Ein modulares System zur Untersuchung der Auswirkungen von erhöhtem atmosphärischen Kohlendioxid auf Grünland-Ökosysteme

Abstract

Die Begasung von Pflanzen und Pflanzengesellschaften mit Spurengasen im Freiland ist ein wichtiges Hilfsmittel der experimentellen Botanik. Dies gilt besonders dann, wenn sich Kammern und Gewächshäuser für die Untersuchung deshalb verbieten, weil die gewonnenen Ergebnisse auf die Umwelt extrapoliert werden sollen. Freilandbegasungssysteme müssen, entgegen den Einflüssen von Wind und Wetter, oft über Jahre eine vorgegebene Gaskonzentration in engen Grenzen aufrechthalten. Örtliche und zeitliche Schwankungen der Gaskonzentration (´Ausreißer´) können das zu beobachtende biologische System irreversibel beeinflussen und damit die Ergebnisse in Frage stellen. Dies alles stellt besondere Anforderungen an Feldbegasungsanlagen.Obwohl die Anfänge der Begasung im Freiland bis in die 70er Jahre des vorigen Jahrhunderts zurückreichen, sind bis heute, trotz aufwendiger Forschung in der jüngsten Vergangenheit, nicht alle Probleme zufriedenstellend gelöst worden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Feldbegasungssystem entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Als Name für diese Anlage wurde PLUMEX gewählt. Dieses Akronym nennt das dem System zugrunde liegende Prinzip des Gastransportes (plume), der einer Rauchfahne ähnlich ist. Das angehängte ´X´ steht für excogitated (ersinnen, austüfteln) und soll die Neuartigkeit des technologischen Konzeptes ausdrücken.Die aufgebauten vier baugleichen Exemplare der PLUMEX (www.plumex.de) haben zusammen rund 200 Quadratmeter Nutzfläche. Das eingesetzte Spurengas ist Kohlendioxid. Unter realen Routine-Bedingungen konnte eine signifikante Betriebserfahrung gesammelt werden: In einem Zeitraum von mehr als drei Jahren wurde bestätigt, daß das angestrebte Ziel einer verbesserten Expositionsanlage erreicht worden ist. Der Fortschritt gegenüber bekannten Anlagen zeigt sich konkret ineiner verbesserten Gasverteilung über Raum und Zeit,einem verringerten Gasverbrauch,einer erhöhten Zuverlässigkeit, verbunden miteiner Adaptierbarkeit an andere Begasungsaufgaben. The free air carbon dioxide enrichment (FACE) technique is an important tool in experimental ecology to assess the impact of elevated atmospheric CO² on natural ecosystems. The new PlumeX technique described here is an advancement in the FACE technology because it has improved spatial and temporal CO² enrichment profiles, reduced CO² usage, and low maintenance requirements.The main feature of the PlumeX is the active isotropic plenum (CAP, circular active plenum) with individually switched exhausting and inhaling vent pipes. The strict symmetric layout without any external blower nullifies the influence of the wind direction on the trace gas concentration. Further more, significant amounts of CO² are saved due to partial recycling of exhausted CO².A state-of-the-art electronic controller (PID) provides for a precise regulation of the target concentration. This target is not fixed to a set point, but to a rather more realistic pattern with natural diurnal and annual variations. This dynamic concentration profile is achieved by calibrating the trace gas monitor half-hourly with ambient air.The PlumeX is constructed highly modular. A bus system reduces the necessary electronic and pneumatic wiring to a minimum. Important subsystems are (1) a radio controlled clock with solar data to operate the PlumeX between sunrise and sunset, (2) a nitrogen flushing system to protect selected delicate electronic components (e.g. trace gas monitor), and (3) a software trouble shooting aid with simulated artificial intelligence.For more information refer to www.plumex.de