A CO<sub&gt; 2</sub&gt; Fondo gradiente de concentración para las pruebas de CO<sub&gt; 2</sub&gt; Enriquecimiento y suelo Efectos sobre la Función de los Ecosistemas del Prado

Resumen

El Fondo Degradado Dióxido de Carbono Lisímetro crea un 250 a 500 l L ^-1 gradiente de dióxido de carbono lineal en las comunidades de plantas de pastizales cámaras vivienda de temperatura controlada en arcilla, arcilla limosa y monolitos de suelo arenoso. La instalación se utiliza para determinar cómo los niveles de dióxido de carbono del pasado y del futuro afectan el ciclo del carbono de los pastizales.

Resumen

Continuando con los aumentos en las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico _(C A) técnicas de mandato para el examen de los impactos sobre los ecosistemas terrestres. La mayoría de los experimentos examinan sólo dos o unos pocos niveles de C _{Una concentración} y un solo tipo de suelo, pero si C _A se puede variar como un gradiente de subambiente a superambient concentraciones en varios suelos, podemos discernir si las respuestas del ecosistema últimos pueden continuar linealmente en la futuros y si las respuestas pueden variar a través del paisaje. El Fondo Degradado Dióxido de Carbono Lisímetro aplica un 250 a 500 l L ^-1 C _{Un gradiente} de Blackland comunidades vegetales de las praderas establecidas en lisímetros que contienen arcilla, arcilla limosa y suelos arenosos. El gradiente se crea como la fotosíntesis de vegetación cerrada en en cámaras de temperatura controlada agota progresivamente dióxido de carbono del aire que fluye a través de las cámaras direccionalmente. El mantenimiento de la tasa de flujo de aire adecuado, photosy adecuadacapacidad nthetic, y control de temperatura son críticos para superar las principales limitaciones del sistema, que están disminuyendo las tasas de fotosíntesis y un mayor estrés hídrico durante el verano. La instalación es una alternativa económica a otras técnicas de C _A enriquecimiento, discierne con éxito la forma de las respuestas del ecosistema a subambiente a superambient C _Un enriquecimiento, y se puede adaptar para poner a prueba para las interacciones de dióxido de carbono con otros gases de efecto invernadero, tales como metano o el ozono.

Introducción

La concentración de dióxido de carbono atmosférico (C _A) ha aumentado recientemente pasado 400 l L ^-1 de aproximadamente 270 l ^-1 L antes de la Revolución Industrial. C _{A se} prevé que alcance al menos 550 l ^L-1 para el año 2100 ^1. Esta tasa de crecimiento supera cualquier cambio C _A observados en los últimos 500.000 años. La tasa de cambio sin precedentes en C _Un plantea la posibilidad de respuestas no lineales o de umbral de los ecosistemas para el aumento de _C A. La mayor parte de los ecosistemas a escala C _A experimentos de enriquecimiento aplica sólo dos tratamientos, un solo nivel de enriquecimiento C _{A y} un control. Estos experimentos se han ampliado enormemente nuestra comprensión de los impactos ambientales de C _Un enriquecimiento. Sin embargo, un enfoque alternativo que puede revelar la presencia de las respuestas del ecosistema no lineales a la creciente C _A es estudiar los ecosistemas a través de un rango continuo de subambiente asuperambient C _A. Subambiente C _{A es} difícil de mantener en el campo, y más a menudo se ha estudiado el uso de cámaras de crecimiento ^2. Superambient _C A se ha estudiado el uso de cámaras de crecimiento, descapotables cámaras y técnicas de enriquecimiento al aire libre ^{3, 4.}

C _Un enriquecimiento se produce a través de paisajes que contienen muchos tipos de suelo. Suelos propiedades pueden afectar fuertemente las respuestas del ecosistema a C _Un enriquecimiento. Por ejemplo, la textura del suelo determina la retención de agua y nutrientes en el perfil del suelo ^5, su disponibilidad para las plantas ^6, y la cantidad y la calidad de la materia orgánica ^7-9. La disponibilidad de la humedad del suelo es un mediador crucial de la respuesta de los ecosistemas a C _Un enriquecimiento en sistemas de agua limitada, incluyendo la mayoría de los pastizales ^10. Pasado campo C _A experimentos de enriquecimiento han examinado típicamente sólo un tipo de suelo, y controlado de forma continua pruebas vtipos arying C _Un enriquecimiento sobre varios suelos son escasas. Si los efectos de C _Un enriquecimiento en los procesos del ecosistema difieren en el tipo de suelo, hay una fuerte razón para esperar que la variación espacial de las respuestas de los ecosistemas a C _Un enriquecimiento y consiguientes cambios en el clima ^{11, 12.}

El Dióxido de Carbono Lisímetro Gradiente (LYCOG) instalación fue diseñada para hacer frente a las cuestiones de la variación espacial en las respuestas no lineales y de umbral de los ecosistemas a los niveles C _A que van desde ~ 250 a 500 l L ^-1. LYCOG crea el gradiente prescrito de C _{A en} las comunidades de plantas de pastizales perennes que crecen en suelos que representan a la amplia gama de textura, contenido de N y C, y las propiedades hidrológicas de pastizales en la parte sur de los EE.UU. Llanos Centrales. Series de suelos específicos utilizados en la instalación son de arcilla Houston Negro (32 monolitos), un Vertisol (Udic Haplustert) típico de las tierras bajas; Austin (32 monolitos), un alto carbonate, arcilla limosa Mollisol (Udorthentic Haplustol) típica de las tierras altas; y Bastsil (16 monolitos), un aluvión franco arenoso Alfisol (Udic paleustalf).

El principio operativo empleado en LYCOG es aprovechar la capacidad fotosintética de las plantas a agotar _C A partir de parcelas de aire se movían direccionalmente a través de las cámaras cerradas. El objetivo del tratamiento es mantener un gradiente lineal constante durante el día en C _{A desde} 500 a 250 l L ^-1. Para lograr esto, LYCOG consta de dos cámaras lineales, una cámara de superambient el mantenimiento de la porción de la gradiente desde 500 a 390 (ambiente) l L ^-1 C _A, y una cámara de mantenimiento de la subambiente 390 a 250 l L ^-1 porción de la gradiente. Las dos cámaras están ubicadas al lado del otro, orientado sobre un eje norte-sur. El gradiente _C A se mantiene durante la parte del año en la capacidad fotosintética vegetación es adecuada; típicamente desdefinales de abril hasta principios de noviembre.

Las cámaras contienen sensores e instrumentación necesarias para regular el C _{Un gradiente,} controlar la temperatura del aire _(TA), cerca de los valores ambientales, y aplicar cantidades de precipitación uniformes para todos los suelos. Los suelos son monolitos intactas recogidos desde la cercana pradera Blackland instalada en lisímetros de pesada aislados hidrológicamente-instrumentados para determinar todos los componentes del balance hídrico. El agua se aplica en eventos de volumen y el momento de que la aproximación de la estacionalidad de las lluvias y asciende durante un año promedio precipitación. Por lo tanto, LYCOG es capaz de evaluar los efectos a largo plazo de subambiente a superambient C _{A y} el tipo de suelo en función de los ecosistemas de pastizales, incluyendo los presupuestos de agua y carbono.

LYCOG es la tercera generación de C _{un gradiente de} experimentos llevados a cabo por el USDA ARS Pastizales del suelo y el Laboratorio de Investigación del Agua. La primera generación fue un prototipo para subambientegradiente ambiente que estableció la viabilidad del enfoque gradiente de ¹³ y se hace avanzar nuestra comprensión de las respuestas fisiológicas de nivel de hoja de las plantas para subambiente variación en C _A ^{de 14-20.} La segunda generación fue una aplicación de campo a gran escala del concepto de perenne C ₄ pastizales, con el gradiente extendido a 200-550 l ^{L-1 21.} Este experimento de campo a gran escala proporcionó la primera evidencia de que el aumento de la productividad de pastizales con C _Un enriquecimiento de mayo saturar cerca de las concentraciones ambientales actuales ^20, en parte debido a la disponibilidad de nitrógeno puede limitar la productividad vegetal en superambient _C A ^22. LYCOG extiende este segundo experimento generación incorporando suelos replicados de diferente textura, lo que permite la prueba robusta para efectos interactivos de los suelos en la C _{Una respuesta} de las comunidades de pastizales.

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Protocolo

1. Los monolitos de suelos recogen para ser utilizado como un peso de lisímetros

1. Construir cajas de acero abiertas 1 x 1 m cuadrados por 1,5 m de profundidad de 8 mm de acero de espesor.
2. Pulse las cajas abiertas verticalmente en el suelo, utilizando prensas hidráulicas montadas sobre anclajes helicoidales perforado 3 m de profundidad en el suelo.
3. Excavar el monolito revestido utilizando una retroexcavadora o un equipo similar.
4. Coloque una mecha de fibra de vidrio en contacto con el suelo en la base del monolito. Pasar la mecha a través de la base de acero a un depósito de 10 L para drenar el monolito, y luego soldar la base de acero en la parte inferior de la caja.
5. Matar la vegetación existente en los monolitos mediante la aplicación de un herbicida no residual, tal como glifosato.

2. Establecer las comunidades vegetales en los monolitos de suelo

1. Planta de los monolitos con ocho plantas cada una de las siete especies de pastos altos de pradera de gramíneas y herbáceas, para una densidad total de 56 plantas por ^m2.
   1. Planta de las siguientes Hierbas: bouteloua curtipendula (grama-avena lado), Schizachyrium scoparium (little bluestem), nutans Sorghastrum (Indiangrass), albescens Tridens (tridens blancas)].
   2. Planta las siguientes Forbs: azurea Salvia (salvia lanzador), Solidago canadensis (Canadá vara de oro), Desmanthus illinoensis (bundleflower Illinois, una leguminosa).
2. Plántulas en un diseño cuadrado latino, re-asignados al azar para cada monolito.
3. Riegue los trasplantes de aproximadamente 2 meses después de la siembra. El objetivo es reducir al mínimo el estrés hídrico durante el establecimiento inicial. Use cualquier método conveniente tal como una varita mano o regadera del jardín. La frecuencia de riego depende de clima y el tiempo local, en particular la ocurrencia de precipitaciones ambiente.
4. Después de la fase inicial de establecimiento del trasplante, mantener los trasplantes menores de precipitaciones ambiente durante tanto tiempo como sea necesario, mientras que las cámaras (Sección3) se construyen. Retire las especies no deseadas que emergen en los monolitos durante el establecimiento de la mano-escarda.

3. Cámara Diseño

1. Construir dos cámaras cada 1,2 m de ancho, 1,5 m de altura y 60 m de longitud, dividido en diez secciones largas 5 m. Construya secciones de pesada de acero de dimensiones 5 mx 1,2 mx 1,6 m de profundidad, enterrada a 1,5 m.
   1. Instale cuatro monolitos en cada sección, dos monolitos de cada uno de los dos de los tipos de suelo, en orden aleatorio. Instale cada monolito encima de un 4,540 kg equilibrio capacidad.
   2. Incluya monolitos Bastsil en las parejas en las secciones pares.
2. Únete secciones adyacentes sobre el suelo con un 1 m de largo x 1 m de ancho x 0,3 m de conductos de chapa de altura para proporcionar una vía para la circulación de aire.
   1. Suministro de refrigerante a 10 ° C a partir de una unidad de refrigeración 161,4 kW para un serpentín de enfriamiento dentro de cada conducto.
   2. Incluya la vegetación con película transparente de efecto invernadero (espesor de 0.006 "/. 15 mm), tal como se utiliza en otraexperimentos de manipulación del clima ^23.
   3. Coloque cada tapa con una abertura con cremallera respaldado por un proyecto de solapa para permitir el acceso a los monolitos para el muestreo.
   4. Retire el polietileno cubre al final de la temporada de crecimiento.

4. CO ₂ y la temperatura del aire de medición; Control de temperatura

1. Ejemplo de entrada y salida C _{A en} ambas cámaras cada 2 minutos a través de líneas de muestreo de aire con filtro ubicado en la entrada y salida de superambient y subambientes cámaras. Estos datos informan _inyección de CO 2 y el ventilador de control de velocidad.
   1. Muestra C _{A y} contenido de vapor de agua, y la temperatura del aire medida _(TA) en la entrada y salida de cada sección 5 m en intervalos de 20 minutos.
   2. Mida todas las muestras de aire para CO ₂ y vapor de agua contenido en tiempo real utilizando analizadores de gas infrarrojos según el protocolo del fabricante.
   3. Mida T _{A en} la entrada, el punto medio, und salida de cada sección con termopares de alambre fino blindados.
2. Regular el flujo de refrigerante a través del serpentín de enfriamiento en la entrada de cada sección para mantener una media constante (sección media) T _A de una sección a cerca de la ambiente T _A.
3. Coloque un sensor cuántico de tener una vista despejada del cielo y medir la densidad de flujo de fotones fotosintéticos de acuerdo con el protocolo del fabricante. Nivel de luz es una entrada al algoritmo de control del ventilador.

5. C _Una Aplicación de Tratamiento

1. Tiempo de día
   1. Mezclar dióxido de carbono puro (CO ₂₎ con el aire ambiente entrante a 500 l L ^-1 C _A, utilizando un controlador de flujo másico en el conducto de entrada de la pierna superambient. Vea la Sección 4 para C _A detalles de medición.
   2. La advección del aire enriquecido a través de las cámaras que utilizan ventiladores soplantes en la entrada de la sección 1 y en las secciones posteriores.
   3. METROantener la C la salida deseada _{A de} 390 l ^L-1 (aire ambiente), ajustando la velocidad del ventilador.
      1. Aumentar la velocidad del ventilador si la salida _C A está por debajo del punto de ajuste. Esto permite menos tiempo para la absorción de la planta de CO _2, lo que resulta en una mayor salida de _C A.
      2. Disminuya la velocidad del ventilador si la salida _C A está por encima del punto de ajuste.
   4. Usa el mismo enfoque en la cámara subambiente excepto introducir aire y control ambiental para lograr la salida C _{A de} 250 l L ^-1.
2. Noche
   1. Invierta la dirección del flujo de aire.
   2. Inyectar _CO 2 en el extremo de salida durante el día de la cámara superambient para lograr 530 l L ^-1 C _A, y las tasas de advección de control para mantener 640 l ^L-1 en la salida nocturna (entrada diurna.
   3. Introducir aire ambiente en ~ 390 l L ^-1 _CO 2 a la entrada de la noche(salida diurna) de la tasa de advección cámara subambiente y control para mantener 530 l ^L-1 en la salida nocturna.

6. Precipitaciones Entradas

1. Aplique la cantidad de lluvia temporada de crecimiento media a cada monolito.
   1. Suministro de agua a cada monolito de una fuente de agua para uso doméstico a través de un sistema de riego por goteo. Programe los eventos de riego y las cantidades de aplicación para aproximar el régimen de lluvias estacional para la ubicación experimento. El horario exacto depende del clima local.
2. Control de tiempo de aplicación con un registrador de datos y medir los volúmenes de aplicación con caudalímetros.

7. Muestreo

1. Medir perfiles verticales de volumétrica contenido de agua del suelo (vSWC) semanalmente durante el período de CO ₂ de control, con un medidor de atenuación de neutrones u otra sonda apropiada.
   1. Incrementos perfil recomendados son incrementos de profundidad 20 cm a 1 m dePTH, y un incremento de 50 cm por debajo de un 1 m.
2. Medida monolito sobre el suelo la productividad primaria neta (ANPP) por la recolección de toda la biomasa aérea de pie al final de la temporada de crecimiento.
   1. Toda la biomasa aérea se retira cada año, en consecuencia, la biomasa representa la producción primaria actual.
   2. Ordene la biomasa muestreada por especie y secos a una masa constante, y pesar.
   3. Utilice la biomasa de las especies individuales para cuantificar las especies vegetales contribuciones a la ANPP.

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Resultados

Las porciones superambient y subambientes del gradiente se mantienen en cámaras separadas (Figura 1). Sin embargo, más de siete años de funcionamiento (2007 - 2013), las cámaras mantienen un gradiente lineal en C _A de concentración desde 500 a 250 l L ^-1 (Figura 2) con sólo una pequeña discontinuidad en C _{A entre} la salida de las cámaras enriquecidos (Monolith 40) y la entrada de la porción subambiente del gradiente (Monolith 41).

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Discusión

La instalación LYCOG logra su objetivo operacional del mantenimiento de un 250 a 500 l L ^-1 gradiente continuo de las concentraciones de C _A en las comunidades de pastizales experimentales establecidas en tres tipos de suelo. El cambio en C _{A es} lineal en el intervalo prescrito. La temperatura del aire aumenta dentro de cada sección, pero se restableció por los serpentines de enfriamiento entre la sección en la mayoría de las secciones. Como resultado de ello, el objetivo operaciona...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dataloggers, multiplexers	Campell Scientific, Logan, UT, USA	CR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
Thermocouples: Copper-constantan	Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, USA	TT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
Quantum sensor	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-190SB
CO2/H2O analyzer	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-7000
Lysimeter scales	Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, USA	DSL-3636-10
Air sampling pump	Grace Air Components, Houston, TX, USA	VP 0660
Dew-point generator	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-610
Cold water chiller	AEC Application Engineering, Wood Dale, IL, USA	CCOA-50
Chilled water flow control values	Belimo Air Controls, Danbury, CT, USA	LRB24-SR
Chilled-water cooling coils	Coil Company, Paoli, PA, USA	WC12-C14-329-SCA-R
Carbon dioxide refrigerated liquid	Temple Welding Supply, Temple, TX, USA	UN2187
Polyethylene film	AT Plastics, Toronto, ON, Canada	Dura-film Super Dura 4
Blower motor/controller	Dayton Electric, Lake Forest, IL, USA	2M168C/4Z829
Solenoids	Industrial Automation, Cornelius, NC, USA	U8256B046V-12/DC
Leachate collection pump	Gast Manufacturing, Benton Harbor, MI, USA	0523-V191Q-G588DX