Instalacja do pomiaru gradientu stężenia CO2 do badania wzbogacenia w CO2 i wpływu gleby na funkcjonowanie ekosystemu użytków zielonych
21 listopada 2015
Lizymetr Gradientu Dwutlenku Węgla tworzy liniowy gradient dwutlenku węgla L-1 o objętości od 250 do 500 μl w komorach o kontrolowanej temperaturze, w których znajdują się zbiorowiska roślinne na monolitach gliniastych, pylastych i piaszczystych. Obiekt służy do określenia, w jaki sposób przeszły i przyszły poziom dwutlenku węgla wpływa na obieg węgla na użytkach zielonych.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest określenie, w jaki sposób przeszły i przyszły wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze wpływa na produktywność ekosystemów użytków zielonych, bilans wodny i obieg węgla. Badania obejmują monitorowanie wpływu dwutlenku węgla na różne rodzaje gleb. Nasz eksperyment może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania ekologiczne dotyczące wpływu zmian klimatycznych na użytki zielone, w tym ich potencjału do równoważenia skutków wzrostu atmosfery.
CO2 Unikalną zaletą naszego podejścia jest określenie wpływu wzbogacania CO2 od początku rewolucji przemysłowej oraz określenie, jak wpływ CO2 może się zmienić w przyszłości. Nasze podejście do rozpoczęcia emisji CO2 opiera się na wykorzystaniu badanych przez nas roślin do stworzenia własnych gradientów CO2. To podejście do manipulowania CO2 i jego wpływem na ekosystemy trawiaste zostało opracowane w naszym laboratorium pod koniec lat 80.
Udokumentowany tutaj eksperyment jest trzecią generacją eksperymentów z gradientem CO2. Aby zebrać monolity glebowe, użyj otwartej stalowej skrzynki o powierzchni jednego metra kwadratowego i głębokości jednego metra. Stal musi mieć grubość co najmniej ośmiu milimetrów.
Podstawa zostanie później przyspawana. Wciśnij skrzynkę w żądaną glebę za pomocą prasy hydraulicznej przymocowanej do gleby za pomocą kotew helowych o głębokości trzech metrów. Po wciśnięciu skrzynki w glebę należy wykopać otaczającą ziemię za pomocą koparki.
Odetnij podstawę monolitu od gleby poniżej i usuń monolit. Umieść z włókna szklanego przy ziemi. U podstawy pudełka spływa do 10-litrowego zbiornika przymocowanego do podstawy pokazanej tutaj stalowej skrzynki, która jest już przyspawana na miejscu.
Zbiornik zbiera wodę, która może spłynąć przez monolit podczas eksperymentu, a także zapewnia środki do pobierania próbek wody do analiz chemicznych. Posadź gatunki, które mają być badane w monolitach w zagęszczeniach odpowiednich dla badanych gatunków. W razie potrzeby zabij istniejącą wcześniej roślinność na monolitach za pomocą nieresztkowego herbicydu, takiego jak glifosat.
W przypadku wysokiej trawy, gatunków preriowych odpowiednich jest 56 roślin na metrze kwadratowym. Osiem sadzonek siedmiu gatunków układa gatunki w łaciński kwadratowy wzór, korzystając z unikalnej randomizacji dla każdego użytego tutaj gatunku trawy monolitu, w tym bocznych oes, babci, małej niebieskiej łodygi, trawy indyjskiej i białych trytonów. Używane gatunki Forbesa to dzbanec, szałwia kanadyjska, złoty pręt i kwiat wiązki Illinois.
Rośliny strączkowe stosowały nawadnianie kropelkowe lub powietrzne, aby utrzymać rośliny w dobrej wodzie podczas zakładania. Celem jest zminimalizowanie stresu wodnego podczas tworzenia wody przez rośliny w ilościach i częstotliwościach odpowiednich dla badanych gatunków. Po fazie zakładania zakładu należy utrzymywać rośliny w warunkach opadów atmosferycznych do momentu zakończenia budowy komory.
Komory monolityczne są zamontowane w rowach o szerokości około siedmiu metrów, głębokości 1,5 metra i długości 60 metrów. W każdym wykopie mieszczą się dwie komory, a w każdym wykopie mieści się 10 połączonych ze sobą sekcji. Zmieścisz 10 pojemników wykonanych z ciężkiej stali z jednym metrem między każdym pojemnikiem.
Stanowią one podstawę każdej sekcji, a każda z nich będzie zawierała cztery monolity. Połącz sąsiednie sekcje kanałami z blachy, aby zapewnić ścieżkę przepływu powietrza. Zainstaluj wężownicę chłodzącą wewnątrz każdego kanału.
Wężownica jest zasilana wodą o temperaturze 10 stopni Celsjusza z agregatu chłodniczego o mocy 161 kilowatów. Przepływ schłodzonej wody do każdej wężownicy jest regulowany przez zawór sterujący, który reaguje na temperaturę powietrza w komorze. Umieść cztery wagi o pojemności 4 540 kilogramów w każdym pięciometrowym pojemniku na każdej wadze, umieść monolit z ustalonymi roślinami preriowymi.
Każdy pięciometrowy odcinek powinien zawierać monolity z dwóch typów gleb w losowej kolejności w sekcji, losowo dobieraj pary typów gleby w każdej sekcji, w których występuje glina piaszczysta, w parach każdej innej sekcji. Aby ukończyć komorę, przykryj każdą sekcję folią szklarniową o grubości 0,15 milimetra, która jest powszechnie stosowana w eksperymentach z manipulacją klimatem, aby uzyskać dostęp do roślin w razie potrzeby. Zamontuj otwory zapinane na zamek błyskawiczny z klapami przeciwwiatrowymi na pokrywach.
Pokrywę można zdjąć w razie potrzeby w celu pobrania próbek lub konserwacji. Utrzymuj roślinność przykrytą przez cały sezon wegetacyjny, o ile zdolność fotosyntetyczna roślinności jest wystarczająca do utrzymania gradientu CO2. Próbki powietrza należy pobierać na wejściu i wylocie z każdej komory co 20 minut.
Powietrze jest kierowane przez filtrowane linie lotnicze do analizatorów gazów na podczerwień, które natychmiast mierzą stężenie CO2. Podobnie mierz parę wodną co 20 minut. Ponadto dla każdej sekcji należy użyć ekranowanych par termicznych z cienkiego drutu do pomiaru temperatury otoczenia co 20 minut na wlocie powietrza, w środku sekcji i na wylocie powietrza.
Korzystając z danych o temperaturze próbki, wyreguluj wężownice chłodzące, aby utrzymać stałą temperaturę otoczenia w części środkowej, która jest spójna między sekcjami. Na koniec zmierz gęstość strumienia fotonów fotosyntetycznych padających na komorę. Za pomocą czujnika kwantowego powietrze z otoczenia jest wciągane do komory super otoczenia przez wentylatory przy wejściu do komory.
Użyj regulatora przepływu masowego, aby wstrzyknąć czysty CO2 do komory i utrzymać stężenie na poziomie 500 mikrolitrów na litr powietrza. Reguluj również prędkość wentylatorów, aby osiągnąć poziom CO2 390 mikrolitrów na litr powietrza wychodzącego z komory. Wykorzystaj CO2 w pomiarach gęstości strumienia fotonów fotosyntetycznych.
Aby utrzymać ten parametr, kontrola niższej prędkości jest najbardziej krytycznym aspektem utrzymania zalecanego gradientu CO2. W przypadku komory podśrodowiskowej wprowadź powietrze otoczenia i wyreguluj prędkość wentylatora, aby osiągnąć wyjściowy poziom CO2 250 mikrolitrów na litr w godzinach nocnych. Odwróć przepływ powietrza przez obie komory i ustaw wtrysk gazu i wentylatory tak, aby spełniały następujące parametry w komorze super otoczenia.
Wzbogać napływające powietrze do 530 mikrolitrów CO2 na litr i wyreguluj przepływ tak, aby powietrze wychodziło na 640. Mikrolitry CO2 na litr w komorze sub ambient, dostosuj powietrze, tak aby poziom CO2 wynosił 390 mikrolitrów na litr przy wejściu i 530 mikrolitrów na litr na wyjściu w przypadku opadów. Zastosuj średni sezon wegetacyjny.
Opady deszczu do każdego monolitu. Użyj systemu nawadniania kropelkowego z lokalnego źródła wody, aby w przybliżeniu określić sezonowy wzorzec opadów. Pomiar aplikacji wodnych za pomocą cyfrowego przepływomierza.
Niezwykle ważne jest, aby rośliny w monolicie były wystarczająco dobrze podlewane, aby uniknąć poważnego stresu związanego z suszą. W ten sposób tempo fotosyntezy pozostaje wystarczająco wysokie, aby wytworzyć i utrzymać gradient CO2. Można w tym pomóc, jeśli niektóre monolity zostaną posadzone rośliną zlewu o wysokiej szybkości fotosyntezy.
Przez siedem lat eksploatacji komory monolitów trawy preriowej były utrzymywane w liniowym stężeniu CO2 w atmosferze lub ca z niewielkimi nieciągłościami. Z wyjątkiem jednego odcinka, deficyt temperatury i prężności pary również pozostał stały mierzony w górnych 20 centymetrach gleby. Objętościowa zawartość wody w glebie zmieniała się liniowo wzdłuż gradientu CA na dwóch z trzech badanych gleb, tylko w glebie pylastej gliniastej.
Brak zmian w tym parametrze. Produktywność zakładu mierzono za pomocą naziemnej metryki produktywności pierwotnej netto. Różniło się to liniowo wraz z CA na wszystkich glebach.
Najniższą reakcję na CA zaobserwowano w przypadku gleby gliniastej, a największą w przypadku gliny piaszczystej. Sosic C four Tallgrass Sarga Newan była najliczniejszą rośliną w eksperymencie. Największy wpływ CA miał na glebę piaszczysto-gliniastą, a CA tylko nieznacznie na glebę gliniastą.
Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula był drugim najliczniejszym gatunkiem ogółem, a na mulistej glebie gliniastej w sub ambient ok. Był najliczniejszy. Na jego produktywność największy wpływ miało ca na glinie pylastej, a najmniej ca na glinie.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak ustanowić i utrzymać eksperymentalną roślinność w celu regulacji gradientu stężenia CO2 i zrozumieć krytyczne parametry, które należy zmierzyć, aby kontrolować ten gradient CO2. Budowa tego obiektu zajmuje około dwóch lat, ale zapewnia zdolność do prowadzenia trwających dziesięciolecia badań nad reakcjami zakładu na przeszłe i przyszłe poziomy CO2. Takie długoterminowe badania mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia wpływu rosnącego stężenia CO2 w atmosferze na obieg węgla na użytkach zielonych.
Takie podejście można zastosować do każdego gatunku roślin, który zmieściłby się w komorze.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Zakład Gradientu Dwutlenku Węgla Lysymetrycznego bada, jak zmiany stężenia dwutlenku węgla w atmosferze wpływają na ekosystemy łąk. Badania koncentrują się na wpływie CO2 na produktywność, bilans wodny i cykl węgla w różnych typach gleb.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Ekologia
- Zmiana klimatu
- Ekosystemy łąk
Tło
- Łąki odgrywają kluczową rolę w cyklu węgla.
- Rozumienie wpływu CO2 jest niezbędne do ekologicznych prognoz.
- Badania wykorzystują unikalne podejście gradientu CO2 opracowane od końca lat 80.
- Badania dotyczą wpływu zmian klimatu na produktywność łąk.
Cel badania
- Oceniać, jak historyczne i przyszłe poziomy CO2 wpływają na ekosystemy łąk.
- Zbadać potencjał łąk w łagodzeniu skutków zmian klimatu.
- Dostarczyć wglądu w reakcje ekologiczne na wzrost stężenia CO2 w atmosferze.
Stosowane metody
- Tworzenie gradientów CO2 przy użyciu zbiorowisk roślinnych łąk.
- Monitorowanie produktywności ekosystemu i bilans wodny.
- Analiza cyklu węgla w różnych typach gleb.
- Długotrwały projekt badawczy, aby śledzić zmiany w czasie.
Główne wyniki
- Identyfikacja znaczących wpływów CO2 na produktywność łąk.
- Wgląd w zmiany bilans wodny spowodowane wzbogaceniem CO2.
- Dane na temat dynamiki cyklu węgla w reakcji na różne poziomy CO2.
- Implikacje dla przyszłego zarządzania łąkami i strategii klimatycznych.
Wnioski
- Łąki są wrażliwe na zmiany stężenia CO2 w atmosferze.
- Wyniki badań mogą pomóc w działaniach na rzecz łagodzenia zmian klimatu.
- Potrzebne są dalsze badania, aby zrozumieć długoterminowe skutki.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Quantitative manipulation of CO2 gradients across multiple soil types enables robust hypothesis testing for ecosystem function under climate change scenarios. This facility supports predictive confidence in modeling terrestrial carbon cycling and water balance, informing risk-adjusted decisions for environmental biotechnology and agricultural R&D portfolios. The approach provides a scalable, long-term platform for evaluating ecosystem responses to atmospheric changes relevant to sustainability and resource management strategies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of ecosystem-level responses to controlled CO2 enrichment across diverse soil matrices.
- Supports mechanistic de-risking by isolating the effects of atmospheric CO2 on plant productivity and carbon cycling.
- Facilitates predictive modeling of biogeochemical pathways under future climate scenarios.
Screening & Assay Development
- Provides validated, reproducible environmental conditions for downstream phenotypic screening of plant and soil interactions.
- Generates quantitative outputs for aboveground net primary productivity and soil water content.
- Enables standardization of experimental variables for cross-study comparability and platform reuse.
Translational & Preclinical Research
- Aligns experimental outputs with translational biomarker development for ecosystem health and resilience.
- Supports continuity from discovery through long-term preclinical validation of environmental interventions.
- Informs risk-adjusted advancement of sustainable land management and climate mitigation strategies.
Pipeline & Workflow Integration
This facility integrates into the discovery-to-validation continuum for environmental and agricultural R&D, supporting hypothesis-driven experimentation and quantitative assessment of ecosystem function.
- Discovery Biology: Enables rigorous testing of CO2 impacts on plant-soil systems and ecosystem productivity.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative measurements of plant growth and soil water dynamics under controlled gradients.
- Analytics: Provides high-frequency, multi-parameter data for statistical comparison of environmental conditions.
- Translational Research: Bridges experimental findings to landscape-scale modeling and biomarker alignment for ecosystem monitoring.
- Enterprise Reuse: Offers a durable, adaptable platform for multi-year studies and cross-project standardization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in ecosystem response modeling and target validation for environmental interventions.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable, and reproducible experimental infrastructure for long-term studies.
- Strategic Value: Supports informed go/no-go decisions for climate adaptation and sustainability initiatives.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of R&D investments in ecosystem and agricultural innovation.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ecosystem science, plant physiology, and environmental instrumentation.
- Demands robust analytical infrastructure for continuous gas, temperature, and water measurements.
- Necessitates cross-team standardization of experimental protocols and data management.
- Adaptable to a range of plant species and soil types within chamber constraints.
- Long-term maintenance and calibration are critical for sustained data quality and reproducibility.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:10
Collecting Soil Monoliths
2:05
Establishing Plant Communities on Soil Monoliths
3:17
Monolith Chambers
5:07
CO2 and Air Temperature Control
5:59
Atmospheric CO2 (CA) Treatment and Precipitation Input
8:03
Results: Seven Year Study
9:23
Conclusion
