Summary
El Fondo Degradado Dióxido de Carbono Lisímetro crea un 250 a 500 l L -1 gradiente de dióxido de carbono lineal en las comunidades de plantas de pastizales cámaras vivienda de temperatura controlada en arcilla, arcilla limosa y monolitos de suelo arenoso. La instalación se utiliza para determinar cómo los niveles de dióxido de carbono del pasado y del futuro afectan el ciclo del carbono de los pastizales.
Abstract
Continuando con los aumentos en las concentraciones de dióxido de carbono atmosférico (C A) técnicas de mandato para el examen de los impactos sobre los ecosistemas terrestres. La mayoría de los experimentos examinan sólo dos o unos pocos niveles de C Una concentración y un solo tipo de suelo, pero si C A se puede variar como un gradiente de subambiente a superambient concentraciones en varios suelos, podemos discernir si las respuestas del ecosistema últimos pueden continuar linealmente en la futuros y si las respuestas pueden variar a través del paisaje. El Fondo Degradado Dióxido de Carbono Lisímetro aplica un 250 a 500 l L -1 C Un gradiente de Blackland comunidades vegetales de las praderas establecidas en lisímetros que contienen arcilla, arcilla limosa y suelos arenosos. El gradiente se crea como la fotosíntesis de vegetación cerrada en en cámaras de temperatura controlada agota progresivamente dióxido de carbono del aire que fluye a través de las cámaras direccionalmente. El mantenimiento de la tasa de flujo de aire adecuado, photosy adecuadacapacidad nthetic, y control de temperatura son críticos para superar las principales limitaciones del sistema, que están disminuyendo las tasas de fotosíntesis y un mayor estrés hídrico durante el verano. La instalación es una alternativa económica a otras técnicas de C A enriquecimiento, discierne con éxito la forma de las respuestas del ecosistema a subambiente a superambient C Un enriquecimiento, y se puede adaptar para poner a prueba para las interacciones de dióxido de carbono con otros gases de efecto invernadero, tales como metano o el ozono.
Introduction
La concentración de dióxido de carbono atmosférico (C A) ha aumentado recientemente pasado 400 l L -1 de aproximadamente 270 l -1 L antes de la Revolución Industrial. C A se prevé que alcance al menos 550 l L-1 para el año 2100 1. Esta tasa de crecimiento supera cualquier cambio C A observados en los últimos 500.000 años. La tasa de cambio sin precedentes en C Un plantea la posibilidad de respuestas no lineales o de umbral de los ecosistemas para el aumento de C A. La mayor parte de los ecosistemas a escala C A experimentos de enriquecimiento aplica sólo dos tratamientos, un solo nivel de enriquecimiento C A y un control. Estos experimentos se han ampliado enormemente nuestra comprensión de los impactos ambientales de C Un enriquecimiento. Sin embargo, un enfoque alternativo que puede revelar la presencia de las respuestas del ecosistema no lineales a la creciente C A es estudiar los ecosistemas a través de un rango continuo de subambiente asuperambient C A. Subambiente C A es difícil de mantener en el campo, y más a menudo se ha estudiado el uso de cámaras de crecimiento 2. Superambient C A se ha estudiado el uso de cámaras de crecimiento, descapotables cámaras y técnicas de enriquecimiento al aire libre 3, 4.
C Un enriquecimiento se produce a través de paisajes que contienen muchos tipos de suelo. Suelos propiedades pueden afectar fuertemente las respuestas del ecosistema a C Un enriquecimiento. Por ejemplo, la textura del suelo determina la retención de agua y nutrientes en el perfil del suelo 5, su disponibilidad para las plantas 6, y la cantidad y la calidad de la materia orgánica 7-9. La disponibilidad de la humedad del suelo es un mediador crucial de la respuesta de los ecosistemas a C Un enriquecimiento en sistemas de agua limitada, incluyendo la mayoría de los pastizales 10. Pasado campo C A experimentos de enriquecimiento han examinado típicamente sólo un tipo de suelo, y controlado de forma continua pruebas vtipos arying C Un enriquecimiento sobre varios suelos son escasas. Si los efectos de C Un enriquecimiento en los procesos del ecosistema difieren en el tipo de suelo, hay una fuerte razón para esperar que la variación espacial de las respuestas de los ecosistemas a C Un enriquecimiento y consiguientes cambios en el clima 11, 12.
El Dióxido de Carbono Lisímetro Gradiente (LYCOG) instalación fue diseñada para hacer frente a las cuestiones de la variación espacial en las respuestas no lineales y de umbral de los ecosistemas a los niveles C A que van desde ~ 250 a 500 l L -1. LYCOG crea el gradiente prescrito de C A en las comunidades de plantas de pastizales perennes que crecen en suelos que representan a la amplia gama de textura, contenido de N y C, y las propiedades hidrológicas de pastizales en la parte sur de los EE.UU. Llanos Centrales. Series de suelos específicos utilizados en la instalación son de arcilla Houston Negro (32 monolitos), un Vertisol (Udic Haplustert) típico de las tierras bajas; Austin (32 monolitos), un alto carbonate, arcilla limosa Mollisol (Udorthentic Haplustol) típica de las tierras altas; y Bastsil (16 monolitos), un aluvión franco arenoso Alfisol (Udic paleustalf).
El principio operativo empleado en LYCOG es aprovechar la capacidad fotosintética de las plantas a agotar C A partir de parcelas de aire se movían direccionalmente a través de las cámaras cerradas. El objetivo del tratamiento es mantener un gradiente lineal constante durante el día en C A desde 500 a 250 l L -1. Para lograr esto, LYCOG consta de dos cámaras lineales, una cámara de superambient el mantenimiento de la porción de la gradiente desde 500 a 390 (ambiente) l L -1 C A, y una cámara de mantenimiento de la subambiente 390 a 250 l L -1 porción de la gradiente. Las dos cámaras están ubicadas al lado del otro, orientado sobre un eje norte-sur. El gradiente C A se mantiene durante la parte del año en la capacidad fotosintética vegetación es adecuada; típicamente desdefinales de abril hasta principios de noviembre.
Las cámaras contienen sensores e instrumentación necesarias para regular el C Un gradiente, controlar la temperatura del aire (TA), cerca de los valores ambientales, y aplicar cantidades de precipitación uniformes para todos los suelos. Los suelos son monolitos intactas recogidos desde la cercana pradera Blackland instalada en lisímetros de pesada aislados hidrológicamente-instrumentados para determinar todos los componentes del balance hídrico. El agua se aplica en eventos de volumen y el momento de que la aproximación de la estacionalidad de las lluvias y asciende durante un año promedio precipitación. Por lo tanto, LYCOG es capaz de evaluar los efectos a largo plazo de subambiente a superambient C A y el tipo de suelo en función de los ecosistemas de pastizales, incluyendo los presupuestos de agua y carbono.
LYCOG es la tercera generación de C un gradiente de experimentos llevados a cabo por el USDA ARS Pastizales del suelo y el Laboratorio de Investigación del Agua. La primera generación fue un prototipo para subambientegradiente ambiente que estableció la viabilidad del enfoque gradiente de 13 y se hace avanzar nuestra comprensión de las respuestas fisiológicas de nivel de hoja de las plantas para subambiente variación en C A de 14-20. La segunda generación fue una aplicación de campo a gran escala del concepto de perenne C 4 pastizales, con el gradiente extendido a 200-550 l L-1 21. Este experimento de campo a gran escala proporcionó la primera evidencia de que el aumento de la productividad de pastizales con C Un enriquecimiento de mayo saturar cerca de las concentraciones ambientales actuales 20, en parte debido a la disponibilidad de nitrógeno puede limitar la productividad vegetal en superambient C A 22. LYCOG extiende este segundo experimento generación incorporando suelos replicados de diferente textura, lo que permite la prueba robusta para efectos interactivos de los suelos en la C Una respuesta de las comunidades de pastizales.
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Protocol
1. Los monolitos de suelos recogen para ser utilizado como un peso de lisímetros
- Construir cajas de acero abiertas 1 x 1 m cuadrados por 1,5 m de profundidad de 8 mm de acero de espesor.
- Pulse las cajas abiertas verticalmente en el suelo, utilizando prensas hidráulicas montadas sobre anclajes helicoidales perforado 3 m de profundidad en el suelo.
- Excavar el monolito revestido utilizando una retroexcavadora o un equipo similar.
- Coloque una mecha de fibra de vidrio en contacto con el suelo en la base del monolito. Pasar la mecha a través de la base de acero a un depósito de 10 L para drenar el monolito, y luego soldar la base de acero en la parte inferior de la caja.
- Matar la vegetación existente en los monolitos mediante la aplicación de un herbicida no residual, tal como glifosato.
2. Establecer las comunidades vegetales en los monolitos de suelo
- Planta de los monolitos con ocho plantas cada una de las siete especies de pastos altos de pradera de gramíneas y herbáceas, para una densidad total de 56 plantas por m2.
- Planta las siguientes Forbs: azurea Salvia (salvia lanzador), Solidago canadensis (Canadá vara de oro), Desmanthus illinoensis (bundleflower Illinois, una leguminosa).
3. Cámara Diseño
- Construir dos cámaras cada 1,2 m de ancho, 1,5 m de altura y 60 m de longitud, dividido en diez secciones largas 5 m. Construya secciones de pesada de acero de dimensiones 5 mx 1,2 mx 1,6 m de profundidad, enterrada a 1,5 m.
- Instale cuatro monolitos en cada sección, dos monolitos de cada uno de los dos de los tipos de suelo, en orden aleatorio. Instale cada monolito encima de un 4,540 kg equilibrio capacidad.
- Incluya monolitos Bastsil en las parejas en las secciones pares.
- Únete secciones adyacentes sobre el suelo con un 1 m de largo x 1 m de ancho x 0,3 m de conductos de chapa de altura para proporcionar una vía para la circulación de aire.
- Suministro de refrigerante a 10 ° C a partir de una unidad de refrigeración 161,4 kW para un serpentín de enfriamiento dentro de cada conducto.
- Incluya la vegetación con película transparente de efecto invernadero (espesor de 0.006 "/. 15 mm), tal como se utiliza en otraexperimentos de manipulación del clima 23.
- Coloque cada tapa con una abertura con cremallera respaldado por un proyecto de solapa para permitir el acceso a los monolitos para el muestreo.
- Retire el polietileno cubre al final de la temporada de crecimiento.
4. CO 2 y la temperatura del aire de medición; Control de temperatura
- Ejemplo de entrada y salida C A en ambas cámaras cada 2 minutos a través de líneas de muestreo de aire con filtro ubicado en la entrada y salida de superambient y subambientes cámaras. Estos datos informan inyección de CO 2 y el ventilador de control de velocidad.
- Muestra C A y contenido de vapor de agua, y la temperatura del aire medida (TA) en la entrada y salida de cada sección 5 m en intervalos de 20 minutos.
- Mida todas las muestras de aire para CO 2 y vapor de agua contenido en tiempo real utilizando analizadores de gas infrarrojos según el protocolo del fabricante.
- Mida T A en la entrada, el punto medio, und salida de cada sección con termopares de alambre fino blindados.
- Regular el flujo de refrigerante a través del serpentín de enfriamiento en la entrada de cada sección para mantener una media constante (sección media) T A de una sección a cerca de la ambiente T A.
- Coloque un sensor cuántico de tener una vista despejada del cielo y medir la densidad de flujo de fotones fotosintéticos de acuerdo con el protocolo del fabricante. Nivel de luz es una entrada al algoritmo de control del ventilador.
5. C Una Aplicación de Tratamiento
- Tiempo de día
- Mezclar dióxido de carbono puro (CO 2) con el aire ambiente entrante a 500 l L -1 C A, utilizando un controlador de flujo másico en el conducto de entrada de la pierna superambient. Vea la Sección 4 para C A detalles de medición.
- La advección del aire enriquecido a través de las cámaras que utilizan ventiladores soplantes en la entrada de la sección 1 y en las secciones posteriores.
- METROantener la C la salida deseada A de 390 l L-1 (aire ambiente), ajustando la velocidad del ventilador.
- Aumentar la velocidad del ventilador si la salida C A está por debajo del punto de ajuste. Esto permite menos tiempo para la absorción de la planta de CO 2, lo que resulta en una mayor salida de C A.
- Disminuya la velocidad del ventilador si la salida C A está por encima del punto de ajuste.
- Usa el mismo enfoque en la cámara subambiente excepto introducir aire y control ambiental para lograr la salida C A de 250 l L -1.
- Noche
- Invierta la dirección del flujo de aire.
- Inyectar CO 2 en el extremo de salida durante el día de la cámara superambient para lograr 530 l L -1 C A, y las tasas de advección de control para mantener 640 l L-1 en la salida nocturna (entrada diurna.
- Introducir aire ambiente en ~ 390 l L -1 CO 2 a la entrada de la noche(salida diurna) de la tasa de advección cámara subambiente y control para mantener 530 l L-1 en la salida nocturna.
6. Precipitaciones Entradas
- Aplique la cantidad de lluvia temporada de crecimiento media a cada monolito.
- Suministro de agua a cada monolito de una fuente de agua para uso doméstico a través de un sistema de riego por goteo. Programe los eventos de riego y las cantidades de aplicación para aproximar el régimen de lluvias estacional para la ubicación experimento. El horario exacto depende del clima local.
- Control de tiempo de aplicación con un registrador de datos y medir los volúmenes de aplicación con caudalímetros.
7. Muestreo
- Medir perfiles verticales de volumétrica contenido de agua del suelo (vSWC) semanalmente durante el período de CO 2 de control, con un medidor de atenuación de neutrones u otra sonda apropiada.
- Incrementos perfil recomendados son incrementos de profundidad 20 cm a 1 m dePTH, y un incremento de 50 cm por debajo de un 1 m.
- Medida monolito sobre el suelo la productividad primaria neta (ANPP) por la recolección de toda la biomasa aérea de pie al final de la temporada de crecimiento.
- Toda la biomasa aérea se retira cada año, en consecuencia, la biomasa representa la producción primaria actual.
- Ordene la biomasa muestreada por especie y secos a una masa constante, y pesar.
- Utilice la biomasa de las especies individuales para cuantificar las especies vegetales contribuciones a la ANPP.
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Representative Results
Las porciones superambient y subambientes del gradiente se mantienen en cámaras separadas (Figura 1). Sin embargo, más de siete años de funcionamiento (2007 - 2013), las cámaras mantienen un gradiente lineal en C A de concentración desde 500 a 250 l L -1 (Figura 2) con sólo una pequeña discontinuidad en C A entre la salida de las cámaras enriquecidos (Monolith 40) y la entrada de la porción subambiente del gradiente (Monolith 41).
La temperatura del aire y el déficit de presión de vapor se mantuvo constante de sección a sección, tanto en las cámaras superambient y subambientes, excepto en la sección 10 de la cámara de superambient, y las secciones 19 y 20 de la cámara subambiente, donde la temperatura del aire promedio de ~ 3 ° C más caliente que otra secciones (Figura 2). Sin embargo, no puede ser pronunciado aumento de la temperatura de 5-7 ° C dentro de cada sección, y corresponding aumenta en déficit de presión de vapor.
Promediado sobre los 2.007 - 2.013 estaciones de crecimiento, vSWC variar linealmente a lo largo del C Un gradiente en dos de los tres suelos (Figura 3). vSWC en los primeros 20 cm del perfil del suelo aumentó en un 3,1% por cada 100 l L -1 incremento en C A en el suelo franco arenoso (serie Bastsil) suelo (R 2 = 0,34, p = 0,01), y en un 1,7% por 100 l L -1 C A en el suelo arcilloso (serie Houston). Sin embargo no hubo ningún cambio en 0-20 vSWC en la arcilla limosa (serie Austin) del suelo (p = 0,13).
La productividad de la planta también varía linealmente con por C A, y la magnitud de la C una respuesta difería entre los suelos. ANPP (Figura 4A) de monolitos con Blackland comunidades de plantas pradera tenía la respuesta más pequeño hasta C A en el suelo de arcilla, aumentando en 59 gm -2 por 100 l L -1 aumento en C A(R 2 = 0,22, p = 0,02). La respuesta ANPP a C Un enriquecimiento fue intermedia en el suelo de arcilla limosa, aumentando en un 76 gm -2 por 100 l L -1 de CO 2 (R 2 = 0,22, p = 0,02), y el más grande en el suelo franco arenoso, donde ANPP ganó 131 gm -2 por 100 l L -1 de CO 2 (R 2 = 0,55, p <0,001).
Estas respuestas de suelo específico de ANPP a C Un correspondían estrechamente a las respuestas de suelo específico de un mésicos C 4 de pastos altos, Sorghastrum nutans, las especies de pastos más abundantes en las comunidades de plantas experimentales. La biomasa aérea de S. nutans aumentó más fuertemente con el aumento de C A en el suelo franco arenoso, ganando más de 200 gm -2 por cada 100 l L -1 aumento en C A (R 2 = 0,40, p = 0,005). En contraste, S. nutans ganó solamente 100 g -1 por 100 l L -1 incremento en C A en el suelo de arcilla limosa (R 2 = 0,50, p <0,0001), mientras que S. nutans respondieron marginalmente a C A en el suelo de arcilla (R 2 = 0,12, p = 0,07; Figura 4B).
El incremento de suelo específico en ANPP con C Un enriquecimiento se produjo a pesar de una disminución de la productividad en los dos suelos más sensibles por el xérico C 4 a mediados de la hierba Bouteloua curtipendula (Figura 4C). B. curtipendula fue la segunda especie más abundante en las comunidades experimentales. En el suelo limoso arcilloso, B. curtipendula era la hierba dominante en subambientes concentraciones C A pero disminuyó más fuertemente con C Un enriquecimiento en el suelo de arcilla limosa (69 gm -2, por 100 l L -1 incremento en C A; R 2 = 0,36, p <0,008), disminuido menos fuertemente en el suelo franco arenoso (44 gm -2 -1 incremento en C A; R 2 = 0,36, p = 0,008), y no varió con C Un enriquecimiento en el suelo arcilloso (p = 0,46).
Figura 1. Disposición de las cámaras y de los suelos. Las dos secuencias lineales de cámaras que contienen vegetación de pastizales que crecen en monolitos de suelos intactos (foto), y esquemática de la distribución de los tres tipos de suelo a lo largo del gradiente de CO 2. Números Parcela 1-40 se encuentran a lo largo del 500-380 l L -1 porción de la pendiente, y los números 41 a 80 en el 380-250 l L -1 porción. Foto: Philip Fay.
Figura 2. Microclima por la C A degradado. dióxido de carbono estación de crecimiento durante el día (CO 2) la concentración, la temperatura del aire, y el déficit de presión de vapor para los 80 monolitos en las cámaras enriquecidos y subambientes. Los valores se miden a la entrada de aire y salida de cada sección, y estiman a partir de la interpolación lineal para otras posiciones. Los puntos de datos representan medios para los 2007 hasta 2013 estaciones de crecimiento. Las barras de error omitidas para mayor claridad; significar errores estándar eran 3,5 para CO 2, 0,82 para la temperatura del aire, y 0,18 para el déficit de presión de vapor.
Figura 3. humedad del suelo en cada tipo de suelo a lo largo del gradiente de CO 2 contenidos estación de crecimiento volumétrico de agua del suelo (vSWC) para 0 -. 20 cm en el perfil del suelo para cada tipo de suelo, trazado de posición a lo largo de la concentración de CO 2 gradient. Regresiones lineales se trazan para suelos con relaciones significativas de vSWC a CO 2 concentración. Los puntos de datos representan las medias de 2007 a 2013 estaciones de crecimiento. Las barras de error omitidas para mayor claridad; significaría errores estándar en los tres suelos varió desde 0,74 hasta 0,99.
Figura 4. la productividad de la planta en cada tipo de suelo a lo largo del gradiente de CO 2. (A) Media sobre el suelo de la productividad primaria neta (ANPP), la suma de la biomasa del año en curso de todas las especies en los 60 monolitos con comunidades vegetales Blackland Prairie; y la biomasa actual año de (B) la mésico C 4 de pastos altos, Sorghastrum nutans, y (C) el xérico C 4 midgrass Bouteloua curtipendula trazada por la posición a lo largo del gradiente de concentración de CO 2.Regresiones lineales se trazan para suelos con relaciones significativas de biomasa ANPP o especie a CO 2 concentración. Los puntos de datos representan las medias de 2007 a 2013 estaciones de crecimiento. Las barras de error omitidas para mayor claridad; significar errores estándar en los tres suelos variaron desde 34,9 hasta 42,5 por ANPP, 21,8-34,4 para S. nutans y 7,4-24,8 para B. curtipendula.
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Discussion
La instalación LYCOG logra su objetivo operacional del mantenimiento de un 250 a 500 l L -1 gradiente continuo de las concentraciones de C A en las comunidades de pastizales experimentales establecidas en tres tipos de suelo. El cambio en C A es lineal en el intervalo prescrito. La temperatura del aire aumenta dentro de cada sección, pero se restableció por los serpentines de enfriamiento entre la sección en la mayoría de las secciones. Como resultado de ello, el objetivo operacional de mantener una temperatura media constante de sección a sección fue recibida sobre la mayor parte del gradiente. La temperatura y la C de control A se mantienen fácilmente durante la primavera y principios del verano, cuando la humedad del suelo es relativamente alta y las plantas están en su más alta capacidad fotosintética.
Pasos críticos en el Protocolo
El control de velocidad del ventilador es el aspecto más crítico de mantener la prescrita CO 2 degradado. El control se basa en una combinaciónde información y técnicas de alimentación directa para que coincida con el flujo de aire a la absorción de carbono de la vegetación. La técnica de retroalimentación ajusta la velocidad del ventilador basado en la diferencia entre el CO medido y salida objetivo del 2 de concentración. Feed-forward de control anticipa cambios en la tasa de fotosíntesis y rápidamente (tiempo de respuesta de 5 seg) ajusta la velocidad del ventilador, en base a los cambios en la radiación fotosintéticamente activa medidos con el sensor cuántico. -Feed forward control mejora considerablemente el control sobre la alcanzada por el control de retroalimentación solo. La tasa de flujo de aire máximo a través de las cámaras es del orden de 1 m s-1, o alrededor de 3,6 kilometros h -1, que está en la gama baja de velocidades del viento estas plantas ver en el campo. Por lo tanto, es poco probable que afecte respuestas de las plantas variando la velocidad del ventilador.
Otro aspecto crítico de mantener el gradiente de CO 2 es la presencia de la capacidad fotosintética adecuada. La más pronunciada la pendiente, mayor será la capacidad fotosintética de dosel recesarias para dibujar abajo de la concentración de CO 2. Especies o comunidades con mayor área foliar, mayores tasas fotosintéticas, o la longitud de la cámara ya todos aumentan el empate abajo de CO 2 que se puede lograr. También se debe tomar el volumen monolítico y profundidad se elige para proporcionar un volumen de enraizamiento realista para las comunidades de plantas establecidas. Las especies utilizadas aquí tienen profundidades de enraizamiento de 1 a 1,5 m, pero otras especies pueden ser más superficial o más profunda, y el volumen de monolito se deben ajustar en consecuencia. El último aspecto crítico es la importancia de suministrar de forma fiable y controlar el flujo de agua fría a los serpentines de enfriamiento entre cada sección, con el fin de que coincida con temperaturas de la cámara a la variación diurna y estacional fuera de la temperatura ambiente exterior.
Modificaciones a la técnica
El primer año de operación, reveló que la vegetación de pradera fue marginalmente capaz de CO 2 adecuada virgatum Panicum. Switchgrass es una de pastos altos nativos altamente productiva, y está bien regado en toda la temporada de crecimiento, lo que asegura la capacidad de absorción de C adecuada a lo largo del gradiente incluso durante los calurosos meses de verano. El primer año también reveló mayor que la resistencia aerodinámica prevista en las cámaras, que degradan las tasas de flujo en las cámaras de aguas abajo, dando lugar a un sobrecalentamiento. Este problema ha sido corregido por la instalación de ventiladores adicionales aguas abajo del ventilador para aumentar las tasas de flujo. Se recomienda la instalación de nuevo de polietileno cubre cada estación de crecimiento para mantener la máxima transmisión de luz.
Limitaciones de la Técnica
El sistema plantea ciertos problemas operativos que crean oportunidades y limitaciones a las preguntas de investigación de la instalación puede soportar. Estafacontrol de la pendiente se hace más difícil desde mediados de verano hasta el final de la temporada de crecimiento, ya que las temperaturas más altas del verano más bajos de humedad del suelo, aumentando el estrés hídrico de la planta y la reducción de la capacidad fotosintética. Esto a su vez requiere de caudales de aire más lentas para conseguir el C Un draw-down necesaria para cumplir con el objetivo concentraciones C A, que a su vez eleva aún más las temperaturas. Esta dinámica ilustra la limitada capacidad de este sistema para el estudio de las interacciones de sequía con la concentración de CO 2. Los aumentos de temperatura dentro de cada sección 5 metros son inevitables debido al diseño de flujo lineal del experimento. La energía de onda larga se acumula dentro de cada cámara hasta que el aire pasa a través del serpentín de enfriamiento y de entrar en la siguiente cámara. Dentro de la sección aumentos de temperatura son de magnitud similar a algunas de las estimaciones más altas para futuros aumentos de temperatura esperados con algunos escenarios de cambio climático. Por lo tanto, la sección dentro de la variación de la temperatura represents la oportunidad de analizar las respuestas de pastizales a las interacciones entre C A y calentamiento. Por último, las dimensiones de la cámara limitan la vegetación a una altura máxima de alrededor de un metro, y la zona monolito limita la vegetación para especies herbáceas con áreas basales más pequeñas. El uso de las especies de árboles, por ejemplo, para estudiar la invasión leñosa en pastizales, sería poco práctico más allá de la etapa de plántula.
Importancia en comparación con otras técnicas
LYCOG es considerablemente más económico de operar en comparación con técnicas como la FACE y OTC. LYCOG utiliza aproximadamente 3700 L por mes de CO 2, que es mayor que el uso de CO 2 en los sistemas de MiniFACE 24, pero mucho menos que el consumo de CO 2 de FACE y OTC se aproxima a 3, 12. El gasto importante de mantener el experimento viene de control de la temperatura, que cuesta aproximadamente $ 30.000 por año, comparativamenteble a las estimaciones de los gastos de CO 2 para abrir la parte superior cámara C A los costos de enriquecimiento, pero todavía mucho menor que el de los gastos de CO 2 de los de aire libre de CO 2 sistemas de enriquecimiento 3. Las ventajas económicas se suman a la capacidad única de estudios que apoyan en subambiente CO 2 ya lo largo de un gradiente continuo de CO 2.
Aplicaciones actuales y futuras
La investigación actual está examinando las respuestas de los ecosistemas que no sean ANPP, incluyendo CO 2 de flujo de salida del suelo, y la evapotranspiración, que ampliará nuestra comprensión de la variación del suelo específico en efectos C A en carbono pastizales y el ciclo del agua. Las futuras posibilidades para la investigación incluyen combinar temperatura y CO 2 tratamientos, por ejemplo accionando ambas cámaras como superambient pero manteniendo una cámara en un diferencial de temperatura más caliente con respecto al ambiente. Vegetac actualion puede ser fácilmente reemplazado con otras especies o comunidades para estudiar cómo la variación en la estructura de la comunidad influye CO 2 efectos sobre la función de los ecosistemas. Otros componentes atmosféricos ecológicamente importantes tales como el metano o el ozono podrían añadirse para poner a prueba para las interacciones con CO 2.
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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
- 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).
- Gerhart, L. M., Ward, J. K. Plant responses to low CO2 of the past. New Phytol. 188 (3), 674-695 (2010).
- 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).
- Hendrey, G. R., Lewin, K. F., Nagy, J. Free Air Carbon Dioxide Enrichment: DevelopmentProgress, Results. Vegetatio. 104/105 (1), 16-31 (1993).
- 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).
- Brady, N. C., Weil, R. R. The Nature and Properties of Soils. , 13th edn, Prentice Hall. 960 (2002).
- 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).
- Hassink, J. Preservation of plant residues in soils differing in unsaturated protective capacity. Soil Sci. Soc. Am. J. 60 (2), 487-491 (1996).
- Oades, J. M. The retention of organic matter in soils. Biogeochemistry. 5 (1), 35-70 (1988).
- Knapp, A. K., et al. Consequences of more extreme precipitation regimes for terrestrial ecosystems. BioScience. 58 (9), 811-821 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gill, R. A., et al. Nonlinear grassland responses to past and future atmospheric CO2. Nature. 417 (6886), 279-282 (2002).
- 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).
- 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).
