Respiracja ściółki in situ (respirometr VAISALA GMP343)

Zajęcia terenowe z ekologii ekosystemów lądowych
Instrukcja wykonania projektu indywidualnego
Respiracja ściółki in situ (respirometr VAISALA GMP343)
Projekt polega na pomiarze tempa respiracji organizmów dekomponujących materię organiczną w
ściółce i glebie leśnej. Pomiaru dokonuje się za pomocą przenośnego respirometru VAISALA
GMP343, wg instrukcji (p. niŜej). PoniewaŜ naleŜy się liczyć ze znaczną zmiennością
przestrzenną i czasową respiracji, pomiar trzeba powtórzyć wielokrotnie. Warunki zajęć
terenowych nie pozwalają na powtarzanie pomiarów w róŜnych porach dnia i porach roku, moŜna
wykonać najwyŜej 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.
Wybór miejsca pomiaru
Pomiary naleŜy wykonać w losowych punktach reprezentujących badaną powierzchnię. Są
róŜne sposoby wyznaczania punktów losowych. Wybieramy metodę prostą i mało pracochłonną.
Od wyznaczonych losowo punktów na terenie badanej powierzchni wytyczamy transekty za
pomocą taśmy mierniczej długości 20 m; kierunek transektów wyznaczamy zawsze taki sam.
Pomiarów dokonujemy w z góry załoŜonych odstępach (np. 1 metr). Ten sam transekt moŜe być
wykorzystany do róŜnych badań (np. do pobierania prób fauny glebowej, zakładania pułapek
Barbera na faunę epigeiczną). Punkty początkowe i końcowe transektów naleŜy oznakować w
terenie dla powtórnych pomiarów. Wskazane jest, aby połoŜenie punktów (transektów)
zarejestrować przy pomocy GPS.
W kaŜdym punkcie transektu naleŜy wykonać pomiar respiracji gleby (wg instrukcji ), oraz
– dokładnie w tym samym miejscu – pomiar temperatury, wbijając czujnik termometru
elektronicznego na głębokość ok. 5 cm.
W notatniku zapisujemy datę i godziny (dokładnie) rozpoczęcia kaŜdej serii pomiarowej,
oraz temperatury gleby.
Opracowanie wyników
W laboratorium przenosimy dane zapisane w pamięci komputera pomiarowego (lub dataloggera MI70) do komputera, a następnie importujemy je do arkusza kalkulacyjnego w celu
opracowania. Wynikami pomiaru są wartości przyrostu stęŜenia CO2 w komorze pomiarowej. W
trakcie pomiaru, o ile nie doszło do jakichś zakłóceń, przez długi czas stęŜenie powinno rosnąć
liniowo. Listę tych wartości naleŜy przedstawić graficznie (korzystając z gotowej procedury
graficznej – wykres XY, podstawiając wartości stęŜenia CO2 (w jednostkach ppm) jako zmienną
zaleŜną i czas (w sekundach), jako zmienną niezaleŜną. Na wykresie naleŜy wybrać odcinek o
przebiegu prostoliniowym, obejmującym kilka minut (co najmniej 2 min) pomiaru i następnie dla
tego odcinka naleŜy dopasować linię regresji liniowej (korzystając ze standardowej opcji wykresu
XY arkusza). Współczynnik nachylenia tej regresji określa tempo wzrostu stęŜenia CO2 w
komorze o określonych wymiarach [ppm/sek], które naleŜy przeliczyć na standardowo uŜywaną
jednostkę respiracji gleby R [g CO2 × m-2 × godz-1]. W tym celu współczynnik nachylenia regresji
b [ppm/sec] trzeba pomnoŜyć przez objętość komory V (liczba podana dla kaŜdej uŜywanej
komory, w litrach), pomnoŜyć przez współczynnik określający masę [g] obliczonej w ten sposób
objętości dwutlenku węgla (masa 1 mola CO2 = 44,0g, podzielona przez objętość 1 mola gazu,
która wynosi 22,4 l), pomnoŜyć przez liczbę sekund w godzinie (60 × 60) i podzielić przez
powierzchnię gruntu nakrywaną przez komorę A (podana dla kaŜdej komory [m2].
b [ppm × sec-1] × V [l] × 44,0 [g] × 3600 [sec × h-1] × 22,4-1 [l-1] × A-1 [m-2] =
= b [ppm × sec-1] × V[l] × A-1 [m-2] × 7071,4 [g × h-1× l-1] = R [gCO2 × m-2× h-1]
Tak obliczone respiracje gleby dla wszystkich punktów transektu naleŜy uŜyć do obliczenia
średniej i wariancji (±SD) dla całej powierzchni, zbadać, czy nie występują tzw. wartości odstające
i ewentualnie usunąć je ze zbioru danych. Podobnie naleŜy uśrednić wartości temperatury gleby,
zmierzonej w kaŜdym punkcie. Następnie naleŜy zbadać, czy istnieje statystycznie istotna
korelacja między wartościami respiracji i temperatury (jeŜeli pomiędzy kolejnymi pomiarami
upłynęło duŜo czasu – np. pomiary wykonywano w róŜnych dniach - temperatura moŜe się
znacznie róŜnić), jeŜeli tak, naleŜy obliczyć linię równanie regresji (w razie potrzeby dokonując
transformacji logarytmicznej). NaleŜy sprawdzić, czy uzyskana funkcja regresji mieści się w
prawdopodobnym zakresie (jeŜeli nie, trzeba się zastanowić nad moŜliwą przyczyną). JeŜeli
pomiary wykonywano na róŜnych powierzchniach („bór”, „grąd”) naleŜy porównać je
statystycznie; jeŜeli nie ma istotnych róŜnic, to dalsze opracowanie naleŜy robić łącznie.
Ostatecznym celem pomiarów jest zaproponowanie szacunkowej wartości średniej rocznej
wartości tempa dekompozycji. W tym celu dane uzyskane w ciągu paru godzin, w wąskim zakresie
temperatur, naleŜy ekstrapolować na cały rok, korzystając z danych o średnich temperaturach
miesięcznych gleby w rejonie badań. JeŜeli pomiary własne dostarczyły statystycznie istotnej
regresji respiracji w zaleŜności od temperatury, to naleŜy się posłuŜyć własnym równaniem; jeŜeli
wyniki nie pozwoliły na uzyskanie takiego równania, naleŜy przyjąć ogólną zaleŜność tempa
respiracji od temperatury (Q10 = 2,5).
W sprawozdaniu naleŜy teŜ umieścić współrzędne badanych transektów wg pomiaru GPS.
Ekstrapolacja danych pomiarowych na przeciętne warunku termiczne Puszczy Niepołomickiej.
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 duŜą wariancją. ZaleŜność metabolizmu od temperatury jest nieliniowa.
Zatem, dla dokładnego oszacowania respiracji, naleŜałoby 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, posłuŜymy się tylko standardowymi danymi o temperaturze powietrza na
wys. 2m , które najłatwiej znaleźć dla obszaru, na którym leŜy Puszcza Niepołomicka, a następnie
skorzystamy ze ścisłej zaleŜności między średnimi temperatur powietrza, a średnimi temperatur
gleby na głęb. 5 cm, które wg danych Kleina (1978) dla Puszczy Niepołomickiej moŜna przybliŜyć
wzorem:
tg = 1,94 + 0,79 ta
Dane o średnich temperaturach powietrza na wys. 2 m moŜemy zaczerpnąć z roczników
meteorologicznych, statystycznych lub innych aktualnych źródeł (w ostateczności z cytowanej
pracy Kleina). Na tej podstawie obliczamy sumaryczną miesięczna respiracje dla kaŜdego
miesiąca, a ich suma stanowi szacowaną respirację roczną.
Szacowanie zaleŜności tempa respiracji od temperatury wg współczynnika Q10
Wykonując pomiary respiracji przy róŜnych temperaturach moŜna dla danego układu
ustalić empirycznie ilościową zaleŜność tempa respiracji od temperatury. MoŜna 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 róŜnych
terminach (a tylko wtedy moŜemy mieć wystarczający zakres temperatur), nie moŜemy
kontrolować wielu innych czynników, które teŜ się zmieniają. Wyodrębnienie wpływu samej
temperatury jest moŜliwe przy odpowiednio duŜej liczbie pomiarów, ale jest to zadanie dość
złoŜone 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, moŜemy się uzyskać
porównywalny materiał i obliczyć krzywą zaleŜności metabolizmu od temperatury metoda regresji.
Rysując wykres tej zaleŜności dla wystarczająco duŜego zakresu temperatur zauwaŜymy, Ŝe jest t o
zaleŜność krzywoliniowa – wykładnicza. Dlatego regresję dopasowujemy w transformacji
logarytmicznej. Równanie tej regresji posłuŜy nam do szacowania tempa respiracji ściółki przez
cały rok.
JeŜeli zakres temperatur pomiarowych jest zbyt mały i nie ma moŜliwości powtórzyć
pomiar co kilka dni, moŜna równieŜ oszacować zaleŜność metabolizmu od temperatury,
zakładając, Ŝe jest to zaleŜność wykładnicza. Z wielu danych fizjologicznych (w tym z respiracji
ściółki) wynika, Ŝe tempo metabolizmu wzrasta 2-3 razy przy podniesieniu temperatury o 10ºC,
najczęściej przyjmuje się stała 2,5; inaczej:
Q10 = R(t+10)/Rt = 2,5
Zatem, znając respirację w temperaturze t, łatwo otrzymamy respiracje w temperaturze o 10º
wyŜszej lub niŜszej. Przekształcając to równanie otrzymujemy wzór ogólny, dla dowolnej róŜnicy
temperatur:
Rt = Rref Q10 [(t-tref)/10]
gdzie Rt – respiracja obliczana dla temperatury t, Rref – respiracja zmierzona w temperaturze tref.
Literatura.
Klein J., 1978: Klimat doliny Wisły w rejonie północnej części Puszczy Niepołomickiej. Studia
naturae, 14: 9-66.
Potrzebny sprzęt;
1. Respirometr
2. Sonda temperaturowa
3. Taśma miernicza
4. Kompas (busola)
5. Kołki do oznaczania transektów
6. GPS
7. Notatnik
Instrukcja obsługi respirometru glebowego z sondą CO2 VAISALA GMP343
A. Z uŜyciem komputera pomiarowego
1) Sondę GMP343, podłączoną konwertera RS-USB, podłączyć kablem USB do komputera.
2) Włączyć konwerter (przełącznik na pozycji 1 lub na „kropce”)
3) Uruchomić oprogramowanie Respiro.
4) W menu Options sprawdzić numer portu. JeŜeli będzie on inny niŜ widniejący na obudowie konwertera,
zmienić na właściwy, a następnie zamknąć i włączyć ponownie program Respiro
5) W menu File, kliknąć New File a następnie nazwać i zapisać nowy plik
6) Kliknąć Read device info – program powinien rozpoznać sondę, pojawi się odpowiedni komunikat w
czarnym okienku.
Jeśli nie pojawi się Ŝaden komunikat to zwykle oznacza, Ŝe nie włączono konwertera lub wyczerpała się
bateria. W takim przypadku moŜe być problemem wyłączyć program Respiro, naleŜy wówczas uruchomić
skrótem ctrl+alt+del „menadŜer urządzeń” i za jego pomocą zamknąć program Respiro. Po włączeniu
konwerteralub wymianie baterii naleŜy powtórzyć punkty od 3 do 6.
7) Wpisać wstępne dane tj. datę, godzinę, parametry standardowe.
8) Sondę i komorę (osobno) przewentylować, wykonując wahadłowe ruchy w powietrzu (aŜ do
ustabilizowania wskazań na poziomie 380-400 ppm).
9) Wsunąć sondę szczelnie do odpowiedniego otworu w komorze pomiarowej
10) Ustawić komorę w wybranym miejscu pomiarowymi i mocno przycisnąć do podłoŜa
11) Kliknąć Start. Obserwować wskazania (wartości ppm stęŜenie CO2 w komorze) na ekranie komputera,
co najmniej przez ok 4 min.
12) JeŜeli przyrost jest równomierny, zakończyć pomiar klikając Stop.
13) W trakcie odczytywania wskazań sondy, z pobliŜu komory wykonać pomiar temperatury gleby
termometrem elektronicznym, na głębokości ok. 5 cm.
14) Przewentylować komorę i sondę i wykonać pomiar w następnym punkcie. Najlepiej utworzyć osobne
pliki dla kaŜdego punktu.
15) Po zakończeniu pomiarów wszystkie wyniki skopiować dodatkowo na pendrive (kopia bezpieczeństwa)
B. Z uŜyciem data-loggera MI70
1). Sondę GMP343, podłączyć do dataloggera odpowiednim kablem
2) Włączyć data-logger
3) Przed rozpoczęciem serii pomiarowej sprawdzić ustawienia (data, godzina, parametry standardowe)
4) Ustawić częstość rejestracji n 5 sek.
5) Sondę i komorę (osobno) przewentylować, wykonując wahadłowe ruchy w powietrzu (aŜ do
ustabilizowania wskazań na poziomie 380-400 ppm).
6) Wsunąć sondę szczelnie do odpowiedniego otworu w komorze pomiarowej
7) Ustawić komorę w wybranym miejscu pomiarowymi i mocno przycisnąć do podłoŜa
8) W menu dataloggera wybrać „record” „start”
9) Ustawić tryb graficzny
10) Zanotować czas w notatniku.
11) Obserwować wskazania (wartości ppm stęŜenie CO2 w komorze) na ekranie data-loggera, co najmniej
przez ok 4 min, sprawdzając, czy jest wystarczająco długi okres liniowego wzrostu stęŜenia CO2.
Odczytywana wartość nie moŜe przekroczyć 1000 ppm. JeŜeli przyrost jest równomierny, zakończyć
pomiar.
12) W trakcie odczytywania wskazań sondy, z pobliŜu komory wykonać pomiar temperatury gleby
termometrem elektronicznym, na głębokości ok. 5 cm.
13) Po zakończeniu pomiarów (lub po wyczerpaniu pomięci dataloggera) podłączyć datalogger do
komputera odpowiednim kablem i skopiować wszystkie dane, po czym wyczyścić pamięć dataloggera.
Wymagane jest odpowiednie oprogramowanie umoŜliwiające odczyt z data-loggera.