A CO<sub> 2</sub> مرفق تركيز متدرجة لاختبار CO<sub> 2</sub> الإثراء والتربة تأثيرات على وظيفة الأراضي العشبية النظام الإيكولوجي
Summary
يخلق مقياس الذوبان الكربون مرفق ثاني أكسيد التدرج على 250-500 ميكرولتر L -1 خطي غاز ثاني أكسيد الكربون التدرج في المجتمعات النباتية العشبية غرف السكن التي تسيطر عليها درجة الحرارة على الطين، والطين الغريني، وكتل التربة الرملية. يستخدم مرفق لتحديد الكيفية التي تؤثر بها مستويات غاز ثاني أكسيد الكربون في الماضي والمستقبل الدراجات الكربون المراعي.
Abstract
الزيادات المستمرة في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (C A) تقنيات ولاية لدراسة التأثيرات على النظم الإيكولوجية الأرضية. معظم التجارب تدرس سوى اثنين أو مستويات قليلة من C A تركيز ونوع التربة واحد، ولكن إذا C A يمكن أن تختلف كما تدرج من subambient إلى superambient تركيزات على التربة متعددة، يمكننا أن نتبين ما اذا كان قد يستمر الردود النظام البيئي الماضية خطيا في قد تختلف المستقبل وما إذا كان الردود عبر المناظر الطبيعية. على مقياس الذوبان الكربون مرفق ثاني أكسيد التدرج ينطبق 250-500 ميكرولتر L -1 C A التدرج إلى Blackland المجتمعات النباتية البراري أنشئت في lysimeters تحتوي على الطين، الطين الغريني، والتربة الرملية. يتم إنشاء التدرج كما الضوئي بواسطة النباتات المغلقة في في غرف التحكم في درجة حرارته تدريجيا يستنزف ثاني أكسيد الكربون من الهواء المتدفق إتجاهي من خلال الدوائر. الحفاظ على معدل تدفق الهواء الصحيح، photosy كافيةالقدرة nthetic، والتحكم في درجة الحرارة حاسمة للتغلب على القيود الرئيسية للنظام، والتي تراجع معدلات التمثيل الضوئي وزيادة الإجهاد المائي خلال الصيف. هذا المرفق هو بديل اقتصادي لتقنيات أخرى للC A تخصيب اليورانيوم يميز بنجاح على شكل استجابات النظام الإيكولوجي في subambient إلى superambient C A تخصيب، ويمكن تكييفها لاختبار التفاعلات من ثاني أكسيد الكربون مع غيره من غازات الدفيئة مثل غاز الميثان أو الأوزون.
Introduction
الغلاف الجوي تركيز ثاني أكسيد الكربون (C A) زادت في الآونة الأخيرة الماضية 400 ميكرولتر L -1 من ما يقرب من 270 ميكرولتر L -1 قبل الثورة الصناعية. ومن المتوقع C A لتصل إلى 550 على الأقل ميكرولتر L -1 بحلول عام 2100 1، وهذا معدل الزيادة يفوق أية تغييرات C A وحظ خلال السنوات 500،000 الماضية. معدل لم يسبق له مثيل من التغيير في C A يزيد من احتمال حدوث استجابات غير خطية أو عتبة النظم الإيكولوجية على زيادة C A. معظم النظم الإيكولوجية على نطاق و-C A تجارب تخصيب تنطبق سوى اثنين من العلاجات، على مستوى واحد من أثرى C A والسيطرة. هذه التجارب قد توسعت بشكل كبير من فهمنا للآثار النظام البيئي للC A تخصيب اليورانيوم. ومع ذلك، وهو نهج بديل يمكن أن تكشف عن وجود استجابات النظام البيئي غير الخطية إلى زيادة C A هو دراسة الأنظمة البيئية عبر مجموعة المستمر للsubambient لsuperambient C A. Subambient C A من الصعب الحفاظ في الميدان، وغالبا ما تتم دراسته باستخدام غرف النمو 2. وقد Superambient C A درست باستخدام غرف النمو، مكشوفة الدوائر، وتقنيات تخصيب الهواء مجانا 3، 4.
يحدث C A تخصيب عبر المناظر الطبيعية التي تحتوي على العديد من أنواع التربة. يمكن خصائص التربة تؤثر بشدة الردود النظام الإيكولوجي في C A تخصيب اليورانيوم. على سبيل المثال، يحدد قوام التربة على الاحتفاظ بالماء والعناصر الغذائية في التربة 5، توافرها للنباتات 6، وكمية ونوعية المواد العضوية 7-9. توافر رطوبة التربة وسيط حاسم الردود النظام الإيكولوجي في C A تخصيب اليورانيوم في شبكات المياه محدودة، بما في ذلك معظم المراعي 10. حقل الماضي C A تجارب تخصيب وعادة فحص التربة نوع واحد فقط، والتحكم اختبارات مستمرة ضدولا توجد أنواع arying C A تخصيب التربة على مدى عدة. إذا آثار C A تخصيب اليورانيوم على عمليات النظم الإيكولوجية تختلف مع نوع التربة، وهناك سبب قوي لتوقع التباين المكاني في استجابات النظام الإيكولوجي في C A تخصيب اليورانيوم والتي تلت ذلك التغيرات في المناخ 11، 12.
ثاني أكسيد الكربون مقياس الذوبان تم تصميم التدرج (LYCOG) منشأة لمعالجة مسائل التباين المكاني في الاستجابات غير الخطية وعتبة النظم الإيكولوجية على C A مستويات تتراوح بين ~ 250-500 ميكرولتر L -1. LYCOG يخلق التدرج المحدد من C A على المجتمعات النباتية المعمرة العشبية المتزايد على التربة يمثلون مجموعة واسعة من الملمس، N و C المحتويات، والخصائص الهيدرولوجية من المراعي في الجزء الجنوبي من الولايات المتحدة السهول الوسطى. سلسلة محددة التربة المستخدمة في المنشأة هي الطين الأسود هيوستن (32 كتل)، وهو Vertisol (Udic Haplustert) نموذجية من الأراضي المنخفضة. أوستن (32 كتل)، وكاربو عاليةنيت والطين الغريني Mollisol (Udorthentic Haplustol) نموذجية من المرتفعات. وBastsil (16 كتل)، وهي الغرينية الرملية الطميية Alfisol (Udic Paleustalf).
مبدأ التشغيل المستخدمة في LYCOG هو تسخير قدرات التمثيل الضوئي للنباتات في استنزاف C A من الطرود من الهواء انتقلت إتجاهي من خلال الدوائر المغلقة. هدف العلاج هو الحفاظ على ثابت الانحدار الخطي في النهار C A 500-250 ميكرولتر L -1. ولتحقيق ذلك، LYCOG يتكون من مجلسين الخطية، غرفة superambient الحفاظ على جزء من التدرج 500-390 (المحيط) ميكرولتر L -1 C A، وغرفة subambient الحفاظ على 390-250 ميكرولتر L -1 جزء من التدرج. تقع الغرفتين جنبا إلى جنب، موجهة على محور الشمال والجنوب. يتم الحفاظ على C A التدرج خلال جزء من السنة عندما قدرة النباتات التمثيل الضوئي هي كافية؛ عادة منأواخر أبريل إلى أوائل نوفمبر تشرين الثاني.
غرف تحتوي على أجهزة الاستشعار والأجهزة اللازمة لتنظيم C A التدرج، ومراقبة درجة حرارة الهواء (T A) بالقرب القيم المحيطة، وتطبيق كميات الأمطار موحدة لجميع أنواع التربة. التربة هي كتل سليمة تم جمعها من البراري Blackland قريب المثبتة في lysimeters وزنها معزولة هيدرولوجيا-المجهزة لتحديد جميع مكونات الموازنة المائية. يتم تطبيق المياه في أحداث حجم وتوقيت تقارب موسمية أحداث الأمطار ويبلغ متوسط هطول الأمطار خلال العام. وهكذا، LYCOG قادر على تقييم الآثار الطويلة الأجل لsubambient إلى superambient C A ونوع التربة على وظيفة النظام البيئي المراعي بما في ذلك الميزانيات الماء والكربون.
LYCOG هو الجيل الثالث من C A التجارب التدرج التي أجرتها وزارة الزراعة الأميركية ARS الأراضي العشبية التربة ومختبر أبحاث المياه. وكان الجيل الأول subambient النموذج الأولي لالمحيطة التدرج التي تثبت جدوى نهج التدرج 13 وتفاهمنا الاستجابات الفسيولوجية على مستوى أوراق النباتات إلى subambient الاختلاف في C A 14-20. كان الجيل الثاني من تطبيق على نطاق ومجال للمفهوم الدائمة C 4 المراعي، مع التدرج تمتد إلى 200-550 ميكرولتر L -1 21. قدمت هذه التجربة على نطاق الحقل أول دليل على أن زيادة إنتاجية المراعي مع C A تخصيب يجوز تشبع بالقرب تركيزات المحيطة الحالية 20، وذلك جزئيا بسبب توافر النيتروجين قد يحد من إنتاجية المصنع في superambient C A 22. LYCOG تمتد هذه التجربة الجيل الثاني من خلال دمج التربة تكرارها متفاوتة الملمس، مما يسمح للاختبار قوي للآثار التفاعلية التربة على C استجابة للمجتمعات المراعي.
Protocol
Representative Results
Discussion
مرفق LYCOG يحقق الهدف التشغيلي الحفاظ على 250-500 ميكرولتر L -1 الانحدار المستمر لتركيزات C A على المجتمعات المراعي التجريبية المقامة على ثلاثة أنواع التربة. التغيير في C A هو الخطية على نطاق المحدد. ارتفعت درجة حرارة الهواء داخل كل قسم، ولكن تم إعادة تعيين م…
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).
