СО<sub> 2</sub> Градиент концентрации средства для проверки СО<sub> 2</sub> Эффекты обогащения и почвы наложенным Пастбища экосистем
Summary
Лизиметра Двуокись углерода Градиент фонд создает 250 до 500 мкл L-1 линейный градиент углекислого газа в контролируемой температурой камеры Корпус пастбищ растительных сообществ глины суглинки, и песчаных монолитов почвы. Объект используется для определения того, как прошлые и будущие уровни углекислого газа влияет пастбищ углерода на велосипеде.
Abstract
Продолжая увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере (С А) методов мандат для исследования воздействия на наземные экосистемы. Большинство экспериментов рассматривать только два или несколько уровней C концентрации и один типа почвы, но если С А может изменяться как градиент от ниже комнатной до существенно превышающей концентрации на нескольких почв, мы можем различить ли последние отклики экосистем могут продолжать линейно в будущие и является ли ответы могут варьироваться в зависимости от ландшафта. Лизиметра Двуокись углерода Градиент фонд применяет 250 до 500 мкл L-1 С градиент к Blackland общин прерии растений, установленных на лизиметрах, содержащих глину, илистые глины и песчаные почвы. Градиент создается как фотосинтез растительностью, заключенного в камерах в контролируемой температурой постепенно истощает углекислый газ из воздуха, проходящего через направленно камер. Поддержание надлежащего расхода воздуха, адекватный photosynthetic потенциала и контроль температуры имеют решающее значение для преодоления основных ограничений системы, которые снижаются фотосинтезирующие ставки и увеличил нагрузку воды в летнее время. Объект является экономичной альтернативой другим методам C A обогащения, успешно различает форму реагирования экосистем на ниже комнатной, чтобы существенно превышающей C A обогащения, и может быть адаптирована для проверки взаимодействия диоксида углерода с других парниковых газов, таких как метан или озон.
Introduction
Атмосферная концентрация двуокиси углерода (C A) в последнее время возросла мимо 400 мкл L -1 от приблизительно 270 мкл L -1 до начала промышленной революции. С А, по прогнозам, составит не менее 550 мкл -1 L 2100 1. Этот показатель роста превосходит любые изменения С А наблюдаемые в течение последних лет 500000. Небывалый темп изменения в C А повышает возможность нелинейных или пороговых реакций экосистем на увеличение C A. Большинство экосистем масштаб C A эксперименты по обогащению применять только две процедуры, один уровень обогащенного C A и контроля. Эти эксперименты значительно расширили наше понимание последствий экосистемных C A обогащению. Тем не менее, альтернативный подход, который может выявить наличие нелинейных реакций экосистем к увеличению C A является изучение экосистем через непрерывного диапазона ниже комнатной досущественно превышающей C A. Ниже комнатной C A трудно поддерживать в этой области, и чаще всего были изучены с помощью камеры роста 2. Существенно превышающей С А изучали с помощью камеры роста, с открытым верхом камеры и методы обогащения Free-Air 3, 4.
С А обогащение происходит через пейзажи, содержащих множество типов почвы. Свойства почвы могут сильно влиять реагирования экосистем на C A обогащения. Например, структура почвы определяет удержание воды и питательных веществ в почвенном профиле 5, их наличие в растениях 6, а также количество и качество органического вещества 7-9. Наличие влаги в почве является ключевым медиатором реакции экосистем на C A обогащению в воде ограничивается системами, в том числе большинство лугов 10. Прошлое поле С A эксперименты по обогащению, как правило, рассматривается только один тип почвы, и контролируется испытания непрерывно противТипы arying С А обогащение за несколько почвы отсутствуют. Если эффекты С A обогащения на экосистемные процессы отличаются типом почвы, есть веские причины ожидать пространственное изменение в реакции экосистем на C A обогащение и связанные с этим изменения климата 11, 12.
Диоксид углерода испарителя Градиент (LYCOG) объект предназначен для решения вопросов пространственного изменения в нелинейных и пороговых реакций экосистем до уровня С А, начиная с ~ 250 до 500 мкл L -1. LYCOG создает заданную градиент C А на многолетних пастбищ общин растениеводства на почвах, представляющих широкий спектр текстур, N и С содержанием, и гидрологических свойств луга в южной части США Центральной равнины. Удельный почвы серии используется на объекте являются Хьюстон Черная глина (32 монолитов), А Vertisol (Udic Haplustert), характерные низменности; Остин (32 монолитов), высокая карбоНейт, илистое глина Mollisol (Udorthentic Haplustol), характерные возвышенности; и Bastsil (16 монолитов), аллювиальной супесчаной серые лесные почвы (Udic Paleustalf).
Принцип работы занятых в LYCOG заключается в использовании способность к фотосинтезу растений к истощить C A от посылки воздуха переехал направленно через закрытых камерах. Целью лечения для поддержания постоянного линейного градиента дневное C A от 500 до 250 мкл L-1. Чтобы достичь этого, LYCOG состоит из двух линейных камер, A существенно превышающей камеры поддержании часть градиента от 500 до 390 (окружающей среды) -1 мкл L C A и ниже комнатной камеры поддержания 390 до 250 мкл L-1 часть градиент. Две камеры расположены бок о бок, ориентированных на оси север-юг. Градиент С А сохраняется в течение части года, когда растительность фотосинтеза потенциал достаточен; как правило, отв конце апреля до начала ноября.
Камеры содержать датчики и приборы, необходимые для регулирования С градиентом, контролировать температуру воздуха (T A) рядом с окружающей ценностей, и применять единые суммы осадков для всех почв. Почвы неповрежденные монолиты, собранные из близлежащих Blackland прерии, установленного в гидрологическом-изолированные весом лизиметрах инструментальных определить все компоненты водного баланса. Вода применяется в мероприятиях объемов и сроков, аппроксимирующих сезонность дождь мероприятий и составляет в течение среднего осадков в год. Таким образом, LYCOG способна оценить долгосрочные эффекты ниже комнатной, чтобы существенно превышающей C A и типа почвы на функции экосистем пастбищ в том числе воды и углерода бюджетов.
LYCOG это третье поколение C A экспериментов, проведенных градиентных USDA ARS Пастбища почвы и научно-исследовательской лаборатории воды. Первое поколение было прообразом ниже комнатной, чтобыокружающего градиент, что установлено жизнеспособность градиента подхода 13 и расширенный наше понимание листьев уровне физиологических реакций растений ниже комнатной изменение в C A 14-20. Второе поколение было поле масштаба применение понятии многолетние С 4 пастбища, с градиентом продлен до 200 550 мкл L-1 21. Это поле масштаба эксперимент дал первое доказательство того, что производительность пастбищ увеличивается с C A обогащение может насытить вблизи текущих концентраций в окружающей среде 20, отчасти потому, что наличие азота может ограничить производительность завода на существенно превышающей C 22. LYCOG расширяет эту поколения эксперимент второй путем включения повторены почвы различной текстуры, что позволяет надежную тестирование для интерактивных эффектов почв на C ответом пастбищ общин.
Protocol
Representative Results
Discussion
Объект LYCOG достигает цели оперативного поддержания 250 до 500 мкл L-1 непрерывный градиент концентрации С А на экспериментальных сообществ лугов, установленных на трех типах почв. Изменение C A является линейным по заданном диапазоне. Температура воздуха увеличилась в каж…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
References
- . Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. , 1535 (2013).
- Gerhart, L. M., Ward, J. K. Plant responses to low CO2 of the past. New Phytol. 188 (3), 674-695 (2010).
- Kimball, B. A. Cost comparisons among free-air CO2 enrichment, open-top chamber, and sunlit controlled-environment chamber methods of CO2 exposure. Crit. Rev. Plant Sci. 11 (2-3), 265-270 (1992).
- Hendrey, G. R., Lewin, K. F., Nagy, J. Free Air Carbon Dioxide Enrichment: DevelopmentProgress, Results. Vegetatio. 104/105 (1), 16-31 (1993).
- Weng, E., Luo, Y. Soil hydrological properties regulate grassland ecosystem responses to multifactor global change: A modeling analysis. J. Geophys. Res. 113 (G3), G03003 (2008).
- Brady, N. C., Weil, R. R. . The Nature and Properties of Soils. , 960 (2002).
- Jenkinson, D. A. Studies on the decomposition of plant material in soil. V. The effects of plant cover and soil type opn the logg of carbon from 14C labelled ryegrass decomposing under field conditions. J. Soil Sci. 28 (3), 424-434 (1977).
- Hassink, J. Preservation of plant residues in soils differing in unsaturated protective capacity. Soil Sci. Soc. Am. J. 60 (2), 487-491 (1996).
- Oades, J. M. The retention of organic matter in soils. Biogeochemistry. 5 (1), 35-70 (1988).
- Knapp, A. K., et al. Consequences of more extreme precipitation regimes for terrestrial ecosystems. BioScience. 58 (9), 811-821 (2008).
- Ainsworth, E. A., Long, S. P. What have we learned from 15 years of free-air CO2 enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy properties and plant production to rising CO2. New Phytol. 165 (2), 351-372 (2005).
- Rogers, A., Ainsworth, E. A., Kammann, C. F. A. C. E., Nosberger, J., Long, S. P., Norby, R. J., Stitt, M. Ch 24: Value: Perspectives on the Future of Free-Air CO2 Enrichment Studies. Managed Ecosystems and CO2: Case Studies, Processes, and Perspectives. Ecological Studies. 187, 431-449 (2006).
- Mayeux, H. S., Johnson, H. B., Polley, H. W., Dumesnil, M. J., Spanel, G. A. A controlled environment chamber for growing plants across a subambient CO2 gradient. Funct Ecol. 7 (1), 125-133 (1993).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. Carbon dioxide and water fluxes of C3 annuals and C4 perennials at subambient CO2 concentrations. Funct Ecol. 6 (6), 693-703 (1992).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S., Malone, S. R. Physiology and growth of wheat across a subambient carbon dioxide gradient. Ann. Bot. 71 (4), 347-356 (1993).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Marino, B. D., Mayeux, H. S. Increase in C3 plant water-use efficiency and biomass over glacial to present CO2 concentrations. Nature. 361 (6407), 61-64 (1993).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. Increasing CO2: comparative responses of the C4 grass Schizachyrium. and grassland invader Prosopis. Ecology. 75 (4), 976-988 (1994).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. Nitrogen and water requirements of C3 plants grown at glacial to present carbon dioxide concentrations. Funct. Ecol. 9 (1), 86-96 (1995).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S., Brown, D. A., White, J. W. C. Leaf and plant water use efficiency of C4 species grown at glacial to elevated CO2 concentrations. Int. J. Plant Sci. 157 (2), 164-170 (2012).
- Polley, H. W., Johnson, H. B., Derner, J. D. Increasing CO2 from subambient to superambient concentrations alters species composition and increases above-ground biomass in a C3/C4 grassland. New Phytol. 160 (2), 319-327 (2003).
- Johnson, H. B., Polley, H. W., Whitis, R. P. Elongated chambers for field studies across atmospheric CO2 gradients. Funct. Ecol. 14 (3), 388-396 (2000).
- Gill, R. A., et al. Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2. Nature. 417 (6886), 279-282 (2002).
- Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Blair, J. M., Collins, S. L. Productivity responses to altered rainfall patterns in a C4-dominated grassland. Oecologia. 137 (2), 245-251 (2003).
- Miglietta, F., et al. Spatial and temporal performance of the miniface (free air CO2 enrichment) system on bog ecosystems in northern and central Europe. Environmental Monitoring and Assessment. 66 (2), 107-127 (2001).
