Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-21T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 19 s
Description: 了解利用CO₂浓度梯度研究草地生态系统生产力、水分平衡与碳循环的方法。本实验通过监测不同土壤类型上的植物群落响应，揭示气候变化对草原生态的影响机制。

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感谢 Anne Gibson、Katherine Jones、Chris Kolodziejczyk、Alicia Naranjo、Kyle Tiner 以及众多学生和临时技术人员在 LYCOG 实验室的运行、采样和数据处理方面所做的工作。L.G.R. 感谢美国农业部-国家食品与农业研究所（USDA-NIFA，项目编号 2010-65615-20632）的支持。

1. 采集用于称重式蒸渗仪的土壤单体
<ol>
	<li>使用8毫米厚的钢材制作开口钢箱，尺寸为1米×1米×1.5米。</li>
	<li>将开口钢箱垂直压入土壤中，通过安装在螺旋锚上的液压机进行操作，螺旋锚需钻入土壤3米深。</li>
	<li>使用反铲挖土机或类似设备挖掘被包裹的土柱。</li>
	<li>在土柱底部将玻璃纤维吸水芯与土壤接触，使吸水芯穿过钢制底板进入一个10升的储水罐以排出土柱中的水分，然后将钢制底板焊接至箱体底部。</li>
	<li>喷洒非残留性除草剂（如草甘膦）以清除土柱上已有的植被。</li>
</ol>
2. 在土壤单体上建立植物群落
<ol>
	<li>每块单体中种植七种高草草原禾草和杂类草各八株幼苗，每平方米共计种植56株植物2.
	<ol>
		<li>种植以下草种： Bouteloua curtipendula （侧穗草） 须芒草 （小须芒草）， Sorghastrum nutans （柳枝稷）， Tridens albescens （白三齿草）</li>
		<li>种植以下草本植物： Salvia azurea （瓶子草） 加拿大一枝黄花 （加拿大一枝黄花）， Desmanthus illinoensis （伊利诺伊束花，一种豆科植物）</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采用拉丁方设计种植植物幼苗，并针对每个单体进行重新随机化。</li>
	<li>种植后对移栽植株浇水约2个月，目的是在植株初期定植阶段尽量减少水分胁迫。可采用手提式喷管或花园喷灌器等方便的方法进行浇水。浇水频率取决于当地气候和天气状况，尤其是自然降雨的发生情况。</li>
	<li>在初始移栽定植阶段结束后，于构建围隔（第3节）期间，根据需要使移栽样块在自然降水条件下维持一段时间。在定植期间，通过人工除草方式清除单体样本中出现的非目标物种。</li>
</ol>
3. 反应室设计
<ol>
	<li>建造两个试验室，每个宽 1.2 m，高 1.5 m，长 60 m，并将其划分为十个 5 m 长的区段。各区段由尺寸为 5 m × 1.2 m × 1.6 m 深的重型钢材构成，埋入地下 1.5 m 深处。
	<ol>
		<li>在每个区段中安装四个单体土柱，其中两种土壤类型各两个，按随机顺序排列。每个单体土柱安装在一个承重能力为 4,540 kg 的称重装置上。</li>
		<li>在编号为偶数的区段中，配对时应包含 Bastsil 单体土柱。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用一段 1 m 长 × 1 m 宽 × 0.3 m 高的金属薄板风管将相邻区段在地面上连接，以提供空气流通通道。
	<ol>
		<li>由一台 161.4 kW 的制冷机组提供 10 °C 的冷却液，输送至每个风管内的冷却盘管。</li>
		<li>用透明温室薄膜（厚度 0.006”/0.15 mm）覆盖植被，此类材料也常用于其他气候调控实验23。</li>
		<li>在每块覆盖膜上设置带防风挡片的拉链开口，以便进入单体土柱进行取样。</li>
		<li>在生长季结束时移除聚乙烯覆盖膜。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. CO2 和空气温度测量；温度控制
<ol>
	<li>通过位于超环境浓度和亚环境浓度室进、出口的过滤空气采样管，每 2 分钟采集一次两个腔室的进、出口气体 CA。这些数据用于调控 CO2 注入量和风扇转速。
	<ol>
		<li>每 20 分钟采集一次各 5 米区段进、出口气体的 CA 和水蒸气含量，并测量空气温度（TA）。</li>
		<li>根据仪器制造商的操作规程，使用红外气体分析仪实时测定所有空气样品中的 CO2 和水蒸气含量。</li>
		<li>使用带屏蔽的细丝热电偶，在每个区段的入口、中点和出口处测量 TA。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>调节进入各区段冷却盘管的冷却剂流量，以维持各区段中段平均 TA 接近环境 TA，并保持一致。</li>
	<li>将量子传感器置于无遮挡视野朝向天空的位置，根据制造商的操作规程测量光合光子通量密度。光照强度是鼓风机控制算法的输入参数。</li>
</ol>
5. C A 处理应用
<ol>
	<li>白天
	<ol>
		<li>将纯二氧化碳（CO₂）与纯氮气（N₂）混合，制备含 5% CO₂ 的混合气体。2）与进入的环境空气混合至500 µl/L-1 CA，通过在超环境支路的入口管道中使用质量流量控制器。详见第4节A 测量细节</li>
		<li>使用鼓风机风扇在第1节入口及下游各节推动富集空气通过腔室。</li>
		<li>保持所需的出口 CA 390 µl-1 （环境空气）通过调节鼓风机转速。
		<ol>
			<li>如果出口 C 的风速不足，则提高鼓风机速度A 低于设定值，这减少了植物对CO的吸收时间2，从而产生更高的出口CA.</li>
			<li>如果出口 C 处需降低风机速度A 高于设定值。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在亚环境温度室中采用相同方法，但引入环境空气并进行控制，以达到出口CA 250 µl L-1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>夜间
	<ol>
		<li>反转气流方向。</li>
		<li>注入CO2 进入超环境腔体的白天出口端，以达到 530 µl L-1 CA，并控制对流速率以维持640 µl L-1 夜间出口（日间入口）。</li>
		<li>以约 390 µl L 的流速引入环境空气-1 CO2 进入亚环境温度室的夜间入口（日间出口），并控制对流速率以维持530 µl L-1 夜间离开时</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 降水输入
<ol>
	<li>将生长季平均降雨量应用于每个单体土柱。
	<ol>
		<li>通过滴灌系统，从生活水源向每个单体土柱供水。安排灌溉时间和施水量，以模拟实验地点的季节性降雨模式。具体时间表取决于当地气候条件。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用数据记录仪控制施水时间，并通过流量计测量施水体积。</li>
</ol>
7. 取样&#160;
<ol>
	<li>在 CO2 控制期间，每周使用中子衰减仪或其他合适的探针测量体积含水量（vSWC）的垂直剖面。
	<ol>
		<li>建议的剖面深度间隔为：从地表至 1 m 深度，每 20 cm 为一个增量；1 m 以下再增加一个 50 cm 的增量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过在生长季末收获所有现存的地上生物量，测量单体地块的地上净初级生产力（ANPP）。
	<ol>
		<li>每年均移除全部地上生物量，因此现存生物量代表当季的初级生产力。</li>
		<li>按物种对采集的生物量进行分类，烘干至恒重后称重。</li>
		<li>利用各物种的生物量量化其对地上净初级生产力（ANPP）的贡献。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Climate+Change+2013%3A+The+Physical+Science+Basis%22">Climate Change 2013: The Physical Science Basis</a>. , Cambridge University Press. 1535(2013).</li>
<li>Gerhart, L. M., Ward, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plant+responses+to+low+CO2+of+the+past%5BTitle%5D)+AND+%22New+Phytol%22%5BJournal%5D)">Plant responses to low CO2 of the past.</a> New Phytol. 188 (3), 674-695 (2010).</li>
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<li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increasing+CO2%3A+comparative+responses+of+the+C4+grass+Schizachyrium.+and+grassland+invader+Prosopis%5BTitle%5D)+AND+%22Ecology%22%5BJournal%5D)">Increasing CO2: comparative responses of the C4 grass Schizachyrium. and grassland invader Prosopis.</a> Ecology. 75 (4), 976-988 (1994).</li>
<li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nitrogen+and+water+requirements+of+C3+plants+grown+at+glacial+to+present+carbon+dioxide+concentrations%5BTitle%5D)+AND+%22Funct.+Ecol%22%5BJournal%5D)">Nitrogen and water requirements of C3 plants grown at glacial to present carbon dioxide concentrations.</a> Funct. Ecol. 9 (1), 86-96 (1995).</li>
<li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S., Brown, D. A., White, J. W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leaf+and+plant+water+use+efficiency+of+C4+species+grown+at+glacial+to+elevated+CO2+concentrations%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Plant+Sci%22%5BJournal%5D)">Leaf and plant water use efficiency of C4 species grown at glacial to elevated CO2 concentrations.</a> Int. J. Plant Sci. 157 (2), 164-170 (2012).</li>
<li>Polley, H. W., Johnson, H. B., Derner, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Increasing+CO2+from+subambient+to+superambient+concentrations+alters+species+composition+and+increases+above-ground+biomass+in+a+C3%2FC4+grassland%5BTitle%5D)+AND+%22New+Phytol%22%5BJournal%5D)">Increasing CO2 from subambient to superambient concentrations alters species composition and increases above-ground biomass in a C3/C4 grassland.</a> New Phytol. 160 (2), 319-327 (2003).</li>
<li>Johnson, H. B., Polley, H. W., Whitis, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elongated+chambers+for+field+studies+across+atmospheric+CO2+gradients%5BTitle%5D)+AND+%22Funct.+Ecol%22%5BJournal%5D)">Elongated chambers for field studies across atmospheric CO2 gradients.</a> Funct. Ecol. 14 (3), 388-396 (2000).</li>
<li>Gill, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlinear+grassland+responses+to+past+and+future+atmospheric+CO2%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2.</a> Nature. 417 (6886), 279-282 (2002).</li>
<li>Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Blair, J. M., Collins, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Productivity+responses+to+altered+rainfall+patterns+in+a+C4-dominated+grassland%5BTitle%5D)+AND+%22Oecologia%22%5BJournal%5D)">Productivity responses to altered rainfall patterns in a C4-dominated grassland.</a> Oecologia. 137 (2), 245-251 (2003).</li>
<li>Miglietta, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+and+temporal+performance+of+the+miniface+%28free+air+CO2+enrichment%29+system+on+bog+ecosystems+in+northern+and+central+Europe%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Monitoring+and+Assessment%22%5BJournal%5D)">Spatial and temporal performance of the miniface (free air CO2 enrichment) system on bog ecosystems in northern and central Europe.</a> Environmental Monitoring and Assessment. 66 (2), 107-127 (2001).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突披露。

LYCOG 设施实现了其运行目标，即在三种土壤类型上建立的实验性草地群落中，维持 250 至 500 µl L-1 的连续 CA 浓度梯度。CA 的变化在规定范围内呈线性。每个区段内的空气温度有所上升，但在大多数区段中，段间冷却盘管将其重置。因此，在大部分梯度范围内，实现了保持各区段间平均温度一致的运行目标。当春季和初夏土壤湿度相对较高、植物光合能力最强时，温度和 CA 的控制易于维持。
方案中的关键步骤
风机转速的控制是维持规定 CO2 梯度最关键的环节。该控制基于反馈与前馈技术的结合，以使气流与植被的碳吸收相匹配。反馈技术根据实测出口 CO2 浓度与目标值之间的差异来调节风扇转速。前馈控制则根据量子传感器测得的光合有效辐射变化，预测光合速率的变化，并在5秒响应时间内快速调整风扇转速。前馈控制显著提升了控制精度，优于仅使用反馈控制的效果。通过生长室的最大气流速率...

大气二氧化碳浓度（CA）最近已超过 400 µl/L-1 约 270 µl L-1 工业革命之前。CA 预计将达到至少 550 µl L-1 到2100年1。这一增长速度超过了任何 CA 过去50万年来观察到的变化。C变化的前所未有的速率A 增加了生态系统对碳增加产生非线性或阈值响应的可能性A. 大多数生态系统尺度的CA 富集实验仅应用两种处理，即单一水平的富集碳A 以及一个对照组。这些实验极大地拓展了我们对C生态系统影响的理解A 富集。然而，另一种方法可以揭示生态系统对碳增加的非线性响应A 旨在研究从低于环境浓度到高于环境浓度的连续梯度下碳对生态系统的影响A低于环境温度的摄氏度A 在野外难以维持，通常使用生长箱进行研究2. 超环境温度 CA 已采用生长室、开放式顶室和自由大气富集技术进行了研究3, 4.
在包含多种土壤类型的景观中，CA 浓度升高现象普遍存在。土壤特性可显著影响生态系统对 CA 浓度升高的响应。例如，土壤质地决定了土壤剖面中水分和养分的持留能力5、对植物的有效性6，以及有机质的数量和质量7-9。在水分受限的生态系统（包括大多数草原）中，土壤水分的有效性是调节生态系统对 CA 浓度升高响应的关键因素10。以往的野外 CA 浓度升高实验通常仅针对单一土壤类型开展，而缺乏在多种土壤类型上连续梯度变化的 CA 浓度升高的受控试验。如果 CA 浓度升高对生态系统过程的影响随土壤类型而异，则有充分理由预期，生态系统对 CA 浓度升高的响应及其引发的气候变化将呈现空间异质性11,12。
溶渗仪二氧化碳梯度（LYCOG）设施旨在研究生态系统对浓度范围约为 250 至 500 µl L-1 的 CA 水平所产生的非线性及阈值响应在空间上的变异问题。LYCOG 在代表美国中部平原南部地区草地广泛土壤质地、氮碳含量以及水文特性的土壤上，构建了指定的 CA 梯度，用于研究多年生草本植物群落的响应。该设施所用的具体土壤系列包括：休斯顿黑土（32 个单体），一种典型的低地黏土（Vertisol，湿润型钙积始成土）；奥斯汀土（32 个单体），一种高碳酸盐含量的粉质黏土（Mollisol，湿润典型钙积始成土），典型分布于高地；以及巴特西尔土（16 个单体），一种冲积性砂质壤土（Alfisol，湿润淡色始成土）。
LYCOG 采用的操作原理是利用植物的光合作用能力来消耗 CA 来自在封闭腔室内定向移动的空气团。处理目标是保持白天C的恒定线性梯度A 从 500 到 250 µl L-1为此，LYCOG 包含两个线性腔室，其中一个超环境腔室用于维持从 500 至 390（环境）µl L 的梯度部分-1 CA，以及一个维持390至250 µl L的亚常温室-1 梯度的一部分。两个腔室并排排列，呈南北走向。CA 在植被光合能力充足的时期，即通常从四月下旬到十一月上旬，梯度得以维持。
这些腔室配备了用于调节CA梯度、将空气温度（TA）控制在接近环境水平以及向所有土壤施加均匀降水量的传感器和仪器。土壤为从附近黑土草原采集的完整单体，安装在水文隔离的称重式蒸渗仪中，该蒸渗仪配备仪器以测定水分平衡的所有组分。水分以接近平均降水年份降雨事件的体积和时间频率进行施加，以模拟降水的季节性变化。因此，LYCOG能够评估从低于环境到高于环境的CA浓度以及土壤类型对草地生态系统功能（包括水分和碳收支）的长期影响。
LYCOG 是美国农业部农业研究局草地、土壤与水资源研究所开展的第三代 CA 梯度实验。第一代为从低于环境浓度到环境浓度的原型梯度实验，验证了梯度方法的可行性13，并深化了我们对植物叶片水平生理响应在低于环境 CA 条件下变化的理解14–20。第二代实验将该理念应用于多年生 C4 草地生态系统，将梯度范围扩展至 200 至 550 µL L-1 21。该田间尺度实验首次表明，草地生产力随 CA 富集而增加的趋势可能在接近当前环境浓度时达到饱和20，部分原因是氮素有效性可能在高于环境的 CA 条件下限制植物生产力22。LYCOG 在第二代实验基础上进一步发展，引入了具有不同质地的重复土壤处理，从而能够严格检验土壤因子与草地群落对 CA 响应之间交互作用的影响。

<table><tbody><tr><td>数据记录仪，多路复用器</td><td>Campell Scientific，美国犹他州洛根</td><td>CR-7、CR-10、CR-21X、SDM-A04、SDM-CD16AC、AM25T</td><td></td></tr><tr><td>热电偶：铜-康铜</td><td>Omega Engineering, Inc.，美国康涅狄格州斯坦福德</td><td>TT-T-40-SLE，TT-T-24-SLE</td><td></td></tr><tr><td>量子传感器</td><td>Li-Cor 生物科学公司，林肯，内布拉斯加州，美国</td><td>LI-190SB</td><td></td></tr><tr><td>CO2/H2O 分析仪</td><td>Li-Cor 生物科学公司，林肯，内布拉斯加州，美国</td><td>LI-7000</td><td></td></tr><tr><td>称重式蒸渗仪</td><td>Avery Weigh-Tronix，休斯顿，德克萨斯州，美国</td><td>DSL-3636-10</td><td></td></tr><tr><td>空气采样泵</td><td>Grace Air Components，美国德克萨斯州休斯顿</td><td>VP 0660</td><td></td></tr><tr><td>露点发生器</td><td>Li-Cor 生物科学公司，美国内布拉斯加州林肯市</td><td>LI-610</td><td></td></tr><tr><td>冷水冷却器</td><td>AEC应用工程，美国伊利诺伊州伍德代尔</td><td>CCOA-50</td><td></td></tr><tr><td>冷水流量控制值</td><td>美国康涅狄格州丹伯里，Belimo 空气控制公司</td><td>LRB24-SR</td><td></td></tr><tr><td>冷水冷却盘管</td><td>Coil Company，Paoli，PA，美国</td><td>WC12-C14-329-SCA-R</td><td></td></tr><tr><td>二氧化碳制冷液</td><td>美国德克萨斯州坦普尔市，Temple Welding Supply公司</td><td>UN2187</td><td></td></tr><tr><td>聚乙烯薄膜</td><td>加拿大安大略省多伦多市 AT Plastics</td><td>Dura-film Super Dura 4</td><td></td></tr><tr><td>鼓风机电机/控制器</td><td>Dayton Electric，Lake Forest，IL，美国</td><td>2M168C/4Z829</td><td></td></tr><tr><td>螺线管</td><td>工业自动化，Cornelius，NC，美国</td><td>U8256B046V-12/DC</td><td></td></tr><tr><td>渗滤液收集泵</td><td>Gast Manufacturing，本顿港，密歇根州，美国</td><td>0523-V191Q-G588DX</td><td></td></tr></tbody></table>

用于研究 co2 浓度升高及土壤因素对草地生态系统功能影响的 co2 浓度梯度实验装置

A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

大气中二氧化碳浓度持续上升（CA）要求采用能够检测对陆地生态系统影响的技术方法。大多数实验仅考察两个或少数几个碳（C）水平的影响A 浓度和单一土壤类型，但如果 CA 可以在多种土壤上以低于环境浓度到高于环境浓度的梯度变化，从而判断过去生态系统的响应在未来是否可能线性延续，以及响应在不同景观区域间是否存在差异。Lysimeter 二氧化碳梯度设施施加 250 至 500 µl L⁻¹ 的二氧化碳梯度-1 CA 梯度至建立在含有黏土、粉质黏土和砂质土壤的溶滤计上的黑土草原植物群落。该梯度通过将植被封闭在温控室中，使气流沿特定方向通过时，植物光合作用逐步消耗空气中的二氧化碳而形成。维持适当的气流速率、充足的光合能力以及温度控制，对于克服系统主要限制因素——夏季光合速率下降和水分胁迫增加——至关重要。该设施是一种相较于其他碳研究技术更具经济性的替代方案。A 富集，成功识别出生态系统对低于至高于环境水平的C的响应形态A 富集，并可调整用于检测二氧化碳与其他温室气体（如甲烷或臭氧）之间的相互作用。

梯度的高环境部分和低环境部分分别维持在不同的腔室中（图1）。然而，在七年的运行期间（2007–2013年），各腔室在CA浓度上维持了从500到250 µl L-1的线性梯度（图2），仅在富集腔室（Monolith 40）出口与梯度低环境部分（Monolith 41）入口之间的CA上存在微小的不连续性。
在高环境和低环境温室内，除高环境温室的第10区以及低环境温室的第19和20区外，各区域的空气温度和水汽压差均保持恒定，其中上述区域的空气温度平均比其他区域高约3°C（图2）。然而，每个区域内仍可能出现5–7°C的显著升温，并伴随水汽压差的相应升高。
在2007年至2013年生长季的平均值基础上，三种土壤中有两种的土壤体积含水量（vSWC）沿CA梯度呈线性变化（图3）。在砂质壤土（Bastsil系列）中，土壤剖...

溶渗仪二氧化碳梯度设施可在温度受控的培养室内，于黏土、粉质黏土和砂质土壤单体上建立250至500 µl L-1的线性二氧化碳梯度。该设施用于研究过去和未来的二氧化碳浓度如何影响草原生态系统的碳循环过程。

用于研究 CO2 浓度升高及土壤因素对草地生态系统功能影响的 CO2 浓度梯度实验装置

大气二氧化碳浓度（CA）的持续上升要求采用相应技术来研究其对陆地生态系统的影响。大多数……

本实验的总体目标是确定大气中二氧化碳浓度的过去及未来升高如何影响草原生态系统的生产力、水分平衡和碳循环。该研究包括监测二氧化碳对不同类型土壤的影响。我们的实验有助于回答有关气候变化对草原影响的关键生态学问题，包括草原在多大程度上可能抵消大气浓度上升所带来的影响。CO2 本方法的独特优势在于能够确定自工业革命开始以来二氧化碳浓度升高所产生的影响，并能够预测未来二氧化碳影响可能发生的变化。我们创建起始二氧化碳浓度的方法，是利用所研究的植物自身来形成二氧化碳梯度。这种调控二氧化碳及其对草地生态系统影响的方法，由我实验室于20世纪80年代后期开发。本文记录的实验是第三代二氧化碳梯度实验。采集土壤单体时，使用一个一米见方、一米深的敞口钢箱。钢箱壁厚至少为八毫米。随后将在底部焊接基座。使用固定在土壤中的、深三米的螺旋锚将液压机固定，再将箱体压入预定土壤中。将箱体压入土壤后，用反铲挖掘机挖除周围土壤。将整段土体从下方土壤中切割分离，并取出土柱。将一条玻璃纤维灯芯紧贴土壤放置。在箱体底部，灯芯将水分排入一个10升的储水罐中，该储水罐已焊接固定在图示钢箱的底部。蓄水池用于收集实验过程中可能从单体土柱中渗出的水分，同时为采集水样进行化学分析提供便利。将待研究的植物物种以适合该物种研究密度的方式种植于单体土柱中。如有必要，可使用无残留型除草剂（如草甘膦）清除单体土柱上已有的植被。对于高草草原物种，每平方米种植56株较为适宜。每个单体中使用七种物种的八株幼苗，采用独特的随机化方式以拉丁方阵模式进行排列。此处使用的草种包括侧穗草、奶奶草、小蓝茎草、印第安草和白须草。所用的花卉物种包括瓶子草、加拿大鼠尾草、金rod和伊利诺伊捆花。在建植期间，豆科植物采用滴灌或喷灌方式，以确保植株获得充足的水分。目标是在植物建植阶段尽量减少水分胁迫，灌溉量和频率应根据研究物种的需求进行适当调整。植物建植阶段结束后，依靠自然降雨维持植株生长，直至完成围隔结构的建设。整体式腔室被安装在宽约7米、深1.5米、长60米的沟槽中。每条沟槽可容纳两个腔室，每个腔室包含10个相互连接的节段。每个容器之间间隔1米，共安装10个由重型钢材制成的容器。这些结构构成每个部分的基础，每个部分可容纳四个整体柱。使用金属板风管连接相邻部分，以提供气流通道。在每个风管内安装冷却盘管。线圈由一台161千瓦的制冷机组提供10摄氏度的冷却水。每个线圈的冷水流量通过一个控制阀进行调节，该控制阀根据舱内空气温度作出响应。在每个五米长的容器段下方放置四个量程为4,540千克的电子秤，每个秤上放置一个已建立好草原植物的栽培柱。每个五米长的区段应随机排列两种土壤类型的单体，各区段内的土壤类型组合也应随机化，并在每隔一个区段的组合中包含砂质壤土。为完成小室搭建，用0.15毫米厚的温室薄膜覆盖每个区段，这种薄膜常用于气候调控实验。为便于按需接触植物，在覆盖膜上安装带防风 flap 的拉链开口。必要时可打开盖子进行取样或维护。在整个生长季节中，只要植被的光合能力足以维持 CO2 梯度，就应保持植被覆盖。每 20 分钟对每个腔室的进气口和出气口处空气进行一次采样。将空气通过过滤后的气路导入红外气体分析仪，以实时测量 CO2 浓度。同样，每 20 分钟测量一次水蒸气含量。此外，对于每个区段，使用屏蔽细丝热电偶在空气入口、区段中点和空气出口处每 20 分钟测量一次环境温度。利用样本温度数据，调节冷却盘管，以维持各区域之间一致的中部环境空气温度。最后，测量照射在室内的光合光子通量密度。使用量子传感器，通过室入口处的风扇将环境空气吸入超环境空气室内。使用质量流量控制器将纯 CO2 注入腔室，并将浓度维持在每升空气中 500 微升。同时调节风扇速度，使腔室出口气体中的 CO2 浓度达到每升空气中 390 微升。在光合光子通量密度测量中使用 CO2。为了维持该参数，较低速度的控制是保持规定 CO2 梯度最关键的方面。对于低于环境浓度的气室，引入环境空气并调节风扇速度，使夜间排出的 CO₂ 浓度达到 250 微升/升。反转两个气室中的气流方向，并设置气体注入和风扇，以满足高环境浓度气室中的以下参数。将进入的空气中的 CO2 浓度 enrich 至每升 530 微升，并调节气流，使空气在亚环境培养室出口处的 CO2 浓度为每升 640 微升。调节空气，使 CO2 水平在入口处为每升 390 微升，出口处为每升 530 微升，以实现沉淀。应用平均生长季条件。向每个单体结构降雨。使用来自本地水源的滴灌系统，模拟季节性降雨模式。使用数字流量计测量施加的水量。确保单体中的植物得到充分浇水以避免严重干旱胁迫至关重要。这样，植物的光合速率才能保持足够高，以建立并维持 CO2 梯度。若在部分单体中种植具有高光合速率的汇流植物，将有助于实现这一目标。在七年的运行期间，草原草单体结构的实验舱内大气 CO2 浓度保持线性梯度，仅存在微小的间断。除一个区段外，土壤表层 20 厘米内的温度和水汽压亏缺也保持恒定。在本研究的三种土壤中，有两种土壤的体积含水量沿 CA 梯度呈线性变化，仅在粉砂质黏土中存在此种情况。该参数无变化。植物生产力采用地上部分净初级生产力指标进行测量。在所有土壤中，该指标与CA呈线性变化关系。施用碳酸氢铵（CA）后，黏土土壤中的植物响应最低，而砂质壤土中的响应最高。实验中数量最多的植物为中温型四碳高粱草（Mesic C four Tallgrass Sarga Newan）。在砂质壤土中，该植物对碳酸氢铵（CA）的响应最为显著，而在黏土土壤中仅表现出微弱的响应。苏黎世C四中生草BTU Lua Kerti垂枝型是总体中第二丰富的物种，在亚适生境的粉质粘土土壤中也是如此。它是该生境中最丰富的物种。其生产力在粉质粘土上受ca影响最大，在粘土上受ca影响最小。观看本视频后，您应能充分了解如何建立和维护用于调控 CO2 浓度梯度的实验性植被，并理解为控制该 CO2 梯度所需测量的关键参数。该设施的建设大约需要两年时间，但可支持长达数十年的植物对过去和未来 CO2 水平响应的研究。此类长期研究对于深入理解大气 CO2 浓度升高对草地碳循环的影响至关重要。该方法可应用于任何可放入培养室的植物物种。

a-co2-concentration-gradient-facility-for-testing-co2-enrichment-soil

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Environment

环境

一个外线<sub&gt; 2</sub&gt;浓度梯度用于测试CO<sub&gt; 2</sub&gt;浓度与土壤对草地生态系统功能的影响

为了测定土壤胞外酶活性的潜在速率，将与荧光染料结合的合成底物添加到土壤样品中。当酶催化反应使荧光染料从底物上释放出来时，通过检测荧光强度来测定酶活性，荧光强度越高，表明底物降解越多。...

高通量荧光法测定潜在土壤胞外酶活性

本文描述了一个占地1,000 m2的实验设施的设计、构建与功能，该设施包含24个独立的33.6...

城市径流研究设施的设计与建造

理解环境异质性在物种共存中的作用通常集中在群落物种组成外部的异质性类型上。我们提供了利用经历植物-土壤反馈调控的土壤来创建土壤异质性处理的新颖且详细的方法，即与群落组成相关的内在异质性。...

操纵植物诱导的土壤异质性实验方案

原位溶质渗漏法和孔隙水采样可使研究人员评估施用于土壤及已建立植被的化学物质的归趋。本实验方案的目的是演示如何在整合的原位溶质渗漏法与孔隙水采样实验中安装所需仪器并采集用于化学分析的样品。...

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本文详细演示了一种完整的土壤芯渗漏水收集器的提取与组装方法，并展示了其在研究地表施用家禽粪便后淋滤液及伴随养分流失方面的应用。...

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本研究介绍了一种用于研究土壤渗漏计中地下水分、地球化学及微生物异质性的挖掘方法。该渗漏计模拟了一个最初处于均质条件的人工坡面，在18个月期间经过八次灌溉，累计接受了约5,000...

用于水文、地球化学与微生物学耦合研究的土壤溶滤器采样

近年来的研究表明，重复土壤采样是监测森林土壤在多年乃至数十年间变化的有效方法。为了支持该方法的应用，本文提供了一项综合了最新土壤再采样技术信息的方案，以协助设计和实施成功的土壤监测项目。...

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传统的土壤采样方法任意地确定土壤样本数量。本文提出一种简单而高效的聚类土壤采样设计，用于展示土壤空间异质性，并定量确定所需土壤样本数量及相关采样精度。...

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本文介绍了通过土壤生物活动增强矿物风化的实验装置的构建与操作方法，同时调控已知可促进风化的非生物变量。讨论了该装置运行及样品分析的代表性结果，并提出了改进方向。...

设计与构建通过土壤生物活动增强矿物风化的实验装置

本文介绍了一项在iDiv Ecotron中开展的研究。iDiv...

JenaTron——一种研究植物历史和土壤历史对草地生态系统功能影响的实验方法

了解利用CO₂浓度梯度研究草地生态系统生产力、水分平衡与碳循环的方法。本实验通过监测不同土壤类型上的植物群落响应，揭示气候变化对草原生态的影响机制。

用于研究 CO₂ 浓度升高及土壤因素对草地生态系统功能影响的 CO₂ 浓度梯度实验装置

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