Summary
在蒸渗仪二氧化碳梯度设备创建了一个250到500μLL -1线性二氧化碳梯度对粘土，粉质粘土和沙土巨石温控室的住房草地植物群落。该设施被用来确定过去和未来的二氧化碳水平如何影响草地碳循环。
Abstract
继续增加大气中二氧化碳的浓度（C a）任务技术研究对陆地生态系统的影响。大多数实验检查只有两个或C 的浓度和单个土壤类型的几级，但如果C A可改变为从低于环境的梯度superambient多个土壤浓度，就可以辨别过去的生态系统的响应是否可以继续直线在未来，无论是应对可能会在景观各不相同。在蒸渗仪二氧化碳梯度基金申请250至500微升L-C A梯度含有粘土，粉质粘土和沙土渗漏池建立黑土草原植物群落。该梯度为光合作用植被温控室封闭在创建逐步消耗的二氧化碳从空气通过室流出定向。保持适当的空气流率，足够photosynthetic能力，温度控制是至关重要的克服系统的主要局限，这是下降的夏季光合速率和增加水的压力。该设施是一种经济的替代的C A富集的其他技术，成功地洞察生态系统响应的形状，以低于环境到superambient C A富集，并且可以适于对测试为二氧化碳与其他温室气体，例如甲烷或臭氧相互作用。
Introduction
大气中的二氧化碳浓度（C A）最近增加了近400微升L -1约270微升L-1之前的工业革命。 C A预计2100年1至少要达到550微升L-1。增加这个比率超过观察，在过去50万年的任何C A的变化。改变C A的前所未有的速度提出了生态系统的非线性或阈值响应增加C A的可能性。大多数生态系统规模的C A浓缩试验只适用两种处理中，丰富了C A和控制单级。这些实验已经极大地扩展了我们的C 的丰富的生态系统影响的认识。然而，这可以揭示非线性的生态系统的响应的存在，以增加C A的替代方法是，跨到一个连续范围低于环境的生态系统的研究superambient C A。低于环境C A是很难在现场维护，并且最经常被使用生长室2研究。 Superambient C A一直用生长箱，开顶式气室，并提供免费空气富集技术3，4研究。
C A富集操作通过含有多种土壤类型的景观。土属性可以强烈地影响生态系统的反应，C A富集。例如，土壤质地确定的水和养分的土壤剖面5的保留，其可用性植物6，和有机物7-9的数量和质量。土壤水分的有效性是生态系统的反应时在水中有限的系统，包括最草原10 A富集的关键调解人。近场C A浓缩试验通常都检查只有一种土壤类型，以及控制不断诉测试arying C A富集在几个土壤类型所缺乏的。如果C A丰富的生态系统过程的影响具有不同土壤类型，有足够的理由期待空间变化的生态系统响应C A富集和气候11,12随之而来的变化。
的蒸渗仪二氧化碳梯度（LYCOG）设施的目的是要解决的空间变化的生态系统中的至C A水平范围从〜250到500微升L -1的非线性和阈值响应的问题。 LYCOG创建C A对多年生草地植物群落上代表广泛的质地，N和C的含量，以及水文美国中原南部的部分草原的性质土壤中生长的规定的梯度。在设施中使用的特定的土壤系列是休斯敦黑粘土（32巨石），一个变性土（城投Haplustert）典型的低地;奥斯汀（32巨石），高碳氮内特，粉质粘土软土（Udorthentic Haplustol）典型的高地;和Bastsil（16巨石），冲积砂壤土淋溶土（城投Paleustalf）。
在LYCOG采用的工作原理是利用植物的光合能力耗尽C A从包裹空气的定向移动通过封闭室。治疗目标是保持在C A的恒定线性白天梯度从500到250微升L-1。要做到这一点，LYCOG由两个线性腔室，一个腔室superambient保持梯度从500至390（环境）的部分微升L-1 C A，和低于环境室保持的390到250微升L-1部梯度。这两个腔室并排放置，面向上的南北轴。当植物光合能力是足够的一年中部分中的C A梯度维持;通常四月下旬至十一月初。
该室含有调节C A梯度，控制空气温度（T A）接近环境值，并应用统一的降水量所有的土壤需要的传感器和仪器。土壤是从安装在仪表以确定水预算的所有组分水文隔离称量渗漏池附近黑土大草原收集完好整料。水的量和时间，即近似的降雨事件的季节性和期间的平均年降水量达事件的应用。因此，LYCOG能够评估低于环境来superambient C A和土壤类型对草地生态系统功能的长期影响，包括水和碳预算。
LYCOG是第三代的美国农业部ARS草地水土保持研究实验室进行的C A梯度实验。第一代是一个雏形低于环境来所建立的梯度法13的活力和提高了我们的植物叶级生理反应的认识，以低于室温的C A 14-20变化的环境梯度。第二代是概念的油田规模的应用程序，以常年的 C 4草原，与延伸至200〜550μLL -1 21梯度。该油田规模试验首次提供了证据表明，用C草地生产力增加了浓缩可能饱和电流环境浓度20附近，部分原因是因为氮的可用性可能会限制植物生产力superambient C A 22。 LYCOG扩展了第二代实验通过将不同的纹理，让强大的测试在C草地群落的响应土壤的互动效应的复制的土壤。
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Protocol
1.收集土壤石柱用作称重测渗计
- 1.5米，深8毫米厚的钢构建开放式钢箱1×1米的正方形。
- 按开放式盒垂直插入土中，用液压机安装在螺旋锚钻3米深入到土壤中。
- 挖掘使用反铲挖土机或类似设备的包裹整体。
- 放置在与土壤接触的玻璃纤维燃烧芯的整体件的基座。穿过钢基灯芯入10升的储排空整料，然后焊接钢底座上的框的底部。
- 通过施加一个非残留除草剂，如草甘膦杀死在整料现有植被。
2.建立土壤石柱植物群落
- 植物与每个七种高杆草八苗的巨石野草，杂类草，为每平方米56工厂总密度。
- 植物以下福布斯： 丹参Residhotel Azurea酒店 （投手圣人）， 加拿大一枝黄花 （加拿大一枝黄花）， 合欢草属illinoensis（伊利诺伊bundleflower，豆类）。
3.室内设计
- 构建两院各宽1.2米，1.5米高，长60米，分为十个5米长的部分。从尺寸5米×1.2米×1.6米深，埋到1.5米重钢建设部分。
- 在每个部分中安装四个巨石，每两个土壤类型，随机二阶巨石。安装每个巨石顶上4540千克能力的平衡。
- 包括Bastsil巨石在偶数段的配对。
- 加入地上部分用1米长×1米宽×0.3米高钣金导管，以提供一个途径气流相邻部分。
- 供应冷却剂在10℃下从161.4千瓦致冷单元到每个管道内的冷却盘管。
- 附上清晰的棚膜，如其他使用的植物（厚度0.006“/ 15mm）的，气候操控实验23。
- 适合每盖一个拉链开口由瓣草案的支持，以允许访问的巨石进行采样。
- 取下塑料盖在生长季节的结束。
4， 二氧化碳和空气温度测量;温度控制
- 两个样品室的入口和出口C A通过位于在superambient和低于环境室的入口和出口过滤空气样品线每2分钟。这些数据告诉二氧化碳注入和风扇转速控制。
- 样品C A和水汽含量，并在每个5米段在20分钟的间隔的入口和出口测量空气温度（T A）中。
- 测量根据制造商的协议，使用红外气体分析仪的所有空气样本二氧化碳和水蒸汽的含量是实时的。
- 测量T A在入口，中点，一个每个部分具有屏蔽细导线热电偶D出口。
- 调节冷却剂通过冷却盘管在每节，以保持从部分一致的平均值（中间部分）T A到接近室温T A部的入口的流动。
- 定位量子传感器具有的天空一览无遗，并根据制造商的协议测量光量子通量密度。光平是输入鼓风机控制算法。
5. C A处理中的应用
- 白天
- 混合纯的二氧化碳（CO 2）与进入的环境空气，以500μl的L-1 C A，在superambient腿的入口导管使用质量流量控制器。见第4 C A测量细节。
- 通过使用风机入口处的第1室和下游段的平流输送富氧空气。
- 中号通过调节风机转速aintain的390微升L-1（环境空气）所需的出口C A。
- 增加风机转速，如果出口C A低于设定值。这允许对CO 2的植物吸收较少的时间，从而获得更高的C出口甲 。
- 降低鼓风机转速，如果C出口A是高于设定点。
- 使用在低于室温室同样的方法，除了将环境空气和控制，以实现250微升L-1出口C A。
- 夜间
- 反向空气流的方向。
- 注入二氧化碳进入superambient室的日间出口端达到530微升L-C A和控制平流率保持640微升L-1在夜间出口（白天入口。
- 将环境空气在〜390微升L-1 的 CO 2进入夜间入口子环境室及控制平流率（白天出口）维持530微升L-1在夜间退出。
6.降水输入
- 应用平均生长季节降雨量为每个整体。
- 从通过滴灌系统国产水源供水给每个整体。安排灌溉事件及其用量近似的实验场所季节性降雨模式。确切的时间表取决于当地的气候。
- 控制应用时机与数据记录器和测量应用卷流量计。
7取样
- 在二氧化碳控制期间测量体积土壤含水量（VSWC）每周的垂直剖面，用中子衰减仪或其他合适的探头。
- 推荐配置文件的增量为20厘米深度的增量1米德第p，和1个50厘米增量低于1微米。
- 衡量整体地上净初级生产力（ANPP）通过收集所有站在地上生物量在生长季节的结束。
- 所有地上生物量每年除去，因此现存生物表示当前的主生产。
- 排序按品种，干燥至恒重采样量，并权衡。
- 使用个别品种的生物质来量化植物物种ANPP的贡献。
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Representative Results
渐变的superambient和低于环境部分被保持在单独的腔室（ 图1）。但是，超过七年操作（2007 - 2013年）的，所述腔保持在C中的线性梯度的浓度为500〜250微升L-1（图2）与只有一小的不连续性在C A的富集腔室的出口之间（整体式40）和梯度的低于环境部的入口（巨石41）。
气温和水汽压赤字依然从部分同时在superambient和低于环境室部分，恒除了在superambient室的第10条和第19及子环境室，在那里气温平均为〜3℃，温度超过其他20部（ 图2）。然而，有可发音的5温度升高 - 7°C各部分中，和correspondiNG增加了蒸气压赤字。
平均超过了2007年至2013年种植季节，VSWC呈线性变化，沿着C对两三种土壤的梯度（ 图3）。 VSWC前20厘米土壤剖面的C A上的沙壤土增长了3.1％，每100微升L-1增加（Bastsil系列）土（R 2 = 0.34，P = 0.01），每100 1.7％ μLL -1 C A上的粘土（休斯顿系列）。然而，有在0-20 VSWC没有改变粉质粘土（奥斯汀系列）土（P = 0.13）。
工厂的生产效率也呈线性变化，与C A和C A的幅度土壤中的反应各不相同。巨石与黑土草原植物群落ANPP（ 图4A）有最小的响应上的粘土C A，59克的C A -2增加每100微升L-1增加（R 2 = 0.22，p值= 0.02）。 ANPP的响应C A富集是在粉质粘土中间，由76克增加-2每100微升大号二氧化碳 -1（R 2 = 0.22，P = 0.02），和最伟大的沙质壤土，在那里ANPP获得131克-2每100微升大号的 CO 2 -1（R 2 = 0.55，P <0.001）。
ANPP的这些土特异性反应，以C A对应密切的梅西奇的 C 4高杆草土特异性应答，Sorghastrum穗披碱草 ，最丰富的草种试验植物群落。 S的 地上生物量增加垂穗最强烈的增加C A上的沙壤土，获得超过200克-2每100微升L-1增加C A（R 2 = 0.40，P = 0.005）。与此相反，S。垂穗获得了只有100克-1每100微升L-1增加C A的粉质粘土（R 2 = 0.50，P <0.0001），而S.垂穗轻微回应C A上的粘土（R 2 = 0.12，P = 0.07; 图4B）。
土壤特异性增加ANPP与C A的富集发生尽管降低生产率上的两个更适应土壤的旱生的 C 4月中草Bouteloua curtipendula（图4C）。B. curtipendula是第二个最丰富的物种在实验社区。在粉质粘土土壤，B。 curtipendula是在低于C A浓度占主导地位的是草，最强烈的下降用 C丰富的粉质粘土（C中的一个69克-2，每100微升L-1增加; R 2 = 0.36，P <0.008），不太强的沙质壤土下降（44克-2 L-1增加C A; R 2 = 0.36，P = 0.008），并没有用C有所不同的粘土（P = 0.46）一个浓缩。
图1.安排室和土壤，含草原植被原状土巨石（图）成长，和三个土壤类型沿CO 2梯度分布示意图室的两个线性序列。地块编号1 -对380 80 - - 250微升L-1部40位于沿500 -渐变的380微升L-1部分和数字41。图文：菲利普·费伊。
图2.小气候沿C A 渐变。白天生长季节的二氧化碳（CO 2）浓度，空气温度，并为80巨石的丰富和低于环境室蒸汽压赤字。值是在每个部分的空气入口和出口测量，并从其它位置的线性插值估计。数据点表示方式为2007年至2013年的生长季节。误差棒为清楚起见省略;平均标准误差分别为3.5 二氧化碳 ，0.82的空气温度和0.18蒸汽压赤字。
上沿的 CO 2梯度每土壤类型图3.土壤水分生长期容积土壤水分含量（VSWC）适用于0 - 20厘米为每个土壤类型的土壤剖面，由位置沿CO 2浓度gradien作图吨。线性回归绘制了土壤VSWC的显著关系，CO 2浓度。数据点表示到2013年生长季节2007手段。误差棒为清楚起见省略;意思是在介于0.74至0.99的三种土壤标准误差。
沿CO 2梯度每种土壤类型图4.工厂的生产效率。 （A）平均地上净初级生产力（ANPP），目前年生物所有物种中的60块体与黑土草原植物群落的总和;和当年生物质（二）梅西奇的 C 4高草，Sorghastrum穗披碱草 ，和（C）的旱生的 C 4 midgrass Bouteloua curtipendula沿CO 2浓度梯度绘制按位置。线性回归绘制了土壤的ANPP或物种生物量显著的关系，以CO 2浓度。数据点表示到2013年生长季节2007手段。误差棒为清楚起见省略;在三种土壤平均标准误差从34.9范围到42.5的ANPP，21.8至34.4为S.穗披碱草 ，和7.4 - 24.8为B. curtipendula。
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Discussion
该LYCOG设施达到保持C A浓度对三种土壤类型建立实验草地群落250〜500微升L-1连续梯度其业务目标。 C中的一个变化是线性的规定范围。每个部分内的空气温度升高，却被段之间的冷却盘管在大部分路段复位。其结果是，保持一致的平均温度从段到段的操作目标是满足以上多数渐变。温度和C 控制在春季和初夏期间容易维护，当土壤含水量较高，植物处于最高的光合能力。
议定书中的关键步骤
鼓风机速度的控制是保持在规定的 CO 2梯度的最关键的方面。控制是基于一个组合的反馈和前馈技术来满足空气流的植被碳吸收。反馈技术调整基于测量的目标和出口CO 2浓度之间的差风扇速度。馈控制在预期光合速率的变化，迅速（5秒的响应时间）调节风扇的转速，基于与所述量子传感器测量变化光合有效辐射。前馈控制大大提高了通过单独反馈控制来实现控制。通过腔室中的最大风量为1米秒 -1，或约3.6公里小时 -1，这是对风的低端的量级加速这些植物在现场看到。因此，不同的风扇转速不会影响植物反应。
维持CO 2梯度的另一个重要方面是足够的光合能力的存在。该梯度越陡，群体光合能力再大quired动用CO 2浓度。物种或社区更多叶面积，更高的光合速率，或更长的室长度都增加可达到的CO 2的牵伸。还应注意采取整体件体积和深度被选择为提供一个现实的生根量为既定的植物群落。这里使用的物种具有1生根深度 - 1.5米，但是其他物质可以是浅或更深，和整料体积应作相应的调整。最终的关键方面是可靠供应和控制的冷却水，以每个部分之间的冷却盘管的流动，以便腔室的温度相匹配，以在外界环境温度外日变化和季节变化的重要性。
修改到技术
操作的第一年表明，草原植被是勉强能够充分的CO 2 柳枝稷选择转换。柳枝稷是一种高产的本地高草，并充分浇水整个生长季节，确保即使在炎热的夏季沿梯度足够Ç吸收能力。第一年也透露大于所述腔室，从而降低流速在下游腔室预期气动阻力，从而导致过热。此问题已得到纠正通过安装额外的下游风机，以提高流速。我们建议安装新的聚乙烯覆盖每个生长季节，以保持最大的透光率。
该技术的局限性
该系统提出了在研究问题该设施能够支持创造机遇和限制某些业务问题。刀豆渐变控制从盛夏通过生长季节的结束变得更加困难，因为夏季气温较高下土壤水分，增加植物水分胁迫，降低光合能力。这反过来又要求较慢的空气流量来实现需要的满足目标C A的浓度，从而进一步提高了温度的C A画下来。此动态说明了这种系统的用于与CO 2浓度干旱相互作用研究的能力有限。每5米部内温度的升高是由于实验的直线流设计不可避免的。每一个腔室中的长波能量累积，直到空气经过冷却盘管和进入下一个腔室。在段温度升高类似幅度的一些预期的一些气候变化情景下未来气温升高较高估计的。因此，在截面温度变化再版esents机会分析草原反应C A和气候变暖之间的相互作用。最后，腔室的尺寸限制了植被的约一米的最大高度，和整料区植被限制为草本植物较小基部的区域。使用树种，例如，研究木本侵占草原，将是不切实际的超越苗期。
意义与其他技术相比
LYCOG相当操作相比，如面部和场外交易技术更经济。 LYCOG使用大约3700大号每月的 CO 2，其大于在MiniFACE系统24中的 CO 2的使用，但比的 CO 2消耗脸部的要少得多的和OTC接近3,12。的维持实验来自主要费用温度控制，其花费大约$ 30,000一年，compara竹叶提取二氧化碳费用开顶腔C A富集的成本，但仍比二氧化碳牺牲自由空气二氧化碳富集系统3的要少得多的估计。经济优势来在除了支持研究的独特能力在低于二氧化碳和沿连续的 CO 2梯度。
当前和未来应用
目前的研究审查生态系统的响应比ANPP等，包括土壤二氧化碳外排，而蒸发量，这将扩大我们在草地碳和水的循环C A影响土壤的具体变化的理解。未来的研究可能性包括通过操作两个室作为superambient但保持一个室在一个较暖温度差相对于环境温度相结合和CO 2处理，例如。当前vegetat离子可以很容易地更换与其他物种或地区学习如何变化，社会结构的影响CO对生态系统功能 2的效果。其他重要生态大气成分，如甲烷或臭氧可以被添加到测试用CO 2相互作用。
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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 |
References
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