방법 논문

CO 2 농도 구배 시설 2 농축 및 토양 효과

DOI:

10.3791/53151

⸱

2015년 11월 21일

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

이 논문에서

요약

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모형 매립 이산화탄소 그라데이션 시설은 생성하는 250 점토, 실트 질 점토, 모래 토양 모노리스에 온도 조절 챔버 하우징 초원 식물 사회에서 L -1 선형 이산화탄소 구배 μL 500. 이 시설은 과거와 미래의 이산화탄소 수준이 초원의 탄소 순환에 영향을 미치는 방법을 결정하는 데 사용됩니다.

초록

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육상 생태계에 미치는 영향을 조사하기위한 대기의 이산화탄소 농도 (C) 위임 기술에서 계속 증가한다. 대부분의 실험은 두 개 또는 C 농도 및 단일 토양 유형의 몇 레벨 검사하지만 C가 여러 토양 농도 superambient하기 subambient에서 그라데이션으로 변화 될 수 있다면, 우리는 과거 에코 응답의 선형 적으로 계속 될 수 있는지 여부를 식별 할 수있다 미래 여부 응답은 풍경을 가로 질러 다를 수 있습니다. 모형 매립 이산화탄소 그라데이션 시설은 점토, 실트 질 점토, 모래 토양을 포함 lysimeters 설립 Blackland 대초원 공장 지역에 250 μL의 L 500 -1 C 그라데이션을 적용합니다. 그라데이션은 온도 조절 챔버에 묶여 식물에 의해 광합성으로 생성되어 점진적으로 챔버를 통해 방향성 흐르는 공기로부터 이산화탄소를 소모. 적절한 공기 유속을 유지하는 충분한 photosynthetic 용량 및 온도 제어 여름철 광합성 속도와 증가 된 물 스트레스를 감소하고 시스템의 주요 제한을 극복하는 것이 중요하다. 설비 성공적 C를 농축 superambient하는 subambient하는 에코 응답의 형상을 분별하고, 메탄 또는 오존과 같은 다른 온실 가스와 이산화탄소의 상호 작용을 테스트하도록 구성 될 수 있으며, C 농축 다른 기술에 경제적 인 대안이다.

서론

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대기 중 이산화탄소 농도 (C)는 최근 약 270 μL의 L -1 산업 혁명 이전부터 과거 400 μL의 L -1 증가했다. C는 2100 1 적어도 550 μL의 L -1에 도달 할 전망이다. 증가의이 비율은 지난 500,000년 관측 어떤 C의 변화를 능가한다. C의 변화 속도는 전례 C의 증가로 생태계 비선형 또는 임계 반응의 가능성을 제기한다. 대부분의 생태계 규모의 C는 농축 실험은 두 치료, 풍부한 C 및 단일 제어 수준을 적용합니다. 이 실험은 크게 C의 생태계에 미치는 영향 농축에 대한 우리의 이해를 확장했다. 그러나 C의 증가에 비선형 생태계 반응의 존재를 밝힐 수있는 다른 방법은 subambient의 연속적인 범위에 걸쳐 생태계를 연구하는 것입니다superambient C. Subambient C는 필드에서 유지하기 곤란하고, 대부분의 성장 챔버 (2)를 이용하여 연구되었다. Superambient C는 성장 챔버, 열린 정상 챔버, 무료 공기 농축 기술 3, 4를 사용하여 연구되어왔다.

C 농축 많은 토양 유형을 포함하는 풍경을 가로 질러 발생합니다. 토양의 특성이 강하게 C 농축에 대한 생태계의 반응에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 토양 질감 토양 프로필 (5) 내의 물과 영양분의 보존을 결정 그들의 식물 6 가용성 유기물 7-9의 양과 품질. 토양 수분의 가용성은 C에 대한 생태계의 반응 대부분의 초원 (10)를 포함하는 물 제한 시스템에 농축의 중요한 매개체이다. 과거 필드 C가 농축 실험은 전형적으로 연속적으로 V의 테스트를 하나의 토양 유형을 조사하고, 제어 한arying C 농축을 통해 여러 종류의 토양이 부족하다. 생태계 과정에 C 농축의 효과는 토양 유형과 다른 경우, 공간 C에 대한 생태계 반응의 변화 농축과 기후 (11), (12)의 계속되는 변화를 기대하는 강력한 이유가있다.

그라데이션 (LYCOG) 설비가 ~ 250에서 500 μL의 L-1에 이르기까지 C 수준으로 생태계 비선형 및 임계 값 응답에 공간 변화의 문제를 해결하기 위해 설계되었다 모형 매립 이산화탄소. LYCOG는 미국 중앙 평야의 남쪽 부분에있는 초원의 질감, N과 C 내용 및 수 문학적 특성의 넓은 범위를 나타내는 토양에서 성장하는 다년생 초원 식물 커뮤니티에 C A의 소정의 기울기를 만듭니다. 시설에서 사용되는 특정 토양 시리즈는 휴스턴 검은 색 점토 (32 모노리스), 저지대의 전형적인 Vertisol (Udic Haplustert)이다; 오스틴 (32 모노리스), 높은 탄질네이트, 실트 질 점토 Mollisol (Udorthentic Haplustol) 고지의 전형적인; 및 Bastsil (16 모노리스), 충적 사양토 Alfisol (Udic Paleustalf).

LYCOG에 사용 된 동작 원리는 공기의 소포는 밀폐 된 챔버를 통해 방향성 이동에서의 C를 고갈 식물의 광합성 능력을 활용하는 것입니다. 치료의 목적은 500 내지 250 μL의 L-1에 C A의 일정한 선 낮 구배를 유지하는 것이다. 이를 위해 LYCOG 두 선형 챔버로 구성되어, L -1 C μL 500 내지 390 (주변)에 그라데이션 부를 유지 superambient 챔버와의 390-250 μL의 L -1 부를 유지 subambient 챔버 구배. 두 개의 챔버는 남북 축 중심의, 나란히 위치하고 있습니다. C 경사는 식물의 광합성 능력이 적절한 올해의 부분에서 유지되고; 전형적으로11 월 초에 월 하순.

챔버는 C에게 기울기를 조절하는 주변 값에 가까운 공기 온도 (T)를 제어하고, 모든 토양에 균일 한 강수량을 적용하기 위해 필요한 센서 및 계측이 포함되어 있습니다. 토양은 물 예산의 모든 구성 요소를 결정하기 위해 계측 문학적으로 격리 무게 lys​​imeters에 설치 근처 Blackland 대초원에서 수집 그대로 모노리스 있습니다. 물은 비 이벤트의 계절에 근접하고 평균 강수량 년 동안 금액 볼륨과 타이밍의 행사에 적용된다. 따라서 LYCOG 물과 탄소 예산 포함 초원 생태 기능에 C를 superambient하기 subambient 및 토양 종류의 장기적인 효과를 평가할 수있다.

LYCOG는 USDA ARS 초원 토양과 물 연구소가 실시한 C 구배 실험의 제 3 세대입니다. 1 세대에 대한 프로토 타입 subambient했다그라데이션 방법 (13)의 가능성을 설립 C 14-20의 변화를 subambient 식물의 잎 수준의 생리적 반응에 대한 우리의 이해를 전진 주변 그라데이션. 두 번째 세대 개념의 필드 규모의 응용 프로그램이 200 L -1 21 μL 550까지 확장 그라데이션, C 4 초원을 다년생하는 것이 었습니다.이 필드 규모의 실험은 첫 번째 증거를 제공하는 C와 초원의 생산성 증가 농축 할 수있다 질소 가용성 superambient C (22)에서 식물의 생산성을 제한 할 수 있기 때문에 부분적으로, 현재 대기 농도 20 근처 포화. LYCOG는 C 초원 지역 사회의 반응에 토양의 상호 작용 효과에 대한 강력한 테스트를 허용, 질감을 변화의 복제 된 토양을 통합하여이 2 세대 실험을 확장합니다.

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프로토콜

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1. 수집 토양 모노리스 Lysimeters 무게로 사용되는

  1. 깊이 1.5 미터 (8)에서 mm 두께의 강철로 개방형 강철 상자 1 × 1m 광장을 구축합니다.
  2. 유압 프레스를 사용하여, 수직으로 토양에 개방형 상자를 눌러 깊은 토양에 3m를 드릴 나선형 앵커에 장착.
  3. 백호 또는 이와 유사한 장비를 사용 쌌다 모노리스를 발굴.
  4. 모노리스의 기지에서 토양과 접촉하는 섬유 유리 심지를 놓습니다. 모노리스 드레인 10 L 저류으로 강 기재 통해 심지를 통과 한 후 상자의 바닥에 강 기재 용접.
  5. 등의 글 리포 세이트와 같은 비 잔류 제초제를 적용하여 모노리스의 기존 식물을 죽여.

2. 토양 모노리스에 공장 커뮤니티 구축

  1. 공장 여덟 모종 사라졌고의 일곱 종의 각각 모노리스는 평방 미터 당 56 식물의 총 밀도, 잔디 및 forbs 대초원.
    1. 공장 다음 잔디 : Bouteloua의 curtipendula (측면 귀리 미국 서부 및 서남부에서 자라는 목초), Schizachyrium의 scoparium (작은 bluestem), Sorghastrum의 nutans (Indiangrass), Tridens albescens (흰색 tridens)].
    2. 다음 Forbs 공장 : 샐비어 azurea (투수 세이지), Solidago canadensis에 (캐나다 조색), Desmanthus illinoensis (일리노이 bundleflower, 콩과의 식물).
  2. 라틴 사각형 디자인에 식물 모종, 각 모노리스에 대해 다시 무작위.
  3. 심기 다음 약 2 개월 동안 이식 물. 목표는 초기 구축시에 물 스트레스를 최소화하는 것이다. 이러한 손의 지팡이 또는 정원 스프링클러로 편리한 방법을 사용합니다. 급수의 빈도는 지역의 기후와 날씨, 주변 강우량 특히 발생에 따라 달라집니다.
  4. 초기 이식 설정 단계에 따라, 필요한만큼 주위 강우량에 따라 이식을 유지하면서 챔버 (제3) 구성된다. 손으로 잡초에 의해 설립 동안 모노리스에 등장 원치 않는 종을 제거합니다.

3. 상공 회의소 디자인

  1. 각 1.2 미터, 폭 1.5 미터 높이 두 개의 챔버를 구축하고, 열 5m 긴 섹션으로 나누어 60 m 길이. 치수 5 MX 1.5 미터에 묻혀 1.6 미터 깊이 1.2 MX의 무거운 강철 섹션을 구축합니다.
    1. 각 섹션에 네 모노리스를 설치, 두 모노리스 임의의 순서로 토양 유형이 각각. 4,540kg의 용량 잔량 꼭대기 각 모노리스를 설치합니다.
    2. 짝수 섹션에서 페어링에 Bastsil 모노리스를 포함합니다.
  2. 공기 흐름에 대한 경로를 제공하기 위해 1 m 길이 X 1m x 세로 0.3 미터 높이 시트 금속 덕트와 지상 인접한 섹션에 가입하세요.
    1. 각각의 덕트의 내부에 냉각 코일 161.4 kW의 냉동 장치에서 10 ℃에서 냉각제 공급.
    2. 기타에 사용되는 등 명확한 온실 필름과 식물 (두께 0.006 "/. 15mm)를 묶기후 조작 실험 23.
    3. 샘플링 모노리스에 액세스 할 수 있도록 초안 플랩에 의해 뒷받침 지퍼 개방 각 커버를 장착한다.
    4. 폴리에틸렌은 성장시기의 끝에 커버 제거합니다.

4. 이산화탄소와 공기 온도 측정; 온도 제어

  1. 두 챔버에 샘플 입구와 출구의 C superambient 및 subambient 챔버의 입구와 출구에있는 여과 된 공기 샘플 라인을 통해 매 2 분. 이 자료는 이산화탄소 주입 및 팬 속도 제어를 알려줍니다.
    1. 샘플 C의 수증기 함량, 및 20 분 간격으로 각 5m 섹션의 입구와 출구에서 측정 된 공기 온도 (T A).
    2. 제조사의 프로토콜에 따라 적외선 가스 분석기를 사용하여 실시간으로 모든 CO 2 공기 샘플과 수증기량을 측정한다.
    3. , 항목, 중간에 T의 측정차폐 미세 와이어 열전대와 각 섹션의 D 출구.
  2. T 주위에 가까운 부분을 부에서 일관된 평균 (중앙부)의 T를 유지하기 위해 각 섹션의 입구에서 냉각 코일을 통한 냉매의 흐름을 조절한다.
  3. 하늘의 탁 트인 전망을 가지고 제조 업체의 프로토콜에 따라 광합성 광자 플럭스 밀도를 측정하기 위해 양자 센서를 배치합니다. 광 레벨은 송풍기 제어 알고리즘에 입력된다.

5. C 치료 응용 프로그램

  1. 낮
    1. superambient 다리의 입구 덕트 내에 질량 유량 제어기를 사용하여, 500 μL의 L -1 C로 들어오는 주변 공기와 순수 이산화탄소 (CO 2)를 혼합한다. C 측정에 대한 자세한 내용은 4 장을 참조하십시오.
    2. 섹션 1 입구에 송풍기를 사용하여 챔버를 통해 및 하류 섹션에 풍부한 공기를 이류.
    3. 엠송풍기 속도를 조정함으로써, 390 μL의 L-1 (외기)의 소망의 출사 C를 aintain.
      1. 출구 C가 설정치 이하이면 송풍 속도를 증가시킨다. 이 높은 출구 C의 결과로, 이산화탄소의 식물 흡수를위한 시간이 덜 할 수 있습니다.
      2. 출구 C가 설정치 이상이면 송풍기 속도를 감소시킨다.
    4. 250 μL의 L-1의 C의 배출을 달성하기 위해 제어 및 외기를 도입 제외 subambient 챔버 내에서 동일한 방법을 사용한다.
  2. 야간
    1. 공기 흐름의 방향을 반전.
    2. 530 μL의 L -1 C를 달성 superambient 챔버 낮 출구 단부에 이산화탄소를 주입하고, 제어 이류 율은 640 μL의 L을 유지할 -1 야간 출구 (낮 입구.
    3. 야간 입구에 ~ 390 μL의 L -1 CO 2에서 대기를 소개합니다subambient 실 및 제어 이류 속도 (낮 출구) 530 μL의 L를 유지하기 위해 -1 야간 출구에서.

6. 강수량 입력

  1. 각 모노리스에 평균 재배 기간 중 강수량을 적용합니다.
    1. 점적 관수 시스템을 통해 국내 물 소스에서 각 모노리스에 물을 공급한다. 실험 위치에 대한 계절 강우 패턴에 근접하는 관개 이벤트와 응용 프로그램의 양을 예약합니다. 정확한 일정은 현지 기후에 따라 달라집니다.
  2. 데이터 로거와 응용 프로그램의 타이밍을 제어하고 유량계와 응용 프로그램의 볼륨을 측정합니다.

7. 샘플링

  1. 중성자 감쇠 게이지 또는 다른 적절한 프로브, CO 2 제어 기간 체적 토양 수분 함량 (vSWC) 주간의 수직 프로파일을 측정한다.
    1. 추천 프로파일 씩 1 분 드에 깊이 20cm 씩 아르PTH, 그리고 1m 아래 한 50cm 증가.
  2. 측정 모노리스는 성장시기의 끝에 모든 서 지상 바이오 매스를 수확하여 순 일차 생산성 (ANPP)를 지상.
    1. 모든 지상 바이오 매스는 결과적으로 바이오 매스는 현재 주 생산을 나타냅니다 서, 매년 제거된다.
    2. 일정한 질량에 건조 종으로 샘플링 된 바이오 매스를 정렬하고, 무게.
    3. ANPP에 식물 종의 기여를 정량화하는 개별 종의 바이오 매스를 사용합니다.

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결과

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그라데이션의 superambient과 subambient 부분은 별도의 챔버 (그림 1)에서 유지된다. 그러나 작업 (2,007에서 2,013 사이)의 칠년 동안, 챔버 농축 챔버의 출구 사이의 C에 단지 작은 불연속 500에서 250 μL의 L-1 (그림 2)에 C에서 선형 그라데이션에게 농도를 유지 (모노리스 40)과 그라디언트의 subambient 부분의 입구 (모노리스 41).

공기 온도와 증기압 적자는 섹션 (19)과 공기 온도가 2 ~ 3 ° C 따뜻한 다른보다 평균 subambient 실, 20 superambient 챔버 부 (10)를 제외하고 모두 superambient과 subambient 챔버 섹션에 섹션에서 일정하게 유지하고, 섹션 (그림 2). 각 섹션 내에서 7 ℃로하고, correspondi - 그러나이 5의 온도 상승을 발음 할 수있다NG...

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토론

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LYCOG 시설은 세 가지 종류의 토양에 설립 실험 초원 지역 사회에 C 농도의 250 L -1 μL (500)에 연속 구배를 유지 자사의 운영 목표를 달성 할 수있다. C의 변화는 소정의 범위에서 선형이다. 공기 온도가 각 섹션 내에서 증가하지만, 대부분의 섹션에 섹션 사이의 냉각 코일에 의해 리셋되었다. 그 결과, 섹션에 섹션에서 일관된 평균 온도를 유지하는 동작의 목표는 그라데이션의 대부분 위에 만났다. 토양 수분이 상대적으로 높고, 식물이 가장 높은 광합성 능력에있을 때 온도와 C 컨트롤은 쉽게 봄과 초여름 동안 유지된다.

프로토콜의 중요한 단계

송풍기 속도의 제어는 소정의 CO 2 구배를 유지하는 가장 중요한 측면이다. 제어가 조합에 기초피드백과 피드 포워드 기법의 식생 탄소 흡수에 공기 흐름을 일치합니다. ...

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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Anne Gibson, Katherine Jones, Chris Kolodziejczyk, Alicia Naranjo, Kyle Tiner 및 수많은 학생 및 임시 기술자에게 LYCOG 시설 운영, 샘플링 수행 및 데이터 처리에 감사드립니다. L.G.R.은 USDA-NIFA (2010-65615-20632)를 인정합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
데이터 로거, 멀티플렉서Campell Scientific, Logan, UT, USACR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
열전대: Copper-constantanOmega Engineering, Inc., Stamford, CT, CT, USATT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
양자 센서Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, 미국LI-190SB
CO2/H2O 분석기Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, 미국LI-7000
용해계 저울Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, USADSL-3636-10
공기 샘플링 펌프Grace Air Components, 휴스턴, 텍사스, 미국VP 0660
이슬점 발생기Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USALI-610
냉수 냉각기AEC 응용 엔지니어링, Wood Dale, IL, USACCOA-50
냉각수 흐름 제어 값Belimo Air Controls, Danbury, CT, USALRB24-SR
냉각수 냉각 코일Coil Company, Paoli, PA, USAWC12-C14-329-SCA-R
이산화탄소 냉장 액체Temple Welding Supply, Temple, TX, USAUN2187
폴리에틸렌 필름AT Plastics, 토론토, ON, 캐나다Dura-film Super Dura 4
송풍기 모터/컨트롤러Dayton Electric, Lake Forest, IL, USA2M168C/4Z829
솔레노이드산업 자동화, Cornelius, NC, USAU8256B046V-12/DC
침출수 수집 펌프Gast Manufacturing, Benton Harbor, MI, USA0523-V191Q-G588DX

참고문헌

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  14. Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. Carbon dioxide and water fluxes of C3 annuals and C4 perennials at subambient CO2 concentrations. Funct Ecol. 6 (6), 693-703 (1992).
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  18. Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. Nitrogen and water requirements of C3 plants grown at glacial to present carbon dioxide concentrations. Funct. Ecol. 9 (1), 86-96 (1995).
  19. Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S., Brown, D. A., White, J. W. C. Leaf and plant water use efficiency of C4 species grown at glacial to elevated CO2 concentrations. Int. J. Plant Sci. 157 (2), 164-170 (2012).
  20. Polley, H. W., Johnson, H. B., Derner, J. D. Increasing CO2 from subambient to superambient concentrations alters species composition and increases above-ground biomass in a C3/C4 grassland. New Phytol. 160 (2), 319-327 (2003).
  21. Johnson, H. B., Polley, H. W., Whitis, R. P. Elongated chambers for field studies across atmospheric CO2 gradients. Funct. Ecol. 14 (3), 388-396 (2000).
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