مقالة منهجية

قياس الجريان غازات الاحتباس الحراري من الأراضي الزراعية عن طريق الغرف ثابت

46.4K مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/52110

⸱

أغسطس 3, 2014

 ,  ,  ,  , 
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

في هذه المقالة

ملخص

تعرض هذه المقالة الطريقة القائمة على الغرفة الثابتة لقياس تدفق غازات الاحتباس الحراري من أنظمة التربة. مع استثمارات متواضعة نسبيا في البنية التحتية ، يمكن الحصول على القياسات من علاجات / مواقع متعددة وعلى مدى أطر زمنية تتراوح من ساعات إلى سنوات.

الملخص

يعد قياس تدفقات غازات الدفيئة (GHG) بين التربة والغلاف الجوي ، في كل من النظم البيئية المدارة وغير المدارة ، أمرا بالغ الأهمية لفهم الدوافع البيوجيوكيميائية لتغير المناخ ولتطوير وتقييم استراتيجيات التخفيف من غازات الدفيئة بناء على تعديل ممارسات إدارة المناظر الطبيعية. تعتمد الطريقة القائمة على الغرفة الثابتة الموصوفة هنا على احتجاز الغازات المنبعثة من سطح التربة داخل الغرفة وجمع العينات من مساحة رأس الغرفة على فترات منتظمة لتحليلها بواسطة كروماتوغرافيا الغاز. يستخدم التغيير في تركيز الغاز بمرور الوقت لحساب التدفق. يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس التدفق القائم على المناظر الطبيعية لثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز والميثان ، ولتقدير الاختلافات بين العلاجات أو استكشاف ديناميكيات النظام على مدار المواسم أو السنوات. متطلبات البنية التحتية متواضعة ، لكن التصميم التجريبي الشامل ضروري. يتم نشر هذه الطريقة بسهولة في الميدان ، وتتوافق مع المبادئ التوجيهية المعمول بها ، وتنتج بيانات مناسبة لدراسات انبعاثات غازات الدفيئة واسعة النطاق.

المقدمة

يعد فهم مساهمات كل من الأنشطة البشرية والنظم الطبيعية في الخصائص الإشعاعية للغلاف الجوي مجالا ذا أهمية حاسمة حيث نسعى جاهدين للتخفيف من المساهمات البشرية في تأثير الاحتباس الحراري. بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، يعد أكسيد النيتروز (N2O) والميثان (CH4) أيضا غازات دفيئة قوية ، حيث تمثل ما يقدر بنحو 7٪ و 19٪ من الاحتباس الحراري ، على التوالي ، مع غالبية الانبعاثات القادمة من مصادر المناظر الطبيعية1،2. تتراوح هذه من الأنظمة المدارة مثل الحقول الزراعية وحقول الأرز ومدافن النفايات إلى الأنظمة الطبيعية مثل أرضيات الغابات والأراضي الرطبة وتلال النمل الأبيض. يعد القياس الدقيق ودعم النمذجة المستنيرة لمثل هذه الانبعاثات القائمة على المناظر الطبيعية أمرا بالغ الأهمية من أجل فهم دوافع تغير المناخ وكذلك لتحديد فرص التخفيف.

توجد مجموعة متنوعة من استراتيجيات قياس غازات الاحتباس الحراري ، ولكل منها نقاط قوتها وضعفها2-5. تعتمد تقنيات موازنة الكتلة على تشتت الغازات القائمة على الرياح وهي مناسبة لقياس التدفق من مصادر صغيرة ومحددة جيدا مثل مدافن النفايات ومراعي. تعتمد مناهج الأرصاد الجوية الدقيقة مثل التغاير الدوامي على القياس المباشر في الوقت الفعلي لتدفق الغاز الرأسي ، ويمكن أن توفر قياسات مباشرة على مساحات واسعة. ومع ذلك ، فإن التجانس في تضاريس المصدر هو افتراض ضمني (من حيث أن القياسات تسفر عن متوسط للمنطقة قيد الدراسة) ، ويمكن للبنية التحتية المكلفة أن تحد من إمكانيات النشر. أخيرا ، تركز الطرق القائمة على الغرفة على التغيير في تركيز الغاز على سطح التربة عن طريق أخذ العينات من مساحة رأس مقيدة فوق الأرض. إنها تسمح بالحصول على القياسات من مناطق صغيرة والعديد من المعالجات ، ولكنها تخضع لمعاملات تباين عالية بسبب التباين المكاني في تدفق غاز التربة.

نناقش هنا الشكل الأكثر انتشارا وسهولة التنفيذ للقياس القائم على الغرفة ، باستخدام نوع الغرف المغلقة بدون تدفق الهواء التي يشار إليها عادة باسم الغرف "الثابتة" أو "غير المستقرة غير المتدفقة". في هذا النهج ، يتم احتجاز انبعاثات الغازات من سطح التربة داخل غرفة تهوية ، ويتم تحديد معدلات التدفق عن طريق قياس التغير في تركيز الغاز بمرور الوقت داخل مساحة رأس الغرفة. تم نشر تقنية الغرفة الثابتة على نطاق واسع عبر كل من المناظر الطبيعية المدارة والطبيعية وتدعم الجزء الأكبر من البيانات التي تبلغ عن التدفق القائم على التربة لغازات الاحتباس الحراري ، ولا سيما N2O6،7. إنه مناسب بشكل مثالي لدراسة قطع الأراضي التجريبية الصغيرة ، أو المواقع المتنوعة على التضاريس المتغيرة ، أو في المواقف الأخرى التي يجب فيها دراسة مواقع متميزة متعددة دون استثمارات كبيرة في البنية التحتية. قد تشمل الاستخدامات التجريبية النموذجية استكشاف ممارسات إدارة المناظر الطبيعية البديلة وتأثيرها على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون2 و / أو N2O و / أو CH4 القائمة على التربة ، وفحص ديناميكيات التدفق القائمة على المناظر الطبيعية في ظل سيناريوهات تغير المناخ المستحثة بشكل مصطنع مثل الاحترار واستبعاد / تكميل هطول الأمطار ، أو الدراسة الوصفية للنظم الإيكولوجية والنظم الفرعية الطبيعية والزراعية.

كأداة مهمة في قياس غازات الدفيئة وتقدير التدفق ، تم تقييم طريقة الغرفة الثابتة بدقة ، وتم بذل جهود كبيرة نحو توحيد التقنيات وتنسيق تقارير البيانات4،6،8،9. وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى المراجعات التفصيلية والمبادئ التوجيهية التي أصدرتها وزارة الزراعة الأمريكية - شبكة الحد من غازات الاحتباس الحراري من خلال شبكة تعزيز الكربون الزراعي (GRACEnet) 8 والتحالف العالمي للبحوث حول غازات الاحتباس الحراري الزراعية (GRA)9. توفر هذه المبادئ التوجيهية موردا ومنصة لا تقدر بثمن للتنسيق ، حيث أن قابلية التشغيل البيني للبيانات من عدد لا يحصى من الدراسات أمر بالغ الأهمية لتوسيع نطاق النتائج المحلية إلى النمذجة العالمية ، وترجمة نتائج البحوث إلى استراتيجيات تخفيف قابلة للتطبيق.

GRACEnet و GRA وغيرها من المراجعات تسلط الضوء أيضا على حقيقة أن تقنيات محددة في قياس تدفق غازات الاحتباس الحراري القائمة على الغرفة الثابتة متنوعة للغاية ، مع وجود اختلافات منهجية كبيرة ممكنة في كل خطوة تقريبا على الطريق ، بما في ذلك تصميم الغرفة ، والنشر الزمني والمكاني ، وأحجام أخذ العينات ، وتحليل العينات ، وحسابات التدفق. تقدم الطريقة الموصوفة هنا متغيرا محتملا واحدا ، مع عرض أفضل الممارسات وتسليط الضوء على الاعتبارات الحاسمة لتوليد بيانات عالية الجودة وقابلة للنقل على نطاق واسع. والغرض منه هو توفير نظرة عامة يسهل الوصول إليها عن هذا الإجراء الموحد، ومنصة يمكن من خلالها استكشاف المزيد من الفروق الدقيقة والاختلافات الموصوفة في الأدبيات.

البروتوكول

1. البناء وغرفة مرساة التثبيت

  1. تصميم وبناء غرف - يتألف كل منها من مرساة التي يتم إدراجها في التربة والغطاء الذي يوضع على الجزء العلوي من المرساة خلال قياس التدفق - لتلبية احتياجات التجريبية.
    1. في تصميم شكل الغرفة وحجم، والنظر في العوامل المكانية مثل تباعد الصفوف المحاصيل والأسمدة أو السماد النطاقات، وارتفاع النبات. لأن بروز المراسي فوق سطح التربة يمكن أن تسهم في آثار المناخ المحلي والبرك المائية، والنظر في وجود الأغطية الجلوس منخفضة تصل إلى سطح التربة ممكن. بسبب وجود المفاضلات بين الغرفة وارتفاع حساسية الكشف، والأغطية التصميم لتكون قصيرة قدر ممكن عمليا لنظام قيد الدراسة.
    2. بناء غرف قوي، والمواد متأخرا مثل الفولاذ المقاوم للصدأ أو PVC، وتشمل آلية لإحكام الغطاء على مرساة. عزل الأغطية، وتغطي مع المواد ذات الألوان الفاتحة أو انعكاس لمنع تراكم الحرارةأثناء القياس. تشمل الحاجز للسماح جمع العينات وأنبوب تنفيس لمنع اضطرابات الضغط خلال نشر الغرفة وإزالة العينة. للحصول على تفاصيل إضافية الرجوع إلى الجدول المواد، باركين وVenterea 8، وكلوف وآخرون 10.
  2. على الأقل 1 يوم قبل أخذ العينات، وتثبيت المراسي غرفة في التربة في المواقع المطلوب. سوف أسلوب التثبيت تعتمد على تصميم غرفة، ولكن بصفة عامة، تنطبق حتى الضغط عبر جميع النقاط بحيث مرساة لا تشوه أو تشويه بنية التربة. تغرق مرساة إلى عمق 2،5 حتي 13 سم اعتمادا على نوع التربة، والوقت النشر، وحجم الغرفة 6،11. ترك أقل قدر ممكن (لا يزيد عن 5 سم) جاحظ فوق سطح التربة.

2. المعايرة وتصميم التجارب

ملاحظة: قبل البدء في التجربة، اتبع الخطوات التالية لتحديد الوقت المناسب لأخذ العينات بالطبع من شأنها أن تسمح البياناتليكون لائقا لخطي المناسبة أو نموذج التدفق غير الخطية (انظر باركين وآخرون 12). وسوف يتطلب ذلك استخدام التقنيات الموضحة في الخطوات 3-5 (حقل أخذ العينات والتحليل عينة، وتحليل البيانات). التوقيت الأمثل هي وظيفة كل من نظام قيد الدراسة وأبعاد الغرف المستخدمة. قد تصاب بعض التجربة والخطأ. انظر Venterea 13 لنهج بديل.

  1. معايرة أخذ العينات وتحليل
    1. تحت ظروف بيئية أو الإدارة المتوقع أن تولد تدفقات الغاز مرتفعة نسبيا التتبع، وإجراء أخذ العينات المكثفة التقنيات الموضحة في قسم 3 التالية. طريق متباعدة بإحكام نقاط الوقت أخذ العينات، تجميع سلسلة زمنية لمدة أطول من شأنه أن يعتبر نموذجي. تبدأ من خلال أخذ العينات من عدة غرف ممثل في 5-10 نقاط زمنية متباعدة بشكل متساو على مدار الساعة.
    2. تحليل العينات بواسطة جهاز الكروماتوجرافي الغازي القسم 4 التالية.
  2. معايرة Interpretatiفي
    1. لكل سلسلة زمنية معايرة ولكل غاز من الفائدة، والمؤامرة تلو المرة التركيز.
    2. تحقق من أن معدلات التدفق هي في نهاية عالية من النطاق المتوقع. انظر القسم 5 لحساب تدفق. الرجوع إلى القسم 2.3 للحصول على نصائح لحل المشاكل.
    3. تفتيش بحثا عن علامات على الرسوم البيانية غير الخطي، أو بشكل أكثر تحديدا، plateauing تركيزات غازات مع مرور الوقت.
      ملاحظة: النقطة التي يبدأ التركيز على الهضبة يختلف حسب نوع الغاز، وهي وظيفة من معدل إنتاج الغاز أو الاستهلاك داخل التربة، وتركيز الغاز في فراغ الرأس الغرفة، ونشرها بين المنطقتين. لذا يتأثر بشدة ارتفاع الغرفة، مع الغرف ذات العوائد أقصر وقت أقصر قبل الهضبة.
    4. استخدام مجموعات المعايرة لتحديد الوقت الأمثل الغرفة لنشر نظام التجريبية. إذا كان سيتم استخدام الانحدار الخطي في تحليل البيانات (كما هو موضح هنا في القسم 5)، حدد التوقيت الذي يحافظ أقرب إلى إعادة الخطيةlationship ممكن بين الوقت والتركيز لجميع الغازات / نظم الفائدة، في حين يسمح مدة لا تقل عن ثلاثة، ويفضل أربعة، وأخذ العينات مرات خلال السلسلة الزمنية 6. لغرف 10-30 سم ارتفاع تستخدم لCO 2 و N 2 O القياسات، سلسلة زمنية تتراوح عادة 20-60 دقيقة 8،14.
  3. معايرة استكشاف الأخطاء وإصلاحها
    1. إذا كان هناك تمايز الفقراء و / أو صعوبة في تمييز الخطي أو الهضبة، استخدم تشديد نقاط زمنية أطول أو المعايرة المعايرة السلاسل الزمنية، وتحقق من أن تركيزات ضمن حدود الكشف. لانخفاض معدلات تدفق، انخفاض في معدل تراكم لا يجوز لوحظ في الإطار الزمني اختبارها. هذا لا ينبغي أن يسبب القلق.
    2. إذا كانت التدفقات ليست في نهاية عالية من النطاق التجريبي المتوقع، كرر المعايرة، وتغيير الظروف البيئية العلاج أو للحث على تدفق أعلى (من خلال تطبيق الأسمدة أو الري، على سبيل المثال). بالتناوب، لناأربعة ه نقطة على الأقل مرة في التصميم التجريبي، بحيث إذا تدفقات التجريبية هي أعلى بكثير من تلك التي لوحظت خلال المعايرة وplateauing يحدث، ونقاط وقت لاحق يمكن استبعاد مع الاحتفاظ على الأقل ثلاث نقاط زمنية للالانحدار الخطي. ويمكن أيضا أن تستخدم نهج الانحدار منحني الأضلاع.
  4. التصميم التجريبي
    1. استنادا إلى تحديد التوقيت الأمثل في القسم 2.2.4، وضع خطة أخذ العينات الكلي الذي يلتقط كل المواقع ذات الصلة، والعلاجات، و / أو مكررات، ويسمح للانتقال الموظفين من خلال مواقع الدائرة بكفاءة. إذا لزم الأمر، تقسيم المواقع الغرفة إلى عدة "جولات" لأخذ عينات واحدا بعد الآخر.
      1. إذا القياسات التي يجب اتخاذها ممثلا ليوم كامل، عينة في وقت من النهار عندما تكون درجات الحرارة معتدلة نسبيا إلى التطرف اليومية. في النظم المحصولية المعتدلة نموذجية، نافذة المثالي هو منتصف إلى أواخر الصباح.
      2. إذا العينات التي سيتم جمعهافي جولات متتالية، يجب الحرص على عدم إدخال التحيز عن طريق أخذ عينات مرارا العلاجات نفسها في نفس الوقت من اليوم. بناء جولات من كتل من مكررات بدلا من العلاج تلو العلاج.
      3. وتشمل وقت ولأي تدابير المساعدة الضرورية التي يتعين اتخاذها سواء داخل أو جولات قبل / بعد، حسب الاقتضاء. (انظر القسم 3.3 لتدابير المساعدة نموذجية.)
      4. اختياريا، وتشمل الوقت لجمع عينات من الهواء المحيط لاستخدامها في نماذج التدفق غير الخطية، أو كما ترسم من البداية (الصفر الوقت، "T 0") تركيز (وليس وصفها هنا).
      5. اختياريا، وتشمل الوقت لتحميل الغاز الإشارة إلى قارورة في وقت أخذ العينات لتقييم تدهور عينة محتملة بين أخذ العينات وتحليلها. انظر باركين وVenterea 8 لاعتبارات تخزين العينة.
    2. تحديد وتيرة قياسات التدفق غير مناسبة لأهداف البحث. وقد تتراوح هذه من قياس واحد طنس يوميا، والقياسات الأسبوعية أو الدورية على مدار أشهر أو سنوات. الرجوع إلى ROCHETTE وآخرون 14 لمناقشة مستفيضة لاعتبارات التصميم التجريبي.
    3. إذا العينات التي سيتم جمعها في ظروف البرد، وتخطط لإدراج جهاز الاحترار مثل حزمة الساخنة مع قارورة لمنع حواجز من أن تصبح هشة.

3. أخذ العينات الميدانية

ملاحظة: في كل تاريخ أخذ العينات، واتباع نظام أخذ العينات أنشئت في القسم 2.4، وذلك باستخدام التقنيات الموضحة أدناه. المعدات وحجم العينة يمكن أن تختلف تبعا لطرق جمع ونقل التي يجري استخدامها وكمية العينة المطلوبة لتحليل GC 8. هذا البروتوكول يستخدم 5.9 مل قارورة جمع و30 مل المحاقن، مع طريقة التنظيف لنقل العينة. انظر مناقشة لنهج بديل.

  1. إعداد
    1. إذا أخذ العينات من غرف متعددة لكل جولة، وإعداد نقطة refe الوقتشبكة RENCE (انظر الشكل 2) لتعقب بسهولة أين ومتى لأخذ عينات. بالتناوب، واتخاذ ترتيبات لتسجيل كل نقطة زمنية خلال أخذ العينات.
    2. قبل تسمية وترتيب قارورة جمع لتحقيق الكفاءة القصوى والحد الأدنى من احتمالات الارتباك خلال أخذ العينات.
    3. من أجل توفير الوقت خلال أخذ العينات، وإعداد جميع المواد والمعدات مسبقا. وتشمل إضافات من أي شيء قد كسر أو تضيع بسهولة (الإبر والحقن والصمامات، الخ)، ومكان في حمل حمل، دلو، أو حاوية أخرى.
    4. يكون مستعدا لتسجيل أي نقاط الوقت المتأخر الذي يمكن أن يحدث بسبب عطب في المعدات أو ظروف أخرى غير متوقعة، والتي يمكن تصحيحها بسهولة خلال تحليل البيانات عن طريق ضبط الوقت المرتبطة عينة معينة.
  2. جمع العينات
    1. إرفاق وختم غطاء غرفة إلى غرفة مرساة مثبتة مسبقا، وتبدأ ساعة توقيت. هذا هو T 0.
    2. مباشرة بعد ختم غطاء جollect عينة من الهواء المحيط من موقع مجاور لغرفة، في ذروة تقريبي من أعلى الغرفة: مع فارغة 30 مل حقنة مزودة إبرة ومحبس في موقف فتح، واستخلاص عينة الهواء 30 مل وإغلاق محبس. هذا هو عينة T 0. بدلا من ذلك، أخذ العينة T 0 من غرفة 6.
      ملاحظة: توجد المبادلات بين النهجين - تقييم المكانية (المسافة من موقع أو مناخ خارجي لعينات خارج) مقابل التوقيت (التأخير بين إغلاق الغطاء وجمع العينات للعينات في الداخل) الاعتبارات وتحديد الأسلوب الأنسب للمعدات المستخدمة و النظام قيد الدراسة.
    3. مع إبرة حقنة، اختراق الحاجز من قارورة 5.9 مل المجموعة التي لديها بالفعل مطعون إبرة أخرى من خلال قرب حافة الحاجز.
    4. فتح محبس حقنة وحقن حوالي 20 مل من العينة إلى القارورة (هذا يسبب محتويات السابقة للقارورة ليطرد من خلال إبرة إضافية، وحل محله نموذج).
    5. في الحركة السلسة، وإزالة إبرة إضافية مع الاستمرار في ضخ أكبر قدر من العينة المتبقية (حوالي 10 مل) ممكن، قليلا الإفراط في الضغط على القارورة لضمان سلامة العينة والسماح تحليل عينات متعددة إذا لزم الأمر 8.
    6. إغلاق محبس وسحب إبرة حقنة من الحاجز. بدوره القارورة شغل رأسا على عقب لتمييزها عن قارورة شاغرة.
    7. انتقل إلى الغرفة التالية، كرر الخطوات 3.2.1-3.2.6، وختم غطاء على نقطة محددة سلفا T 0 الوقت الصحيح.
    8. مواصلة تكرار الخطوات 3.2.1-3.2.7 حتى انه تم اغلاق جميع الغرف في الدور وتم جمع عينات T 0.
    9. العودة إلى الغرفة الأولى.
    10. مع اقتراب الوقت 10 ثانية حتى T 1، اختراق الحاجز في الجزء العلوي غرفة مع إبرة حقنة.
    11. ضمن 10 مجموعة الثانية من T 1، وخفة دمhdraw عينة 30 مل من الهواء من داخل الغرفة وإغلاق محبس. إزالة إبرة حقنة من الحاجز الغرفة.
    12. نقل العينة إلى قارورة جمع الخطوات التالية 3.2.3-3.2.6.
    13. مواصلة جمع عينات الخطوات التالية 3.2.10-3.2.12، وفقا لنظام أخذ العينات أنشئت في القسم 2.4.
  3. تدابير المساعدة
    1. من أجل تحويل تركيز الغاز إلى كتلة، وقياس درجة حرارة الهواء في وقت أخذ العينات. اعتمادا على أهداف البحث أو سجل أو أداء التدابير الإضافية الأخرى مثل درجة حرارة التربة ومحتوى الرطوبة في التربة في كل موقع و / أو الوقت والأمطار اليومية، والكثافة الظاهرية للتربة، ونترات الأمونيوم التربة وتركيزات، الخ هناك وسائل مختلفة للحصول على هذه التدابير - اتباع البروتوكولات القياسية.
    2. اختياريا، وجمع عينات من الهواء المحيط و / أو معايير الحقل حمولة من تركيزات المعروفة في قارورة تركيزات غازات الدفيئة لتقييم المحيطة وتخزين القارورة المحتملة تدهور طن الفترة بين أخذ العينات والتحليل (انظر أقسام 2.4.1.4 و2.4.1.5).

4. تحليل عينة

  1. تحديد تركيز الغازات ذات الاهتمام لكل عينة من الغاز اللوني، وذلك باستخدام معدات مزودة التقاط كاشف الإلكترون لN 2 O، محلل الغاز الأشعة تحت الحمراء أو كاشف التوصيل الحراري للCO 2، وكاشف اللهب التأين ل CH 4.
    ملاحظة: من الضروري من أجل الحصول على صك الذي تم تكوينه بشكل صحيح لتحليل غازات الدفيئة ولديه ما يكفي من وقت التشغيل المتاحة. يتم وصف مبادئ وأساليب اللوني للغاز في أماكن أخرى 5،15،16.
  2. تحويل تركيز الغازات النزرة من الحجمي إلى كتلة باستخدام قانون الغاز المثالي:

PV = العلاج ببدائل النيكوتين

حيث P = الضغط، V = حجم، ن = مولات الغاز، R = قانون الغاز ثابتة، وT = درجة الحرارة. وبالتالي:

figure-protocol-1

5. تحليل البيانات

  1. لكل السلاسل الزمنية، مؤامرة الوقت تلو تركيز وتقييم لالخطي. تقييم باستخدام الخير من يصلح أو عن طريق التفتيش البصري، باستثناء نقاط وقت لاحق تظهر عليها علامات الهضبة من مزيد من التحليل. استخدام الحد الأدنى من ثلاث نقاط بما في ذلك الوقت T 0 لحساب تدفق (T 0، T 1، T 2 ...). وضع بروتوكول متناسقة، ورفض أي السلاسل الزمنية أن تفشل في تلبية المعايير التي يفرضها البروتوكول على الخطي. انظر باركين وVenterea 8 لمناقشة مستفيضة من الخطأ، والتحيز، والتباين في حساب التدفق.
  2. أداء الانحدار الخطي.
  3. استخدام المنحدر من الانحدار لحساب تدفق:

F = S • V • A -1

حيث F = تدفق، S = المنحدر من الانحدار، V = حجم الغرفة، وغرفة A =المنطقة. وبالتالي:

figure-protocol-2

ملاحظة: يرجى الرجوع إلى مناقشة وباركين وآخرون 12 لنهج غير الخطية لتدفق حساب.

النتائج

قبل البدء في مشروع بحثي مع الغرف ثابت، فمن المهم أن نفهم سير العمل العام، وتنظيم في سيليكون، الميدان وعناصر المختبري (الشكل 1). قدمت التصميم التجريبي دقيق ونظام المعايرة (الشكل 2)، وتحليل البيانات تكون عادة واضحة نسبيا. يتم تحديد معدل التدفق لكل غرفة ووقت أخذ العينات عن طريق الانحدار من الوقت عن طريق تركيز باستخدام نموذج تدفق محددة مسبقا المناسبة لنظام (الشكل 3). ومع ذلك، حتى بعد أفضل الممارسات، قد يكون واجه صعوبات، ومراقبة جودة البيانات الخام أمر بالغ الأهمية. على سبيل المثال، يمكن للفشل ختم الغرفة أو قارورة العينة المتسرب يؤدي إلى تركيز القيم الشاذة. ويتم تحديد هذه بسهولة من خلال الفحص البصري من سلسلة المؤامرات الوقت تركيز (الشكل 4)، مع CO 2 سلسلة الوقت في كثير من الأحيان بمثابة سيما usefuل المؤشر نظرا لتدفق عادة أكثر قوة ومستمرة من أول أكسيد الكربون 2 مقابل لا تذكر في بعض الأحيان، قرب الكشف عن الحد، أو حتى السلبية للتدفقات N 2 O أو CH 4. مرة واحدة وقد تم تأكيد جودة البيانات، يمكن استخدام النتائج لمقارنة ديناميكية تدفق الغاز بين العلاجات أو على مدار موسم واحد (الشكل 5). كما يمكن أن يرى من مايو ويونيو القيم وتدفق أشرطة الخطأ، والاختلاف الناجم عن عدم التجانس المكاني للتدفق قد تكون كبيرة، وأكثر وضوحا في ظل ظروف إنتاج معدلات عالية من تدفق. مثل هذه التقلبات ليست غير عادية، ويؤكد على أهمية تكرار كافية في هذه التقنية.

figure-results-1
الشكل 1. نظرة عامة سير العمل. عناصر متعددة من هذا البروتوكول سيتم تنفيذها في مرحلة التخطيط، في الميدان، في المختبر، وأنان سيليكون. السهام تشير إلى تسلسل سير العمل، بدءا من تصميم غرفة (والبناء إذا لزم الأمر)، والختامية مع تحليل البيانات. صناديق متعددة / السهام بين أخذ العينات الميدانية وتحليل عينة تمثل إمكانية مواعيد أخذ العينات متعددة على مدار تجربة.

figure-results-2
الشكل 2. توقيت العينة. ومن المخطط توقيت سبيل المثال لجمع عينات من غرف متعددة في نفس الوقت. وأشارت أرقام غرفة في نقاط اليسرى والوقت في أعلى، مع أوقات لأخذ العينات المدرجة في دقيقة كاملة داخل الشبكة. في هذا المثال، يتم تنفيذ أربعة سلسلة زمنية منفصلة كل 36 دقيقة (واحد لكل غرفة) في غضون المساحة من 46 دقيقة، 12 دقيقة مع التباعد بين نقاط زمنية ضمن سلسلة، و 2 دقيقة وقت المشي بين الغرف. لهذا المثال الافتراضي، سويكان من الممكن تحديدها tability من 36 دقيقة سلسلة زمنية من قبل المعايرة السابقة. بينما توقيت متباعدة بشكل متساو وليس من الضروري، فإنه غالبا ما يبسط نظام أخذ العينات. بالتناوب، قد الباحثون تسجيل بشكل فردي لكل timepoint أخذ العينات لتحديد فترات أخذ العينات.

figure-results-3
الرقم 3. حساب الجريان. A ثابت غرفة السلاسل الزمنية النموذجية، التي تتألف من N 2 O التركيزات المقاسة في أربع نقاط الوقت على مدار فترة أخذ العينات 36 دقيقة. يتم عرض الانحدار الخطي، المنحدر من معدل تدفق التي ينتج عنها.

figure-results-4
يتم عرض الرقم السيطرة 4. الجودة. المقترنة سلسلة زمنية من نفس مجموعة من العينات ولكن الغازات المختلفة في مبادرة الخوذ البيضاءتم التعرف تسرب قارورة الفصل عن طريق التفتيش البصري (النقطة الحمراء). A) 2 CO التركيز مع مرور الوقت. B) N 2 O التركيز على مر الزمن.

figure-results-5
الرقم 5. النتائج التجميعي. N 2 O معدل التدفق من حقل زراعي على مدار موسم النمو واحد. قيم تدفق تمثل متوسط ​​ست غرف، وذلك باستخدام سلسلة زمنية من أربع نقاط. أشرطة الخطأ هي الخطأ المعياري.

المناقشة

النهج القائم على غرفة ثابت الموصوفة هنا هو وسيلة فعالة لقياس تدفق غازات الدفيئة من نظم التربة. البساطة النسبية لمكوناته يجعلها خاصة مناسبة تماما لظروف أو نظم فيها أكثر أساليب البنية التحتية الكثيفة هي غير مجدية. من أجل توليد بيانات ذات جودة عالية، ومع ذلك، يجب أن يتم النهج غرفة ساكنة خارجا مع الاهتمام الصارم التصميم التجريبي 6. أحد الاعتبارات الملحوظة التي يجب أن تؤخذ في الاعتبار هو التباين المكاني للتدفقات الغاز التربة، والتي يمكن أن تؤدي إلى التباين الشديد بين القياسات المأخوذة من غرفة تكرار. في تصميم التجارب، وبالتالي، فمن المهم أن تشمل ما يكفي من مكررات لتوفير الطاقة الكافية للتحليل الإحصائي. قد توجد مفاضلات بين عدد من العلاجات التي يمكن دراستها مع الحفاظ على تكرار كافية، والحد الأدنى من أربعة مكررات لكل معاملة هو توجيهي عام 14.

ontent "> إذا كان سيتم استخدام التدفقات قياس لتقدير الانبعاثات اليومية، يجب أن تؤخذ التغيرات في درجة حرارة الهواء نهاري، ودرجة حرارة التربة، وانبعاثات غازات بعين الاعتبار. إذا أهداف البحث تتطلب القياسات التي سيتم الحصول عليها في منتصف الصباح عندما تعكس درجات الحرارة المتوسطات اليومية، نافذة محدود لأخذ العينات قد تؤثر على عدد من الغرف التي يمكن عمليا يتم رصدها. ومن الاعتبارات الإضافية التي سيتم تقييمها هو الأثر الذي إدراج أو استبعاد جذور النباتات والكتلة الحيوية فوق الأرض سوف يكون على تدفقات الغاز. غرفة التنسيب النسبية لزراعة الأنسجة سوف تؤثر على تفسير البيانات تدفق، وخاصة في حالة CO 2 حيث ليس فقط تنفس الميكروبية ولكن أيضا جذر واطلاق النار يجب أن يكون التنفس والتمثيل الضوئي متوازنة بشكل مناسب. للمناقشة إضافية لهذه العوامل، انظر باركين وVenterea 8.

كما لوحظ سابقا، العديد من الاختلافات على هذه المنهجية موجودة، بما في ذلك تصميم الغرفة وأخذ العيناتوحدة التخزين. واحدة من هذه الاختلاف هو في الطريقة المستخدمة لنقل العينات بين حقنة وجمع قارورة. تقنية الموضحة هنا أولا تمسح القارورة جمع مع عينة قبل ملء القارورة إلى الضغط الايجابي 5. وهناك تقنية أكثر شيوعا هو نقل عينات من الحقن لقوارير التي تم اجلاء ما قبل باستخدام مضخة فراغ، وكما تم الإبلاغ عن استخدام قوارير غير اجلاء دون بيغ 8،17. نقطة هامة أخرى حيث مجموعة من المناهج موجود في تحليل البيانات واختيار النموذج الأنسب لتدفق النظام قيد الدراسة. بالإضافة إلى أسلوب الانحدار الخطي وصفها هنا، ويمكن أيضا أن تستخدم النماذج غير الخطية، وخاصة عندما تستخدم مرة نشر أطول. وتشمل هذه النماذج الخوارزمية التي وضعتها هاتشينسون وMosier 18 والاشتقاقات منها 19،20، الإجراء التربيعية وصفها فاغنر وآخرون 21، وغير ثابتالدولة مقدر تدفق ناشر وصفها ليفينغستون وآخرون 22. لمناقشة مستفيضة لنماذج تدفق غير الخطية، تشير إلى باركين وآخرون 12 وVenterea وآخرون 23.

أساليب مشابهة لنهج الغرفة ثابتة تشمل استخدام أنظمة قياس التدفق من خلال نقل فورييه مع الأشعة تحت الحمراء (FTIR) الطيفي كبديل لالمحاقن أخذ العينات والغاز اللوني، وكذلك أتمتة إغلاق الغرفة وأخذ العينات من خلال وسائل مختلفة. النظم الآلية تمكين قياسات أكثر تواترا مع تخفيض الموظفين، ولكن أيضا تتطلب استثمارات إضافية في البنية التحتية. نعمة وآخرون 24 تقديم ملخص واسعة من الخيارات والمقايضات في الآلية القائمة على غرفة N 2 O القياس.

توصيف تدفق الغاز المسببة للاحتباس الحراري من كلا المدارة والنظم الطبيعية المهم إبلاغ النماذج القائمة على العملية، وفهم الآثار المترتبة على الإدارة فيالممارسات الإقليم الشمالي وإبلاغ استراتيجيات التخفيف، ودعم المحاسبة العالمية وتغير المناخ النمذجة. وهكذا في حين الدراسات الفردية هي برامج إعلامية على النطاق المحلي، مشتق من ذلك بكثير قيمة إضافية من خلال المساهمة في، والرسم من، هيئة عالمية المعرفة على تبادل الغازات بين المناظر الطبيعية والجو. ذلك هو مفتاح الحل، لذلك، يتم جمع تلك البيانات والإبلاغ عنها في الطريقة التي يضمن طول العمر وقابلية التشغيل البيني مع قاعدة معرفية أوسع. وهذا يشمل التالية أفضل الممارسات لضمان جودة البيانات، فضلا عن مجموعة من التدابير الإضافية وتقارير شاملة من البيانات الوصفية للسماح بتمديد نتائج دراسات ما بعد منفصلة. وتتوفر من المشروع GRACEnet وGRA 25 مبادئ توجيهية ممتازة لإبلاغ البيانات.

الإفصاحات

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

تستند هذه المادة إلى العمل المدعوم من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم بموجب المنحة رقم 1215858 ، ومن قبل وزارة الزراعة الأمريكية بموجب رقم المنحة 2013-68002-20525 ، ومن قبل مركز أبحاث الطاقة الحيوية في البحيرات العظمى التابع لوزارة الطاقة الأمريكية - مكتب العلوم DOE BER (DE-FC02-07ER64494) ومكتب DOE OBP لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة (DE-AC05-76RL01830). تم تسجيل مقاطع فيديو وصور في الميدان في مشروع تجربة نظام المحاصيل المتكامل في ويسكونسن التابع لجامعة ويسكونسن ماديسون. المؤلفون ممتنون لريان كيرتن لتصوير الفيديو والتحرير الماهر.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
5.9 مل من زجاج الصودا قاع مسطح 55 × 15.5 ملمقوارير Labco Limited719WCollection
أغطية لولبية مقاس 16.5 مم مع حاجز مطاطي قابل للثقبLabco LimitedVC309أغطية ل   قوارير
قارورة بلاستيكية 90 بئر ، معرف بئر 17.1 ممWheaton868810رف لتنظيم القوارير
إبر مخروطية عادية 23 جم × 1 بوصةBD305193إبر لجمع العينات
محبس مع وصلات لور ، 1 اتجاه ، ذكر زلةCole-ParmerEW-30600-01محبس للمحاقن
30 مل حقنة ، طرف زلةBD309651محاقن لجمع العينات
ساعة توقيت أو مؤقتمختلفN / Aلأخذ العينات الميدانية
للتوقيت من الفولاذ المقاوم للصدأ أو أحواض المرافق المجلفنة ذات الحافة ، أو غرف وأغطية من الفولاذ المقاوم للصدأ أو PVC ، الأبعاد حسب الاقتضاء للنظام التجريبيمرساة وغطاءN / Aمختلفة - أسفل قطع من المرساة ، فتحات للحاجز وأنابيب التهوية مملة في الغطاء
سدادات بوتيل رمادية 20 ممويتونW224100-173حاجز الغرفة لأخذ عينات الحقنة - أدخل في حفرة مملة في أعلى الغطاء
Tygon 4.0 مم معرف × 5.6 مم ODSigma-AldrichZ685623أنابيب تنفيس الغرفة - إدراج في ثقب ممل في جانب الغطاء ، متدفق مع الخارج ، حوالي 25 سم ملفوفة في الغطاء الداخلي (يمكن استخدام طرف حقنة 1 مل كآلية تعلق)
شريط مطاطي رغوي لاصق أو حلقة HDPE Oآليةختم مختلفة للغرفة N / A - مثبتة على الجانب السفلي من حافة الغطاء
عاكس   ؛ العزل ، سمك 0.3125 بوصة409818 Lowe'sطلاء عازل وعاكس - يلصق على الجزء الخارجي من غطاء الغرفة
مشابك رابطة معدنية كبيرة ، مقاس 2 بوصة بسعة 1 بوصة ، أو مزلاج سحب مصنع حسب الاقتضاءدبابيس / McMaster831610 (دبابيس) / 1863A21 (McMaster) آليةتثبيت الغطاء - لتثبيت الغطاء للتثبيت أثناء أخذ
العيناتمعدات كروماتوغرافيا الغاز مزودة بكاشف التقاط الإلكترون لأكسيد النيتروز أو محلل غاز الأشعة تحت الحمراء أو كاشف التوصيل الحراري لثاني أكسيد الكربون ، كاشف تأين اللهب للميثانمختلفN / Aلتحليل العينة
رف غرفة أنبوب

المراجع

  1. Myhre, G., 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. Stocker, T. F. , 8, Cambridge University Press. Cambridge, UK. (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. Chamber-Based Trace Gas Flux Measurements. In: Sampling Protocols. http://www.ars.usda.gov/research/GRACEnet. Follet, R. F. 3 (1), 3-39 (2010).
  9. Klein, C., Harvey, M. Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , Wellington, UK. 1-146 (2013).
  10. Clough, T. J., Rochette, P., Thomas, S. M., Pihlatie, M., Christiansen, J. R., Thorman, R. E. Chamber Design. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. , 2, Wellington, UK. (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. Deployment Protocol. In: Nitrous Oxide Chamber Methodolog Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. (3), Wellington, UK. (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. Soil CO2, N2O, and CH4 Exchange. Standard Soil Methods for Long-Term Ecological Research. Robertson, G. P., Coleman, D. C., Bledsoe, C. S. , Oxford University Press. New York, NY. (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. Data Analysis Considerations. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. (6), Wellington, UK. (2013).
  24. Grace, P., van der Weerden, T. J., Kelly, K., Rees, R. M., Skiba, U. M. Automated Greenhouse Gas Measurement in the Field. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. , 5, Wellington, UK. (2013).
  25. Alfaro, M. A., Giltrap, D., Topp, C. F. E., de Klein, C. How to Report Your Experimental Data. In: Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. deKlein, C., Harvey, M. , 7, Wellington, UK. (2013).

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

طريقة الغرفة الساكنةأخذ عينات غاز التربةتحليل كروماتوغرافيا الغازقياس ثاني أكسيد الكربونالكشف عن أكسيد النيتروزقياس تدفق الميثانمراقبة التربة الزراعيةتحليل الغازات النزرةنموذج حساب التدفق
قياس الجريان غازات الاحتباس الحراري من الأراضي الزراعية عن طريق الغرف ثابت
تواصل معنا
أوصِ به للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

حقوق الطبع والنشر © 2026 MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.