En CO<sub> 2</sub> Koncentrationsgradient Facility for Testing CO<sub> 2</sub> Anrikning och Jord Effekter på Grass Ecosystem Funktion
Summary
Den lysimeter Koldioxid Gradient Facility skapar en 250 till 500 pl L -1 linjär koldioxid gradient i temperaturreglerade kamrarna bostäder gräsmark växtsamhällen på lera, finkornig lera, och sandiga jord monoliter. Anläggningen används för att bestämma hur tidigare och framtida koldioxidnivåer påverkar gräsmark kolets kretslopp.
Abstract
Fortsatta ökningar i atmosfären koldioxidhalt (C A) tekniker mandat för att undersöka påverkan på terrestra ekosystem. De flesta experimenten endast undersöka två eller ett fåtal nivåer av C En koncentration och en enda jordtyp, men om C A kan varieras som en gradient från subambient att superambient koncentrationer på flera jordar, kan vi urskilja om senaste ekosystem svar får fortsätta linjärt i framtida och om svaren kan variera över landskapet. Den lysimeter Koldioxid Gradient Facility tillämpar en 250 till 500 pl L -1 C En gradient till Black prärien växtsamhällen som är etablerade på lysimetrarna innehållande lera, finkornig lera, och sandiga jordar. Gradienten skapas som fotosyntesen av växtlighet innesluten i i temperaturreglerade kamrarna successivt utarmar koldioxid från luft som strömmar riktnings genom kamrarna. Att upprätthålla korrekt luftflöde, adekvat photosynthetic kapacitet, och temperaturkontroll är avgörande för att övervinna de viktigaste begränsningar i systemet, som sjunkande fotopriser och ökad vattenstress under sommaren. Anläggningen är ett ekonomiskt alternativ till andra metoder för C A anrikning framgångsrikt urskiljer form av ekosystem svar på subambient att superambient C A anrikning, och kan anpassas till testet för interaktioner av koldioxid med andra växthusgaser som metan eller ozon.
Introduction
Atmosfärkoldioxidkoncentration (C A) har nyligen ökat de senaste 400 pl L -1 från cirka 270 pl L -1 före den industriella revolutionen. C A beräknas uppgå till minst 550 ul L -1 år 2100 1. Denna ökningstakt överträffar alla ändringar C A observerats under de senaste 500.000 åren. Den exempellösa förändringstakten i C A ökar möjligheten till icke-linjära eller tröskel svar ekosystemens att öka C A. De flesta ekosystem skala C A anrikningsförsök gäller endast två behandlingar, en enda nivå av anrikat C A och en kontroll. Dessa experiment har kraftigt utökat vår förståelse av ekosystemeffekterna av C A anrikning. Emellertid är en alternativ metod som kan avslöja närvaron av icke-linjära ekosystem svar på ökande C A att studera ekosystemen inom ett kontinuerligt intervall av subambient tillsuperambient C A. Subambient C A är svårt att upprätthålla på fältet, och har oftast studerats med hjälp av tillväxtkammare 2. Superambient C A har studerats med hjälp av tillväxtkammare, fältkammare och gratis luft anrikning tekniker 3, 4.
C A anrikning sker över landskap som innehåller många jordarter. Jordar egenskaper kan starkt påverka ekosystem svar på C A anrikning. Till exempel, bestämmer jordart lagring av vatten och näringsämnen i markprofilen 5, deras tillgänglighet för växter 6 och mängden och kvaliteten på organiskt material 7-9. Tillgången på markfuktighet är en viktig förmedlare av ekosystem svar på C A anrikning i vatten begränsade system, inklusive de flesta gräsmarker 10. Past fält C A anrikningsförsök har vanligen undersökt endast en jordart och kontrollerade tester av kontinuerligt varying C En anrikning över flera jordarter saknas. Om effekterna av C A anrikning på ekosystemprocesser skiljer sig jordart, finns det starka skäl att förvänta sig rumslig variation i ekosystem svar på C A anrikning och påföljande klimatförändringar 11, 12.
Den lysimeter Koldioxid Gradient (LYCOG) anläggning har utformats för att ta itu med frågor om rumslig variation i icke-linjära och tröskel svar ekosystem till C A nivåer som sträcker sig från ~ 250 till 500 l L -1. LYCOG skapar den föreskrivna gradient av C A på perenna grässlätt växtsamhällen som växer på marken som representerar det breda utbudet av textur, N och C-innehåll, och hydrologiska egenskaper hos gräsmarker i södra delen av den amerikanska Central Plains. Specifika jordar serien används i anläggningen är Houston Black lera (32 monoliter), en Vertisol (Udic Haplustert) typiskt för lågländerna; Austin (32 monoliter), en hög carbonate, finkornig lera Mollisol (Udorthentic Haplustol) typiskt för höglandet; och Bastsil (16 monoliter), en alluvial sandig lerjord Alfisol (Udic Paleustalf).
Den operativa princip som används i LYCOG är att utnyttja den fotosyntetiska kapacitet av växter för att tömma C A från skiften luft förflyttas riktnings genom de inneslutna kamrarna. Behandlingsmålet är att upprätthålla en konstant linjär dagtid gradient i C A 500-250 pl L -1. För att åstadkomma detta, LYCOG består av två linjära kamrar, en superambient kammare upprätthålla den del av gradienten från 500 till 390 (omgivande) il L -1 C A, och en subambient kammare bibehållande av 390 till 250 | j, l L -1 parti av lutning. De två kamrarna är belägna sida vid sida, inriktat på en nord-sydlig axel. C En gradient upprätthålls under den del av året då vegetationen fotokapaciteten är tillräcklig; typiskt frånslutet av april till början av november.
Kamrarna innehåller sensorer och instrumentering som behövs för att reglera C En gradient, kontrollera luftens temperatur (T A) nära omgivnings värden, och tillämpa enhetliga nederbörds uppgår till alla jordar. Jordar är intakta monoliter som samlats in från närliggande Black prärie installerad i hydrologiskt-isolerade vägnings lysimetrarna instrumente att bestämma alla komponenter i vattenbalansen. Vatten används i evenemang av volym och timing att närma säsongsregnhändelser och uppgår under en genomsnittlig nederbörd året. Således är LYCOG stånd att utvärdera de långsiktiga effekterna av subambient att superambient C A och jordmån på vall ekosystemens funktion inklusive vatten och kolbudgetar.
LYCOG är den tredje generationen av C A lutning experiment som utförs av USDA ARS Gräsmark Mark och Water Research Laboratory. Den första generationen var en prototyp subambient tillomgivnings lutning som fastställde lönsamhet lutning strategi 13 och avancerade vår förståelse av fysiologiska reaktioner blad nivå för växter att subambient variation i C A 14-20. Den andra generationen var ett fält skala tillämpning av begreppet att perenn C4 gräsmark, med lutning utvidgas till 200-550 mikroliter L -1 21. Detta fält skaleexperiment gav första bevis för att gräsmark produktiviteten ökar med C A anrikning kan mätta nära nuvarande koncentrationerna 20, delvis på grund kvävetillgång kan begränsa växt produktivitet superambient C A 22. LYCOG utvidgar detta andra generationens experiment genom att införliva replike jord av olika vävnad, vilket robust testning för interaktiva effekter av jordar på C Ett svar av gräsmark samhällen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den LYCOG anläggningen når sitt operativa mål att upprätthålla en 250 till 500 pl L -1 kontinuerlig gradient av C A-koncentrationer på experimentella gräsmark samhällen etablerade på tre jordtyper. Förändringen i C A är linjär över det föreskrivna intervall. Lufttemperaturen ökade inom varje avsnitt, men återställdes av mellan-sektionen kylslingor i de flesta delar. Som ett resultat, var det operativa målet att upprätthålla en konsekvent medeltemperaturen från avsni…
Disclosures
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).
