Article de méthode

Un CO 2 Facilité Concentration de Gradient pour les essais CO 2 Enrichissement et du sol Effets sur l'écosystème de prairie Fonction

DOI :

10.3791/53151

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21 novembre 2015

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1USDA-ARS, Grassland Soil and Water Research Laboratory, 2Department of Integrative Biology, University of Texas at Austin

Dans cet article

Résumé

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Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient installation crée un 250 à 500 pi L -1 gradient linéaire de dioxyde de carbone dans les communautés végétales chambres logements de prairies à température contrôlée sur l'argile, argile limoneuse, et monolithes de sol sablonneux. L'installation est utilisée pour déterminer comment les niveaux de dioxyde de carbone passées et futures affectent vélo prairies de carbone.

Résumé

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Augmentation continue des concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique (C) Une des techniques de mandat pour l'examen des impacts sur les écosystèmes terrestres. La plupart des expériences examinent seulement deux ou quelques niveaux de C Une concentration et un seul type de sol, mais si C A peut être modifié suivant un gradient de subambiante à superambient concentrations sur plusieurs sols, nous pouvons discerner si les réponses des écosystèmes dernières peuvent continuer linéairement dans le futures et si les réponses peuvent varier à travers le paysage. Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient Fonds applique une 250 à 500 pi L -1 C Un gradient de Blackland communautés végétales des prairies établies sur lysimètres contenant de l'argile, argile limoneuse, et les sols sableux. Le gradient est créé par la photosynthèse de la végétation en chambre fermée en température contrôlée épuise progressivement du dioxyde de carbone à partir de l'air circulant de manière directionnelle à travers les chambres. Le maintien de taux de circulation d'air, photosy adéquatenthetic capacités, et le contrôle de la température est essentielle pour surmonter les principales limites du système, qui sont la baisse des taux de photosynthèse et un stress hydrique accru pendant l'été. L'installation est une alternative économique à d'autres techniques de C Un enrichissement, discerne avec succès la forme de réponses des écosystèmes aux subambiante à superambient C Un enrichissement, et peut être adapté pour tester les interactions de dioxyde de carbone avec d'autres gaz de serre tels que le méthane ou l'ozone.

Introduction

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La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone (C A) a augmenté récemment passé 400 pi L -1 d'environ 270 pi L -1 avant la révolution industrielle. C A devrait atteindre au moins 550 pi L -1 en 2100 1. Ce taux de croissance dépasse les modifications C A observées au cours des 500.000 dernières années. Le taux de changement dans C Un sans précédent soulève la possibilité de réponses non-linéaires ou seuil des écosystèmes à l'augmentation de C A. La plupart échelle de l'écosystème C A expériences d'enrichissement applique seulement deux traitements, un seul niveau de enrichi C A et un contrôle. Ces expériences ont considérablement élargi notre compréhension des impacts sur les écosystèmes de C Un enrichissement. Cependant, une autre approche qui peut révéler la présence de réponses des écosystèmes non-linéaires à l'augmentation de C A est d'étudier les écosystèmes à travers une gamme continue de subambiante àsuperambient C A. Subambiante C A est difficile à maintenir dans le domaine, et a le plus souvent été étudiée en utilisant des chambres de croissance 2. Superambient C A a été étudiée en utilisant des chambres de croissance, chambres à ciel ouvert, et les techniques d'enrichissement à l'air libre 3, 4.

C Un enrichissement se produit à travers des paysages contenant de nombreux types de sols. Sols propriétés peuvent fortement influer sur les réponses à C Un enrichissement de l'écosystème. Par exemple, la texture du sol détermine la rétention d'eau et de nutriments dans le profil de sol 5, leur disponibilité pour les plantes 6, et la quantité et la qualité de la matière organique 7-9. La disponibilité de l'humidité du sol est un médiateur essentiel des réponses des écosystèmes à C Un enrichissement dans les systèmes d'eau limitée, y compris la plupart des prairies 10. Passé champ C A expériences d'enrichissement ont généralement examiné un seul type de sol, et contrôlée en continu des tests de vtypes arying C Un enrichissement du sol sur plusieurs font défaut. Si les effets de C Un enrichissement sur ​​les processus des écosystèmes diffèrent du type de sol, il ya de bonnes raisons de s'attendre à la variation spatiale dans les réponses des écosystèmes à C Un enrichissement et les changements qui en résultent dans le climat 11, 12.

Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient (LYCOG) installation a été conçue pour répondre aux questions de la variation spatiale dans les réponses non-linéaires et le seuil des écosystèmes aux niveaux C A allant de ~ 250 à 500 pi L -1. LYCOG crée le gradient prescrite de C A sur les communautés de plantes des prairies vivaces qui poussent sur ​​des sols représentant la vaste gamme de texture, N et C, le contenu et les propriétés hydrologiques des prairies dans la partie sud de la Plaine centrale des États-Unis. Spécifique série des sols utilisés dans l'installation sont l'argile Houston Noir (32 monolithes), un Vertisol (udique Haplustert) typique des plaines; Austin (32 monolithes), un haut carboNate, argile limoneuse Mollisol (Udorthentic Haplustol) typique des hautes terres; et Bastsil (16 monolithes), un alluviale loam sableux alfisol (udique Paleustalf).

Le principe de fonctionnement utilisé dans LYCOG est d'exploiter la capacité photosynthétique des plantes à épuiser C A partir de parcelles d'air déplacés directionnelle à travers les chambres fermées. L'objectif du traitement est de maintenir un gradient linéaire constante de jour en C A 500-250 ul L -1. Pour ce faire, LYCOG compose de deux chambres linéaires, une chambre superambient maintenir la partie du gradient de 500 à 390 (température ambiante) -1 ul L C A, et une chambre de maintien de la sous-ambiante à 250 ul de 390 L -1 de la partie pente. Les deux chambres sont situées côte à côte, orientée sur un axe nord-sud. Le gradient A C est maintenue pendant la partie de l'année où la capacité photosynthétique de la végétation est adéquate; typiquement defin Avril à début Novembre.

Les chambres contiennent des capteurs et de l'instrumentation nécessaires pour réguler le C Un gradient, contrôler la température de l'air (T A) proches des valeurs ambiantes, et appliquer des quantités de précipitations uniformes à tous les sols. Les sols sont monolithes intacts prélevés à proximité de la prairie de Blackland installé dans lysimètres pesant hydrologique isolées instrumentés afin de déterminer toutes les composantes du budget de l'eau. L'eau est appliquée à des événements de volume et le calendrier qui se rapprochent de la saisonnalité des épisodes de pluie et élève au cours d'une année moyenne des précipitations. Ainsi, LYCOG est capable d'évaluer les effets à long terme de subambiante à superambient C A et le type de sol sur la fonction de l'écosystème des prairies, y compris les budgets de l'eau et de carbone.

LYCOG est la troisième génération de C un gradient expériences menées par l'USDA ARS Grassland sols et Laboratoire de recherche de l'eau. La première génération était un prototype pour subambiantegradient de température ambiante qui a établi la viabilité de l'approche de gradient 13 et progresser notre compréhension des réactions physiologiques au niveau des feuilles de plantes à subambiante variation de C A 14-20. La deuxième génération était une application échelle du champ de la notion d'vivace C 4 prairies, avec le gradient étendu à 200-550 pi L -1 21. Cette expérience l'échelle du champ fourni la première preuve que l'augmentation de la productivité des prairies avec C Un enrichissement peut saturer près concentrations ambiantes actuelles 20, en partie parce que la disponibilité de l'azote peut limiter la productivité de l'usine de superambient C A 22. LYCOG étend cette deuxième expérience de génération en intégrant les sols de texture répliquées variable, permettant des tests robuste pour les effets interactifs des sols sur le C Une réponse des communautés de prairies.

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Protocole

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1. Les monolithes de sol recueillons pour être utilisés comme Lysimètres pesage

  1. Construire des boîtes en acier ouvertes 1 x 1 m carrés de 1,5 m de profondeur de 8 mm d'épaisseur en acier.
  2. Appuyez sur les boîtes ouvertes verticalement dans le sol, à l'aide de presses hydrauliques montés sur les ancres hélicoïdales foré 3 m de profondeur dans le sol.
  3. Creuser le monolithe enfermé à l'aide d'une pelle rétrocaveuse ou un équipement similaire.
  4. Placer une mèche en fibre de verre en contact avec le sol à la base du monolithe. Faire passer la mèche à travers la base d'acier dans un réservoir de 10 L pour drainer le monolithe, puis souder la base d'acier sur le bas de la boîte.
  5. Tuer la végétation existante sur les monolithes en appliquant un herbicide non résiduel, comme le glyphosate.

2. Établir des communautés végétales sur des monolithes de sol

  1. Plantez les monolithes avec huit plants chacune des sept espèces de prairie à herbes hautes herbes et de plantes herbacées, pour une densité totale de 56 plants par m 2.
    1. Plantez les graminées suivantes: Bouteloua curtipendula (grama côté-avoine), Schizachyrium scoparium (barbon), nutans Sorghastrum (Indiangrass), Tridens albescens (tridens blanc)].
    2. Plantez les forbes des suivants: azurea Salvia (lanceur de sauge), Solidago canadensis (or du Canada), (Illinois la bundleflower, une légumineuse) de Desmanthus.
  2. Semis de plantes dans un carré latin, nouveau randomisés pour chaque monolithe.
  3. Arrosez les greffes pour environ 2 mois suivant la plantation. L'objectif est de minimiser le stress de l'eau lors de l'établissement initial. Utilisez une méthode commode, comme une baguette à la main ou jardin d'arrosage. La fréquence d'arrosage dépend du climat et la météo locale, en particulier l'apparition de précipitations ambiante.
  4. Après la phase initiale de mise en place de la transplantation, de maintenir les transplantations sous pluies ambiante pendant aussi longtemps que nécessaire tandis que les chambres (Section3) sont réalisés. Éliminer les espèces indésirables qui émergent dans les monolithes lors de l'établissement par le désherbage manuel.

3. Chambre design

  1. Construire deux chambres, chacune 1,2 m de large, 1,5 m de haut et 60 m de long, divisé en dix sections 5 m de long. Construire sections en acier lourd de dimensions 5 mx 1,2 mx 1,6 m de profondeur, enfoui à 1,5 m.
    1. Installez quatre monolithes dans chaque section, deux monolithes chacun de deux des types de sol, dans un ordre aléatoire. Installez chaque monolithe au sommet d'un équilibre de la capacité de 4540 kg.
    2. Inclure monolithes Bastsil dans les appariements dans les sections paires.
  2. Rejoignez sections adjacentes hors sol avec 1 m de long x 1 m de large x 0,3 m de hauteur de conduit de tôle pour fournir une voie pour le flux d'air.
    1. Approvisionnement en fluide de refroidissement à 10 ° C à partir d'une unité de réfrigération 161,4 kW à un serpentin de refroidissement à l'intérieur de chaque canal.
    2. Joindre la végétation avec un film à effet de serre clair (épaisseur 0,006 "/. 15 mm), comme utilisé dans d'autresexpériences de manipulation du climat 23.
    3. Monter chaque couvercle avec une ouverture zippée soutenu par un projet de rabat pour permettre l'accès à des monolithes pour l'échantillonnage.
    4. Retirez le polyéthylène couvre à la fin de la saison de croissance.

4. CO 2 et Air Mesure de la température; Contrôle de la température

  1. L'entrée et la sortie échantillon C Un des deux chambres toutes les 2 min à travers les lignes de prélèvement d'air filtré situés à l'entrée et la sortie des superambient et subambiante chambres. Ces données informent injection de CO 2 et d'un ventilateur de contrôle de vitesse.
    1. Un échantillon C et la teneur en vapeur d'eau, et la température de l'air de mesure (T A) à l'entrée et la sortie de chaque section 5 m à 20 minutes d'intervalle.
    2. Mesurer tous les échantillons d'air pour le CO 2 et la teneur en vapeur d'eau en temps réel en utilisant des analyseurs de gaz à infrarouge selon le protocole du fabricant.
    3. Mesurer T A à l'entrée, milieu, und sortie de chaque section avec des thermocouples de fil fin blindés.
  2. Réguler le flux de fluide de refroidissement à travers le serpentin de refroidissement à l'entrée de chaque section de maintenir une moyenne cohérente (mi-section) T A d'une section à proximité de la température ambiante T A.
  3. Placez un capteur quantique d'avoir une vue dégagée du ciel et de mesurer la densité de flux photosynthétique de photons selon le protocole du fabricant. Niveau de lumière est une entrée à l'algorithme de contrôle du ventilateur.

5. C Une demande de traitement

  1. Jour
    1. Mélanger pur dioxyde de carbone (CO 2) avec l'air ambiant entrant à 500 ul -1 L A C, en utilisant un régulateur de débit massique dans le conduit d'entrée de la jambe superambient. Voir la section 4 pour C A détails de mesure.
    2. Advection l'air enrichi à travers les chambres à l'aide de ventilateurs soufflants à l'entrée de la section 1 et dans les sections en aval.
    3. MAINTENIR la sortie souhaitée C A de 390 pi L -1 (air ambiant) en ajustant la vitesse du ventilateur.
      1. Augmenter la vitesse du ventilateur si la sortie C A est en dessous du point de consigne. Cela permet moins de temps pour l'absorption de l'usine de CO 2, ce qui entraîne la sortie plus élevée C A.
      2. Diminuer la vitesse du ventilateur si la sortie C A est au-dessus du point de consigne.
    4. Utilisez la même approche dans la chambre de subambiante sauf introduire de l'air ambiant et de contrôle pour atteindre la sortie C A de 250 pi L -1.
  2. Nuit
    1. Inverser la direction d'écoulement de l'air.
    2. Injecter de CO 2 dans l'extrémité de sortie de la journée de la chambre de superambient pour atteindre 530 pi L -1 C A, et les taux de contrôle d'advection de maintenir 640 pi L -1 à la sortie de nuit (entrée diurne.
    3. Introduire de l'air ambiant à ~ 390 pi L -1 CO 2 dans l'entrée de nuit(sortie le jour) du taux d'advection de chambre et de contrôle subambiante de maintenir 530 pi L -1 à la sortie nocturne.

6. Entrées Précipitations

  1. Appliquer la saison de croissance quantité de pluie moyenne à chaque monolithe.
    1. Fournir de l'eau à chaque monolithe à partir d'une source d'eau domestique par un système de goutte à goutte. Planifier les événements d'irrigation et les montants d'application de rapprocher la pluviométrie saisonnière pour l'emplacement de l'expérience. Le calendrier exact dépend du climat local.
  2. Contrôler moment de l'application avec un enregistreur de données et mesurer les volumes d'application avec des débitmètres.

7. Échantillonnage

  1. Mesurer les profils verticaux de volumétrique teneur en eau du sol (vSWC) par semaine pendant la période de CO 2 de contrôle, avec une jauge à neutrons d'atténuation ou d'une autre sonde appropriée.
    1. Incréments de profil recommandé sont incréments de profondeur de 20 cm à 1 m dePTH, et l'un de 50 cm en dessous d'un minimum de 1 m.
  2. Mesure monolithe hors sol productivité primaire nette (ANPP) en récoltant toutes la biomasse sur pied à la fin de la saison de croissance.
    1. Tous biomasse aérienne est retiré chaque année, par conséquent debout biomasse représente la production primaire actuelle.
    2. Trier la biomasse échantillonnée par espèces, sèches à masse constante, et peser.
    3. Utiliser la biomasse des espèces individuelles de quantifier les espèces végétales contributions à ANPP.

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Résultats

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Les parties de sous-ambiante et superambient du gradient sont maintenues dans des chambres séparées (Figure 1). Cependant, plus de sept années de fonctionnement (2007 - 2013), les chambres maintenues un dégradé linéaire en C Une concentration de 500 à 250 pi L -1 (figure 2) avec seulement une petite discontinuité dans C A entre la sortie des chambres enrichies (Monolithe 40) et l'entrée de la partie de sous-ambiante du gradient (Monolithe 41).

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Discussion

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L'installation LYCOG atteint son objectif opérationnel de maintien d'un 250 à 500 pi L -1 gradient continu des concentrations C A sur les communautés des prairies expérimentales établies sur trois types de sol. Le changement de C A est linéaire sur la plage prescrite. Température de l'air a augmenté au sein de chaque section, mais a été remis à zéro par les bobines entre-section de refroidissement dans la plupart des sections. En conséquence, l'objectif opérationnel de ma...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Nous remercions Anne Gibson, Katherine Jones, Chris Kolodziejczyk, Alicia Naranjo, Kyle Tiner et de nombreux étudiants et techniciens temporaires pour l’exploitation de l’installation LYCOG, la réalisation d’échantillonnages et le traitement des données. L.G.R. reconnaît l’USDA-NIFA (2010-65615-20632).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Enregistreurs de données, multiplexeursCampell Scientific, Logan, UT, USACR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
Thermocouples : Copper-constantanOmega Engineering, Inc., Stamford, CT, USATT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
Capteur quantiqueLi-Cor Biosciences, Lincoln, NE, États-UnisLI-190SB
Analyseur de CO2/H2OLi-Cor Biosciences, Lincoln, NE, États-UnisLI-7000
Balances lysimétriquesAvery Weigh-Tronix, Houston, TX,États-Unis DSL-3636-10
d’airGrace Air Components, Houston, TX, États-UnisVP 0660
Générateur de point de roséeLi-Cor Biosciences, Lincoln, NE, États-UnisLI-610
Refroidisseur d’eau froideAEC Application Engineering, Wood Dale, IL,États-Unis CCOA-50
Valeurs de contrôle du débit d’eau glacéeBelimo Air Controls, Danbury, CT, USALRB24-SR
Serpentins de refroidissement à eau glacéeCoil Company, Paoli, PA, USAWC12-C14-329-SCA-R
Dioxyde de carbone liquide réfrigéréTemple Welding Supply, Temple, TX, USAUN2187
Film de polyéthylèneAT Plastics, Toronto, ON, CanadaDura-film Super Dura 4
Moteur/contrôleur de souffleurDayton Electric, Lake Forest, IL, États-Unis2M168C/4Z829
SolénoïdesAutomatisation industrielle, Cornelius, NC, États-UnisU8256B046V-12/DC
Pompe de collecte de lixiviatGast Manufacturing, Benton Harbor, MI,États-Unis 0523-V191Q-G588DX
Pompe d’échantillonnage

Références

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Mots-clés

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