CO<sub> 2</sub> מתקן מפל ריכוזים לבדיקה CO<sub> 2</sub> העשרה וקרקע השפעות על תפקוד המערכת האקולוגית גראסלאנד
Summary
מתקן צבע דו Lysimeter פחמן יוצר 250 עד 500 μl L -1 שיפוע פחמן דו חמצני ליניארי בקהילות צמח מרעה דיור תאי טמפרטורה מבוקרת על חימר, חימר בוצי, ופסלי אדמת חולית. המתקן משמש כדי לקבוע כיצד רמות פחמן דו חמצני בעבר ובעתיד להשפיע אופניים פחמן כר דשא.
Abstract
עליות מתמשכות בריכוזי פחמן דו חמצני באטמוספרה (C) טכניקות מנדט לבחינת השפעות על מערכות אקולוגיות היבשתיות. רוב הניסויים לבחון רק שתיים או כמה רמות של C ריכוז וסוג קרקע אחת, אבל אם C יכול להיות מגוון כמו שיפוע מsubambient לsuperambient ריכוזים על קרקעות מרובות, אנו יכולים להבחין אם תגובות מערכת אקולוגית עבר עשויות להמשיך באופן ליניארי ב תגובות עתיד והאם עשויות להשתנות על פני הנוף. מתקן צבע דו Lysimeter פחמן חל 250 עד 500 L μl -1 C שיפוע לקהילות צמח הערבה Blackland הוקמו על lysimeters מכיל חימר, חימר בוצי, וקרקעות חול. השיפוע נוצר כפוטוסינתזה בצמחייה הסגורה בתאי בקרת טמפרטורה בהדרגה מכלה פחמן דו חמצני מאוויר זורם דרך directionally התאים. photosy שמירת קצב זרימת האוויר נאות, הולםקיבולת nthetic, ובקרת טמפרטורה הן קריטיים כדי להתגבר על המגבלות העיקריות של המערכת, אשר נמצאים בירידה שיעורי פוטוסינתזה ולחץ מים מוגבר במהלך הקיץ. המתקן מהווה חלופה חסכונית לטכניקות אחרות של C העשרה, מבחין בהצלחה את הצורה של תגובות למערכת אקולוגיות subambient לsuperambient C העשרה, וניתן להתאים לבדיקת אינטראקציות של פחמן דו חמצני בגזי חממה אחרים כגון מתאן או באוזון.
Introduction
ריכוז פחמן דו חמצני באטמוספרה (C) לאחרונה גדל L 400 μl עבר -1 מכ 270 L μl -1 לפני המהפכה התעשייתית. C צפוי להגיע לפחות 550 L μl -1 עד 2100 1. שיעור גידול זה עולה על כל שינויים C נצפו על פני 500,000 השנים האחרונות. השיעור חסר תקדים של השינוי ב- C מעלה את האפשרות של תגובות שאינן ליניארי או סף של מערכות אקולוגיות להגדלת C. רוב C המערכת האקולוגית בקנה מידת ניסויי העשרה יחולו רק שני טיפולים, רמה אחת של C מועשר ושליטה. ניסויים אלה התרחבו מאוד ההבנה של ההשפעות האקולוגיות של C העשרה שלנו. עם זאת, גישה חלופית שיכול לגלות את נוכחותם של תגובות מערכת אקולוגית שאינו ליניארי להגדלת C היא ללמוד מערכות אקולוגיות על פני מגוון רציף של subambient לsuperambient C. Subambient C הוא קשה לשמור בתחום, ולרוב נחקר באמצעות תאי צמיחה 2. Superambient C נחקר באמצעות תאי גידול, תאים פתוחים העליון, וטכניקות להעשרה חופשית-אוויר 3, 4.
C העשרה מתרחשת על פני נופים המכילים סוגים רבים אדמה. מאפייני קרקעות יכולים מאוד להשפיע תגובות למערכת אקולוגיות C העשרה. לדוגמא, מרקם קרקע קובע את השמירה של מים וחומרים מזינים בפרופיל הקרקע 5, הזמינות שלהם לצמחים 6, ואת הכמות ואיכות של חומר אורגני 7-9. הזמינות של לחות קרקע היא מתווך מכריע של תגובות מערכת אקולוגית לC העשרה במערכות מים מוגבלים, כוללים רוב המרעה 10. C שדה העבר ניסויי העשרה יש בדרך כלל נבדקים רק בסוג קרקע אחת, ושליטה מלאה של בדיקות ברציפות נ 'סוגי arying C על פני כמה אדמת העשרה חסרות. אם השפעות של C העשרה על תהליכים אקולוגיים שונות עם סוג הקרקע, יש סיבה חזקה לצפות וריאציה המרחבית בתגובות מערכת אקולוגית לC העשרה ושינויים שהתפתחו באקלים 11, 12.
דו Lysimeter פחמן צבע מתקן (LYCOG) נועד לענות על שאלות של וריאציה המרחבית בתגובות שאינן ליניארי וסף של מערכות אקולוגיות לרמות C החל ~ 250 עד 500 -1 L μl. LYCOG יוצר שיפוע הקבוע של C על קהילות צמח מרעה רב שנתית גדלו בקרקעות המייצגות את מגוון הרחב של מרקם, תוכן N ו- C, ומאפיינים ההידרולוגיים של מרעה בחלק הדרומי של ארה"ב המישורים המרכזי. סדרת קרקעות ספציפית המשמשת במתקן היא חימר יוסטון שחור (32 פסלים), Vertisol (Udic Haplustert) אופייני לשפלה; אוסטין (32 פסלים), Carbo גבוהנייט, חימר בוצי Mollisol (Udorthentic Haplustol) אופייני לרמות גבוהות; וBastsil (16 פסלים), טיט חולי Alfisol סחף (Udic Paleustalf).
העיקרון המבצעי מועסק בLYCOG הוא לרתום את יכולת הפוטוסינתזה של צמחים לרוקן C מחבילות של אוויר עברו directionally באמצעות התאים סגורים. מטרת הטיפול היא לשמור על שיפוע יום יניארי קבוע בC 500-250 -1 L μl. כדי להשיג זאת, LYCOG מורכב משני תאים ליניארי, קאמרי superambient שמירה על החלק של השיפוע 500-390 (סביבה) μl L -1 C, ותא subambient שמירת L -1 חלק 390-250 μl של מִדרוֹן. שני תאים נמצאים זה לצד זה, אוריינטציה על ציר צפון-דרום. שיפוע C נשמר במהלך החלק מהשנה, כאשר יכולת פוטוסינתזה צמחייה היא נאותה; בדרך כלל מבסוף אפריל לתחילת נובמבר.
התאים מכילים חיישנים ומכשור דרושים כדי להסדיר את C שיפוע, לשלוט בטמפרטורת אוויר (T) ליד ערכי הסביבה, ויחול כמויות משקעים אחידות לכל הקרקעות. קרקעות הן פסלים שלמים שנאספו מערבת Blackland הסמוכה המותקנת בהידרולוגי-מבודד lysimeters משקל instrumented לקבוע את כל המרכיבים של תקציב המים. מים מיושמים באירועים של נפח ועיתוי משוער העונתיות של אירועי גשם ומסתכם בשנה ממוצעת משקעים. לפיכך, LYCOG מסוגל להעריך את ההשפעות ארוכת הטווח של subambient לsuperambient C וסוג קרקע על תפקוד מערכת אקולוגית מרעה כולל תקציבי מים ופחמן.
LYCOG הוא הדור השלישי של ניסויי שיפוע C שנערכו על ידי משרד החקלאות האמריקאי ARS קרקע כר הדשא ומעבדה לחקר מים. הדור הראשון היה subambient אב טיפוס לשיפוע הסביבה שהוקם הכדאיות של גישת שיפוע 13 וקידם את ההבנה של תגובות פיסיולוגיות ברמת העלה של צמחים שלנו לsubambient וריאציה בC 14-20. הדור השני היה יישום שדה בקנה מידה של מושג לרב שנתי C 4 עשב, עם השיפוע הוארך עד 200-550 μL L -1 21. ניסוי שדה בקנה מידה זה סיפק את ההוכחה הראשונה שמגביר את הפרודוקטיביות כר דשא עם C העשרה רשאי להרוות ליד ריכוזי הסביבה הנוכחיים 20, בין שאר משום שזמינות חנקן עלולה להגביל את תפוקת מפעל בsuperambient C 22. LYCOG משתרע ניסוי דור שני זו על ידי שילוב קרקעות המשוכפלות של משתנה מרקם, המאפשר בדיקה חזקה להשפעות אינטראקטיביות של קרקעות על C תגובה של קהילות כר דשא.
Protocol
Representative Results
Discussion
מתקן LYCOG משיג את מטרתו המבצעית של שמירת 250 עד 500 μl L -1 שיפוע רציף של ריכוזי C בקהילות מרעה ניסיוניים שהוקמו על שלושה סוגי קרקע. השינוי ב- C הוא ליניארי על פני הטווח שנקבע. טמפרטורת אוויר מוגברת בתוך כל סעיף, אך לאפס על ידי סלילי הקירור בין-סעיף ברוב הסעיפים. כתוצאה מכ?…
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).
