We thank Anne Gibson, Katherine Jones, Chris Kolodziejczyk, Alicia Naranjo, Kyle Tiner, and numerous students and temporary technicians for operating the LYCOG facility, conducting sampling, and data processing. L.G.R. acknowledges USDA-NIFA (2010-65615-20632).

1. Les monolithes de sol recueillons pour être utilisés comme Lysimètres pesage <ol><li> Construire des boîtes en acier ouvertes 1 x 1 m carrés de 1,5 m de profondeur de 8 mm d&#39;épaisseur en acier. </li><li> Appuyez sur les boîtes ouvertes verticalement dans le sol, à l&#39;aide de presses hydrauliques montés sur les ancres hélicoïdales foré 3 m de profondeur dans le sol. </li><li> Creuser le monolithe enfermé à l&#39;aide d&#39;une pelle rétrocaveuse ou un équipement similaire. </li><li> Placer une mèche en fibre de verre en contact avec le sol à la base du monolithe. Faire passer la mèche à travers la base d&#39;acier dans un réservoir de 10 L pour drainer le monolithe, puis souder la base d&#39;acier sur le bas de la boîte. </li><li> Tuer la végétation existante sur les monolithes en appliquant un herbicide non résiduel, comme le glyphosate. </li></ol> 2. Établir des communautés végétales sur des monolithes de sol <ol><li> Plantez les monolithes avec huit plants chacune des sept espèces de prairie à herbes hautes herbes et de plantes herbacées, pour une densité totale de 56 plants par m 2. <ol><li&gt; Plantez les graminées suivantes: Bouteloua curtipendula (grama côté-avoine), Schizachyrium scoparium (barbon), nutans Sorghastrum (Indiangrass), Tridens albescens (tridens blanc)]. </li><li> Plantez les forbes des suivants: azurea Salvia (lanceur de sauge), Solidago canadensis (or du Canada), (Illinois la bundleflower, une légumineuse) de Desmanthus. </li></ol></li><li> Semis de plantes dans un carré latin, nouveau randomisés pour chaque monolithe. </li><li> Arrosez les greffes pour environ 2 mois suivant la plantation. L&#39;objectif est de minimiser le stress de l&#39;eau lors de l&#39;établissement initial. Utilisez une méthode commode, comme une baguette à la main ou jardin d&#39;arrosage. La fréquence d&#39;arrosage dépend du climat et la météo locale, en particulier l&#39;apparition de précipitations ambiante. </li><li> Après la phase initiale de mise en place de la transplantation, de maintenir les transplantations sous pluies ambiante pendant aussi longtemps que nécessaire tandis que les chambres (Section3) sont réalisés. Éliminer les espèces indésirables qui émergent dans les monolithes lors de l&#39;établissement par le désherbage manuel. </li></ol> 3. Chambre design <ol><li> Construire deux chambres, chacune 1,2 m de large, 1,5 m de haut et 60 m de long, divisé en dix sections 5 m de long. Construire sections en acier lourd de dimensions 5 mx 1,2 mx 1,6 m de profondeur, enfoui à 1,5 m. <ol><li> Installez quatre monolithes dans chaque section, deux monolithes chacun de deux des types de sol, dans un ordre aléatoire. Installez chaque monolithe au sommet d&#39;un équilibre de la capacité de 4540 kg. </li><li> Inclure monolithes Bastsil dans les appariements dans les sections paires. </li></ol></li><li> Rejoignez sections adjacentes hors sol avec 1 m de long x 1 m de large x 0,3 m de hauteur de conduit de tôle pour fournir une voie pour le flux d&#39;air. <ol><li> Approvisionnement en fluide de refroidissement à 10 ° C à partir d&#39;une unité de réfrigération 161,4 kW à un serpentin de refroidissement à l&#39;intérieur de chaque canal. </li><li> Joindre la végétation avec un film à effet de serre clair (épaisseur 0,006 &quot;/. 15 mm), comme utilisé dans d&#39;autresexpériences de manipulation du climat 23. </li><li> Monter chaque couvercle avec une ouverture zippée soutenu par un projet de rabat pour permettre l&#39;accès à des monolithes pour l&#39;échantillonnage. </li><li> Retirez le polyéthylène couvre à la fin de la saison de croissance. </li></ol></li></ol> 4. CO 2 et Air Mesure de la température; Contrôle de la température <ol><li> L&#39;entrée et la sortie échantillon C Un des deux chambres toutes les 2 min à travers les lignes de prélèvement d&#39;air filtré situés à l&#39;entrée et la sortie des superambient et subambiante chambres. Ces données informent injection de CO 2 et d&#39;un ventilateur de contrôle de vitesse. <ol><li> Un échantillon C et la teneur en vapeur d&#39;eau, et la température de l&#39;air de mesure (T A) à l&#39;entrée et la sortie de chaque section 5 m à 20 minutes d&#39;intervalle. </li><li> Mesurer tous les échantillons d&#39;air pour le CO 2 et la teneur en vapeur d&#39;eau en temps réel en utilisant des analyseurs de gaz à infrarouge selon le protocole du fabricant. </li><li> Mesurer T A à l&#39;entrée, milieu, und sortie de chaque section avec des thermocouples de fil fin blindés. </li></ol></li><li> Réguler le flux de fluide de refroidissement à travers le serpentin de refroidissement à l&#39;entrée de chaque section de maintenir une moyenne cohérente (mi-section) T A d&#39;une section à proximité de la température ambiante T A. </li><li> Placez un capteur quantique d&#39;avoir une vue dégagée du ciel et de mesurer la densité de flux photosynthétique de photons selon le protocole du fabricant. Niveau de lumière est une entrée à l&#39;algorithme de contrôle du ventilateur. </li></ol> 5. C Une demande de traitement <ol><li> Jour <ol><li> Mélanger pur dioxyde de carbone (CO 2) avec l&#39;air ambiant entrant à 500 ul -1 L A C, en utilisant un régulateur de débit massique dans le conduit d&#39;entrée de la jambe superambient. Voir la section 4 pour C A détails de mesure. </li><li> Advection l&#39;air enrichi à travers les chambres à l&#39;aide de ventilateurs soufflants à l&#39;entrée de la section 1 et dans les sections en aval. </li><li> MAINTENIR la sortie souhaitée C A de 390 pi L -1 (air ambiant) en ajustant la vitesse du ventilateur. <ol><li> Augmenter la vitesse du ventilateur si la sortie C A est en dessous du point de consigne. Cela permet moins de temps pour l&#39;absorption de l&#39;usine de CO 2, ce qui entraîne la sortie plus élevée C A. </li><li> Diminuer la vitesse du ventilateur si la sortie C A est au-dessus du point de consigne. </li></ol></li><li> Utilisez la même approche dans la chambre de subambiante sauf introduire de l&#39;air ambiant et de contrôle pour atteindre la sortie C A de 250 pi L -1. </li></ol></li><li> Nuit <ol><li> Inverser la direction d&#39;écoulement de l&#39;air. </li><li> Injecter de CO 2 dans l&#39;extrémité de sortie de la journée de la chambre de superambient pour atteindre 530 pi L -1 C A, et les taux de contrôle d&#39;advection de maintenir 640 pi L -1 à la sortie de nuit (entrée diurne. </li><li> Introduire de l&#39;air ambiant à ~ 390 pi L -1 CO 2 dans l&#39;entrée de nuit(sortie le jour) du taux d&#39;advection de chambre et de contrôle subambiante de maintenir 530 pi L -1 à la sortie nocturne. </li></ol></li></ol> 6. Entrées Précipitations <ol><li> Appliquer la saison de croissance quantité de pluie moyenne à chaque monolithe. <ol><li> Fournir de l&#39;eau à chaque monolithe à partir d&#39;une source d&#39;eau domestique par un système de goutte à goutte. Planifier les événements d&#39;irrigation et les montants d&#39;application de rapprocher la pluviométrie saisonnière pour l&#39;emplacement de l&#39;expérience. Le calendrier exact dépend du climat local. </li></ol></li><li> Contrôler moment de l&#39;application avec un enregistreur de données et mesurer les volumes d&#39;application avec des débitmètres. </li></ol> 7. Échantillonnage <ol><li> Mesurer les profils verticaux de volumétrique teneur en eau du sol (vSWC) par semaine pendant la période de CO 2 de contrôle, avec une jauge à neutrons d&#39;atténuation ou d&#39;une autre sonde appropriée. <ol><li> Incréments de profil recommandé sont incréments de profondeur de 20 cm à 1 m dePTH, et l&#39;un de 50 cm en dessous d&#39;un minimum de 1 m. </li></ol></li><li> Mesure monolithe hors sol productivité primaire nette (ANPP) en récoltant toutes la biomasse sur pied à la fin de la saison de croissance. <ol><li> Tous biomasse aérienne est retiré chaque année, par conséquent debout biomasse représente la production primaire actuelle. </li><li> Trier la biomasse échantillonnée par espèces, sèches à masse constante, et peser. </li><li> Utiliser la biomasse des espèces individuelles de quantifier les espèces végétales contributions à ANPP. </li></ol></li></ol>

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S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increase+in+C3+plant+water-use+efficiency+and+biomass+over+glacial+to+present+CO2+concentrations.">Increase in C3 plant water-use efficiency and biomass over glacial to present CO2 concentrations.</a> Nature. 361 (6407), 61-64 (1993).</li><li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+CO2:+comparative+responses+of+the+C4+grass+Schizachyrium.+and+grassland+invader+Prosopis.">Increasing CO2: comparative responses of the C4 grass Schizachyrium. and grassland invader Prosopis.</a> Ecology. 75 (4), 976-988 (1994).</li><li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nitrogen+and+water+requirements+of+C3+plants+grown+at+glacial+to+present+carbon+dioxide+concentrations.">Nitrogen and water requirements of C3 plants grown at glacial to present carbon dioxide concentrations.</a> Funct. Ecol. 9 (1), 86-96 (1995).</li><li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S., Brown, D. A., White, J. W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Leaf+and+plant+water+use+efficiency+of+C4+species+grown+at+glacial+to+elevated+CO2+concentrations.">Leaf and plant water use efficiency of C4 species grown at glacial to elevated CO2 concentrations.</a> Int. J. Plant Sci. 157 (2), 164-170 (2012).</li><li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Derner, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+CO2+from+subambient+to+superambient+concentrations+alters+species+composition+and+increases+above-ground+biomass+in+a+C3/C4+grassland.">Increasing CO2 from subambient to superambient concentrations alters species composition and increases above-ground biomass in a C3/C4 grassland.</a> New Phytol. 160 (2), 319-327 (2003).</li><li>Johnson, H. B., Polley, H. W., Whitis, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elongated+chambers+for+field+studies+across+atmospheric+CO2+gradients.">Elongated chambers for field studies across atmospheric CO2 gradients.</a> Funct. Ecol. 14 (3), 388-396 (2000).</li><li>Gill, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+grassland+responses+to+past+and+future+atmospheric+CO2.">Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2.</a> Nature. 417 (6886), 279-282 (2002).</li><li>Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Blair, J. M., Collins, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Productivity+responses+to+altered+rainfall+patterns+in+a+C4-dominated+grassland.">Productivity responses to altered rainfall patterns in a C4-dominated grassland.</a> Oecologia. 137 (2), 245-251 (2003).</li><li>Miglietta, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+and+temporal+performance+of+the+miniface+(free+air+CO2+enrichment)+system+on+bog+ecosystems+in+northern+and+central+Europe.">Spatial and temporal performance of the miniface (free air CO2 enrichment) system on bog ecosystems in northern and central Europe.</a> Environmental Monitoring and Assessment. 66 (2), 107-127 (2001).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

L&#39;installation LYCOG atteint son objectif opérationnel de maintien d&#39;un 250 à 500 pi L -1 gradient continu des concentrations C A sur les communautés des prairies expérimentales établies sur trois types de sol. Le changement de C A est linéaire sur la plage prescrite. Température de l&#39;air a augmenté au sein de chaque section, mais a été remis à zéro par les bobines entre-section de refroidissement dans la plupart des sections. En conséquence, l&#39;objectif opér...

La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone (C A) a augmenté récemment passé 400 pi L -1 d&#39;environ 270 pi L -1 avant la révolution industrielle. C A devrait atteindre au moins 550 pi L -1 en 2100 1. Ce taux de croissance dépasse les modifications C A observées au cours des 500.000 dernières années. Le taux de changement dans C Un sans précédent soulève la possibilité de réponses non-linéaires ou seuil des écosystèmes à l&#39;augmentation de C A. La plupart échelle de l&#39;écosystème C A expériences d&#39;enrichissement applique seulement deux traitements, un seul niveau de enrichi C A et un contrôle. Ces expériences ont considérablement élargi notre compréhension des impacts sur les écosystèmes de C Un enrichissement. Cependant, une autre approche qui peut révéler la présence de réponses des écosystèmes non-linéaires à l&#39;augmentation de C A est d&#39;étudier les écosystèmes à travers une gamme continue de subambiante àsuperambient C A. Subambiante C A est difficile à maintenir dans le domaine, et a le plus souvent été étudiée en utilisant des chambres de croissance 2. Superambient C A a été étudiée en utilisant des chambres de croissance, chambres à ciel ouvert, et les techniques d&#39;enrichissement à l&#39;air libre 3, 4. C Un enrichissement se produit à travers des paysages contenant de nombreux types de sols. Sols propriétés peuvent fortement influer sur les réponses à C Un enrichissement de l&#39;écosystème. Par exemple, la texture du sol détermine la rétention d&#39;eau et de nutriments dans le profil de sol 5, leur disponibilité pour les plantes 6, et la quantité et la qualité de la matière organique 7-9. La disponibilité de l&#39;humidité du sol est un médiateur essentiel des réponses des écosystèmes à C Un enrichissement dans les systèmes d&#39;eau limitée, y compris la plupart des prairies 10. Passé champ C A expériences d&#39;enrichissement ont généralement examiné un seul type de sol, et contrôlée en continu des tests de vtypes arying C Un enrichissement du sol sur plusieurs font défaut. Si les effets de C Un enrichissement sur ​​les processus des écosystèmes diffèrent du type de sol, il ya de bonnes raisons de s&#39;attendre à la variation spatiale dans les réponses des écosystèmes à C Un enrichissement et les changements qui en résultent dans le climat 11, 12. Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient (LYCOG) installation a été conçue pour répondre aux questions de la variation spatiale dans les réponses non-linéaires et le seuil des écosystèmes aux niveaux C A allant de ~ 250 à 500 pi L -1. LYCOG crée le gradient prescrite de C A sur les communautés de plantes des prairies vivaces qui poussent sur ​​des sols représentant la vaste gamme de texture, N et C, le contenu et les propriétés hydrologiques des prairies dans la partie sud de la Plaine centrale des États-Unis. Spécifique série des sols utilisés dans l&#39;installation sont l&#39;argile Houston Noir (32 monolithes), un Vertisol (udique Haplustert) typique des plaines; Austin (32 monolithes), un haut carboNate, argile limoneuse Mollisol (Udorthentic Haplustol) typique des hautes terres; et Bastsil (16 monolithes), un alluviale loam sableux alfisol (udique Paleustalf). Le principe de fonctionnement utilisé dans LYCOG est d&#39;exploiter la capacité photosynthétique des plantes à épuiser C A partir de parcelles d&#39;air déplacés directionnelle à travers les chambres fermées. L&#39;objectif du traitement est de maintenir un gradient linéaire constante de jour en C A 500-250 ul L -1. Pour ce faire, LYCOG compose de deux chambres linéaires, une chambre superambient maintenir la partie du gradient de 500 à 390 (température ambiante) -1 ul L C A, et une chambre de maintien de la sous-ambiante à 250 ul de 390 L -1 de la partie pente. Les deux chambres sont situées côte à côte, orientée sur un axe nord-sud. Le gradient A C est maintenue pendant la partie de l&#39;année où la capacité photosynthétique de la végétation est adéquate; typiquement defin Avril à début Novembre. Les chambres contiennent des capteurs et de l&#39;instrumentation nécessaires pour réguler le C Un gradient, contrôler la température de l&#39;air (T A) proches des valeurs ambiantes, et appliquer des quantités de précipitations uniformes à tous les sols. Les sols sont monolithes intacts prélevés à proximité de la prairie de Blackland installé dans lysimètres pesant hydrologique isolées instrumentés afin de déterminer toutes les composantes du budget de l&#39;eau. L&#39;eau est appliquée à des événements de volume et le calendrier qui se rapprochent de la saisonnalité des épisodes de pluie et élève au cours d&#39;une année moyenne des précipitations. Ainsi, LYCOG est capable d&#39;évaluer les effets à long terme de subambiante à superambient C A et le type de sol sur la fonction de l&#39;écosystème des prairies, y compris les budgets de l&#39;eau et de carbone. LYCOG est la troisième génération de C un gradient expériences menées par l&#39;USDA ARS Grassland sols et Laboratoire de recherche de l&#39;eau. La première génération était un prototype pour subambiantegradient de température ambiante qui a établi la viabilité de l&#39;approche de gradient 13 et progresser notre compréhension des réactions physiologiques au niveau des feuilles de plantes à subambiante variation de C A 14-20. La deuxième génération était une application échelle du champ de la notion d&#39;vivace C 4 prairies, avec le gradient étendu à 200-550 pi L -1 21. Cette expérience l&#39;échelle du champ fourni la première preuve que l&#39;augmentation de la productivité des prairies avec C Un enrichissement peut saturer près concentrations ambiantes actuelles 20, en partie parce que la disponibilité de l&#39;azote peut limiter la productivité de l&#39;usine de superambient C A 22. LYCOG étend cette deuxième expérience de génération en intégrant les sols de texture répliquées variable, permettant des tests robuste pour les effets interactifs des sols sur le C Une réponse des communautés de prairies.

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

a co2 concentration gradient facility for testing co2 enrichment and soil effects on grassland ecosystem function

Augmentation continue des concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique (C) Une des techniques de mandat pour l&#39;examen des impacts sur les écosystèmes terrestres. La plupart des expériences examinent seulement deux ou quelques niveaux de C Une concentration et un seul type de sol, mais si C A peut être modifié suivant un gradient de subambiante à superambient concentrations sur plusieurs sols, nous pouvons discerner si les réponses des écosystèmes dernières peuvent continuer linéairement dans le futures et si les réponses peuvent varier à travers le paysage. Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient Fonds applique une 250 à 500 pi L -1 C Un gradient de Blackland communautés végétales des prairies établies sur lysimètres contenant de l&#39;argile, argile limoneuse, et les sols sableux. Le gradient est créé par la photosynthèse de la végétation en chambre fermée en température contrôlée épuise progressivement du dioxyde de carbone à partir de l&#39;air circulant de manière directionnelle à travers les chambres. Le maintien de taux de circulation d&#39;air, photosy adéquatenthetic capacités, et le contrôle de la température est essentielle pour surmonter les principales limites du système, qui sont la baisse des taux de photosynthèse et un stress hydrique accru pendant l&#39;été. L&#39;installation est une alternative économique à d&#39;autres techniques de C Un enrichissement, discerne avec succès la forme de réponses des écosystèmes aux subambiante à superambient C Un enrichissement, et peut être adapté pour tester les interactions de dioxyde de carbone avec d&#39;autres gaz de serre tels que le méthane ou l&#39;ozone.

Les parties de sous-ambiante et superambient du gradient sont maintenues dans des chambres séparées (Figure 1). Cependant, plus de sept années de fonctionnement (2007 - 2013), les chambres maintenues un dégradé linéaire en C Une concentration de 500 à 250 pi L -1 (figure 2) avec seulement une petite discontinuité dans C A entre la sortie des chambres enrichies (Monolithe 40) et l&#39;entrée de la partie de sous-ambiante du gradient (Monolithe 41...

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A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient installation crée un 250 à 500 pi L -1 gradient linéaire de dioxyde de carbone dans les communautés végétales chambres logements de prairies à température contrôlée sur l&#39;argile, argile limoneuse, et monolithes de sol sablonneux. L&#39;installation est utilisée pour déterminer comment les niveaux de dioxyde de carbone passées et futures affectent vélo prairies de carbone.

Un CO<sub&gt; 2</sub&gt; Facilité Concentration de Gradient pour les essais CO<sub&gt; 2</sub&gt; Enrichissement et du sol Effets sur l&#39;écosystème de prairie Fonction

Continuing increases in atmospheric carbon dioxide concentrations (CA) mandate techniques for examining impacts on terrestrial ecosystems. Most ...

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Research

JoVE Journal

Environment

A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

11.3K vues.  Grassland Soil and Water Research Laboratory.  Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient installation crée un 250 à 500 pi L -1 gradient linéaire de dioxyde de carbone dans les communautés végétales chambres logements de prairies à température contrôlée sur l'argile, argile limoneuse, et monolithes de sol sablonneux. L'installation est utilisée pour déterminer comment les niveaux de dioxyde de carbone passées et futures affectent vélo prairies de carbone. 

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Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes and soil organic matter formation to small-scale stable-isotope biomarker probing. Coupling multiple stable isotopes such as 13C with 15N, 18O or&#160;2H has the potential to reveal even more information about complex stoichiometric relationships during biogeochemical transformations. Isotope labeled plant material has been used in various studies of litter decomposition and soil organic matter formation1-4. From these and other studies, however, it has become apparent that structural components of plant material behave differently than metabolic components (i.e. leachable low molecular weight compounds) in terms of microbial utilization and long-term carbon storage5-7. The ability to study structural and metabolic components separately provides a powerful new tool for advancing the forefront of ecosystem biogeochemical studies. Here we describe a method for producing 13C and 15N labeled plant material that is either uniformly labeled throughout the plant or differentially labeled in structural and metabolic plant components.
Here, we present the construction and operation of a continuous 13C and 15N labeling chamber that can be modified to meet various research needs. Uniformly labeled plant material is produced by continuous labeling from seedling to harvest, while differential labeling is achieved by removing the growing plants from the chamber weeks prior to harvest. Representative results from growing Andropogon gerardii Kaw demonstrate the system&#39;s ability to efficiently label plant material at the targeted levels. Through this method we have produced plant material with a 4.4 atom%13C and 6.7 atom%15N uniform plant label, or material that is differentially labeled by up to 1.29 atom%13C and 0.56 atom%15N in its metabolic and structural components (hot water extractable and hot water residual components, respectively). Challenges lie in maintaining proper temperature, humidity, CO2 concentration,&#160;and light levels in an airtight 13C-CO2 atmosphere for successful plant production. This chamber description represents a useful research tool to effectively produce uniformly or differentially multi-isotope labeled plant material for use in experiments on ecosystem biogeochemical cycling.

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

This method explains how to build and operate a continuous 13C and 15N isotope labeling chamber for uniform or differential plant tissue labeling. Representative results from metabolic and structural labeling of Andropogon gerardii are discussed.

Conception et l&#39;exploitation d&#39;un continu<sup&gt; 13</sup&gt; C et<sup&gt; 15</sup&gt; N Chambre pour uniforme ou différentiel étiquetage, métabolique et structurale, usine de production d&#39;isotopes étiquetage

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

Recherche

Environnement

Design and Construction of an Urban Runoff Research Facility

As the urban population increases, so does the area of irrigated urban landscape. Summer water use in urban areas can be 2-3x winter base line water use due to increased demand for landscape irrigation. Improper irrigation practices and large rainfall events can result in runoff from urban landscapes which has potential to carry nutrients and sediments into local streams and lakes where they may contribute to eutrophication. A 1,000 m2 facility was constructed which consists of 24 individual 33.6 m2 field plots, each equipped for measuring total runoff volumes with time and collection of runoff subsamples at selected intervals for quantification of chemical constituents in the runoff water from simulated urban landscapes. Runoff volumes from the first and second trials had coefficient of variability (CV) values of 38.2 and 28.7%, respectively. CV values for runoff pH, EC, and Na concentration for both trials were all under 10%. Concentrations of DOC, TDN, DON, PO4-P, K+, Mg2+, and Ca2+ had CV values less than 50% in both trials. Overall, the results of testing performed after sod installation at the facility indicated good uniformity between plots for runoff volumes and chemical constituents. The large plot size is sufficient to include much of the natural variability and therefore provides better simulation of urban landscape ecosystems.

This paper describes the design, construction, and function of a 1,000 m2 facility containing 24 individual 33.6 m2 field plots equipped for measuring total runoff volumes with time and collection of runoff subsamples at selected intervals for quantification of chemical constituents in the runoff water from simulated home lawns.

Conception et construction d&#39;une installation de recherche de ruissellement urbain

As the urban population increases, so does the area of irrigated urban landscape. Summer water use in urban areas can be 2-3x winter base line water use ...

Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses

A method is described which uses the absence of radiocarbon in industrial chemicals and fuels made from petroleum feedstocks which frequently contaminate the environment. This radiocarbon signal &#8212; or rather the absence of signal &#8212; is evenly distributed throughout a contaminant source pool (unlike an added tracer) and is not impacted by biological, chemical or physical processes (e.g., the 14C radioactive decay rate is immutable). If the fossil-derived contaminant is fully degraded to CO2, a harmless end-product, that CO2 will contain no radiocarbon. CO2 derived from natural organic matter (NOM) degradation will reflect the NOM radiocarbon content (usually &#60;30,000 years old). Given a known radiocarbon content for NOM (a site background), a two end-member mixing model can be used to determine the CO2 derived from a fossil source in a given soil gas or groundwater sample. Coupling the percent CO2 derived from the contaminant with the CO2 respiration rate provides an estimate for the total amount of contaminant degraded per unit time. Finally, determining a zone of influence (ZOI) representing the volume from which site CO2 is collected allows determining the contaminant degradation per unit time and volume. Along with estimates for total contaminant mass, this can ultimately be used to calculate time-to-remediate or otherwise used by site managers for decision-making.

Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses

A protocol is described wherein CO2 mineralized from organic contaminant (derived from petroleum feedstocks) biodegradation is trapped, quantified, and analyzed for 14C content. A model is developed to determine CO2 capture zone's spatial extent. Spatial and temporal measurements allow integrating contaminant mineralization rates for predicting remediation extent and time.

Contaminant Minéralisation de mesure à base de carbone Utilisation combinée CO<sub&gt; 2</sub&gt; Flux et radiocarbone Analyses

A method is described which uses the absence of radiocarbon in industrial chemicals and fuels made from petroleum feedstocks which frequently contaminate ...

A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact. 
Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L-1 before litter application to 40.3 mg L-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).

A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.

Un protocole pour la collecte et la construction de sols Lysimètres Core

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

This study presents an excavation method for investigating subsurface hydrological, geochemical, and microbiological heterogeneity of a soil lysimeter. The lysimeter simulates an artificial hillslope which was initially under homogeneous condition and had been subjected to approximately 5,000 mm of water over eight cycles of irrigation in an 18-month period.

Sol Lysimètre Excavation pour Coupled hydrologiques, géochimiques et microbiologiques Enquêtes

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

Measurement of the Rheology of Crude Oil in Equilibrium with CO2 at Reservoir Conditions

A rheometer system to measure the rheology of crude oil in equilibrium with carbon dioxide (CO2) at high temperatures and pressures is described. The system comprises a high-pressure rheometer which is connected to a circulation loop. The rheometer has a rotational flow-through measurement cell with two alternative geometries: coaxial cylinder and double gap. The circulation loop contains a mixer, to bring the crude oil sample into equilibrium with CO2, and a gear pump that transports the mixture from the mixer to the rheometer and recycles it back to the mixer. The CO2 and crude oil are brought to equilibrium by stirring and circulation and the rheology of the saturated mixture is measured by the rheometer. The system is used to measure the rheological properties of Zuata crude oil (and its toluene dilution) in equilibrium with CO2 at elevated pressures up to 220 bar and a temperature of 50 &#176;C. The results show that CO2 addition changes the oil rheology significantly, initially reducing the viscosity as the CO2 pressure is increased and then increasing the viscosity above a threshold pressure. The non-Newtonian response of the crude is also seen to change with the addition of CO2.

Measurement of the Rheology of Crude Oil in Equilibrium with CO2 at Reservoir Conditions

A method for measuring the rheology of crude oil in equilibrium with carbon dioxide at reservoir conditions is presented.

Mesure de la rhéologie du pétrole brut en équilibre avec le CO<sub&gt; 2</sub&gt; Aux conditions du réservoir

A rheometer system to measure the rheology of crude oil in equilibrium with carbon dioxide (CO2) at high temperatures and pressures is described. The ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonate (CaCO3) profiles. The objective is to describe a simple conceptual model and detailed protocol for repeatable field and laboratory measurements of these quantities. Here, accurate elevation is measured using a ground-based differential global positioning system (GPS); other data acquisition methods could be applied to the same basic method. Soil samples are collected from prescribed depth intervals and analyzed in the lab using an efficient and precise modified pressure-calcimeter method for quantitative analysis of inorganic carbon concentration. Standard statistical methods are applied to point data, and representative results show significant correlations between changes in soil surface layer CaCO3 and changes in elevation consistent with the conceptual model; CaCO3 generally decreased in depositional areas and increased in erosional areas. Maps are derived from point measurements of elevation and soil CaCO3 to aid analyses. A map of erosional and depositional patterns at the study site, a rain-fed winter wheat field cropped in alternating wheat-fallow strips, shows the interacting effects of water and wind erosion affected by management and topography. Alternative sampling methods and depth intervals are discussed and recommended for future work relating soil erosion and deposition to soil CaCO3.

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonates. Repeatable methods for field and laboratory measurements of these quantities and data analysis methods are described here.

Mesure et cartographie des schémas d’érosion et de dépôt liées aux Concentrations de Carbonate du sol sous gestion agricole

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Wastewater Irrigation Impacts on Soil Hydraulic Conductivity: Coupled Field Sampling and Laboratory Determination of Saturated Hydraulic Conductivity

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. Rather than discharging treated wastewater to a stream, and thereby directly impacting the stream quality, the effluent is applied to forested and cropped land managed by the University. Concerns related to reductions in soil hydraulic conductivity occur when considering wastewater reuse. The methodology described in this manuscript, matching soil sample size with the size of the laboratory-based hydraulic conductivity measurement apparatus, provides the benefits of a relatively rapid collection of samples with the benefits of controlled laboratory boundary conditions. The results suggest that there may have been some impact of wastewater reuse on the soil&#39;s ability to transmit water at deeper depths in the depressional areas of the site. Most of the reductions in the soil hydraulic conductivity in the depressions appear to be related to the depth from which the sample was collected, and by inference, associated with the soil structural and textural differences.

Here we present a methodology which matches a soil sample size and a hydraulic conductivity measurement device to prevent the so-called wall flow along the inside of the soil container from being erroneously included in water flow measurements. Its use is demonstrated with samples collected from a wastewater irrigation site.

Impacts d’Irrigation des eaux usées sur la conductivité hydraulique du sol : échantillonnage sur le terrain et laboratoire de détermination de la conductivité hydraulique saturée couplées

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. ...

Evaluating Dryocosmus Kuriphilus-induced Damage on Castanea Sativa

Dryocosmus kuriphilus Yasumatsu has become a major pest for Castaneasativa since its arrival in Europe. Its galling activity results in the formation of different gall types and prevents the development of normal shoots. Repeated and uncontrolled attacks cause, besides the production of galls and the attendant gall-related reduction in leaf area, progressive corruption of the branch architecture, including the death of branch parts, and an increase in dormant bud activation. Thus far, there have been few attempts to quantify branch architecture damage. Further, the different methods for assessing infestation degree (MAID) that have been developed focus only on the galls' presence and abundance.
Using the leaf area to sapwood area relationship as a green biomass indicator, we developed in a previous study a damage composite index (DCI) that takes into account the most important branch architectural features, allowing for realistic damage assessment during the entire epidemic process. 
The aim of this study is to present this novel method and highlight differences in the damage description with respect to other broadly used indices. Results show how the DCI depicts branch damage better, especially during the epidemic peak, compared to MAID, which tend to underestimate it. We conclude by suggesting how to properly evaluate the overall impact of the pest by means of our composite damage index, the infestation degree using classic methods, and crown transparency evaluations.

Evaluating Dryocosmus Kuriphilus-induced Damage on Castanea Sativa

It is common practice to assess the damage caused by Dryocosmus kuriphilus by considering the abundance of galls alone rather than by also taking related branch corruption into consideration. We propose a composite damage index that takes into account the most important branch features, thus enabling more realistic damage assessment.

Évaluation Dryocosmus Kuriphilus-induit des lésions sur Castanea Sativa

Dryocosmus kuriphilus Yasumatsu has become a major pest for Castaneasativa since its arrival in Europe. Its galling activity results in the formation of ...

A Uniaxial Compression Experiment with CO2-Bearing Coal Using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System

Injecting carbon dioxide (CO2) into a deep coal seam is of great significance for reducing the concentration of greenhouse gases in the atmosphere and increasing the recovery of coalbed methane. A visualized and constant-volume gas-solid coupling system is introduced here to investigate the influence of CO2 sorption on the physical and mechanical properties of coal. Being able to keep a constant volume and monitor the sample using a camera, this system offers the potential to improve instrument accuracy and analyze fracture evolution with a fractal geometry method. This paper provides all steps to perform a uniaxial compression experiment with a briquette sample in different CO2 pressures with the gas-solid coupling test system. A briquette, cold-pressed by raw coal and sodium humate cement, is loaded in high-pressure CO2, and its surface is monitored in real-time using a camera. However, the similarity between the briquette and the raw coal still needs improvement, and a flammable gas such as methane (CH4) cannot be injected for the test. The results show that CO2 sorption leads to peak strength and elastic modulus reduction of the briquette, and the fracture evolution of the briquette in a failure state indicates fractal characteristics. The strength, elastic modulus, and fractal dimension are all correlated with CO2 pressure but not with a linear correlation. The visualized and constant-volume gas-solid coupling test system can serve as a platform for experimental research about rock mechanics considering the multifield coupling effect.

A Uniaxial Compression Experiment with CO2-Bearing Coal Using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System

This protocol demonstrates how to prepare a briquette sample and conduct a uniaxial compression experiment with a briquette in different CO2 pressures using a visualized and constant-volume gas-solid coupling test system. It also aims to investigate changes in terms of coal&#8217;s physical and mechanical properties induced by CO2 adsorption.

Une expérience de compression uniaxiale avec co2-Bearing Coal using a Visualized and Constant-Volume Gas-Solid Coupling Test System

Injecting carbon dioxide (CO2) into a deep coal seam is of great significance for reducing the concentration of greenhouse gases in the atmosphere and ...