一个外线 2浓度梯度用于测试CO 2浓度与土壤对草地生态系统功能的影响

摘要

在蒸渗仪二氧化碳梯度设备创建了一个250到^500μLL -1线性二氧化碳梯度对粘土，粉质粘土和沙土巨石温控室的住房草地植物群落。该设施被用来确定过去和未来的二氧化碳水平如何影响草地碳循环。

摘要

继续增加大气中二氧化碳的浓度（C _a）任务技术研究对陆地生态系统的影响。大多数实验检查只有两个或C _的浓度和单个土壤类型的几级，但如果_C A可改变为从低于环境的梯度superambient多个土壤浓度，就可以辨别过去的生态系统的响应是否可以继续直线在未来，无论是应对可能会在景观各不相同。在蒸渗仪二氧化碳梯度基金申请250至500微升^_L-C A梯度含有粘土，粉质粘土和沙土渗漏池建立黑土草原植物群落。该梯度为光合作用植被温控室封闭在创建逐步消耗的二氧化碳从空气通过室流出定向。保持适当的空气流率，足够photosynthetic能力，温度控制是至关重要的克服系统的主要局限，这是下降的夏季光合速率和增加水的压力。该设施是一种经济的替代的_C A富集的其他技术，成功地洞察生态系统响应的形状，以低于环境到superambient _C A富集，并且可以适于对测试为二氧化碳与其他温室气体，例如甲烷或臭氧相互作用。

引言

大气中的二氧化碳浓度_（C A）最近增加了近400微升^L -1约270微升^L-1之前的工业革命。 _C A预计2100年¹至少要达到550微升^L-1。增加这个比率超过观察，在过去50万年的任何_C A的变化。改变_C A的前所未有的速度提出了生态系统的非线性或阈值响应增加_C A的可能性。大多数生态系统规模的_C A浓缩试验只适用两种处理中，丰富了_C A和控制单级。这些实验已经极大地扩展了我们的C _的丰富的生态系统影响的认识。然而，这可以揭示非线性的生态系统的响应的存在，以增加_C A的替代方法是，跨到一个连续范围低于环境的生态系统的研究superambient _C A。低于环境_C A是很难在现场维护，并且最经常被使用生长室²研究。 Superambient _C A一直用生长箱，开顶式气室，并提供免费空气富集技术^3，4研究。

_C A富集操作通过含有多种土壤类型的景观。土属性可以强烈地影响生态系统的反应_，C A富集。例如，土壤质地确定的水和养分的土壤剖面⁵的保留，其可用性植物^6，和有机物^7-9的数量和质量。土壤水分的有效性是生态系统的反应时在水中有限的系统，包括最草原^{₁₀ A}富集的关键调解人。近场_C A浓缩试验通常都检查只有一种土壤类型，以及控制不断诉测试arying _C A富集在几个土壤类型所缺乏的。如果_C A丰富的生态系统过程的影响具有不同土壤类型，有足够的理由期待空间变化的生态系统响应_C A富集和气候^11,12随之而来的变化。

的蒸渗仪二氧化碳梯度（LYCOG）设施的目的是要解决的空间变化的生态系统中的至C _A水平范围从〜250到500微升^L -1的非线性和阈值响应的问题。 LYCOG创建_C A对多年生草地植物群落上代表广泛的质地，N和C的含量，以及水文美国中原南部的部分草原的性质土壤中生长的规定的梯度。在设施中使用的特定的土壤系列是休斯敦黑粘土（32巨石），一个变性土（城投Haplustert）典型的低地;奥斯汀（32巨石），高碳氮内特，粉质粘土软土（Udorthentic Haplustol）典型的高地;和Bastsil（16巨石），冲积砂壤土淋溶土（城投Paleustalf）。

在LYCOG采用的工作原理是利用植物的光合能力耗尽_C A从包裹空气的定向移动通过封闭室。治疗目标是保持在_C A的恒定线性白天梯度从500到250微升^L-1。要做到这一点，LYCOG由两个线性腔室，一个腔室superambient保持梯度从500至390（环境）的部分微升^L-1 _C A，和低于环境室保持的390到250微升^L-1部梯度。这两个腔室并排放置，面向上的南北轴。当植物光合能力是足够的一年中部分中的_C A梯度维持;通常四月下旬至十一月初。

该室含有调节_C A梯度，控制空气温度_（T A）接近环境值，并应用统一的降水量所有的土壤需要的传感器和仪器。土壤是从安装在仪表以确定水预算的所有组分水文隔离称量渗漏池附近黑土大草原收集完好整料。水的量和时间，即近似的降雨事件的季节性和期间的平均年降水量达事件的应用。因此，LYCOG能够评估低于环境来superambient _C A和土壤类型对草地生态系统功能的长期影响，包括水和碳预算。

LYCOG是第三代的美国农业部ARS草地水土保持研究实验室进行的_C A梯度实验。第一代是一个雏形低于环境来所建立的梯度法¹³的活力和提高了我们的植物叶级生理反应的认识，以低于室温的_C A ^14-20变化的环境梯度。第二代是概念的油田规模的应用程序，以常年_的 C 4草原，与延伸至^{200〜550μLL} -1 ²¹梯度。该油田规模试验首次提供了证据表明，用C草地生产力_增加了浓缩可能饱和电流环境浓度²⁰附近，部分原因是因为氮的可用性可能会限制植物生产力superambient _C A ^22。 LYCOG扩展了第二代实验通过将不同的纹理，让强大的测试在C草地群落_的响应土壤的互动效应的复制的土壤。

方案

1.收集土壤石柱用作称重测渗计

1. 1.5米，深8毫米厚的钢构建开放式钢箱1×1米的正方形。
2. 按开放式盒垂直插入土中，用液压机安装在螺旋锚钻3米深入到土壤中。
3. 挖掘使用反铲挖土机或类似设备的包裹整体。
4. 放置在与土壤接触的玻璃纤维燃烧芯的整体件的基座。穿过钢基灯芯入10升的储排空整料，然后焊接钢底座上的框的底部。
5. 通过施加一个非残留除草剂，如草甘膦杀死在整料现有植被。

2.建立土壤石柱植物群落

1. 植物与每个七种高杆草八苗的巨石野草，杂类草，为^每平方米56工厂总密度。
   1. 植物下面的草:Bouteloua curtipendula（侧燕麦GRAMA）， 裂稃棒 （小白羊），Sorghastrum垂穗（Indiangrass），Tridens albescens（白tridens）。
   2. 植物以下福布斯: 丹参Residhotel Azurea酒店 （投手圣人）， 加拿大一枝黄花 （加拿大一枝黄花）， 合欢草属illinoensis（伊利诺伊bundleflower，豆类）。
2. 在拉丁方设计植物幼苗，再随机为每个巨石。
3. 水下面种植移植约2个月。我们的目标是初步建立过程中尽量减少水分胁迫。使用任何方便的方法，如手杖或花园喷水器。浇水的频率取决于当地天气和气候，环境降雨的特别的发生。
4. 在最初的移植建立阶段，维持在环境降雨的移植，只要有必要的，而室（科3）构成。卸下建立由手工除草过程中出现的巨石有害物种。

3.室内设计

1. 构建两院各宽1.2米，1.5米高，长60米，分为十个5米长的部分。从尺寸5米×1.2米×1.6米深，埋到1.5米重钢建设部分。
   1. 在每个部分中安装四个巨石，每两个土壤类型，随机二阶巨石。安装每个巨石顶上4540千克能力的平衡。
   2. 包括Bastsil巨石在偶数段的配对。
2. 加入地上部分用1米长×1米宽×0.3米高钣金导管，以提供一个途径气流相邻部分。
   1. 供应冷却剂在10℃下从161.4千瓦致冷单元到每个管道内的冷却盘管。
   2. 附上清晰的棚膜，如其他使用的植物（厚度0.006"/ 15mm）的，气候操控实验^23。
   3. 适合每盖一个拉链开口由瓣草案的支持，以允许访问的巨石进行采样。
   4. 取下塑料盖在生长季节的结束。

4， _二氧化碳和空气温度测量;温度控制

1. 两个样品室的入口和出口_C A通过位于在superambient和低于环境室的入口和出口过滤空气样品线每2分钟。这些数据告诉_二氧化碳注入和风扇转速控制。
   1. 样品C _A和水汽含量，并在每个5米段在20分钟的间隔的入口和出口测量空气温度（T _A）中。
   2. 测量根据制造商的协议，使用红外气体分析仪的所有空气样本_二氧化碳和水蒸汽的含量是实时的。
   3. 测量_T A在入口，中点，一个每个部分具有屏蔽细导线热电偶D出口。
2. 调节冷却剂通过冷却盘管在每节，以保持从部分一致的平均值（中间部分_）T A到接近室温_T A部的入口的流动。
3. 定位量子传感器具有的天空一览无遗，并根据制造商的协议测量光量子通量密度。光平是输入鼓风机控制算法。

5. _C A处理中的应用

1. 白天
   1. 混合纯的二氧化碳（CO _2）与进入的环境空气，以500μl的^L-1 _C A，在superambient腿的入口导管使用质量流量控制器。见第4 _C A测量细节。
   2. 通过使用风机入口处的第1室和下游段的平流输送富氧空气。
   3. 中号通过调节风机转速aintain的390微升^L-1（环境空气）所需的出口_C A。
      1. 增加风机转速，如果出口_C A低于设定值。这允许对CO ₂的植物吸收较少的时间，从而获得更高的C出口_甲 。
      2. 降低鼓风机转速，如果C出口_A是高于设定点。
   4. 使用在低于室温室同样的方法，除了将环境空气和控制，以实现250微升^L-1出口_C A。
2. 夜间
   1. 反向空气流的方向。
   2. 注入_二氧化碳进入superambient室的日间出口端达到530微升^_L-C A和控制平流率保持640微升^L-1在夜间出口（白天入口。
   3. 将环境空气在〜390微升^L-1 _的 CO 2进入夜间入口子环境室及控制平流率（白天出口）维持530微升^L-1在夜间退出。

6.降水输入

1. 应用平均生长季节降雨量为每个整体。
   1. 从通过滴灌系统国产水源供水给每个整体。安排灌溉事件及其用量近似的实验场所季节性降雨模式。确切的时间表取决于当地的气候。
2. 控制应用时机与数据记录器和测量应用卷流量计。

7取样

1. 在_二氧化碳控制期间测量体积土壤含水量（VSWC）每周的垂直剖面，用中子衰减仪或其他合适的探头。
   1. 推荐配置文件的增量为20厘米深度的增量1米德第p，和1个50厘米增量低于1微米。
2. 衡量整体地上净初级生产力（ANPP）通过收集所有站在地上生物量在生长季节的结束。
   1. 所有地上生物量每年除去，因此现存生物表示当前的主生产。
   2. 排序按品种，干燥至恒重采样量，并权衡。
   3. 使用个别品种的生物质来量化植物物种ANPP的贡献。

结果

渐变的superambient和低于环境部分被保持在单独的腔室（ 图1）。但是，超过七年操作（2007 - 2013年）的，所述腔保持在C中的线性梯度_的浓度为500〜250微升^L-1（图2）与只有一小的不连续性在_C A的富集腔室的出口之间（整体式40）和梯度的低于环境部的入口（巨石41）。

气温和水汽压赤字依然从部分同时在superambient和低于环境室部分，恒除了在superambient室的第10条和第19及子环境室，在那里气温平均为〜3℃，温度超过其他20部（ 图2）。然而，有可发音的5温度升高 - 7°C各部分中，和correspondiNG增加了蒸气压赤字。

平均超过了2007年至2013年种植季节，VSWC呈线性变化，沿着C对两三种土壤_的梯度（ 图3）。 VSWC前20厘米土壤剖面的

讨论

该LYCOG设施达到保持_C A浓度对三种土壤类型建立实验草地群落250〜500微升^L-1连续梯度其业务目标。 _C中的一个变化是线性的规定范围。每个部分内的空气温度升高，却被段之间的冷却盘管在大部分路段复位。其结果是，保持一致的平均温度从段到段的操作目标是满足以上多数渐变。温度和C _控制在春季和初夏期间容易维护，当土壤含水量较高，植物处于最高的光合能力。

议定书中的关键步骤

鼓风机速度的控制是保持在规定_的 CO 2梯度的最关键的方面。控制是基于一个组合的反馈和前馈技术来满足空气流的植被碳吸收。反馈技术调整基于测量的目标和出口_CO 2浓度之间的差风扇速度。馈控制在预期光合速率的变化，迅速（5秒的响应时间）调节风扇的转速，基于与所述量子传感器测量变化光合有效辐射。前馈控制大大提高了通过单独反馈控制来实现控制。通过腔室中的最大风量为1米^秒 -1，或...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
数据记录器、多路复用器	Campell Scientific，美国犹他州洛根	CR-7、CR-10、CR-21X、SDM-A04、SDM-CD16AC、AM25T
热电偶：铜康铜	Omega Engineering， Inc.，美国康涅狄格州斯坦福德	TT-T-40-SLE、TT-T-24-SLE
量子传感器	Li-Cor Biosciences，美国内布拉斯加州林肯市	Li-190SB
CO2/H2O 分析仪	Li-Cor Biosciences，内布拉斯加州林肯市，美国	LI-7000
溶出仪秤	Avery Weigh-Tronix，美国德克萨斯州休斯顿	DSL-3636-10
空气采样泵	Grace Air Components，美国德克萨斯州休斯顿	VP 0660
露点发生器	Li-Cor Biosciences，美国内布拉斯加州林肯市	LI-610
冷水冷水机组	AEC 应用工程，美国伊利诺伊州伍德戴尔	CCOA-50
冷冻水流量控制值	Belimo Air Controls，美国康涅狄格州丹伯里	LRB24-SR
冷冻水冷却盘管	美国宾夕法尼亚州保利市盘管公司	WC12-C14-329-SCA-R
二氧化碳冷冻液	Temple Welding Supply，美国德克萨斯州 Temple	UN2187
聚乙烯薄膜	AT Plastics，加拿大多伦多市	Dura-film Super Dura 4
鼓风机电机/控制器	Dayton Electric，美国伊利诺伊州森林	2M168C/4Z829
电磁阀	工业自动化，美国北卡罗来纳州科尼利厄斯	U8256B046V-12/DC
渗滤液收集泵	Gast Manufacturing，美国密歇根州本顿港	0523-V191Q-G588DX