Summary
Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Einrichtung schafft ein 250 bis 500 & mgr; L -1 linearen Kohlendioxid-Gradienten in temperaturgeregelten Kammern Gehäuse Grünlandpflanzengemeinschaften auf Sand, schluffiger Ton und Sandbodenmonolithen. Die Anlage wird verwendet, um festzustellen, wie Vergangenheit und Zukunft Kohlendioxidspiegel beeinflussen Grünland Kohlenstoffkreislauf.
Abstract
Weiter steigenden atmosphärischen Kohlendioxidkonzentrationen (C A) Mandat Techniken zur Untersuchung von Auswirkungen auf terrestrische Ökosysteme. Die meisten Experimente untersuchen, nur zwei oder ein paar Ebenen der C eine Konzentration und eine einzige Bodentyp, aber wenn C A kann als ein Gradient von unter Umgebungskonzentrationen auf mehreren Böden superambient variiert werden, können wir erkennen, ob Vergangenheit Ökosystem Antworten können linear in der weiterhin Zukunft und ob Antworten können über die Landschaft verändern. Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient Fazilität gilt eine 250 bis 500 & mgr; L -1 C einen Verlauf Blackland Grasland Pflanzengesellschaften auf Lysimeter Ton, schluffiger Ton und Sandböden enthalten, etabliert. Der Gradient wird als Photosynthese durch die Vegetation in in temperaturgeregelten Kammern eingeschlossen erstellt schrittweise verbraucht Kohlendioxid aus der Luft gerichtet durch die Kammern strömt. Ausreichender Luftdurchsatz, angemessene photosynth e tisches Kapazität und Temperaturkontrolle sind entscheidend, um die wichtigsten Einschränkungen des Systems, die rückläufigen werden Photosyntheseraten und erhöhte Wasserstress im Sommer zu überwinden. Die Anlage ist eine kostengünstige Alternative zu anderen Techniken der C A Anreicherung, erfolgreich erkennt die Form der Antworten Ökosystem unter Umgebungs zu superambient C eine Bereicherung, und kann angepasst werden, um Wechselwirkungen von Kohlendioxid mit anderen Treibhausgase wie Methan und Ozon zu testen.
Introduction
Atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration (C A) hat vor kurzem erhöhte letzten 400 & mgr; L -1 von etwa 270 & mgr; L -1 vor der industriellen Revolution. C A voraussichtlich um mindestens 550 & mgr; L -1 bis 2100 1 zu erreichen. Diese Steigerungsrate übertrifft alle in den letzten 500.000 Jahre beobachtet C A ändert. Die beispiellose Änderungsrate der C A wirft die Möglichkeit der nicht-linearen oder Schwellen Reaktionen von Ökosystemen zur Steigerung C A. Die meisten Ökosystem-Skala C Ein Anreicherungsversuche gelten nur zwei Behandlungen, eine einzige Ebene der angereicherten C A und Kontrolle. Diese Experimente haben stark unser Verständnis der Auswirkungen auf das Ökosystem des C Eine Bereicherung erweitert. Ist jedoch ein alternativer Ansatz, der das Vorhandensein von nichtlinearen Ökosystem Reaktionen auf steigende C A offenbaren kann die Ökosysteme in einem kontinuierlichen Bereich von unter Umgebungs zu studierensuperambient C A. Unter Umgebungs C A ist schwierig, auf dem Gebiet zu halten und wurde am häufigsten unter Verwendung von Wachstumskammern 2 untersucht. Superambient C A wurde unter Verwendung von Wachstumskammern, Open-Top-Kammern und Freiluftanreicherungstechniken 3, 4 untersucht.
C Eine Anreicherung erfolgt über Landschaften viele Bodentypen enthalten. Böden Eigenschaften stark beeinflussen Ökosystem antwortet C Eine Bereicherung. Beispielsweise bestimmt Bodentextur die Retention von Wasser und Nährstoffe im Bodenprofil 5, ihre Verfügbarkeit für Pflanzen 6, und die Menge und Qualität der organischen Substanz 7-9. Die Verfügbarkeit von Bodenfeuchtigkeit ist ein entscheidender Vermittler der Ökosystem antwortet C Eine Anreicherung in Wasser beschränkt Systeme, darunter die meisten Grasland 10. Historische Feld C Ein Anreicherungsversuche haben in der Regel untersucht nur eine Bodenart, und kontrollierte Tests kontinuierlich varying C Eine Bereicherung über mehrere Bodentypen fehlen. Wenn Auswirkungen der C Eine Anreicherung auf Ökosystemprozesse unterscheiden sich Bodentyp, gibt es guten Grund zu räumliche Variation in Reaktionen Ökosystem C Eine Bereicherung und anschließenden Änderungen im Klima 11, 12 zu erwarten.
Die Lysimeter Kohlendioxid Gradient (LYCOG) Anlage wurde entworfen, um Fragen der räumlichen Variation in nicht-linearen und Schwellen Reaktionen von Ökosystemen, in C A Mengen im Bereich von ~ 250 bis 500 & mgr; L -1 anzugehen. LYCOG schafft die vorgeschriebenen Gradienten von C A auf mehrjähriger Grünland Pflanzengemeinschaften wachsen auf Böden, die die breite Palette von Textur, N und C-Gehalte und hydrologischen Eigenschaften von Grasland im südlichen Teil des US Central Plains. Spezifische Böden Serie in der Anlage verwendet werden, sind Houston Schwarz-Ton (32 Monolithen), ein Vertisol (Udic Haplustert) typisch für Niederungen; Austin (32 Monolithen), einen Hoch carbonate, schluffiger Ton Mollisol (Udorthentic Haplustol) typischen Hochland; und Bastsil (16 Monolithen), eine alluviale sandiger Lehm Alfisol (Udic Paleustalf).
Das Funktionsprinzip in LYCOG eingesetzt wird, um die Photosyntheseleistung von Pflanzen, um C Ein Abbau von Paketen von Luft bewegt gerichtet durch die geschlossenen Kammern zu nutzen. Das Ziel der Behandlung ist es, eine konstante lineare Tagesverlauf in C A 500 bis 250 & mgr; L -1 erhalten. Um dies zu erreichen, LYCOG besteht aus zwei linearen Kammern eine superambient Kammer Aufrechterhalten der Phase des Gradienten 500-390 (Umgebungs-) ul L -1 C A und einem bei unter Umgebungskammer Beibehaltung der 390 bis 250 & mgr; L -1 Abschnitt des Gradient. Die beiden Kammern nebeneinander angeordnet sind, auf eine Nord-Süd-Achse ausgerichtet ist. Der C ein Gradient während des Teils des Jahres, wenn Vegetation Photosyntheseleistung ist ausreichend gehalten wird; typischerweise vonEnde April bis Anfang November.
Die Kammern enthalten Sensorik und Messtechnik erforderlich, um die C regulieren eine Steigung, Kontrolle der Lufttemperatur (T A) in der Nähe von Umgebungswerte und gelten einheitliche Niederschlagsmengen auf allen Böden. Die Böden sind intakten Monolithen aus dem nahe gelegenen Blackland Grasland in hydrologisch-isoliert mit einem Gewicht von Lysimeter instrumentiert, um alle Komponenten des Wasserhaushalt bestimmen installiert gesammelt. In Ereignisse des Volumen und der Zeitpunkt, die die Saisonalität des regen Veranstaltungen anzunähern und beträgt bei einer durchschnittlichen Niederschlags Jahr wird Wasser eingesetzt. Somit ist LYCOG in der Lage ist die Bewertung der langfristigen Auswirkungen der unter Umgebungs bis C A superambient und Bodentyp auf Grünland Ökosystemfunktionen einschließlich Wasser und Kohlenstoffbudgets.
LYCOG ist die dritte Generation der C Ein Gradient Experimente von USDA ARS Grünland Soil and Water Research Laboratory durchgeführt. Die erste Generation war ein Prototyp, um unter UmgebungsUmgebungs Gradienten, die die Lebensfähigkeit des Gradienten Ansatz 13 gegründet und erweiterte unser Verständnis der Blattebene physiologischen Reaktionen von Pflanzen auf Variation in C unter Umgebungs A 14-20. Die zweite Generation war ein Feld angelegte Anwendung des Konzepts bis C4-Grasland Mehrjährige Pflanze, mit dem Farbverlauf, um 200 bis 550 & mgr; L -1 21 erweitert. Dieses Feld angelegte Experiment lieferte den ersten Beweis, dass Grünland Produktivitätssteigerungen mit C Eine Anreicherung kann sättigen in der Nähe von Strom die Konzentrationen 20, zum Teil, weil die Stickstoffverfügbarkeit kann die Produktivität der Anlage bei superambient C A 22 zu begrenzen. LYCOG erweitert diese zweite Generation experimentieren, indem repliziert Böden unterschiedlicher Textur, so dass robuste Tests für interaktive Effekte der Böden auf dem C Eine Antwort von Grünland Gemeinden.
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Protocol
1. Sammeln Bodenmonolithen als Wiege Lysimeter eingesetzt werden
- Konstruieren Sie offene Stahlboxen 1 x 1 m Platz, der von 1,5 m tief aus 8 mm starkem Stahl.
- Drücken Sie die offenen Boxen vertikal in den Boden, mit hydraulischen Pressen auf Spiralanker befestigt gebohrt 3 m tief in den Boden.
- Auszugraben die eingehüllte Monolithen mit einem Bagger oder ähnliche Geräte.
- Platzieren einer Glasfaserdocht in Kontakt mit dem Erdreich an der Basis des Monolithen. Übergeben Sie den Docht durch das Stahlgestell in einen 10 L Reservoir, um den Monolithen entleeren und dann schweißen die Stahlbasis auf den Boden der Box.
- Tötet vorhandene Vegetation auf den Monolithen durch Aufbringen einer nicht-Herbizid mit wie Glyphosat.
2. Stellen Pflanzen Gemeinschaften für Bodenmonolithen
- Pflanze die Monolithen mit je sieben Arten von tallgrass acht Sämlinge Gräsern und gras forbs, für eine Gesamtdichte von 56 Pflanzen pro m 2.
- Pflanzen Sie die folgenden Forbs: Salvia azurea (Pitcher Salbei), Solidago canadensis (Kanadische Goldrute), Desmanthus illinoensis (Illinois bundle, eine Hülsenfrucht).
3. Kammer Entwurf
- Konstruieren Sie zwei Kammern jeweils 1,2 m breit, 1,5 m hoch und 60 m lang, in zehn 5 m lange Abschnitte unterteilt. Konstruieren Sie Ausschnitte aus schwerem Stahl mit den Abmessungen 5 mx 1,2 mx 1,6 m tief, bis 1,5 m begraben.
- Legen Sie vier Monolithen in jedem Abschnitt, die jeweils von zwei der Bodenarten, in zufälliger Reihenfolge zwei Monolithen. Installieren Sie jedes Monolithen auf einem 4540 kg Tragkraft Gleichgewicht.
- Fügen Bastsil Monolithen in den Paarungen in geraden Abschnitten.
- Registriert benachbarten Abschnitten mit einem 1 m langen x 1 m Breite x 0,3 m groß Blechkanal oberirdisch, einen Weg für die Luftzirkulation sorgen.
- Zufuhrkühlmittel bei 10 ° C aus einem 161,4 kW Kälteeinheit mit einer Kühlspule in jedem Kanal.
- Schließen Sie die Vegetation mit klaren Gewächshaus-Film (Dicke 0,006 "/. 15 mm), wie in anderen verwendetKlima Manipulationsexperimente 23.
- Passen jede Abdeckung mit einem Reissverschluss gesichert durch eine Windleiste, um den Zugang zu den Monolithen für die Probenahme zu ermöglichen.
- Entfernen Sie den Deckel aus Polyäthylen am Ende der Vegetationsperiode.
4. CO2 und Lufttemperaturmessung; Temperaturkontrolle
- Probe-und Ausstieg C A auf beiden Kammern alle 2 min durch gefilterte Luft Probenleitungen an der Ein- und Ausreise von superambient und unter Umgebungskammern befinden. Diese Daten informieren CO 2 Einspritzung und Steuerung der Lüftergeschwindigkeit.
- Probe C A und Wasserdampfgehalt, und messen Lufttemperatur (T A) an der Ein- und Ausreise von jeweils 5 m Schnitt bei 20 min-Takt.
- Messen alle Luftproben für CO 2 und Wasserdampfgehalt in Echtzeit unter Verwendung von Infrarot-Gasanalysatoren nach dem Protokoll des Herstellers.
- Messen Sie T A am Eingang, Mittelpunkt, eind Ausgang jedes Abschnitts mit geschirmten Feindrahtthermoelementen.
- Regulieren die Strömung des Kühlmittels durch die Kühlschlange am Eingang eines jeden Abschnitts, um eine konsistente Mittelwert (Mittelteil) T A von Abschnitt zu Abschnitt in der Nähe der Umgebungs T A zu erhalten.
- Positionieren Sie einen Quantensensor, um eine freie Sicht auf den Himmel haben, und messen photosynthetischen Photonendichte nach dem Protokoll des Herstellers. Lichtstärke ist ein Eingang zu dem Gebläse-Regelalgorithmus.
5. C A Behandlung Anwendungs
- Daytime
- Mischungs reinem Kohlendioxid (CO 2) durch Umgebungsluft auf 500 & mgr; L -1 C A, unter Verwendung eines Massenflussreglers im Eingangskanal der superambient Bein. Siehe Abschnitt 4 C A Mess Details.
- Advektieren die angereicherte Luft durch die Kammern mit Gebläse Fans am Eingang Nummer 1 und in nachgelagerten Bereiche.
- Maintain den gewünschten Ausgang C A von 390 & mgr; L -1 (Umgebungsluft) durch Einstellung der Gebläsedrehzahl.
- Erhöhen Sie die Gebläsedrehzahl, wenn der Ausgang C A ist unter den Sollwert. Dies erlaubt, dass weniger Zeit für die Aufnahme durch Pflanzen aus CO 2, was zu einer höheren Austritts C A.
- Verringern Sie die Gebläsedrehzahl, wenn die Ausfahrt C A ist über dem Sollwert.
- Verwenden Sie die gleiche Vorgehensweise in der unter Umgebungskammer mit Ausnahme einzuführen Umgebungsluft und Kontrolle, um die Ausfahrt C A von 250 & mgr; L -1 zu erreichen.
- Nachtzeit
- Kehren Sie die Richtung des Luftstroms.
- Injizieren CO 2 in die Tagesaustrittsende der superambient Kammer bis 530 & mgr; L -1 C A zu erreichen, und die Steuerung Advektion Raten bis 640 & mgr; L zu erhalten -1 bei der nächtlichen Ausfahrt (tags Eingang.
- Einzuführen Umgebungsluft bei ~ 390 & mgr; L -1 CO 2 in die Nachteingang(tagsüber exit) des unter Umgebungskammer und Steuer Advektion Rate bis 530 & mgr; L zu erhalten -1 bei der nächtlichen Ausgang.
6. Niederschlag Eingänge
- Übernehmen Sie die mittlere Wachstumssaison Regenmenge zu jeder Monolith.
- Liefern Wasser in jedes Monolithen aus einer Hauswasserquelle durch eine Tröpfchenbewässerung. Planen Sie die Bewässerungs Veranstaltungen und Aufwandmengen, um die saisonalen Niederschläge Muster für das Experiment Ort anzunähern. Der genaue Zeitplan hängt von den örtlichen Klima.
- Steuerungsanwendung Timing mit einem Datenlogger und messen Anwendungs-Volumes mit Durchflussmessern.
7. Sampling
- Messen Sie Vertikalprofile der volumetrischen Bodenwassergehalt (vSWC) wöchentlich während der Zeit der CO 2-Steuerung, mit einer Neutronendämpfungsmessgerät oder eine andere geeignete Sonde.
- Empfohlen Profil Schritten sind 20 cm Tiefe Schritten zu 1 m dePTH und ein 50 cm Schrittweite unter einer 1 m.
- Maßnahme Monolithen oberirdisch Nettoprimärproduktivität (ANPP) durch Ernten aller ständigen oberirdischen Biomasse am Ende der Vegetationsperiode.
- Alle oberirdischen Biomasse wird jedes Jahr entfernt, daher stehen Biomasse stellt aktuelle Primärproduktion.
- Sortieren Sie die abgetasteten Biomasse nach Arten, trocken bis zur Massenkonstanz und wägt.
- Verwenden Biomasse der einzelnen Arten an Pflanzenarten Beiträge zu ANPP quantifizieren.
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Representative Results
Die superambient und unter Umgebungsabschnitte der Gradient in separaten Kammern (1) gehalten wird. Jedoch mehr als sieben Jahren Betrieb (2007 - 2013), erhalten die Kammern eines linearen Gradienten in C A-Konzentration von 500 bis 250 & mgr; L -1 (Abbildung 2) mit einer nur geringen Diskontinuität in C A zwischen dem Austritt der angereicherten Kammern (Monolith 40) und dem Eingang des unter Umgebungsabschnitt des Gradienten (Monolith 41).
Lufttemperatur und Dampfdruck Defizit blieb von Abschnitt zu Abschnitt in beiden superambient und unter Umgebungskammern, Konstant Ausnahme in § 10 des superambient Kammer und Abschnitte 19 und 20 des unter Umgebungskammer, wo die Lufttemperatur gemittelt ~ 3 ° C wärmer als andere Abschnitte (Abbildung 2). 7 ° C in jedem Abschnitt und correspondi - allerdings kann es Temperaturerhöhungen von 5 ausgesprochen werdenng erhöht Dampfdruckdefizit.
Über die 2007 durchschnittlich - 2013 Vegetationsperioden, variiert vSWC linear entlang der C eine Steigung auf zwei der drei Böden (Abbildung 3). vSWC in den oberen 20 cm des Bodens Profil erhöhte sich um 3,1% auf 100 & mgr; L -1 Zunahme der C A auf dem sandigen Lehm (Bastsil Serie) Boden (R 2 = 0,34, p = 0,01) und um 1,7% auf 100 ul L -1 C A auf dem Lehmboden (Houston-Serie). Jedoch gab es keine Änderung in 0-20 vSWC im silty Ton (Austin Serie) Boden (p = 0,13).
Anlagenproduktivität auch linear variiert von C A, und die Größe der C eine Reaktion unter den Böden unterschieden. ANPP (4A) von Monolithen mit Blackpräriepflanzengemeinschaften den geringsten Reaktion auf C A auf der Lehmboden Erhöhung um 59 gm -2 pro 100 & mgr; L -1 Zunahme C A(R 2 = 0,22, p = 0,02). ANPP Reaktion auf C A Anreicherung Zwischen am silty Lehmboden und stieg um 76 gm -2 pro 100 & mgr; L -1 CO 2 (R 2 = 0,22, p = 0,02) und größten am sandigen Lehmboden, wobei ANPP gewonnenen 131 gm -2 pro 100 & mgr; L -1 CO 2 (R 2 = 0,55; p <0,001).
Diese bodenspezifische Reaktionen der ANPP bis C A entsprach eng an den Boden-spezifische Reaktionen eines mesic C 4 tallgrass, Sorghastrum nutans, die am häufigsten vorkommenden Arten von Gräsern in den experimentellen Pflanzengemeinschaften. Oberirdische Biomasse von S. nutans stieg am stärksten mit erhöhten C A auf dem sandigen Lehmboden, gewinnt mehr als 200 gm -2 für jede 100 & mgr; L -1 Zunahme der C A (R 2 = 0,40, p = 0,005). Demgegenüber S. nutans gewann nur 100 g -1 pro 100 & mgr; L -1 Zunahme C A auf der silty Lehmboden (R 2 = 0,50; p <0,0001), während S. nutans reagiert leicht auf C A auf der Lehmboden (R 2 = 0,12, p = 0,07; 4B).
Die bodenspezifische Zunahme ANPP mit C A Anreicherung erfolgte trotz Abnahme der Produktivität auf den beiden reaktions Böden vom xeric C4 Mitte Gras Bouteloua curtipendula (4C). B. curtipendula war die zweite häufigsten Arten in den experimentellen Gemeinschaften. Auf der schluffigen-Lehmboden, B. curtipendula war die dominierende Gras bei unter Umgebungs C A Konzentrationen verringerte sich jedoch am stärksten mit C eine Bereicherung auf dem schlammigen Lehmboden (69 gm -2, pro 100 & mgr; L -1 Zunahme der C A; R 2 = 0,36, p <0,008), verringerte sich weniger stark auf dem sandigen Lehmboden (44 gm -2 L -1 Zunahme C A; R 2 = 0,36, p = 0,008) und nicht mit C variieren Bereicherung auf dem Lehmboden (p = 0,46).
Abbildung 1. Die Anordnung der Kammern und Böden. Die beiden linearen Sequenzen von Kammern mit Graslandvegetation wächst auf intakte Bodenmonolithen (Foto) und schematische Darstellung der Verteilung der drei Bodentypen entlang der CO 2 Gradienten. Plot-Nummern 1 bis 380 & mgr; L -1 Teil des Gradienten 41 und Nummern - - 80 auf der 380 bis 250 & mgr; L -1 Abschnitt 40 sind entlang der 500 gelegen. Foto: Philip Fay.
Abbildung 2. Mikroklima entlang der C A Gradienten. Daytime Vegetationsperiode von Kohlendioxid (CO 2) Konzentration, Lufttemperatur und Dampfdruck Defizit für die 80-Monolithen in den bereichert und unter Umgebungskammern. Die Werte werden in der Luft-und Ausreise von jedem Abschnitt gemessen und daraus die lineare Interpolation für andere Positionen geschätzt. Die Datenpunkte stellen Mittel für die 2007 bis 2013 Wachstumsperioden. Fehlerbalken zur Klarheit weggelassen sind; mittlere Standardfehler waren 3,5 für CO 2, 0,82 für die Lufttemperatur und 0,18 für die Dampfdruckdefizit.
Abbildung 3. Bodenfeuchte auf jedem Bodentyp entlang der CO 2 Gradienten Wachsende Saison volumetrischen Bodenwassergehalten (vSWC) zum 0 -. 20 cm im Bodenprofil für jeden Bodentyp, durch Position entlang der CO 2 -Konzentration gradien aufgetragent. Lineare Regressionen sind für Böden mit signifikanten Beziehungen vSWC aufgetragen, um 2 -Konzentration CO. Die Datenpunkte stellen Mittel 2007 bis 2013 Wachstumsperioden. Fehlerbalken zur Klarheit weggelassen sind; mittlere Standardfehler für die drei Böden 0,74-0,99 reichten.
Abbildung 4. Pflanzenproduktivität auf jedem Bodentyp entlang der CO 2 Gradienten. (A) Mittlere oberirdisch Nettoprimärproduktivität (ANPP), die Summe aus dem aktuellen Jahres Biomasse aller Arten in den 60 Monolithen mit Blackland Grasland-Pflanzengesellschaften; und das aktuelle Jahr Biomasse (B) die mesic C 4 tallgrass, Sorghastrum nutans, und (C) die xeric C 4 midgrass Bouteloua curtipendula durch Position entlang der CO 2 Konzentrationsgefälle aufgetragen.Lineare Regressionen sind für Böden mit signifikanten Beziehungen ANPP oder Arten Biomasse aufgetragen, um 2 -Konzentration CO. Die Datenpunkte stellen Mittel 2007 bis 2013 Wachstumsperioden. Fehlerbalken zur Klarheit weggelassen sind; mittlere Standardfehler für die drei Böden reichten von 34,9 bis 42,5 für ANPP, 21,8-34,4 für S. nutans und 7,4-24,8 für B. curtipendula.
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Discussion
Die LYCOG Anlage erreicht ihre operative Ziel der Aufrechterhaltung einer 250 bis 500 & mgr; L -1 kontinuierlichen Gradienten von C A-Konzentrationen auf experimentellen Grünland Gemeinschaften auf drei Bodentypen etabliert. Die Veränderung der C A ist linear über den vorgegebenen Bereich. Lufttemperatur in jedem Abschnitt erhöht, jedoch wurde von den zwischen Schnitt Kühlschlangen in den meisten Abschnitten zurückgesetzt. Als Ergebnis wurde die Betriebs Ziel der Beibehaltung einer konsistenten mittlere Temperatur von Abschnitt zu Abschnitt über den Großteil der Steigung erfüllt. Temperatur und C Eine Steuer leicht im Frühjahr und Frühsommer beibehalten, wenn die Bodenfeuchte ist relativ hoch und Pflanzen sind in ihrer höchsten Photosyntheseleistung.
Kritische Schritte in dem Protokoll
Steuerung der Gebläsedrehzahl ist der kritischste Aspekt der Aufrechterhaltung des vorgeschriebenen CO 2 -Gradient. Steuerung basiert auf einer Kombination basierendvon Rückkopplungs- und Vorwärts Techniken zur Luftströmung zu dem Vegetationskohlenstoffaufnahme entsprechen. Die Rückkopplungstechnik passt die Gebläsegeschwindigkeit auf der Basis der Differenz zwischen gemessenen und Soll Ausgang CO 2 -Konzentration. Vorwärtssteuerung rechnet Veränderungen Photosyntheserate und schnell (5 sec Reaktionszeit) die Lüftungsleistung, basierend auf Änderungen in photosynthetisch aktiven Strahlung mit dem Quanten-Sensor gemessen. Störgrößenaufschaltung deutlich verbessert die Kontrolle über die durch Rückkopplungssteuerung allein erreicht. Der maximale Luftdurchsatz durch die Kammern in der Größenordnung von 1 m s -1, oder etwa 3,6 km h -1, die auf der Low-End der Wind beschleunigt diese Pflanzen zu sehen in diesem Bereich. So unterschiedlichen Lüfterdrehzahl ist unwahrscheinlich, dass Pflanzenreaktionen beeinflussen.
Ein weiterer kritischer Aspekt der Aufrechterhaltung des CO 2 Gradient ist die Anwesenheit von ausreichenden Photosyntheseleistung. Je steiler die Steigung, desto größer ist der Baldachin photo wiederbeschreibarenbenötigt, um zu ziehen Sie die CO 2 -Konzentration. Tierart oder Gemeinden mit mehr Blattfläche, höhere Photosyntheseraten oder mehr Kammerlänge alle erhöhen den CO 2 Unentschieden-down, die erreicht werden kann. Es sollte auch die Monolithvolumen genommen werden und die Tiefe ist so gewählt, um eine realistische Wurzelvolumen für die etablierten Pflanzengemeinschaften bereitzustellen. Die hier verwendeten Spezies Durchwurzelungstiefen von 1 - 1.5 m, aber andere Arten können flacher oder tiefer sein, und das Monolithvolumen entsprechend angepasst werden sollte. Die endgültige kritischer Aspekt ist die Bedeutung der zuverlässig Zuführen und Steuern der Strömung von Kühlwasser an die Kühlschlangen zwischen jedem Abschnitt, um die Kammertemperaturen außerhalb täglichen und jahres Variation Außentemperatur anzupassen.
Änderungen an der Technik
Das erste Betriebsjahr ergab, dass die Prärie Vegetation am Rande der Lage ist, ausreichende CO 2 war Panicum virgatum behoben. Switchgrass ist eine hoch produktive einheimische tallgrass, und wird in der gesamten Vegetationsperiode, die eine ausreichende Aufnahmekapazität C entlang des Gradienten auch während der heißen Sommermonate stellt sicher gut bewässerten. Das erste Jahr zeigte auch größer als erwarteten Luftwiderstand in den Kammern, die Flussraten in nachgeschalteten Kammern abgebaut, was zu einer Überhitzung. Dieses Problem wurde durch die Installation von zusätzlichen nachgeschalteten Gebläse Ventilatoren behoben, um die Durchflussraten zu steigern. Wir empfehlen die Installation neuer Polyethylen umfasst jede Vegetationsperiode, um eine maximale Lichtdurchlässigkeit zu erhalten.
EINSCHRÄNKUNGEN DER TECHNIK
Das System stellt bestimmte operative Themen, die Chancen und Einschränkungen der Forschungsfragen, die Anlage unterstützen kann. ConSteuerung des Gradienten wird schwieriger, von Mitte des Sommers bis zum Ende der Vegetationsperiode, weil höhere Temperaturen im Sommer niedriger Bodenfeuchte, Erhöhung der Anlagenwasserstress und Senken Photosyntheseleistung. Dies wiederum erfordert langsameren Luftströmungsraten, um die C A ziehen nach unten erforderlich, um die Ziel-C-A-Konzentrationen, die wiederum weitere wirft Temperaturen gerecht zu erzielen. Diese Dynamik zeigt die begrenzte Fähigkeit dieses Systems zur Untersuchung von Wechselwirkungen mit Dürre CO 2 -Konzentration. Temperaturerhöhungen in jedem 5-Meter-Abschnitt sind wegen der linearen Strömungsdesign des Experiments unvermeidlich. Langwellen-Energie sammelt sich in jeder Kammer, bis Luft durch die Kühlschlange und in die nächste Kammer. Innerhalb Schnitt Temperaturerhöhungen sind von ähnlicher Größenordnung um einige der höheren Schätzungen für die künftige Temperatur steigt mit einigen Szenarien des Klimawandels zu erwarten. Somit ist die in Schnitt Temperaturvariation reprhenke die Möglichkeit, Grünland Antworten auf Interaktionen zwischen C und A Erwärmung zu analysieren. Schließlich sind die Abmessungen der Kammer begrenzen, die Vegetation zu einer maximalen Höhe von etwa einem Meter, und der Monolith Bereich begrenzt die Vegetation mit krautigen Spezies mit kleineren Grundflächen. Die Verwendung von Baumarten, zum Beispiel, um holzige Eingriff in Grünland zu studieren, wäre unpraktisch jenseits des Keimlings.
Bedeutung im Vergleich zu anderen Techniken
LYCOG erheblich wirtschaftlicher zu bedienen, verglichen mit Techniken wie FACE und OTC. LYCOG nutzt rund 3.700 L pro Monat an CO 2, die größer als die CO 2 Einsatz in Miniface Systeme 24, aber viel weniger als die CO 2 Verbrauch von FACE und OTC-Ansätze 3, 12. Die wichtigsten Kosten der Aufrechterhaltung des Experiments kommt von Temperaturregelung, die etwa 30.000 $ pro Jahr, Vergleichbarkeit Kostenble Schätzungen der CO2-Kosten für die offene obere Kammer C Eine Bereicherung Kosten, aber immer noch viel weniger als die des CO 2 Kosten der Free Air CO2 Enrichment-Systeme 3. Die wirtschaftlichen Vorteile sind neben der einzigartigen Fähigkeit des Stütz Studium an unter Umgebungs CO 2 und entlang einer kontinuierlichen CO 2 Gradienten.
Aktuelle und zukünftige Anwendungen
Die aktuelle Forschung untersucht Ausnahme ANPP Ökosystemreaktionen, einschließlich Boden CO 2 Efflux und Evapotranspiration, die unser Verständnis von Bodenspezifische Variation in C A Auswirkungen auf Grünland Kohlenstoff und Wasser Radfahren erweitern wird. Zukünftigen Forschungsmöglichkeiten umfassen die Kombination von Temperatur und CO 2 Behandlungen, beispielsweise durch Betreiben beider Kammern superambient aber die Aufrechterhaltung einer Kammer bei einer wärmeren Temperatur Gefälle gegenüber der Umgebungstemperatur. Aktuelle vegetatIonen können leicht mit anderen Arten oder Gemeinschaften ersetzt werden, um zu untersuchen, wie Veränderung der Gemeinschaftsstruktur beeinflusst CO 2 Auswirkungen auf Ökosystemfunktionen werden. Andere ökologisch wichtigen Bestandteilen der Atmosphäre, wie Methan oder Ozon könnte zu einer Wechselwirkung mit CO 2 Test zugesetzt werden.
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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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