A CO<sub&gt; 2</sub&gt; Gradiente di concentrazione strumento per il test di CO<sub&gt; 2</sub&gt; Arricchimento e del suolo Effetti sulla Prateria Ecosistema Funzione

Riepilogo

Il lisimetro Anidride carbonica gradiente strumento crea un 250-500 microlitri L ^-1 anidride carbonica sfumatura lineare nella comunità vegetali camere abitazioni prateria a temperatura controllata in argilla, argilla limosa, e monoliti di sabbia del suolo. L'impianto viene utilizzato per determinare come i livelli di biossido di carbonio passati e futuri influenzano ciclo del carbonio pascoli.

Abstract

I continui aumenti delle concentrazioni atmosferiche di anidride carbonica (C _A) tecniche di mandato per l'esame impatti sugli ecosistemi terrestri. La maggior parte degli esperimenti di esaminare solo due o alcuni livelli di C _{Una concentrazione} e un solo tipo di terreno, ma se C _{A può} essere variata come un gradiente da subambient a superambient concentrazione su più terreni, siamo in grado di capire se le risposte degli ecosistemi ultimi possono continuare linearmente nel future e se le risposte possono variare attraverso il paesaggio. Il lisimetro Anidride carbonica gradiente strumento applica un 250-500 microlitri L ^-1 C _{Un gradiente} di Blackland comunità vegetali prateria stabiliti lisimetri contenenti argilla, argilla limosa, e terreni sabbiosi. Il gradiente viene creato come la fotosintesi da vegetazione racchiusa in in camere a temperatura controllata esaurisce progressivamente l'anidride carbonica dall'aria che fluisce direzionale attraverso le camere. Mantenere una corretta portata d'aria, adeguato photosycapacità di nthetic, e il controllo della temperatura sono fondamentali per superare le principali limitazioni del sistema, che sono in calo i tassi fotosintetici e aumento dello stress idrico durante l'estate. La struttura è un'alternativa economica ad altre tecniche di _C A arricchimento, discerne con successo la forma delle risposte degli ecosistemi a subambient a superambient C _A arricchimento, e può essere adattato per testare le interazioni di anidride carbonica con altri gas serra come il metano o l'ozono.

Introduzione

Concentrazione di anidride carbonica atmosferica (C _A) ha recentemente aumentato passato 400 microlitri L ^-1 da circa 270 microlitri L ^-1 prima della rivoluzione industriale. _C A si prevede che raggiungerà almeno 550 ml L ^-1 entro il 2100 ^1. Questo tasso di crescita supera qualsiasi modifica C _A osservati nel corso degli ultimi 500.000 anni. Il tasso di cambiamento senza precedenti in C _A solleva la possibilità di risposte non lineari o soglia degli ecosistemi ad accrescere _C A. Più ecosistema scala C _A esperimenti di arricchimento applica solo due trattamenti, un solo livello di arricchito C _A e un controllo. Questi esperimenti hanno notevolmente ampliato la nostra comprensione degli impatti sugli ecosistemi di _C A arricchimento. Tuttavia, un approccio alternativo che può rivelare la presenza di risposte dell'ecosistema non lineari crescenti C _A è studiare ecosistemi attraverso un intervallo continuo di subambient asuperambient _C A. Subambient C _{A è} difficile da mantenere in campo, ed è stato il più delle volte studiata utilizzando camere di crescita ^2. Superambient _C A è stata studiata utilizzando camere di crescita, aperto-camere superiori, e le tecniche di arricchimento senza aria ^{3, 4.}

_C A arricchimento avviene attraverso paesaggi che contengono molti tipi di terreno. Suoli proprietà possono influenzare fortemente le risposte degli ecosistemi a _C A arricchimento. Ad esempio, la struttura del terreno determina la ritenzione di acqua e nutrienti nel profilo del suolo ^5, la loro disponibilità a piante ^6, e la quantità e qualità di materia organica ^7-9. La disponibilità di umidità del suolo è un mediatore cruciale della risposta degli ecosistemi alla _C A di arricchimento nei sistemi idrici limitati, tra cui la maggior parte delle praterie ^10. Campo Passato C _A esperimenti di arricchimento sono in genere esaminato un solo tipo di terreno, e controllato prove di continuo vtipi arying C _Un arricchimento su più suolo sono carenti. Se gli effetti di _C A arricchimento sui processi ecosistemici differenziano il tipo di suolo, vi è una forte ragione di aspettarsi variazione spaziale nelle risposte degli ecosistemi a C _Un arricchimento e cambiamenti conseguenti climatici ^{11, 12.}

Il biossido di carbonio lisimetro Gradient (LYCOG) impianto è stato progettato per rispondere alle domande di variazione spaziale nelle risposte non lineari e soglia degli ecosistemi a livelli C _A che vanno da ~ 250 a 500 microlitri L ^-1. LYCOG crea il gradiente prescritto di _C A sulle comunità vegetali praterie perenni che crescono su terreni che rappresentano la vasta gamma di texture, N e C, i contenuti e le proprietà idrologiche di praterie nella parte meridionale degli Stati Uniti Pianure Centrali. Serie terreni specifici utilizzati nella struttura sono di Houston nero argilla (32 monoliti), un Vertisol (udico Haplustert) tipico della pianura; Austin (32 monoliti), un alto carbonate, argilla limosa mollisol (Udorthentic Haplustol) tipico di altipiani; e Bastsil (16 monoliti), un alluvionali terriccio sabbioso Alfisol (udico Paleustalf).

Il principio operativo impiegato in LYCOG è quello di sfruttare la capacità fotosintetica delle piante di esaurire C _{A da} particelle d'aria si muovevano direzionale attraverso le camere chiuse. L'obiettivo di trattamento è mantenere una pendenza costante diurna lineare C _{A da} 500 a 250 microlitri L ^-1. Per fare questo, LYCOG consiste di due camere lineari, una camera superambient mantenendo la porzione del gradiente da 500 al 390 (ambiente) microlitri L ^-1 C _A, e una camera di subambient mantenendo il 390 al 250 microlitri L ^-1 porzione pendenza. Le due camere sono situate una accanto all'altra, orientato su un asse nord-sud. Il C _{Un gradiente} viene mantenuta durante la parte dell'anno quando la capacità fotosintetica vegetazione è adeguata; tipicamente dafine aprile ai primi di novembre.

Le camere contengono sensori e strumentazione necessari per regolare la C _{Un gradiente,} il controllo della temperatura dell'aria (T _A) nei pressi di valori ambientali, e applicare importi precipitazione uniforme per tutti i terreni. I suoli sono monoliti intatte raccolti dalla vicina prateria Blackland installato in lisimetri pesatura idrologicamente isolate strumentati per determinare tutte le componenti del bilancio idrico. L'acqua viene applicato a eventi di volume e tempistica che approssimano la stagionalità degli eventi di pioggia e ammonta nel corso di un anno medio di precipitazione. Così, LYCOG è in grado di valutare gli effetti a lungo termine di subambient per superambient C _{A e} tipo di suolo sulla funzione degli ecosistemi prateria tra cui bilanci idrici e del carbonio.

LYCOG è la terza generazione di C _A esperimenti gradiente condotti da USDA ARS Grassland suolo e delle acque Research Laboratory. La prima generazione era un prototipo di subambientgradiente ambientale che ha stabilito la fattibilità dell'approccio pendenza ¹³ e avanzato la nostra comprensione delle risposte fisiologiche a livello foglia di piante a subambient variazione _C A ^14-20. La seconda generazione è stato un campo di applicazione scala del concetto di perenne C ₄ prati, con il gradiente esteso a 200-550 ml ^L -1 ^21. Questo esperimento campo scala fornito la prima evidenza che la produttività aumenta pascoli con _C A arricchimento può saturare vicino concentrazioni nell'ambiente attuali ^20, in parte perché la disponibilità di azoto può limitare la produttività degli impianti a superambient _C A ^22. LYCOG estende questo esperimento di seconda generazione, incorporando terreni replicate di varia consistenza, permettendo robusta prova per effetti interattivi dei suoli sul C _{Una risposta} delle comunità prateria.

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Protocollo

1. Monoliti suolo Raccogliere da utilizzare come un peso lisimetri

1. Costruire scatole d'acciaio a tempo indeterminato 1 x 1 m quadrati di 1,5 metri di profondità da 8 millimetri in acciaio di spessore.
2. Premere le caselle aperte verticalmente nel terreno, con presse idrauliche montate su ancoraggi ad elica forato 3 metri di profondità nel terreno.
3. Scavare il monolito incassato utilizzando un escavatore o di apparecchiature simili.
4. Inserire uno stoppino in fibra di vetro in contatto con il suolo alla base del monolito. Passare lo stoppino attraverso la base di acciaio in un serbatoio 10 L per drenare il monolito, e poi saldare la base di acciaio sul fondo della scatola.
5. Uccidi vegetazione esistente sui monoliti applicando un erbicida non residua, come glifosato.

2. Stabilire comunità vegetali su monoliti del suolo

1. Pianta i monoliti con otto piantine ciascuna di sette specie di Tallgrass Prairie erbe e forbs, per una densità totale di 56 piante per m ^2.
   1. Vegetali i seguenti Erbe: Bouteloua curtipendula (grama laterale avena), Schizachyrium scoparium (poco bluestem), nutans Sorghastrum (Indiangrass), Tridens albescens (tridens bianchi)].
   2. Pianta i seguenti forbs: azurea Salvia (lanciatore salvia), Solidago canadensis (Canada verga d'oro), Desmanthus illinoensis (Illinois bundleflower, un legume).
2. Piantine di piante in un design quadrato latino, ri-randomizzati per ciascun monolite.
3. Annaffiare le trapianti per circa 2 mesi dopo la semina. L'obiettivo è quello di ridurre al minimo lo stress idrico durante la definizione iniziale. Utilizzare qualsiasi metodo conveniente come una bacchetta a mano o spruzzatore del giardino. La frequenza di irrigazione dipende clima e sulle previsioni meteo, in particolare la presenza di precipitazioni ambiente.
4. Dopo la fase iniziale establishment trapianto, mantenere i trapianti sotto precipitazioni ambiente per il tempo necessario, mentre le camere (Sezione3) sono costruiti. Rimuovere specie indesiderate che emergono nei monoliti durante istituzione, da parte a mano diserbo.

3. Camera design

1. Costruire due camere ogni 1,2 m di larghezza, 1,5 m di altezza e 60 m di lunghezza, diviso in dieci sezioni lunghe 5 m. Costruire sezioni da pesante acciaio di dimensioni 5 mx 1,2 mx 1,6 m di profondità, sepolto a 1,5 m.
   1. Installare quattro monoliti in ogni sezione, due monoliti ciascuno dei due tipi di suolo, in ordine casuale. Installare ogni monolite in cima ad una capacità di 4.540 kg equilibrio.
   2. Includere monoliti Bastsil nelle abbinamenti nelle sezioni pari.
2. Unitevi sezioni adiacenti in superficie con 1 m di lunghezza x 1 m di larghezza x 0,3 m condotto lamiera alto per fornire un percorso per il flusso d'aria.
   1. Alimentazione refrigerante a 10 ° C da una unità di refrigerazione 161,4 kW ad una serpentina di raffreddamento all'interno di ogni canale.
   2. Racchiudere la vegetazione con pellicola trasparente serra (spessore 0,006 "/. 15 mm), come ad esempio utilizzato in altriesperimenti di manipolazione climatica ^23.
   3. Montare ogni coperchio con apertura zip sostenuta da un progetto di falda per consentire l'accesso ai monoliti di campionamento.
   4. Rimuovere il polietilene copre al termine della stagione di crescita.

4. CO ₂ e Air misura di temperatura; Controllo della temperatura

1. L'ingresso e l'uscita del campione C _{A su} entrambe le camere ogni 2 minuti attraverso linee di campionamento aria filtrata situati all'entrata e all'uscita di superambient e subambient camere. Questi dati informano _iniezione di CO 2 e ventilatore controllo della velocità.
   1. Esempio C _{A e} tenore di vapore acqueo, e la temperatura dell'aria misura (T _A) all'entrata e all'uscita di ciascuna sezione 5 m ad intervalli di 20 min.
   2. Misurare tutti i campioni di aria per il CO ₂ e il contenuto di vapore acqueo in tempo reale utilizzando analizzatori di gas infrarossi secondo il protocollo del produttore.
   3. Misurare T _A all'ingresso, punto medio, und uscita di ogni sezione con schermati termocoppie filo sottile.
2. Regolare il flusso di refrigerante attraverso la serpentina di raffreddamento all'ingresso di ogni sezione di mantenere una media costante (sezione centrale) T _A da sezione a sezione vicino alla T ambiente _A.
3. Posizionare un sensore di quantum di avere una visione chiara del cielo e misurare fotosintetica fotone densità di flusso secondo il protocollo del produttore. Livello di luce è un input per l'algoritmo di controllo del ventilatore.

5. C _{Un'applicazione} Trattamento

1. Giorno
   1. Mescolare anidride carbonica pura (CO ₂₎ con aria ambiente in ingresso a 500 microlitri L ^-1 C _{A utilizzando} un controllore di flusso di massa nel condotto di ingresso della gamba superambient. Vedere la Sezione 4 per C _A misura dei particolari.
   2. Advect l'aria arricchita attraverso le camere utilizzano ventole all'ingresso al punto 1 e nelle sezioni a valle.
   3. Mantenere il desiderato uscita _C A di 390 microlitri L ^-1 (aria ambiente) regolando la velocità della ventola.
      1. Aumentare la velocità del ventilatore, se l'uscita _C A è al di sotto del set point. Questo permette meno tempo per la pianta l'assorbimento di CO _2, con conseguente uscita superiore _C A.
      2. Diminuire la velocità del ventilatore se uscita C _{A è} al di sopra del set point.
   4. Utilizzare lo stesso approccio nella camera subambient tranne introdurre e il controllo dell'aria ambiente per raggiungere l'uscita _C A di 250 microlitri L ^-1.
2. Ore notturne
   1. Invertire la direzione del flusso d'aria.
   2. Iniettare _CO 2 in fine di uscita diurna della camera superambient per ottenere 530 microlitri L ^-1 _C A, ei tassi di controllo di avvezione di mantenere 640 microlitri L ^-1 all'uscita notte (ingresso diurno.
   3. Introdurre all'aria libera a ~ 390 microlitri L ^-1 _CO 2 in ingresso notturno(uscita di giorno) del tasso di avvezione da camera e di controllo subambient mantenere 530 microlitri L ^-1 all'uscita notte.

6. precipitazione Ingressi

1. Applicare la quantità delle precipitazioni stagione di crescita media per ogni monolite.
   1. Fornire acqua ad ogni monolite da una fonte di acqua per uso domestico attraverso un sistema di irrigazione a goccia. Pianificare gli eventi di irrigazione e gli importi delle applicazioni per approssimare il modello di pioggia stagionale per la posizione esperimento. Il calendario esatto dipende dal clima locale.
2. Controllare i tempi di applicazione con un data logger e misurare i volumi di applicazioni con misuratori di portata.

7. Campionamento

1. Misura profili verticali di volumetrica contenuto idrico del suolo (vSWC) settimanale durante il periodo di CO ₂ di controllo, con un calibro attenuazione di neutroni o altra sonda appropriata.
   1. Incrementi profilo consigliati sono 20 cm di profondità con incrementi di 1 m depth, e una 50 cm incremento inferiore a 1 m.
2. Misura monolite fuori terra produttività primaria netta (ANPP) raccogliendo tutti in piedi biomassa epigea alla fine della stagione di crescita.
   1. Tutti biomassa epigea è stato rimosso ogni anno, quindi in piedi la biomassa rappresenta la produzione primaria corrente.
   2. Ordina la biomassa campionato da specie e asciutto per massa costante e pesare.
   3. Utilizzare biomassa delle singole specie di quantificare specie vegetali contributi al ANPP.

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Risultati

I superambient e subambient porzioni del gradiente sono mantenute in camere separate (Figura 1). Tuttavia, in sette anni di funzionamento (2007 - 2013), le camere di mantenuto un gradiente lineare C _{Una concentrazione} da 500 al 250 microlitri L ^-1 (Figura 2), con solo una piccola discontinuità C _A tra l'uscita delle camere arricchite (Monolith 40) e l'ingresso della porzione subambient del gradiente (monolito 41).

Te...

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Discussione

L'impianto LYCOG raggiunge il suo obiettivo operativo di mantenere un 250-500 microlitri ^L -1 gradiente continuo delle concentrazioni C _A sulle comunità praterie sperimentali stabilite su tre tipi di suolo. La variazione C _{A è} lineare nell'intervallo prescritto. Temperatura dell'aria aumenta all'interno di ogni sezione, ma è stato azzerato dalle spire tra sezione di raffreddamento nella maggior parte delle sezioni. Come risultato, l'obiettivo operativo di mantenere...

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Materiali

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