Summary
De Lysimeteronderzoek Carbon Dioxide Gradient Facility creëert een 250-500 pi L -1 lineaire kooldioxide gradiënt in temperatuur-gecontroleerde kamers huisvesting graslanden plantengemeenschappen op klei, lemige klei en zandgrond monolieten. De faciliteit wordt gebruikt om te bepalen hoe het verleden en de toekomst van kooldioxide niveaus invloed grasland koolstofcyclus.
Abstract
Voortdurende toename in de atmosferische concentratie kooldioxide (C A) mandaat technieken voor het onderzoeken van de effecten op terrestrische ecosystemen. De meeste experimenten onderzoeken slechts twee of een paar niveaus van C Een concentratie en een enkele grondsoort, maar als C A kan worden gevarieerd als een gradiënt van subambient aan concentraties op meerdere gronden superambient, kunnen we onderscheiden of verleden ecosysteem reacties lineair kan worden voortgezet in de toekomst en of de reactie kan variëren over het landschap. De Lysimeteronderzoek Carbon Dioxide Gradient Facility geldt een 250-500 pi L -1 C Een verloop naar Blackland prairie plantengemeenschappen opgericht op lysimeters met klei, lemige klei en zandgronden. De gradiënt wordt gemaakt als de fotosynthese door de vegetatie ingesloten in temperatuur-gecontroleerde kamers progressief uitput kooldioxide uit de lucht directioneel stroomt door de kamers. Behoud van een goede luchtstroom, voldoende photosynthetic capaciteit en temperatuurregeling zijn cruciaal voor de belangrijkste beperkingen van het systeem, die dalende fotosynthetische tarieven en een verhoogde water stress tijdens de zomer te overwinnen. De inrichting is een economisch alternatief voor andere technieken van C A verrijking met succes onderscheidt de vorm van ecosysteem reacties op subambient te superambient C A verrijking, en kan worden aangepast om te testen op interacties van koolstofdioxide met andere broeikasgassen zoals methaan of ozon.
Introduction
Atmosferische kooldioxide concentratie (C A) is onlangs toegenomen afgelopen 400 pi L -1 van ongeveer 270 pi L -1 voorafgaand aan de Industriële Revolutie. C A zal naar verwachting ten minste 550 pi L -1 bereiken met 2100 1. Dit stijgingspercentage overtreft elke C A veranderingen waargenomen in de afgelopen 500.000 jaar. De ongekende mate van verandering in C A noemt de mogelijkheid van niet-lineaire of drempel reacties van ecosystemen te verhogen C A. De meeste ecosysteem-schaal C Een verrijking experimenten gelden slechts twee behandelingen, een enkel niveau van verrijkt C A en een controlegroep. Deze experimenten zijn sterk uitgebreid ons begrip van de impact op ecosystemen van C A verrijking. Echter, een alternatieve benadering die de aanwezigheid van niet-lineaire ecosysteem respons op toenemende C A kan openbaren om ecosystemen studie over een continu bereik van subambient aansuperambient C A. Subambient C Een moeilijk in het veld te handhaven en is meestal bestudeerd met behulp groeikamers 2. Superambient C A is onderzocht met behulp van groeikamers open-top kamers, en vrije-lucht verrijking technieken 3, 4.
C Een verrijking plaatsvindt over landschappen met veel grondsoorten. Bodems eigenschappen kunnen sterk beïnvloeden ecosysteem reacties op C Een verrijking. Zo bodem structuur bepaalt het vasthouden van water en nutriënten in het bodemprofiel 5, hun beschikbaarheid voor planten 6, en de hoeveelheid en kwaliteit van organische stof 09/07. De beschikbaarheid van bodemvocht is een cruciale mediator van ecosysteem reacties op C Een verrijking in water beperkt systemen, waaronder de meeste graslanden 10. Verleden veld C Een verrijking experimenten hebben doorgaans onderzocht slechts één bodemtype en gecontroleerde tests continu vtypes arying C Een verrijking over verschillende bodem ontbreken. Als effecten van C Een verrijking ecosysteem processen verschillen grondsoort, is er een sterke reden om de ruimtelijke variatie in ecosysteem reacties op C Een verrijking en de daaruit voortvloeiende veranderingen in het klimaat 11, 12 verwachten.
De Lysimeteronderzoek Kooldioxide Gradient (LYCOG) faciliteit werd ontworpen om de vragen van de ruimtelijke variatie in niet-lineaire en de drempel reacties van ecosystemen op C A niveaus, variërend van ~ 250 tot 500 pi L -1 te pakken. LYCOG creëert de voorgeschreven verloop van C A op meerjarige graslanden plantengemeenschappen groeien op grond die de brede waaier van textuur, N en C inhoud en hydrologische eigenschappen van graslanden in het zuidelijke deel van het US Central Plains. Specifieke bodem-serie gebruikt in de faciliteit zijn Houston Black klei (32 monolieten), een Vertisol (Udic Haplustert) typisch voor laaglanden; Austin (32 monolieten), een hoge carbonate, lemige klei mollisol (Udorthentic Haplustol) typisch voor hooglanden; en Bastsil (16 monolieten), een alluviale zandige leem Alfisol (Udic Paleustalf).
Het operationele principe werkzaam zijn in LYCOG is om de fotosynthetische capaciteit van planten om C A uitputten van percelen van de lucht verplaatst directioneel door de gesloten kamer te benutten. Het doel van de behandeling een constante lineaire gradiënt overdag in C A houden vanaf 500 tot 250 pi L -1. Hiervoor LYCOG bestaat uit twee lineaire kamers, een kamer superambient handhaven het deel van de gradiënt van 500 om 390 (omgevingstemperatuur) gl -1 L C A en een subambient kamer behoud van 390-250 ul L -1 gedeelte van de verloop. De twee kamers liggen naast elkaar, gericht op een noord-zuid as. De C Gradient blijft tijdens het deel van het jaar waarin de vegetatie fotosynthesecapaciteit toereikend; typischeind april tot begin november.
De kamers bevatten sensoren en instrumenten die nodig zijn om regulering van de C Een gradiënt, controle luchttemperatuur (T A) in de buurt ambient waarden en uniforme neerslaghoeveelheden van toepassing op alle grondsoorten. Bodems intact monolieten verzameld van nabijgelegen Blackland prairie in hydrologisch-geïsoleerd gewicht lysimeters geïnstrumenteerd om alle componenten van het water begroting bepalen geïnstalleerd. Water wordt toegepast in de gebeurtenissen van het volume en de timing die de seizoensgebondenheid van de regen gebeurtenissen benaderen en bedraagt bij een gemiddelde neerslag jaar. Zo LYCOG in staat is de evaluatie van de lange-termijn effecten van subambient tot superambient C A en bodemtype op grasland ecosysteem functie met inbegrip van water en koolstof budgetten.
LYCOG is de derde generatie van de C Een gradiënt experimenten uitgevoerd door USDA ARS Grasland Bodem en Water Research Laboratory. De eerste generatie was een prototype te subambientambient gradiënt dat de levensvatbaarheid van het verloop benadering 13 opgericht en geavanceerde ons begrip van leaf-niveau fysiologische reacties van planten variatie subambient in C A 14-20. De tweede generatie was een veld grootschalige toepassing van het concept tot C 4 grasland vaste plant, met het verloop uitgebreid tot 200-550 pi L -1 21. Dit veld grootschalig experiment mits het eerste bewijs dat de productiviteit grasland toeneemt met C Een verrijking kan verzadigen buurt van de huidige concentraties 20, voor een deel omdat de beschikbaarheid van stikstof productiviteit fabriek in superambient C A 22 kan beperken. LYCOG breidt deze tweede generatie experiment door het opnemen gerepliceerd bodems van verschillende textuur, waardoor robuust testen voor interactieve effecten van de bodem van de C Een reactie van grasland gemeenschappen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Verzamel Soil Monolieten te worden gebruikt als een gewicht lysimeters
- Construct open-end stalen kisten 1 x 1 m in het vierkant met 1,5 m diep van 8 mm dik staal.
- Druk op de open-ended dozen verticaal in de grond, met behulp van hydraulische persen op spiraalvormige ankers aangebracht geboord 3 meter diep in de bodem.
- Graven de ingekapseld monoliet met behulp van een graafmachine of dergelijke apparatuur.
- Plaats een glasvezel pit in contact met de bodem aan de basis van de monoliet. Leid de lont door de stalen base in een 10 L reservoir naar de monoliet uitlekken, en lassen de stalen basis op de bodem van de doos.
- Dood bestaande vegetatie op de monolieten door een non-residuele herbicide zoals glyfosaat.
2. Bepaal Plant Gemeenschappen op de bodem Monoliths
- Plant de monolieten met acht zaailingen van ieder van zeven soorten tallgrassprairie grassen en forbs, voor een totaal dichtheid van 56 planten per m2.
- Plant de volgende Forbs: Salvia azurea (pitcher salie), Solidago canadensis (Canada guldenroede), Desmanthus illinoensis (Illinois bundleflower een peulvrucht).
3. Kamer ontwerp
- De bouw van twee kamers elk 1,2 meter breed, 1,5 m hoog en 60 m lang, verdeeld in tien 5 meter lange stukken. Construct secties van zware stalen van dimensies 5 mx 1,2 mx 1,6 m diep, begraven tot 1,5 m.
- Plaats vier monolieten in elke sectie, twee monolieten elk van twee van de bodemsoorten, in willekeurige volgorde. Installeer elk monoliet bovenop een 4540 kg capaciteit evenwicht.
- Omvatten Bastsil monolieten in de paringen in even genummerde secties.
- Join aangrenzende secties bovengronds met een 1 m lang x 1 m breed x 0,3 m hoog plaatwerk duct een route voor de luchtstroom te bieden.
- Supply koelvloeistof bij 10 ° C uit 161,4 kW koeleenheid een koelspiraal binnen elk kanaal.
- Stuur de vegetatie met duidelijke kas folie (dikte 0,006 "/. 15 mm), zoals in andereklimaat manipulatie experimenten 23.
- Past elk deksel met een ritssluiting opening gesteund door een ontwerp-flap om de toegang tot de monolieten voor bemonstering mogelijk te maken.
- Verwijder de polyethyleen omvat aan het einde van het groeiseizoen.
4. CO 2 en Air temperatuurmeting; Temperature Control
- Monster ingang en uitgang C A op beide kamers om de 2 min door gefilterde lucht monster lijnen gelegen aan de in- en uitgang van superambient en subambient kamers. Deze gegevens informeren CO 2 injectie en ventilatorsnelheid.
- Monster C A en waterdampgehalte, en meten luchttemperatuur (T A) bij de ingang en de uitgang van elk 5 m sectie bij 20 min intervallen.
- Meet alle luchtmonsters voor CO 2 en waterdamp inhoud in real-time met behulp van infrarood gas analyzers volgens het protocol van de fabrikant.
- Meet T A bij de ingang, middelpunt, eend uitgang van elke sectie met afgeschermde fijne draad thermokoppels.
- Regel de stroming van koelmiddel door de koelspiraal aan de ingang van elke sectie een consistente gemiddelde (middensectie) T A uit sectie handhaven gedeelte nabij de omgevingstemperatuur TA.
- Positioneer een quantum sensor om een onbelemmerd zicht op de hemel te hebben en het meten van fotosynthetische foton fluxdichtheid volgens het protocol van de fabrikant. Lichtniveau is een invoer naar de ventilator regelalgoritme.
5. C A Behandeling Application
- Dag
- Meng zuivere kooldioxide (CO 2) met binnenkomende omgevingslucht 500 pi L -1 C A, onder toepassing van een massadebietregelaar in de ingang van het kanaal superambient been. Zie paragraaf 4 voor C Een meting details.
- Advect de verrijkte lucht door de kamers met blower fans bij de ingang te vinden in hoofdstuk 1 en in downstream secties.
- Maintain de gewenste uitgang C A van 390 pl L -1 (omgevingslucht) door instelling van de ventilatorsnelheid.
- Verhoog de ventilatorsnelheid als de afslag C A is onder het setpoint. Dit laat minder tijd voor de plantaardige opname van CO 2, wat resulteert in hogere exit C A.
- Verlaag de ventilatorsnelheid als exit C A is boven het setpoint.
- Gebruik dezelfde aanpak in de subambient kamer behalve introduceren omgevingslucht en controle om de afslag C A van 250 ul L -1 te bereiken.
- Nighttime
- Keer de richting van de luchtstroom.
- Injecteren van CO 2 in de overdag exit einde van de superambient kamer om 530 pi L -1 C A te bereiken, en de controle advectie tarieven tot 640 pi L handhaven -1 bij de afslag 's nachts (overdag ingang.
- Introduceren omgevingslucht bij ~ 390 ul L -1 CO 2 in de nacht ingang(overdag exit) van de subambient kamer en controle advectie snelheid tot 530 pi L handhaven -1 bij de nachtelijke uitgang.
6. Neerslag Ingangen
- Breng de gemiddelde groeiseizoen neerslag hoeveelheid aan elke monoliet.
- Leveren water aan elke monoliet van een binnenlandse waterbron via een infuus irrigatiesysteem. Plan de irrigatie gebeurtenissen en de toepassing bedragen aan de seizoensgebonden regenval patroon voor het experiment locatie benaderen. De exacte planning is afhankelijk van lokale klimaat.
- Controle applicatie timing met een datalogger en toepassing volumes meten met flowmeters.
7. Sampling
- Meet verticale profielen van volumetrische bodem vochtgehalte (vSWC) per week gedurende de periode van de CO 2-controle, met een neutron verzwakking gauge of andere passende sonde.
- Stappen aanbevolen profiel zijn 20 cm diep stappen van 1 m dePTH en een 50 cm increment beneden een 1 meter.
- Maatregel monoliet bovengronds netto primaire productiviteit (ANPP) door het oogsten van alle vaste bovengrondse biomassa aan het einde van het groeiseizoen.
- Alle bovengrondse biomassa wordt elk jaar verwijderd, dus stond biomassa vertegenwoordigt huidige primaire productie.
- Sorteer de bemonsterde biomassa per soort, droge tot constante massa, en weeg.
- Gebruik biomassa van individuele soorten aan plantensoorten bijdragen aan ANPP kwantificeren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De superambient en subambient gedeelten van het verloop daarvan in afzonderlijke compartimenten (Figuur 1). Echter, meer dan zeven jaar van werking (2007 - 2013), de kamers behouden een lineaire gradiënt in C Concentraties 500-250 gl L -1 (figuur 2) met slechts een kleine discontinuïteit C A tussen de uitgang van de verrijkte kamers (Monoliet 40) en de ingang van de subambient gedeelte van de gradiënt (Monolith 41).
Luchttemperatuur en dampdruk tekort bleef constant van sectie naar sectie in zowel de superambient en subambient kamers, met uitzondering van artikel 10 van de superambient kamer, en secties 19 en 20 van de subambient kamer, waar de luchttemperatuur gemiddelde ~ 3 ° C warmer dan andere secties (figuur 2). Maar er kan worden uitgesproken temperatuurstijgingen van 5 - 7 ° C binnen elke afdeling, en corresponding verhoogt in damp tekort druk.
Gemiddeld over de 2007 - 2013 groeiseizoenen, vSWC varieerde lineair langs de C Een helling op twee van de drie gronden (figuur 3). vSWC in de bovenste 20 cm van het bodemprofiel steeg met 3,1% per 100 pi L -1 toename van C A op de zandige leem (Bastsil serie) bodem (R 2 = 0,34, p = 0,01), en met 1,7% per 100 pi L -1 C A op de kleigrond (Houston-serie). Maar er was geen verandering in 0-20 vSWC in de slibrijke klei (Austin-serie) bodem (p = 0,13).
Plantenproductiviteit ook lineair varieerde van C A, en de grootte van de C A respons verschilde tussen bodems. ANPP (Figuur 4A) van monolieten met Blackland prairie plantengemeenschappen had de kleinste reactie op C A op de kleigrond, een stijging van 59 gm-2 per 100 pi L -1 toename van C A(R 2 = 0,22, p = 0,02). De ANPP reactie op C Een verrijking was intermediair op de slibrijke kleigrond, een stijging van 76 gm-2 per 100 pi L -1 van CO 2 (R2 = 0,22, p = 0,02), en het grootst op de zanderige leemgrond waar ANPP bereikte 131 gm-2 per 100 pi L -1 CO 2 (R 2 = 0,55, p <0,001).
Deze bodem-specifieke reacties van ANPP tot C Een nauw overeen met de bodem-specifieke reacties van een Mesic C 4 tallgrass, Sorghastrum nutans, de meest voorkomende grassoorten in de experimentele plantengemeenschappen. Bovengrondse biomassa van S. nutans steeg het sterkst met een verhoogd C A op de zanderige leemgrond, het verkrijgen van meer dan 200 g -2 voor elke 100 ul L -1 toename van C A (R 2 = 0,40, p = 0,005). Daarentegen S. nutans kreeg slechts 100 gram -1 per 100 pl L -1 toename van C A op de zilte kleigrond (R 2 = 0,50, p <0,0001), terwijl S. nutans gereageerd marginaal C A op de kleigrond (R 2 = 0,12, p = 0,07; figuur 4B).
De bodem-specifieke toename van ANPP met C Een verrijking plaatsgevonden ondanks dalingen van de productiviteit op de twee ontvankelijker gronden door de xeric C 4 mid-grass Bouteloua curtipendula (Figuur 4C). B. curtipendula was de tweede meest voorkomende soort in de experimentele gemeenschappen. Op de slibrijke-kleigrond, B. curtipendula het dominerende gras in subambient C A concentraties maar daalde het sterkst met C A verrijking slibrijke kleigrond (69 gm-2, per 100 pi L -1 toename van C A; R 2 = 0,36, p <0,008), daalden minder sterk op de zanderige leemgrond (44 gm-2 -1 toename van C A; R 2 = 0,36, p = 0,008), en niet variëren met C A verrijking kleigrond (p = 0,46).
Figuur 1. Opstelling van de kamers en de bodem. De twee lineaire sequenties van kamers met grasland vegetatie groeit op intacte bodem monolieten (foto), en het schema van de verdeling van de drie bodemsoorten langs de CO 2 verloop. Perceel nummers 1-40 zijn gelegen langs de 500-380 pi L -1 gedeelte van de helling, en nummers 41-80 op de 380-250 ul L -1 gedeelte. Foto: Philip Fay.
Figuur 2. Microklimaat langs de C A verloop. Overdag groeiseizoen kooldioxide (CO 2) de concentratie, de luchttemperatuur, en damp tekort druk voor de 80 monolieten in de verrijkte en subambient kamers. De waarden worden gemeten bij de lucht in- en uitgang van elke sectie, en geschat op basis van lineaire interpolatie voor andere posities. Data punten vertegenwoordigen middelen voor de 2007 tot 2013 groeiseizoenen. Foutbalken weggelaten voor de duidelijkheid; bedoel standaard fouten waren 3,5 voor CO 2, 0,82 voor de luchttemperatuur, en 0,18 voor de damp tekort druk.
Figuur 3. Bodemvocht op elke grondsoort langs de CO 2 gradiënt Groeiseizoen volumetrische inhoud bodemwater (vSWC) 0 -. 20 cm in de bodem profiel voor elke grondsoort, uitgezet door de positie langs de CO 2 -concentratie gradient. Lineaire regressies zijn uitgezet voor bodems met belangrijke relaties van vSWC tot 2 concentratie CO. Data punten vertegenwoordigen middel van 2007 tot 2013 groeiseizoenen. Foutbalken weggelaten voor de duidelijkheid; bedoel standaard fouten op de drie bodems varieerde 0,74-0,99.
Figuur 4. Plant productiviteit op elke grondsoort langs de CO 2 verloop. (A) Mean bovengronds netto primaire productiviteit (ANPP), de som van het lopende jaar de biomassa van alle soorten in de 60 monolieten met Blackland Prairie plantengemeenschappen; en het lopende jaar van biomassa (B) de Mesic C 4 tallgrass, Sorghastrum nutans, en (C) de xeric C 4 midgrass Bouteloua curtipendula uitgezet door positie langs de CO 2 -concentratie verloop.Lineaire regressies zijn uitgezet voor bodems met belangrijke relaties van ANPP of soorten biomassa tot 2 concentratie CO. Data punten vertegenwoordigen middel van 2007 tot 2013 groeiseizoenen. Foutbalken weggelaten voor de duidelijkheid; bedoel standaard fouten op de drie bodems varieerde 34,9-42,5 voor ANPP, 21,8-34,4 voor S. nutans en 7,4-24,8 voor B. curtipendula.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De LYCOG faciliteit bereikt zijn operationele doelstelling van het handhaven van een 250-500 pi L -1 continue gradiënt van C A-concentraties op experimentele grasland gemeenschappen opgericht op drie bodemsoorten. De verandering in C A is lineair over het voorgeschreven bereik. Luchttemperatuur verhoogd binnen elke sectie, maar werd gereset door de tussen-sectie koeling spoelen in de meeste secties. Hierdoor operationele doel van het handhaven van een constante gemiddelde temperatuur van sectie naar sectie werd voldaan over het grootste deel van het verloop. Temperatuur en C Een controle zijn gemakkelijk te onderhouden tijdens de lente en vroege zomer, wanneer de bodemvochtigheid is relatief hoog en de planten zijn op hun hoogste fotosynthesecapaciteit.
Kritische stappen in het protocol
Controle van ventilatorsnelheid is de meest kritische aspect van het handhaven van de voorgeschreven CO 2 gradiënt. Controle is gebaseerd op een combinatiefeedback en feed-forward technieken luchtstroom naar de plantengroei koolstofopname passen. De feedback techniek past de ventilatorsnelheid op basis van het verschil tussen de gemeten en beoogde exit CO 2 -concentratie. Feed-forward controle anticipeert veranderingen in fotosynthetische rate en snel (5 sec responstijd) past ventilatorsnelheid, op basis van veranderingen in de fotosynthetisch actieve straling gemeten met de quantum sensor. Vooruitregeling aanzienlijk meer controle over die bereikt door terugkoppeling alleen. De maximale luchtdebiet door de kamers in de orde van 1 m sec-1, of ongeveer 3,6 km h-1, die op de low-end van windsnelheden deze plantjes in het veld. Dus, variërend ventilatorsnelheid is het onwaarschijnlijk dat planten reacties beïnvloeden.
Een ander kritisch aspect van het handhaven van de CO 2 gradiënt aanwezigheid van voldoende fotosynthesecapaciteit. Hoe steiler de helling, hoe groter de luifel fotosynthesecapaciteit rewenste op te stellen langs de CO 2 -concentratie. Soorten of gemeenschappen met meer bladoppervlak, hogere fotosynthetische tarieven, of langer kamerlengte alle verhoging van de CO 2 draw-down die kan worden bereikt. Zorg moet ook de monoliet volume worden genomen en diepte is gekozen om een realistische beworteling volume voor de gevestigde fabriek gemeenschappen. De hier gebruikte soorten hebben beworteling diepte van 1 - 1,5 m, maar andere soorten kunnen diep of dieper en monoliet volume bij te stellen. De laatste kritische aspect is het belang van betrouwbare toevoeren en regelen van de stroom gekoeld water naar de koelspiralen tussen elke sectie, om kamertemperaturen passen buiten dagelijkse en seizoensgebonden variaties in omgevingstemperatuur buiten.
Wijzigingen in de techniek
Het eerste jaar van de operatie bleek dat de prairie vegetatie was marginaal in staat om voldoende CO 2 Panicum virgatum. Switchgrass is een zeer productieve inheemse tallgrass, en is goed bewaterd gedurende het groeiseizoen, die voldoende C opnamecapaciteit langs de helling, zelfs tijdens de hete zomermaanden verzekert. Het eerste jaar bleek ook groter dan verwacht aerodynamische weerstand in de kamers, die debieten in downstream kamers gedegradeerd, wat leidt tot oververhitting. Dit probleem werd verholpen door de installatie van extra downstream blower fans om de debieten te verhogen. Wij raden het installeren van nieuwe polyethyleen omvat elk groeiseizoen om een maximale lichtdoorlatendheid behouden.
Beperkingen van de Techniek
Het systeem stelt bepaalde operationele kwesties die zowel kansen en beperkingen op de onderzoeksvragen van de faciliteit kan ondersteunen. Control van de gradiënt wordt het moeilijker vanaf medio zomer tot het einde van het groeiseizoen, omdat hogere temperaturen in de zomer lager bodemvocht, waardoor planten water stress en het verlagen van fotosynthetische capaciteit. Dit vereist op zijn beurt lagere luchtstroom bij de omrekening van C A vestigen-down nodig om de doelstelling C A-concentraties, die op zijn beurt verder verhoogt temperaturen voldoen bereiken. Deze dynamische illustreert de beperkte capaciteit van dit systeem voor studies van droogte interacties met CO 2 concentratie. De temperatuur stijgt binnen elke afdeling 5 meter onvermijdelijk omdat de lineaire stroomsnelheid ontwerp van het experiment. Lange golf energie accumuleert in elke kamer tot lucht door de koelspiraal en het invoeren van de volgende kamer. Binnen-sectie temperatuurstijgingen zijn van dezelfde orde van grootte van enkele van de hogere ramingen voor de toekomstige temperatuur stijgt naar verwachting met een aantal scenario's voor klimaatverandering. Zo is de binnen-sectie temperatuurschommeling represents een kans om grasland reacties te analyseren om interacties tussen C A en de aarde. Tenslotte, de afmetingen van de kamer beperken de begroeiing aan een maximale hoogte van ongeveer één meter, en de monoliet gebied beperkt de vegetatie grasachtigen met kleinere grondvlakken. Het gebruik van boomsoorten, bijvoorbeeld om verbossing in grasland bestuderen onpraktisch voorbij het zaailingstadium zou zijn.
Betekenis in vergelijking met andere technieken
LYCOG is aanzienlijk zuiniger om te werken in vergelijking met technieken zoals FACE en OTC. LYCOG gebruikt ongeveer 3700 L per maand CO 2, die groter is dan de CO 2 gebruik Miniface systemen 24, maar minder dan de CO 2 verbruik van FACE en OTC benadert 3, 12. De belangrijkste kosten van het handhaven van het experiment komt van temperatuurregeling, het kost ongeveer $ 30.000 per jaar, vergelijkbaarheidble schattingen van de CO 2 koste open bovenste kamer C een verrijking kosten maar veel minder dan die van de CO 2 koste van Free Air CO2 Enrichment systemen 3. De economische voordelen komen naast de unieke mogelijkheid ondersteunen studie aan subambient CO 2 en langs een continue CO 2 gradiënt.
Huidige en toekomstige toepassingen
Lopend onderzoek onderzoekt dan ANPP ecosysteem reacties, waaronder grond CO 2 uitstroming en verdamping, die ons begrip van de bodem-specifieke variatie in C A effecten op grasland koolstof en water fietsen zal uitbreiden. Toekomstmogelijkheden voor onderzoek omvatten combineren temperatuur en CO 2 behandelingen, bijvoorbeeld door te werken als beide kamers superambient maar aanhouden van een kamer bij een hogere temperatuur verschil met betrekking tot omgevingstemperatuur. Huidige vegetation kan gemakkelijk worden vervangen door andere soorten of gemeenschappen om te onderzoeken hoe de variatie in de gemeenschap structuur beïnvloedt CO 2 effecten op het ecosysteem functie. Andere ecologisch belangrijke atmosferische bestanddelen zoals methaan of ozon kan worden toegevoegd om te testen op wisselwerkingen met 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 |
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).
