JenaTron - 一种研究植物历史和土壤历史对草原生态系统功能影响的实验方法

我们的研究探讨了植物多样性与生态系统功能之间的关系是否受到植物历史、土壤历史或两者结合的影响。我们研究了植物和土壤中长期的群落特定历史如何塑造这些关系。我们在受控的 Ecotron 设施中使用实验性半天然草原。

最近的研究强调了植物多样性与生态系统功能之间的积极关系如何随着时间的推移而加强。长期实验表明，更高的生物多样性可以增强资源利用、有益的土壤生物、自然害虫控制和生态系统恢复力等。预计影响这种生物多样性影响的关键因素是植物和土壤历史。

出现了新的实验设施，称为 Ecotrons，旨在在受控条件下复制自然生态系统。这些设施具有多个外壳，用于研究复杂的生态系统过程、多流量交互和生态系统功能。Ecotron 允许对环境条件进行精确控制，并能够在独立的 mesocosm 室中监测地上和地下生态系统。

我们的协议为我们提供了独特的机会来研究在受控环境条件下的完整土壤调节，正交交叉具有不同植物群落特定历史的植物和土壤，并研究它们对植物多样性梯度上多种生态系统功能的影响，这在田间条件下很难实现。首先，使用小型挖掘机从选定的地块中轻轻去除上部 5 厘米的土壤，以平衡土壤历史处理的条件。在地块设置整体体提取装置，开始土体挖掘。

接下来，打开整体式提取装置，让切割系统围绕圆筒外壁旋转，在土壤中切出一个缺口，同时提取装置将钢圆柱体压入土壤中。同时，使用小型挖掘机在钢筒的侧面挖一个坑。一旦钢柱体完全嵌入土壤中，安装一个临时底板，并使用整体提取装置将圆柱体从挖掘坑中抬出。

从钢筒上拆下抽气装置和切割系统。然后将临时顶板安装到圆柱体上。使用连接到迷你挖掘机的悬架提起整体并将其倒置。

接下来，从钢筒上拆下底板。使用抹子从钢筒底部去除大约 5 厘米的土壤层。将一圈吸水探针嵌入石英粉末中，该探头由八个与聚氯乙烯软管连接的蜡烛组成。

用软化水润湿粉末，然后再次用泥土重新填充钢筒底部。将吸水探针环的聚氯乙烯端件连接到底板。将底板牢固地固定在钢筒上。

使用小型挖掘机上的悬架将钢缸直立转动。单独标记圆柱体。用胶带密封其墙壁上的开口，并用塑料箔包裹，以便在运输过程中提供保护。

开箱后，使用定制的钢刀片，使用圆柱体壁上三个不同深度的开口，在土壤整体上水平为传感器精确切割合适的孔。将土壤传感器放入准备好的孔中，并使用木头正确定位它们。用定制的密封塞固定开口。

小心地从下部提起每个 EcoUnit 的技术和上部。将下部运输到装有土壤传感器的完整土壤整体的钢筒中。接下来，将四个土壤巨石提升到 24 个 EcoUnit 中每个 EcoUnit 的下部容器中。

将土壤传感器的电缆穿过地面容器的开口。使用叉车将装有四个土壤巨石的集装箱运送到 24 米 x 24 米的大厅中。小心地将每个 EcoUnit 的技术和上部部件放回下部。

最后，将所有 24 个 EcoUnits 排成三行，每行由两组四个 EcoUnits 组成，总共形成六个块。从 Jena 实验现场的每个选定地块收集土壤后，通过 4 毫米的网格筛分每个特定于地块的土壤。将沙子放入 200 摄氏度的干燥箱中加热 4 小时，以去除不需要的生物群。

加热后，将特定地块的土壤和石英砂以 3 比 1 的比例混合。使用塑料铲，将泥沙混合物填充到多盆板中。单独标记每个多罐板。

将盘子放在温室中，昼夜循环为 16 摄氏度 18 小时，12 摄氏度昼夜循环 8 小时。保持 60% 至 70% 的相对湿度。按需给盘子浇水并保持裸露两周以让土壤种子库发芽后，对所有盘子进行除草两次以去除不需要的幼苗。

在用赤霉酸溶液润湿的滤纸上，在培养皿中预处理毛茛种子 24 小时以打破休眠。第二天，将毛茛种子转移到用软化水润湿的滤纸中，直到发芽。一旦种子达到根治阶段，使用弹簧钢镊子将幼苗刺入准备好的多盆板中特定于地块的土壤沙子基质中。

将除毛茛以外的所有物种直接播种到多盆板中特定地块的土壤 - 沙基质中。用去离子水给所有植物个体浇水。在温室中孵育板，直到运输到 iDiv Ecotron。

打开 EcoUnit 后，对于种植活动，使用定制的种植模板在土壤整体上标记每株植物的确切位置。分配不同颜色的塑料牙签进行标记，每种颜色代表特定的植物物种。标记后取下模板。

在一周内使用直径为 4 厘米的球茎花盆将预先生长的植物种植在所有土壤整体上。打开灯并将照明制度设置为 16 小时昼夜和 8 小时黑夜循环。通过在一小时内将灯光强度从 100% 调暗到 75%，然后在接下来的一小时内调暗到 0% 强度来模拟黄昏。

通过反转此调光模式来模拟黎明。在 JenaTron 实验的三周建立阶段后，观察到植物群落高度和颜色的处理特异性差异，与具有群落特异性植物历史的植物相比，从没有植物历史的种子中生长的植物表现出更早的开花开始。iDiv Ecotron 中的营养植物高度测量值与 Jena 实验田地中的营养植物高度测量值密切相关，证实了植物发育的一致性。