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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, zu bestimmen, wie sich vergangene und zukünftige Anstiege des atmosphärischen Kohlendioxids auf die Produktivität des Graslandökosystems, den Wasserhaushalt und den Kohlenstoffkreislauf auswirken. Die Studie umfasst die Überwachung der Wirkung von Kohlendioxid auf verschiedene Bodentypen. Unser Experiment kann dazu beitragen, wichtige ökologische Fragen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf Grünland zu beantworten, einschließlich ihres Potenzials, die Auswirkungen des Luftaufstiegs auszugleichen.

CO2 Der einzigartige Vorteil unseres Ansatzes liegt darin, die Auswirkungen der CO2-Anreicherung seit Beginn der industriellen Revolution zu ermitteln und zu bestimmen, wie sich die CO2-Auswirkungen in Zukunft verändern könnten. Unser Ansatz für den Start von CO2 beruht darauf, dass die Pflanzen, die wir untersuchen, verwendet werden, um ihre eigenen CO2-Gradienten zu erzeugen. Dieser Ansatz zur Manipulation von CO2 und den Auswirkungen auf Grünlandökosysteme wurde Ende der 1980er Jahre in unserem Labor entwickelt.

Bei dem hier dokumentierten Experiment handelt es sich um die dritte Generation von CO2-Gradientenexperimenten. Um Erdmonolithen zu sammeln, verwenden Sie eine offene Stahlkiste, die einen Quadratmeter groß und einen Meter tief ist. Der Stahl muss mindestens acht Millimeter dick sein.

Später wird ein Sockel angeschweißt. Drücken Sie die Kiste mit einer hydraulischen Presse, die mit drei Meter tiefen Hele-Ankern am Boden befestigt ist, in den gewünschten Boden. Nachdem Sie den Kasten in den Boden gedrückt haben, heben Sie den umliegenden Boden mit einem Bagger aus.

Schneiden Sie den Monolithensockel von der Erde darunter ab und entfernen Sie den Monolithen. Lege einen Fiberglasdocht gegen den Boden. Am Boden der Box läuft der Docht in einen 10-Liter-Behälter ab, der am Boden der hier gezeigten Stahlbox befestigt ist, die bereits an Ort und Stelle verschweißt ist.

Das Reservoir sammelt Wasser, das während des Experiments durch den Monolithen abfließen kann, und bietet auch die Möglichkeit, das Wasser für chemische Analysen zu beproben. Pflanzen Sie die zu untersuchenden Spezies in den Monolithen in Dichten, die Ihrer Studienspezies entsprechen. Falls erforderlich, töten Sie bereits vorhandene Vegetation auf den Monolithen mit einem nicht rückstandsartigen Herbizid wie Glyphosat ab.

Für hohes Gras, Präriearten sind 56 Pflanzen pro Quadratmeter geeignet. Acht Sämlinge von sieben Arten ordnen die Art in einem lateinischen Quadratmuster an, wobei eine einzigartige Randomisierung für jede hier verwendete monolithische Grasart verwendet wird, darunter Side Oes, Grandma, Little Blue Stem, Indian Gras und White Tritons. Die verwendeten Forbes-Arten waren Kanne, Salbei Kanada, Goldrute und Illinois-Bündelblume.

Eine Hülsenfrucht verwendet Tröpfchen- oder Luftbewässerung, um die Pflanzen während der Etablierung gut mit Wasser zu versorgen. Ziel ist es, den Wasserstress zu minimieren, während die Pflanzen Wasser in Mengen und Häufigkeiten herstellen, die für die untersuchte Art geeignet sind. Halten Sie die Pflanzen nach der Etablierungsphase unter Umgebungsregen, bis der Kammerbau abgeschlossen ist.

Die monolithischen Kammern sind in Gräben eingebaut, die etwa sieben Meter breit, 1,5 Meter tief und 60 Meter lang sind. Jeder Graben passt in zwei Kammern und jede Kammer passt in 10 miteinander verbundene Abschnitte in jeden Graben. Montieren Sie 10 Behälter aus schwerem Stahl mit einem Meter Abstand zwischen jedem Behälter.

Diese bilden die Basis jedes Abschnitts und werden jeweils vier Monolithen aufnehmen. Verbinden Sie die angrenzenden Abschnitte mit Blechkanälen, um einen Weg für den Luftstrom zu schaffen. Installieren Sie eine Kühlschlange in jedem Kanal.

Die Spule wird mit 10 Grad Celsius heißem Wasser aus einem 161 Kilowatt starken Kühlaggregat versorgt. Der Fluss des gekühlten Wassers zu jeder Spule wird durch ein Regelventil geregelt, das auf die Lufttemperatur der Kammer reagiert. Platzieren Sie vier Waagen mit einer Kapazität von 4.540 Kilogramm in jedem Fünf-Meter-Behälter auf jede Waage, platzieren Sie einen Monolithen mit etablierten Präriepflanzen.

Jeder fünf Meter lange Abschnitt sollte Monolithen von zwei Bodentypen in zufälliger Reihenfolge innerhalb des Abschnitts enthalten, zufällig die Bodentyppaarungen in jedem Abschnitt enthalten sandigen Lehm in den Paarungen jedes anderen Abschnitts. Um die Kammer zu vervollständigen, decken Sie jeden Abschnitt mit 0,15 Millimeter Gewächshausfolie ab, die häufig in Klimamanipulationsexperimenten verwendet wird, um bei Bedarf auf die Pflanzen zuzugreifen. Montieren Sie Reißverschlussöffnungen mit Windschutzklappen an den Abdeckungen.

Die Abdeckung kann bei Bedarf für die Probenahme oder Wartung entfernt werden. Halten Sie die Vegetation während der gesamten Vegetationsperiode bedeckt, solange die Photosynthesekapazität der Vegetation ausreicht, um den CO2-Gradienten aufrechtzuerhalten. Nehmen Sie alle 20 Minuten eine Luftprobe am Ein- und Ausgang jeder Kammer.

Leiten Sie die Luft durch gefilterte Leitungen zu Infrarot-Gasanalysatoren, die sofort die CO2-Konzentration messen. Messen Sie auf ähnliche Weise alle 20 Minuten den Wasserdampf. Verwenden Sie außerdem für jeden Abschnitt abgeschirmte Feindraht-Thermoelemente, um die Umgebungstemperatur alle 20 Minuten am Lufteintritt, am Abschnittsmittelpunkt und am Luftaustritt zu messen.

Regulieren Sie die Kühlschlangen anhand der Probentemperaturdaten, um eine konstante Umgebungslufttemperatur in der Mitte des Abschnitts aufrechtzuerhalten, die zwischen den Abschnitten konsistent ist. Messen Sie abschließend die photosynthetische Photonenflussdichte, die auf die Kammer auftrifft. Mit Hilfe eines Quantensensors wird die Umgebungsluft von den Ventilatoren am Kammereingang in die Super-Ambient-Kammer gesaugt.

Verwenden Sie einen Massendurchflussregler, um reines CO2 in die Kammer zu injizieren und die Konzentration bei 500 Mikrolitern pro Liter Luft zu halten. Regulieren Sie auch die Drehzahl der Ventilatoren, um einen CO2-Gehalt von 390 Mikrolitern pro Liter Luft zu erreichen, der die Kammer verlässt. Verwenden Sie das CO2 für photosynthetische Messungen der Photonenflussdichte.

Um diesen Parameter beizubehalten, ist die Regelung der niedrigeren Geschwindigkeit der wichtigste Aspekt bei der Aufrechterhaltung des vorgeschriebenen CO2-Gradienten. Für die Unterumgebungskammer wird Umgebungsluft eingeleitet und die Lüfterdrehzahl so geregelt, dass in den Nachtstunden ein austretender CO2-Gehalt von 250 Mikrolitern pro Liter erreicht wird. Kehren Sie den Luftstrom durch beide Kammern um und stellen Sie die Gaseinspritzung und die Lüfter so ein, dass sie die folgenden Parameter in der Superumgebungskammer erfüllen.

Reichern Sie die einströmende Luft auf 530 Mikroliter CO2 pro Liter an und regulieren Sie die Strömung so, dass die Luft bei 640 austritt. Mikroliter CO2 pro Liter in der Unterumgebungskammer, passen Sie die Luft so an, dass der CO2-Gehalt am Eingang 390 Mikroliter pro Liter und am Ausgang 530 Mikroliter pro Liter für den Niederschlag beträgt. Wenden Sie die mittlere Vegetationsperiode an.

Niederschlag auf jeden Monolithen. Verwenden Sie ein Tropfbewässerungssystem von einer lokalen Wasserquelle, um das saisonale Niederschlagsmuster zu approximieren. Messen Sie Wasseranwendungen mit einem digitalen Durchflussmesser.

Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Pflanzen im Monolithen gut genug bewässert werden, um starken Trockenstress zu vermeiden. Auf diese Weise bleiben ihre Photosyntheseraten hoch genug, um den CO2-Gradienten zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Dies kann verbessert werden, wenn einige Monolithen mit einer Senkenpflanze mit einer hohen Photosyntheserate bepflanzt werden.

Über einen Zeitraum von sieben Jahren Betrieb wurden die Kammern der Präriegras-Monolithen auf einer linearen atmosphärischen CO2-Konzentration (ca) mit nur geringen Diskontinuitäten gehalten. Abgesehen von einem Abschnitt blieben auch das Temperatur- und Dampfdruckdefizit, gemessen in den oberen 20 Zentimetern des Bodens, konstant. Der volumetrische Wassergehalt des Bodens variierte linear entlang des CA-Gradienten auf zwei der drei Böden in der Studie, nur im schluffigen Tonboden war er vorhanden.

Dieser Parameter ändert sich nicht. Die Pflanzenproduktivität wurde anhand der oberirdischen Nettoprimärproduktivitätsmetrik gemessen. Dies variierte linear mit CA auf allen Böden.

Die geringste Reaktion auf CA trat mit dem Lehmboden auf und die größte Reaktion wurde mit sandigem Lehm beobachtet. Die Mesic C four Tallgrass Sarga Newan war die am häufigsten vorkommende Pflanze im Experiment. Auf dem sandigen Lehm war es am stärksten von CA beeinflusst, auf dem Tonboden nur marginal von CA

Die Zurich C four Midgrass BTU Lua Kerti Pendula war die nächsthäufigste Art insgesamt, und auf schluffigen Lehmböden im Untermilieu ca. Er war der am häufigsten vorkommende. Seine Produktivität wurde am stärksten durch Ca-Gehalt auf schluffigem Ton und am wenigsten durch Ca-Gehalt auf Ton beeinflusst.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man experimentelle Vegetation zur Regulierung eines CO2-Konzentrationsgradienten etabliert und pflegt und die kritischen Parameter verstehen, die gemessen werden müssen, um diesen CO2-Gradienten zu kontrollieren. Der Bau dieser Anlage dauert etwa zwei Jahre, bietet aber die Kapazität für jahrzehntelange Studien zur Reaktion der Anlage auf vergangene und zukünftige CO2-Werte. Solche Langzeitstudien sind entscheidend, um die Auswirkungen des steigenden atmosphärischen CO2-Gehalts auf den Kohlenstoffkreislauf von Grünland zu verstehen.

Dieser Ansatz kann auf jede Pflanzenart angewendet werden, die in die Kammer passt.