Een CO<sub> 2</sub> Concentratiegradiënt Facility for Testing CO<sub> 2</sub> Verrijking en Soil Effecten op Weide Ecosysteem Functie
Summary
De Lysimeteronderzoek Carbon Dioxide Gradient Facility creëert een 250-500 pi L -1 lineaire kooldioxide gradiënt in temperatuur-gecontroleerde kamers huisvesting graslanden plantengemeenschappen op klei, lemige klei en zandgrond monolieten. De faciliteit wordt gebruikt om te bepalen hoe het verleden en de toekomst van kooldioxide niveaus invloed grasland koolstofcyclus.
Abstract
Voortdurende toename in de atmosferische concentratie kooldioxide (C A) mandaat technieken voor het onderzoeken van de effecten op terrestrische ecosystemen. De meeste experimenten onderzoeken slechts twee of een paar niveaus van C Een concentratie en een enkele grondsoort, maar als C A kan worden gevarieerd als een gradiënt van subambient aan concentraties op meerdere gronden superambient, kunnen we onderscheiden of verleden ecosysteem reacties lineair kan worden voortgezet in de toekomst en of de reactie kan variëren over het landschap. De Lysimeteronderzoek Carbon Dioxide Gradient Facility geldt een 250-500 pi L -1 C Een verloop naar Blackland prairie plantengemeenschappen opgericht op lysimeters met klei, lemige klei en zandgronden. De gradiënt wordt gemaakt als de fotosynthese door de vegetatie ingesloten in temperatuur-gecontroleerde kamers progressief uitput kooldioxide uit de lucht directioneel stroomt door de kamers. Behoud van een goede luchtstroom, voldoende photosynthetic capaciteit en temperatuurregeling zijn cruciaal voor de belangrijkste beperkingen van het systeem, die dalende fotosynthetische tarieven en een verhoogde water stress tijdens de zomer te overwinnen. De inrichting is een economisch alternatief voor andere technieken van C A verrijking met succes onderscheidt de vorm van ecosysteem reacties op subambient te superambient C A verrijking, en kan worden aangepast om te testen op interacties van koolstofdioxide met andere broeikasgassen zoals methaan of ozon.
Introduction
Atmosferische kooldioxide concentratie (C A) is onlangs toegenomen afgelopen 400 pi L -1 van ongeveer 270 pi L -1 voorafgaand aan de Industriële Revolutie. C A zal naar verwachting ten minste 550 pi L -1 bereiken met 2100 1. Dit stijgingspercentage overtreft elke C A veranderingen waargenomen in de afgelopen 500.000 jaar. De ongekende mate van verandering in C A noemt de mogelijkheid van niet-lineaire of drempel reacties van ecosystemen te verhogen C A. De meeste ecosysteem-schaal C Een verrijking experimenten gelden slechts twee behandelingen, een enkel niveau van verrijkt C A en een controlegroep. Deze experimenten zijn sterk uitgebreid ons begrip van de impact op ecosystemen van C A verrijking. Echter, een alternatieve benadering die de aanwezigheid van niet-lineaire ecosysteem respons op toenemende C A kan openbaren om ecosystemen studie over een continu bereik van subambient aansuperambient C A. Subambient C Een moeilijk in het veld te handhaven en is meestal bestudeerd met behulp groeikamers 2. Superambient C A is onderzocht met behulp van groeikamers open-top kamers, en vrije-lucht verrijking technieken 3, 4.
C Een verrijking plaatsvindt over landschappen met veel grondsoorten. Bodems eigenschappen kunnen sterk beïnvloeden ecosysteem reacties op C Een verrijking. Zo bodem structuur bepaalt het vasthouden van water en nutriënten in het bodemprofiel 5, hun beschikbaarheid voor planten 6, en de hoeveelheid en kwaliteit van organische stof 09/07. De beschikbaarheid van bodemvocht is een cruciale mediator van ecosysteem reacties op C Een verrijking in water beperkt systemen, waaronder de meeste graslanden 10. Verleden veld C Een verrijking experimenten hebben doorgaans onderzocht slechts één bodemtype en gecontroleerde tests continu vtypes arying C Een verrijking over verschillende bodem ontbreken. Als effecten van C Een verrijking ecosysteem processen verschillen grondsoort, is er een sterke reden om de ruimtelijke variatie in ecosysteem reacties op C Een verrijking en de daaruit voortvloeiende veranderingen in het klimaat 11, 12 verwachten.
De Lysimeteronderzoek Kooldioxide Gradient (LYCOG) faciliteit werd ontworpen om de vragen van de ruimtelijke variatie in niet-lineaire en de drempel reacties van ecosystemen op C A niveaus, variërend van ~ 250 tot 500 pi L -1 te pakken. LYCOG creëert de voorgeschreven verloop van C A op meerjarige graslanden plantengemeenschappen groeien op grond die de brede waaier van textuur, N en C inhoud en hydrologische eigenschappen van graslanden in het zuidelijke deel van het US Central Plains. Specifieke bodem-serie gebruikt in de faciliteit zijn Houston Black klei (32 monolieten), een Vertisol (Udic Haplustert) typisch voor laaglanden; Austin (32 monolieten), een hoge carbonate, lemige klei mollisol (Udorthentic Haplustol) typisch voor hooglanden; en Bastsil (16 monolieten), een alluviale zandige leem Alfisol (Udic Paleustalf).
Het operationele principe werkzaam zijn in LYCOG is om de fotosynthetische capaciteit van planten om C A uitputten van percelen van de lucht verplaatst directioneel door de gesloten kamer te benutten. Het doel van de behandeling een constante lineaire gradiënt overdag in C A houden vanaf 500 tot 250 pi L -1. Hiervoor LYCOG bestaat uit twee lineaire kamers, een kamer superambient handhaven het deel van de gradiënt van 500 om 390 (omgevingstemperatuur) gl -1 L C A en een subambient kamer behoud van 390-250 ul L -1 gedeelte van de verloop. De twee kamers liggen naast elkaar, gericht op een noord-zuid as. De C Gradient blijft tijdens het deel van het jaar waarin de vegetatie fotosynthesecapaciteit toereikend; typischeind april tot begin november.
De kamers bevatten sensoren en instrumenten die nodig zijn om regulering van de C Een gradiënt, controle luchttemperatuur (T A) in de buurt ambient waarden en uniforme neerslaghoeveelheden van toepassing op alle grondsoorten. Bodems intact monolieten verzameld van nabijgelegen Blackland prairie in hydrologisch-geïsoleerd gewicht lysimeters geïnstrumenteerd om alle componenten van het water begroting bepalen geïnstalleerd. Water wordt toegepast in de gebeurtenissen van het volume en de timing die de seizoensgebondenheid van de regen gebeurtenissen benaderen en bedraagt bij een gemiddelde neerslag jaar. Zo LYCOG in staat is de evaluatie van de lange-termijn effecten van subambient tot superambient C A en bodemtype op grasland ecosysteem functie met inbegrip van water en koolstof budgetten.
LYCOG is de derde generatie van de C Een gradiënt experimenten uitgevoerd door USDA ARS Grasland Bodem en Water Research Laboratory. De eerste generatie was een prototype te subambientambient gradiënt dat de levensvatbaarheid van het verloop benadering 13 opgericht en geavanceerde ons begrip van leaf-niveau fysiologische reacties van planten variatie subambient in C A 14-20. De tweede generatie was een veld grootschalige toepassing van het concept tot C 4 grasland vaste plant, met het verloop uitgebreid tot 200-550 pi L -1 21. Dit veld grootschalig experiment mits het eerste bewijs dat de productiviteit grasland toeneemt met C Een verrijking kan verzadigen buurt van de huidige concentraties 20, voor een deel omdat de beschikbaarheid van stikstof productiviteit fabriek in superambient C A 22 kan beperken. LYCOG breidt deze tweede generatie experiment door het opnemen gerepliceerd bodems van verschillende textuur, waardoor robuust testen voor interactieve effecten van de bodem van de C Een reactie van grasland gemeenschappen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De LYCOG faciliteit bereikt zijn operationele doelstelling van het handhaven van een 250-500 pi L -1 continue gradiënt van C A-concentraties op experimentele grasland gemeenschappen opgericht op drie bodemsoorten. De verandering in C A is lineair over het voorgeschreven bereik. Luchttemperatuur verhoogd binnen elke sectie, maar werd gereset door de tussen-sectie koeling spoelen in de meeste secties. Hierdoor operationele doel van het handhaven van een constante gemiddelde temperatuur va…
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).
