Оценка метана и закиси азота потоков от рисовые поля с помощью статического закрытое камер, поддержание растений в пределах Headspace
Summary
Общая цель настоящего Протокола заключается в том, для измерения выбросов парниковых газов из рисовых полей с использованием метода статического закрытой камере. Система измерения нуждается конкретные корректировки, вызванные присутствие постоянной водой слой в поле и растений в пределах headspace камеры.
Abstract
Этот протокол описывает измерение выбросов парниковых газов (ПГ) из рисовых почв с использованием метода статического закрытой камере. Этот метод основан на теории диффузии. Известный объем воздуха, наложением определенных почвы области заключен в оболочке параллелепипед (названный «палата»), на определенный период времени. В этот период корпус газов (метана (CH4) и закиси азота (N2O)) перейти от воздуха поры почвы вблизи их микробиологических источников (т.е., Метаногены, нитрифицирующие, denitrifiers) к камере headspace, следуя естественным градиент концентрации. Потоков затем оцениваются от камеры headspace вариации концентрации пробы на регулярной основе на протяжении всего корпуса и затем анализируются с газовой хроматографии. Среди методов, доступных для измерения ПГ статические закрытой камере метод подходит для печати экспериментов, как он не требует, что большим содержанием однородно обрабатывают участки почвы. Кроме того он является управляемым с ограниченными ресурсами и можно определить отношения между свойств экосистемы, процессов и потоков, особенно в сочетании с ПГ вождения измерения силы. Тем не менее в отношении микрометеорологических метод, он вызывает минимальный, но по-прежнему неизбежно почвы помеха и позволяет незначительные временное разрешение. Несколько этапов являются ключом к реализации метода: i) Палата проектирования и развертывания, ii) образец обработки и анализа и iii) флюса оценки. Успех осуществления техника на рисовых полях требует корректировки для поля наводнения в течение большей части цикла выращивания сельскохозяйственных культур и риса Торо в камере headspace во время измерений. Таким образом, дополнительные элементы для рассмотрения в отношении обычного приложения не затопления сельскохозяйственных почв состоит из устройства для: i) избегая любых нежелательных воды нарушения, которые могли бы переоценить потоков и ii) включая растений риса в рамках headspace камеры в полной мере учитывать газов через Аэренхима транспорта.
Introduction
Сельское хозяйство является производственный сектор, который, вместе с лесного хозяйства и другим видам землепользования, производит около 21% от глобальных выбросов ПГ1. Точное измерение выбросов ПГ сельскохозяйственных почв является ключом не только установить надлежащую роль определения агроэкосистем как источника и приемника в климата изменения2, но и для определения надлежащего и эффективного смягчения последствий стратегий в рамках в рамках Парижского соглашения целей.
Микрометеорологических методы или закрытой камере техника3измеримы потоков выбросов двух наиболее важных парниковых газов, производимых сельскохозяйственных почв (т.е., N2O и CH4). Подавляющее большинство исследований, представления данных о выбросах ПГ из почвы за последние три десятилетия применяется закрытой камере техника4,5 , который был впервые описан в 1926 году6. Было предпринято несколько усилий технику, и преодолеть все источники экспериментальной артефакт и смещения7,8,9,10,11,12 ,,1314. Конкретных протоколов, скомпилированные в разное время, направленных на стандартизацию методологии15,16,,1718,19, и по-прежнему являются научные попытки по внедрению наилучшей практики, используя технику и сведении к минимуму необъективности в смете потока.
Статические закрытой камере техника, применение которых в почвах рисовых описан в этом документе, основывается на теории диффузии и предусматривает точный период корпус известный объем воздуха выше часть поверхности почвы. В корпусе, CH4 и N2O молекул миграции путем диффузии вдоль естественной градиента концентрации от воздуха поры почвы, где они производятся конкретными микроорганизмами (Метаногены в случае CH4; нитрифицирующие и denitrifiers для N2O), в воздух огороженными headspace камеры, в конечном счете через затопление водой или Аэренхима завод. Концентрации двух газов в камере headspace возрастать с течением времени, и возникновение этих увеличений обеспечивает для оценки потока.
Применительно к микрометеорологических методам закрытой камере измерения часто предпочитали для различных типов использования земель и экосистем при изучении ПГ флюсы на масштаб печати, потому что они не обремененные большой однородное поле2 или высокое материально-технических и инвестиционных требований20. Кроме того они позволяют одновременно анализ манипулировать экспериментов, например различные агрономической практики или другие области лечения12,21. Наконец метод позволяет выявить взаимосвязи между свойств экосистемы, процессов и потоков. Кроме того два основных недостатка техники включают относительно неэффективных исследования пространственной и временной гетерогенности и последствия нарушения почвы из-за камеры развертывания22. Однако, этих недостатков можно по крайней мере частично, с преодолеть: дизайн надлежащего камеры (для минимизации помех почвы), принятие достаточное количество реплицирует (для изучения пространственная изменчивость) и автоматизированное использование системы, которая позволяет активизировать Частота ежедневных измерений (для учета дневной изменчивости) или обычный (то же время суток) измерения (чтобы исключить влияние температуры в остаточная изменчивость).
Первое применение метода рисовом поле восходит к начале 80-х23и основные особенности его использования по нагорных поля являются наличие затопления водой на почву и необходимость включения растений в пределах headspace во время палата корпус. Как тщательно описаны в этом документе первый признак подразумевает необходимость конкретных систем для предотвращения нарушения воды во время измерения событий, чтобы избежать потока завышению сметных расходов, вызванных турбулентность индуцированной расширение газовой диффузии через затопление водой. Вторым важным черта является для учета транспортировки газа через Аэренхима Райс, составляет до 90% выбросов CH424, которая требует надлежащего устройства включить растений во время измерения событий.
Protocol
Representative Results
Discussion
Применение статического метода закрытой камере в риса-сырца состоит из пяти основных этапов, в соответствующие основные разделы, указанные в настоящем Протоколе. Каждый этап содержит критические точки которого необходимо знать, и показателей для проверки успешного осуществления фазы, приводится на рисунке 4.
Большинство критических точек, описанные на рис. 4 , уже рассматриваются в протокол и может быть легко решена, следуя рекомендации, включенные. Каверзных критической точки настоящего Протокола является расчет потоков на основе вариации концентрации ПГ во время корпус камеры. Также при использовании пакета HMR для вычислений, это целесообразно выбрать лучшие модели для применения, независимо от HMR предложение, на основе визуального восприятия. Это даже более важно, при концентрации в время отходить от ожидаемого поведения последовательное увеличение или уменьшение.
В структуре основных принципов, особенно связанные с камеры геометрии (палата также может быть цилиндрической), палата материал (любой проницаемой, реактивной, не источников/поглотителей газа возможны несколько вариантов описаны методики молекулы, и простой в использовании материала, например тефлон, который подходит, но дороже) и тип ПГ анализатора (имеются портативные системы которые не требуют передачи газа в шприцов и флаконов). Тем не менее измерения потоков ПГ из почвы ключевой шаг необходим для мониторинга источников изменения климата, чтобы понять процессы, ведущие к выбросам, изучение эффективности стратегий смягчения возможных последствий и сообщить модели для прогнозирования будущих сценарии. Это более важно чем когда-либо принимать общие протоколы, которые будут строить единого свода знаний для мониторинга агроэкосистем для глобального бюджета выбросов ПГ.
Здесь закона идеального газа применяется расчет молярный объем реальных газов. Это приложение широко используется и принята в организме определенных литературы, и аппроксимации идеального газа могут быть использованы с разумной точностью30.
Наконец, в зависимости от экспериментальных вопросов для рассмотрения в контексте измерения ПГ, рассмотреть измерение основными драйверами CH4 и N2O выбросы, например, температуру почвы, redox потенциал почвы поры растворенных органических Концентрации углерода, почвенных поровых нитраты и концентрации аммония.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарны Марко Романи и Франчески Элеонора Miniotti и сотрудников научно-исследовательских центр из Ente Национале Risi, который принимал экспериментальных суда, где был создан видео. Мы также хотим поблагодарить Francesco Alluvione для первого научного вспышки привело к реализации протокола и Джоан Леонард для ее драгоценной работы английского редактирования рукописи.
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).
