Методическая статья

СО 2 Градиент концентрации средства для проверки СО 2 Эффекты обогащения и почвы наложенным Пастбища экосистем

DOI:

10.3791/53151

⸱

21 ноября 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Лизиметра Двуокись углерода Градиент фонд создает 250 до 500 мкл L-1 линейный градиент углекислого газа в контролируемой температурой камеры Корпус пастбищ растительных сообществ глины суглинки, и песчаных монолитов почвы. Объект используется для определения того, как прошлые и будущие уровни углекислого газа влияет пастбищ углерода на велосипеде.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Продолжая увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере (С А) методов мандат для исследования воздействия на наземные экосистемы. Большинство экспериментов рассматривать только два или несколько уровней C концентрации и один типа почвы, но если С А может изменяться как градиент от ниже комнатной до существенно превышающей концентрации на нескольких почв, мы можем различить ли последние отклики экосистем могут продолжать линейно в будущие и является ли ответы могут варьироваться в зависимости от ландшафта. Лизиметра Двуокись углерода Градиент фонд применяет 250 до 500 мкл L-1 С градиент к Blackland общин прерии растений, установленных на лизиметрах, содержащих глину, илистые глины и песчаные почвы. Градиент создается как фотосинтез растительностью, заключенного в камерах в контролируемой температурой постепенно истощает углекислый газ из воздуха, проходящего через направленно камер. Поддержание надлежащего расхода воздуха, адекватный photosynthetic потенциала и контроль температуры имеют решающее значение для преодоления основных ограничений системы, которые снижаются фотосинтезирующие ставки и увеличил нагрузку воды в летнее время. Объект является экономичной альтернативой другим методам C A обогащения, успешно различает форму реагирования экосистем на ниже комнатной, чтобы существенно превышающей C A обогащения, и может быть адаптирована для проверки взаимодействия диоксида углерода с других парниковых газов, таких как метан или озон.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Атмосферная концентрация двуокиси углерода (C A) в последнее время возросла мимо 400 мкл L -1 от приблизительно 270 мкл L -1 до начала промышленной революции. С А, по прогнозам, составит не менее 550 мкл -1 L 2100 1. Этот показатель роста превосходит любые изменения С А наблюдаемые в течение последних лет 500000. Небывалый темп изменения в C А повышает возможность нелинейных или пороговых реакций экосистем на увеличение C A. Большинство экосистем масштаб C A эксперименты по обогащению применять только две процедуры, один уровень обогащенного C A и контроля. Эти эксперименты значительно расширили наше понимание последствий экосистемных C A обогащению. Тем не менее, альтернативный подход, который может выявить наличие нелинейных реакций экосистем к увеличению C A является изучение экосистем через непрерывного диапазона ниже комнатной досущественно превышающей C A. Ниже комнатной C A трудно поддерживать в этой области, и чаще всего были изучены с помощью камеры роста 2. Существенно превышающей С А изучали с помощью камеры роста, с открытым верхом камеры и методы обогащения Free-Air 3, 4.

С А обогащение происходит через пейзажи, содержащих множество типов почвы. Свойства почвы могут сильно влиять реагирования экосистем на C A обогащения. Например, структура почвы определяет удержание воды и питательных веществ в почвенном профиле 5, их наличие в растениях 6, а также количество и качество органического вещества 7-9. Наличие влаги в почве является ключевым медиатором реакции экосистем на C A обогащению в воде ограничивается системами, в том числе большинство лугов 10. Прошлое поле С A эксперименты по обогащению, как правило, рассматривается только один тип почвы, и контролируется испытания непрерывно противТипы arying С А обогащение за несколько почвы отсутствуют. Если эффекты С A обогащения на экосистемные процессы отличаются типом почвы, есть веские причины ожидать пространственное изменение в реакции экосистем на C A обогащение и связанные с этим изменения климата 11, 12.

Диоксид углерода испарителя Градиент (LYCOG) объект предназначен для решения вопросов пространственного изменения в нелинейных и пороговых реакций экосистем до уровня С А, начиная с ~ 250 до 500 мкл L -1. LYCOG создает заданную градиент C А на многолетних пастбищ общин растениеводства на почвах, представляющих широкий спектр текстур, N и С содержанием, и гидрологических свойств луга в южной части США Центральной равнины. Удельный почвы серии используется на объекте являются Хьюстон Черная глина (32 монолитов), А Vertisol (Udic Haplustert), характерные низменности; Остин (32 монолитов), высокая карбоНейт, илистое глина Mollisol (Udorthentic Haplustol), характерные возвышенности; и Bastsil (16 монолитов), аллювиальной супесчаной серые лесные почвы (Udic Paleustalf).

Принцип работы занятых в LYCOG заключается в использовании способность к фотосинтезу растений к истощить C A от посылки воздуха переехал направленно через закрытых камерах. Целью лечения для поддержания постоянного линейного градиента дневное C A от 500 до 250 мкл L-1. Чтобы достичь этого, LYCOG состоит из двух линейных камер, A существенно превышающей камеры поддержании часть градиента от 500 до 390 (окружающей среды) -1 мкл L C A и ниже комнатной камеры поддержания 390 до 250 мкл L-1 часть градиент. Две камеры расположены бок о бок, ориентированных на оси север-юг. Градиент С А сохраняется в течение части года, когда растительность фотосинтеза потенциал достаточен; как правило, отв конце апреля до начала ноября.

Камеры содержать датчики и приборы, необходимые для регулирования С градиентом, контролировать температуру воздуха (T A) рядом с окружающей ценностей, и применять единые суммы осадков для всех почв. Почвы неповрежденные монолиты, собранные из близлежащих Blackland прерии, установленного в гидрологическом-изолированные весом лизиметрах инструментальных определить все компоненты водного баланса. Вода применяется в мероприятиях объемов и сроков, аппроксимирующих сезонность дождь мероприятий и составляет в течение среднего осадков в год. Таким образом, LYCOG способна оценить долгосрочные эффекты ниже комнатной, чтобы существенно превышающей C A и типа почвы на функции экосистем пастбищ в том числе воды и углерода бюджетов.

LYCOG это третье поколение C A экспериментов, проведенных градиентных USDA ARS Пастбища почвы и научно-исследовательской лаборатории воды. Первое поколение было прообразом ниже комнатной, чтобыокружающего градиент, что установлено жизнеспособность градиента подхода 13 и расширенный наше понимание листьев уровне физиологических реакций растений ниже комнатной изменение в C A 14-20. Второе поколение было поле масштаба применение понятии многолетние С 4 пастбища, с градиентом продлен до 200 550 мкл L-1 21. Это поле масштаба эксперимент дал первое доказательство того, что производительность пастбищ увеличивается с C A обогащение может насытить вблизи текущих концентраций в окружающей среде 20, отчасти потому, что наличие азота может ограничить производительность завода на существенно превышающей C 22. LYCOG расширяет эту поколения эксперимент второй путем включения повторены почвы различной текстуры, что позволяет надежную тестирование для интерактивных эффектов почв на C ответом пастбищ общин.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Собрать почвы монолиты для использования в качестве взвешивания лизиметрах

  1. Построить открытые стальные коробки 1 х 1 м кв на 1,5 м глубиной от 8 мм толщиной стали.
  2. Нажмите на открытые коробки вертикально в почву, с помощью гидравлических прессов установлен на винтовых анкеров пробурено 3 м глубоко в почву.
  3. Раскопки, заключенный монолит, используя экскаватор или аналогичное оборудование.
  4. Поместите стекловолокна фитиль в контакте с почвой у основания монолита. Пропустите через фитиль стали базой в 10 л резервуар для слива в монолит, а затем сварить стальное основание на дне коробки.
  5. Убейте существующую растительность на монолитов с применением не-остаточной гербицид, такой как глифосат.

2. Установите растительных сообществ на почвенный монолитов

  1. Завод монолиты с восьми саженцев каждого из семи видов Tallgrass луговых трав и травянистых, для полной плотности 56 растений на м 2.
    1. Растительные следующие травы: Bouteloua curtipendula (сторона-овес Грама), Schizachyrium scoparium (немного bluestem), Sorghastrum nutans (Indiangrass), TRIDENS albescens (белые Tridens)].
    2. Завод следующие Форбс: Шалфей Azurea (кувшин мудрец), золотарник канадский (Канада золотарника), Desmanthus illinoensis (Иллинойс bundleflower, бобовых).
  2. Саженцы растений в Латинской квадратный дизайн, повторно рандомизированы для каждого монолита.
  3. Поливают по пересадке в течение приблизительно 2 месяцев следующие посадки. Цель состоит в минимизации дефицита воды во время первоначального создания. Используйте любой удобный способ, такой как палочки ручной или сад спринклерных. Частота полива зависит от местного климата и погоды, в частности, возникновения окружающего осадков.
  4. После начальной фазы установления трансплантации, поддерживать трансплантации при атмосферном осадков за столько, сколько необходимо, пока камеры (Раздел3) строятся. Удаление нежелательных видов, которые возникают в монолитов при установлении по ручной прополке.

3. Палата Дизайн

  1. Построить две камеры друг шириной 1,2 м, 1,5 м в высоту и 60 м длинный, делится на десять длиной 5 м разделах. Построить секции из тяжелой стали размерами 5 х 1,2 тх 1,6 м глубиной, похоронен на 1,5 м.
    1. Установите четыре монолиты в каждой секции, две монолиты каждый из двух типов почв, в случайном порядке. Установите каждый монолит вершине баланса мощностей в 4540 кг.
    2. Включить Bastsil монолиты в пар в четных элементов.
  2. Присоединяйтесь смежные разделы надземной с длиной 1 м х 1 м в ширину х 0,3 м в высоту листового металла воздуховодов, чтобы обеспечить путь для воздушного потока.
    1. Поставка теплоносителя на 10 ° С от 161,4 кВт холодильной установки в Охлаждающий теплообменник внутри каждого канала.
    2. Заключите растительность с четким парниковых пленки (толщина 0,006 "/. 15 мм), например, используется в другихКлимат манипуляции эксперименты 23.
    3. Установите крышку каждый с открытия молнии поддержке проекта клапаном, чтобы обеспечить доступ к монолитов для отбора проб.
    4. Удалить полиэтилен охватывает в конце вегетационного периода.

4. СО 2 и воздуха Измерение температуры; Контроль температуры

  1. Образец вход и выход С А на обеих палат каждые 2 мин через отфильтрованных образцов воздушных линиях, расположенных на входе и выходе из существенно превышающей и ниже комнатной камер. Эти данные информировать СО 2 впрыска и управление скоростью вращения вентиляторов.
    1. Образец С А и содержание водяного пара, и температура воздуха мера (Т А) на входе и выходе каждого 5 м сечения на 20-минутные интервалы.
    2. Измерьте все пробы воздуха для CO 2 и содержание водяного пара в режиме реального времени, используя инфракрасные газоанализаторы в соответствии с протоколом производителя.
    3. Измерьте T A на въезд, середине, А.Н.D Выход каждой секции с экранированных мелких термопар.
  2. Регулировать поток теплоносителя через змеевик охлаждения на входе каждого раздела, чтобы поддерживать последовательную среднее (средняя часть) T A от раздела к разделу возле окружающего T A.
  3. Расположите квантовый датчик, чтобы иметь беспрепятственный обзор неба и измерить плотность потока фотонов фотосинтеза в соответствии с протоколом производителя. Уровень света является вход алгоритма управления вентилятором.

5. С лечение Применение

  1. Дневное время
    1. Смешайте чистый углекислый газ (CO 2) с входящего воздуха до 500 мкл L -1 C A, с помощью контроллера массового расхода во входном канале в существенно превышающей ноги. Раздел 4 С измерения деталей.
    2. Advect обогащенный воздух через камеры с использованием вентиляторов нагнетательные у входа в разделе 1 и в последующих разделах.
    3. МAINTAIN нужный выход C A 390 мкл L -1 (окружающий воздух), регулируя скорость вентилятора.
      1. Увеличьте скорость вентилятора, если выход С А ниже заданного значения. Это позволяет меньше времени для поглощения растениями СО 2, что приводит к повышению выхода C A.
      2. Уменьшите скорость вентилятора, если выход С А выше уставки.
    4. Используйте тот же подход в камере ниже комнатной, кроме введения окружающего воздуха и контроль для достижения выхода C A 250 мкл L -1.
  2. Ночное время
    1. Обратный направление потока воздуха.
    2. Вводите CO 2 в дневное время выхода концу существенно превышающей камеры для достижения 530 мкл L 1 C A, а темпы контроль адвекции поддерживать 640 мкл L -1 в ночное выхода (в дневное время входа.
    3. Представьте окружающий воздух на ~ 390 мкл L -1 СО 2 в ночное входа(в дневное время выхода) скорости адвекции ниже комнатной камеры и управления для поддержания 530 мкл L -1 в ночное выхода.

6. осадков Входы

  1. Примените средний сезон выращивания количество осадков в каждой монолита.
    1. Подача воды в каждой из монолита внутреннего источника воды через систему капельного орошения. График ирригационных мероприятий и объемы применения приблизить сезонных осадков шаблон для расположения эксперимента. Точное расписание зависит от местного климата.
  2. Управление времени приложений с регистратором данных и измерения объемов приложений с расходомеров.

7. Отбор проб

  1. Измерьте вертикальные профили объемной содержание воды в почве (vSWC) еженедельно в период СО 2 управления, с манометром ослабления нейтронов или другим соответствующим зондом.
    1. Рекомендуемые шагом анкета на 20 см с шагом глубины до 1 м дер-й, и один 50 см приращение ниже 1 м.
  2. Мера монолит надземной чистой первичной продуктивности (ААЭС) по сбору всех стоял надземной биомассы в конце вегетации.
    1. Все надземная биомасса удаляется в год, следовательно, биомасса представляет стоя текущего первичного производства.
    2. Сортировать сэмпл биомассы видов, сухих до постоянной массы и взвешивают.
    3. Использование биомассы отдельных видов количественно видов растений вклад в Армянской АЭС.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В существенно превышающей и ниже комнатной части градиента ведутся в отдельных камерах (рисунок 1). Тем не менее, в течение семи лет работы (2007 - 2013), камеры поддерживают линейный градиент в С в концентрации от 500 до 250 мкл L -1 (рис 2) только с малым разрывом в C А между выходом из обогащенных камер (Монолит 40) и вход в ниже комнатной части градиента (Монолит 41).

Температура воздуха и дефицит давления паров остается ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Объект LYCOG достигает цели оперативного поддержания 250 до 500 мкл L-1 непрерывный градиент концентрации С А на экспериментальных сообществ лугов, установленных на трех типах почв. Изменение C A является линейным по заданном диапазоне. Температура воздуха увеличилась в каждом разделе, но был сброшен катушек между-секции охлаждения в большинстве разделов. В результате оперативно цель поддержания постоянного средней температуры из отсека в отсек был встречен на большей части градиента. Те...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мы благодарим Энн Гибсон, Кэтрин Джонс, Криса Колодзейчика, Алисию Наранхо, Кайла Тинера, а также многочисленных студентов и временных техников за эксплуатацию объекта LYCOG, проведение отбора проб и обработку данных. L.G.R. выражает признательность USDA-NIFA (2010-65615-20632).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Регистраторы данных, мультиплексорыCampell Scientific, Логан, Юта, СШАCR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
Термопары: Медный константанOmega Engineering, Inc., Стэмфорд, Коннектикут, СШАTT-T-40-SLE, TT-T-24-SLE
Квантовый датчикLi-Cor Biosciences, Линкольн, Небраска, СШАLI-190SB
Анализатор CO2/H2OLi-Cor Biosciences, Линкольн, Небраска, СШАВесы для измерения лисиметра LI-7000
Avery Weigh-Tronix, Хьюстон, Техас, СШАDSL-3636-10
Насос для отбора проб воздухаGrace Air Components, Хьюстон, Техас, СШАVP 0660
Генератор точки росыLi-Cor Biosciences, Линкольн, Небраска, СШАLI-610
Охладитель холодной водыAEC Application Engineering, Вуд Дейл, Иллинойс, СШАCCOA-50
Значения регулирования расхода охлажденной водыBelimo Air Controls, Данбери, Коннектикут, СШАLRB24-SR
Змеевики охлаждения охлажденной водыCoil Company, Паоли, Пенсильвания, СШАWC12-C14-329-SCA-R
Охлажденная жидкость из углекислого газаTemple Welding Supply, Темпл, Техас, СШАUN2187
Полиэтиленовая пленкаAT Plastics, Торонто, Онтарио, КанадаDura-пленка Super Dura 4
Двигатель/контроллер вентилятораDayton Electric, Лейк-Форест, Иллинойс, США2M168C/4Z829
Соленоидыпромышленной автоматизации, Корнелиус, Северная Каролина, СШАU8256B046V-12/DC
Насос для сбора фильтратаGast Manufacturing, Бентон-Харбор, Мичиган, США0523-V191Q-G588DX

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Climate Change 2013: The Physical Science Basis. , Cambridge University Press. 1535(2013).
  2. Gerhart, L. M., Ward, J. K. Plant responses to low CO2 of the past. New Phytol. 188 (3), 674-695 (2010).
  3. Kimball, B. A. Cost comparisons among free-air CO2 enrichment, open-top chamber, and sunlit controlled-environment chamber methods of CO2 exposure. Crit. Rev. Plant Sci. 11 (2-3), 265-270 (1992).
  4. Hendrey, G. R., Lewin, K. F., Nagy, J. Free Air Carbon Dioxide Enrichment: DevelopmentProgress, Results. Vegetatio. 104/105 (1), 16-31 (1993).
  5. Weng, E., Luo, Y. Soil hydrological properties regulate grassland ecosystem responses to multifactor global change: A modeling analysis. J. Geophys. Res. 113 (G3), G03003(2008).
  6. Brady, N. C., Weil, R. R. The Nature and Properties of Soils. , 13th edn, Prentice Hall. 960(2002).
  7. Jenkinson, D. A. Studies on the decomposition of plant material in soil. V. The effects of plant cover and soil type opn the logg of carbon from 14C labelled ryegrass decomposing under field conditions. J. Soil Sci. 28 (3), 424-434 (1977).
  8. Hassink, J. Preservation of plant residues in soils differing in unsaturated protective capacity. Soil Sci. Soc. Am. J. 60 (2), 487-491 (1996).
  9. Oades, J. M. The retention of organic matter in soils. Biogeochemistry. 5 (1), 35-70 (1988).
  10. Knapp, A. K., et al. Consequences of more extreme precipitation regimes for terrestrial ecosystems. BioScience. 58 (9), 811-821 (2008).
  11. Ainsworth, E. A., Long, S. P. What have we learned from 15 years of free-air CO2 enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy properties and plant production to rising CO2. New Phytol. 165 (2), 351-372 (2005).
  12. Rogers, A., Ainsworth, E. A., Kammann, C. F. A. C. E. Ch 24: Value: Perspectives on the Future of Free-Air CO2 Enrichment Studies. Managed Ecosystems and CO2: Case Studies, Processes, and Perspectives. Ecological Studies. Nosberger, J., Long, S. P., Norby, R. J., Stitt, M. 187, Springer. 431-449 (2006).
  13. Mayeux, H. S., Johnson, H. B., Polley, H. W., Dumesnil, M. J., Spanel, G. A. A controlled environment chamber for growing plants across a subambient CO2 gradient. Funct Ecol. 7 (1), 125-133 (1993).
  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).
  15. Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S., Malone, S. R. Physiology and growth of wheat across a subambient carbon dioxide gradient. Ann. Bot. 71 (4), 347-356 (1993).
  16. Polley, H. W., Johnson, H. B., Marino, B. D., Mayeux, H. S. Increase in C3 plant water-use efficiency and biomass over glacial to present CO2 concentrations. Nature. 361 (6407), 61-64 (1993).
  17. Polley, H. W., Johnson, H. B., Mayeux, H. S. Increasing CO2: comparative responses of the C4 grass Schizachyrium. and grassland invader Prosopis. Ecology. 75 (4), 976-988 (1994).
  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).
  22. Gill, R. A., et al. Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2. Nature. 417 (6886), 279-282 (2002).
  23. Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Blair, J. M., Collins, S. L. Productivity responses to altered rainfall patterns in a C4-dominated grassland. Oecologia. 137 (2), 245-251 (2003).
  24. Miglietta, F., et al. Spatial and temporal performance of the miniface (free air CO2 enrichment) system on bog ecosystems in northern and central Europe. Environmental Monitoring and Assessment. 66 (2), 107-127 (2001).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи