A CO 2 Facility Concentração Gradiente para Teste CO 2 Enriquecimento do solo e efeitos sobre a função da pastagem de Ecossistemas

Resumo

O Lysimeter Dióxido de Carbono Gradiente Facility cria um 250 a 500 mL ^L -1 gradiente linear de dióxido de carbono em comunidades pastagem câmaras de habitação de plantas com temperatura controlada em argila, argila siltosa, e monólitos de solo arenoso. A facilidade é usada para determinar como os níveis de dióxido de carbono passadas e futuras afetar ciclismo pastagem de carbono.

Resumo

Contínuo aumento nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (C) _Um mandato técnicas de análise dos impactos sobre os ecossistemas terrestres. A maioria das experiências examinam apenas dois ou alguns níveis de C _{Uma concentração} e um único tipo de solo, mas se a relação C _{A pode} ser variado como um gradiente a partir de subambient para superambientes concentrações em vários solos, pode-se discernir se as respostas dos ecossistemas últimos podem continuar linearmente no futuro e se as respostas podem variar em toda a paisagem. O Lysimeter Dióxido de Carbono Gradiente Facility aplica um 250 a 500 mL ^L -1 C _{Um inclinação} para Blackland comunidades pradaria plantas estabelecidas em lisímetros contendo argila, argila siltosa, e solos arenosos. O gradiente é criado como fotossíntese por vegetação fechada em em câmaras com temperatura controlada esgota progressivamente o dióxido de carbono do ar que flui direcionalmente através das câmaras. Manter taxa de fluxo de ar adequado, photosy adequadacapacidade nthetic, e controle de temperatura são fundamentais para superar as principais limitações do sistema, que são decrescentes taxas de fotossíntese e aumento do estresse de água durante o verão. A instalação é uma alternativa econômica para outras técnicas de C _Um enriquecimento, discerne com sucesso a forma de respostas do ecossistema para subambient para superambientes C _Um enriquecimento, e pode ser adaptado para testar interações de dióxido de carbono com outros gases de efeito estufa, como o metano ou ozônio.

Introdução

Atmosférica concentração de dióxido de carbono (C _A) aumentou recentemente passado de 400 mL ^L -1 de cerca de 270 mL ^L -1 antes da Revolução Industrial. C _A previsão é de atingir pelo menos 550 mL ^L -1 em 2100 ^1. Esta taxa de aumento supera quaisquer alterações C _Um observadas ao longo dos últimos 500.000 anos. A taxa sem precedentes de mudança na C _Um levanta a possibilidade de respostas não-lineares ou limiar de ecossistemas para aumentar _Um C. A maioria ecossistema escala C _Um experimentos de enriquecimento de aplicar apenas dois tratamentos, um único nível de C enriquecido _{A e} um controle. Estas experiências têm expandido nossa compreensão sobre os impactos nos ecossistemas de C _Um enriquecimento. No entanto, uma abordagem alternativa que pode revelar a presença de respostas não lineares dos ecossistemas para aumentar C _{A é} para estudar ecossistemas através de uma gama contínua de a subambient_Um superambientes C. Subambient C _Um é difícil de manter no campo, e tem sido mais estudados utilizando câmaras de crescimento ^2. _A superambientes C foi estudada usando câmaras de crescimento, câmaras de topo aberto, e técnicas de enriquecimento livre de ar ^{3, 4.}

C _Um enriquecimento ocorre através das paisagens que contêm muitos tipos de solo. Propriedades solos pode afetar fortemente as respostas dos ecossistemas para C _Um enriquecimento. Por exemplo, a textura do solo determina a retenção de água e nutrientes no perfil do solo ^5, a sua disponibilidade para as plantas ^6, e da quantidade e qualidade da matéria orgânica ^7-9. A disponibilidade de umidade do solo é um mediador crucial das respostas do ecossistema para C _Um enriquecimento em sistemas de água, limitadas, incluindo a maioria das pradarias ^10. Campo passado C _Um experimentos de enriquecimento de ter examinado normalmente apenas um tipo de solo e testes de v continuamente controladatipos arying C _Um enriquecimento do solo ao longo de vários faltam. Se os efeitos de C _Um enriquecimento nos processos do ecossistema diferem com o tipo de solo, há uma forte razão para esperar variação espacial nas respostas do ecossistema para C _Um enriquecimento e consequentes alterações climáticas ^{11, 12.}

O Dióxido de Carbono Lysimeter Gradiente (LYCOG) instalação foi projetado para tratar de questões de variação espacial nas respostas não lineares e limiar de ecossistemas para níveis que vão de _A C ~ 250 a 500 mL ^L -1. LYCOG cria o gradiente prescrita de C _Um em comunidades perenes pastagem de plantas que crescem em solos que representam a ampla gama de textura, teores de N e C, e propriedades hidrológicas de pastagens na porção sul da Central Plains dos Estados Unidos. Série solos específico utilizado na instalação são Houston Preto argila (32 monólitos), um Vertisol (údico Haplustert) típico de planícies; Austin (32 monolitos), uma alta carbonate, argila siltosa Mollisol (Udorthentic Haplustol) típico de terras altas; e Bastsil (16 monólitos), um aluvial arenoso Alfisol (údico Paleustalf).

O princípio operacional empregado em LYCOG é aproveitar a capacidade fotossintética das plantas para esgotar C _A partir de parcelas de ar movido direcionalmente através das câmaras fechadas. O objectivo do tratamento consiste em manter um gradiente linear constante durante o dia em C _{A a partir de} 500 a 250 ul de ^L-1. Para alcançar este objetivo, LYCOG consiste de duas câmaras lineares, uma câmara superambientes manter a porção do gradiente de 500 para 390 (ambiente) ^-1 ul L C _A, e uma câmara de manutenção a subambient ^L -1 porção 390 para 250 ul do gradiente. As duas câmaras estão localizados lado a lado, orientado sobre um eixo norte-sul. O gradiente C _{A é mantido} durante a parte do ano, quando a capacidade fotossintética vegetação é adequado; tipicamente desdefinal de abril a início de novembro.

As câmaras contêm sensores e instrumentação necessárias para regular o C _{Um gradiente,} controlar a temperatura do ar (T _A) para valores próximos dos ambientes, e aplicar quantidades de precipitação uniformes para todos os solos. Os solos são monólitos intactas recolhidas de pradaria Blackland nas proximidades lisímetros de pesagem instalados em hidrologicamente isoladas instrumentados para determinar todos os componentes do balanço hídrico. A água é aplicada em eventos de volume e calendário que aproximar a sazonalidade dos eventos de chuva e de montantes durante um ano médio de precipitação. Assim, LYCOG é capaz de avaliar os efeitos a longo prazo da subambient para superambientes C _{A e} tipo de solo em função do ecossistema pastagem, incluindo água e carbono orçamentos.

LYCOG é a terceira geração de C _Um gradiente experimentos conduzidos por USDA ARS Pastagem Laboratório de Solo e Água Research. A primeira geração era um protótipo para subambientgradiente ambiente que estabeleceu a viabilidade da abordagem gradiente de ^{13 e} avanço do entendimento das respostas fisiológicas de nível folha de plantas para subambient variação em C _Um ^14-20. A segunda geração foi uma aplicação no campo escala do conceito de perene _C 4 pastagem, com o gradiente estendido para 200-550 mL ^L -1 ^21. Este experimento de campo escala forneceu a primeira evidência de que a produtividade da pastagem aumenta com C _Um enriquecimento pode saturar perto concentrações atuais ambientes ^{de 20,} em parte porque a disponibilidade de nitrogênio podem limitar a produtividade da planta em superambientes C _{^A 22.} LYCOG estende esta segunda experiência geração, incorporando solos replicados de diferentes textura, permitindo o teste robusto para efeitos interativos de solos no C _{Uma resposta} das comunidades de pastagem.

Protocolo

1. Monólitos Coletar solo a ser usado como lisímetros de pesagem

1. Construir caixas de aço abertas 1 x 1 m quadrados por 1,5 m de profundidade entre 8 mm de espessura de aço.
2. Pressione as caixas abertas verticalmente no solo, com prensas hidráulicas montadas em âncoras helicoidais perfurado 3 m de profundidade no solo.
3. Escavar o monólito envolto utilizando uma retroescavadeira ou equipamento similar.
4. Coloque um pavio em fibra de vidro em contacto com o solo na base do monólito. Passe o pavio por meio da base de aço para um reservatório de 10 L para drenar o monólito, e, em seguida, soldar o aço de base na parte inferior da caixa.
5. Matar a vegetação existente nos monolitos pela aplicação de um herbicida não-residuais, tais como o glifosato.

2. Estabelecer Comunidades Vegetais em monólitos de solos

1. Planta os monólitos com oito mudas cada um dos sete espécies de gramíneas e Tallgrass Prairie forbs, para uma densidade total de 56 plantas por ^m 2.
   1. Vegetal os seguintes: Gramas Bouteloua curtipendula (lado aveia grama), Schizachyrium scoparium (pouco bluestem), nutans Sorghastrum (Indiangrass), tridens albescens (tridens branco)].
   2. Plante as seguintes Forbs: azurea Salvia (pitcher sábio), Solidago canadensis (Canadá goldenrod), a flor do ilinóis (Illinois Bundleflower, uma leguminosa).
2. Mudas de plantas em um quadrado latino, re-randomizados para cada monólito.
3. Regar os transplantes de aproximadamente 2 meses após o plantio. O objetivo é minimizar o estresse hídrico durante o estabelecimento inicial. Usar qualquer método conveniente, como uma varinha de mão ou aspersão jardim. A freqüência da rega depende do clima e do tempo local, particularmente a ocorrência de precipitação ambiente.
4. Após a primeira fase estabelecimento de transplante, manter os transplantes sob chuva ambiente por tanto tempo quanto necessário, enquanto câmaras (Seção3) são construídos. Retirar espécies indesejadas que emergem nos monólitos durante o estabelecimento por mão-de capina.

3. Câmara projeto

1. Construir duas câmaras cada 1,2 m de largura, 1,5 m de altura e 60 m de comprimento, dividido em dez seções 5 m de comprimento. Construir seções de aço pesado de dimensões 5 mx 1,2 mx 1,6 m de profundidade, enterrado a 1,5 m.
   1. Instale quatro monólitos em cada seção, dois monolitos cada um de dois dos tipos de solo, em ordem aleatória. Instale cada monólito no topo de um equilíbrio de capacidade 4,540 kg.
   2. Incluir monólitos Bastsil nos emparelhamentos em seções de números pares.
2. Junte-se secções adjacentes acima do solo com 1 m de comprimento x 1 m de largura x 0,3 m de altura do duto de chapa para fornecer um caminho para o fluxo de ar.
   1. Fornecimento de líquido de arrefecimento a 10 ° C a partir de uma unidade de refrigeração 161,4 kW a uma serpentina de arrefecimento no interior de cada conduta.
   2. Coloque a vegetação com filme claro com efeito de estufa (espessura 0,006 "/. 15 mm), tal como usado na outraexperimentos de manipulação do clima ^23.
   3. Encaixe cada tampa com uma abertura com zíper apoiada por um projecto de retalho para permitir o acesso aos monolitos para a amostragem.
   4. Remover o polietileno cobre no final da estação de crescimento.

4. CO _{2 e} temperatura do ar Medição; Controle de temperatura

1. Amostra entrada e saída C _{A em} ambas as câmaras cada 2 minutos através de linhas de amostra de ar filtrado localizados na entrada e saída de câmaras superambientes e subambient. Estes dados informar _injeção de CO 2 e ventilador de controle de velocidade.
   1. Teor de vapor de água C ​​Amostra _{A e,} e temperatura do ar medida (T _A) na entrada e saída de cada seção 5 m em intervalos de 20 min.
   2. Meça todas as amostras de ar para _CO2 e teor de vapor de água em tempo real usando analisadores de gás infravermelho de acordo com o protocolo do fabricante.
   3. Meça T _{A na} entrada, ponto médio, umd saída de cada seção com termopares de fios finos blindados.
2. Regular o fluxo de fluido de arrefecimento através da serpentina de refrigeração na entrada de cada secção para manter uma média consistente (mid) _T A secção para secção de perto o ambiente _T A.
3. Posicione um sensor de quantum para ter uma visão desobstruída do céu e medir fótons fotossintéticos densidade de fluxo de acordo com o protocolo do fabricante. Nível de luz é uma entrada para o algoritmo de controle do ventilador.

5. C _A aplicação dos tratamentos

1. Dia
   1. Misturar puro de dióxido de carbono (CO ₂₎ com ar ambiente com 500 ul de entrada ^L -1 C _A, usando um controlador de fluxo de massa no canal de entrada da perna superambientes. Ver Seção 4 para C _A medida mais detalhes.
   2. Advect o ar enriquecido através das câmaras utilizando ventoinhas à entrada da secção 1 e nas seções a jusante.
   3. Manter a saída _C A 390 ul de ^L-1 (ar ambiente) desejado, ajustando a velocidade do ventilador.
      1. Aumente a velocidade do ventilador, se a saída C _{A estiver abaixo do} ponto de ajuste. Isto permite que menos tempo para absorção pelas plantas de CO _2, resultando em maior saída _C A.
      2. Diminuir a velocidade do ventilador, se a saída C _Um está acima do ponto de ajuste.
   4. Use a mesma abordagem na câmara subambient exceto introduzir ar ambiente e controle para alcançar a saída C _Um de 250 mL ^L -1.
2. Nighttime
   1. Inverter o sentido do fluxo de ar.
   2. Injetar _CO 2 na extremidade de saída da câmara de dia superambientes para atingir 530 mL ^L -1 C _A, e as taxas de controle advecção de manter 640 mL ^L -1 na saída noite (entrada dia.
   3. Introduzir ar ambiente em ~ 390 mL ^L -1 _de CO 2 para a entrada noturna(saída dia) da velocidade do controlo e advection câmara para manter subambient 530 ul ^L-1 na saída noite.

6. Entradas de precipitação

1. Aplique a quantidade média de chuva estação de crescimento para cada monólito.
   1. Abastecimento de água para cada monólito de uma fonte de água para uso doméstico através de um sistema de irrigação por gotejamento. Agendar os eventos de irrigação e as quantidades de aplicação para aproximar o padrão sazonal de chuva para a localização experimento. O horário exato depende do clima local.
2. Controle de tempo de aplicação com um registrador de dados e medir volumes de aplicativos com medidores de vazão.

7. Amostragem

1. Medir perfis verticais de volumétrico de água no solo (vSWC) semanalmente durante o período de CO ₂ de controle, com um medidor de atenuação ou outra sonda de nêutrons apropriado.
   1. Incrementos perfil recomendadas são incrementos de profundidade de 20 cm a 1 m dePTH, e um incremento de 50 cm abaixo de 1 m.
2. Medida monólito biomassa aérea da produtividade primária líquida (ANPP) colhendo tudo biomassa acima do solo de pé no final da estação de crescimento.
   1. Todos biomassa acima do solo é removido a cada ano, em consequência de pé biomassa representa a produção primária atual.
   2. Classificar a biomassa recolhidos por meio de espécies e seco para massa constante, e pesar.
   3. Use biomassa de espécies individuais para quantificar espécies de plantas contribuições para ANPP.

Resultados

Os superambientes e subambient porções do gradiente são mantidos em câmaras separadas (Figura 1). No entanto, ao longo de sete anos de operação (2007 - 2013), as câmaras mantido um gradiente linear em C _{numa concentração de} 500 para 250 ul ^L-1 (Figura 2), com apenas uma pequena descontinuidade em C _{A entre} a saída das câmaras enriquecidos (Monolith 40) e a entrada da porção de subambient do gradiente (Monolith 41).

Temperatur...

Discussão

A instalação LYCOG atinge seu objetivo operacional de manutenção de um 250 a 500 mL ^L -1 gradiente contínuo das concentrações de C _A em comunidades experimentais de pastagens estabelecidas em três tipos de solo. A mudança de C _{A é} linear dentro do intervalo prescrito. Temperatura do ar aumentou dentro de cada seção, mas foi reposta pelas bobinas entre-seção de arrefecimento na maioria dos setores. Como resultado, o objectivo operacional de manter a temperatura média consistente de secção...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Registradores de dados, multiplexadores	Campell Scientific, Logan, UT, EUA	CR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
Termopares: Cobre-constantan	Omega Engineering, Inc., Stamford, CT, EUA	TT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
Sensor quântico	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, EUA	Li-190SB
Analisador de CO2/H2O	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, EUA	LI-7000
Balanças de lisímetro	Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, EUA	DSL-3636-10
Bomba de amostragem de ar	Grace Air Components, Houston, TX, EUA	VP 0660
Gerador de ponto de orvalho	Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, EUA	LI-610
Resfriador de água fria	AEC Application Engineering, Wood Dale, IL, USA	CCOA-50
Valores de controle de fluxo de água gelada	Belimo Air Controls, Danbury, CT, USA	LRB24-SR
Serpentinas de resfriamento de água gelada	Coil Company, Paoli, PA, USA	WC12-C14-329-SCA-R
Líquido refrigerado de dióxido de carbono	Temple Welding Supply, Temple, TX, USA	UN2187
Filme de polietileno	AT Plastics, Toronto, ON, Canadá	Dura-film Super Dura 4
Motor/controlador do ventilador	Dayton Electric, Lake Forest, IL, EUA	2M168C/4Z829
Solenóides	Automação Industrial, Cornelius, NC, EUA	U8256B046V-12/DC
Bomba de coleta de lixiviado	Gast Manufacturing, Benton Harbor, MI, EUA	0523-V191Q-G588DX