Terénní řízené experimenty

Jednou z podstatných badatelských činností Centra výzkumu globální změny AV ČR, v. v. i., (dále jen CVGZ) je výzkum v oblasti fyziologie a ekofyziologie rostlin.

Ekofyziologie rostlin se zde, tehdy ještě pod hlavičkou Ústavu ekologie krajiny, výrazněji začala rozvíjet na počátku devadesátých let minulého století. V této době, po společenských změnách, zde byla snaha o zapojení do evropské výzkumné spolupráce. Idea byla taková, že se tehdejší Oddělení ekologické fyziologie lesních dřevin bude věnovat hlavně vlivu imisí na lesní ekosystémy, protože problém odumírání lesů vlivem imisního poškození byl v České republice ještě v osmdesátých letech vysoce aktuální. To souviselo hlavně s provozováním experimentálního ekologického pracoviště na Bílém Kříži v Moravskoslezských Beskydech nedaleko ostravské průmyslové aglomerace. Ukázalo se ale, že svět a Evropa je v oblasti ekofyziologie stresu už někde jinde. Díky zavádění nových, k životnímu prostředí šetrnějších technologií a celkovému útlumu těžkého průmyslu již imisní zatížení nebylo tak významným faktorem. Tím se ukázala být, mimo jiné faktory, vzrůstající koncentrace oxidu uhličitého (CO₂ ) v atmosféře.

Proto se začátkem devadesátých let napříč Evropou zformovala pracovní skupina sdružená v projektu ECOCRAFT (European Collaboration On CO₂ Response Applied to Forest and Trees) zaměřená na výzkum vlivu zvýšené koncentrace CO₂ a částečně i teploty na fyziologické procesy dřevin, které souvisejí se schopností lesů vázat vzdušný uhlík a s jejich budoucím vývojem s ohledem na předpokládanou rychlost nárůstu atmosférické koncentrace CO₂. Jelikož se jednalo o projekt opírající se o velké množství experimentálních dat, znamenalo to vybudovat potřebné experimentální zařízení na kultivaci stromů ve zvýšené koncentraci CO₂.

Technické řešení kultivačních komor se na jednotlivých pracovištích lišilo. Nejčastěji byly využívány klastry komor s otevřeným vrchem (OTC – „open top chambers“), využívané dříve právě pro experimenty s imisemi. V komorách byly pěstovány jednotlivé stromy nebo skupinky stromů. Mimo komory, které umožňovaly sledovat jen účinek jednoho faktoru, tj. koncentrace CO₂, existovaly i komory umožňující také sledování účinků jiných faktorů, např. teploty. Objevila se ale i jiná zařízení než komory s otevřeným vrchem, jako například větvové vaky tzv. branch bag, které umožňovaly dodávání většího množství CO₂ a vytvoření specifického mikroklimatu pouze vybraným větvím stromů, nebo systémy microcosm simulující miniekosystémy – na úrovni sazenic stromů. Všechny typy použitých kultivačních zařízení byly technicky řešeny s ohledem na zmírnění komorového efektu, ke kterému dochází při uzavření rostliny do jakéhokoliv experimentálního zařízení. Tento problém z velké míry řeší nucená ventilace zabezpečující dostatečně rychlou výměnu celého vnitřního objemu vzduchu. Proto je u všech těchto experimentálních zařízení nezbytný dokonalý kontrolní systém, který kontinuálně poskytuje údaje o stavu vnitřního prostředí komor.

Oddělení ekologické fyziologie lesních dřevin se vydalo cestou konstrukce osmi vlastních komor s otevřeným vrchem (čtyři s normální koncentrací CO₂ a čtyři se zvýšenou koncentrací CO₂), jejichž konstrukce byla výsledkem optimalizačních procedur odrážejících konkrétní situaci na pracovišti Bílý Kříž. Výsledné řešení muselo splňovat následné podmínky či omezení:

• minimalizovat náhlé vpády větru do vnitřního prostoru komor,
• snížit redukci vertikálních srážek a minimalizovat změny v radiační bilanci jedinců uzavřených v komorách oproti situaci vně (Janouš et al. 1996).

Komory měly tehdy podobu komolého kuželu s kolektorem dešťových srážek ve tvaru nálevky. Konstrukci tvořil kovový skelet pokrytý plastovou fólií s částečným UV filtrem. Nucenou ventilaci s ohledem na minimalizaci komorového efektu a negativních účinků na evaporaci zajišťovaly ventilátory.  Další vývojovou etapu kultivačních zařízení, která CVGZ pro simulaci zvýšené koncentrace CO₂ dosud využívá, představují lamelové minisféry řazené mezi tzv. semi-face systémy. Ve světě existují i systémy volné atmosféry v porostu obohacené o CO₂, tzv. FACE – „Free Atmosphere Carbon dioxide Elevated system“, které jsou založeny na soustavě trysek umístěných v kruhu kolem porostu polních plodin nebo dřevin (Allen et al. 1992). Trysky dodávají do atmosféry CO₂, který se volnou difuzí a turbulentním pohybem míchá a splývá s mikroatmosférou porostu. Tento systém plně odstraňuje komorový efekt, ale vysokou spotřebou CO₂ je extrémně finančně náročný.

Lamelové minisféry na Bílém Kříži lze považovat za evropský unikát mezi experimentálními zařízeními pro simulaci a sledování dlouhodobých účinků zvýšené koncentrace CO₂ v atmosféře. Hlavním cílem konstrukce minisfér je zajištění dvojnásobné koncentrace CO₂ v růstovém prostoru dřevin při současné minimalizaci jejích vlivů na další růstové podmínky, zejména teplotu, vlhkost, ozářenost sluneční radiací a výměnu vzduchu na povrchu jehlic/listů. To je zabezpečováno pomocí klimatizačního zařízení a dále systémem otočných lamel, které tvoří povrch minisfér. Natočení lamel je závislé na směru a rychlosti větru. Úniku zvýšené koncentrace CO₂ zamezuje přivírání lamelových oken z návětrné strany.

CO₂ se skladuje v kapalné formě v zásobníku. Odtud je pomocí výparníku (kombinace vzdušného a elektrického výparníku) převáděn na plynnou formu a rozvodným potrubím injektován přímo k ventilátorům. Klimatizační systém jedné minisféry je tvořen čtyřmi ventilátory o objemovém průtoku vzduchu 1,2 m³ · s–1 a při maximálním výkonu ventilátorů lze veškerý vzduch v růstovém prostoru minisféry, který činí 243 m³, vyměnit asi za 1 minutu (Urban et al. 2001).

V roce 2010 byla díky evropským strukturálním fondům, konkrétně Operačnímu programu Výzkum a vývoj pro inovace, zahájena výstavba Centra excelence CzechGlobe. Projekt na podporu výzkumné infrastruktury mimo jiné umožnil vybudovat nový systém 24 komor s otevřeným vrchem a fytotronový sál pro studium složitých interakcí faktorů globální změny klimatu na úrovni rostliny a raných fází ekosystému.

Pro potřeby vícefaktorových polních experimentů a z důvodu zajištění minimálního počtu tří replikací bylo vybudováno celkem 24 mobilních komor s otevřeným vrchem. V rámci těchto polních experimentů budou studovány zejména dlouhodobé vlivy na základní fyziologické parametry rostlin (fotosyntéza, respirace, transpirace, fenologie, růstová analýza).

Nový systém otevřených komor umožňuje fumigaci zvýšenou koncentrací CO₂, popřípadě i jiných plynů jako ozon či oxidy dusíku, dále regulaci dopadajících srážek, regulaci teploty pomocí nucené ventilace a odstínění UV radiace u části komor, což je zajištěno volbou použitého konstrukčního materiálu. Komory s otevřeným vrchem jsou konstruovány jako šestiúhelník, stěny jsou tvořeny jednotlivými rámy a střecha je sedlová. Kromě hřebenu, štítu a spodní strany je střecha tvořena otočnými lamelami, což umožňuje regulaci srážek. Celá konstrukce zohledňuje nároky na maximální prostup světla.

Komory jsou ventilovány pomocí dvou perforovaných prstenců po vnitřním obvodu. Ventilace zajišťuje výměnu celého objemu vzduchu v komoře minimálně jednou za 2 minuty. Potrubí pro ventilaci je rovněž opatřeno vstupem pro injektáž CO₂. Regulace koncentrace CO₂ je zajišťována pomocí kontinuálního infračerveného analyzátoru CO₂/ H₂O, sady 24 ks přepínacích ventilů a rozvodů plynu z odběrových míst. Analyzátor zajišťuje korekce měření koncentrace CO₂ v reálném čase na teplotu, tlak a koncentraci H₂O. Injektáž CO₂ řeší přímo ovládané elektromagnetické ventily.

Kromě výše popsaných polních experimentálních zařízení od letošního roku disponuje CVGZ také systémem laboratorních růstových komor, tvořících fytotronový klastr. Systém růstových komor umožňuje pěstování rostlin v řízených teplotních, světelných a vlhkostních podmínkách včetně řízení koncentrace plynů.

Klastr tvoří celkem 11 komor, z nichž 4 komory slouží pro účely ekofyziologických experimentů, při kterých rostliny musí být pěstovány při definovaných a řízených podmínkách. Řízenými parametry jsou intenzita radiace, teplota a relativní vlhkost vzduchu a řízení komory je plně programovatelné.

Dalších šest růstových komor je určeno rovněž pro ekofyziologické experimenty za řízených podmínek prostředí. Tyto růstové komory umožňují v rámci vnitřního prostoru regulaci podmínek prostředí včetně intenzity a spektrálního složení radiace (v spektrálních pásmech R, G, B, IR a UV), regulaci plynného složení vnitřní atmosféry, teploty a relativní vlhkosti vzduchu. Součástí těchto růstových komor je modul analýzy výměny plynů pro stanovení aktuální rychlosti asimilace CO₂ stejně jako modul pro detekci fluorescenčních parametrů.

Klastr růstových komor doplňuje růstová komora menších rozměrů, sloužící ke kultivaci menších rostlin v přesně definovaných klimatických podmínkách (s důrazem na intenzitu a spektrální složení radiace). Tato komora je vybavena modulem pro regulaci plynného složení atmosféry a modulem pro regulaci spektrálního složení dopadající fotosynteticky aktivní radiace (v spektrálních pásmech R, G, B, IR). Maximální intenzitu fotosynteticky aktivní radiace PAR na vzdálenost 50 cm lze nastavit na 2000 μmol · m^–2 · s^–1, lze jí programově časovat, modulovat a simulovat denní cykly.

Řízené experimenty a pro tyto účely konstruovaná speciální zařízení jsou cestou, jak propojit klasické sledování fyziologie rostlin v kontrolovaných podmínkách s výzkumy realizovanými v reálných podmínkách. Zaplňují tedy mezeru mezi šetřeními v terénu, tj. sledování vybraných procesů v reálných rostlinných porostech v měnícím se prostředí, a v přísně definovaných laboratorních experimentech. Velmi vhodná je kombinace všech postupů, kdy kontrolované experimenty přinášejí informace o individuálních vazbách mezi fyziologickým procesem a vybraným faktorem prostředí, řízené experimenty přenášejí sledování těchto relací do reálného prostředí a polní experimenty sledují tyto reakce rostlin „v šumu“ konkrétního vnějšího prostředí. Tak je možné skutečně „vystopovat“ klíčové reakce rostlin na komplexní působení jejich prostředí.