Beoordeling van methaan en distikstofoxide (lachgas) stromen uit Paddy veld door middel van de Static gesloten kamers behoud van planten binnen Headspace
Summary
Het algemene doel van dit protocol is voor het meten van uitstoot van broeikasgassen van rijstvelden met behulp van de statische gesloten kamer techniek. Het meetsysteem moet specifieke aanpassingen als gevolg van de aanwezigheid van zowel een permanente water laag in het veld en de planten binnen de kamer headspace.
Abstract
Dit protocol beschrijft het meten van uitstoot van broeikasgassen (BKG) van paddy bodems met behulp van de statische gesloten kamer techniek. Deze methode is gebaseerd op de theorie van diffusie. Een bekende hoeveelheid lucht bedekken van een gedefinieerde bodem gebied is omsloten met een parallellepipedum cover (genoemd “kamer”), voor een bepaalde periode van tijd. Tijdens deze periode behuizing verplaatsen gassen (methaan (CH4) en lachgas (N2van O)) vanuit bodem porie lucht in de buurt van microbiële herkomst (d.w.z.methanogens, nitrifiers, denitrifiers) naar de kamer headspace, na een natuurlijke verloop van de concentratie. Stromen worden dan geschat uit kamer headspace concentratie variaties op in de loop van de behuizing regelmatig bemonsterd en vervolgens geanalyseerd met gaschromatografie. Onder de technieken beschikbaar voor BKG-meting is de statische gesloten kamer-methode geschikt voor perceel experimenten, zoals op doet niet vergen grote homogeen behandelde bodem gebieden. Bovendien, het is beheersbaar met beperkte middelen en relaties tussen ecosysteem eigenschappen, processen en fluxen, kan identificeren, vooral wanneer gecombineerd met BKG driving force metingen. Echter met betrekking tot de micrometeorological methode, het zorgt ervoor dat een minimale maar nog steeds onvermijdelijk bodem verstoring, en laat een kleine temporele resolutie. Verschillende fasen zijn de sleutel tot de uitvoering van de methode: i) kamer ontwerp en de implementatie, ii) proef behandeling en analyses, en iii) flux schatting. Techniek uitvoering succes in rijstvelden eist aanpassingen voor veld overstromingen gedurende een groot deel van de bijsnijden cyclus en voor rijst plant onderhoud binnen de kamer headspace tijdens de metingen. Dus de extra elementen worden beschouwd met betrekking tot de gebruikelijke toepassing van niet-overstroomd landbouwgrond bestaan uit apparaten voor: i) het voorkomen van elke onbedoelde water verstoring die fluxen overschatten kon en ii) inclusief rijst planten binnen de kamer headspace volledig overwegen uitlaatgassen door middel van aerenchyma transport.
Introduction
Landbouw is een productieve sector die, samen met de bosbouw en andere ruimtelijke ordening, ongeveer 21% van de mondiale BKG-uitstoot1 produceert. Nauwkeurige meting van broeikasgasemissies van de landbouwgrond is de sleutel niet alleen om de bepaling van de juiste rol van agro-ecosystemen als zowel bron en wastafel in klimaat verandering2, maar ook om te definiëren van passende en doeltreffende risicobeperkende strategieën binnen het kader van de doelstellingen van de overeenkomst van Parijs.
Emissie fluxen van de twee belangrijkste broeikasgassen geproduceerd door landbouwgrond (d.w.z.N2O en CH4) zijn meetbaar door micrometeorological methoden of de gesloten-kamer techniek3. De overgrote meerderheid van de studies rapportage van gegevens over broeikasgasemissies uit de bodem in de afgelopen drie decennia toegepast de gesloten-kamer techniek4,5 , dat voor het eerst in 19266 beschreven was. Verschillende inspanningen hebben verricht om te fine-tunen van de techniek en het overwinnen van alle bronnen van experimentele artefact en bias7,8,9,10,11,12 ,13,14. Specifieke protocollen, samengesteld op verschillende tijdstippen, gericht op de standaardisering van de methoden15,16,17,18,19, en wetenschappelijke pogingen zijn nog steeds aan de gang om de beste praktijken voor het gebruik van de techniek en het minimaliseren van bias in flux ramingen.
De statische gesloten-kamer techniek, waarvan de toepassing tot paddy bodems wordt beschreven in dit document, berust op de theorie van de verspreiding en de behuizing van een bekende hoeveelheid lucht boven een gedeelte van het bodemoppervlak voorziet een precies bepaalde periode. Tijdens de behuizing, CH4 en N2O moleculen migreren door diffusie langs een natuurlijke concentratie gradiënt van de bodem porie lucht, waar ze worden geproduceerd door specifieke micro-organismen (in het geval van CH methanogens4; nitrifiers en denitrifiers voor N2O), de lucht die ingesloten in kamer headspace, uiteindelijk door de overstromingen water of de aerenchyma van de plant. De concentraties van de betrokken twee gassen binnen de kamer headspace toenemen in de tijd en voorkomen van deze verhogingen biedt voor flux schattingen.
Met betrekking tot de micrometeorological methoden zijn gesloten kamer metingen vaak voorkeur voor verschillende land gebruik soorten en ecosystemen als studeren BKG op het perceel schaal stromen, omdat ze niet bezwaard door een grote homogene veld2 of hoog logistieke en investeringen eisen20. Bovendien kunnen ze de gelijktijdige analyse van gemanipuleerde experimenten, zoals verschillende landbouwkundige praktijken of andere veld behandelingen12,21. Ten slotte, de techniek staat identificatie van de relaties tussen ecosysteem eigenschappen, processen en fluxen. Als alternatief, twee belangrijke nadelen van de techniek zijn de relatief inefficiënt verkenning van ruimtelijke en temporele heterogeniteit, en de gevolgen van de verstoring van de bodem als gevolg van kamer implementatie22. Echter, deze nadelen kunnen, op zijn minst gedeeltelijk, worden overwonnen met: goede kamer ontwerp (om te minimaliseren van de verstoring van de bodem), vaststelling van een voldoende aantal replicatieonderzoeken (om te verkennen ruimtelijke variabiliteit), en geautomatiseerde systeem gebruik waartoe de intensivering van de de frequentie van dagelijkse metingen (ter verantwoording voor dagverloop variabiliteit) of reguliere (dezelfde tijd van de dag) meting (op het effect van temperatuur in residuele variabiliteit weglaten).
Een eerste toepassing van de methode op een Sawa stamt uit de begin jaren 8023, en de belangrijkste eigenaardigheden van het gebruik ervan met betrekking tot de hooggelegen velden zijn de aanwezigheid van overstromingen water op de bodem en de noodzaak om planten in de headspace tijdens kamer behuizing. Zoals zorgvuldig beschreven in dit document impliceert de eerste eigenschap de noodzaak van specifieke systemen ter voorkoming van verstoring van de water tijdens de meting de gebeurtenissen, om te voorkomen dat flux overschattingen veroorzaakt door turbulentie veroorzaakte verhoging van de diffusie van het gas door overstromingen water. Het tweede essentiële kenmerk is ter verantwoording voor gastransport via rijst aerenchyma, van maximaal 90% van de uitgestoten CH424, waarvoor de juiste apparaten op te nemen planten tijdens meting evenementen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De toepassing van de statische gesloten-kamer techniek padie bestaat uit vijf essentiële fasen, overeenkomt met de belangrijkste secties beschreven in het Protocol. Elke fase bevat kritische punten die zich bewust zijn, en indicatoren om het succes van fase uitvoering, zoals samengevat in Figuur 4.
De meeste kritieke punten beschreven in Figuur 4 worden reeds behandeld in het protocol en gemakkelijk kunnen worden opgelost door de opgenomen aanbevelingen te volgen. Het lastigste kritieke punt van dit protocol is de berekening van de fluxen op basis van de BKG-concentratie variatie tijdens kamer behuizing. Ook wanneer u het pakket HMR voor berekeningen, is het raadzaam om te kiezen van het beste model toe te passen, onafhankelijk van de HMR suggestie, gebaseerd op visuele evaluatie. Dit is des te belangrijker wanneer concentraties tijdig van het verwachte gedrag van consistente verhogen afwijken of te verlagen.
Verschillende varianten van de beschreven techniek zijn mogelijk binnen de structuur van de belangrijkste beginselen, vooral met betrekking tot kamer geometrie (de zaal ook kan cilindrisch), kamer materiaal (ieder niet-doorlaatbare, nietreactief, niet-bron/sink van gas moleculen onder de aandacht, en makkelijk te gebruiken materiaal, zoals Teflon, die geschikt, maar ook duurdere is), en type van BKG analyzer (draagbare systemen zijn beschikbaar die vereisen geen gas overdracht in spuiten en flesjes). Niettemin, meten van BKG fluxen van bodems is een cruciale stap nodig om klimaat verandering bronnen, om te begrijpen van de processen die leiden tot emissies, te bestuderen van de doeltreffendheid van mogelijke risicobeperkende strategieën, en om modellen voor het voorspellen van toekomstige controleren scenario’s. Het is belangrijker dan ooit om te nemen gemeenschappelijke protocollen, die een uniforme verzameling van kennis te controleren van de agro-ecosystemen voor de mondiale BKG-begroting zal bouwen.
De ideaal Gas-wet geldt hier als u wilt berekenen het Molair volume van reële gassen. Deze toepassing is wijd gebruikt en geaccepteerd in de specifieke hoeveelheid literatuur, en de onderlinge aanpassing van ideaal gas kan worden gebruikt met redelijke nauwkeurigheid30.
Ten slotte, afhankelijk van de experimentele vragen worden aangepakt in het kader van BKG metingen, overwegen het meten van de belangrijkste drijfveren van CH4 en N2O emissies, zoals bodemtemperatuur, redoxpotentiaal, bodem poriën opgeloste organische Koolstof concentraties, bodem porie nitraat en ammonium concentratie.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar Marco Romani en Eleonora Francesca Miniotti en de medewerkers van Research centrum van Ente Nazionale Risi, die gehost het experimentele proces waar de video werd gecreërd. Wij willen ook Francesco Alluvione bedanken voor de eerste wetenschappelijke flash leidt tot protocol realisatie en Joan Leonard voor haar kostbare werk van Engelse bewerken van het manuscript.
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. |
Referências
- 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).
