CO ₂濃度勾配施設 ₂濃縮および草地生態系の機能に及ぼす土壌の影響

この実験の全体的な目標は、大気中の二酸化炭素の過去と将来の増加が草原の生態系の生産性、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。この研究には、さまざまな土壌タイプに対する二酸化炭素の影響の監視が含まれます。私たちの実験は、気候変動が草原に与える影響に関する主要な生態学的質問に答えるのに役立ちます。これには、大気上昇の影響を相殺する可能性も含まれます。

CO2 私たちのアプローチのユニークな利点は、産業革命の始まり以来のCO2濃縮の影響を決定し、CO2の影響が将来どのように変化するかを決定することにあります。CO2を開始するための私たちのアプローチは、私たちが研究している植物を使用して独自のCO2勾配を作成することに依存しています。このCO2と草原生態系への影響を操作するアプローチは、1980年代後半に私たちの研究室で開発されました。

ここで紹介する実験は、第3世代のCO2勾配実験です。土のモノリスを集めるには、1メートル四方、深さ1メートルのオープンエンドのスチールボックスを使用します。鋼の厚さは少なくとも8ミリメートルでなければなりません。

ベースは後で溶接されます。3メートルの深さのヘレアンカーで土に固定された油圧プレスを使用して、ボックスを目的の土に押し下げます。箱を土に押し込んだ後、バックホーで周囲の土を掘ります。

モノリスベースを下の土から切り取り、モノリスを取り外します。グラスファイバー製の芯を土に当てます。ボックスの基部では、芯は、ここに示されているスチールボックスのベースに取り付けられた10リットルのリザーバーに排出されます。

リザーバーは、実験中にモノリスから排出される可能性のある水を収集し、化学分析のために水をサンプリングする手段も提供します。研究する種を、研究種に適した密度でモノリスに植えます。必要に応じて、グリホサートのような非残留除草剤でモノリスの既存の植生を殺します。

背の高い草、草原の種には、平方メートル以上の56の植物が適しています。7種8本の苗木がラテン四角形のパターンで種を配置し、ここで使用されるモノリスグラス種ごとに独自のランダム化を使用して、サイドオエ、おばあちゃん、小さな青い茎、インドの草、白いトリトンが含まれます。使用されたフォーブスの種は、ピッチャー、セージカナダ、ゴールデンロッド、イリノイバンドルフラワーでした。

マメ科植物は、設立時に植物を井戸水に保つために点滴または空中灌漑を使用しました。目標は、植物が研究種に適した量と頻度で水を確立している間、水ストレスを最小限に抑えることです。プラントの設立段階の後、チャンバーの建設が完了するまで、周囲の降雨の下でプラントを維持します。

モノリスチャンバーは、幅約7メートル、深さ1.5メートル、長さ60メートルのトレンチに取り付けられています。各トレンチは2つのチャンバーに適合し、各チャンバーは各トレンチの相互接続された10のセクションに適合します。重い鋼で作られた10個のコンテナを、各コンテナの間に1メートルで取り付けます。

これらは各セクションのベースを形成し、それぞれが4つのモノリスを保持します。隣接するセクションをシートメタルダクトで結合して、空気の流れの経路を提供します。各ダクト内に冷却コイルを取り付けます。

コイルには、161キロワットの冷凍ユニットから摂氏10度の水が供給されます。各コイルへの冷水の流れは、チャンバーの空気温度に反応する制御バルブによって調整されます。各5メートルのセクションコンテナに4つの4, 540キログラムの容量スケールを配置し、確立されたプレーリープラントを備えたモノリスを配置します。

各5メートルのセクションには、セクション内で2つの土壌タイプのモノリスをランダムな順序で含める必要があります。各セクションの土壌タイプの組み合わせをランダム化し、他のすべてのセクションのペアリングに砂壌土を含めます。チャンバーを完成させるには、気候操作実験で一般的に使用される0.15ミリメートルの温室フィルムで各セクションを覆います 必要に応じて植物にアクセスします。カバーにドラフトフラップ付きのジッパー式開口部を取り付けます。

カバーは、サンプリングやメンテナンスの必要に応じて取り外すことができます。植物の光合成能力が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覆い続けます。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。

フィルターを通した航空会社を経由して赤外線ガス分析器に送り、赤外線ガス分析器ですぐにCO2濃度を測定します。同様に、水蒸気を20分ごとに測定します。また、各セクションについて、シールドされた細いワイヤー熱電対を使用して、空気入口、セクション中点、および空気出口で20分ごとに周囲温度を測定します。

サンプル温度データを使用して、冷却コイルを調整して、セクション間で一貫した中央セクションの周囲温度を一定に保ちます。最後に、チャンバーに入射する光合成光子束密度を測定します。量子センサーを使用して、周囲の空気はチャンバー入口のファンによってスーパーアンビエントチャンバーに引き込まれます。

マスフローコントローラーを使用して、純粋なCO2をチャンバーに注入し、濃度を空気1リットルあたり500マイクロリットルに維持します。また、ファンの速度を調整して、チャンバーから出る空気1リットルあたり390マイクロリットルのCO2レベルを達成します。光合成光子束密度測定にCO2を使用します。

このパラメータを維持するためには、低速の制御が規定のCO2勾配を維持するための最も重要な側面です。サブアンビエントチャンバーでは、周囲の空気を導入し、ファンの速度を調整して、夜間に1リットルあたり250マイクロリットルのCO2レベルを出します。両方のチャンバーを通る空気の流れを逆にし、ガス注入とファンをスーパーアンビエントチャンバー内の次のパラメーターを満たすように設定します。

流入する空気を1リットルあたり530マイクロリットルのCO2に濃縮し、空気が640で排出されるように流れを調整します。サブアンビエントチャンバー内の1リットルあたりのCO2のマイクロリットルは、空気を調整するため、CO2レベルは、降水の入口で1リットルあたり390マイクロリットル、出口で1リットルあたり530マイクロリットルになります。平均生育期を適用します。

各モノリスへの降雨量。地元の水源からの点滴灌漑システムを使用して、季節的な降雨パターンを概算します。デジタル流量計を使用して水アプリケーションを測定します。

モノリスの植物は、深刻な干ばつストレスを避けるために十分に水をやることが非常に重要です。このようにして、光合成速度はCO2勾配を作成し維持するのに十分な高いままです。これは、一部のモノリスに光合成率の高いシンク植物が植えられている場合に役立ちます。

7年間の運用により、プレーリーグラスのモノリスの部屋は、わずかな不連続性のみで線形の大気CO2濃度またはcaに維持されました。1つのセクションを除いて、温度と蒸気圧の不足も、土壌の上部20センチメートルで測定されたもので一定のままでした。体積土壌水分量は、研究対象の3つの土壌のうち2つでCA勾配に沿って直線的に変化し、シルト質粘土質土壌のみが存在していました。

このパラメータに変更はありません。プラントの生産性は、地上の正味一次生産性指標を使用して測定されました。これは、すべての土壌のCAと直線的に変化しました。

CAに対する反応が最も低かったのは粘土質土壌で、最大の反応はサンディロームで見られました。Mesic C four Tallgrass Sarga Newanは、実験で最も豊富な植物でした。それは砂壌土上のCAの影響を最も強く受け、粘土質土壌のCAの影響をわずかに受けただけでした。

チューリッヒC four Midgrass BTU Lua Kerti Pendulaは、全体で次に豊富な種であり、周囲温度以下のシルト質粘土土壌でした。それは最も豊富でした。その生産性は、シルト質粘土上のcaの影響を最も受け、粘土上のcaの影響を最も受けませんでした。

このビデオを見れば、CO2 濃度勾配を調整するための実験植生を確立および維持する方法と、その CO2 勾配を制御するために測定する必要がある重要なパラメーターについて十分に理解できるはずです。この施設の建設には約2年かかりますが、過去および将来のCO2レベルに対する植物の反応を何十年にもわたって研究する能力を提供します。このような長期的な研究は、大気中のCO2上昇が草原の炭素循環に及ぼす影響を理解するために重要です。

このアプローチは、チャンバー内に収まる任意の植物種に適用できます。