Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

A CO Published: November 21, 2015 doi: 10.3791/53151
Automatic Translation
1, 2, 2, 1, 1
1USDA-ARS, Grassland Soil and Water Research Laboratory, 2Department of Integrative Biology, University of Texas at Austin

Summary

يخلق مقياس الذوبان الكربون مرفق ثاني أكسيد التدرج على 250-500 ميكرولتر L -1 خطي غاز ثاني أكسيد الكربون التدرج في المجتمعات النباتية العشبية غرف السكن التي تسيطر عليها درجة الحرارة على الطين، والطين الغريني، وكتل التربة الرملية. يستخدم مرفق لتحديد الكيفية التي تؤثر بها مستويات غاز ثاني أكسيد الكربون في الماضي والمستقبل الدراجات الكربون المراعي.

Abstract

الزيادات المستمرة في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (C A) تقنيات ولاية لدراسة التأثيرات على النظم الإيكولوجية الأرضية. معظم التجارب تدرس سوى اثنين أو مستويات قليلة من C A تركيز ونوع التربة واحد، ولكن إذا C A يمكن أن تختلف كما تدرج من subambient إلى superambient تركيزات على التربة متعددة، يمكننا أن نتبين ما اذا كان قد يستمر الردود النظام البيئي الماضية خطيا في قد تختلف المستقبل وما إذا كان الردود عبر المناظر الطبيعية. على مقياس الذوبان الكربون مرفق ثاني أكسيد التدرج ينطبق 250-500 ميكرولتر L -1 C A التدرج إلى Blackland المجتمعات النباتية البراري أنشئت في lysimeters تحتوي على الطين، الطين الغريني، والتربة الرملية. يتم إنشاء التدرج كما الضوئي بواسطة النباتات المغلقة في في غرف التحكم في درجة حرارته تدريجيا يستنزف ثاني أكسيد الكربون من الهواء المتدفق إتجاهي من خلال الدوائر. الحفاظ على معدل تدفق الهواء الصحيح، photosy كافيةالقدرة nthetic، والتحكم في درجة الحرارة حاسمة للتغلب على القيود الرئيسية للنظام، والتي تراجع معدلات التمثيل الضوئي وزيادة الإجهاد المائي خلال الصيف. هذا المرفق هو بديل اقتصادي لتقنيات أخرى للC A تخصيب اليورانيوم يميز بنجاح على شكل استجابات النظام الإيكولوجي في subambient إلى superambient C A تخصيب، ويمكن تكييفها لاختبار التفاعلات من ثاني أكسيد الكربون مع غيره من غازات الدفيئة مثل غاز الميثان أو الأوزون.

Introduction

الغلاف الجوي تركيز ثاني أكسيد الكربون (C A) زادت في الآونة الأخيرة الماضية 400 ميكرولتر L -1 من ما يقرب من 270 ميكرولتر L -1 قبل الثورة الصناعية. ومن المتوقع C A لتصل إلى 550 على الأقل ميكرولتر L -1 بحلول عام 2100 1، وهذا معدل الزيادة يفوق أية تغييرات C A وحظ خلال السنوات 500،000 الماضية. معدل لم يسبق له مثيل من التغيير في C A يزيد من احتمال حدوث استجابات غير خطية أو عتبة النظم الإيكولوجية على زيادة C A. معظم النظم الإيكولوجية على نطاق و-C A تجارب تخصيب تنطبق سوى اثنين من العلاجات، على مستوى واحد من أثرى C A والسيطرة. هذه التجارب قد توسعت بشكل كبير من فهمنا للآثار النظام البيئي للC A تخصيب اليورانيوم. ومع ذلك، وهو نهج بديل يمكن أن تكشف عن وجود استجابات النظام البيئي غير الخطية إلى زيادة C A هو دراسة الأنظمة البيئية عبر مجموعة المستمر للsubambient لsuperambient C A. Subambient C A من الصعب الحفاظ في الميدان، وغالبا ما تتم دراسته باستخدام غرف النمو 2. وقد Superambient C A درست باستخدام غرف النمو، مكشوفة الدوائر، وتقنيات تخصيب الهواء مجانا 3، 4.

يحدث C A تخصيب عبر المناظر الطبيعية التي تحتوي على العديد من أنواع التربة. يمكن خصائص التربة تؤثر بشدة الردود النظام الإيكولوجي في C A تخصيب اليورانيوم. على سبيل المثال، يحدد قوام التربة على الاحتفاظ بالماء والعناصر الغذائية في التربة 5، توافرها للنباتات 6، وكمية ونوعية المواد العضوية 7-9. توافر رطوبة التربة وسيط حاسم الردود النظام الإيكولوجي في C A تخصيب اليورانيوم في شبكات المياه محدودة، بما في ذلك معظم المراعي 10. حقل الماضي C A تجارب تخصيب وعادة فحص التربة نوع واحد فقط، والتحكم اختبارات مستمرة ضدولا توجد أنواع arying C A تخصيب التربة على مدى عدة. إذا آثار C A تخصيب اليورانيوم على عمليات النظم الإيكولوجية تختلف مع نوع التربة، وهناك سبب قوي لتوقع التباين المكاني في استجابات النظام الإيكولوجي في C A تخصيب اليورانيوم والتي تلت ذلك التغيرات في المناخ 11، 12.

ثاني أكسيد الكربون مقياس الذوبان تم تصميم التدرج (LYCOG) منشأة لمعالجة مسائل التباين المكاني في الاستجابات غير الخطية وعتبة النظم الإيكولوجية على C A مستويات تتراوح بين ~ 250-500 ميكرولتر L -1. LYCOG يخلق التدرج المحدد من C A على المجتمعات النباتية المعمرة العشبية المتزايد على التربة يمثلون مجموعة واسعة من الملمس، N و C المحتويات، والخصائص الهيدرولوجية من المراعي في الجزء الجنوبي من الولايات المتحدة السهول الوسطى. سلسلة محددة التربة المستخدمة في المنشأة هي الطين الأسود هيوستن (32 كتل)، وهو Vertisol (Udic Haplustert) نموذجية من الأراضي المنخفضة. أوستن (32 كتل)، وكاربو عاليةنيت والطين الغريني Mollisol (Udorthentic Haplustol) نموذجية من المرتفعات. وBastsil (16 كتل)، وهي الغرينية الرملية الطميية Alfisol (Udic Paleustalf).

مبدأ التشغيل المستخدمة في LYCOG هو تسخير قدرات التمثيل الضوئي للنباتات في استنزاف C A من الطرود من الهواء انتقلت إتجاهي من خلال الدوائر المغلقة. هدف العلاج هو الحفاظ على ثابت الانحدار الخطي في النهار C A 500-250 ميكرولتر L -1. ولتحقيق ذلك، LYCOG يتكون من مجلسين الخطية، غرفة superambient الحفاظ على جزء من التدرج 500-390 (المحيط) ميكرولتر L -1 C A، وغرفة subambient الحفاظ على 390-250 ميكرولتر L -1 جزء من التدرج. تقع الغرفتين جنبا إلى جنب، موجهة على محور الشمال والجنوب. يتم الحفاظ على C A التدرج خلال جزء من السنة عندما قدرة النباتات التمثيل الضوئي هي كافية؛ عادة منأواخر أبريل إلى أوائل نوفمبر تشرين الثاني.

غرف تحتوي على أجهزة الاستشعار والأجهزة اللازمة لتنظيم C A التدرج، ومراقبة درجة حرارة الهواء (T A) بالقرب القيم المحيطة، وتطبيق كميات الأمطار موحدة لجميع أنواع التربة. التربة هي كتل سليمة تم جمعها من البراري Blackland قريب المثبتة في lysimeters وزنها معزولة هيدرولوجيا-المجهزة لتحديد جميع مكونات الموازنة المائية. يتم تطبيق المياه في أحداث حجم وتوقيت تقارب موسمية أحداث الأمطار ويبلغ متوسط ​​هطول الأمطار خلال العام. وهكذا، LYCOG قادر على تقييم الآثار الطويلة الأجل لsubambient إلى superambient C A ونوع التربة على وظيفة النظام البيئي المراعي بما في ذلك الميزانيات الماء والكربون.

LYCOG هو الجيل الثالث من C A التجارب التدرج التي أجرتها وزارة الزراعة الأميركية ARS الأراضي العشبية التربة ومختبر أبحاث المياه. وكان الجيل الأول subambient النموذج الأولي لالمحيطة التدرج التي تثبت جدوى نهج التدرج 13 وتفاهمنا الاستجابات الفسيولوجية على مستوى أوراق النباتات إلى subambient الاختلاف في C A 14-20. كان الجيل الثاني من تطبيق على نطاق ومجال للمفهوم الدائمة C 4 المراعي، مع التدرج تمتد إلى 200-550 ميكرولتر L -1 21. قدمت هذه التجربة على نطاق الحقل أول دليل على أن زيادة إنتاجية المراعي مع C A تخصيب يجوز تشبع بالقرب تركيزات المحيطة الحالية 20، وذلك جزئيا بسبب توافر النيتروجين قد يحد من إنتاجية المصنع في superambient C A 22. LYCOG تمتد هذه التجربة الجيل الثاني من خلال دمج التربة تكرارها متفاوتة الملمس، مما يسمح للاختبار قوي للآثار التفاعلية التربة على C استجابة للمجتمعات المراعي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. كتل التربة اجمع لاستخدامها وزنها Lysimeters

  1. بناء مربعات الصلب مفتوحة 1 × 1 متر مربع بنسبة 1.5 م العميق من 8 مم الصلب السميك.
  2. اضغط على صناديق مفتوحة عموديا في التربة، وذلك باستخدام المكابس الهيدروليكية التي شنت على المراسي حلزونية حفر 3 متر في عمق التربة.
  3. حفر متراصة المغطى باستخدام حفار أو معدات مماثلة.
  4. وضع الفتيل الألياف الزجاجية في اتصال مع التربة في قاعدة متراصة. تمرير الفتيل من خلال قاعدة الصلب في خزان 10 L لاستنزاف متراصة، ثم حام قاعدة الصلب على الجزء السفلي من مربع.
  5. قتل النباتات الموجودة على كتل من خلال تطبيق مبيدات الأعشاب غير المتبقية، مثل الغليفوسات.

2. إنشاء المجتمعات النباتية على كتل التربة

  1. مصنع كتل مع ثمانية الشتلات لكل من سبعة أنواع من tallgrass المرج الأعشاب والنباتات ذات الاوراق العريضة، لكثافة إجمالية قدرها 56 محطات للمتر 2.
      Bouteloua curtipendula (الجانب الشوفان جراما)، Schizachyrium scoparium (bluestem قليلا)، إيمائي Sorghastrum (Indiangrass)، albescens Tridens (tridens أبيض)].
    1. مصنع النباتات ذات الاوراق العريضة التالية: azurea المريمية (جرة حكيم)، عصا الذهب canadensis (كندا جلدنرد)، Desmanthus illinoensis (إلينوي bundleflower، والبقوليات).
  2. شتلات النباتات في تصميم مربع اللاتينية، وإعادة العشوائية لكل متراصة.
  3. يسقي الزرع لحوالي 2 أشهر بعد الزراعة. والهدف هو تقليل الإجهاد المائي خلال إنشاء الأولي. استخدام أي وسيلة مريحة مثل عصا باليد أو حديقة الرش. تواتر الري يعتمد على المناخ المحلي والطقس، وخاصة في حدوث الأمطار المحيطة.
  4. بعد مرحلة التأسيس زرع الأولية، والحفاظ على زرع تحت الأمطار المحيطة لطالما كان ذلك ضروريا بينما غرف (القسم3) يتم بناؤها. إزالة الأنواع غير المرغوب فيها التي تظهر في كتل أثناء قيام اليد وإزالة الأعشاب الضارة.

3. غرفة التصميم

  1. بناء غرفتين كل 1.2 متر واسعة، و 1.5 مترا طولا، و 60 مترا، مقسمة إلى عشرة 5 م المقاطع الطويلة. بناء مقاطع من الصلب الثقيل من أبعاد 5 م × 1.2 م × 1.6 م العميق، ودفن إلى 1.5 متر.
    1. تركيب أربع كتل في كل قسم، واثنين من كتل كل من نوعين من أنواع التربة، في ترتيب عشوائي. تثبيت كل متراصة فوق توازن قدرة 4540 كجم.
    2. تشمل كتل Bastsil في أزواج في أقسام زوجية.
  2. تاريخ المقاطع المتجاورة فوق الأرض مع 1 مترا × 1 متر عرض × 0.3 مترا طولا قناة الصفائح المعدنية لتوفير مسارا لتدفق الهواء.
    1. المبرد العرض في 10 ° C من وحدة التبريد 161.4 كيلو واط لفائف التبريد داخل كل قناة.
    2. ضع الغطاء النباتي مع فيلم الدفيئة واضح (سمك 0.006 "/ 15 ملم)، مثل المستخدمة في الآخرتجارب التلاعب المناخ 23.
    3. تناسب كل غطاء مع افتتاح انغلق بدعم من مشروع رفرف للسماح بالوصول إلى كتل لأخذ العينات.
    4. إزالة يغطي البولي إثيلين في نهاية موسم النمو.

4. CO 2 ودرجة حرارة الهواء قياس؛ التحكم في درجة الحرارة

  1. دخول وخروج عينة C A على كلا المجلسين كل 2 دقيقة من خلال تصفيتها خطوط عينة الهواء الموجود في الدخول والخروج من superambient وsubambient غرف. هذه البيانات تبلغ CO 2 الحقن والتحكم في سرعة المروحة.
    1. عينة C A ومحتوى بخار الماء، ودرجة حرارة الهواء مقياس (T A) في الدخول والخروج من كل 5 م القسم في 20 دقيقة فترات.
    2. قياس كل عينات من الهواء لCO 2 ومحتوى بخار الماء في الوقت الحقيقي باستخدام تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة.
    3. قياس T A في الدخول، نقطة الوسط، وهود الخروج من كل قسم مع محمية المزدوجات الحرارية الأسلاك الجميلة.
  2. تنظيم تدفق المبرد من خلال لفائف التبريد عند مدخل كل قسم للحفاظ على متوسط ​​ثابت (منتصف القسم) T A من الباب إلى الباب بالقرب من المحيط T A.
  3. وضع جهاز استشعار الكم أن يكون مشهدا من السماء وقياس التمثيل الضوئي الفوتون كثافة تدفق وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة. مستوى الضوء مدخلا إلى خوارزمية التحكم منفاخ.

5. C تطبيق العلاج

  1. خلال النهار
    1. مزج ثاني أكسيد الكربون النقي (CO 2) مع الهواء المحيط واردة إلى 500 ميكرولتر L -1 C A، باستخدام وحدة تحكم تدفق الشامل في القناة مدخل المحطة superambient. انظر القسم 4 لC A قياس التفاصيل.
    2. Advect الهواء المخصب من خلال الدوائر باستخدام مراوح منفاخ عند مدخل الباب 1، وفي أقسام المصب.
    3. مaintain المطلوب خروج C A 390 ميكرولتر L -1 (الهواء) عن طريق ضبط سرعة منفاخ.
      1. زيادة سرعة منفاخ إذا كان الخروج C A أقل من نقطة مجموعة. هذا يتيح وقتا أقل لامتصاص النبات من CO 2، مما أدى إلى ارتفاع خروج C A.
      2. تقليل سرعة منفاخ إذا خروج C A هو فوق نقطة التحديد.
    4. استخدام نفس النهج في غرفة subambient باستثناء إدخال الهواء المحيط والسيطرة لتحقيق خروج C A 250 ميكرولتر L -1.
  2. الليل
    1. عكس اتجاه تدفق الهواء.
    2. حقن CO 2 في الخروج نهاية النهار من الغرفة superambient لتحقيق 530 ميكرولتر L -1 C A، ومعدلات مراقبة حركة الهواء الأفقية للحفاظ على 640 ميكرولتر L -1 في الخروج ليلا (مدخل النهار.
    3. إدخال الهواء المحيط في ~ 390 ميكرولتر L -1 CO 2 إلى مدخل ليلا(الخروج خلال النهار) للغرفة subambient والتحكم في معدل حركة الهواء الأفقية للحفاظ على 530 ميكرولتر L -1 في الخروج ليلا.

6. إن الأمطار المدخلات

  1. تطبيق يعني موسم النمو كمية الأمطار إلى كل متراصة.
    1. توفير المياه لكل متراصة من مصدر المياه للأغراض المنزلية من خلال نظام الري بالتنقيط. جدولة الأحداث الري وكميات تطبيق لتقريب نمط هطول الأمطار الموسمية لموقع التجربة. الجدول الزمني المحدد يتوقف على المناخ المحلي.
  2. السيطرة على توقيت التطبيق مع مسجل البيانات وقياس كميات التطبيق مع مقاييس التدفق.

7. أخذ العينات

  1. قياس المقاطع الرأسية الحجمي محتوى الماء في التربة (vSWC) أسبوعيا من خلال الفترة من CO 2 السيطرة، مع مقياس النيوترون توهين أو غيرها من التحقيق المناسب.
    1. زيادات الشخصي الموصى بها هي 20 سم زيادات عمق 1 متر ديPTH، واحد 50 سم الزيادة أقل من 1 م.
  2. قياس متراصة فوق الأرض الإنتاجية الأولية الصافية (ANPP) من خلال حصاد كل يقف الكتلة الحيوية فوق الأرض في نهاية موسم النمو.
    1. تتم إزالة كافة الكتلة الحيوية فوق الأرض كل عام، وبالتالي الوقوف تمثل الكتلة الحيوية الإنتاج الأولي الحالي.
    2. فرز الكتلة الحيوية عينات من الأنواع، جافة لكتلة ثابتة، وتزن.
    3. استخدام الكتلة الحيوية من الأنواع الفردية لتحديد المساهمات الأنواع النباتية لANPP.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يتم الحفاظ على superambient وsubambient أجزاء من التدرج في غرف منفصلة (الشكل 1). ومع ذلك، على مدى سبع سنوات من العمل (2007 - 2013)، واصلت الدوائر الانحدار الخطي في C A تركيز 500-250 ميكرولتر L -1 (الشكل 2) مع وجود انقطاع صغير في C A بين الخروج من غرف المخصب (متراصة 40) ومدخل الجزء subambient التدرج (متراصة 41).

ظلت درجة حرارة الهواء وبخار العجز الضغط المستمر من قسم إلى آخر في كل من superambient وsubambient الدوائر، إلا في المادة 10 من غرفة superambient، والأقسام 19 و 20 من غرفة subambient، حيث درجة حرارة الهواء متوسط ​​~ 3 ° C أكثر دفئا من غيرها أقسام (الشكل 2). ولكن يمكن أن يكون هناك وضوحا زيادة درجة حرارة 5-7 درجة مئوية داخل كل قسم، وcorrespondiنانوغرام يزيد في عجز ضغط البخار.

بمعدل متوسط ​​أعلى من 2007 - 2013 مواسم النمو، تنوعت vSWC خطيا على طول C A التدرج على اثنين من التربة الثلاثة (الشكل 3). vSWC في أعلى 20 سم من التربة بنسبة 3.1٪ لكل 100 ميكرولتر L -1 زيادة في C A على الطفال الرملي (سلسلة Bastsil) التربة (R 2 = 0.34، P = 0.01)، وبنسبة 1.7٪ لكل 100 ميكرولتر L -1 C A على التربة الطينية (سلسلة هيوستن). ولكن لم يكن هناك تغيير في 0-20 vSWC في الطين الغريني (سلسلة أوستن) التربة (ع = 0.13).

اختلفت إنتاجية النبات أيضا خطيا مع التي كتبها C A، وحجم C رد اختلف بين التربة. كان ANPP (الشكل 4A) من كتل مع Blackland المجتمعات النباتية البراري أصغر ردا على C A على التربة الطينية، وزيادة بنسبة 59 جرام لكل 100 ميكرولتر -2 L -1 زيادة في C A(R 2 = 0.22، P = 0.02). كان رد ANPP إلى C A تخصيب المتوسطة على التربة الطينية الغريني، وزيادة بنسبة 76 جرام لكل 100 ميكرولتر -2 -1 L من CO 2 (R 2 = 0.22، P = 0.02)، وأكبر على التربة الرملية الطميية، حيث اكتسبت ANPP 131 جرام -2 لكل 100 ميكرولتر L -1 من CO 2 (R 2 = 0.55، p <0.001).

تقابل هذه الردود التربة محددة من ANPP إلى C A ارتباطا وثيقا الردود التربة محددة من ميسيتش C 4 tallgrass، Sorghastrum الأطفال الإيمائي، وأنواع الأعشاب الأكثر وفرة في المجتمعات النباتية التجريبية. الكتلة الحيوية فوق الأرض من S. زيادة إيمائي بشدة مع زيادة C A على التربة الرملية الطميية، والحصول على أكثر من 200 جرام -2 لكل 100 ميكرولتر L -1 زيادة في C A (R 2 = 0.40، P = 0.005). في المقابل، S. اكتسبت إيمائي جرام فقط 100 -1 في 100 ميكرولتر L -1 زيادة في C A على التربة الطينية الغريني (R 2 = 0.50، P <0.0001)، في حين S. رد إيمائي هامشيا إلى C A على التربة الطينية (R 2 = 0.12، ع = 0.07؛ الشكل 4B).

الزيادة التربة محددة في ANPP مع C حدث التخصيب على الرغم من انخفاض في الإنتاجية على اثنين من التربة أكثر استجابة من قبل الشجيرات C 4 منتصف العشب Bouteloua curtipendula (الشكل 4C). B. كان curtipendula ثاني الأنواع الأكثر وفرة في المجتمعات التجريبية. على التربة الغريني الطين، B. كان curtipendula العشب المهيمن في subambient تركيزات C A ولكنها انخفضت بشدة مع C A تخصيب اليورانيوم على التربة الطينية الغريني (69 جرام -2، في 100 ميكرولتر L -1 زيادة في C A؛ R 2 = 0.36، p <0.008)، انخفضت أقل بقوة على التربة الرملية الطميية (44 جرام -2 -1 زيادة في C A؛ R 2 = 0.36، P = 0.008)، ولم تختلف مع C A تخصيب اليورانيوم على التربة الطينية (ع = 0.46).

الشكل 1
الشكل 1. ترتيب الغرف والتربة. تسلسل خطي اثنين من الدوائر التي تحتوي على نباتات المراعي المتزايد على كتل التربة سليمة (الصورة)، والتخطيطي لتوزيع أنواع التربة على طول ثلاثة التدرج CO 2. أرقام مؤامرة 1-40 تقع على طول 500-380 ميكرولتر L -1 جزء من التدرج، وأرقام 41-80 على 380-250 ميكرولتر L -1 جزء. الصورة: فيليب فاي.

الرقم 2
الشكل 2. المناخ المحلي على طول C A التدرج. النهار موسم النمو غاز ثاني أكسيد الكربون (CO 2) التركيز، ودرجة حرارة الهواء، وعجز ضغط البخار ل80 كتل في غرف المخصب وsubambient. يتم قياس القيم في دخول الهواء وخروج كل قسم، ويقدر من الخطية لشغل وظائف أخرى. وتمثل نقاط البيانات سيلة لعام 2007 حتى عام 2013 الموسمين. أشرطة الخطأ حذفت من أجل الوضوح. كانت تعني أخطاء القياسية 3.5 لCO 2، 0.82 لدرجة حرارة الهواء، و 0.18 للعجز ضغط البخار.

الشكل (3)
الرقم رطوبة التربة 3. على كل نوع التربة على طول التدرج CO 2 موسم النمو الحجمي محتويات المياه التربة (vSWC) 0 - 20 سم في التربة لكل نوع التربة، حاكها موقف على طول تركيز CO 2 gradienت. يتم رسم الانحدار الخطي للتربة مع علاقات كبيرة من vSWC إلى CO 2 التركيز. وتمثل نقاط البيانات سيلة من عام 2007 حتى عام 2013 الموسمين. أشرطة الخطأ حذفت من أجل الوضوح. يعني الأخطاء المعيارية في التربة ثلاثة تراوحت 0،74-0،99.

الرقم 4
الرقم 4. إنتاجية النبات على كل نوع التربة على طول التدرج CO 2. (A) متوسط ​​فوق الأرض الإنتاجية الأولية الصافية (ANPP)، ومجموع الكتلة الحيوية للسنة الجارية من جميع الأنواع في 60 كتل مع المجتمعات النباتية Blackland المرج. والكتلة الحيوية السنة الحالية (B) وميسيتش C 4 tallgrass، Sorghastrum الأطفال الإيمائي، و (C) والشجيرات C 4 midgrass Bouteloua curtipendula حاكها موقف على طول تركيز التدرج CO 2.يتم رسم الانحدار الخطي للتربة مع علاقات كبيرة من ANPP أو الأنواع الكتلة الحيوية إلى CO 2 التركيز. وتمثل نقاط البيانات سيلة من عام 2007 حتى عام 2013 الموسمين. أشرطة الخطأ حذفت من أجل الوضوح. وتراوحت يعني الأخطاء المعيارية في التربة ثلاثة 34،9-42،5 لANPP، 21،8-34،4 لS. الأطفال الإيمائي، و7،4-24،8 لB. curtipendula.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

مرفق LYCOG يحقق الهدف التشغيلي الحفاظ على 250-500 ميكرولتر L -1 الانحدار المستمر لتركيزات C A على المجتمعات المراعي التجريبية المقامة على ثلاثة أنواع التربة. التغيير في C A هو الخطية على نطاق المحدد. ارتفعت درجة حرارة الهواء داخل كل قسم، ولكن تم إعادة تعيين من قبل لفائف تبريد بين المقطع في معظم أقسام. ونتيجة لذلك، تم تحقيق الهدف التشغيلي الحفاظ على درجات الحرارة متسقة من الباب إلى الباب على معظم التدرج. يتم الحفاظ على درجة حرارة وC A السيطرة بسهولة خلال فصل الربيع وأوائل الصيف عندما رطوبة التربة مرتفعة نسبيا، والنباتات هي في أعلى قدرة الضوئي الخاصة بهم.

خطوات حاسمة في البروتوكول

السيطرة على سرعة منفاخ هو الجانب الأكثر أهمية في الحفاظ على وصفه CO 2 التدرج. ويستند السيطرة على مزيجمن ردود الفعل وتقنيات التغذية إلى الأمام لمواكبة تدفق الهواء إلى امتصاص الكربون الغطاء النباتي. تقنية ردود الفعل يضبط سرعة المروحة على أساس الفرق بين CO قياس والخروج الهدف 2 التركيز. تغذية الأمام تحكم يتوقع تغييرات في معدل التمثيل الضوئي وبسرعة (زمن الاستجابة 5 ثانية) يضبط سرعة المروحة، على أساس التغيرات في التمثيل الضوئي الإشعاع النشط قياس مع استشعار الكم. تغذية إلى الأمام السيطرة يحسن إلى حد كبير من السيطرة على ذلك عن طريق مراقبة ردود الفعل وحده يتحقق. معدل تدفق الهواء الأقصى من خلال الدوائر هو بناء على أمر من 1 متر في الثانية -1، أو حوالي 3.6 كم ساعة -1، التي تقع على نهاية انخفاض سرعة الرياح هذه النباتات نرى في هذا المجال. وبالتالي، تتفاوت سرعة المروحة من غير المرجح أن تؤثر على استجابات النبات.

هناك وجه آخر حاسم للحفاظ على التدرج CO 2 هو وجود القدرة الكافية الضوئي. وانحدارا في التدرج، وزيادة القدرة مظلة الضوئي إعادةفلكل لسحب تركيز CO 2. الأنواع أو المجتمعات مع المزيد من مساحة الورقة، وارتفاع معدلات التمثيل الضوئي، أو أطول طول الغرفة عن زيادة CO 2 الذي يمكن تحقيقه التعادل لأسفل. كما ينبغي الحرص حجم متراصة ويتم اختيار عمق لتوفير حجم تأصيل واقعية للمجتمعات النباتية المعمول بها. الأنواع المستخدمة هنا لها أعماق التجذير من 1 - 1.5 متر، ولكن قد تكون الأنواع الأخرى ضحالة أو أعمق، ولابد من تعديل حجم متراصة وفقا لذلك. على الجانب الحاسم الأخير هو أهمية تزويد موثوق والتحكم في تدفق المياه المبردة لفائف تبريد بين كل قسم، وذلك لتتناسب مع درجات حرارة الغرفة إلى الخارج التباين نهاري والموسمية في الخارج درجة الحرارة المحيطة.

تعديلات تقنية

كشفت السنة الأولى من العملية التي الغطاء النباتي البراري قادر هامشي من CO الكافي 2 ثمام عصوي. التبن هو tallgrass الأصلي مثمرة للغاية، وتسقى جيدا طوال موسم النمو، والتي تؤمن قدرة امتصاص C كافية على طول التدرج حتى خلال أشهر الصيف الحارة. كما كشفت السنة الأولى أكبر مما كان متوقعا المقاومة الهوائية في الدوائر، التي تدهورت معدلات التدفق في غرف المصب، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة. تم تدارك هذه المشكلة عن طريق تركيب إضافي المشجعين منفاخ المصب لزيادة معدلات التدفق. ونحن نوصي تركيب البولي إثيلين الجديد يغطي كل موسم النمو للحفاظ على أقصى قدر من نفاذية الضوء.

قيود تقنية

النظام يطرح بعض القضايا التشغيلية التي تخلق فرصا والقيود المفروضة على الأسئلة البحثية مرفق يمكن أن تدعم. يخدعيصبح المحول المتعدد العادي من التدرج أكثر صعوبة من منتصف الصيف حتى نهاية موسم النمو، لأن درجات الحرارة في الصيف أعلى انخفاض رطوبة التربة، وزيادة الإجهاد المائي النبات وخفض قدرة التمثيل الضوئي. وهذا بدوره يتطلب أبطأ معدلات تدفق الهواء لتحقيق C A اللازمة لتحقيق الهدف C A تركيزات، وهذا بدوره يثير المزيد من درجات الحرارة رسم إلى أسفل. وتوضح هذه الدينامية قدرة محدودة من هذا النظام للدراسات التفاعلات الجفاف مع تركيز CO 2. ارتفاع درجات الحرارة داخل كل قسم 5 متر لا يمكن تجنبها بسبب تصميم تدفق خطية من التجربة. تتراكم الطاقة موجة طويلة داخل كل دائرة حتى يمر الهواء من خلال ملف التبريد وتدخل الغرفة التالية. داخل قسم ارتفاع درجات الحرارة فهي ذات حجم مماثل لبعض التقديرات أعلى لارتفاع درجات الحرارة المتوقعة في المستقبل مع بعض سيناريوهات تغير المناخ. وهكذا، فإن القسم داخل اختلاف درجة الحرارة represents فرصة لتحليل استجابات المراعي للتفاعلات بين C A وارتفاع درجات الحرارة. وأخيرا، فإن أبعاد الغرفة تحد من الغطاء النباتي إلى أقصى ارتفاع حوالي متر واحد، ويحد من منطقة متراصة الغطاء النباتي إلى الأنواع العشبية مع المناطق القاعدية الصغيرة. استخدام أنواع الأشجار، على سبيل المثال لدراسة التعدي الخشبية في الأراضي العشبية، سيكون غير عملي ما بعد مرحلة الشتلات.

أهمية بالمقارنة مع تقنيات أخرى

LYCOG هو إلى حد كبير أكثر اقتصادا للعمل بالمقارنة مع تقنيات مثل FACE وOTC. يستخدم LYCOG حوالي 3700 L شهريا من CO 2، الذي هو أكبر من استخدام CO 2 في أنظمة MiniFACE 24، ولكن أقل بكثير من استهلاك CO 2 من FACE والنهج OTC 3، 12، وحساب كبير للحفاظ على التجربة تأتي من التحكم في درجة الحرارة، والتي تكلف حوالي 30000 $ سنويا، comparaبلي لتقديرات حساب CO 2 لفتح كبار الغرفة C ​​A تكاليف تخصيب اليورانيوم لكنه لا يزال أقل بكثير من حساب CO 2 من مجاني للطيران CO نظم 2 3 التخصيب. المزايا الاقتصادية تأتي بالإضافة إلى قدرة فريدة على الدراسات الداعمة في subambient CO 2 وعلى طول مستمر CO 2 التدرج.

تطبيقات الحالية والمستقبلية

البحث الحالي تدرس الردود النظام البيئي الأخرى من ANPP، بما في ذلك CO 2 التربة هروب رأس المال، والتبخر، والتي سوف توسيع فهمنا لاختلاف التربة محددة في الآثار C A على الكربون المراعي وتدوير المياه. وتشمل الاحتمالات المستقبلية للبحوث الجمع بين درجة الحرارة وCO 2 العلاجات، على سبيل المثال من خلال تشغيل كلا المجلسين كما superambient ولكن الحفاظ على غرفة واحدة في درجة حرارة أكثر دفئا الفرق فيما يتعلق المحيطة. vegetat الحاليأيون يمكن بسهولة أن يتم استبدال الأنواع أو المجتمعات الأخرى لدراسة كيفية الاختلاف في بنية المجتمع يؤثر CO 2 آثار على وظيفة النظام الإيكولوجي. ويمكن إضافة أخرى مكونات الغلاف الجوي الهامة بيئيا مثل غاز الميثان أو الأوزون لاختبار التفاعل مع CO 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dataloggers, multiplexers Campell Scientific, Logan, UT, USA CR-7, CR-10, CR-21X, SDM-A04, SDM-CD16AC, AM25T
Thermocouples: 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, USA LI-7000
Lysimeter scales Avery Weigh-Tronix, Houston, TX, USA DSL-3636-10
Air sampling pump Grace Air Components, Houston, TX, USA VP 0660
Dew-point generator Li-Cor Biosciences, Lincoln, NE, USA LI-610
Cold water chiller AEC Application Engineering, Wood Dale, IL, USA CCOA-50
Chilled water flow control values Belimo Air Controls, Danbury, CT, USA LRB24-SR
Chilled-water cooling coils Coil Company, Paoli, PA, USA WC12-C14-329-SCA-R
Carbon dioxide refrigerated liquid Temple Welding Supply, Temple, TX, USA UN2187
Polyethylene film AT Plastics, Toronto, ON, Canada Dura-film Super Dura 4
Blower motor/controller Dayton Electric, Lake Forest, IL, USA 2M168C/4Z829
Solenoids Industrial Automation, Cornelius, NC, USA U8256B046V-12/DC
Leachate collection pump Gast Manufacturing, Benton Harbor, MI, USA 0523-V191Q-G588DX

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

العلوم البيئية، العدد 105، Tallgrass البراري، وتغير المناخ، ودورة الكربون، والهيدرولوجيا، وصافي الإنتاجية الأولية، ورطوبة التربة، والمجتمع،
A CO<sub&gt; 2</sub&gt; مرفق تركيز متدرجة لاختبار CO<sub&gt; 2</sub&gt; الإثراء والتربة تأثيرات على وظيفة الأراضي العشبية النظام الإيكولوجي
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fay, P. A., Reichmann, L. G.,… More

Fay, P. A., Reichmann, L. G., Aspinwall, M. J., Khasanova, A. R., Polley, H. W. A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function. J. Vis. Exp. (105), e53151, doi:10.3791/53151 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter