CO

この実験の全体的な目的は、過去および将来的な大気中の二酸化炭素濃度の増加が、草原生態系の生産性、水収支、および炭素循環にどのように影響するかを明らかにすることです。本研究には、異なる土壌タイプにおける二酸化炭素の影響のモニタリングが含まれています。本実験は、大気中濃度の増加による影響を相殺する可能性を含め、気候変動が草原に及ぼす影響に関する重要な生態学的疑問への回答に寄与します。

CO2 本アプローチの独自の利点は、産業革命以降のCO2濃縮の影響を決定できること、および将来的にCO2の影響がどのように変化するかを決定できることにあります。CO2を導入するための我々のアプローチは、研究対象である植物自体にCO2勾配を形成させる手法に基づいています。CO2の操作およびそれが草原生態系に与える影響に関するこのアプローチは、1980年代後半に当研究室で開発されました。

ここに記録されている実験は、CO2勾配実験の第3世代である。土壌モノリスを採取するために、1辺1メートル、深さ1メートルの底が開いたスチール製ボックスを使用する。スチールの厚さは少なくとも8mm必要である。

後でベースが溶接されます。3メートルの深さのヘレアンカーで土壌に固定した油圧プレス機を用いて、ボックスを目的の土壌に押し込みます。ボックスを土壌に押し込んだ後、バックホーで周囲の土壌を掘削します。

モノリスの底面を下の土壌から切り離し、モノリスを取り出します。グラスファイバー製の芯（ウィック）を土壌に密着させます。ボックスの底にある芯は、ここに示されている、あらかじめ溶接されて固定されたスチール製ボックスの底に取り付けられた10 literのリザーバーに排水されます。

リザーバーは、実験中にモノリスから排水される水を回収し、化学分析のための水サンプリング手段としても機能します。研究対象となる種を、その種の研究に適した密度でモノリスに植え付けます。必要に応じて、グリホサートなどの非残留性除草剤を用いて、モノリス上の既存の植生を除去してください。

背の高い草本、プレーリー種の場合、1平方メートルあたり56本の植物が適切です。7つの種の苗を8本ずつ、各モノリスに使用した草本種ごとに固有のランダム化を行い、ラテン方格パターンに配置します。ここでの草本種には、side oes、grandma、little blue stem、Indian grass、white Tritonsが含まれます。使用したフォーブ種は、pitcher、Sage Canada、golden rod、Illinois bundle flowerでした。

定植期の植物に十分な水分を供給するため、マメ科植物に点滴灌漑またはスプリンクラー灌漑を用います。目的は、研究対象種に適した量と頻度で給水し、定植中の水ストレスを最小限に抑えることです。定植段階が終了した後は、チャンバーの設置が完了するまで、自然降雨条件下で植物を維持してください。

モノリスチャンバーは、幅約7 m、深さ1.5 m、長さ60 mの溝に設置されます。各溝には2つのチャンバーが収まり、各チャンバーには、各溝に10個の相互接続されたセクションが収まります。厚手の鋼鉄製容器10個を、容器間に1 mの間隔を空けて配置してください。

これらは各セクションの基盤となり、それぞれに4つのモノリスを保持します。隣接するセクションを板金ダクトで接続し、空気の流れのための経路を確保します。各ダクトの内部に冷却コイルを設置します。

コイルには、161 kWの冷凍機から10 °Cの水が供給されます。各コイルへの冷水の流量は、チャンバー内の空気温度に反応する制御弁によって調節されます。4,540 kgの容量を持つ秤を4台設置し、5 mごとのセクション容器をそれぞれの秤の上に配置して、定植済みのプレーリー植物を含むモノリスを設置してください。

5メートルごとの各セクションには、2種類の土壌のモノリスをランダムな順序で配置してください。各セクションにおける土壌タイプの組み合わせをランダム化し、1つおきのセクションの組み合わせに砂質ロームを含めてください。チャンバーを完成させるために、各セクションを気候操作実験で一般的に使用される0.15 millimeterの温室用フィルムで覆います。必要に応じて植物にアクセスできるよう、カバーにドラフトフラップ付きのジッパー開口部を設置してください。

サンプリングやメンテナンスが必要な場合は、カバーを取り外すことができます。植生の光合成能がCO2勾配を維持するのに十分である限り、成長期を通じて植生をカバーしたままにしてください。各チャンバーの入口と出口で、20分ごとに空気をサンプリングします。

ろ過された航空ラインを通じて空気を赤外線ガス分析計に送り、CO2濃度を即座に測定します。同様に、20分ごとに水蒸気量を測定します。また、各セクションにおいて、シールド付き極細線熱電対を用い、空気入口、セクションの中点、および空気出口での周囲温度を20分ごとに測定します。

サンプルの温度データを用いて、各セクション間で中段の周囲空気温度が一定に保たれるよう冷却コイルを調整します。最後に、チャンバーに入射する光合成光量子束密度を測定します。クォンタムセンサーを使用し、チャンバー入口のファンによって周囲空気がスーパーアンビエントチャンバー内に引き込まれます。

マスフローコントローラーを使用して、純粋なCO2をチャンバー内に注入し、濃度を空気1リットルあたり500 µLに維持します。また、ファンの速度を調節し、チャンバーから排出される空気のCO2レベルを1リットルあたり390 µLにします。このCO2を光合成光量子束密度の測定に使用してください。

このパラメータを維持するために、低速域の制御が、規定のCO2濃度勾配を維持する上で最も重要な要素となります。亜冷チャンバー（sub ambient chamber）では、外気を導入し、夜間における排出CO2濃度が250 microliters per literになるようにファン速度を調節します。両チャンバーの気流を反転させ、超冷チャンバー（super ambient chamber）において以下のパラメータを満たすようにガス注入量とファンを設定してください。

流入空気を1リットルあたり530 µLのCO2に濃縮し、亜環境チャンバー（sub ambient chamber）での流出空気が1リットルあたり640 µLのCO2になるように流量を調整します。沈殿用として、入口で390 µL/L、出口で530 µL/LとなるようにCO2レベルを調整します。平均的な成長期を適用してください。

各モノリスに降雨を再現します。地域の水源からの点滴灌漑システムを使用し、季節的な降雨パターンを近似させます。給水量はデジタル流量計を用いて測定します。

モノリス内の植物に十分な水を与え、深刻な乾燥ストレスを回避することが極めて重要です。これにより、光合成速度を高く維持し、CO₂勾配を形成および維持することが可能になります。光合成速度の高いシンク植物を一部のモノリスに植えることで、この効果を促進できます。

7年間の運用期間中、プレーリーグラスのモノリスチャンバー内の大気CO2濃度は、わずかな不連続性があるのみで線形に維持されました。一部のセクションを除き、土壌上層20 cmで測定された温度および飽和水蒸気圧差も一定に保たれました。本研究で用いた3種類の土壌のうち2種類において、土壌体積含水率はCA勾配に沿って線形に変化し、シルト質粘土土壌においてのみ変化が見られました。

このパラメータに変化はありませんでした。植物の生産性は、地上部純一次生産性の指標を用いて測定されました。これは、すべての土壌においてCAと線形に変動しました。

CAに対する反応が最も低かったのは粘土質土壌であり、最も高い反応が見られたのは砂質壌土でした。本実験で最も豊富であった植物は、Mesic C four Tallgrass Sarga Newanでした。この植物は砂質壌土においてCAの影響を最も強く受けましたが、粘土質土壌ではCAによる影響はわずかでした。

全体的に、および亜安定条件下でのシルト質粘土土壌において、次に豊富であった種はZurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendulaであった。この種は、そこでの最優占種であった。その生産性は、シルト質粘土におけるcaの影響を最も強く受け、粘土におけるcaの影響を最も受けにくかった。

このビデオを視聴することで、CO2濃度勾配を調節するための実験植生の構築および維持方法について十分な理解を得るとともに、そのCO2勾配を制御するために測定が必要な重要パラメータについて理解することができます。この施設の建設には約2年を要しますが、過去および将来のCO2レベルに対する植物の反応を数十年にわたって研究できる能力を備えています。このような長期研究は、大気中のCO2上昇が草地の炭素循環に及ぼす影響を理解する上で極めて重要です。

この手法は、チャンバー内に収まるあらゆる植物種に適用可能です。