A CO<sub> 2</sub> Facility Concentração Gradiente para Teste CO<sub> 2</sub> Enriquecimento do solo e efeitos sobre a função da pastagem de Ecossistemas
Summary
O Lysimeter Dióxido de Carbono Gradiente Facility cria um 250 a 500 mL L -1 gradiente linear de dióxido de carbono em comunidades pastagem câmaras de habitação de plantas com temperatura controlada em argila, argila siltosa, e monólitos de solo arenoso. A facilidade é usada para determinar como os níveis de dióxido de carbono passadas e futuras afetar ciclismo pastagem de carbono.
Abstract
Contínuo aumento nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (C) Um mandato técnicas de análise dos impactos sobre os ecossistemas terrestres. A maioria das experiências examinam apenas dois ou alguns níveis de C Uma concentração e um único tipo de solo, mas se a relação C A pode ser variado como um gradiente a partir de subambient para superambientes concentrações em vários solos, pode-se discernir se as respostas dos ecossistemas últimos podem continuar linearmente no futuro e se as respostas podem variar em toda a paisagem. O Lysimeter Dióxido de Carbono Gradiente Facility aplica um 250 a 500 mL L -1 C Um inclinação para Blackland comunidades pradaria plantas estabelecidas em lisímetros contendo argila, argila siltosa, e solos arenosos. O gradiente é criado como fotossíntese por vegetação fechada em em câmaras com temperatura controlada esgota progressivamente o dióxido de carbono do ar que flui direcionalmente através das câmaras. Manter taxa de fluxo de ar adequado, photosy adequadacapacidade nthetic, e controle de temperatura são fundamentais para superar as principais limitações do sistema, que são decrescentes taxas de fotossíntese e aumento do estresse de água durante o verão. A instalação é uma alternativa econômica para outras técnicas de C Um enriquecimento, discerne com sucesso a forma de respostas do ecossistema para subambient para superambientes C Um enriquecimento, e pode ser adaptado para testar interações de dióxido de carbono com outros gases de efeito estufa, como o metano ou ozônio.
Introduction
Atmosférica concentração de dióxido de carbono (C A) aumentou recentemente passado de 400 mL L -1 de cerca de 270 mL L -1 antes da Revolução Industrial. C A previsão é de atingir pelo menos 550 mL L -1 em 2100 1. Esta taxa de aumento supera quaisquer alterações C Um observadas ao longo dos últimos 500.000 anos. A taxa sem precedentes de mudança na C Um levanta a possibilidade de respostas não-lineares ou limiar de ecossistemas para aumentar Um C. A maioria ecossistema escala C Um experimentos de enriquecimento de aplicar apenas dois tratamentos, um único nível de C enriquecido A e um controle. Estas experiências têm expandido nossa compreensão sobre os impactos nos ecossistemas de C Um enriquecimento. No entanto, uma abordagem alternativa que pode revelar a presença de respostas não lineares dos ecossistemas para aumentar C A é para estudar ecossistemas através de uma gama contínua de a subambientUm superambientes C. Subambient C Um é difícil de manter no campo, e tem sido mais estudados utilizando câmaras de crescimento 2. A superambientes C foi estudada usando câmaras de crescimento, câmaras de topo aberto, e técnicas de enriquecimento livre de ar 3, 4.
C Um enriquecimento ocorre através das paisagens que contêm muitos tipos de solo. Propriedades solos pode afetar fortemente as respostas dos ecossistemas para C Um enriquecimento. Por exemplo, a textura do solo determina a retenção de água e nutrientes no perfil do solo 5, a sua disponibilidade para as plantas 6, e da quantidade e qualidade da matéria orgânica 7-9. A disponibilidade de umidade do solo é um mediador crucial das respostas do ecossistema para C Um enriquecimento em sistemas de água, limitadas, incluindo a maioria das pradarias 10. Campo passado C Um experimentos de enriquecimento de ter examinado normalmente apenas um tipo de solo e testes de v continuamente controladatipos arying C Um enriquecimento do solo ao longo de vários faltam. Se os efeitos de C Um enriquecimento nos processos do ecossistema diferem com o tipo de solo, há uma forte razão para esperar variação espacial nas respostas do ecossistema para C Um enriquecimento e consequentes alterações climáticas 11, 12.
O Dióxido de Carbono Lysimeter Gradiente (LYCOG) instalação foi projetado para tratar de questões de variação espacial nas respostas não lineares e limiar de ecossistemas para níveis que vão de A C ~ 250 a 500 mL L -1. LYCOG cria o gradiente prescrita de C Um em comunidades perenes pastagem de plantas que crescem em solos que representam a ampla gama de textura, teores de N e C, e propriedades hidrológicas de pastagens na porção sul da Central Plains dos Estados Unidos. Série solos específico utilizado na instalação são Houston Preto argila (32 monólitos), um Vertisol (údico Haplustert) típico de planícies; Austin (32 monolitos), uma alta carbonate, argila siltosa Mollisol (Udorthentic Haplustol) típico de terras altas; e Bastsil (16 monólitos), um aluvial arenoso Alfisol (údico Paleustalf).
O princípio operacional empregado em LYCOG é aproveitar a capacidade fotossintética das plantas para esgotar C A partir de parcelas de ar movido direcionalmente através das câmaras fechadas. O objectivo do tratamento consiste em manter um gradiente linear constante durante o dia em C A a partir de 500 a 250 ul de L-1. Para alcançar este objetivo, LYCOG consiste de duas câmaras lineares, uma câmara superambientes manter a porção do gradiente de 500 para 390 (ambiente) -1 ul L C A, e uma câmara de manutenção a subambient L -1 porção 390 para 250 ul do gradiente. As duas câmaras estão localizados lado a lado, orientado sobre um eixo norte-sul. O gradiente C A é mantido durante a parte do ano, quando a capacidade fotossintética vegetação é adequado; tipicamente desdefinal de abril a início de novembro.
As câmaras contêm sensores e instrumentação necessárias para regular o C Um gradiente, controlar a temperatura do ar (T A) para valores próximos dos ambientes, e aplicar quantidades de precipitação uniformes para todos os solos. Os solos são monólitos intactas recolhidas de pradaria Blackland nas proximidades lisímetros de pesagem instalados em hidrologicamente isoladas instrumentados para determinar todos os componentes do balanço hídrico. A água é aplicada em eventos de volume e calendário que aproximar a sazonalidade dos eventos de chuva e de montantes durante um ano médio de precipitação. Assim, LYCOG é capaz de avaliar os efeitos a longo prazo da subambient para superambientes C A e tipo de solo em função do ecossistema pastagem, incluindo água e carbono orçamentos.
LYCOG é a terceira geração de C Um gradiente experimentos conduzidos por USDA ARS Pastagem Laboratório de Solo e Água Research. A primeira geração era um protótipo para subambientgradiente ambiente que estabeleceu a viabilidade da abordagem gradiente de 13 e avanço do entendimento das respostas fisiológicas de nível folha de plantas para subambient variação em C Um 14-20. A segunda geração foi uma aplicação no campo escala do conceito de perene C 4 pastagem, com o gradiente estendido para 200-550 mL L -1 21. Este experimento de campo escala forneceu a primeira evidência de que a produtividade da pastagem aumenta com C Um enriquecimento pode saturar perto concentrações atuais ambientes de 20, em parte porque a disponibilidade de nitrogênio podem limitar a produtividade da planta em superambientes C A 22. LYCOG estende esta segunda experiência geração, incorporando solos replicados de diferentes textura, permitindo o teste robusto para efeitos interativos de solos no C Uma resposta das comunidades de pastagem.
Protocol
Representative Results
Discussion
A instalação LYCOG atinge seu objetivo operacional de manutenção de um 250 a 500 mL L -1 gradiente contínuo das concentrações de C A em comunidades experimentais de pastagens estabelecidas em três tipos de solo. A mudança de C A é linear dentro do intervalo prescrito. Temperatura do ar aumentou dentro de cada seção, mas foi reposta pelas bobinas entre-seção de arrefecimento na maioria dos setores. Como resultado, o objectivo operacional de manter a temperatura média consis…
Divulgations
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).
