Ein CO 2 Konzentration Gradient Facility for Testing CO 2 Enrichment und Boden Auswirkungen auf Grünland-Ökosystemen Funktion

Zusammenfassung

Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Einrichtung schafft ein 250 bis 500 & mgr; ^L -1 linearen Kohlendioxid-Gradienten in temperaturgeregelten Kammern Gehäuse Grünlandpflanzengemeinschaften auf Sand, schluffiger Ton und Sandbodenmonolithen. Die Anlage wird verwendet, um festzustellen, wie Vergangenheit und Zukunft Kohlendioxidspiegel beeinflussen Grünland Kohlenstoffkreislauf.

Zusammenfassung

Weiter steigenden atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen (C _A) Mandat Techniken zur Untersuchung von Auswirkungen auf terrestrische Ökosysteme. Die meisten Experimente untersuchen, nur zwei oder ein paar Ebenen der C _{eine Konzentration} und eine einzige Bodentyp, aber wenn C _A kann als ein Gradient von unter Umgebungskonzentrationen auf mehreren Böden superambient variiert werden, können wir erkennen, ob Vergangenheit Ökosystem Antworten können linear in der weiterhin Zukunft und ob Antworten können über die Landschaft verändern. Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Fazilität gilt eine 250 bis 500 & mgr; ^L -1 C _{einen Verlauf} Blackland Grasland Pflanzengesellschaften auf Lysimeter Ton, schluffiger Ton und Sandböden enthalten, etabliert. Der Gradient wird als Photosynthese durch die Vegetation in in temperaturgeregelten Kammern eingeschlossen erstellt schrittweise verbraucht Kohlendioxid aus der Luft gerichtet durch die Kammern strömt. Ausreichender Luftdurchsatz, angemessene photosynth e tisches Kapazität und Temperaturkontrolle sind entscheidend, um die wichtigsten Einschränkungen des Systems, die rückläufigen werden Photosyntheseraten und erhöhte Wasserstress im Sommer zu überwinden. Die Anlage ist eine kostengünstige Alternative zu anderen Techniken der C _A Anreicherung, erfolgreich erkennt die Form der Antworten Ökosystem unter Umgebungs zu superambient C _eine Bereicherung, und kann angepasst werden, um Wechselwirkungen von Kohlendioxid mit anderen Treibhausgase wie Methan und Ozon zu testen.

Einleitung

Atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration (C _A) hat vor kurzem erhöhte letzten 400 & mgr; ^L -1 von etwa 270 & mgr; ^L -1 vor der industriellen Revolution. C _A voraussichtlich um mindestens 550 & mgr; ^L -1 bis 2100 ¹ zu erreichen. Diese Steigerungsrate übertrifft alle in den letzten 500.000 Jahre beobachtet C _A ändert. Die beispiellose Änderungsrate der C _A wirft die Möglichkeit der nicht-linearen oder Schwellen Reaktionen von Ökosystemen zur Steigerung C _A. Die meisten Ökosystem-Skala C _Ein Anreicherungsversuche gelten nur zwei Behandlungen, eine einzige Ebene der angereicherten C _{A und} Kontrolle. Diese Experimente haben stark unser Verständnis der Auswirkungen auf das Ökosystem des C _Eine Bereicherung erweitert. Ist jedoch ein alternativer Ansatz, der das Vorhandensein von nichtlinearen Ökosystem Reaktionen auf steigende C _A offenbaren kann die Ökosysteme in einem kontinuierlichen Bereich von unter Umgebungs zu studierensuperambient C _A. Unter Umgebungs C _A ist schwierig, auf dem Gebiet zu halten und wurde am häufigsten unter Verwendung von Wachstumskammern ² untersucht. Superambient C _A wurde unter Verwendung von Wachstumskammern, Open-Top-Kammern und Freiluftanreicherungstechniken ^{3, 4} untersucht.

C _Eine Anreicherung erfolgt über Landschaften viele Bodentypen enthalten. Böden Eigenschaften stark beeinflussen Ökosystem antwortet C _Eine Bereicherung. Beispielsweise bestimmt Bodentextur die Retention von Wasser und Nährstoffe im Bodenprofil ^5, ihre Verfügbarkeit für Pflanzen ^6, und die Menge und Qualität der organischen Substanz ^7-9. Die Verfügbarkeit von Bodenfeuchtigkeit ist ein entscheidender Vermittler der Ökosystem antwortet C _Eine Anreicherung in Wasser beschränkt Systeme, darunter die meisten Grasland ^10. Historische Feld C _Ein Anreicherungsversuche haben in der Regel untersucht nur eine Bodenart, und kontrollierte Tests kontinuierlich varying C _Eine Bereicherung über mehrere Bodentypen fehlen. Wenn Auswirkungen der C _Eine Anreicherung auf Ökosystemprozesse unterscheiden sich Bodentyp, gibt es guten Grund zu räumliche Variation in Reaktionen Ökosystem C _Eine Bereicherung und anschließenden Änderungen im Klima ^{11, 12} zu erwarten.

Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient (LYCOG) Anlage wurde entworfen, um Fragen der räumlichen Variation in nicht-linearen und Schwellen Reaktionen von Ökosystemen, in C _A Mengen im Bereich von ~ 250 bis 500 & mgr; ^L -1 anzugehen. LYCOG schafft die vorgeschriebenen Gradienten von C _A auf mehrjähriger Grünland Pflanzengemeinschaften wachsen auf Böden, die die breite Palette von Textur, N und C-Gehalte und hydrologischen Eigenschaften von Grasland im südlichen Teil des US Central Plains. Spezifische Böden Serie in der Anlage verwendet werden, sind Houston Schwarz-Ton (32 Monolithen), ein Vertisol (Udic Haplustert) typisch für Niederungen; Austin (32 Monolithen), einen Hoch carbonate, schluffiger Ton Mollisol (Udorthentic Haplustol) typischen Hochland; und Bastsil (16 Monolithen), eine alluviale sandiger Lehm Alfisol (Udic Paleustalf).

Das Funktionsprinzip in LYCOG eingesetzt wird, um die Photosyntheseleistung von Pflanzen, um C _Ein Abbau von Paketen von Luft bewegt gerichtet durch die geschlossenen Kammern zu nutzen. Das Ziel der Behandlung ist es, eine konstante lineare Tagesverlauf in _C A 500 ​​bis 250 & mgr; ^L -1 erhalten. Um dies zu erreichen, LYCOG besteht aus zwei linearen Kammern eine superambient Kammer Aufrechterhalten der Phase des Gradienten 500-390 (Umgebungs-) ul ^L -1 C _{A und einem} bei unter Umgebungskammer Beibehaltung der 390 bis 250 & mgr; ^L -1 Abschnitt des Gradient. Die beiden Kammern nebeneinander angeordnet sind, auf eine Nord-Süd-Achse ausgerichtet ist. Der C _{ein Gradient} während des Teils des Jahres, wenn Vegetation Photosyntheseleistung ist ausreichend gehalten wird; typischerweise vonEnde April bis Anfang November.

Die Kammern enthalten Sensorik und Messtechnik erforderlich, um die C _regulieren eine Steigung, Kontrolle der Lufttemperatur (T _A) in der Nähe von Umgebungswerte und gelten einheitliche Niederschlagsmengen auf allen Böden. Die Böden sind intakten Monolithen aus dem nahe gelegenen Blackland Grasland in hydrologisch-isoliert mit einem Gewicht von Lysimeter instrumentiert, um alle Komponenten des Wasserhaushalt bestimmen installiert gesammelt. In Ereignisse des Volumen und der Zeitpunkt, die die Saisonalität des regen Veranstaltungen anzunähern und beträgt bei einer durchschnittlichen Niederschlags Jahr wird Wasser eingesetzt. Somit ist LYCOG in der Lage ist die Bewertung der langfristigen Auswirkungen der unter Umgebungs bis C _A superambient und Bodentyp auf Grünland Ökosystemfunktionen einschließlich Wasser und Kohlenstoffbudgets.

LYCOG ist die dritte Generation der C _{Ein Gradient} Experimente von USDA ARS Grünland Soil and Water Research Laboratory durchgeführt. Die erste Generation war ein Prototyp, um unter UmgebungsUmgebungs Gradienten, die die Lebensfähigkeit des Gradienten Ansatz ¹³ gegründet und erweiterte unser Verständnis der Blattebene physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Variation in C unter Umgebungs _A ^14-20. Die zweite Generation war ein Feld angelegte Anwendung des Konzepts _bis C4-Grasland Mehrjährige Pflanze, mit dem Farbverlauf, um 200 bis 550 & mgr; ^L -1 ²¹ erweitert. Dieses Feld angelegte Experiment lieferte den ersten Beweis, dass Grünland Produktivitätssteigerungen mit C _Eine Anreicherung kann sättigen in der Nähe von Strom die Konzentrationen ^20, zum Teil, weil die Stickstoffverfügbarkeit kann die Produktivität der Anlage bei superambient C _{^A 22} zu begrenzen. LYCOG erweitert diese zweite Generation experimentieren, indem repliziert Böden unterschiedlicher Textur, so dass robuste Tests für interaktive Effekte der Böden auf dem C _{Eine Antwort} von Grünland Gemeinden.

Protokoll

1. Sammeln Bodenmonolithen als Wiege Lysimeter eingesetzt werden

1. Konstruieren Sie offene Stahlboxen 1 x 1 m Platz, der von 1,5 m tief aus 8 mm starkem Stahl.
2. Drücken Sie die offenen Boxen vertikal in den Boden, mit hydraulischen Pressen auf Spiralanker befestigt gebohrt 3 m tief in den Boden.
3. Auszugraben die eingehüllte Monolithen mit einem Bagger oder ähnliche Geräte.
4. Platzieren einer Glasfaserdocht in Kontakt mit dem Erdreich an der Basis des Monolithen. Übergeben Sie den Docht durch das Stahlgestell in einen 10 L Reservoir, um den Monolithen entleeren und dann schweißen die Stahlbasis auf den Boden der Box.
5. Tötet vorhandene Vegetation auf den Monolithen durch Aufbringen einer nicht-Herbizid mit wie Glyphosat.

2. Stellen Pflanzen Gemeinschaften für Bodenmonolithen

1. Pflanze die Monolithen mit je sieben Arten von tallgrass acht Sämlinge Gräsern und gras forbs, für eine Gesamtdichte von 56 Pflanzen pro ^m 2.
   1. Pflanzen folgende Grasses: Bouteloua curtipendula (side-Hafer grama), Schizachyrium scoparium (kleine bluestem), Sorghastrum nutans (Indiangrass), Tridens albescens (weiß tridens)].
   2. Pflanzen Sie die folgenden Forbs: Salvia azurea (Pitcher Salbei), Solidago canadensis (Kanadische Goldrute), Desmanthus illinoensis (Illinois bundle, eine Hülsenfrucht).
2. Pflanzenkeimlingen in einem lateinischen Quadrats, für jedes Monolithen erneut randomisiert.
3. Wasser Die Transplantate für ca. 2 Monate nach der Pflanzung. Ziel ist es, Wasserstress während der anfänglichen Einrichtung zu minimieren. Verwenden Sie ein beliebiges geeignetes Verfahren, wie beispielsweise einer Hand Zauberstab oder Gartensprenger. Die Häufigkeit der Bewässerung hängt von den örtlichen Klima- und Wetter, insbesondere das Auftreten von Umgebungs Niederschläge.
4. Nach der ersten Transplantation Gründungsphase, pflegen die Transplantate unter Umgebungsniederschlag für so lange wie nötig, während Kammern (Abschnitt3) ausgebildet sind. Entfernen Sie unerwünschte Arten, die während der Einrichtung durch das Jäten von Hand in den Monolithen entstehen.

3. Kammer Entwurf

1. Konstruieren Sie zwei Kammern jeweils 1,2 m breit, 1,5 m hoch und 60 m lang, in zehn 5 m lange Abschnitte unterteilt. Konstruieren Sie Ausschnitte aus schwerem Stahl mit den Abmessungen 5 mx 1,2 mx 1,6 m tief, bis 1,5 m begraben.
   1. Legen Sie vier Monolithen in jedem Abschnitt, die jeweils von zwei der Bodenarten, in zufälliger Reihenfolge zwei Monolithen. Installieren Sie jedes Monolithen auf einem 4540 kg Tragkraft Gleichgewicht.
   2. Fügen Bastsil Monolithen in den Paarungen in geraden Abschnitten.
2. Registriert benachbarten Abschnitten mit einem 1 m langen x 1 m Breite x 0,3 m groß Blechkanal oberirdisch, einen Weg für die Luftzirkulation sorgen.
   1. Zufuhrkühlmittel bei 10 ° C aus einem 161,4 kW Kälteeinheit mit einer Kühlspule in jedem Kanal.
   2. Schließen Sie die Vegetation mit klaren Gewächshaus-Film (Dicke 0,006 "/. 15 mm), wie in anderen verwendetKlima Manipulationsexperimente ^23.
   3. Passen jede Abdeckung mit einem Reissverschluss gesichert durch eine Windleiste, um den Zugang zu den Monolithen für die Probenahme zu ermöglichen.
   4. Entfernen Sie den Deckel aus Polyäthylen am Ende der Vegetationsperiode.

4. _CO2 und Lufttemperaturmessung; Temperaturkontrolle

1. Probe-und Ausstieg C _A auf beiden Kammern alle 2 min durch gefilterte Luft Probenleitungen an der Ein- und Ausreise von superambient und unter Umgebungskammern befinden. Diese Daten informieren _CO 2 Einspritzung und Steuerung der Lüftergeschwindigkeit.
   1. Probe C _A und Wasserdampfgehalt, und messen Lufttemperatur (T _A) an der Ein- und Ausreise von jeweils 5 m Schnitt bei 20 min-Takt.
   2. Messen alle Luftproben für _CO 2 und Wasserdampfgehalt in Echtzeit unter Verwendung von Infrarot-Gasanalysatoren nach dem Protokoll des Herstellers.
   3. Messen Sie T _A am Eingang, Mittelpunkt, eind Ausgang jedes Abschnitts mit geschirmten Feindrahtthermoelementen.
2. Regulieren die Strömung des Kühlmittels durch die Kühlschlange am Eingang eines jeden Abschnitts, um eine konsistente Mittelwert (Mittelteil) T _A von Abschnitt zu Abschnitt in der Nähe der Umgebungs T _A zu erhalten.
3. Positionieren Sie einen Quantensensor, um eine freie Sicht auf den Himmel haben, und messen photosynthetischen Photonendichte nach dem Protokoll des Herstellers. Lichtstärke ist ein Eingang zu dem Gebläse-Regelalgorithmus.

5. C _A Behandlung Anwendungs

1. Daytime
   1. Mischungs reinem Kohlendioxid _(CO 2) durch Umgebungsluft auf 500 & mgr; ^L -1 C _A, unter Verwendung eines Massenflussreglers im Eingangskanal der superambient Bein. Siehe Abschnitt 4 C _A Mess Details.
   2. Advektieren die angereicherte Luft durch die Kammern mit Gebläse Fans am Eingang Nummer 1 und in nachgelagerten Bereiche.
   3. Maintain den gewünschten Ausgang C _A von 390 & mgr; ^L -1 (Umgebungsluft) durch Einstellung der Gebläsedrehzahl.
      1. Erhöhen Sie die Gebläsedrehzahl, wenn der Ausgang C _A ist unter den Sollwert. Dies erlaubt, dass weniger Zeit für die Aufnahme durch Pflanzen _aus CO 2, was zu einer höheren Austritts C _A.
      2. Verringern Sie die Gebläsedrehzahl, wenn die Ausfahrt C _A ist über dem Sollwert.
   4. Verwenden Sie die gleiche Vorgehensweise in der unter Umgebungskammer mit Ausnahme einzuführen Umgebungsluft und Kontrolle, um die Ausfahrt C _A von 250 & mgr; ^L -1 zu erreichen.
2. Nachtzeit
   1. Kehren Sie die Richtung des Luftstroms.
   2. Injizieren _CO 2 in die Tagesaustrittsende der superambient Kammer bis 530 & mgr; ^L -1 C _A zu erreichen, und die Steuerung Advektion Raten bis 640 & mgr; L zu erhalten ^{-1 bei} der nächtlichen Ausfahrt (tags Eingang.
   3. Einzuführen Umgebungsluft bei ~ 390 & mgr; ^L -1 _CO 2 in die Nachteingang(tagsüber exit) des unter Umgebungskammer und Steuer Advektion Rate bis 530 & mgr; L zu erhalten ^{-1 bei} der nächtlichen Ausgang.

6. Niederschlag Eingänge

1. Übernehmen Sie die mittlere Wachstumssaison Regenmenge zu jeder Monolith.
   1. Liefern Wasser in jedes Monolithen aus einer Hauswasserquelle durch eine Tröpfchenbewässerung. Planen Sie die Bewässerungs Veranstaltungen und Aufwandmengen, um die saisonalen Niederschläge Muster für das Experiment Ort anzunähern. Der genaue Zeitplan hängt von den örtlichen Klima.
2. Steuerungsanwendung Timing mit einem Datenlogger und messen Anwendungs-Volumes mit Durchflussmessern.

7. Sampling

1. Messen Sie Vertikalprofile der volumetrischen Bodenwassergehalt (vSWC) wöchentlich während der Zeit der _CO 2-Steuerung, mit einer Neutronendämpfungsmessgerät oder eine andere geeignete Sonde.
   1. Empfohlen Profil Schritten sind 20 cm Tiefe Schritten zu 1 m dePTH und ein 50 cm Schrittweite unter einer 1 m.
2. Maßnahme Monolithen oberirdisch Nettoprimärproduktivität (ANPP) durch Ernten aller ständigen oberirdischen Biomasse am Ende der Vegetationsperiode.
   1. Alle oberirdischen Biomasse wird jedes Jahr entfernt, daher stehen Biomasse stellt aktuelle Primärproduktion.
   2. Sortieren Sie die abgetasteten Biomasse nach Arten, trocken bis zur Massenkonstanz und wägt.
   3. Verwenden Biomasse der einzelnen Arten an Pflanzenarten Beiträge zu ANPP quantifizieren.

Ergebnisse

Die superambient und unter Umgebungsabschnitte der Gradient in separaten Kammern (1) gehalten wird. Jedoch mehr als sieben Jahren Betrieb (2007 - 2013), erhalten die Kammern eines linearen Gradienten in C _{A-Konzentration} von 500 bis 250 & mgr; ^L -1 (Abbildung 2) mit einer nur geringen Diskontinuität in _C A zwischen dem Austritt der angereicherten Kammern (Monolith 40) und dem Eingang des unter Umgebungsabschnitt des Gradienten (Monolith 41).

Diskussion

Die LYCOG Anlage erreicht ihre operative Ziel der Aufrechterhaltung einer 250 bis 500 & mgr; ^L -1 kontinuierlichen Gradienten von C _{A-Konzentrationen} auf experimentellen Grünland Gemeinschaften auf drei Bodentypen etabliert. Die Veränderung der C _A ist linear über den vorgegebenen Bereich. Lufttemperatur in jedem Abschnitt erhöht, jedoch wurde von den zwischen Schnitt Kühlschlangen in den meisten Abschnitten zurückgesetzt. Als Ergebnis wurde die Betriebs Ziel der Beibehaltung einer k...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Datenlogger, Multiplexer	Campell Scientific, Logan, UT, USA	CR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
Thermoelemente: Kupfer-Konstantan	Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, USA	TT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
Quantensensor	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-190SB
CO2/H2O-Analysator	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-7000
Lysimeterwaage	Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, USA	DSL-3636-10
Luftprobenahmepumpe	Grace Air Components, Houston, TX, USA	VP 0660
Taupunktgenerator	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-610
Kaltwasserkühler	AEC Application Engineering, Wood Dale, IL, USA	CCOA-50
Werte für die Durchflussregelung von Kaltwasser	Belimo Air Controls, Danbury, CT, USA	LRB24-SR
Kaltwasserkühlschlangen	Coil Company, Paoli, PA, USA	WC12-C14-329-SCA-R
Kohlendioxid gekühlte Flüssigkeit	Temple Welding Supply, Temple, TX, USA	UN2187
Polyethylenfolie	AT Plastics, Toronto, ON, Kanada	Dura-Folie Super Dura 4
Gebläsemotor / -steuerung	Dayton Electric, Lake Forest, IL, USA	2M168C / 4Z829
Magnete	Industrielle Automatisierung, Cornelius, NC, USA	U8256B046V-12 / DC
Sickerwassersammelpumpe	Gast Manufacturing, Benton Harbor, MI, USA	0523-V191Q-G588DX