En CO₂ Konsentrasjon Gradient anlegg for testing CO₂ Berikelse og geoteknikk Effekter på Grass Ecosystem Funksjon

Summary

Den Lysimeter Carbon Dioxide Gradient Facility skaper en 250 til 500 mL L ^-1 lineær karbondioksid gradient i temperaturkontrollerte kamre boliger Grovfôr plantesamfunn på leire, siltig leire og sandjordbautasteiner. Anlegget brukes til å bestemme hvordan tidligere og fremtidige karbondioksidnivået påvirker Grovfôr karbon sykling.

Abstract

Løpende økning i atmosfærisk karbondioksid konsentrasjoner _(C A) mandat teknikker for å undersøke effekter på terrestriske økosystemer. De fleste forsøk undersøker bare to eller noen få nivåer av _C-A konsentrasjon og en enkelt jordtype, men hvis _C A kan varieres som en gradient fra subambient til superambient konsentrasjoner på flere jord, kan vi skjelne om siste økosystemet reaksjoner kan fortsette lineært i fremtidige og om svarene kan variere over landskapet. Den Lysimeter Carbon Dioxide Gradient Facility gjelder en 250 til 500 mL L ^-1 C _En gradient til Blackland prærien plantesamfunn etablert på lysimeters inneholder leire, siltig leire og sandbunn. Stigningen er opprettet som fotosyntese av vegetasjon omsluttet i temperaturkontrollerte kamre gradvis tapper karbondioksid fra luften strømmer retnings gjennom kamrene. Opprettholde riktig luftmengde, tilstrekkelig photosynthetic kapasitet, og temperaturkontroll er avgjørende for å overvinne de viktigste begrensningene i systemet, som er fallende fotopriser og økt vannmangel i løpet av sommeren. Anlegget er et økonomisk alternativ til andre teknikker for _C A berikelse, med hell skjelner form av økosystem responser til subambient til superambient C _A berikelse, og kan tilpasses til å teste for interaksjoner av karbondioksid med andre drivhusgasser, slik som metan eller ozon.

Introduction

Atmosfærisk karbondioksid konsentrasjon (C _A) har nylig økt siste 400 mL L ^-1 fra ca 270 mL L ^-1 før den industrielle revolusjon. _C A er ventet å nå minst 550 ul L ^{-1 av} 2100 ^en. Denne økningen overgår eventuelle C _A observerte endringene i løpet av de siste 500.000 årene. Den enestående hastigheten av endring i _C A øker muligheten for ikke-lineære eller terskel responsene fra økosystemer til å øke _C-A. De fleste økosystem skala C _A berikelse eksperimenter gjelder bare to behandlinger, et enkelt nivå av beriket C _{A og} en kontroll. Disse eksperimentene har sterkt utvidet vår forståelse av økosystem konsekvensene av C _En berikelse. Men en alternativ tilnærming som kan avsløre tilstedeværelsen av ikke-lineære økosystem responser til å øke _C-A er å studere økosystemer på tvers av en sammenhengende rekke av subambient tilsuperambient C _A. Subambient C _{A er} vanskelig å opprettholde i felt, og har oftest blitt undersøkt ved hjelp av vekstkamrene ^2. Superambient _C A har blitt undersøkt ved hjelp av vekstkamrene, open-top kamre, og fri-luft berikelse teknikker ^{3, 4.}

C _En berikelse oppstår over landskapene som inneholder mange jordtyper. Jordsmonn egenskaper kan sterkt påvirke økosystem svar på C _En berikelse. For eksempel bestemmer jord tekstur oppbevaring av vann og næringsstoffer i jordsmonnet ^5, deres tilgjengelighet til anlegg ^6, og mengden og kvaliteten av organisk materiale ^7-9. Tilgjengeligheten av jordfuktighet er en viktig formidler av økosystem svar på C _En berikelse i vann begrenset systemer, inkludert de fleste gressletter ^10. Past felt C _A berikelse eksperimenter har vanligvis undersøkt bare en jordtype, og kontrollerte tester av kontinuerlig vtyper arying C _En berikelse over flere jord mangler. Hvis effekten av C _En berikelse på økosystemprosesser varierer med jordtype, det er sterk grunn til å forvente romlig variasjon i økosystem svar på C _En berikelse og påfølgende klimaendringer ^{11, 12.}

Den Lysimeter Carbon Dioxide Gradient (LYCOG) anlegget er designet for å ta opp spørsmål om romlig variasjon i ikke-lineære og terskelresponser av økosystemer til C _{A nivåer} som spenner fra ~ 250 til 500 mL L ^-1. LYCOG skaper den fastsatte gradient av C _{A på} flerårige grasmark plantesamfunn vokser på jord som representerer det brede spekter av tekstur, N og C innhold, og hydrologiske egenskaper av gressletter i den sørlige delen av USA Central Plains. Spesifikk jord serien brukes i anlegget er Houston svart leire (32 monolitter), en Vertisol (Udic Haplustert) typisk for lavlandet; Austin (32 monolitter), et høyt carboNate, siltig leire Mollisol (Udorthentic Haplustol) typisk for høylandet; og Bastsil (16 bautasteiner), en alluvial sandete leirjord Alfisol (Udic Paleustalf).

Den operasjonelle prinsippet ansatt i LYCOG er å utnytte fotokapasitet på planter å utarme C _{A fra} pakker av luft flyttet retnings gjennom lukkede kamre. Hensikten med behandlingen er å opprettholde en konstant lineær gradient på dagtid i _C A fra 500 til 250 pl ^L-1. For å oppnå dette, består av to lineære LYCOG kammere, et kammer superambient opprett den del av gradienten 500-390 (omgivende) il L ^-1 C _A, og en subambient kammer opprettholde 390-250 ul L ^-1 parti av gradient. De to kamrene er plassert ved siden av hverandre, orientert i en nord-syd akse. C _{En gradient} opprettholdes under den del av året når vegetasjonen foto kapasitet er tilstrekkelig; typisk fraslutten av april til begynnelsen av november.

Kamrene inneholder sensorer og instrumentering for å regulere C _{En gradient,} kontrollere lufttemperatur (T _A) nær omgivende verdier, og anvende ensartede nedbørsmengder til all jord. Jordsmonnet er intakte monolitter samlet inn fra nærliggende Blackland prærien installert i hydrologically isolerte veier lysimeters instrument å bestemme alle komponenter i vann budsjett. Vann er brukt i hendelsene i volum og timing som omtrentsesongvariasjoner i regn hendelser og utgjør under en gjennomsnittlig nedbør år. Dermed er LYCOG stand til å vurdere de langsiktige effektene av subambient til superambient C _{A og} jordtype på grass økosystem funksjon inkludert vann og karbon budsjetter.

LYCOG er tredje generasjon av C _{en gradient} eksperimenter utført av USDA ARS Grass jord og vann Research Laboratory. Den første generasjonen var en prototype subambient tilambient gradient som etablerte levedyktighet av gradient tilnærming ^{13 og} utvidet vår forståelse av blad-nivå fysiologiske responser av planter til subambient variasjon i _C A ^14-20. Den andre generasjonen var et felt-skala anvendelse av konseptet til staude C ₄ grasmark, med gradient utvidet til 200-550 mL L ^{-1 21.} Dette feltet stilt eksperiment ga den første bevis for at grasmark produktiviteten øker med C _En berikelse kan mette nær dagens normale konsentrasjoner ^20, delvis fordi nitrogen tilgjengelighet kan begrense planteproduktivitet på superambient C _{^A 22.} LYCOG utvider denne andre generasjon eksperiment ved å innlemme replikert løsmasser av varierende tekstur, slik robust testing for interaktive effekter av jordsmonn på C _{Et svar} fra gras lokalsamfunn.

Protocol

1. Samle Jord Monoliths skal brukes som Veiing lysimeters Konstruer open-ended stålbokser 1 x 1 m kvadratfot med 1,5 m dyp fra 8 mm tykt stål. Trykk på åpent bokser vertikalt ned i jorden, ved hjelp av hydrauliske presser montert på spiralformede ankere boret 3 m dyp i jorda. Grave ut innkapslet monolitten ved hjelp av en traktor eller lignende utstyr. Plasser en glassfiber veke i kontakt med jord i bunnen av monolitten. Passere veken gjennom stål-basismaterialet i et 10 re…

Representative Results

De superambient og subambient partier av gradienten blir opprettholdt i separate kamre (figur 1). Imidlertid, over syv års drift (2007 – 2013), kammerne opprettholdes en lineær gradient i C A konsentrasjon 500-250 ul L-1 (figur 2) med bare en liten diskontinuitet i C A mellom utløpet av den anrikede kamrene (Monolith 40) og inngangen til subambient del av gradient (Monolitten 41). Lufttemperatur og damptrykk und…

Discussion

Den LYCOG anlegget oppnår sin operative målet om å opprettholde en 250 til 500 mL L ^-1 kontinuerlig gradient av C _A konsentrasjoner på eksperimentelle grassamfunn etablert på tre jordtyper. Endringen i _C A er lineært over skrevet rekkevidde. Lufttemperatur økt i hver seksjon, men ble tilbakestilt av mellom-seksjonen kjølebatterier i de fleste deler. Som et resultat ble det operative målet om å opprettholde en jevn midlere temperatur fra seksjon til seksjon oppfylt over det mest…

Materials

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