CO 2濃度勾配施設 2濃縮および草地生態系の機能に及ぼす土壌の影響

サマリー

ライシメータ二酸化炭素グラデーション施設は、250〜500μlのL ^-1粘土、シルト質粘土、および砂質土壌モノリスの温度制御室ハウジング草原植物群落における線形二酸化炭素勾配を作成します。施設は、過去と未来の二酸化炭素濃度は、草原の炭素循環にどのように影響するかを決定するために使用されます。

要約

陸上生態系への影響を調べるための大気中の二酸化炭素濃度（C _A）委任技術の継続的な増加。ほとんどの実験は2つだけまたはC濃度とシングル土壌の種類のいくつかのレベルを調べるが、C _Aは 、複数の土壌の濃度をsuperambientする周囲以下の勾配として変化させることができるならば、我々は過去の生態系の応答が直線的に継続することができるかどうかを見分けることができます未来と応答が風景全体で変化してもよいかどうか。ライシメータ二酸化炭素グラデーション施設は、250〜500μlのL ^-1勾配C粘土、シルト質粘土、および砂質土を含むlysimetersに設立Blackland草原の植物群落に適用されます。勾配は温度制御室にで囲まれた植物により光合成として作成され、次第に室を通って一方向に流れる空気から二酸化炭素を枯渇させます。適切な空気流量を維持し、十分なphotosynthetic容量、および温度制御は、夏の間、光合成速度と水ストレスの増加を減少しているシステムの主な限界を克服するために重要です。施設は_、C、Aの濃縮の他の技術への経済的な代替である、成功したC濃縮をsuperambientする周囲以下にする生態系の応答の形を見分ける、およびメタンやオゾンなどの他の温室効果ガスと二酸化炭素の相互作用をテストするために適合させることができます。

概要

大気中の二酸化炭素濃度（C _{A）は最近、}約270μlのL ^-1産業革命前にから過去400μlのLを^-1増加しています。 C _Aは 2100年¹によって少なくとも550μlのLを^-1に達すると予測されています。増加のこのレートは最後50万年間に観測され、任意のC _{Aの変更を}凌駕しています。 _C、Aの変化の前例のない率は_、C、Aの増加に生態系の非線形または閾値応答の可能性を高めます。ほとんどの生態系規模Cが濃縮実験は2つだけの治療法、濃縮C _Aと単一の制御レベルを適用します。これらの実験は、大幅にCの生態系への影響濃縮の我々の理解を拡大しています。しかし、Cの_Aの増加に非線形生態系応答の存在を明らかにすることができる別の方法は、周囲以下の連続した範囲に渡って生態系を研究することですsuperambient _C、A。準周囲C _{Aは、フィールド}に維持することは困難であり、ほとんどの場合、成長チャンバー^2を用いて研究されてきました。 Superambient C _Aは、成長室、オープントップチャンバー、およびフリーエア濃縮技術^{3、4を用いて研究されています} 。

_C、Aの濃縮は、多くの土壌タイプを含む風景を横切って発生します。土壌の性質が強く_、C、Aの濃縮に生態系の応答に影響を与えることができます。例えば、土壌のテクスチャは、土壌断面⁵内の水と栄養素の保持、植物⁶への可用性、有機物^7-9の量と質を決定します。土壌水分の可用性は、Cへの生態系の応答最も草原¹⁰を含む水限らシステムにおける濃縮の重要なメディエーターです。濃縮実験C過去のフィールドは、一般的に唯一の土壌の種類を検討し、継続的にVのテストを制御していますarying _C、Aの濃縮に比べていくつかの土壌タイプが不足しています。生態系プロセス上の_C、Aの濃縮の効果は、土壌の種類と異なる場合は、空間Cに生態系の応答の変動濃縮および気候^11、12におけるその後の変化を期待する強い理由があります。

ライシメータ二酸化炭素グラデーション（LYCOG）施設は〜250から500μlのLの範囲のC _Aレベル ^-1に生態系の非線形及び閾値応答の空間的変動の問題に対処するために設計されました。 LYCOGは、米国中央平原の南の部分の草原の質感、NおよびC内容、および水文特性の広い範囲を表す土壌で成長する多年生草原植物群落上のC _Aの所定の勾配を作成します。施設で使用される具体的な土壌シリーズは、低地の典型的なヒューストンブラッククレイ（32モノリス）、Vertisol（Udic Haplustert）です。オースティン（32モノリス）、高炭ネイト、高地の典型的なシルト質粘土モリソル（Udorthentic Haplustol）。そして、Bastsil（16モノリス）、沖積砂壌土アルフィゾル（Udic Paleustalf）。

LYCOGに用いられる動作原理は、空気の小包囲まれた部屋を通って一方向に移動するから、Cの_Aを枯渇させるために植物の光合成能力を活用することです。治療目的は、500から250μlのL ^-1にC _Aの一定の線昼間勾配を維持することです。これを達成するために、LYCOGは、2つの線形室で構成され^{_{、L-C、Aμl}}の500から390（周囲）へのグラデーションの部分を維持superambient室、および390〜250μlのL ^-1部分を維持周囲以下室勾配。二つの部屋は、南北軸上に配向、並んで配置されています。 Cは勾配が植生光合成能力が十分である年の部分の間に維持されています。典型的には、11月上旬に月下旬。

チャンバーは_、C、Aの傾きを調整する周囲の値に近い空気の温度（T _A）を制御し、すべての土壌に均一な降水量を適用するために必要なセンサや計測器が含まれています。土壌は、水収支のすべてのコンポーネントを決定するために、インストルメント水文学的に分離された計量lysimetersにインストール近くBlacklandの草原から収集そのままモノリスあります。水は降雨の季節に近似し、平均降水量の年の間、金額量とタイミングのイベントに適用されます。したがって、LYCOGは水と炭素収支などの草原生態系の機能上の_C、Aを superambientする準大気と土壌の種類の長期的な影響を評価することが可能です。

LYCOGはUSDA ARS草原の土壌と水研究所が実施し_{、C、A勾配}実験の第三世代です。第一世代はにプロトタイプの周囲以下でした勾配法¹³の実行可能性を確立し_、C、A ^14-20の変化を周囲以下する植物のリーフレベルの生理学的応答の我々の理解を進めて周囲勾配。第二世代は、コンセプトのフィールドスケールのアプリケーションは200 L ^{-1 21μL550}にまで延長勾配で、C ₄草地を多年生することでした。このフィールドスケールの実験は、最初の証拠を提供し、そのCと草地の生産性が上昇濃縮よいです窒素可用性がsuperambient C _A ²²で植物の生産性を制限する可能性があるため、部分的には、現在の周囲濃度²⁰付近で飽和します。 LYCOGは草原のコミュニティの_C、A応答の土壌の相互作用効果のための堅牢なテストを可能にする、様々なテクスチャの複製された土壌を組み込むことにより、この第二世代の実験を拡張します。

プロトコル

1. Lysimeters計量として使用する土壌モノリスを収集

1. 厚さ8mmの鋼から深い1.5メートルによってメートルの正方形の1×1オープンエンドスチールボックスを構築します。
2. 螺旋状のアンカーに取り付けられた油圧プレスを使用して押して上下に土壌へのオープンエンドボックスは、土壌への深い3メートルを掘削。
3. バックホーまたは同様の装置を用いて包まれたモノリスを掘削。
4. モノリスの基部に土壌に接触するガラス繊維の芯を配置します。モノリスを排出する10 Lのリザーバに鋼ベースを芯を渡し、その後、ボックスの底部に鋼製のベースを溶接。
5. このようなグリホサートとして、非残留除草剤を適用することにより、モノリス上の既存の植生を殺します。

2.土壌モノリス上の植物群落を確立

1. ^1m 2当たり56植物の総密度のためのプラント8苗トールグラス草原の草やforbsの7種のそれぞれとモノリス、。
   1. プラント以下草：Boutelouaのcurtipendula（サイドオート麦グラマ）、Schizachyriumのscoparium（少しウシクサ）、Sorghastrumのnutans（Indiangrass）、Tridens albescens（白tridens）]。
   2. 次Forbs工場： サルビアazurea（ピッチャーセージ）、 セイタカアワダチソウ （カナダアキノキリンソウ）、 ハイクサネム （イリノイbundleflower、マメ科）。
2. ラテン方陣設計における植物の苗は、各モノリスのために再無作為化。
3. 植え付け後約2ヶ月の移植を水です。目標は、最初の確立中に水ストレスを最小限に抑えることです。このような手の杖や庭の散水などの任意の便利な方法を使用します。水やりの頻度は、地域の気候や天候、周囲の降雨の特に発生に依存しています。
4. 最初の移植確立フェーズに続いて、必要な限り、周囲降雨下での移植性を維持しながら室（セクション3）構成されています。手除草によって確立中にモノリスに出てくる不要な種を削除します。

3.室内デザイン

1. 各1.2メートル、幅1.5メートル背の高い二つのチャンバーを構築し、10 5メートルの長いセクションに分かれ、60メートル長いです。寸法1.5メートルに埋められた深い5 MX 1.2 MX 1.6メートルの重い鋼からセクションを作成します。
   1. ランダムな順序で各セクションの4つのモノリス、2モノリス土壌タイプの2のそれぞれを、インストールしてください。 4540キロの容量バランスの上に、各モノリスをインストールします。
   2. 偶数番号のセクションのペアリングにBastsilモノリスを含めます。
2. 空気の流れのための経路を提供するために、長さ1 m×1メートル、幅X 0.3メートル背の高いシートメタルダクトと地上隣接するセクションに参加。
   1. 各ダクト内部の冷却コイルへの161.4キロワットの冷凍ユニットから10℃の供給クーラント。
   2. 他に使用されるような明確な温室フィルムと植生（厚さ0.006 "/ 15 mm）を、囲み気候操作実験^23。
   3. サンプリングのためのモノリスへのアクセスを許可するようにドラフトフラップに裏打ちされたジッパー式の開口部がそれぞれカバーを取り付けます。
   4. ポリエチレンは、成長期の終わりにカバーを取り外します。

4. CO ₂と空気の温度測定。温度制御

1. 両室でのサンプルの入口と出口のC _A 2分毎superambientと準大室の入口と出口に位置濾過空気サンプルラインを通して。これらのデータは、CO ₂注入及びファン速度制御を知らせます。
   1. サンプルC _A及び水蒸気含有量、および20分間隔で各5メートル部の入口と出口の空気温度（T _{A）を測定します} 。
   2. 製造業者のプロトコルに従って赤外線ガス分析計を使用して、リアルタイムですべての_CO 2空気サンプル及び水蒸気含有量を測定します。
   3. エントリーで_T A _を測定し 、中間点、シールドされた細線熱電対と各セクションのD出口。
2. 周囲Tの_A部に近い部分から一貫した平均（中間部）T _{Aを維持するために、}各セクションの入口の冷却コイルを通して冷却液の流れを調節します。
3. 空の遮るもののない眺めを持っており、製造業者のプロトコルに従って、光合成光量子束密度を測定するために、量子センサーを配置します。光レベルは、ブロワ制御アルゴリズムに入力されます。

5. C _A治療応用

1. 昼間
   1. superambient脚の入口ダクト内にマスフローコントローラを用いて、500μlのL ^-1 C _Aに入ってくる周囲の空気と純粋な二酸化炭素（CO _2）を混合します。 _C、A測定の詳細は第4章を参照してください。
   2. セクション1の入り口に送風ファンを使用してチャンバーを通過して下流のセクションで濃縮空気を運びます。
   3. M送風機速度を調整することにより、390μlのL ^-1（外気）の所望の出口のC _Aにaintain。
      1. 出口C _Aがセットポイントを下回っている場合は、ブロワーの速度を上げます。これは、より高い出口C _Aで、その結果、CO ₂の植物の取り込みに時間が少ないことができます。
      2. 出口_C、Aはセットポイントを超えている場合は、ブロワー速度を下げます。
   4. 250μlのLの出口_{C、Aを達成するために} ^-1外気と制御を導入除く周囲以下室で同じアプローチを使用してください。
2. 夜間
   1. 空気の流れの方向を逆にします。
   2. 640μlのLを維持するために^、-1夜間出口（昼間入口で530μlのL ^-1 C _A、及び制御移流速度を達成するためにsuperambient室の昼間の出口端にCO _{2を注入します} 。
   3. 夜間入り口に〜390μlの_^L-CO 2で外気を導入530μlのL ^-1夜間出口を維持するために、周囲以下室と制御移流速度の（昼間の出口）。

6.降水入力

1. 各モノリスに平均生育期の降雨量を適用します。
   1. 点滴灌漑システムを通じて国内の水源から各モノリスに水を供給してください。実験場所の季節の降雨パターンに近似するように灌漑イベントとアプリケーション量をスケジュールします。正確なスケジュールは、地域の気候に依存します。
2. データロガーを使用してアプリケーションのタイミングを制御し、流量計を使用してアプリケーションのボリュームを測定します。

7.サンプリング

1. 中性子減衰ゲージまたは他の適切なプローブを用いて、CO ₂の制御期間中に体積土壌水分量（VSWC）毎週の鉛直分布を測定します。
   1. 推奨プロファイル増分は1、m個のデに20センチメートルの深さの増分でありますPTH、および1メートル下の1 50センチメートル増分。
2. メジャーモノリスは、成長期の終わりにすべて立って地上部バイオマスを収穫することにより正味の一次生産（ANPP）を地上。
   1. すべての地上部バイオマスは、結果として、バイオマスが現在の一次生産を表して立って、毎年削除されます。
   2. 一定の質量に乾燥種によってサンプリングバイオマスをソートし、重量を量ります。
   3. ANPPの植物種の寄与を定量化するために個々の種のバイオマスを使用してください。

結果

勾配のsuperambientと準大部分は、別個のチャンバ（ 図1）に維持されています。しかし、操作の7年間（2007 - 2013）の上に、チャンバは、濃縮室の出口との間に、C _Aの唯一の小さな不連続とCに250μlのL ^-1（ 図2）への500の濃度を直線勾配を維持しました（モノリス40）と勾配の準大部分の入り口（モノリス41）。

気温と蒸気圧赤字はsuperambient室の部10を除いて、superambientと周囲以下室の両方でセクションからセクションに一定のままであり、セクション19と空気温度が他よりも暖かい〜3℃の平均周囲以下室、20セクション（ 図2）。各セクション内で7゜C、およびcorrespondi - しかしそこ5の温度上昇を顕著にすることができNGは蒸気圧の赤字に増加します。

2007年に亘って平均化- 2013年の成長の季節、VSWCは、Cに沿って直...

ディスカッション

LYCOG施設は3土壌型に確立された実験草原のコミュニティ上のC _A濃度の250〜500μlのL ^-1連続的な勾配を維持し、その運用目標を達成しています。 _C、Aの変化が所定の範囲にわたって直線です。気温は、各セクション内で増加したが、ほとんどのセクションで間の区間冷却コイルによってリセットされました。その結果、セクションのセクションから一貫した平均温度を維持するための運用の目標は、勾配のほとんどの上に会いました。土壌水分が比較的高く、植物がその最大の光合成能力にあるときの温度と_{C、A制御が}簡単に春と初夏の間に維持されています。

プロトコルにおける重要なステップ

送風機速度の制御は、所定のCO ₂の勾配を維持するための最も重要な側面です。コントロールは組み合わせに基づいています植生の炭素の取り込みへの空気の流れと一致するようにフィードバックとフィードフォワードの技術。フィードバック...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
データロガー、マルチプレクサ	Campell Scientific, Logan, UT, USA	CR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
熱電対: Copper-constantan	Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, USA	TT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
Quantum sensor	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-190SB
CO2/H2O analyzer	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE,米国	LI-7000
ライシメータスケール	Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, USA	DSL-3636-10
エアサンプリングポンプ	Grace Air Components, Houston, TX, USA	VP 0660
露点発生器	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA	LI-610
冷水チラー	AEC Application Engineering, Wood Dale, IL,	USA CCOA-50
冷水流量制御値	Belimo Air Controls, Danbury, CT, USA	LRB24-SR
冷水冷却コイル	Coil Company, Paoli, PA, USA	WC12-C14-329-SCA-R
二酸化炭素冷蔵液体	Temple Welding Supply, Temple, TX, USA	UN2187
ポリエチレンフィルム	AT プラスチック、トロント、オンタリオ州、カナダ	Dura-film Super Dura 4
ブロワーモーター/コントローラー	デイトンエレクトリック、レイクフォレスト、イリノイ州、米国	2M168C / 4Z829
ソレノイド	インダストリアルオートメーション、コーネリアス、ノースカロライナ州	、米国U8256B046V-12 / DC
浸出水収集ポンプ	ガスト製造、ベントンハーバー、ミシガン	、米国0523-V191Q-G588DX