JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

מדידה של שטף גזי חממה מקרקעות חקלאיות באמצעות לשכות סטטי

Published: August 03, 2014
doi:
10.3791/52110
, , , ,
1Office of Sustainability,University of Wisconsin-Madison, 2Department of Soil Science,University of Wisconsin-Madison, 3Department of Agronomy,University of Wisconsin-Madison, 4Great Lakes Bioenergy Research Center,University of Wisconsin-Madison, 5USDA-ARS Dairy Forage Research Center, 6USDA-ARS Pasture Systems Watershed Management Research Unit

Summary

This article showcases the static chamber-based method for measurement of greenhouse gas flux from soil systems. With relatively modest infrastructure investments, measurements may be obtained from multiple treatments/locations and over timeframes ranging from hours to years.

Abstract

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the biogeochemical drivers of climate change and to the development and evaluation of GHG mitigation strategies based on modulation of landscape management practices. The static chamber-based method described here is based on trapping gases emitted from the soil surface within a chamber and collecting samples from the chamber headspace at regular intervals for analysis by gas chromatography. Change in gas concentration over time is used to calculate flux. This method can be utilized to measure landscape-based flux of carbon dioxide, nitrous oxide, and methane, and to estimate differences between treatments or explore system dynamics over seasons or years. Infrastructure requirements are modest, but a comprehensive experimental design is essential. This method is easily deployed in the field, conforms to established guidelines, and produces data suitable to large-scale GHG emissions studies.

Introduction

Understanding the contributions of both human activities and natural systems to radiative properties of the atmosphere is an area of critical importance as we strive to mitigate anthropogenic contributions to the greenhouse effect. In addition to carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) are also potent GHGs, accounting for an estimated 7% and 19% of global warming, respectively, with the majority of emissions coming from landscape sources1,2. These range from managed systems such as agricultural fields, rice paddies, and landfills, to natural systems such as forest floors, wetlands, and termite mounds. Accurate measurement, supporting well-informed modeling of such landscape-based emissions is critical in order to understand the drivers of climate change as well as to identify mitigation opportunities.

A variety of greenhouse gas measurement strategies exist, each with their own strengths and weaknesses2-5. Mass balance techniques rely on wind-based dispersion of gases and are suited to measurement of flux from small, well-defined sources such as landfills and animal paddocks. Micrometeorological approaches such as eddy covariance are based on real-time direct measurement of vertical gas flux, and can provide direct measurements over large areas. However, homogeneity in source topography is an implicit assumption (in that measurements yield a mean for the area under study), and costly infrastructure can limit deployment possibilities. Finally, chamber-based methods focus on change in gas concentration at the soil surface by sampling from a restricted above ground headspace. They allow measurements to be obtained from small areas and numerous treatments, but are subject to high coefficients of variation due to spatial variation in soil gas flux.

Here we discuss the most prevalent and easily implemented form of chamber-based measurement, utilizing the type of closed chambers without air flow-through commonly referred to as “static” or “non-steady-state non-flow-through” chambers. In this approach, gas emissions from the soil surface are trapped within a vented chamber, and rates of flux are determined by measuring the change in gas concentration over time within the chamber headspace. The static chamber technique has been widely deployed across both managed and natural landscapes and underpins the bulk of data reporting soil-based flux of greenhouse gases, particularly N2O6,7. It is ideally suited to the study of small experimental plots, diverse sites over variable terrain, or in other situations where multiple distinct locations must be studied without significant infrastructure investments. Typical experimental uses might include the exploration of alternative landscape management practices and their impact on soil-based CO2, N2O, and/or CH4 emissions, examination of landscape-based flux dynamics under artificially induced climate change scenarios such as warming and rainfall exclusion/supplementation, or the descriptive study of natural and agricultural ecosystems and subsystems.

As a critical tool in GHG measurement and flux estimation, the static chamber method has been thoroughly evaluated, and significant efforts have been made towards standardization of techniques and harmonization of data reporting4,6,8,9. Of particular note are the detailed reviews and guidelines produced by the U.S. Department of Agriculture – Agricultural Research Service’s Greenhouse gas Reduction through Agricultural Carbon Enhancement network (GRACEnet)8 and by the Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases (GRA)9. Such guidelines provide an invaluable resource and platform for coordination, as ultimately the interoperability of data from a myriad of studies is critical for scaling up local findings to global modeling, and for translating research results into viable mitigation strategies.

GRACEnet, GRA, and other reviews also highlight the fact that specific techniques in static chamber-based greenhouse gas flux measurement are extremely diverse, with significant methodological variations possible at nearly every step of the way, including chamber design, temporal and spatial deployment, sampling volumes, sample analysis, and flux calculations. The method described here presents one possible variant, while showcasing best practices and highlighting critical considerations for the generation of high quality, broadly transferrable data. It is intended to provide an accessible overview of this standardized procedure, and a platform from which to explore further nuances and variations described in the literature.

Protocol

1. קאמרית בנייה והתקנה עוגן עיצוב ובניית תאים – כל אחד בהיקף של עוגן שמוכנס לתוך האדמה ומכסה הממוקם בחלק העליון של העוגן בזמן מדידת שטף – כדי לענות על צורכי ניסוי. בעיצוב צורת תא ואת הגודל, שקלו גורמים מרחביים כגון ריווח יבול שורה, דשן או פסי זבל, וגובה צמח. בגלל בליטה של ​​עוגנים מעל פני הקרקע יכולה לתרום לתופעות מיקרו האקלים וponding מים, רואים שיש המכסים לשבת נמוך על פני הקרקע ככל האפשר. בגלל פשרות קיימות בין גובה חדר ורגישות זיהוי, מכסי עיצוב להיות קצרים ככל הוא ריאלי עבור המערכת תחת מחקר. לבנות תאים של חומר יציב, nonreactive כגון נירוסטה או PVC, וכולל מנגנון לאיטום המכסה על העוגן. לבודד את המכסים ומכסים עם חומר בהיר או רעיוני כדי למנוע הצטברות חוםבזמן מדידה. כולל מחיצה כדי לאפשר איסוף דגימה וצינור אוורור כדי למנוע הפרעות בלחץ במהלך פריסה קאמרית והסרת מדגם. לפרטים נוספים עיינו בטבלת החומרים, פרקין וVenterea 8, וקלית ואח' 10. לפחות יום 1 לפני הדגימה, להתקין עוגנים קאמריים בקרקע באתרים רצויים. שיטת ההתקנה תהיה תלויה בעיצוב חדר, אך באופן כללי, חלות גם בלחץ על פני כל הנקודות כך שהעוגן אינו עיוות או לעוות את מבנה הקרקע. להטביע את העוגן לעומק של 2.5-13 סנטימטר בהתאם לסוג קרקע, זמן פריסה, וקאמרי נפח 6,11. השאר מעט ככל האפשר (לא יותר מ 5 ס"מ) בולטים מעל פני הקרקע. 2. כיול ועיצוב ניסיוני הערה: לפני תחילת הניסוי, בצע את השלבים הבאים כדי לקבוע כמובן זמן דגימה מתאימה שיאפשר הנתוניםלהיות בכושר ליניארי מתאים או מודל שטף שאינו ליניארי (ראה פרקין et al. 12). זה יחייב השימוש בטכניקות מתוארות בשלבים 3-5 (שדה דגימה, ניתוח לדוגמא, וניתוח נתונים). עיתוי אופטימלי הוא פונקציה של שתי המערכת תחת מחקר וממדיהם של תאים בשימוש. קצת ניסוי וטעייה עשוי להיות מעורבת. ראה 13 Venterea לגישות חלופיות. כיול דגימה וניתוח בתנאי ניהול סביבתיים או צפויים לייצר נתיבי גז עקבות גבוהים יחסית, לנהל דגימה אינטנסיבית הבאים טכניקות מתוארות בסעיף 3. שימוש בנקודתי זמן דגימה במרווחים בחוזקה, לאכלס סדרת זמן של משך זמן ארוך יותר ממה שאפשר נחשבים טיפוסי. בגין על ידי דגימה מכמה תאי נציג ב5-10 נקודות זמן מחולק באופן שווה במהלך שעה. ניתוח דגימות על ידי גז כרומטוגרפיה הבא סעיף 4. כיול Interpretatiעל לכל סדרת כיול זמן וכל גז של עניין, עלילה בזמן על ידי ריכוז. ודא ששיעורי השטף הם בקצה הגבוה של הטווח הצפוי. ראה סעיף 5 לחישוב שטף. עיין בסעיף 2.3 לעצות לפתרון בעיות. בדוק גרפים לסימנים של אי – ליניאריות, או ליתר דיוק, plateauing של ריכוזי גז לאורך זמן. הערה: הנקודה שבה ריכוז מתחיל יגיע לשיא תפוקה משתנית לפי סוג דלק, והוא פונקציה של קצב הפקת גז או הצריכה בתוך האדמה, את הריכוז של הגז באמיץ את החדר, ודיפוזיה בין שני האזורים. לכן זה השפיע במידה רבה על ידי תא גובה, עם תאים קצרים מניב זמן קצר לפני הרמה. השתמש בערכות הכיול כדי לקבוע את זמן פריסת חדר האופטימלי למערכת הניסיונית. אם רגרסיה ליניארית תשמש בניתוח הנתונים (כפי שמתואר כאן בסעיף 5), עיתוי בחר ששומר קרוב ליניארי מחדשlationship ככל האפשר בין הזמן וריכוז לכל הגזים / מערכות של עניין, תוך מתן אפשרות למינימום של שלוש, רצוי ארבעה, דגימת פעמים בתוך סדרת הזמן 6. לתאים גבוהים סנטימטר 10-30 משמש לCO 2 ו-N 2 O מדידות, סדרת זמן בדרך כלל נע 20-60 דקות 8,14. פתרון בעיות כיול אם יש בידול ו / או קושי הבחנה ליניאריות או רמה ירוד, משתמש בנקודתי זמן כיול הדוקות או סדרת זמן כיול ארוכה יותר, ולבדוק שריכוזים הם בגבולות זיהוי. לשיעורים נמוכים של שטף, ירידה בשיעור של הצטברות לא יכולה להיות שנצפתה במסגרת הזמן שנבדק. זה לא צריך לגרום לדאגה. אם הנתיבים אינם בקצה הגבוה של הטווח הניסיוני הצפוי, חוזר על כיול, שינוי תנאי טיפול סביבתי או כדי לגרום לשטף גבוה יותר (על ידי החלת דשן או השקיה, לדוגמא). לחלופין,דואר לפחות ארבע נקודות זמן בתכנון ניסוי, כך שאם והנתיבים ניסיוניים הם גבוהים יותר באופן משמעותי מאלו שנצפו בכיול וplateauing מתרחש, ניתן לשלול נקודות זמן מאוחר יותר תוך שמירה על לפחות שלוש נקודות זמן לרגרסיה ליניארית. גישות רגרסיה Curvilinear גם יכולות להיות מועסקות. עיצוב ניסיוני בהתבסס על העיתוי האופטימלי שנקבע בסעיף 2.2.4, לתכנן תכנית דגימה כוללת שלוכדת את כל אתרים הרלוונטיים, טיפולים, ו / או משכפל, ומאפשר לאנשים לנוע דרך אתרי תא ביעילות. במידת צורך, יש לחלק את אתרי חדר לכמה "סיבובים" שנדגמו בזה אחר זה. אם מדידות הן שיש לנקוט כנציג של כל היום, לדוגמא בזמן של יום שבו טמפרטורות הן מתונות יחסית לקיצוניות יומית. במערכות חיתוך ממוזגים טיפוסיות, החלון האידיאלי הוא אמצע לשעתי הבוקר מאוחר. אם דגימות שנאספובסיבובים ברציפות, היזהר שלא להציג את הטיה על ידי דגימת הטיפולים זהים שוב ושוב באותה השעה ביום. לבנות סיבובים מתוך בלוקים של משכפל ולא טיפול אחר טיפול. כולל זמן לכל אמצעי עזר הכרחי שיש לנקוט אם בתוך סיבובים או לפני / אחרי, לפי העניין. (ראה סעיף 3.3 לצעדים נלווים טיפוסיים.) לחלופין, כולל זמן לאיסוף דגימות אוויר סביבה לשימוש במודלים של שטף שאינו ליניארי, או כקירוב מתחיל (זמן אפס ", T 0") ריכוז (לא שתואר כאן). לחלופין, כולל זמן לטעינת גז התייחסות לתוך צלוחיות בעת הדגימה להעריך השפלה מדגם אפשרית בין הדגימה וניתוח. ראה פרקין וVenterea 8 לשיקולי אחסון מדגם. לקבוע את התדירות של מדידות שטף מתאימה למטרות מחקר. זה יכול לנוע בין t מדידה אחתo יומי, מדידות שבועיות או תקופתיות במשך חודשים או שנים. עיין Rochette et al. 14 לדיון מעמיק בשיקולי עיצוב ניסיוני. אם דגימות שנאספו בתנאים קרים, תכנית להכללתו של מכשיר התחממות כגון חבילה חמה עם צלוחיות כדי למנוע septa מלהפוך פריך. 3. דגימת שדה הערה: בכל מועד דגימה, בצע את תכנית הדגימה קבועה בסעיף 2.4, תוך שימוש בטכניקות המתוארות להלן. ציוד ונפח דגימה יכול להשתנות בהתאם לשיטות איסוף והעברה להיות מועסקות ואת כמות המדגם הנדרשת לניתוח GC 8. פרוטוקול זה מנצל 5.9 מיליליטר צלוחיות איסוף ו30 מיליליטר מזרקים, עם שיטת שטיפה של העברת דגימה. ראה דיון על גישות חלופיות. הכנה אם דגימה מתאים מרובים בכל סבב, להכין refe נקודת זמןרשת לורנס (ראה איור 2) כדי לעקוב אחר היכן ומתי לדגום בקלות. לחלופין, לעשות סידורים כדי להקליט כל נקודת זמן במהלך דגימה. טרום תווית ולארגן בקבוקוני אוסף ליעילות מקסימלי וסיכוי מינימאלי של בלבול במהלך דגימה. על מנת לחסוך זמן בעת ​​דגימה, להכין את כל החומרים וציוד מראש. כולל תוספות של כל דבר שעלול לשבור או הולך לאיבוד בקלות (מחטים, מזרקים, וברזים למינים וכו '), ומקום בתיק נשיאה, דלי, או מיכל אחר. להיות מוכן להקליט כל נקודות זמן מאוחרות שיכול לקרות עקב תקלה בציוד או נסיבות בלתי צפויות אחרות, ואשר ניתן לתקן בקלות במהלך ניתוח הנתונים על ידי התאמת הזמן קשור עם מדגם מסוים. אוסף דוגמאות צרף ולאטום את מכסה התא לתא העוגן המותקן מראש, ולהתחיל שעון עצר. זה T 0. מייד לאחר איטום ג המכסהollect מדגם של אוויר הסביבה ממיקום סמוך לקאמרי, בשיאו המשוער של ראש התא: עם מצויד במחט וברזלים במצב הפתוח מזרק מיליליטר ריק 30, לצייר 30 מיליליטר דגימת אוויר ולסגור את ברזלים. זה הוא מדגם T 0. לחלופין, לקחת מדגם T 0 מהתא 6. הערה: Tradeoffs קיים בין שתי הגישות – להעריך מרחביים (מרחק מאתר או מיקרו האקלים החיצוני לדגימות מחוץ) לעומת עיתוי (עיכוב בין סגירת מיכסה ואיסוף דגימה לדגימות בפנים) שיקולים ולקבוע את הטכניקה המתאימה ביותר לציוד בשימוש, ו המערכת הנחקרת. בעזרת מחט המזרק, לנקב את המחיצה של בקבוקון 5.9 מיליליטר אוסף שכבר יש מחט אחרת חטטה ליד הקצה של מחיצת האף. פתח את שסתום המזרק ולהזריק כ 20 מיליליטר של המדגם לתוך הבקבוקון (זה גורם לתוכן הקודם שלבקבוקון להיות מגורש דרך המחט נוספת, הוחלף על ידי מדגם). בתנועה חלקה, להוציא את המחט נוספת, תוך המשך להזריק כמה שיותר המדגם הנותר (כ 10 מיליליטר) ככל האפשר, מעט הבקבוקון כדי להבטיח שלמות מדגם ולאפשר ניתוח של דגימות מרובות במידת צורך 8-pressurizing נגמר. סגור את ברזלים ולמשוך את מחט המזרק ממחצה. סובב את הצנצנת ובתוך הפוך להבחין בין בקבוקונים ללא מילוי. המשך לתא הבא, חזור על השלבים 3.2.1-3.2.6, איטום את המכסה על נקודת T 0 זמן שנקבע מראש הנכונה. תמשיך לחזור על שלבים 3.2.1-3.2.7 עד שכל התאים בסיבוב נאטמו ו0 דגימות T כבר נאספו. לחזור לחדר הראשון. ככל שהזמן מתקרב 10 שניות עד 1 T, לנקב את המחיצה בחלק העליון הקאמרית עם מחט המזרק. בטווח שני 10 של 1 T, שנינותhdraw מדגם 30 מיליליטר של אוויר מבתוך החדר ולסגור את הברז. הסר את מחט המזרק ממחיצת החדר. להעביר את הדגימה לבקבוקון אוסף ביצוע שלבי 3.2.3-3.2.6. תמשיך לאסוף דגימות ביצוע שלבי 3.2.10-3.2.12, על פי תכנית הדגימה קבועה בסעיף 2.4. אמצעים נלווים על מנת להמיר את ריכוז גז למסה, למדוד את טמפרטורת האוויר בזמן הדגימה. בהתאם למטרות מחקר, להקליט או לבצע צעדים נלווים אחרים כגון טמפרטורת קרקע ותוכן לחות קרקע במיקום זה ו / או בזמן, כמות משקעים יומיות, צפיפות בצובר אדמה, חנקתי קרקע וריכוזי אמוניום, וכו 'אמצעים שונים קיימים כדי להשיג אמצעים אלה – בצע את הפרוטוקולים סטנדרטיים. לחלופין, לאסוף דגימות סביבה אוויר ו / או תקני שדה עומס של ריכוזים ידועים לתוך צלוחיות להעריך ריכוזי גזי חממה סביבה ואני השפלה אחסון בקבוקון פוטנציאלn בתקופה שבין דגימה וניתוח (ראה סעיפים 2.4.1.4 ו2.4.1.5). 4. ניתוח מדגם קבע את הריכוז של גזים של עניין לכל דגימה על ידי גז כרומטוגרפיה, באמצעות מצויד בגלאי אלקטרונים ללכוד עבור N 2 O, מנתח גז אינפרא אדום או גלאי מוליכות תרמית לCO 2, וגלאי יינון להבה לCH 4 ציוד. שים לב: זה חיוני כדי להשיג גישה למכשיר, כי הוא מוגדר כראוי לצורך ניתוח גזי חממה ויש לו זמן ריצה מספיק זמין. עקרונות ושיטות לגז כרומטוגרפיה מתוארים במקומות אחרים 5,15,16. המרת ריכוז גז עקבות מנפח למסה באמצעות חוק הגז האידיאלי: PV = NRT איפה = לחץ P, V = נפח, n = שומות של גז, R = קבוע גז החוק, וT = טמפרטורה. כך: <img alt="משוואת 1"עבור: תוכן width = "4in" רוחב src = "/ files/ftp_upload/52110/52110eq1.jpg" = "400" /> 5. ניתוח נתונים לכל סדרה זמן, להעריך עלילה בזמן על ידי ריכוז וליניאריות. להעריך באמצעות טיב התאמה או על ידי בדיקה ויזואלית, למעט נקודות זמן מאוחר יותר מראים סימנים של רמה מניתוח נוסף. השתמש במינימום של שלוש נקודות זמן כולל T 0 לחישוב שטף (T 0, 1 T, T 2 …). להקים פרוטוקול עולה בקנה אחד, ולדחות כל סדרת זמן שלא יעמוד בסטנדרטים ששל הפרוטוקול ליניאריות. ראה פרקין וVenterea 8 לדיון מעמיק של טעות, הטיה, ושונות בחישוב שטף. לבצע רגרסיה ליניארית. השתמש בשיפוע של רגרסיה לחישוב שטף: F = • V • S -1 כאשר F = שטף, S = שיפוע של רגרסיה, V = תא על עוצמת קול, ו= קאמריאזור. כך: הערה: עיין בדיון ופרקין ואח' 12 לגישות שאינן ליניארי לשטף חישוב..

Representative Results

לפני תחילת פרויקט מחקר בתאי סטטי, חשוב להבין את זרימת העבודה הכללית, וארגון בסיליקו, שדה ואלמנטים מבוססי מעבדה (איור 1). המסופק על תכנון זהיר ניסיוני וכיול מערכת (איור 2), ניתוח נתונים בדרך כלל להיות פשוט יחסית. שיעור של שטף נקבע לכל תא וזמן דגימה על ידי רגרסיה של זמן על ידי ריכוז תוך שימוש במודל שטף נקבע מראש מתאים למערכת (איור 3). עם זאת, גם שיטות עבודה מומלצות הבא, ייתכן ויהיה קושי, ובקרת איכות של הנתונים גולמיים היא קריטית. לדוגמא, כישלון של חותם קאמרי או בקבוקוני מדגם דולפים יכול לגרום לערכי ריכוז חריגים. אלה מזוהים בקלות באמצעות בדיקה ויזואלית של חלקות ריכוז סדרת הזמן (איור 4), עם סדרת 2 זמן CO לעתים קרובות משמשת בעיקר usefuמחוון l בשל השטף בדרך כלל חזק יותר ומתמשך של CO 2 בהשוואה ל, סמוך לזיהוי מגבלה לפעמים זניחה, או אפילו נתיבים שליליים של N 2 O או 4 CH. ברגע שאיכות הנתונים כבר אישרה, תוצאות עשויות לשמש כדי להשוות דינמיקת שטף גז בין טיפולים או במהלך עונה (איור 5). כפי שניתן לראות מערכי שטף חודשים מאי ויוני וברים שגיאה, הווריאציה שנגרמה על ידי הטרוגניות המרחבית של שטף עשויה להיות משמעותית, ובולט יותר בתנאי ייצור שיעורים גבוהים של שטף. השתנות כזה היא לא יוצאת דופן, ומדגישות את החשיבות של שכפול מספיק בטכניקה זו. איור 1. סקירת זרימת עבודה. אלמנטים שונים של פרוטוקול זה תבוצע בשלב התכנון, בשדה, במעבדה, ואניסיליקו n. חצים מצביעים על הרצף של זרימת עבודה, החל מעיצוב תא (ובנייה במידת צורך), וכלה בניתוח הנתונים. תיבות / חצים מרובים בין דגימת שדה וניתוח מדגם מייצגים את האפשרות של תאריכי דגימה מרובים במהלך ניסוי. איור 2. עיתוי לדוגמא. ערכת עיתוי דוגמא לאיסוף דגימות מתאים מרובים בו זמנית. מספרי הלשכה מסומנים בנקודות משמאל ופעם בראש, עם זמני דגימה מופיעים בדקות שלמות בתוך הרשת. בדוגמא זו, ארבע סדרות זמן נפרדות של 36 דקות כל אחד (אחד לכל תא) מתבצעות בתוך המרחב של 46 דקות, עם 12 מרווח דק בין נקודות זמן בתוך סדרה, ו2 זמן הליכה דקות בין תאים. לדוגמא היפותטית זו, suitability סדרת זמן 36 דקות של היה נקבע על ידי כיול קודם. אמנם עיתוי מחולק באופן שווה אין צורך, זה בדרך כלל מפשט את תכנית הדגימה. לחלופין, חוקרים יכולים בנפרד להקליט כל timepoint דגימה כדי לקבוע מרווחי דגימה. איור 3. חישוב שטף. סדרה טיפוסית סטטית קאמרי זמן, בהיקף של N 2 O ריכוזים שנמדדו בארבע נקודות זמן במהלך תקופת דגימה 36 דקות. רגרסיה ליניארית מוצגת, השיפוע של אשר מניב קצב זרימה. שליטת 4. איכות איור. מותאם סדרת זמן מאותו הסט של דגימות אבל גזים שונים מוצגות בWHIדליפת בקבוקון ch זוהתה על ידי בדיקה חזותית (נקודה אדומה).) 2 ריכוז CO לאורך זמן. ב ') N 2 O ריכוז לאורך זמן. שיעור איור 5. תוצאות סינתזה. N 2 O שטף משדה חקלאי במהלך עונת גידול אחת. ערכי שטף מייצגים את הממוצע של שישה תאים, סדרת זמן ארבע נקודות משתמשים. ברים שגיאה הם שגיאה סטנדרטית.

Discussion

הגישה מבוססת תא סטטי שתוארה כאן היא שיטה יעילה למדידת שטף גזי חממה ממערכות קרקע. הפשטות היחסית של מרכיביו הופכת אותו מתאימה במיוחד לתנאים או מערכות שבהן יותר שיטות תשתית עתירות אינן מעשיות. על מנת להפיק נתונים באיכות גבוהה, לעומת זאת, הגישה הקאמרית סטטי חייבת להתבצע עם תשומת לב קפדנית לעיצוב ניסיוני 6. שיקול בולט אחד שיש לקחת בחשבון הוא את השונות המרחבית של נתיבי גז קרקע, אשר עלול לגרום לשונות גבוהות בין מדידות המבוסס על תא לשכפל. בתכנון ניסויים, ולכן, חשוב לכלול מספיק חזרות כדי לספק כוח מתאים לניתוח סטטיסטי. פשרות עשויות להתקיים בין מספר הטיפולים שניתן ללמוד תוך שמירה על שכפול מספיק, ומינימום של ארבע חזרות לכל טיפול הוא קו מנחה כללי 14.

ontent "> אם והנתיבים נמדדו ישמשו כדי לאמוד את הפליטה יומית, וריאציות יומי בטמפרטורת אוויר, טמפרטורת קרקע, ופליטת גזים חייבים להילקח בחשבון. אם מטרות מחקר דורשות מדידות שתתקבל באמצע הבוקר כאשר טמפרטורות משקפות ממוצעים יומי, החלון המוגבל לדגימה עשוי להשפיע על מספר התאים שיתכן יכולים להיות פיקוח. תמורה נוספת שמוערכת היא ההשפעה שהכללה או אי הכללה של שורשי צמח ומעל לביומסה קרקע תהיה בנתיבי גז. יחסי מיקום הלשכה לשתול רקמות להשפיע על הפרשנות של נתונים שטף, במיוחד במקרה של ה-CO 2 שבו לא רק נשימה של חיידקים, אלא גם שורש ולירות נשימה ופוטוסינתזה חייבת להיות כראוי מאוזנות. לדיון נוסף בגורמים אלה, ראו פרקין וVenterea 8.

כפי שצוין קודם לכן, וריאציות רבות על מתודולוגיה זו קיימות, כולל עיצוב תא ודגימהנפח. וריאציה אחת כזו היא בשיטה המועסקות על מנת להעביר דגימות בין המזרק ובקבוקון אוסף. הטכניקה המתוארת כאן גלי ראשונה בקבוקון האוסף עם מדגם לפני מילוי הבקבוקון ללחץ חיובי 5. טכניקה נפוצות יותר היא ההעברה של דגימות ממזרקים לבקבוקונים, כי כבר מראש פינה-באמצעות משאבת ואקום, ואת השימוש בבקבוקונים שאינם מפונים ללא שטיפה דווח 8,17 גם. עוד נקודה משמעותית שבו מגוון של גישות קיימת היא בניתוח הנתונים והבחירה של מודל השטף המתאים ביותר למערכת תחת מחקר. בנוסף לשיטת רגרסיה ליניארית שתוארה כאן, מודלים שאינם ליניארי עשויים גם להיות מועסקים, ובמיוחד בזמנים פריסה ארוכים יותר נמצאים בשימוש. מודלים אלה כוללים את האלגוריתם שפותח על ידי הצ'ינסון וMosier 18 ונגזרות ממנו 19,20, ההליך ריבועית שתואר על ידי וגנר ואח'. 21, והלא יציביםאומדן שטף diffusive מדינה תואר על ידי ליווינגסטון et 22 אל. לדיון מעמיק במודלי שטף שאינו ליניארי, עיין בפרקין et al. 12 וVenterea אח' 23.

שיטות דומות לגישה הקאמרית סטטית כוללות שימוש במערכות מדידת זרימה דרך אינפרא אדום עם העברה פורייה ספקטרומטריית (FTIR) כחלופי למזרק כרומטוגרפיה דגימה וגז, כמו גם אוטומציה של סגירת תא ודגימה באמצעים שונים. מערכות אוטומטיות תאפשר מדידות תכופות יותר עם אנשים מופחתים, אלא גם דורשות השקעות בתשתית נוספות. גרייס et al. 24 לספק סיכום נרחב של אפשרויות ופשרות בN מבוסס תא האוטומטי 2 O מדידה.

אפיון של שטף גזי חממה משני מנוהל ומערכות טבעיות חשוב ליידע מודלים מבוססי תהליך, להבין את ההשפעות של managemeשיטות עבודה וNT להודיע ​​אסטרטגיות להפחתה, ולתמוך חשבונאי גלובלי ושינויי אקלים דוגמנות. וכך, בעוד מחקרים בודדים הם אינפורמטיבי בקנה המידה המקומי, הרבה ערך נוסף נגזר דרך לתרום ל, וציור מ, גוף עולמי של ידע על חילוף גזים בין הנוף והאווירה. זה מפתח, אם כן, הנתונים שייאספו ודיווחו באופן שמבטיח אריכות ימים ויכולת פעולה הדדית עם בסיס הידע הרחב יותר. זה כולל שיטות עבודה מומלצות הבא על מנת להבטיח איכות נתונים, כמו גם אוסף של צעדים נלווים ודיווח המקיף של מטה כדי לאפשר הרחבה של ממצאים מעבר למחקרים נפרדים. הנחיות מצוינות לדיווח הנתונים זמינות מפרויקט GRACEnet וGRA 25.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant Number 1215858, by the US Department of Agriculture under Grant Number 2013-68002-20525, and by the US Department of Energy Great Lakes Bioenergy Research Center – DOE BER Office of Science (DE-FC02-07ER64494) and DOE OBP Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (DE-AC05-76RL01830). In-field video and images were recorded at the Wisconsin Integrated Cropping System Trial project of the University of Wisconsin–Madison. The authors are grateful to Ryan Curtin for skillful videography and editing.

Materials

5.9 ml soda glass flat bottom 55 x 15.5 mm Labco Limited 719W Collection vials
16.5 mm screw caps with pierceable rubber septum Labco Limited VC309 Caps for  vials
90-well plastic vial rack, 17.1 mm well I.D. Wheaton 868810 Rack for organizing vials
Regular bevel needles 23G x 1" BD 305193 Needles for sample collection
Stopcocks with luer connections, 1-way, male slip Cole-Parmer EW-30600-01 Stopcocks for syringes
30 ml syringe, slip tip BD 309651 Syringes for sample collection
Stopwatch or timer Various N/A For timing field sampling
Stainless steel or galvanized utility pans with rim, or fabricated stainless steel or PVC chambers and lids, dimensions as appropriate to experimental system Various N/A Chamber anchor and lid – bottom cut out of anchor, holes for septum and vent tubing bored in lid
Gray butyl stoppers 20 mm Wheaton W224100-173 Chamber septa for syringe sampling – insert into hole bored in lid top
Tygon tubing 4.0 mm I.D. x 5.6 mm O.D. Sigma-Aldrich Z685623 Chamber vent tubing – insert in hole bored in lid side, flush with exterior, approximately 25 cm coiled in lid interior (a 1ml syringe tip may be used as an attachement mechanism)
Adhesive foam rubber tape or HDPE O-ring Various N/A Chamber sealing mechanism – fastened to underside of lid rim
Reflective  insulation, 0.3125" thickness Lowe's 409818 Insulating and reflective coating – affix to exterior of chamber lid
Large metal binder clips, 2" size with 1" capacity, or manufactured draw latch as appropriate Staples / McMaster 831610 (Staples) / 1863A21 (McMaster) Lid attachment mechanism – for clamping lid to anchor during sampling
Gas chromatography equipment fitted with electron capture detector for nitrous oxide, infrared gas analyzer or thermal conductivity detector for carbon dioxide, flame ionization detector for methane Various N/A For sample analysis
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Myhre, G., Stocker, T. F., et al. Anthropogenic and Natural Radiative Forcing. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. , (2013).
  2. Denmead, O. T. Approaches to measuring fluxes of methane and nitrous oxide between landscapes and the atmosphere. Plant and Soil. 309 (1-2), 5-24 (2008).
  3. Smith, K. A., et al. Micrometeorological and chamber methods for measurement of nitrous oxide fluxes between soils and the atmosphere: Overview and conclusions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 99 (1984-2012), 16541-16548 (1984).
  4. Bouwman, A. F., Boumans, L. J. M., Batjes, N. H. Emissions of N2O and NO from fertilized fields: Summary of available measurement data. Global Biogeochemical Cycles. 16 (4), 1058 (2002).
  5. Hensen, A., Skiba, U., Famulari, D. Low cost and state of the art methods to measure nitrous oxide emissions. Environmental Research Letters. 8 (2), 025022 (2013).
  6. Rochette, P., Eriksen-Hamel, N. S. Chamber Measurements of Soil Nitrous Oxide Flux: Are Absolute Values Reliable. Soil Science Society of America Journal. 72 (2), 331 (2008).
  7. Robertson, G. P. Greenhouse Gases in Intensive Agriculture: Contributions of Individual Gases to the Radiative Forcing of the Atmosphere. Science. 289 (5486), 1922-1925 (2000).
  8. Parkin, T. B., Venterea, R. T., Follet, R. F. Chamber-Based Trace Gas Flux Measurements. In: Sampling Protocols. http://www.ars.usda.gov/research/GRACEnet. 3 (1), 3-39 (2010).
  9. Klein, C., Harvey, M. Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , 1-146 (2013).
  10. Clough, T. J., Rochette, P., Thomas, S. M., Pihlatie, M., Christiansen, J. R., Thorman, R. E., deKlein, C., Harvey, M. Chamber Design. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , (2013).
  11. Hutchinson, G. L., Livingston, G. P. Vents and seals in non-steady-state chambers used for measuring gas exchange between soil and the atmosphere. European Journal of Soil Science. 52 (4), 675-682 (2001).
  12. Parkin, T. B., Venterea, R. T., Hargreaves, S. K. Calculating the Detection Limits of Chamber-based Soil Greenhouse Gas Flux Measurements. Journal of Environment Quality. 41 (3), 705 (2012).
  13. Venterea, R. T. Simplified Method for Quantifying Theoretical Underestimation of Chamber-Based Trace Gas Fluxes. Journal of Environment Quality. 39 (1), 126 (2010).
  14. Rochette, P., Chadwick, D. R., de Klein, C., deKlein, C., Harvey, M. Deployment Protocol. In: Nitrous Oxide Chamber Methodolog Guidelines. Ministry for Primary Industries. (3), (2013).
  15. . Fundamentals of Gas Chromatography. Agilent Technologies, Inc. , 1-60 (2002).
  16. Holland, E. A., Robertson, G. P., Greenberg, J., Groffman, P. M., Boone, R. D., Gosz, J. R., Robertson, G. P., Coleman, D. C., Bledsoe, C. S. Soil CO2, N2O, and CH4 Exchange. Standard Soil Methods for Long-Term Ecological Research. , (1999).
  17. Venterea, R. T., Burger, M., Spokas, K. A. Nitrogen Oxide and Methane Emissions under Varying Tillage and Fertilizer Management. Journal of Environment Quality. 34 (5), 1467 (2005).
  18. Hutchinson, G. L., Mosier, A. R. Improved soil cover method for field measurement of nitrous oxide fluxes. Soil Science Society of America Journal. 45 (2), 311-316 (1981).
  19. Pedersen, A. R., Petersen, S. O., Vinther, F. P. Stochastic diffusion model for estimating trace gas emissions with static chambers. Soil Science Society of America Journal. 65, 49-58 (2001).
  20. Pedersen, A. R., Peterson, S. O., Schelde, K. A comprehensive approach to soil-atmosphere trace-gas flux estimation with static chambers. European Journal of Soil Science. 61, 888-902 (2010).
  21. Wagner, S. W., Reicosky, D. C., Alessi, R. S. Regression models for calculating gas fluxes measured with a closed chamber. Agronomy Journal. 89, 279-284 (1997).
  22. Livingston, G. P., Hutchinson, G. L., Spartalian, K. Trace gas emission in chambers. Soil Science Society of America Journal. 70, 1459-1469 (2006).
  23. Venterea, R. T., Parkin, T. B., Cardenas, L., Petersen, S. O., Pedersen, A. R., deKlein, C., Harvey, M. Data Analysis Considerations. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. (6), (2013).
  24. Grace, P., van der Weerden, T. J., Kelly, K., Rees, R. M., Skiba, U. M., deKlein, C., Harvey, M. Automated Greenhouse Gas Measurement in the Field. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , (2013).
  25. Alfaro, M. A., Giltrap, D., Topp, C. F. E., de Klein, C., deKlein, C., Harvey, M. How to Report Your Experimental Data. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , (2013).

Tags

Greenhouse Gas FluxStatic Chamber MethodSoil-atmosphere ExchangeCarbon DioxideNitrous OxideMethaneLandscape ManagementClimate ChangeBiogeochemical DriversGHG Mitigation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Collier, S. M., Ruark, M. D., Oates, L. G., Jokela, W. E., Dell, C. J. Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers. J. Vis. Exp. (90), e52110, doi:10.3791/52110 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image