Fotosynteza runa in situ

Zajęcia terenowe z ekologii ekosystemów lądowych
Instrukcja wykonania projektu indywidualnego
Fotosynteza runa in situ
Projekt polega na pomiarze tempa fotosyntezy roślin runa; takie pomiary, powtarzane w czasie
całego sezonu wegetacyjnego i w wielu miejscach, pozwalają na zbadanie od czego zaleŜy tempo
fotosyntezy i oszacowanie produkcji pierwotnej ekosystemu. Kilkukrotne pomiary w ciągu jednego
dnia nie są do tego wystarczające, ale pozwalają na bardzo przybliŜone oszacowanie tempa
fotosyntezy w typowych warunkach. Pomiaru dokonuje się za pomocą przenośnej sondy do
pomiaru stęŜenie dwutlenku węgla VAISALA GMP343. wg instrukcji (p. niŜej) i przeźroczystej
komory pomiarowej. Zmiany stęŜenia CO2 w komorze są sumą tempa fotosyntezy netto (ubytek
CO2 ) tempa respiracji gleby (przyrost CO2). PoniewaŜ naleŜy się liczyć ze znaczną zmiennością
przestrzenną i czasową respiracji, pomiar trzeba powtórzyć wielokrotnie.
Wybór miejsca pomiaru
Pomiary naleŜy wykonać w losowych punktach reprezentujących badaną powierzchnię. Są
róŜne sposoby wyznaczania punktów losowych. MoŜemy posłuŜyć się metodą transektu (losujemy
punkt początkowy i kierunek, punkty wyznaczamy w stałych, z góry załoŜonych odległościach –
np. co 2 metry), albo losować kaŜdy punkt oddzielnie. Wskazane jest wspólne wybranie punktów
pomiaru fotosyntezy i punktów zbierania biomasy runa dla oceny produkcji pierwotnej metodą
Ŝniwną. Pomiar fotosyntezy powinien poprzedzać późniejszy zbiór biomasy w tym samym
miejscu. Wskazane jest, aby połoŜenie punktów (transektów) zarejestrować przy pomocy GPS.
W kaŜdym punkcie naleŜy wykonać pomiar fotosyntezy (wg instrukcji ), oraz – dokładnie
w tym samym miejscu – pomiar natęŜenie światła fotosyntetycznie czynnego i pomiar temperatury,
wbijając czujnik termometru elektronicznego na głębokość ok. 5 cm. Dodatkowo naleŜy sprawdzić
miernikiem, jaki procent światła odbiera komora pomiarowa, która nie jest idealnie przeźroczysta.
W notatniku zapisujemy datę i godziny (dokładnie) rozpoczęcia kaŜdej serii pomiarowej,
natęŜenie światła, oraz temperaturę gleby.
Pomiar rozpoczynamy od ustawienie w wybranym miejscu przeźroczystej komory pomiarowej (po
uprzednim przewentylowaniu komory i sondy). Dokonujemy pomiaru przez czas wystarczający do
uzyskania liniowej zmiany stęŜenia CO2 w komorze (zwykle przy dobrym oświetleniu i
wystarczająco bujnej roślinności obserwujemy spadek stęŜenia).
Następnie – nie poruszając komory – nakrywamy ją światłoszczelna matą, odbijającą
promieniowanie (w celu zapobieŜenia wzrostowi temperatury w komorze). Pomiar kontynuujemy
przez następne kilka (ok.5) minut, aŜ do uzyskania mniej więcej liniowego, kilkuminutowego
wzrostu stęŜenia CO2 w komorze. Po tym czasie zdejmujemy osłonę i kontynuujemy pomiar przy
świetle, znów aŜ do uzyskania prostej linii spadku stęŜenie CO2. Po zakończeniu pomiaru
wentylujemy komorę i sondę (w razie zapocenie ścianek komory trzeba ją wytrzeć i wysuszyć), i
przechodzimy do następnego pomiaru.
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 lub spadku stęŜenia CO2 w komorze
pomiarowej. W trakcie pomiaru, o ile nie doszło do jakichś zakłóceń, przez długi czas (co najmniej
kilka minut) stęŜenie powinno rosnąć lub maleć liniowo. Listę zarejestrowanych wartości stęŜenia
CO2 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/spadku stęŜenia CO2 w
komorze o określonych wymiarach [ppm/sek], które naleŜy przeliczyć na standardowo uŜywaną
jednostkę tempa fotosyntezy/respiracji 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 wartości będą zawsze wyŜsze (algebraicznie) dla okresów pomiaru w komorze
zasłoniętej (tylko wzrost stęŜenie CO2 wskutek respiracji gleby) niŜ dla okresów pomiaru w świetle
(suma algebraiczna wzrostu zawartości CO2 wskutek respiracji gleby, i spadku zawartości CO2
spowodowanego fotosyntezą netto roślin). JeŜeli tempo fotosyntezy przewaŜa nad tempem
respiracji, zmierzona wartość jest ujemna. Dla obliczenia tempa fotosyntezy, od wartości
zmierzonej w świetle naleŜy odjąć wartość uzyskaną w komorze zacienionej.
Tak obliczone wartości tempa fotosyntezy [gCO2 × m-2× h-1] dla wszystkich punktów 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 fotosyntezy i natęŜenie światła w danym
miejscu, jeŜeli tak, naleŜy obliczyć równanie regresji (w razie potrzeby dokonując transformacji
logarytmicznej). JeŜeli pomiary wykonywano na róŜnych powierzchniach („bór”, „grąd”) naleŜy
porównać je statystycznie; jeŜeli nie ma istotnych róŜnic, to dalsze opracowanie naleŜy robić
łącznie. NaleŜy równieŜ zbadać, czy istnieje korelacja między zmierzonym tempem fotosyntezy, a
biomasą zebranego w tym samym miejscu runa.
W sprawozdaniu naleŜy teŜ umieścić współrzędne badanych transektów wg pomiaru GPS.
Ekstrapolacja danych pomiarowych na przeciętne warunki termiczne Puszczy Niepołomickiej.
Ostatecznym celem pomiarów jest zaproponowanie szacunkowej wartości średniej rocznej
wartości tempa fotosyntezy. W tym celu dane uzyskane w ciągu paru godzin, w wąskim zakresie
temperatur i natęŜenia PAR, naleŜy ekstrapolować na cały rok, korzystając z danych o dynamice
zmian natęŜenia PAR i temperatury w ciągu roku w rejonie badań. Sposób takiego szacowania
zaleŜy od charakteru uzyskanych w pomiarach zaleŜności, toteŜ dalsze postepowanie naleŜy ustalić
z opiekunem tego projektu.
Potrzebny sprzęt;
1. Respirometr
2. Sonda temperaturowa
3. Miernik natęŜenia PAR
3. Taśma miernicza
4. Kompas (busola)
5. Kołki do oznaczania transektów
6. GPS
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.