Un CO<sub> 2</sub> Facilité Concentration de Gradient pour les essais CO<sub> 2</sub> Enrichissement et du sol Effets sur l'écosystème de prairie Fonction
Summary
Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient installation crée un 250 à 500 pi L -1 gradient linéaire de dioxyde de carbone dans les communautés végétales chambres logements de prairies à température contrôlée sur l'argile, argile limoneuse, et monolithes de sol sablonneux. L'installation est utilisée pour déterminer comment les niveaux de dioxyde de carbone passées et futures affectent vélo prairies de carbone.
Abstract
Augmentation continue des concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique (C) Une des techniques de mandat pour l'examen des impacts sur les écosystèmes terrestres. La plupart des expériences examinent seulement deux ou quelques niveaux de C Une concentration et un seul type de sol, mais si C A peut être modifié suivant un gradient de subambiante à superambient concentrations sur plusieurs sols, nous pouvons discerner si les réponses des écosystèmes dernières peuvent continuer linéairement dans le futures et si les réponses peuvent varier à travers le paysage. Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient Fonds applique une 250 à 500 pi L -1 C Un gradient de Blackland communautés végétales des prairies établies sur lysimètres contenant de l'argile, argile limoneuse, et les sols sableux. Le gradient est créé par la photosynthèse de la végétation en chambre fermée en température contrôlée épuise progressivement du dioxyde de carbone à partir de l'air circulant de manière directionnelle à travers les chambres. Le maintien de taux de circulation d'air, photosy adéquatenthetic capacités, et le contrôle de la température est essentielle pour surmonter les principales limites du système, qui sont la baisse des taux de photosynthèse et un stress hydrique accru pendant l'été. L'installation est une alternative économique à d'autres techniques de C Un enrichissement, discerne avec succès la forme de réponses des écosystèmes aux subambiante à superambient C Un enrichissement, et peut être adapté pour tester les interactions de dioxyde de carbone avec d'autres gaz de serre tels que le méthane ou l'ozone.
Introduction
La concentration atmosphérique de dioxyde de carbone (C A) a augmenté récemment passé 400 pi L -1 d'environ 270 pi L -1 avant la révolution industrielle. C A devrait atteindre au moins 550 pi L -1 en 2100 1. Ce taux de croissance dépasse les modifications C A observées au cours des 500.000 dernières années. Le taux de changement dans C Un sans précédent soulève la possibilité de réponses non-linéaires ou seuil des écosystèmes à l'augmentation de C A. La plupart échelle de l'écosystème C A expériences d'enrichissement applique seulement deux traitements, un seul niveau de enrichi C A et un contrôle. Ces expériences ont considérablement élargi notre compréhension des impacts sur les écosystèmes de C Un enrichissement. Cependant, une autre approche qui peut révéler la présence de réponses des écosystèmes non-linéaires à l'augmentation de C A est d'étudier les écosystèmes à travers une gamme continue de subambiante àsuperambient C A. Subambiante C A est difficile à maintenir dans le domaine, et a le plus souvent été étudiée en utilisant des chambres de croissance 2. Superambient C A a été étudiée en utilisant des chambres de croissance, chambres à ciel ouvert, et les techniques d'enrichissement à l'air libre 3, 4.
C Un enrichissement se produit à travers des paysages contenant de nombreux types de sols. Sols propriétés peuvent fortement influer sur les réponses à C Un enrichissement de l'écosystème. Par exemple, la texture du sol détermine la rétention d'eau et de nutriments dans le profil de sol 5, leur disponibilité pour les plantes 6, et la quantité et la qualité de la matière organique 7-9. La disponibilité de l'humidité du sol est un médiateur essentiel des réponses des écosystèmes à C Un enrichissement dans les systèmes d'eau limitée, y compris la plupart des prairies 10. Passé champ C A expériences d'enrichissement ont généralement examiné un seul type de sol, et contrôlée en continu des tests de vtypes arying C Un enrichissement du sol sur plusieurs font défaut. Si les effets de C Un enrichissement sur les processus des écosystèmes diffèrent du type de sol, il ya de bonnes raisons de s'attendre à la variation spatiale dans les réponses des écosystèmes à C Un enrichissement et les changements qui en résultent dans le climat 11, 12.
Le dioxyde de carbone Lysimètre Gradient (LYCOG) installation a été conçue pour répondre aux questions de la variation spatiale dans les réponses non-linéaires et le seuil des écosystèmes aux niveaux C A allant de ~ 250 à 500 pi L -1. LYCOG crée le gradient prescrite de C A sur les communautés de plantes des prairies vivaces qui poussent sur des sols représentant la vaste gamme de texture, N et C, le contenu et les propriétés hydrologiques des prairies dans la partie sud de la Plaine centrale des États-Unis. Spécifique série des sols utilisés dans l'installation sont l'argile Houston Noir (32 monolithes), un Vertisol (udique Haplustert) typique des plaines; Austin (32 monolithes), un haut carboNate, argile limoneuse Mollisol (Udorthentic Haplustol) typique des hautes terres; et Bastsil (16 monolithes), un alluviale loam sableux alfisol (udique Paleustalf).
Le principe de fonctionnement utilisé dans LYCOG est d'exploiter la capacité photosynthétique des plantes à épuiser C A partir de parcelles d'air déplacés directionnelle à travers les chambres fermées. L'objectif du traitement est de maintenir un gradient linéaire constante de jour en C A 500-250 ul L -1. Pour ce faire, LYCOG compose de deux chambres linéaires, une chambre superambient maintenir la partie du gradient de 500 à 390 (température ambiante) -1 ul L C A, et une chambre de maintien de la sous-ambiante à 250 ul de 390 L -1 de la partie pente. Les deux chambres sont situées côte à côte, orientée sur un axe nord-sud. Le gradient A C est maintenue pendant la partie de l'année où la capacité photosynthétique de la végétation est adéquate; typiquement defin Avril à début Novembre.
Les chambres contiennent des capteurs et de l'instrumentation nécessaires pour réguler le C Un gradient, contrôler la température de l'air (T A) proches des valeurs ambiantes, et appliquer des quantités de précipitations uniformes à tous les sols. Les sols sont monolithes intacts prélevés à proximité de la prairie de Blackland installé dans lysimètres pesant hydrologique isolées instrumentés afin de déterminer toutes les composantes du budget de l'eau. L'eau est appliquée à des événements de volume et le calendrier qui se rapprochent de la saisonnalité des épisodes de pluie et élève au cours d'une année moyenne des précipitations. Ainsi, LYCOG est capable d'évaluer les effets à long terme de subambiante à superambient C A et le type de sol sur la fonction de l'écosystème des prairies, y compris les budgets de l'eau et de carbone.
LYCOG est la troisième génération de C un gradient expériences menées par l'USDA ARS Grassland sols et Laboratoire de recherche de l'eau. La première génération était un prototype pour subambiantegradient de température ambiante qui a établi la viabilité de l'approche de gradient 13 et progresser notre compréhension des réactions physiologiques au niveau des feuilles de plantes à subambiante variation de C A 14-20. La deuxième génération était une application échelle du champ de la notion d'vivace C 4 prairies, avec le gradient étendu à 200-550 pi L -1 21. Cette expérience l'échelle du champ fourni la première preuve que l'augmentation de la productivité des prairies avec C Un enrichissement peut saturer près concentrations ambiantes actuelles 20, en partie parce que la disponibilité de l'azote peut limiter la productivité de l'usine de superambient C A 22. LYCOG étend cette deuxième expérience de génération en intégrant les sols de texture répliquées variable, permettant des tests robuste pour les effets interactifs des sols sur le C Une réponse des communautés de prairies.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'installation LYCOG atteint son objectif opérationnel de maintien d'un 250 à 500 pi L -1 gradient continu des concentrations C A sur les communautés des prairies expérimentales établies sur trois types de sol. Le changement de C A est linéaire sur la plage prescrite. Température de l'air a augmenté au sein de chaque section, mais a été remis à zéro par les bobines entre-section de refroidissement dans la plupart des sections. En conséquence, l'objectif opér…
Divulgaciones
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 |
Referencias
- . 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).
