СО

Общая цель данного эксперимента заключается в том, чтобы определить, как предшествующее и будущее увеличение содержания углекислого газа в атмосфере влияет на продуктивность травянистых экосистем, водный баланс и круговорот углерода. Исследование включает мониторинг воздействия углекислого газа на различные типы почв. Наш эксперимент поможет ответить на ключевые экологические вопросы о влиянии изменения климата на степные и луговые экосистемы, включая их потенциал по компенсации последствий роста концентрации углекислого газа в атмосфере.

Уникальное преимущество нашего подхода заключается в определении последствий обогащения среды CO2 с начала промышленной революции, а также в установлении того, как влияние CO2 может измениться в будущем. Наш метод инициации воздействия CO2 основан на использовании изучаемых нами растений для создания собственных градиентов CO2. Данный подход к манипулированию уровнями CO2 и изучению их влияния на травянистые экосистемы был разработан в нашей лаборатории в конце 1980-х годов.

Описанный здесь эксперимент представляет собой третье поколение экспериментов с градиентом CO2. Для отбора монолитов почвы используйте стальной короб с открытым дном размером один квадратный метр и глубиной один метр. Толщина стали должна составлять не менее восьми миллиметров.

Позже будет приварено основание. Вдавите коробку в необходимый слой грунта с помощью гидравлического пресса, закрепленного в грунте тремя винтовыми анкерами глубиной три метра. После вдавливания коробки в грунт выкопайте окружающую почву с помощью экскаватора.

Отрежьте основание монолита от почвы снизу и извлеките монолит. Поместите стекловолоконный фитиль вплотную к почве. В нижней части ящика фитиль обеспечивает отвод жидкости в резервуар объемом 10 liter, прикрепленный к основанию стального ящика, который здесь показан уже приваренным на месте.

Резервуар собирает воду, которая может просачиваться через монолит в ходе эксперимента, а также позволяет отбирать пробы воды для химического анализа. Высадите исследуемые виды растений в монолиты с плотностью, соответствующей особенностям изучаемого вида. При необходимости уничтожьте имеющуюся на монолитах растительность с помощью нестойкого гербицида, например глифосата.

Для видов высокой травы и прерий подходит плотность посадки 56 растений на квадратный метр. Восемь сеянцев семи видов располагают по схеме латинского квадрата, используя уникальную рандомизацию для каждого монолита. Виды трав, использованные в данной работе, включают side oes, grandma, little blue stem, Indian grass и white Tritons. Использованные виды многолетников (forbs) включали pitcher, Sage Canada, golden rod и Illinois bundle flower.

Для обеспечения достаточного увлажнения бобовых культур в период укоренения используйте капельный или дождевальный полив. Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму водный стресс на этапе приживаемости растений, обеспечивая подачу воды в объемах и с периодичностью, соответствующими изучаемому виду. После завершения фазы укоренения поддерживайте растения в условиях естественного выпадения осадков до полного завершения строительства камеры.

Монолитные камеры устанавливаются в траншеи шириной около семи метров, глубиной 1,5 метров и длиной 60 метров. В каждую траншею помещаются две камеры, и каждая камера в каждой траншее состоит из 10 взаимосвязанных секций. Установите 10 контейнеров из тяжелой стали с расстоянием в один метр между каждым контейнером.

Они служат основанием каждой секции, и в каждой из них будет размещено по четыре монолита. Соедините соседние секции с помощью воздуховодов из листового металла, чтобы обеспечить путь для потока воздуха. Установите охлаждающий змеевик внутри каждого воздуховода.

Змеевик снабжается водой с температурой 10 °C от холодильной установки мощностью 161 кВт. Поток охлажденной воды к каждому змеевику регулируется контрольным клапаном, который реагирует на температуру воздуха в камере. Установите четыре веса грузоподъемностью 4 540 кг; в каждой пятиметровой секции контейнера на каждые весы поместите монолит с укоренившимися растениями прерий.

Каждый пятиметровый участок должен содержать монолиты двух типов почвы, расположенные внутри участка в случайном порядке; при этом пары типов почвы в каждом участке должны быть рандомизированы, а супесь следует включать в пары в каждом втором участке. Для завершения сборки камеры накройте каждый участок парниковой пленкой толщиной 0.15 мм, которая обычно используется в экспериментах по манипулированию климатом. Для обеспечения доступа к растениям по мере необходимости установите на покрытиях застежки-молнии с защитными клапанами от сквозняков.

Крышку можно снимать при необходимости отбора проб или технического обслуживания. Растительность должна оставаться под крышкой на протяжении всего вегетационного периода, пока фотосинтетической способности растений достаточно для поддержания градиента CO2. Отбирайте пробы воздуха на входе и выходе из каждой камеры каждые 20 минут.

Направляйте воздух через фильтруемые линии подачи в инфракрасные газоанализаторы для мгновенного измерения концентрации CO2. Аналогичным образом каждые 20 минут измеряйте содержание водяного пара. Кроме того, для каждой секции используйте экранированные тонкие термопары для измерения температуры окружающей среды каждые 20 минут на входе воздуха, в середине секции и на выходе воздуха.

Используя данные о температуре образцов, отрегулируйте охлаждающие змеевики для поддержания стабильной температуры окружающего воздуха в средней части, которая была бы одинаковой для всех секций. В завершение измерьте плотность потока фотосинтетических фотонов, падающего на камеру. С помощью квантового датчика вентиляторы на входе в камеру затягивают окружающий воздух в камеру с повышенной температурой.

Используйте регулятор массового расхода для подачи чистого CO2 в камеру и поддержания его концентрации на уровне 500 microliters per liter воздуха. Также отрегулируйте скорость работы вентиляторов таким образом, чтобы уровень CO2 в воздухе, выходящем из камеры, составлял 390 microliters per liter. Используйте CO2 при измерениях плотности потока фотосинтетических фотонов.

Для поддержания этого параметра контроль низкой скорости является наиболее критическим аспектом обеспечения заданного градиента CO2. В камеру с температурой ниже окружающей среды подавайте атмосферный воздух и регулируйте скорость вентилятора так, чтобы уровень CO2 на выходе в ночные часы составлял 250 microliters per liter. Измените направление потока воздуха через обе камеры и настройте подачу газа и вентиляторы для достижения следующих параметров в камере с температурой выше окружающей среды.

Обогатите поступающий воздух до 530 µL CO2 на литр и отрегулируйте поток таким образом, чтобы воздух выходил из камеры с концентрацией 640 µL CO2 на литр. В камере с концентрацией ниже окружающей среды отрегулируйте подачу воздуха так, чтобы уровни CO2 составляли 390 µL на литр на входе и 530 µL на литр на выходе для осаждения. Применяйте условия, соответствующие среднему вегетационному периоду.

Полив каждого монолита. Используйте систему капельного орошения из местного источника воды для имитации сезонного режима выпадения осадков. Измеряйте объем подаваемой воды с помощью цифрового расходомера.

Крайне важно, чтобы растения в монолите получали достаточное количество воды для предотвращения сильного стресса от засухи. Таким образом, их скорость фотосинтеза остается достаточно высокой для создания и поддержания градиента CO2. Этому может способствовать посадка в некоторых монолитах растений-потребителей с высокой скоростью фотосинтеза.

За семь лет эксплуатации в камерах монолитов прерий поддерживалась линейная концентрация атмосферного CO2 с лишь незначительными разрывами. За исключением одного участка, температура и дефицит давления водяного пара также оставались постоянными при измерении в верхних 20 сантиметрах почвы. Объемное содержание почвенной влаги изменялось линейно вдоль градиента CO2 в двух из трех исследуемых типов почв; только в пылевато-глинистой почве наблюдалось иное.

Изменений в этом параметре не наблюдалось. Продуктивность растений измеряли с помощью показателя надземной чистой первичной продукции. На всех типах почв этот показатель линейно зависел от CA.

Наименьший отклик на CA наблюдался при использовании глинистой почвы, а наибольший — при использовании супесчаной почвы. Наиболее распространенным растением в эксперименте было Mesic C four Tallgrass Sarga Newan. Оно подверглось наиболее сильному воздействию CA на супесчаной почве и лишь незначительному воздействию CA на глинистой почве.

Следующим по общей распространенности видом был Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula, а на суглинистых почвах в условиях температуры ниже окружающей среды (ca) он был наиболее распространенным. Его продуктивность подвергалась наибольшему влиянию ca на суглинках и наименьшему влиянию ca на глинистых почвах.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как создавать и поддерживать экспериментальную растительность для регулирования градиента концентрации CO2, а также понять, какие критические параметры необходимо измерять для контроля этого градиента CO2. Строительство данной установки занимает около двух лет, однако она обеспечивает возможность проведения многолетних исследований реакций растений на прошлые и будущие уровни CO2. Такие долгосрочные исследования имеют решающее значение для понимания влияния растущего содержания CO2 в атмосфере на углеродный цикл травянистых экосистем.

Данный подход может быть применен к любому виду растений, который помещается в камеру.