A rainfall enrichment system suitable for open field experiments in arid and semi-arid ecosystems

Abstract

The predicted changes in precipitation patterns because of global change have profound effects on terrestrial ecosystems. In the present study, the principle and design details of a rainfall enrichment system (RAINES) for open field experiments in semi-arid and arid ecosystems are presented. The rainfall intensity, validity and uniformity of this experimental facility were also tested. During the period from 2008 to 2010, our data showed that the RAINES was able to simulate rainfall events with different rainfall sizes, frequencies and timing. The greatest advantage of the RAINES was its high uniformity in rainfall distribution over a relatively large experimental surface area (>65 m2), which was important for experimental studies of semi-arid and arid ecosystems where vegetation distribution is sparse. The rainfall validity of RAINES was steadily at 66% or higher as long as the hydraulic pressure exceeded 1.4 KPa and the wind speed was below 2.5 m s-1. Since the RAINES is light-weight, inexpensive and versatile enough to be used to simulate various rainfall events with needed properties in remote fields, it is able to provide reliable simulated rainfall in the field for studying possible responses of soil and vegetation processes to rainfall change in arid and semi-arid ecosystems. The application of the RAINES will improve our understanding on the relationship between water availability and ecosystem processes in arid and semi-arid ecosystems, which will provide useful knowledge for the protection, restoration and sustainable management of semi-arid and arid desert ecosystems worldwide.

Los cambios predichos en los modelos de precipitación como resultado del cambio global tienen efectos profundos en los ecosistemas terrestres. Un equipo que simule la lluvia es una herramienta de investigación efectiva para explorar los efectos de los cambios en los modelos de lluvia sin varias restricciones naturales. En el presente estudio, se presentan los principios y detalles de diseño de un equipo simulador de lluvia (RAINES) para estudios a campo en ecosistemas áridos y semiaridos. También se determinaron la intensidad de lluvia, validez y uniformidad del RAINES. Durante el período 2008 al 2010, nuestros datos mostraron que el RAINES fue capaz de simular eventos de lluvia con diferentes cantidades, frecuencias y momentos de lluvia. La mayor ventaja del RAINES fue su gran uniformidad en la distribución de la lluvia sobre una superficie experimental relativamente grande (>65 m2 ). Esto es importante para estudios experimentales en ecosistemas áridos y semiáridos donde la distribución de la vegetación es dispersa. La validez de la lluvia provista por el RAINES fue al menos de 66% siempre y cuando la presión hidráulica excedió los 1.4 KPa y la velocidad del viento fue menor que 2.5 m s-1. El RAINES es de bajo peso, no costoso y lo suficientemente versátil como para ser usado para simular varios eventos de lluvia bajo condiciones de campo distantes. Es capaz de proveer lluvia simulada en forma confiable en el campo para estudiar la respuesta de procesos en el suelo y la vegetación a cambios en la cantidad de lluvia en ecosistemas áridos y semiáridos. El uso del RAINES mejorará nuestro entendimiento en la relación entre la disponibilidad de agua y los procesos en ecosistemas áridos y semiáridos. También proveerá conocimiento útil para la protección, restauración y menejo sustentable de ecosistemas de desierto áridos y semiáridos a escala mundial.