A CO₂ Facility Concentração Gradiente para Teste CO₂ Enriquecimento do solo e efeitos sobre a função da pastagem de Ecossistemas

Summary

O Lysimeter Dióxido de Carbono Gradiente Facility cria um 250 a 500 mL ^L -1 gradiente linear de dióxido de carbono em comunidades pastagem câmaras de habitação de plantas com temperatura controlada em argila, argila siltosa, e monólitos de solo arenoso. A facilidade é usada para determinar como os níveis de dióxido de carbono passadas e futuras afetar ciclismo pastagem de carbono.

Abstract

Contínuo aumento nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (C) _Um mandato técnicas de análise dos impactos sobre os ecossistemas terrestres. A maioria das experiências examinam apenas dois ou alguns níveis de C _{Uma concentração} e um único tipo de solo, mas se a relação C _{A pode} ser variado como um gradiente a partir de subambient para superambientes concentrações em vários solos, pode-se discernir se as respostas dos ecossistemas últimos podem continuar linearmente no futuro e se as respostas podem variar em toda a paisagem. O Lysimeter Dióxido de Carbono Gradiente Facility aplica um 250 a 500 mL ^L -1 C _{Um inclinação} para Blackland comunidades pradaria plantas estabelecidas em lisímetros contendo argila, argila siltosa, e solos arenosos. O gradiente é criado como fotossíntese por vegetação fechada em em câmaras com temperatura controlada esgota progressivamente o dióxido de carbono do ar que flui direcionalmente através das câmaras. Manter taxa de fluxo de ar adequado, photosy adequadacapacidade nthetic, e controle de temperatura são fundamentais para superar as principais limitações do sistema, que são decrescentes taxas de fotossíntese e aumento do estresse de água durante o verão. A instalação é uma alternativa econômica para outras técnicas de C _Um enriquecimento, discerne com sucesso a forma de respostas do ecossistema para subambient para superambientes C _Um enriquecimento, e pode ser adaptado para testar interações de dióxido de carbono com outros gases de efeito estufa, como o metano ou ozônio.

Introduction

Atmosférica concentração de dióxido de carbono (C _A) aumentou recentemente passado de 400 mL ^L -1 de cerca de 270 mL ^L -1 antes da Revolução Industrial. C _A previsão é de atingir pelo menos 550 mL ^L -1 em 2100 ^1. Esta taxa de aumento supera quaisquer alterações C _Um observadas ao longo dos últimos 500.000 anos. A taxa sem precedentes de mudança na C _Um levanta a possibilidade de respostas não-lineares ou limiar de ecossistemas para aumentar _Um C. A maioria ecossistema escala C _Um experimentos de enriquecimento de aplicar apenas dois tratamentos, um único nível de C enriquecido _{A e} um controle. Estas experiências têm expandido nossa compreensão sobre os impactos nos ecossistemas de C _Um enriquecimento. No entanto, uma abordagem alternativa que pode revelar a presença de respostas não lineares dos ecossistemas para aumentar C _{A é} para estudar ecossistemas através de uma gama contínua de a subambient_Um superambientes C. Subambient C _Um é difícil de manter no campo, e tem sido mais estudados utilizando câmaras de crescimento ^2. _A superambientes C foi estudada usando câmaras de crescimento, câmaras de topo aberto, e técnicas de enriquecimento livre de ar ^{3, 4.}

C _Um enriquecimento ocorre através das paisagens que contêm muitos tipos de solo. Propriedades solos pode afetar fortemente as respostas dos ecossistemas para C _Um enriquecimento. Por exemplo, a textura do solo determina a retenção de água e nutrientes no perfil do solo ^5, a sua disponibilidade para as plantas ^6, e da quantidade e qualidade da matéria orgânica ^7-9. A disponibilidade de umidade do solo é um mediador crucial das respostas do ecossistema para C _Um enriquecimento em sistemas de água, limitadas, incluindo a maioria das pradarias ^10. Campo passado C _Um experimentos de enriquecimento de ter examinado normalmente apenas um tipo de solo e testes de v continuamente controladatipos arying C _Um enriquecimento do solo ao longo de vários faltam. Se os efeitos de C _Um enriquecimento nos processos do ecossistema diferem com o tipo de solo, há uma forte razão para esperar variação espacial nas respostas do ecossistema para C _Um enriquecimento e consequentes alterações climáticas ^{11, 12.}

O Dióxido de Carbono Lysimeter Gradiente (LYCOG) instalação foi projetado para tratar de questões de variação espacial nas respostas não lineares e limiar de ecossistemas para níveis que vão de _A C ~ 250 a 500 mL ^L -1. LYCOG cria o gradiente prescrita de C _Um em comunidades perenes pastagem de plantas que crescem em solos que representam a ampla gama de textura, teores de N e C, e propriedades hidrológicas de pastagens na porção sul da Central Plains dos Estados Unidos. Série solos específico utilizado na instalação são Houston Preto argila (32 monólitos), um Vertisol (údico Haplustert) típico de planícies; Austin (32 monolitos), uma alta carbonate, argila siltosa Mollisol (Udorthentic Haplustol) típico de terras altas; e Bastsil (16 monólitos), um aluvial arenoso Alfisol (údico Paleustalf).

O princípio operacional empregado em LYCOG é aproveitar a capacidade fotossintética das plantas para esgotar C _A partir de parcelas de ar movido direcionalmente através das câmaras fechadas. O objectivo do tratamento consiste em manter um gradiente linear constante durante o dia em C _{A a partir de} 500 a 250 ul de ^L-1. Para alcançar este objetivo, LYCOG consiste de duas câmaras lineares, uma câmara superambientes manter a porção do gradiente de 500 para 390 (ambiente) ^-1 ul L C _A, e uma câmara de manutenção a subambient ^L -1 porção 390 para 250 ul do gradiente. As duas câmaras estão localizados lado a lado, orientado sobre um eixo norte-sul. O gradiente C _{A é mantido} durante a parte do ano, quando a capacidade fotossintética vegetação é adequado; tipicamente desdefinal de abril a início de novembro.

As câmaras contêm sensores e instrumentação necessárias para regular o C _{Um gradiente,} controlar a temperatura do ar (T _A) para valores próximos dos ambientes, e aplicar quantidades de precipitação uniformes para todos os solos. Os solos são monólitos intactas recolhidas de pradaria Blackland nas proximidades lisímetros de pesagem instalados em hidrologicamente isoladas instrumentados para determinar todos os componentes do balanço hídrico. A água é aplicada em eventos de volume e calendário que aproximar a sazonalidade dos eventos de chuva e de montantes durante um ano médio de precipitação. Assim, LYCOG é capaz de avaliar os efeitos a longo prazo da subambient para superambientes C _{A e} tipo de solo em função do ecossistema pastagem, incluindo água e carbono orçamentos.

LYCOG é a terceira geração de C _Um gradiente experimentos conduzidos por USDA ARS Pastagem Laboratório de Solo e Água Research. A primeira geração era um protótipo para subambientgradiente ambiente que estabeleceu a viabilidade da abordagem gradiente de ^{13 e} avanço do entendimento das respostas fisiológicas de nível folha de plantas para subambient variação em C _Um ^14-20. A segunda geração foi uma aplicação no campo escala do conceito de perene _C 4 pastagem, com o gradiente estendido para 200-550 mL ^L -1 ^21. Este experimento de campo escala forneceu a primeira evidência de que a produtividade da pastagem aumenta com C _Um enriquecimento pode saturar perto concentrações atuais ambientes ^{de 20,} em parte porque a disponibilidade de nitrogênio podem limitar a produtividade da planta em superambientes C _{^A 22.} LYCOG estende esta segunda experiência geração, incorporando solos replicados de diferentes textura, permitindo o teste robusto para efeitos interativos de solos no C _{Uma resposta} das comunidades de pastagem.

Protocol

1. Monólitos Coletar solo a ser usado como lisímetros de pesagem Construir caixas de aço abertas 1 x 1 m quadrados por 1,5 m de profundidade entre 8 mm de espessura de aço. Pressione as caixas abertas verticalmente no solo, com prensas hidráulicas montadas em âncoras helicoidais perfurado 3 m de profundidade no solo. Escavar o monólito envolto utilizando uma retroescavadeira ou equipamento similar. Coloque um pavio em fibra de vidro em contacto com o solo na base do monól…

Representative Results

Os superambientes e subambient porções do gradiente são mantidos em câmaras separadas (Figura 1). No entanto, ao longo de sete anos de operação (2007 – 2013), as câmaras mantido um gradiente linear em C numa concentração de 500 para 250 ul L-1 (Figura 2), com apenas uma pequena descontinuidade em C A entre a saída das câmaras enriquecidos (Monolith 40) e a entrada da porção de subambient do gradiente (Monolith 41). <p class="jove_content…

Discussion

A instalação LYCOG atinge seu objetivo operacional de manutenção de um 250 a 500 mL ^L -1 gradiente contínuo das concentrações de C _A em comunidades experimentais de pastagens estabelecidas em três tipos de solo. A mudança de C _{A é} linear dentro do intervalo prescrito. Temperatura do ar aumentou dentro de cada seção, mas foi reposta pelas bobinas entre-seção de arrefecimento na maioria dos setores. Como resultado, o objectivo operacional de manter a temperatura média consis…

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