumento della CO₂ atmosferica.

Il vantaggio unico del nostro approccio consiste nel determinare gli effetti dell'arricchimento di CO2 fin dall'inizio della rivoluzione industriale e nel capire come tali effetti potrebbero cambiare in futuro. Il nostro metodo per generare livelli iniziali di CO2 si basa sull'utilizzo delle piante che stiamo studiando per creare da sole gradienti di CO2. Questo approccio per manipolare la CO2 e analizzarne gli effetti sugli ecosistemi prativi è stato sviluppato nel nostro laboratorio alla fine degli anni '80.

L'esperimento documentato qui è la terza generazione di esperimenti su gradienti di CO2. Per raccogliere monoliti di suolo, utilizzare una scatola d'acciaio aperta su un lato, di un metro quadrato per un metro di profondità. L'acciaio deve avere uno spessore di almeno otto millimetri.

Successivamente verrà saldata una base. Premere la scatola nel terreno desiderato utilizzando una pressa idraulica fissata al terreno mediante ancoraggi elicoidali profondi tre metri. Dopo aver inserito la scatola nel terreno, scavare il terreno circostante con una escavatrice retroescavatrice.

Staccare la base del monolite dal terreno sottostante ed estrarre il monolite. Posizionare una miccia in fibra di vetro contro il terreno. Alla base della scatola, la miccia scarica in un serbatoio da 10 litri collegato alla base della scatola in acciaio, mostrata qui già saldata in posizione.

Il serbatoio raccoglie l'acqua che potrebbe drenare attraverso il monolite durante l'esperimento e fornisce anche un mezzo per prelevare campioni d'acqua da analizzare chimicamente. Piantare la specie oggetto di studio nei monoliti a densità appropriate alla specie oggetto del proprio studio. Se necessario, eliminare la vegetazione preesistente sui monoliti utilizzando un erbicida non residuale come il glifosato.

Per le erbe alte, le specie di prateria, 56 piante per metro quadrato sono adatte. Otto piantine di sette specie dispongono le specie in un disegno a quadrato latino, utilizzando una randomizzazione unica per ciascun monolite; le specie di graminacee utilizzate comprendono side oes, nonna, piccolo fusto blu, erba indiana e tritoni bianchi. Le specie di Forbes utilizzate erano pitcher, salvia del Canada, verga d'oro e fiore a mazzetto dell'Illinois.

Un legume ha utilizzato un'irrigazione a goccia o aerea per mantenere le piante adeguatamente idratate durante l'insediamento. L'obiettivo è ridurre al minimo lo stress idrico mentre le piante si stanno insediando, fornendo quantità e frequenze di acqua appropriate alla specie in studio. Al termine della fase di insediamento delle piante, mantenerle con le precipitazioni ambientali fino al completamento della costruzione della camera.

Le camere monolitiche sono inserite in trincee larghe circa sette metri, profonde 1,5 metri e lunghe 60 metri. Ogni trincea ospita due camere e ogni camera contiene 10 sezioni interconnesse per ogni trincea. Posizionare 10 contenitori in acciaio pesante con un metro di distanza tra ciascun contenitore.

Questi costituiscono la base di ciascuna sezione e ciascuno sosterrà quattro monoliti. Collegare le sezioni adiacenti con condotti in lamiera per creare un percorso per il flusso d'aria. Installare una battera di raffreddamento all'interno di ciascun condotto.

La serpentina è alimentata con acqua a 10 gradi Celsius proveniente da un'unità di refrigerazione da 161 chilowatt. Il flusso di acqua refrigerata verso ciascuna serpentina è regolato da una valvola di controllo che risponde alla temperatura dell'aria nella camera. Posizionare quattro bilance, ciascuna con capacità di 4.540 chilogrammi, in ogni contenitore di cinque metri; su ciascuna bilancia, posizionare un monolite con piante della prateria stabilite.

Ogni sezione di cinque metri dovrebbe contenere monoliti di due tipi di suolo disposti in ordine casuale all'interno della sezione; randomizzare le coppie di tipi di suolo in ciascuna sezione, includendo il suolo sabbioso-franco nelle coppie di ogni altra sezione. Per completare la camera, coprire ogni sezione con un film per serra da 0,15 millimetri, comunemente utilizzato negli esperimenti di manipolazione climatica. Per accedere alle piante secondo necessità, installare aperture con cerniere e lembo antispiffero sulle coperture.

Il coperchio può essere rimosso quando necessario per il campionamento o la manutenzione. Mantenere la vegetazione coperta per tutta la stagione di crescita, purché la capacità fotosintetica della vegetazione sia sufficiente a mantenere il gradiente di CO2. Campionare l'aria all'ingresso e all'uscita di ogni camera ogni 20 minuti.

Indirizzare l'aria attraverso tubazioni filtrate verso analizzatori di gas a infrarossi, che misurano immediatamente la concentrazione di CO2. Analogamente, misurare il vapore acqueo ogni 20 minuti. Inoltre, per ciascuna sezione, utilizzare termocoppie fini schermate per misurare la temperatura ambiente ogni 20 minuti all'ingresso dell'aria, al punto medio della sezione e all'uscita dell'aria.

Utilizzando i dati sulla temperatura del campione, regolare le serpentine di raffreddamento per mantenere una temperatura dell'aria ambiente costante nella sezione centrale, uniforme tra le diverse sezioni. Infine, misurare la densità di flusso fotonico fotosintetico incidente sulla camera. Utilizzando un sensore quantistico, l'aria ambiente viene aspirata nella camera sovra-ambiente dai ventilatori situati all'ingresso della camera.

Utilizzare un regolatore di flusso massico per iniettare CO₂ puro nella camera e mantenere la concentrazione a 500 microlitri per litro di aria. Regolare anche la velocità dei ventilatori per raggiungere un livello di CO₂ di 390 microlitri per litro di aria in uscita dalla camera. Utilizzare la CO₂ nelle misurazioni della densità di flusso di fotoni fotosintetici.

Per mantenere questo parametro, il controllo di una velocità più bassa è l'aspetto più critico per conservare il gradiente di CO2 prescritto. Per la camera sub-ambientale, introdurre aria ambiente e regolare la velocità del ventilatore per raggiungere un livello di CO2 in uscita di 250 microlitri per litro durante le ore notturne. Invertire il flusso d'aria attraverso entrambe le camere e impostare l'iniezione del gas e i ventilatori per soddisfare i seguenti parametri nella camera super-ambientale.

Arricchire l'aria in ingresso fino a 530 microlitri di CO2 per litro e regolare il flusso in modo che l'aria esca a 640 microlitri di CO2 per litro nella camera sub-ambiente; regolare l'aria in modo che i livelli di CO2 siano di 390 microlitri per litro all'ingresso e di 530 microlitri per litro all'uscita per la precipitazione. Applicare la stagione di crescita media.

Precipitazioni per ciascun monolite. Utilizzare un sistema di irrigazione a goccia proveniente da una fonte idrica locale per approssimare il regime stagionale delle precipitazioni. Misurare le applicazioni di acqua mediante un flussimetro digitale.

È estremamente importante che le piante nel monolite vengano innaffiate a sufficienza per evitare stress da siccità grave. In questo modo, i loro tassi fotosintetici rimangono sufficientemente elevati da creare e mantenere il gradiente di CO2. Questo può essere facilitato piantando alcuni monoliti con una pianta-sink dotata di elevato tasso fotosintetico.

Durante oltre sette anni di funzionamento, le camere contenenti monoliti di gramigne prativi sono state mantenute a una concentrazione atmosferica lineare di CO2 o ca, con solo piccole interruzioni. A parte una sezione, la temperatura e il deficit di pressione di vapore sono rimasti costanti, misurati nei primi 20 centimetri di suolo. Il contenuto volumetrico di acqua nel suolo è variato linearmente lungo il gradiente di CA in due dei tre suoli oggetto dello studio; solo nel suolo argilloso limoso si è osservata questa variazione.

Nessun cambiamento in questo parametro. La produttività delle piante è stata misurata utilizzando il parametro di produttività primaria netta sopra il livello del suolo. Questa variava linearmente con CA in tutti i tipi di suolo.

La risposta minima al CA si è verificata nel suolo argilloso, mentre la risposta maggiore è stata osservata nel suolo sabbioso-limoso. Il Mesic C quattro Tallgrass Sarga Newan era la pianta più abbondante nell'esperimento. È stato influenzato in modo più marcato dal CA nel suolo sabbioso-limoso e solo marginalmente dal CA nel suolo argilloso.

La Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula è stata la specie successiva per abbondanza complessiva e su suolo argilloso limoso in condizioni sub-ambientali ca. È stata la più abbondante. La sua produttività è stata maggiormente influenzata dal ca su argilla limosa e meno influenzata dal ca su argilla.

Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come stabilire e mantenere una vegetazione sperimentale per regolare un gradiente di concentrazione di CO2 e comprendere i parametri fondamentali che devono essere misurati al fine di controllare tale gradiente di CO2. Questa struttura richiede circa due anni per essere costruita, ma offre la possibilità di condurre studi pluriennali sulle risposte delle piante a livelli di CO2 passati e futuri. Studi di lungo periodo come questi sono fondamentali per comprendere gli effetti dell'aumento della CO2 atmosferica sul ciclo del carbonio nelle praterie.

Questo approccio può essere applicato a qualsiasi specie vegetale che possa entrare nella camera.