STUDIEREA CU AJUTORUL IZOTOPILOR STABILI A ROLULUI ECOSISTEMELOR TERESTRE IN STOCAREA CARBONULUI SI REDUCEREA EMISIILOR DE CO₂

Rezultate

Etapa I

Discriminarea izotopica produsa de ecosistemele terestre poate fi determinata folosind mai multe modele. Pe de o parte pot fi utilizate modele ecofiziologice, asa cum este modelul fractionarii izotopice propus de Farquhar (G.D. Farquhar et all. (1989), Carbon isotopic discrimination during photosynthesis, Ann. Rev. of Plant Physiology and Plant Molec Biology, 9, 121-137), model care a fost aplicat in cetrcetarea finalizata in 2004 in cadrul programului BIOTECH (Dezvoltarea unor metode bazate pe fractionarea naturala a izotopilor stabili pentru caracterizarea plantelor obtinute prin procese biotehnologice).
Pe de alta parte, discriminarea izotopica produsa de ecosistemele terestre sau δ¹³C_BIO poate fi determinata si folosind modelul amestecului multicomponent.

1. Astfel, s-a descris modelul teoretic al amestecului a doua specii izotopice diferite ale aceluiasi compus. Apoi s-a aplicat modelul descris la izotopii carbonului din dioxidul de carbon atmosferic si s-a demonstrat ca acest model poate servi la cuantificarea surselor de dioxid de carbon atmosferic precum si a altor urme de gaze din atmosfera (metan, vapori de apa).
2. S-a elaborat un studiu pentru selectarea metodelor de colectare a probelor de aer precum si a mijloacelor de evitare a erorilor in procesul de colectare/purificare al probelor de aer care pot duce la micsorarea preciziei masuratorilor de concentratii de dioxid de carbon si compozitie izotopica a ¹³C din CO₂ atmosferic.
3. Cum s-a mai mentionat, pentru a investiga in mod sistematic relatia intre CO₂ atmosferic si compozitia izotopica a ¹³C in CO₂ atmosferic, CO₂ trebuie extras si purificat din probele de aer. Aerul s-a colectat in fiole de sticla vidate, de capacitate mare (2,5-5 litri). Simultan cu colectarea se inregistreaza temperatura si umiditatea aerului, presiunea atmosferica si viteza vantului cand este cazul. Fiolele cu aer sunt atasate la o instalatie de vid unde CO₂ este extras si purificat. Masurarea cantitatii de CO₂ s-a facut cu un spectrometru nedispersiv in infrarosu. Totodata, s-a facut analiza izotopica a ¹³C din probele de CO₂ cu ajutorul spectrometrului de masa cu dubla colectare si folosind compararea cu un standard.
4. S-au efectuat masuratori in trei statii de colectare situate in zone cu vegetatie, dar departate de orice influenta antropogenica. Masuratorile au fost facute de-a lungul unei zile in lunile de maxima activitate a vegetatiei. Cele trei puncte de colectare a probelor de aer au fost un crang de arbusti la altitudinea de 70 m deasupra nivelului marii, o padure de conifere aflata la peste 1800 m altitudine si o zona alpina cu vegetatie putina; deci trei ecosisteme diferite, la diferite altitudini si departate de orice asezare umana.
   Datele experimentale arata doua tendinte: concentratiile minime de CO₂ sunt aproximativ aceleasi pentru toate trei punctele/ecosistemele de unde s-au recoltat probe si variatia compozitiei izotopice a ¹³C este proportionala cu inversul concentratiei molare. Probele au fost colectate din straturile de aer din apropierea solului si in perioada in care activitatea metabolica a plantelor se manifesta si deci, influenteaza cei doi parametri masurati. Aceasta pentru ca plantele reprezinta atat o sursa de CO₂ prin procesul de respiratie, cat si un consumator de CO₂ prin asimilarea lui in timpul fotosintezei.
5. S-au definit dreptele Keeling, baza metodei Keeling fiind conservarea maselor. Concentratia atmosferica de CO₂ reflecta combinatia intre "background"-ul atmosferic (fondul) si diferite cantitati de CO₂ adaugate in atmosfera de diferite surse intr-un ecosistem. Keeling a folosit pentru prima data regresia liniara pentru a interpreta fluctuatiile de δ¹³C in CO₂ atmosferic si pentru a identifica sursele care contribuie la cresterea concentratiei de CO₂ atmosferic in mai multe tipuri de ecosisteme. Estimarile compozitiei izotopice a respiratiei unui ecosistem (δ¹³C_R) sunt esentiale pentru partitia fluxurilor de CO₂ atmosferic in componentele lor (componenta fotosintetica si respiratorie). O partitie asemanatoare se poate face pentru a distinge respiratia radacinilor fata de respiratia microbiana, precum si transpiratia fata de evaporare.

Etapa II

S-au selectat 6 ecosisteme reprezenatative pe care s-au facut studiile propuse. Aceste ecosisteme sunt: E1- padure de conifere; E2- pasune formata din amestecuri de ierburi; E3- teren agricol cultivat; E4- zona umeda (arii selectate din Delta Dunarii); E5- padure de conifere; E6- padure formata dintr-un amestec de fag si brad.

1. Cu ajutorul datelor experimentale s-au construit dreptele Keeling pentru trei ecosisteme si anume E1, E2, si E3 cu scopul de a determina compozitia izotopica a sursei pentru aceste cazuri particulare. Sursa de carbon atmosferic a fost identificata ca fiind dioxidul de carbon datorat respiratiei ecosistemelor. Cele trei valori δ¹³C_R descriu trei modele diferite de discriminare izotopica Aceasta diferenta este atribuita tipurilor diferite de vegetatie care formeaza cele trei ecosisteme si anume vegetatie apartinand clasei de plante C3 si C4.
2. S-a studiat respiratia ecosistemelor ca proces multicomponent in care unul din componente este respiratia solului. Din masuratorile facute in ecosistemul E4 s-au determinat fluxurile de CO₂ datorate respiratiei solului si s-a explicat variatia lor spatiala. Studiul respiratiei solului a fost dezvoltat si s-au descris subcomponentele respiratiei solului datorate radacinilor, oxidarii materiei organice din sol si a actiunii microbiene de descompunere a resturilor de vegetatie de la suprafata solului si din interiorul lui.
3. Construirea dreptelor Keeling pentru ecosistemele E4 si E5 a permis studierea variabilitatii in timp a valorilor δ¹³C_R precum si stabilirea conditiilor ce trebuie indeplinite pentru determinarea precisa a respiratiei ecosistemului. S-a gasit ca exista anumite constrangeri asupra masuratorilor pentru ca modelele de variatie a δ¹³C_R sa fie corecte : colectarea probelor sa se faca noaptea pentru ca atunci respiratia ecosistemului este maxima si domeniul de variatie a concentratiilor de CO₂ este mare; evitarea colectarii probelor daca sunt turbulente atmosferice si colectarea probelor de aer pentru intervale mici de timp.
4. Pe baza rezultatelor masuratorilor fluxurilor de carbon pentru ecosistemele E4 si E6 s-au studiat variatiile acestor fluxuri datorate dioxidului de carbon rezultat din respiratia ecosistemului si a metanului rezultat din procese de metanogeneza. S-au pus in evidenta variatiile diurne si lunare ale acestor fluxuri si s-a explicat originea acestor variatii. S-a elaborat metoda de determinare a concentratiei de metan din apa, s-a determinat concentratia de metan din probe de apa colectate in trei arii din zona umeda a ecosistemului E4.

Etapa III

1. S-au selectat 2 din cele 6 ecosisteme alese pentru studiile propuse si anume ecosistemul E4- zona umeda (arii selectate din Delta Dunarii) si E6- padure formata dintr-un amestec de fag si brad. Au fost alese aceste ecosisteme pentru ca reprezinta doua tipuri de vegetatie foarte diferite si pentru ca fiind situate in arii departate una de alta se poate estima si o variatie spatiala a emisiilor de carbon. S-au facut masuratori de concentratii izotopice de ¹³C si concentratii de dioxid de carbon din aer si s-au interpretat variatiile lor utilizand modele descrise in etapele anterioare si modele din literatura.
2. S-a facut un studiu al factorilor care influenteaza amprenta izotopica a respiratiei ecosistemelor (δ¹³C_R). S-a aratat ca estimarea corecta a acestor valori depinde si de utilizarea compozitiei izotopice a carbonului din probele organice (frunze, radacini si sol), de testarea modelului dreptelor Keeling pentru intervale de timp scurte de o zi (variatii diurne) si de influenta factorilor de mediu asupra acestor parametrii.
3. S-a facut un studiu al variatiilor δ¹³C din aer in timpul primaverii si verii si s-a demonstrat importanta activitatii asimilatiei si respiratiei ecosistemelor asupra compozitiei izotopice a carbonului din dioxidul de carbon din aer. S-au prezentat exemple de drepte Keeling pentru aceste perioade, construite din date experimentale si care permit estimarea amprentei izotopice a ecosistemului studiat in intervalul de timp dorit.
4. Pentru variatiile diurne si sezoniere a compozitiei izotopice a CO₂ si CH₄ atmosferic s-au facut studii de caz pe ecosistemele E4 si E6. Am considerat importanta studierea si a metanului pentru ca acesta este mult mai radiativ decat dioxidul de carbon. S-au construit dreptele Keeling din care s-a dedus semnatura sursei de metan in ecosistemul E4 pentru timp de vara si iarna. S-au construit drepte Keeling pentru toate punctele de colectare din aria de studiu E4 si s-au determinat sursele de metan si natura lor, care s-a contatat a fi in proportie foarte mare biogena.
5. Coreland informatiile meteorologice din aria de studiu E6 cu variatia zilnica a concentratiilor de dioxid de carbon din aceasi arie de studiu s-a estimat influenta temperaturii, a precipitatiilor si a vantului asupra acestor variatii. S-au studiat variatiile lunare ale CO₂ atmosferic in timp de iarna precum si variatiile diurne din aceeasi perioada.

Etapa IV