تقييم للميثان وأكسيد النيتروز التدفقات من حقول الأرز عن طريق ثابت إغلاق الدوائر المحافظة على النباتات داخل Headspace
Summary
والهدف العام من هذا البروتوكول لقياس انبعاثات غازات الدفيئة من حقول الأرز باستخدام أسلوب ثابت الدائرة المغلقة. نظام القياس يحتاج إلى تعديلات محددة نظراً للوجود كلا من طبقة المياه الدائمة في الميدان، والنباتات داخل headspace الدائرة.
Abstract
ويصف هذا البروتوكول بقياس انبعاثات غازات الدفيئة من التربة بادي باستخدام أسلوب ثابت الدائرة المغلقة. ويستند هذا الأسلوب على نظرية نشر. ومرفق طيه كمية معروفة من الهواء تتراكب على منطقة محددة من تربة داخل غطاء متوازي (المسمى “الدائرة”)، لفترة محددة من الوقت. خلال هذه الفترة الضميمة، نقل الغازات (الميثان (CH4)، وأكسيد النيتروز (ن2س)) من التربة المسامية الجوية قرب مصدر الجرثومية (أي، مولدات، نيتريفيرس، دينيتريفيرس) إلى headspace الدائرة، بعد طبيعية الانحدار تركيز. ثم قدرت تدفقات من دائرة الاختلافات تركيز headspace أخذ عينات على فترات منتظمة في جميع أنحاء العلبة وتحليلها ثم مع الفصل اللوني للغاز. من بين الأساليب المتاحة لقياس انبعاثات غازات الدفيئة، أسلوب ثابت الدائرة المغلقة مناسبة لإجراء التجارب على الأرض، كما أنها لا تتطلب المتجانسة كبيرة تعامل في مناطق التربة. علاوة على ذلك، فإنه يمكن التحكم بموارد محدودة ويمكن تحديد العلاقات بين خصائص النظام الإيكولوجي والعمليات وتدفقات، خاصة عندما تقترن بغازات الدفيئة قياسات القوة الدافعة. ومع ذلك، فيما يتعلق بأسلوب ميكروميتيورولوجيكال، يسبب الحد الأدنى لكن اضطراب التربة لا يزال أمرا لا مفر منه، ويسمح الأزمنة بسيطة. عدة مراحل هي المفتاح لتنفيذ الأسلوب: ط) دائرة التصميم والنشر، ثانيا) عينة من مناولة والتحليلات، والثالث) الجريان تقدير. نجاح تنفيذ تقنية في حقول الأرز يطالب بتعديلات حقل الفيضانات خلال جزء كبير من دورة المحاصيل، وصيانة مصنع الأرز داخل headspace الدائرة خلال القياسات. ولذلك، تتكون عناصر إضافية يمكن النظر فيها فيما يتعلق بالتطبيق المعتاد للتربة الزراعية غير المغمورة من الأجهزة ل: ط) تجنب أي اضطراب المياه غير المقصودة التي يمكن أن نبالغ في تقدير التدفقات، والثاني) بما في ذلك نباتات الأرز داخل headspace الدائرة تماما النظر في الغازات المنبعثة من خلال النقل أيرينتشيما.
Introduction
الزراعة هي قطاع إنتاجي التي، جنبا إلى جنب مع الغابات واستخدام الأراضي، وأخرى تنتج حوالي 21 في المائة من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية1. دقيقة لقياس انبعاثات غازات الدفيئة من التربة الزراعية هو المفتاح إنشاء تحديد الدور السليم للنظم الإيكولوجية الزراعية كمصدر وبالوعة في تغير المناخ2، بل أيضا لتحديد استراتيجيات التخفيف الملائمة والفعالة داخل إطار أهداف اتفاق باريس.
تدفقات انبعاثات غازات الدفيئة أهم اثنين تنتجها التربة الزراعية (أين2س و CH4) قابلة للقياس بالأساليب ميكروميتيورولوجيكال أو تقنية مغلقة الدائرة3. تطبيق الغالبية العظمى من الدراسات الإبلاغ عن البيانات على انبعاثات غازات الدفيئة من التربة على مدى العقود الثلاثة الماضية4،تقنية الدائرة المغلقة5 الذي كان أول من وصف في عام 19266. وقد بذلت جهود عديدة ضبط الأسلوب، والتغلب على جميع مصادر أثرية التجريبية و التحيز7،،من89،،من1011،12 ،،من1314. بروتوكولات محددة، جمعت في أوقات مختلفة، تهدف إلى توحيد منهجيات15،،من1617،،من1819، والمحاولات العلمية لا تزال جارية لتحديد أفضل الممارسات لاستخدام التقنية والإقلال من التحيز في تقديرات التدفق.
تعتمد على نظرية انتشار تقنية دائرة مغلقة ثابتة، تطبيقها على التربة بادي يرد في هذه الورقة، ويوفر العلبة كمية معروفة من الهواء فوق جزء من سطح التربة لمدة دقيقة. خلال الضميمة، الفصل4 والجزيئات2س ن ترحيل بنشرها على طول تدرج التركيز طبيعي من التربة المسامية الجوية، حيث أنها تنتجها الكائنات الدقيقة محددة (مولدات في حالة الفصل4؛ نيتريفيرس و دينيتريفيرس لن2س)، في الهواء محاطة ضمن headspace الدائرة، في نهاية المطاف من خلال مياه الفيضان أو أيرينتشيما النباتات. زيادة تركيزات غازات اثنين داخل headspace الدائرة على مر الزمن، ويوفر تواجد هذه الزيادات لتقديرات التدفق.
فيما يتعلق بأساليب ميكروميتيورولوجيكال، قياسات الدائرة المغلقة غالباً المفضل لاختلاف أنواع استخدام الأراضي والنظم الإيكولوجية عند دراسة غازات الدفيئة تدفقات في حجم الأرض، لأنها ليست عالية أو المرهونة ب حقل متجانسة كبيرة2 السوقية و متطلبات الاستثمار20. وعلاوة على ذلك، أنها تسمح المتزامن تحليل تجارب التلاعب بها، مثل ممارسات مختلفة الخواص أو الأخرى مجال العلاجات12،21. وأخيراً، تسمح التقنية تحديد العلاقات بين خصائص النظام الإيكولوجي والعمليات وتدفقات. وبدلاً من ذلك، تتضمن اثنين من العوائق الرئيسية للتقنية الاستكشاف غير فعالة نسبيا للتباين المكاني والزماني، وآثار اضطراب التربة بسبب الدائرة نشر22. ومع ذلك، يمكن، على الأقل جزئيا، التغلب على هذه المضار مع: تصميم الدائرة المناسبة (للتقليل من اضطراب التربة)، واعتماد عدد كاف من replicates (لاستكشاف التغير المكاني)، واستخدام نظام يسمح بتكثيف الآلي تواتر القياسات اليومية (لمراعاة تقلب الدافيء) أو العادية (نفس الوقت اليوم) القياس (لحذف تأثير درجة الحرارة في تقلب المتبقية).
تطبيق أول أسلوب لحقول الأرز يعود تاريخها إلى أوائل 8023، والخصائص الرئيسية لاستخدامها فيما يتعلق بحقول المرتفعات هي وجود فيضان المياه في التربة، والحاجة إلى إدراج النباتات داخل headspace خلال الدائرة الضميمة. كما هو موضح بعناية في هذه الورقة، يعني سمة الأولى الحاجة إلى نظم محددة لمنع حدوث اضطراب المياه أثناء الأحداث القياس، لتجنب الإفراط التمويه الناجم عن تعزيز نشر الغاز عبر مياه الفيضانات الناجمة عن الاضطرابات. هو السمة الأساسية الثانية لنقل الغاز من خلال aerenchyma الأرز، يمثلون تصل إلى 90 في المائة من المنبعثة CH424، الأمر الذي يتطلب الأجهزة المناسبة تشمل النباتات أثناء الأحداث القياس.
Protocol
Representative Results
Discussion
تطبيق تقنية دائرة مغلقة ثابتة في الأرز تتكون من خمس مراحل أساسية، تقابل الفروع الرئيسية المبينة في البروتوكول. كل مرحلة تحتوي على النقاط الحرجة التي يجب أن تكون على علم، ومؤشرات للتحقق من نجاح تنفيذ المرحلة، كما هو ملخص في الشكل 4.
معظم النقاط الحرجة المبينة في الشكل 4 يتم تناولها بالفعل في البروتوكول، ويمكن حلها بسهولة عن طريق اتباع التوصيات المضمنة. النقطة الحرجة أصعب من هذا البروتوكول هو حساب تدفقات استناداً إلى اختلاف تركيز غازات الدفيئة خلال الضميمة الدائرة. أيضا عند استخدام حزمة HMR للعمليات الحسابية، المستحسن لتحديد أفضل نموذج لتطبيق، مستقلة عن اقتراح HMR، استناداً إلى التقييم البصري. هذا أكثر أهمية عند تركيزات في وقت من الأوقات ينحرف عن السلوك المتوقع من زيادة ثابتة أو إنقاصها.
عدة تنويعات تقنية الموصوفة ممكن في إطار هيكل المبادئ الرئيسية، لا سيما فيما يتصل بدائرة الهندسة (يمكن أن تكون الدائرة أيضا أسطواني)، مواد الدائرة (أي غير منفذة وغير التفاعلية وغير المصدر/بالوعة للغاز جزيئات قيد النظر، والمواد سهلة الاستخدام، مثل تفلون ومناسب، ولكن أكثر تكلفة)، ونوع من محلل غازات الدفيئة (تتوفر النظم المحمولة التي لا تتطلب نقل الغاز في المحاقن والقوارير). ومع ذلك، قياس تدفقات انبعاثات غازات الدفيئة من التربة هو خطوة محورية اللازمة لرصد مصادر تغير المناخ، فهم العمليات التي تؤدي إلى انبعاثات، لدراسة فعالية استراتيجيات التخفيف الممكنة، وإبلاغ نماذج للتنبؤ بالمستقبل السيناريوهات. أنها أكثر أهمية من أي وقت مضى اعتماد البروتوكولات المشتركة التي سيتم بناء مجموعة موحدة من المعارف لرصد النظم الإيكولوجية الزراعية للميزانية غازات الدفيئة العالمية.
هنا يتم تطبيق “قانون الغاز المثالي” لحساب حجم المولى للغازات الحقيقية. هذا التطبيق يستخدم على نطاق واسع وقبلت في هيئة محددة للأدب، ويمكن استخدام تقريب غاز مثالية بدرجة معقولة من الدقة30.
وأخيراً، اعتماداً على الأسئلة التجريبية معالجتها في سياق قياسات انبعاثات غازات الدفيئة، النظر في قياس الدوافع الرئيسية للفصل4 وانبعاثات2س ن، مثل درجة حرارة التربة، وإمكانيات الأكسدة، التربة المسامية “العضوي المذاب” تركيزات الكربون والنترات مسام التربة، وتركيز الأمونيوم.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب ممتنون للغجر ماركو وايليونورا فرانشيسكا مينيوتي وموظفي البحوث المركز من Ente Nazionale الريسي، الذي استضاف محاكمة تجريبي حيث تم إنشاء شريط الفيديو. كما نود أن نشكر فرانشيسكو اللوفيوني لفلاش العلمية الأولى مما يؤدي إلى أعمال البروتوكول وليونارد جوان لعملها الثمينة لتحرير اللغة الإنجليزية من المخطوطة.
Materials
| Anchor/Chamber | – | – | Self-produced |
| 5 cm thick closed cell foam | – | – | It is an insulating material, to be found in a store of building materials. |
| Light reflective (aluminum-like) coating | – | – | We use a shiny blanket, but it is possible to use aluminium foil for food. |
| Curved piece of plastic tubing (1.5 cm and 24 cm, DxL) | – | – | We use an electrical duct, to be found in a hardware store. |
| Screw connector | – | – | We use a connector for electrical ducts, to be found in a hardware store. |
| Rubber stopper (1 cm D) | – | – | To be found in a store for laboratory equipments. |
| Teflon tube (3 mm internal D) | – | – | To be found in a store for laboratory equipments. |
| One-way stopcock | – | – | We use stopcock for drip, to be found in a store for medical equipments. |
| 12V PC fan | – | – | To be found in a PC store. |
| 12V-7Ah rechargeable and portable battery | – | – | To be found in a store for electrical material. |
| Steel fasteners | – | – | To be found in a hardware store. |
| 30 cm X 3 m (WxL) wood planks | – | – | To be found in a store of building materials. |
| Steel frame | – | – | Self-produced |
| Bubble level | – | – | To be found in a hardware store. |
| Concrete blocks | – | – | To be found in a store of building materials. |
| 50 ml syringe | – | – | To be found ina store for medical/veterinary equipments. |
| Folding Ruler | – | – | To be found in a hardware store. |
| Temperature datalogger | Onset | HOBO U23 Pro v2 External Temperature Data Logger | |
| Exetainer 12ml Vial – Flat Bottom | Labco UK | 736 W | |
| Butil rubber septa for vials | Labco UK | VW101 | |
| 25-gauge hypodermic needle | – | – | To be found in a store for medical equipments. |
| CH4 and N2O standards | – | – | To be found at a supplier of gas bottles. |
References
- Tubiello, F. N., et al. . Agriculture, Forestry and Other Land Use Emissions by Sources and Removals by Sinks. , 4-89 (2014).
- Oertel, C., Matschullat, J., Zurba, K., Zimmermann, F., Erasmi, S. Greenhouse gas emissions from soils-A review. Chemie der Erde. 76, 327-352 (2016).
- Hutchinson, G. L., Livingston, G. P., Dane, J. H., Topp, G. C. Soil-atmosphere gas exchange. Methods of soil analysis. , 1159-1182 (2002).
- Nakano, T., Sawamoto, T., Morishita, T., Inoue, G., Hatano, R. A comparison of regression methods for estimating soil-atmosphere diffusion gas fluxes by a closed-chamber technique. Soil Biol. Biochem. 36, 107-113 (2004).
- Rochette, P., Eriksen-Hamel, N. S. Chamber Measurements of Soil Nitrous Oxide Flux: Are Absolute Values Reliable?. Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (2), 331-342 (2008).
- Lundegardh, H. Carbon dioxide evolution of soil and crop growth. Soil Sci. 23 (6), 417-450 (1926).
- Buendia, L. V., et al. An efficient sampling strategy for estimating methane emission from rice field. Chemosphere. 36, 395-407 (1998).
- Khalil, M. A. K., Butenhoff, C. L. Spatial variability of methane emissions from rice fields and implications for experimental design. J Geophys. Res. 113, 1-11 (2008).
- Pedersen, A. R., Petersen, S. O., Schelde, K. A comprehensive approach to soil-atmosphere trace-gas flux estimation with static chambers. Eur. J. Soil Sci. 61, 888-902 (2010).
- Christiansen, J. R., Korhonen, J. F. J., Juszczak, R., Giebels, M., Pihlatie, M. Assessing the effects of chamber placement, manual sampling and headspace mixing on CH4 fluxes in a laboratory experiment. Plant Soil. 343, 171-185 (2011).
- Minamikawa, K., Tokida, T., Sudo, S., Padre, A., Yagi, K. . Guidelines for measuring CH4 and N2O emissions from rice paddies by a manually operated closed chamber method. , (2015).
- Parkin, T. B., Venterea, R. T., Hargreaves, S. K. Calculating the detection limits of chamber-based soil greenhouse gas flux measurements. J. Environ. Qual. 41, 705-715 (2012).
- Pihlatie, M. K., et al. Comparison of static chambers to measure CH4 emissions from soils. Agr. Forest. Meteorol. 171-172, 124-136 (2013).
- Sander, B. O., Wassmann, R. Common practices for manual greenhouse gas sampling in rice production: a literature study on sampling modalities of the closed chamber method. Greenhouse Gas Meas. Manage. 4, 1-13 (2014).
- IAEA. . Manual on measurement of methane and nitrous oxide emissions from agriculture. , (1992).
- IGAC. . Global Measurement Standardization of Methane Emissions from Irrigated Rice Cultivation: A Report of the Rice Cultivation and Trace Gas Exchange Activity (RICE) of the International Global Atmospheric Chemistry (IGAC) Project. , (1994).
- Parkin, T. B., Venterea, R. T., Follett, R. F. Chapter 3. Chamber-Based Trace Gas Flux Measurements. Sampling Protocols. , 3.1-3.39 (2010).
- Minamikawa, K., Tokida, T., Sudo, S., Padre, A., Yagi, K. . Guidelines for measuring CH4 and N2O emissions from rice paddies by a manually operated closed chamber method. , (2015).
- Firbank, L. G., et al. Towards the co-ordination of terrestrial ecosystem protocols across European research infrastructures. Ecol Evol. 7 (11), 3967-3975 (2017).
- FAO, , IFA, . Global estimates of gaseous emissions of NH3, NO and N2O from agricultural land. , (2001).
- Denmead, O. T. Approaches to measuring fluxes of methane and nitrous oxide between landscapes and the atmosphere. Plant Soil. 309, 5-24 (2008).
- Cleemput, O. V., Boeckx, P., Lal, R. Greenhouse gas fluxes: measurement. Encyclopedia of Soil Science. , (2005).
- Cicerone, R. J., Shetter, J. D. Sources of atmospheric methane: Measurements in rice paddies and a discussion. J Geophys. Res. 86, 7203-7209 (1981).
- Le Mer, R., Roger, J. Production, oxidation, emission and consumption of methane by soils: A review. Eur. J. Soil Biol. 37, 25-50 (2001).
- Hutchinson, G. L., Mosier, A. R. Improved soil cover method for field measurement of nitrous oxide fluxes. Soil Sci. Soc. Am. J. 45, 311-316 (1981).
- Conen, F., Smith, K. A. A re-examination of closed flux chamber methods for the measurement of trace gas emissions from soils to the atmosphere. Eur. J. Soil Sci. 49, 701-707 (1998).
- Minamikawa, K., Yagi, K., Tokida, T., Sander, B. O., Wassmann, R. Appropriate frequency and time of day to measure methane emissions from an irrigated rice paddy in Japan using the manual closed chamber method. Greenhouse Gas Meas. Manage. 2, 118-128 (2012).
- Rochette, P., Bertrand, N. Soil air sample storage and handling using polypropylene syringes and glass vials. Can. J. Soil Sci. 83, 631-637 (2003).
- Peyron, M., et al. Greenhouse gas emissions as affected by different water management practices in temperate rice paddies. Agr. Ecosyst. Environ. 232, 17-28 (2016).
- Ussiri, D., Lal, R. . Soil Emission of Nitrous Oxide and its Mitigation. , (2012).
