En CO<sub> 2</sub> Koncentrationsgradient faciliteten for Testing CO<sub> 2</sub> Berigelse og Jord Virkninger på Grassland Ecosystem Funktion
Summary
Den lysimeter Kuldioxid Gradient Facility skaber en 250 til 500 pi L -1 lineær kuldioxid gradient i temperaturkontrollerede kamre boliger græsarealer plantesamfund på ler, mudrede ler, og sandjord bautasten. Anlægget bruges til at bestemme, hvordan tidligere og fremtidige kuldioxid niveauer påvirker græsarealer kulstof cykling.
Abstract
Fortsatte stigninger i atmosfærens kuldioxid koncentrationer (C A) mandat teknikker til at undersøge virkninger på terrestriske økosystemer. De fleste eksperimenter undersøger kun to eller et par niveauer af C A koncentration og en enkelt jordtype, men hvis C A kan varieres som en gradient fra subambient til superambient koncentrationer på flere jord, kan vi skelne, om tidligere økosystem reaktioner kan fortsætte lineært i fremtidige og om reaktioner kan variere på tværs af landskabet. Den lysimeter Kuldioxid Gradient Facility anvender en 250 til 500 pi L -1 C A gradient til Blackland prærie plantesamfund etableret på lysimetre indeholder ler, mudrede ler og sandjord. Gradienten er skabt som fotosyntese af vegetation indesluttet i i temperaturkontrollerede kamre progressivt udtømmer kuldioxid fra luften, der strømmer retningsbestemt gennem kamrene. Opretholde en ordentlig luftmængde, passende photosynthetic kapacitet, og temperaturkontrol er afgørende for at overvinde de vigtigste begrænsninger i systemet, som er faldende fotosyntetiske satser og øget vandbelastning sommeren. Anlægget er et økonomisk alternativ til andre teknikker til C A berigelse, held discerns form af økosystemreaktioner at subambient at superambient C A berigelse, og kan tilpasses til at teste for interaktioner af kuldioxid med andre drivhusgasser såsom methan eller ozon.
Introduction
Atmosfærisk kuldioxid koncentration (C A) har for nylig øget forbi 400 pi L -1 fra ca 270 pi L -1 før den industrielle revolution. C A forventes at nå op på mindst 550 pi L -1 i 2100 1. Denne stigningstakt overgår enhver C A observerede ændringer i de sidste 500.000 år. Den hidtil usete ændring i C A nævner muligheden for ikke-lineære eller tærskel reaktioner af økosystemer til at øge C A. De fleste økosystem-skala C A berigelse eksperimenter gælder kun to behandlinger, et enkelt niveau af beriget C A og en kontrol. Disse eksperimenter har i høj grad udvidet vores forståelse af økosystemet virkninger af C A berigelse. En alternativ tilgang, der kan afsløre tilstedeværelsen af ikke-lineære økosystemreaktioner at øge C A er imidlertid at studere økosystemer på tværs af en kontinuerlig række subambient tilsuperambient C A. Subambient C A er vanskeligt at opretholde i marken, og er oftest blevet undersøgt ved hjælp af vækst kamre 2. Superambient C A er blevet undersøgt ved hjælp af vækst kamre, open-top kamre og gratis-air berigelse teknikker 3, 4.
C A berigelse sker på tværs af landskaber med mange jordtyper. Jordbund egenskaber kan stærkt påvirke økosystemets reaktioner på C A berigelse. For eksempel, jord tekstur bestemmer tilbageholdelse af vand og næringsstoffer i jorden profil 5, deres tilgængelighed for planterne 6, og mængden og kvaliteten af organisk stof 7-9. Tilgængeligheden af jordens fugtighed er en afgørende formidler af økosystem reaktioner på C A berigelse i vand begrænsede systemer, herunder de fleste overdrev 10. Tidligere felt C A berigelse eksperimenter har typisk undersøgt én jordtype, og kontrolleret test af løbende varying C A berigelse over flere jordtyper mangler. Hvis effekten af C A berigelse på økosystemets processer forskellige med jordtype, er der god grund til at forvente, rumlig variation i økosystem svar til C A berigelse og deraf følgende ændringer i klimaet 11, 12.
Den lysimeter Kuldioxid Gradient (LYCOG) facilitet er designet til at behandle spørgsmål af rumlig variation i ikke-lineære og tærskel svarene fra økosystemer til C A-niveauer, der spænder fra ~ 250 til 500 pi L -1. LYCOG skaber den foreskrevne gradient af C A på flerårige græsarealer plantesamfund vokser på jord, der repræsenterer en bred vifte af tekstur, N og C indhold og hydrologiske egenskaber af græsarealer i den sydlige del af det amerikanske Central Plains. Specifikke jord serien bruges i anlægget er Houston Black ler (32 bautasten), en Vertisol (Udic Haplustert) typisk for lavland; Austin (32 monolitter), en høj carboNate, mudrede ler Mollisol (Udorthentic Haplustol) typisk for højland; og Bastsil (16 bautasten), en alluviale sandet lerjord Alfisol (Udic Paleustalf).
Den operationelle princip ansat i LYCOG er at udnytte fotosyntetiske kapacitet af planter at nedbryder C A fra pakker af luft bevæget retningsbestemt gennem de vedlagte kamre. Formålet behandling er at opretholde en konstant lineær gradient i dagtimerne C A 500-250 pi L -1. For at opnå dette, LYCOG består af to lineære kamre, et superambient kammer opretholde den del af gradienten 500-390 (omgivende) pi L -1 C A, og en subambient kammer opretholde 390-250 pi L -1 del af gradient. De to kamre er placeret ved siden af hinanden, orienteret på en nord-syd-akse. C En gradient opretholdes under den del af året, hvor vegetationen fotosyntesekapacitet er tilstrækkelig; typisk fraslutningen af april til begyndelsen af november.
Kamrene indeholder sensorer og instrumentering er nødvendige for at regulere C En gradient, styre lufttemperatur (T A) nær omgivende værdier, og anvende ensartede nedbør beløb til alle jord. Jord er intakte monolitter indsamlet fra nærliggende Blackland prærie installeret i hydrologisk-isolerede vejer lysimetre instrumenterede at bestemme alle komponenter i vandet budget. Vand anvendes i begivenhederne i volumen og timing, der tilnærme sæsonudsving i regnhændelser og beløb under en gennemsnitlig nedbør år. Således LYCOG er i stand til at vurdere de langsigtede virkninger af subambient at superambient C A og jordtype på græsarealer økosystem funktion herunder vand og kulstof budgetter.
LYCOG er den tredje generation af C en gradient eksperimenter udført af USDA ARS Grassland jord og vand Research Laboratory. Den første generation var en prototype subambient tilomgivende forløb, der etablerede levedygtighed af gradienten tilgang 13 og avancerede vores forståelse af blade niveau fysiologiske reaktioner af planter til at subambient variation i C A 14-20. Anden generation var en felt-skala anvendelse af begrebet på flerårige C4 græsarealer, med gradienten udvidet til 200-550 pi L -1 21. Dette felt-skala eksperiment forudsat den første bevis på, at græsarealer produktivitetsstigninger med C A berigelse kan mætte nærheden nuværende koncentrationerne 20, dels fordi kvælstof tilgængelighed kan begrænse plante produktivitet på superambient C A 22. LYCOG udvider denne anden generation eksperiment ved at indarbejde replikerede jord af varierende konsistens, så robust test til interaktive effekter af jord på C Respons på græsarealer samfund.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den LYCOG facilitet opnår sin operationelle mål om at opretholde en 250 til 500 pi L -1 kontinuerlig gradient af C A-koncentrationer på eksperimentelle græsarealer samfund etableret på tre jordtyper. Ændringen i C A er lineær i det foreskrevne område. Lufttemperatur steget inden for hvert afsnit, men blev nulstillet af mellem-sektion køleflader i de fleste afsnit. Som følge heraf blev den operationelle mål om at bevare en ensartet middeltemperatur fra afsnit til afsnit opfyldt…
Offenlegungen
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 |
Referenzen
- . 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).
