A CO<sub> 2</subTest CO> Konsantrasyon Gradient Tesisi<sub> 2</subÇayır Ekosistem Fonksiyon> Zenginleştirme ve Toprak Etkileri
Summary
Lizimetre Karbondioksit Gradient Tesisi oluşturan 250 kil, siltli kil, kumlu toprak ve yekpare üzerinde sıcaklık kontrollü odalar konut otlak bitki toplulukları L -1 doğrusal karbondioksit degrade ul 500. Tesis geçmiş ve gelecek karbondioksit düzeyleri otlak karbon bisiklet nasıl etkilediğini belirlemek için kullanılır.
Abstract
Karasal ekosistemler üzerindeki etkileri incelenmesi için atmosferik karbondioksit konsantrasyonları (C A) yetki teknikleri devam artar. Çoğu deneyler yalnızca iki veya C bir konsantrasyon ve tek bir toprak türü birkaç seviyeleri incelemek, ancak C Çoklu topraklar üzerinde konsantrasyonlarını superambient için sada düşük bir gradyan olarak değiştirilebilir, biz geçmişte ekosistem cevapları doğrusal devam edebilir edip ayırt edebilir gelecek olup olmadığı yanıtları manzara karşısında değişebilir. Lizimetre Karbondioksit Gradient Tesisi kil, siltli kil, kumlu topraklarda ve içeren lizimetereleri üzerine kurulmuş Blackland kır bitki topluluklarına 250 ul L 500 -1 C A degrade uygular. Degrade sıcaklık kontrollü odalarına içine bitki örtüsü ile fotosentez olarak oluşturulan kademeli odaları aracılığıyla yönde akan havadaki karbondioksiti tüketir. Uygun hava debisini bakımı, yeterli photosynthetic kapasite ve sıcaklık kontrol yaz aylarında fotosentetik oranları ve artan su sıkıntısı azalmaktadır sistemin ana sınırlamaları aşmak için kritik öneme sahiptir. Tesis başarıyla Cı A zenginleştirme superambient için sada düşük ekosistem tepkilerinin şeklini discerns, ve metan veya ozon gibi diğer sera gazlarının karbon dioksit etkileşimleri test etmek için adapte edilebilir, Cı bir zenginleşme diğer tekniklere ekonomik bir alternatiftir.
Introduction
Atmosferik karbondioksit konsantrasyonu (C A) son zamanlarda yaklaşık 270 ul L -1 Sanayi Devrimi'nden önce geçmiş 400 ul L -1 artmıştır. C A 2100 1 en az 550 ul L -1 ulaşması tahmin ediliyor. Bu artışın son 500.000 yılda gözlenen herhangi bir C A değişiklikleri geçti. C A değişim görülmemiş oranı C A artan ekosistemlerin doğrusal olmayan veya eşik tepkilerin olasılığını yükseltir. Çoğu ekosistem ölçekli C A zenginleştirme deneyleri sadece iki tedaviler, zenginleştirilmiş C, A ve tek bir kontrol seviyesi uygulanır. Bu deneyler büyük ölçüde C ekosistem etkilerinin bir zenginleştirme anlayışımızı genişlettik. Ancak, C A artan doğrusal olmayan ekosistem yanıtları varlığını ortaya çıkarabilir alternatif bir yaklaşım sada düşük sürekli aralığına karşısında ekosistemlerin incelemektirsuperambient C A. Sada düşük C A alanında sürdürmek zordur ve çoğu kez büyüme odaları 2 kullanılarak incelenmiştir. Superambient C A büyüme odaları, üstü açık odaları ve ücretsiz hava zenginleştirme teknikleri 3, 4 kullanılarak incelenmiştir.
C A zenginleştirme birçok toprak türlerini içeren manzara karşısında oluşur. Topraklar özellikleri şiddetle C A zenginleştirme ekosistem yanıtları etkileyebilir. Örneğin, toprak yapısı, toprak profili 5 su ve besinlerin tutma belirleyen kendi tesislerinde 6 kullanılabilirlik ve organik madde miktarı 7-9 ve kalite. Toprağın nem durumu C ekosistem tepkileri çoğu otlaklar 10 dahil olmak üzere su sınırlı sistemlerde, bir zenginleştirme önemli bir arabulucu olduğunu. Geçmiş alan C A zenginleştirme deneyleri, genellikle sürekli v testler sadece bir toprak türü incelenmiş ve kontrol etmiştirarying C A zenginleştirme üzerinde çeşitli toprak tipleri eksiktir. Ekosistem süreçlerinin C A zenginleştirme etkileri toprak tipi farklılık varsa, mekansal C ekosistem yanıtlarında varyasyonu bir zenginleşme ve iklim 11, 12 sonraki değişiklikleri beklemek güçlü bir neden yoktur.
Eğim (LYCOG) tesis ~ 250 500 ul L -1 arasında değişen C A seviyelere ekosistemlerin non-lineer ve eşik tepkileri mekansal değişimi soruları için tasarlanmıştır Lizimetre Karbondioksit. LYCOG ABD Orta Ovaları güney kısmında otlakların doku, N ve C içerikleri ve hidrolojik özellikleri geniş temsil topraklarda büyüyen çok yıllık mera bitki toplulukları C A öngörülen degrade oluşturur. Tesiste kullanılan özel topraklar serisi Houston Siyah kil (32 monolitler), ovalar tipik bir Vertisol (Udic Haplustert) vardır; Austin (32 monolitler), yüksek bir karboNate, siltli kil Mollisol (Udorthentic Haplustol) araziler tipik; ve Bastsil (16 monolitler), bir alüvyal kumlu tın Alfisol (Udic Paleustalf).
LYCOG istihdam operasyonel prensip hava parseli kapalı odaları aracılığıyla yönde hareket C A tüketmek için bitkilerin fotosentez kapasitesinin koşum etmektir. Tedavi amacı 500 ile 250 ul L -1 Cı A sabit bir lineer gradyanı gündüz sağlamaktır. Bunu gerçekleştirmek için, LYCOG iki doğrusal odadan oluşur, L-1 C, A ul 500 ila 390 (ortam) degrade bölümünü muhafaza eden bir superambient haznesi ve 390 ila 250 ul L-1 bir bölümünü muhafaza eden bir sada düşük odası degrade. İki oda, bir kuzey-güney ekseninde odaklı yanyana yer almaktadır. C A degrade bitki fotosentez kapasitesi yeterli yılın kısmı sırasında korunur; tipik olarakKasım ayı başlarında geç Nisan.
Odaları, Cl Bir degrade düzenleyen ortam değerlere yakın hava sıcaklığı (T) kontrol ve tüm topraklara üniforma yağış miktarları uygulamak için gerekli sensörler ve enstrümantasyon içerirler. Topraklar, su bütçesinin tüm bileşenlerini belirlemek amacıyla instrumented hidrolojik izole tartı lizimetereleri yüklü yakındaki Blackland kır toplanan sağlam yekpare vardır. Su Yağmur olayların mevsimsellik yaklaştığı ve ortalama yağış yıl boyunca miktarları hacim ve zamanlama olayları uygulanır. Böylece, LYCOG su ve karbon bütçeleri dahil otlak ekosistem işlevi C A superambient için sada düşük ve toprak tipi uzun vadeli etkilerini değerlendirmek yeteneğine sahiptir.
LYCOG USDA ARS otlak Toprak ve Su Araştırma Laboratuvarı tarafından yapılan C A degrade deneylerin üçüncü nesil. Ilk nesil bir prototip sada düşük oldugradyan yaklaşımı 13 canlılığını kurulmuş ve C A 14-20 varyasyon sada düşük bitkilerin yaprak düzeyinde fizyolojik yanıtlar anlayışımızı ileri ortam degrade. İkinci nesil kavramı saha ölçekli uygulama 200 L -1 21 uL 550 genişletilmiş gradyan ile, C 4 otlak çok yıllık oldu. Bu alan ölçekli deney ilk kanıtlar sağladığı C otlak verimlilik artışlarının bir zenginleştirme olabilir azot kullanılabilirliği superambient C A 22 bitki verimliliğini sınırlayabilir, çünkü kısmen, geçerli ortam konsantrasyonları 20 yakın doyurabilecek. LYCOG C otlak topluluklarının bir yanıt üzerindeki toprakların etkileşimli efektler için sağlam test sağlayan, doku değişen çoğaltılmış toprakları dahil ederek bu ikinci nesil deneyi uzanır.
Protocol
Representative Results
Discussion
LYCOG tesis üç toprak tipleri üzerinde kurulmuş deneysel otlak topluluklar C A konsantrasyonlarının 250 L -1 ul 500 sürekli degrade sürdürmek operasyonel hedefe ulaşır. C, A değişim belirlenmiş aralığında doğrusaldır. Hava sıcaklığı her bölümünde artmış, ancak çoğu bölümlerde arası bölüm soğutma bobinleri tarafından sıfırlandı. Bunun bir sonucu olarak, bölümden bölüme tutarlı ortalama sıcaklık muhafaza operasyonel amacı gradyanı çoğu üz…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- . 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).
