CO<sub> 2</subテスト用のCO>濃度勾配施設<sub> 2</sub>濃縮および草地生態系の機能に及ぼす土壌の影響
Summary
ライシメータ二酸化炭素グラデーション施設は、250〜500μlのL -1粘土、シルト質粘土、および砂質土壌モノリスの温度制御室ハウジング草原植物群落における線形二酸化炭素勾配を作成します。施設は、過去と未来の二酸化炭素濃度は、草原の炭素循環にどのように影響するかを決定するために使用されます。
Abstract
陸上生態系への影響を調べるための大気中の二酸化炭素濃度（C A）委任技術の継続的な増加。ほとんどの実験は2つだけまたはC濃度とシングル土壌の種類のいくつかのレベルを調べるが、C Aは 、複数の土壌の濃度をsuperambientする周囲以下の勾配として変化させることができるならば、我々は過去の生態系の応答が直線的に継続することができるかどうかを見分けることができます未来と応答が風景全体で変化してもよいかどうか。ライシメータ二酸化炭素グラデーション施設は、250〜500μlのL -1勾配C粘土、シルト質粘土、および砂質土を含むlysimetersに設立Blackland草原の植物群落に適用されます。勾配は温度制御室にで囲まれた植物により光合成として作成され、次第に室を通って一方向に流れる空気から二酸化炭素を枯渇させます。適切な空気流量を維持し、十分なphotosynthetic容量、および温度制御は、夏の間、光合成速度と水ストレスの増加を減少しているシステムの主な限界を克服するために重要です。施設は、C、Aの濃縮の他の技術への経済的な代替である、成功したC濃縮をsuperambientする周囲以下にする生態系の応答の形を見分ける、およびメタンやオゾンなどの他の温室効果ガスと二酸化炭素の相互作用をテストするために適合させることができます。
Introduction
大気中の二酸化炭素濃度（C A）は最近、約270μlのL -1産業革命前にから過去400μlのLを-1増加しています。 C Aは 2100年1によって少なくとも550μlのLを-1に達すると予測されています。増加のこのレートは最後50万年間に観測され、任意のC Aの変更を凌駕しています。 C、Aの変化の前例のない率は、C、Aの増加に生態系の非線形または閾値応答の可能性を高めます。ほとんどの生態系規模Cが濃縮実験は2つだけの治療法、濃縮C Aと単一の制御レベルを適用します。これらの実験は、大幅にCの生態系への影響濃縮の我々の理解を拡大しています。しかし、CのAの増加に非線形生態系応答の存在を明らかにすることができる別の方法は、周囲以下の連続した範囲に渡って生態系を研究することですsuperambient C、A。準周囲C Aは、フィールドに維持することは困難であり、ほとんどの場合、成長チャンバー2を用いて研究されてきました。 Superambient C Aは、成長室、オープントップチャンバー、およびフリーエア濃縮技術3、4を用いて研究されています 。
C、Aの濃縮は、多くの土壌タイプを含む風景を横切って発生します。土壌の性質が強く、C、Aの濃縮に生態系の応答に影響を与えることができます。例えば、土壌のテクスチャは、土壌断面5内の水と栄養素の保持、植物6への可用性、有機物7-9の量と質を決定します。土壌水分の可用性は、Cへの生態系の応答最も草原10を含む水限らシステムにおける濃縮の重要なメディエーターです。濃縮実験C過去のフィールドは、一般的に唯一の土壌の種類を検討し、継続的にVのテストを制御していますarying C、Aの濃縮に比べていくつかの土壌タイプが不足しています。生態系プロセス上のC、Aの濃縮の効果は、土壌の種類と異なる場合は、空間Cに生態系の応答の変動濃縮および気候11、12におけるその後の変化を期待する強い理由があります。
ライシメータ二酸化炭素グラデーション（LYCOG）施設は〜250から500μlのLの範囲のC Aレベル -1に生態系の非線形及び閾値応答の空間的変動の問題に対処するために設計されました。 LYCOGは、米国中央平原の南の部分の草原の質感、NおよびC内容、および水文特性の広い範囲を表す土壌で成長する多年生草原植物群落上のC Aの所定の勾配を作成します。施設で使用される具体的な土壌シリーズは、低地の典型的なヒューストンブラッククレイ（32モノリス）、Vertisol（Udic Haplustert）です。オースティン（32モノリス）、高炭ネイト、高地の典型的なシルト質粘土モリソル（Udorthentic Haplustol）。そして、Bastsil（16モノリス）、沖積砂壌土アルフィゾル（Udic Paleustalf）。
LYCOGに用いられる動作原理は、空気の小包囲まれた部屋を通って一方向に移動するから、CのAを枯渇させるために植物の光合成能力を活用することです。治療目的は、500から250μlのL -1にC Aの一定の線昼間勾配を維持することです。これを達成するために、LYCOGは、2つの線形室で構成され、L-C、Aμlの500から390（周囲）へのグラデーションの部分を維持superambient室、および390〜250μlのL -1部分を維持周囲以下室勾配。二つの部屋は、南北軸上に配向、並んで配置されています。 Cは勾配が植生光合成能力が十分である年の部分の間に維持されています。典型的には、11月上旬に月下旬。
チャンバーは、C、Aの傾きを調整する周囲の値に近い空気の温度（T A）を制御し、すべての土壌に均一な降水量を適用するために必要なセンサや計測器が含まれています。土壌は、水収支のすべてのコンポーネントを決定するために、インストルメント水文学的に分離された計量lysimetersにインストール近くBlacklandの草原から収集そのままモノリスあります。水は降雨の季節に近似し、平均降水量の年の間、金額量とタイミングのイベントに適用されます。したがって、LYCOGは水と炭素収支などの草原生態系の機能上のC、Aを superambientする準大気と土壌の種類の長期的な影響を評価することが可能です。
LYCOGはUSDA ARS草原の土壌と水研究所が実施し、C、A勾配実験の第三世代です。第一世代はにプロトタイプの周囲以下でした勾配法13の実行可能性を確立し、C、A 14-20の変化を周囲以下する植物のリーフレベルの生理学的応答の我々の理解を進めて周囲勾配。第二世代は、コンセプトのフィールドスケールのアプリケーションは200 L -1 21μL550にまで延長勾配で、C 4草地を多年生することでした。このフィールドスケールの実験は、最初の証拠を提供し、そのCと草地の生産性が上昇濃縮よいです窒素可用性がsuperambient C A 22で植物の生産性を制限する可能性があるため、部分的には、現在の周囲濃度20付近で飽和します。 LYCOGは草原のコミュニティのC、A応答の土壌の相互作用効果のための堅牢なテストを可能にする、様々なテクスチャの複製された土壌を組み込むことにより、この第二世代の実験を拡張します。
Protocol
Representative Results
Discussion
LYCOG施設は3土壌型に確立された実験草原のコミュニティ上のC A濃度の250〜500μlのL -1連続的な勾配を維持し、その運用目標を達成しています。 C、Aの変化が所定の範囲にわたって直線です。気温は、各セクション内で増加したが、ほとんどのセクションで間の区間冷却コイルによってリセットされました。その結果、セクションのセクションから一貫した平均温度を?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Anne Gibson, Katherine Jones, Chris Kolodziejczyk, Alicia Naranjo, Kyle Tiner, and numerous students and temporary technicians for operating the LYCOG facility, conducting sampling, and data processing. L.G.R. acknowledges USDA-NIFA (2010-65615-20632).
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 |
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. , 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. , 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., Nosberger, J., Long, S. P., Norby, R. J., Stitt, M. Ch 24: Value: Perspectives on the Future of Free-Air CO2 Enrichment Studies. Managed Ecosystems and CO2: Case Studies, Processes, and Perspectives. Ecological Studies. 187, 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).
