Instalacja do pomiaru gradientu stężenia CO₂ do badania wzbogacenia w CO₂ i wpływu gleby na funkcjonowanie ekosystemu użytków zielonych

Ogólnym celem tego eksperymentu jest określenie, w jaki sposób przeszłe i przyszłe wzrosty stężenia dwutlenku węgla w atmosferze wpływają na produktywność ekosystemów trawiastych, bilans wodny oraz obieg węgla. Badanie obejmuje monitorowanie wpływu dwutlenku węgla na różne rodzaje gleb. Nasz eksperyment może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania ekologiczne dotyczące wpływu zmian klimatu na tereny trawiaste, w tym na ich potencjał do niwelowania skutków wzrostu stężenia gazów w atmosferze.

Wyjątkową zaletą naszego podejścia jest możliwość określenia wpływu wzbogacenia w CO2 od początku rewolucji przemysłowej oraz ustalenia, w jaki sposób oddziaływanie CO2 może zmienić się w przyszłości. Nasza metoda wprowadzania CO2 opiera się na wykorzystaniu badanych roślin do tworzenia przez nie własnych gradientów CO2. To podejście do manipulacji poziomem CO2 oraz badania wpływu tych zmian na ekosystemy trawiaste zostało opracowane w naszym laboratorium pod koniec lat 80. XX wieku.

Eksperyment opisany w niniejszym materiale stanowi trzecią generację eksperymentów z gradientem CO2. W celu pobrania monolitów glebowych należy użyć otwartej stalowej skrzyni o wymiarach jednego metra kwadratowego i głębokości jednego metra. Stal musi mieć grubość co najmniej osiem milimetrów.

Następnie zostanie przyspawana podstawa. Wciśnij skrzynię w wybrany grunt za pomocą prasy hydraulicznej przymocowanej do podłoża za pomocą kotew helikalnych o głębokości trzech metrów. Po wciśnięciu skrzyni w grunt, wykop otaczającą ją ziemię za pomocą koparki z łyżką wsteczną.

Odetnij podstawę monolitu od znajdującej się poniżej gleby i wyjmij monolit. Przyłóż knot z włókna szklanego do gleby. U podstawy skrzynki knot odprowadza ciecz do zbiornika o pojemności 10 litrów, przymocowanego do podstawy stalowej skrzynki, który na załączonym obrazie jest już przyspawany na miejscu.

Zbiornik gromadzi wodę, która może przesiąkać przez monolit w trakcie eksperymentu, a także umożliwia pobieranie próbek wody do analiz chemicznych. Posadź badane gatunki w monolitach z zagęszczeniem odpowiednim dla gatunków objętych badaniami. W razie potrzeby usuń istniejącą roślinność na monolitach za pomocą herbicydu niepozostawiającego pozostałości, takiego jak glifosat.

W przypadku wysokich traw i gatunków preriowych odpowiednia gęstość to 56 roślin na metr kwadratowy. Osiem siewek siedmiu gatunków rozmieszczono zgodnie ze schematem kwadratu łacińskiego, stosując unikalną randomizację dla każdego monolitu. Gatunki traw wykorzystane w badaniu obejmowały side oes, grandma, little blue stem, Indian grass oraz white Tritons. Wykorzystane gatunki z rodzaju Forbes to pitcher, Sage Canada, golden rod oraz Illinois bundle flower.

W przypadku roślin strączkowych zastosowano nawadnianie kropelkowe lub napowietrzne, aby zapewnić roślinom odpowiednią wilgotność podczas etapu ukorzeniania. Celem jest zminimalizowanie stresu wodnego w okresie wzrostu roślin poprzez dostarczanie wody w ilościach i częstotliwościach odpowiednich dla badanego gatunku. Po fazie ukorzeniania rośliny utrzymuj w warunkach naturalnych opadów aż do momentu ukończenia budowy komory.

Komory monolityczne są osadzane w rowach o szerokości około siedmiu metrów, głębokości 1,5 metrów i długości 60 metrów. W każdym rowie mieszczą się dwie komory, a każda komora zawiera 10 połączonych ze sobą sekcji. Należy umieścić 10 pojemników wykonanych z ciężkiej stali, zachowując odstęp jednego metra między każdym pojemnikiem.

Stanowią one podstawę każdej sekcji, a każda z nich pomieści cztery monolity. Połącz sąsiednie sekcje przewodami z blachy, aby zapewnić drogę przepływu powietrza. Wewnątrz każdego przewodu zamontuj wężownicę chłodzącą.

Cewka jest zasilana wodą o temperaturze 10 °C z jednostki chłodzącej o mocy 161 kW. Przepływ schłodzonej wody do każdej cewki jest regulowany przez zawór sterujący, który reaguje na temperaturę powietrza w komorze. Należy ustawić cztery wagi o udźwigu 4 540 kg; w każdej sekcji o długości pięciu metrów na każdej wadze należy umieścić monolit z ustalonymi roślinami preriowymi.

Każda pięciometrowa sekcja powinna zawierać monolity z dwóch typów gleby w losowej kolejności w obrębie sekcji; należy zrandomizować pary typów gleby w każdej sekcji, uwzględniając glebę piaszczysto-gliniastą w parach co drugiej sekcji. Aby dokończyć konstrukcję komory, każdą sekcję należy pokryć folią szklarniową o grubości 0,15 mm, powszechnie stosowaną w eksperymentach z manipulacją klimatem. W celu zapewnienia dostępu do roślin w razie potrzeby, w pokrywach należy zainstalować otwory zapinane na zamek z klapami osłonowymi.

Osłonę można zdjąć w razie potrzeby pobrania próbek lub przeprowadzenia konserwacji. Roślinność powinna pozostać przykryta przez cały sezon wegetacyjny, dopóki zdolność fotosyntetyczna roślin jest wystarczająca do utrzymania gradientu CO2. Pobieraj próbki powietrza na wlocie i wylocie z każdej komory co 20 minut.

Kieruj powietrze przez filtrowane linie doprowadzające do podczerwonych analizatorów gazu, które na bieżąco mierzą stężenie CO2. W podobny sposób mierz zawartość pary wodnej co 20 minut. Ponadto, dla każdej sekcji, użyj ekranowanych cienkich termopar do pomiaru temperatury otoczenia co 20 minut przy wlocie powietrza, w punkcie środkowym sekcji oraz przy wylocie powietrza.

Wykorzystując przykładowe dane o temperaturze, należy regulować cewki chłodzące, aby utrzymać stałą temperaturę powietrza otoczenia w środkowej części, spójną pomiędzy poszczególnymi sekcjami. Na koniec należy zmierzyć gęstość strumienia fotonów fotosyntetycznych padających na komorę. Przy użyciu czujnika kwantowego, wentylatory znajdujące się przy wejściu do komory zasysają powietrze otoczenia do komory superambientowej.

Użyj kontrolera przepływu masowego, aby wstrzyknąć czysty CO2 do komory i utrzymać jego stężenie na poziomie 500 microliters per liter powietrza. Reguluj również prędkość wentylatorów, aby uzyskać poziom CO2 wynoszący 390 microliters per liter powietrza opuszczającego komorę. Wykorzystaj CO2 w pomiarach gęstości strumienia fotonów fotosyntetycznych.

Aby utrzymać ten parametr, kontrola niższej prędkości jest najistotniejszym aspektem zachowania określonego gradientu CO2. W przypadku komory o temperaturze poniżej otoczenia należy wprowadzić powietrze otaczające i wyregulować prędkość wentylatora tak, aby uzyskać poziom CO2 na wylocie wynoszący 250 microliters per liter w godzinach nocnych. Następnie należy odwrócić kierunek przepływu powietrza przez obie komory oraz ustawić wtrysk gazu i wentylatory, aby spełnić następujące parametry w komorze o temperaturze powyżej otoczenia.

Wzbogać dopływające powietrze do poziomu 530 µL CO2 na litr i ureguluj przepływ tak, aby powietrze opuszczało komorę poniżej poziomu otoczenia przy stężeniu 640 µL CO2 na litr; dostosuj powietrze tak, aby poziomy CO2 wynosiły 390 µL na litr na wlocie i 530 µL na litr na wylocie w celu wywołania precypitacji. Zastosuj średni sezon wegetacyjny.

Opady deszczu dla każdego monolitu. Należy zastosować system nawadniania kropelkowego z lokalnego źródła wody, aby odwzorować sezonowy wzorzec opadów. Ilość podawanej wody należy mierzyć za pomocą cyfrowego przepływomierza.

Krytycznie ważne jest, aby rośliny w monolicie były odpowiednio podlewane, aby uniknąć silnego stresu suszowego. W ten sposób ich tempo fotosyntezy pozostaje na poziomie wystarczającym do wytworzenia i utrzymania gradientu CO2. Można to wspomóc, sadząc w niektórych monolithach roślinę odbiorczą (sink plant) o wysokim tempie fotosyntezy.

W ciągu siedmiu lat eksploatacji, komory monolitów traw preriowych były utrzymywane przy liniowym stężeniu CO2 w atmosferze lub ca z jedynie niewielkimi przerwami. Poza jedną sekcją, temperatura i deficyt ciśnienia pary również pozostawały stałe w pomiarach wykonanych w górnych 20 centymetrach gleby. Objętościowa zawartość wody w glebie zmieniała się liniowo wzdłuż gradientu CA w dwóch z trzech badanych gleb; jedynie w glebie gliniasto-ilastej wystąpiła.

Brak zmian w tym parametrze. Produktywność roślin mierzono za pomocą wskaźnika nadziemnej netto pierwotnej produktywności. W przypadku wszystkich gleb wartość ta zmieniała się liniowo wraz z CA.

Najniższą odpowiedź na CA odnotowano w przypadku gleby gliniastej, natomiast największą reakcję zaobserwowano w glebie piaszczysto-gliniastej. Najliczniejszą rośliną w eksperymencie była Mesic C four Tallgrass Sarga Newan. Najsilniej oddziaływała na nią CA w glebie piaszczysto-gliniastej, podczas gdy w glebie gliniastej wpływ CA był jedynie marginalny.

Gatunek Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula był kolejnym najliczniejszym gatunkiem ogółem, a na glebie gliniasto-ilastej w warunkach poniżej temperatury otoczenia (sub ambient ca) był najliczniejszy. Jego produktywność była najbardziej dotknięta przez ca na glebie gliniasto-ilastej i najmniej dotknięta przez ca na glinie.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak zakładać i utrzymywać eksperymentalną roślinność w celu regulowania gradientu stężenia CO2, a także rozumieć krytyczne parametry, które muszą być mierzone, aby kontrolować ten gradient CO2. Budowa takiej instalacji zajmuje około dwóch lat, ale umożliwia prowadzenie wieloletnich badań nad reakcją roślin na poziomy CO2 z przeszłości i przyszłości. Takie długoterminowe badania są kluczowe dla zrozumienia wpływu rosnącego stężenia CO2 w atmosferze na obieg węgla w ekosystemach trawiastych.

Podejście to można zastosować do dowolnego gatunku roślin, który zmieści się w komorze.