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O objetivo geral deste experimento é determinar como os aumentos passados e futuros do dióxido de carbono atmosférico afetam a produtividade do ecossistema de pastagem, o balanço hídrico e o ciclo do carbono. O estudo inclui o monitoramento do efeito do dióxido de carbono em diferentes tipos de solo. Nosso experimento pode ajudar a responder perguntas ecológicas fundamentais sobre os impactos das mudanças climáticas nas pastagens, incluindo seu potencial de compensar os efeitos do aumento do dióxido de carbono atmosférico.

A vantagem única da nossa abordagem reside na determinação dos impactos do enriquecimento de CO2 desde o início da revolução industrial e na avaliação de como esses impactos podem mudar no futuro. Nossa abordagem para iniciar o CO2 baseia-se em utilizar as plantas que estamos estudando para criar seus próprios gradientes de CO2. Esse método de manipulação do CO2 e de seus impactos sobre ecossistemas de pastagem foi desenvolvido em nosso laboratório no final da década de 1980.

O experimento documentado aqui é a terceira geração de experimentos com gradiente de CO2. Para coletar monólitos de solo, utilize uma caixa de aço aberta com um metro quadrado de lado e um metro de profundidade. O aço deve ter, no mínimo, oito milímetros de espessura.

Uma base será posteriormente soldada. Pressione a caixa para dentro do solo desejado utilizando uma prensa hidráulica fixada ao solo por âncoras helicoidais de três metros de profundidade. Após pressionar a caixa no solo, escave o solo ao redor com uma escavadeira.

Corte a base do monólito livre do solo abaixo e remova o monólito. Coloque uma mecha de fibra de vidro contra o solo. Na base da caixa, a mecha drena para um reservatório de 10 litros acoplado à base da caixa de aço mostrada aqui já soldada no lugar.

O reservatório coleta água que pode drenar através do monólito durante o experimento e também fornece um meio para amostrar a água para análises químicas. Plante a espécie a ser estudada nos monólitos em densidades apropriadas à espécie do seu estudo. Se necessário, elimine a vegetação preexistente nos monólitos com um herbicida não residual como o glifosato.

Para gramíneas altas, espécies de pradaria, 56 plantas por metro quadrado são adequadas. Oito plântulas de sete espécies organizam as espécies em um padrão de quadrado latino, utilizando uma randomização única para cada monólito; as espécies de gramíneas utilizadas aqui incluem side oes, vovó, little blue stem, grama-indiana e tritons brancos. As espécies de Forbes utilizadas foram jarro, sálvia-canadense, erva-de-ouro e flor-em-maço de Illinois.

Uma leguminosa utilizada irrigação por gotejamento ou aérea para manter as plantas bem hidratadas durante o estabelecimento. O objetivo é minimizar o estresse hídrico enquanto as plantas estão se estabelecendo, com quantidades e frequências de água apropriadas à espécie em estudo. Após a fase de estabelecimento das plantas, mantenha-as sob precipitação ambiente até a conclusão da construção da câmara.

As câmaras monolíticas são instaladas em trincheiras com cerca de sete metros de largura, 1,5 metro de profundidade e 60 metros de comprimento. Cada trincheira acomoda duas câmaras e cada câmara contém 10 seções interconectadas em cada trincheira. Instale 10 recipientes feitos de aço pesado com um metro de distância entre cada recipiente.

Essas formam a base de cada seção, e cada uma abrigará quatro monolitos. Una as seções adjacentes com dutos de chapa metálica para fornecer um caminho para o fluxo de ar. Instale uma serpentina de refrigeração dentro de cada duto.

A serpentina é abastecida com água a 10 graus Celsius proveniente de uma unidade de refrigeração de 161 quilowatts. O fluxo de água gelada para cada serpentina é regulado por uma válvula de controle que responde à temperatura do ar na câmara. Coloque quatro balanças, cada uma com capacidade de 4.540 quilogramas, em cada recipiente de cinco metros; sobre cada balança, posicione um monólito com plantas de pradaria estabelecidas.

Cada seção de cinco metros deve conter monólitos de dois tipos de solo em ordem aleatória dentro da seção; randomize os pares de tipos de solo em cada seção, incluindo argila arenosa nos pares de todas as seções alternadas. Para finalizar a câmara, cubra cada seção com filme de estufa de 0,15 milímetros, comumente usado em experimentos de manipulação climática. Para acessar as plantas conforme necessário, instale aberturas com zíper e abas contra correntes de ar nas coberturas.

A tampa pode ser removida quando necessário para amostragem ou manutenção. Mantenha a vegetação coberta durante toda a estação de crescimento, desde que a capacidade fotossintética da vegetação seja suficiente para manter o gradiente de CO2. Colete amostras de ar na entrada e na saída de cada câmara a cada 20 minutos.

Conduza o ar por meio de linhas de ar filtradas até analisadores de gás infravermelho, que medem imediatamente a concentração de CO₂. De forma semelhante, meça a umidade do ar a cada 20 minutos. Além disso, para cada seção, utilize termopares finos blindados para medir a temperatura ambiente a cada 20 minutos na entrada de ar, no ponto médio da seção e na saída de ar.

Usando os dados de temperatura da amostra, regule as serpentinas de refrigeração para manter uma temperatura constante do ar ambiente na região mediana, consistente entre as seções. Por fim, meça a densidade de fluxo de fótons fotossintéticos incidente na câmara. Usando um sensor quântico, o ar ambiente é aspirado para dentro da câmara superambiental pelos ventiladores na entrada da câmara.

Utilize um controlador de fluxo de massa para injetar CO₂ puro na câmara e manter a concentração em 500 microlitros por litro de ar. Regule também a velocidade dos ventiladores para atingir um nível de CO₂ de 390 microlitros por litro de ar saindo da câmara. Utilize o CO₂ nas medições de densidade de fluxo de fótons fotossintéticos.

Para manter esse parâmetro, o controle de baixa velocidade é o aspecto mais crítico para manter o gradiente de CO2 prescrito. Para a câmara sub-ambiente, introduza ar ambiente e regule a velocidade do ventilador para atingir um nível de saída de CO2 de 250 microlitros por litro durante as horas noturnas. Inverta o fluxo de ar em ambas as câmaras e configure a injeção de gás e os ventiladores para atender aos seguintes parâmetros na câmara super-ambiente.

Enriqueça o ar de entrada com 530 microlitros de CO₂ por litro e regule o fluxo para que o ar saia com 640 microlitros de CO₂ por litro na câmara sub-ambiente. Ajuste o ar para que os níveis de CO₂ sejam de 390 microlitros por litro na entrada e 530 microlitros por litro na saída, durante a precipitação. Aplique a média da estação de crescimento.

Chuva para cada monólito. Use um sistema de irrigação por gotejamento proveniente de uma fonte de água local para aproximar o padrão sazonal de precipitação. Meça as aplicações de água utilizando um medidor de fluxo digital.

É fundamental que as plantas no monólito sejam regadas adequadamente para evitar estresse hídrico severo. Dessa forma, suas taxas fotossintéticas permanecem altas o suficiente para criar e manter o gradiente de CO2. Isso pode ser auxiliado se alguns monólitos forem plantados com uma planta dreno que tenha alta taxa fotossintética.

Durante mais de sete anos de operação, câmaras contendo monólitos de gramíneas de pradaria foram mantidas sob uma concentração linear de CO₂ atmosférico ou ca, com apenas pequenas descontinuidades. Exceto em um trecho, a temperatura e o déficit de pressão de vapor também permaneceram constantes, medidos nos 20 centímetros superiores do solo. O teor volumétrico de água no solo variou linearmente ao longo do gradiente de CA em dois dos três solos do estudo, ocorrendo apenas no solo argiloso siltoso.

Nenhuma alteração neste parâmetro. A produtividade da planta foi medida utilizando a métrica de produtividade primária líquida acima do solo. Isso variou linearmente com CA em todos os solos.

A menor resposta ao AC ocorreu com o solo argiloso e a maior resposta foi observada com o solo franco-arenoso. O C quatro Mesótico Sarga Newan de Gramíneas Altas foi a planta mais abundante no experimento. Foi mais fortemente afetado pelo AC no solo franco-arenoso e apenas marginalmente afetado pelo AC no solo argiloso.

A Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula foi a espécie seguinte mais abundante no geral e em solo argilo-siltoso em condições sub-ambientais ca. Foi a mais abundante. Sua produtividade foi mais afetada por ca em solo argilo-siltoso e menos afetada por ca em argila.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como estabelecer e manter vegetação experimental para regular um gradiente de concentração de CO₂ e compreender os parâmetros críticos que precisam ser medidos para controlar esse gradiente de CO₂. Esta instalação exige cerca de dois anos para ser construída, mas oferece a capacidade de realizar estudos de longa duração sobre as respostas das plantas a níveis passados e futuros de CO₂. Tais estudos de longo prazo são essenciais para ajudar a compreender os efeitos do aumento do CO₂ atmosférico no ciclo de carbono em gramados.

Essa abordagem pode ser aplicada a qualquer espécie vegetal que caiba dentro da câmara.