3. Respiracja ściółki i gleby in situ

Projekt Nr
Temat
Cel
Sprzęt
Prace
terenowe
Respiracja ściółki in situ (respirometr VAISALA GMP343)
Pomiar tempa respiracji (uwalniania CO2 ) przez organizmy dekomponujące materie
organiczna w ściółce i glebie leśnej.
Respirometr VAISALA GMP 343; komora pomiarowa; sonda temperaturowa;
komputer.
1. Wybrać (losowo) 15-20 reprezentacyjnych punktów pomiarowych na
powierzchni badawczej (np. metodą transektu).
Wyjaśnienie: Ponieważ należy się liczyć ze znaczną zmiennością
przestrzenną i czasową respiracji, pomiar trzeba powtórzyć wielokrotnie.
Warunki zajęć terenowych nie pozwalają na powtarzanie pomiarów w
różnych porach dnia i porach roku, można wykonać najwyżej jedną serię
pomiarów w danym typie ekosystemu z kilkunastoma (15-20) pomiarami w
reprezentacyjny sposób, i na tej podstawie dokonać grubego oszacowania
średniego tempa dekompozycji materii organicznej w lesie.
2. W każdym punkcie wykonać pomiar respiracji i temperatury (wg. instrukcji
respirometru).
Prace
laboratoryjne
Opracowanie
wyników
Uogólnienie
wyników
1. W laboratorium przenosimy dane zapisane w pamięci komputera
pomiarowego (lub data-loggera MI70) do komputera, a następnie
importujemy je do arkusza kalkulacyjnego. Wynikami pomiaru są wartości
przyrostu stężenia CO2 w komorze pomiarowej, wyrażone w jednostkach [g
CO2 × m-2 × godz-1].
2. Wyniki pomiarów respiracji gleby dla wszystkich punktów transektu należy
użyć do obliczenia średniej i wariancji (±SD) dla całej powierzchni, zbadać, czy
nie występują tzw. wartości odstające i ewentualnie usunąć je ze zbioru
danych. Podobnie należy uśrednić wartości temperatury gleby, zmierzonej w
każdym punkcie.
3. 4. W sprawozdaniu należy też umieścić współrzędne badanych transektów
wg pomiaru GPS.
1. Ekstrapolacja danych pomiarowych na przeciętne warunki termiczne Puszczy
Niepołomickiej.
Wyjaśnienie. Czynnikiem determinującym tempo respiracji organizmów glebowych
jest temperatura; w czasie pomiaru mierzymy ją na głębokości ok. 5 cm.
Temperatura ta zmienia się cyklicznie w ciągu doby i w ciągu roku, z dużą wariancją.
Zależność metabolizmu od temperatury jest nieliniowa. Zatem, dla dokładnego
oszacowania respiracji, należałoby skorzystać z wieloletnich danych nt. dobowej i
sezonowej zmienności temperatury gleby w Puszczy Niepołomickiej, następnie
szacowane tempa respiracji obliczać dla tych temperatur, a dopiero potem uśredniać
dla całego roku. Dla uproszczenia, posłużymy się tylko standardowymi danymi o
temperaturze powietrza na wys. 2m , które najłatwiej znaleźć dla obszaru, na którym
leży Puszcza Niepołomicka, a następnie skorzystamy ze ścisłej zależności między
średnimi temperatur powietrza, a średnimi temperatur gleby na głęb. 5 cm.
Zależność temperatury gleby na głębokości 5 cm od mierzonej standardowo
temperatury powietrza wg danych Kleina (1978) dla Puszczy Niepołomickiej można
przybliżyć wzorem:
tg = 2,16 + 0,78 ta
(1)
gdzie tg – temperatura gleby na głębokości 5 cm, ta – temperatura powietrza.
Dane o średnich temperaturach powietrza na wys. 2 m możemy zaczerpnąć z
roczników meteorologicznych, statystycznych lub innych aktualnych źródeł (Tab. 1).
Tab. 1. Średnie temperatury miesięczne w regionie krakowskim . Rocznik
Statystyczny Rolnictwa, 2014. GUS, Warszawa, 2015. (http://stat.gov.pl/obszary-
tematyczne/roczniki-statystyczne/roczniki-statystyczne/rocznik-statystyczny-rolnictwa2013,6,7.html)
miesiąc
IX
2011/2012 8,7
2012/2013 8,4
X
XI
XII
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
15,1
8,1
2,0
1,6
-1,4
-7,0
4,4
9,7
15,0
17,8
20,2
14,5
8,5
5,0
-2,8
-2,4
-0,5
-0,9
8,9
14,3
17,5
19,6
2. Szacowanie zależności tempa respiracji od temperatury wg współczynnika Q10
Wyjaśnienie. Wykonując pomiary respiracji przy różnych temperaturach można dla
danego układu ustalić empirycznie ilościową zależność tempa respiracji od
temperatury. Można to zrobić albo w warunkach laboratoryjnych (kontrolując
wszystkie warunki i zmieniając temperaturę doświadczenia), albo w terenie – ale tu
sprawa się komplikuje, bo wykonując pomiary w różnych terminach (a tylko wtedy
możemy mieć wystarczający zakres temperatur), nie możemy kontrolować wielu
innych czynników, które też się zmieniają. Wyodrębnienie wpływu samej
temperatury jest możliwe przy odpowiednio dużej liczbie pomiarów, ale jest to
zadanie dość złożone i nie będzie tutaj omawiane. Jedynie powtarzając pomiary
terenowe dokładnie w tych samych miejscach, w niedługich odstępach czasu (np.
kilku – kilkunastogodzinnych), przy niezmieniającej się zasadniczo pogodzie, ale
zmiennej temperaturze, możemy się uzyskać porównywalny materiał i obliczyć
krzywą zależności metabolizmu od temperatury metoda regresji. Rysując wykres tej
zależności dla wystarczająco dużego zakresu temperatur zauważymy, że jest t o
zależność krzywoliniowa – wykładnicza. Dlatego regresję dopasowujemy w
transformacji logarytmicznej. Równanie tej regresji posłuży nam do szacowania
tempa respiracji ściółki przez cały rok.
Jeżeli zakres temperatur pomiarowych jest zbyt mały i nie ma możliwości
powtórzyć pomiarów co kilka dni, można również oszacować zależność metabolizmu
od temperatury, zakładając, że jest to zależność wykładnicza. Z wielu danych
fizjologicznych (w tym z respiracji ściółki) wynika, że tempo metabolizmu wzrasta 2-3
razy przy podniesieniu temperatury o 10°C, najczęściej przyjmuje się stałą 2,5;
inaczej:
Q10 = R(t+10)/Rt = 2,5
(2)
Rt = Rref Q10 [(t-tref)/10]
(3)
Zatem, znając respirację w temperaturze t, łatwo otrzymamy respirację w
temperaturze o 10º wyższej lub niższej. Przekształcając to równanie otrzymujemy
wzór ogólny, dla dowolnej różnicy temperatur:
gdzie Rt – respiracja obliczana dla temperatury t, Rref – respiracja zmierzona w
temperaturze tref.
Literatura
3. Oszacowanie rocznej respiracji gleby
3.1. Z danych w tab. 1 wg wzoru (1) obliczyć średnią miesięczną temperaturę gleby
na głęb. 5 cm
3.2. Posługując się wzorem (3) obliczyć przewidywaną respirację Rt dla średniej
temperatury każdego miesiąca t , podstawiając zmierzoną w terenie respirację Rref
przy zmierzonej temperaturze gleby tref (w jednostkach [g CO2 × m-2 × godz-1]).
3.3. Obliczyć szacunkowo sumaryczne respiracje dla poszczególnych miesięcy
(mnożąc przez 24 i liczbę dni miesiąca)
3.4. Zsumować respirację roczną , przeskalowaną na hektar [g CO2 × ha-1 × rok-1] i
przeliczyć na masę uwalnianego do atmosfery węgla [g C × ha-1 × rok-1].
Klein J., 1978: Klimat doliny Wisły w rejonie północnej części Puszczy Niepołomickiej.
Studia naturae, 14: 9-66.
Formularz wyników
Uwaga: stosuj zapis naukowy (wykładniczy), zwróć uwagę na poprawny zapis liczb (liczba cyfr
znaczących)
Zmienna
Roczna respiracja gleby
Roczne uwolnienie węgla z gleby
Jednostka
g CO2 ha rok-1
g C ha-1 rok-1
-1
Wartość