Name: 从农业土壤使用静态钱伯斯温室气体流量测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-03T22:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 50 s
Description: 学习使用静态箱法测量农业土壤温室气体通量，通过气相色谱分析气体浓度变化。该方法可比较不同处理间的排放差异，为土壤管理和减排策略提供可靠数据支持。

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本材料基于美国国家科学基金会（资助号：1215858）、美国农业部（资助号：2013-68002-20525）以及美国能源部大湖生物能源研究中心——能源部科学办公室生物能源研究（DOE BER）（合同号：DE-FC02-07ER64494）和能源部能源效率与可再生能源办公室（DOE OBP）（合同号：DE-AC05-76RL01830）资助的项目。实地拍摄的视频和图像来自威斯康星大学麦迪逊分校的威斯康星综合作物系统试验项目。作者感谢Ryan Curtin在视频拍摄和编辑方面的娴熟工作。

1. 腔室构建与锚定装置安装
<ol>
	<li>设计并制作测量室——每个测量室由一个插入土壤中的底座和一个在测量气体通量时放置于底座上方的顶盖组成——以满足实验需求。
	<ol>
		<li>在设计测量室的形状和尺寸时，需考虑空间因素，如作物行距、肥料或粪肥条施位置以及植株高度。由于底座突出于土壤表面可能导致微气候效应和积水现象，应尽量使顶盖贴近土壤表面。鉴于测量室高度与检测灵敏度之间存在权衡关系，应根据所研究系统的实际情况，将顶盖设计得尽可能短但可行。</li>
		<li>测量室应采用坚固且惰性的材料（如不锈钢或PVC）建造，并配备将顶盖密封到底座的装置。顶盖应进行隔热处理，并覆盖浅色或反光材料，以防止测量过程中热量积聚。应设置隔膜以便采集气体样品，并安装通气管，以避免在放置测量室和取样过程中产生压力扰动。更多细节请参见材料表、Parkin 和 Venterea8，以及 Clough et al10。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>至少在采样前1天，将测量室底座安装到预定的土壤位置。安装方法取决于测量室的设计，但通常应均匀施力，确保底座不会扭曲或破坏土壤结构。根据土壤类型、部署时长和测量室体积6,11，将底座插入土壤深度2.5–13 cm。底座露出土壤表面的部分应尽可能少，不超过5 cm。</li>
</ol>
2. 校准与实验设计
注意：在开始实验之前，请遵循以下步骤确定合适的取样时间进程，以便将数据拟合到适当的线性或非线性通量模型（参见 Parkin 等12）。这需要使用步骤3-5中所述的技术（野外采样、样品分析和数据分析）。最佳采样时机取决于所研究的系统以及所用采样箱的尺寸，可能需要进行若干次尝试与调整。参见Venterea13 以获取替代方法。
<ol>
	<li>校准采样与分析
	<ol>
		<li>在预计会产生较高痕量气体通量的环境或管理条件下，按照第3节所述技术进行密集采样。采用时间点间隔较短的采样方式，建立持续时间长于常规水平的时间序列。首先，在一小时内对若干代表性密闭箱体进行5–10个等时间间隔的采样。</li>
		<li>按照第4节所述方法，使用气相色谱法分析样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>校准结果解读
	<ol>
		<li>针对每组校准时间序列及每种目标气体，绘制浓度随时间变化的曲线图。</li>
		<li>确认通量速率处于预期范围的较高水平。通量计算方法见第5节。若遇问题，请参考第2.3节的故障排查建议。</li>
		<li>检查图表中是否存在非线性迹象，或更具体地说，气体浓度随时间趋于平台期的现象。 
		注：不同气体类型开始出现平台期的时间点各不相同，其取决于土壤中气体生成或消耗的速率、密闭箱体顶空中的气体浓度以及两个区域之间的扩散情况。因此，该时间点受密闭箱体高度的显著影响，箱体越矮，达到平台期所需时间越短。</li>
		<li>利用校准数据集确定实验系统中密闭箱体部署的最佳时长。若数据分析将采用线性回归法（如本方案第5节所述），应选择能够使所有目标气体/系统的浓度与时间之间尽可能保持线性关系的采样时长，同时确保时间序列内至少包含三个、最好四个采样时间点6。对于高度为10–30 cm、用于测量CO2和N2O的密闭箱体，时间序列通常持续20–60分钟8,14。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>校准故障排查
	<ol>
		<li>若气体浓度变化差异不明显和/或难以判断线性或平台期特征，可采用更密集的校准时间点或延长校准时间序列，并检查浓度是否处于检测限范围内。对于通量较低的情况，在测试时间段内可能无法观察到累积速率的下降，此现象无需担忧。</li>
		<li>若通量未达到预期实验范围的较高水平，应重新进行校准，通过改变处理方式或环境条件（例如施用肥料或灌溉）以诱导更高的通量。或者，在实验设计中至少设置四个时间点，以便在实验通量显著高于校准期间观测值并出现平台期时，可剔除后期时间点，但仍保留至少三个时间点用于线性回归分析。也可采用曲线回归方法。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>实验设计
	<ol>
		<li>根据第2.2.4节确定的最佳采样时长，制定整体采样方案，涵盖所有相关样地、处理方式和/或重复组，并确保人员能够高效地依次完成各密闭箱体的采样。如有必要，可将采样点划分为若干“轮次”，依次进行采样。
		<ol>
			<li>若需使测量结果代表全天情况，应在日间温度相对于极端值较为适中的时段进行采样。在典型的温带作物系统中，最佳采样窗口为上午中后期。</li>
			<li>若需进行连续多轮采样，应注意避免因每天在同一时段重复采样相同处理组而引入偏差。应以重复组块为单位构建采样轮次，而非按处理方式逐一采样。</li>
			<li>根据实际情况，在轮次内或轮次前后预留足够时间进行必要的辅助测量。（典型辅助测量项目见第3.3节。）</li>
			<li>可选：预留时间采集环境空气样品，用于非线性通量模型分析，或作为初始（零时，“T0”）浓度的近似值（本文未详述）。</li>
			<li>可选：在采样时预留时间将参考气体注入小瓶，用于评估样品在采样与分析期间可能发生的降解情况。有关样品储存注意事项，请参见Parkin和Venterea8的研究。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>根据研究目标确定通量测量的频率。该频率可从单次测量到每日、每周或数月乃至数年内的周期性测量不等。有关实验设计的详细讨论，请参见Rochette et al.14 的文献。</li>
		<li>若需在低温条件下采集样品，应计划配备加热装置（如暖包）与样品小瓶一同使用，以防止隔垫变脆。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 野外采样
注意：每次采样日期均需遵循第2.4节中建立的采样方案，并采用下述技术进行操作。所用仪器和样品体积可根据采用的采集与转移方法以及气相色谱分析所需的样品量而有所变化8。本方案使用5.9 ml的采集瓶和30 ml注射器，通过冲洗法进行样品转移。其他可选方法详见讨论部分。
<ol>
	<li>准备
	<ol>
		<li>若每轮从多个腔室取样，请准备一个时间点参考网格（见图2），以便轻松追踪取样位置和时间。或者，在取样期间安排记录每个时间点。</li>
		<li>预先标记并排列好收集小瓶，以实现取样过程中的最高效率并最大程度避免混淆。</li>
		<li>为节省取样时间，应提前准备好所有材料和设备。包括可能损坏或易丢失物品的备用件（如针头、注射器、旋塞等），并将其放入手提箱、桶或其他容器中。</li>
		<li>应准备好记录因设备故障或其他不可预见情况导致的延迟时间点，并可在数据分析阶段通过调整与特定样品相关的时间进行校正。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>样品采集
	<ol>
		<li>将腔室盖与预安装的腔室锚固件连接并密封，并启动秒表。此为T0时间点。</li>
		<li>密封盖后立即从靠近腔室的位置、大致与腔室顶部等高的地方采集环境空气样品：使用装有针头且旋塞处于打开状态的空30 ml注射器，抽取30 ml空气样品后关闭旋塞。此即T0样品。或者，也可从腔室内采集T0样品6。 
		注意：两种方法之间存在权衡——需评估空间因素（外部样品与采样点的距离或微气候差异）与时间因素（盖子关闭与样品采集之间的延迟）之间的关系，并根据所用设备和研究系统的具体情况确定最合适的技术。</li>
		<li>用注射器针头刺穿已有一个针头从隔膜边缘附近穿过的5.9 ml收集小瓶的隔膜。</li>
		<li>打开注射器旋塞，将约20 ml样品注入小瓶中（这会使小瓶中原有气体通过额外针头排出，并被新样品取代）。</li>
		<li>在平稳操作下，一边继续注入尽可能多的剩余样品（约10 ml），一边拔出额外针头，使小瓶内略微加压，以确保样品完整性，并在必要时允许进行多次分析8。</li>
		<li>关闭旋塞，并将注射器针头从隔膜中抽出。将装满样品的小瓶倒置，以区别于未装填的小瓶。</li>
		<li>前往下一个腔室，重复步骤3.2.1–3.2.6，按照预先确定的正确T0时间点密封盖子。</li>
		<li>继续重复步骤3.2.1–3.2.7，直至本轮所有腔室均已密封并完成T0样品采集。</li>
		<li>返回第一个腔室。</li>
		<li>当接近T1时间点前10秒时，用注射器针头刺穿腔室顶部的隔膜。</li>
		<li>在T1时间点前后10秒范围内，从腔室内抽取30 ml空气样品并关闭旋塞。将注射器针头从腔室隔膜中取出。</li>
		<li>按照步骤3.2.3–3.2.6将样品转移至收集小瓶。</li>
		<li>根据第2.4节中建立的取样方案，继续按照步骤3.2.10–3.2.12采集样品。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>辅助测量
	<ol>
		<li>为将气体浓度转换为质量，需在取样时测量空气温度。根据研究目标，可在每个位置和/或时间点记录或进行其他辅助测量，如土壤温度、土壤含水量、日降雨量、土壤容重、土壤硝酸盐和铵态氮浓度等。获取这些数据的方法多种多样——请遵循标准操作规程。</li>
		<li>可选地，采集环境空气样品和/或向小瓶中加载已知浓度的现场标准气体，以评估采样至分析期间的环境温室气体浓度及可能发生的储存小瓶样品降解情况（见第2.4.1.4和2.4.1.5节）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 样本分析
<ol>
	<li>使用配备电子捕获检测器（用于 N2O）、红外气体分析仪或热导检测器（用于 CO2）以及火焰离子化检测器（用于 CH4）的仪器，通过气相色谱法测定每个样品中目标气体的浓度。 
	注意：必须能够使用正确配置用于温室气体分析且具备足够运行时间的仪器。气相色谱法的原理和方法在其他文献中有详细描述5,15,16。</li>
	<li>利用理想气体定律将痕量气体浓度从体积单位转换为质量单位：</li>
</ol>
PV = nRT
其中 P 表示压强，V 表示体积，n 表示气体的物质的量，R 为气体常数，T 表示温度。因此：
<img alt="理想气体定律公式，痕量气体浓度计算，大气压，化学方程式。" fo:content-width="4in" src="/files/ftp_upload/52110/52110eq1.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 1">
5. 数据分析
<ol>
	<li>针对每个时间序列，绘制时间-浓度关系图并评估其线性。通过拟合优度或目视检查进行评估，排除显示平台期迹象的后期时间点，不再纳入后续分析。用于通量计算的时间点至少应包含三个，包括 T0（T0、T1、T2…）。建立统一的分析标准，并剔除不符合该线性标准的时间序列。有关通量计算中误差、偏差和方差的详细讨论，请参见 Parkin 和 Venterea8。</li>
	<li>进行线性回归分析。</li>
	<li>利用回归直线的斜率计算通量：</li>
</ol>
F = S • V • A-1
其中 F = 通量，S = 回归斜率，V = 气室体积，A = 气室面积。因此：
<img alt="化学动力学公式示意图，表示转化速率计算，(S mol L^-1 hr^-1)。" fo:content-width="1.3in" src="/files/ftp_upload/52110/52110eq2.jpg" width="130" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Equation 2">
注意：有关通量计算的非线性方法，请参见讨论部分及 Parkin et al.12。

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文所述的静态箱法是一种测量土壤系统温室气体通量的有效方法。由于其组件相对简单，该方法特别适用于无法采用需要更多基础设施的测量手段的条件或系统。然而，为了获得高质量的数据，必须严格关注实验设计6。其中一个需要特别注意的因素是土壤气体通量的空间变异性，这可能导致基于静态箱的重复测量结果之间出现较大差异。因此，在实验设计中，应设置足够的重复次数，以确保统计分析具有足够的检验效能。在可研究的处理数量与维持足够重复性之间可能存在权衡，通常建议每个处理至少设置四个重复14。
若需利用测定的通量来估算每日排放量，则必须考虑气温、土壤温度和气体排放的昼夜变化。如果研究目标要求在上午中段进行测量，以使温度反映日均值，则采样时间窗口受限可能会影响可实际监测的 chambers 数量。另一个需要评估的因素是植物根系和地上生物量的包含或排除对气体通量的影响。chamber 相对于植物组织的放置位置将影响通量数据的解释，特别是在 CO2 的情况下，不仅需要考虑微生物呼吸，还必须合理平衡根系和茎叶的呼吸作用以及光合作用。有关这些因素的进一步讨论，请参见 Parkin 和 Venterea8。
如前所述，该方法存在多种变异形式，包括小室设计和采样体积。其中一种变异体现在注射器与收集瓶之间转移样品所采用的方法。本文所述技术在将收集瓶充至正压之前，首先用样品冲洗收集瓶。5一种更常用的技术是将样品从注射器转移至已使用真空泵预先抽真空的样品瓶中，也有报道称可使用未抽真空且未冲洗的样品瓶。8,17另一个存在多种方法的重要环节是数据分析以及为所研究系统选择最合适的通量模型。除了本文所述的线性回归方法外，还可采用非线性模型，尤其是在使用较长部署时间的情况下。这些模型包括Hutchinson和Mosier开发的算法18 及其衍生形式19,20，Wagner 描述的二次方程法 等21，以及Livingston所述的非稳态扩散通量估算方法 等22有关非线性通量模型的详细讨论，请参见 Parkin 等12 和 Venterea 等23.
与静态箱法类似的方法包括使用带有傅里叶变换红外光谱（FTIR）的流动测量系统，以替代注射器取样和气相色谱法，以及通过多种方式实现箱体封闭和取样的自动化。自动化系统能够更频繁地进行测量并减少人力需求，但也需要额外的基础设施投入。Grace et al.24 对基于自动箱体的 N2O 测量方法的各种选择及其权衡进行了全面综述。
对人为管理和自然系统的温室气体通量进行表征，对于完善基于过程的模型、理解管理措施的影响、制定减排策略以及支持全球温室气体核算和气候变化建模具有重要意义。因此，尽管单个研究在局部尺度上具有参考价值，但若能将数据贡献于并借鉴全球范围内关于地表与大气间气体交换的知识体系，则可获得更大的科学价值。关键在于，数据的采集与报告方式必须确保其长期可用性，并能与更广泛的知识库实现互操作。这包括遵循最佳实践以保证数据质量，同时采集辅助性测量数据，并全面报告元数据，从而使研究结果能够超越单一研究的局限而得到推广。GRACEnet 项目和 GRA25 提供了出色的数据报告指南。

在努力减缓人类活动对温室效应影响的过程中，理解人类活动和自然系统对大气辐射特性的贡献是一个至关重要的研究领域。除了二氧化碳（CO2）之外，氧化亚氮（N2O）和甲烷（CH4）也是强效的温室气体，分别约占全球变暖效应的7%和19%，其中大部分排放来源于陆地景观源1,2。这些来源包括农业田地、水稻田和垃圾填埋场等人为管理的系统，以及森林地表、湿地和白蚁丘等自然系统。准确测量基于陆地景观的温室气体排放，对于支持科学建模、理解气候变化的驱动因素以及识别减排机会至关重要。
多种温室气体测量方法各有其优势与局限性2-5。质量平衡法依赖于风驱动的气体扩散，适用于测量填埋场和畜牧放牧区等小范围、边界明确的排放源的通量。微气象学方法（如涡动协方差法）基于对垂直气体通量的实时直接测量，可实现对大范围区域的直接观测。然而，这类方法隐含地假设了源区地形的均质性（因为测量结果反映的是研究区域的平均值），且高昂的基础设施成本可能限制其应用范围。最后，基于密闭箱的方法通过采集地表上方有限空间内的气体样品，监测土壤表面气体浓度的变化。该方法可用于小面积区域和多种处理条件下的测量，但由于土壤气体通量存在空间异质性，其测量结果通常具有较高的变异系数。
本文讨论了基于腔室测量的最常见且易于实施的方法，即使用无气流通过的密闭腔室，通常称为“静态”或“非稳态无气流”腔室。该方法通过带通气孔的腔室捕获土壤表面的气体排放，并通过测量腔室顶空内气体浓度随时间的变化来确定通量速率。静态腔室技术已广泛应用于人工管理和自然景观中，构成了大部分土壤源温室气体通量数据的基础，尤其是N2O6,7的测量。该方法特别适用于研究小型实验小区、地形多变的多个不同地点，或在无需大量基础设施投入的情况下需考察多个独立位置的情形。典型的实验应用包括探索替代性景观管理措施及其对土壤源CO2、N2O和/或CH4排放的影响，研究在人为模拟气候变化情景（如增温、降雨排除或补充）下的景观尺度通量动态，或对自然与农业生态系统及其子系统进行描述性研究。
作为温室气体测量和通量估算的关键工具，静态箱法已得到充分评估，人们在技术标准化和数据报告规范化方面已做出大量努力4,6,8,9。其中尤为突出的是美国农业部农业研究局农业碳增汇网络（GRACEnet）8和全球农业温室气体研究联盟（GRA）9发布的详细综述和指导文件。这些指南为协调工作提供了宝贵的资源和平台，因为最终来自大量研究的数据互操作性对于将局部发现扩展到全球模型，以及将研究成果转化为可行的减排策略至关重要。
GRACEnet、GRA 以及其他综述也强调，基于静态箱法的温室气体通量测量技术具有高度多样性，在几乎每个操作步骤中都可能存在显著的方法学差异，包括箱体设计、时空布设、采样体积、样品分析以及通量计算等环节。本文所述方法仅为其中一种可行方案，同时展示了生成高质量、广泛适用数据的最佳实践，并指出了关键注意事项。本方法旨在为该标准化流程提供易于理解的概述，并作为进一步探索文献中所描述的各种细微差异与变异形式的平台。

<table><tbody><tr><td>5.9 ml 钠钙玻璃平底试管 55 x 15.5 mm</td><td>Labco Limited</td><td>719W</td><td>收集管</td></tr><tr><td>带可穿刺橡胶隔垫的16.5 mm螺口盖</td><td>Labco Limited</td><td>VC309</td><td>帽盖用于&amp;nbsp; 小瓶</td></tr><tr><td>90孔塑料试管架，17.1 mm孔内径</td><td>Wheaton</td><td>868810</td><td>用于整理小瓶的架子</td></tr><tr><td>23 G × 1 常规斜面针头&quot;</td><td>BD</td><td>305193</td><td>用于样本采集的针头</td></tr><tr><td>带鲁尔接头的三通阀，单向，公端滑动接头</td><td>Cole-Parmer</td><td>EW-30600-01</td><td>用于注射器的旋塞阀</td></tr><tr><td>30 ml 注射器，滑动接头</td><td>BD</td><td>309651</td><td>用于样品采集的注射器</td></tr><tr><td>秒表或计时器</td><td>各种</td><td>N/A</td><td>用于确定野外采样的时间</td></tr><tr><td>带边沿的不锈钢或镀锌金属托盘，或定制的不锈钢或PVC培养室及盖子，尺寸根据实验系统适当选择</td><td>各种</td><td>N/A</td><td>腔室锚定装置及盖子——锚定装置底部已切除，盖子上钻有隔膜和通气管穿过的孔</td></tr><tr><td>灰色丁基橡胶塞 20 mm</td><td>Wheaton</td><td>W224100-173</td><td>用于注射器取样的腔室隔片——插入盖子顶部的钻孔中</td></tr><tr><td>Tygon 管道，内径 4.0 mm × 外径 5.6 mm</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z685623</td><td>腔室通气管——插入盖子侧面钻出的孔中，与外侧齐平，约25 cm长的部分在盖子内部盘绕（可使用1 ml注射器尖端作为固定装置）</td></tr><tr><td>粘性泡沫橡胶带或高密度聚乙烯（HDPE）O型圈</td><td>各种</td><td>N/A</td><td>腔室密封机制——固定于盖缘下侧</td></tr><tr><td>反射性&amp;nbsp; 绝缘，0.3125&quot; 厚度</td><td>Lowe's</td><td>409818</td><td>隔热与反射涂层——粘附于腔室盖外表面</td></tr><tr><td>大型金属活页夹，2 个&quot; 大小为1&quot; 容量，或根据需要选择制造的拉扣式锁扣</td><td>斯台普斯 / 麦克马斯特</td><td>831610（Staples）/ 1863A21（McMaster）</td><td>盖子固定机制——用于在采样过程中将盖子夹紧固定至锚定点</td></tr><tr><td>配备电子捕获检测器（用于氧化亚氮）、红外气体分析仪或热导检测器（用于二氧化碳）以及火焰离子化检测器（用于甲烷）的气相色谱设备</td><td>各种</td><td>N/A</td><td>用于样品分析</td></tr></tbody></table>

使用静态箱法测定农业土壤温室气体通量

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

测量受管理与非管理生态系统的土壤与大气之间的温室气体（GHG）通量，对于理解气候变化的生物地球化学驱动因素，以及基于调控景观管理措施的温室气体减排策略的制定与评估至关重要。本文所述的静态箱法，其原理是通过密闭箱体捕获土壤表面排放的气体，并定期采集箱体顶空中的气体样品，利用气相色谱法进行分析。通过气体浓度随时间的变化计算通量。该方法可用于测量基于景观尺度的二氧化碳、一氧化二氮和甲烷的通量，评估不同处理间的差异，或探究系统在不同季节或年份的动态变化。该方法对基础设施要求较低，但需要严谨的实验设计。该方法易于在野外部署，符合既定的技术规范，所获得的数据适用于大规模的温室气体排放研究。

在使用静态箱法开展研究项目之前，必须了解整体工作流程，以及in silico、野外和实验室工作的组织关系（图1）。在实验设计严谨并完成系统校准（图2）的前提下，数据分析通常相对直接。通过采用适用于该系统的预设通量模型，对时间与浓度进行回归分析，可确定每个箱体在每个采样时间点的通量速率（图3）。然而，即使遵循最佳实践操作，仍可能遇到问题，因此对原始数据进行质量控制至关重要。例如，箱体密封失效或样品瓶泄漏可能导致异常的浓度值。这些问题可通过目视检查时间序列浓度图轻松识别（图4），其中CO2的时间序列通常尤为有用，因为与N2O或CH4有时接近检测限、可忽略不计甚至出现负通量的情况相比，CO2的通量通常更为显著且持续。在确认数据质量后，可利用结果比较不同处理之间或一个生长季内气体通量动态的变化（图5）。从5月和6月的通量值及误差棒可以看出，通量空间异质性所导致的变异可能十分显著，尤其在通量速率较高的条件下更为明显。此类变异性并不罕见，凸显了在该技术中进行充分重复实验的重要性。
<img alt="工作流程图；腔室设计、采样、分析；规划、野外、实验室流程。" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig1highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 
图 1. 工作流程概览。 本实验方案的各个步骤将在规划阶段、野外工作、实验室操作以及in silico分析中分别进行。箭头表示工作流程的顺序，从腔室设计（如需要，还包括构建）开始，到数据分析结束。野外采样与样品分析之间的多个方框/箭头表示在实验过程中可能存在多个采样时间点。
<img alt="腔室温度数据表；时间间隔 T₀-T₃；实验温度记录。" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig2highres.jpg" width="400" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 取样时间安排示例。 同时从多个腔室采集样品的时间安排示例。左侧标明腔室编号，顶部标明时间点，表格内列出以整分钟表示的取样时间。在此示例中，四个独立的36分钟时间序列（每个腔室一个）在46分钟内完成，每个时间序列内的时间点间隔为12分钟，腔室之间的转移时间为2分钟。在此假设示例中，36分钟时间序列的适用性应由前期校准确定。虽然时间点无需均匀分布，但均匀安排通常可简化取样方案。此外，研究人员也可单独记录每次取样的时间点，以确定取样间隔。
<img alt="一氧化二氮浓度随时间变化图，线性拟合方程为 y = 0.0838x + 0.4245。" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig3highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 通量计算。 一个典型的静态箱时间序列，包含在36分钟采样期间内四个时间点测得的N2O浓度。图中显示了线性回归结果，其斜率即为通量速率。
<img alt="显示温室气体排放分析研究中 CO2 和 N2O 浓度随时间变化的双图。" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig4highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 质量控制。 显示来自同一样品集但不同气体的成对时间序列，其中通过目视检查已识别出瓶体泄漏（红色点）。A) CO2 浓度随时间变化。B) N2O 浓度随时间变化。
<img alt="氧化亚氮通量速率图；以 g N₂O-N ha⁻¹ d⁻¹ 表示的日期变化；排放模式的数据分析。" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig5highres.jpg" width="600" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
图 5. 综合结果。 单个生长季期间农田中 N2O 通量速率。通量值基于六个腔室的均值，采用四点时间序列法测定。误差线表示标准误。

本文展示了基于静态箱法测量土壤系统温室气体通量的方法。通过相对较低的基础设施投入，可在多个处理组/地点以及从数小时到数年的不同时间尺度上获取测量数据。

测量受管理与非管理生态系统的土壤与大气之间的温室气体（GHG）通量，对于理解……至关重要

本实验的总体目标是测量不同植被类型或管理措施下土壤中痕量气体的通量。该目标通过在密闭箱室内捕获土壤表面释放的气体，并测定其浓度随时间的变化来实现。首先将一个圆柱形或矩形的固定环插入土壤中，以防止气体在水平方向扩散。准备取样时，将盖子密封在锚定装置顶部，以捕获土壤系统释放的气体。随后从密闭舱的顶空区域采集样品，并在预设的时间段内进行多次取样。采集的样品随后通过气相色谱法进行分析，以测定目标气体的浓度。然后将气体浓度随时间变化绘制成图，并使用适用于该系统的预设通量模型对数据集进行线性或曲线线性回归分析，以确定气体通量速率。不同处理之间或不同季节之间的通量值可进行比较。为了探究系统动态，这些方法有助于回答有关土壤中二氧化碳、一氧化二氮或甲烷等温室气体排放如何受到管理措施和天气影响的问题。与其他测量温室气体的方法相比，该技术的主要优势在于能够利用相对廉价的设备同时监测多个地点。这并非一种新颖的方法，而是研究人员多年来一直使用的一种方法。事实上，我们将要描述的采样方案已在与格蕾丝网络美国农业部项目（Grace net A-U-S-D-A program）或全球研究联盟及国际小组相关的出版物中有所记载。因此，我们发表此文的目的是以可视化方式展示该技术。对于没有相关经验的使用者而言，存在多种不同的培养箱设计。每个培养箱包含两个部分：一个插入土壤中的底座和一个放置在底座上方的顶盖。在进行通量测量时，培养箱应由坚固且惰性的材料（如不锈钢或聚氯乙烯（PVC））制成，并应进行隔热处理，外表面覆盖反射材料，以防止测量过程中热量积聚。系统还应包含将顶盖密封到底座的装置、用于采集样品的隔膜以及用于在培养箱放置和取样过程中防止压力变化的通气管。在设计腔室形状和尺寸时，需考虑作物行距、肥料条施位置和植株高度等空间因素。请注意，腔室高度与检测灵敏度之间存在权衡关系。本实验将使用日常用盆预先制作的简易圆柱形腔室，至少在采样前一天完成制备。在预定位置的土壤中安装腔室锚固件，对所有接触点施加均匀压力，防止锚固件变形，并将其压入地下至少八厘米深度，使土壤表面以上部分不超过五厘米。锚固件应尽可能贴近土壤表面，以最大限度减少微气候影响和积水现象，从而准确计算腔室的顶空体积。在安装时必须测量锚固件高出土壤表面的高度，且在实验开始前，若土壤表面发生任何显著变化，均需重新测量。此外，有必要确定合适的采样时间进程以供后续遵循。最佳时间选择将取决于所研究的系统以及所使用的培养室。可通过在约一小时的时间范围内进行密集取样来完成时间过程校准。该方法适用于预期会产生较高目标痕量气体通量的条件。随后可将浓度随时间变化绘制成图，以直观展示系统的伸缩动态，并确定腔室布设的最适持续时间、采样时间点间隔，以及数据分析中应采用的线性或非线性伸缩模型。此处展示了强降雨数小时后测得的二氧化碳和氧化亚氮浓度，以及建议的采样时间进程，该进程可在本实验系统中实现线性回归分析。至少应包含三个、最好四个采样时间点，基于最优时间安排划分采样方案，覆盖所有样地、处理或重复，并使工作人员能够高效地在各腔室采样点间移动。这可能需要将采样点划分为若干轮次，依次进行采样，每轮由若干重复区块组成，而非按处理方式逐一进行。为避免偏差并合理规划采样时间，需考虑各采样点之间的行走时间以及采集任何辅助测量指标所需的时间。需要注意的是，如果测量结果将用于代表全天的情况，则应在能够反映日平均温度的时间段进行采样，通常为每次采样日的上午中段至 late morning。应遵循预先制定的采样计划和时间安排，因为最终浓度数据将随时间变化进行绘图分析。在采样前，必须精确规划和（或）记录采样时间，预先标记并合理摆放收集瓶，以实现最高效率，并降低采样过程中发生混淆的可能性。每个腔室在每个时间点需要一个收集瓶，还需准备其他设备，包括注射器、密封塞、旋塞阀、针头和秒表。设备和样品体积可能因所采用的采集和转移方法不同而有所变化。在第一个采样点，将培养箱盖固定并密封到预先安装的锚定装置上。盖子密封后立即启动秒表。此时为时间零点（T零），使用一个装有针头且旋塞处于打开状态的30毫升空注射器。从靠近腔室顶部高度的腔室邻近位置抽取30毫升空气样品，并关闭旋塞。此样品为空白零点样品，现需使用注射器针头将其转移至收集小瓶。刺穿一个已在其隔垫边缘附近插入另一根针头的收集小瓶的隔垫。打开注射器，旋转活塞，将约20毫升样品注入小瓶中。然后平稳地拔出多余的针头，同时继续尽可能多地注入剩余样品，使小瓶内压力略微升高。关闭旋塞，将注射器针头从隔膜中抽出。将备用针头插入下一个待使用的样品瓶中，并将已装满的样品瓶倒置，以区别于未装满的样品瓶。在此处所示的样品转移冲洗法中，初次进样会导致样品瓶中原有内容物通过备用针头排出。然后，当移除额外的针头后，将样品注入小瓶至正压状态，作为冲洗法的替代方法。样品也可直接加载至预先抽真空或未抽真空的小瓶中。完成一个样品的采集后，继续前往下一个腔室位置并重复此过程。在预定的正确时间点密封盖子。安装盖子时，需确保密封良好，无任何缝隙或残留物导致泄漏。继续操作直至所有腔室均被密封，并完成零时点（T zero）样品的采集。随后返回第一个腔室，采集一小时时点（T one）样品。当时间接近时，在 T1 前后十秒范围内，用注射器针头刺穿反应室盖的隔膜，从反应室内抽取 30 毫升空气样品，并关闭旋塞。将针头从反应室隔膜上取出。将样品转移至收集小瓶中。继续依次通过各个腔室，直至收集完所有样品。采样时必须记录空气温度。建议同时测量土壤温度和含水量，根据研究目标，还可能需要定期测定其他辅助指标，如土壤容重、土壤硝酸盐和铵态氮含量。也可采集环境空气样品，用于估算 T 零点或用于非线性通量模型。采用气相色谱法测定每个样品中目标气体的浓度。使用配备电子捕获检测器的设备检测氧化亚氮，使用红外气体分析仪或热导检测器检测二氧化碳，使用火焰离子化检测器检测甲烷。对于甲烷，使用理想气体定律将每个时间序列图中的痕量气体浓度从体积单位转换为质量单位。根据时间与浓度关系，遵循一致的质量控制流程，以识别并剔除可疑的时间点或时间序列，这些异常可能由培养室或样品瓶泄漏或仪器故障引起。例如，此处我们展示了来自同一样品组的二氧化碳和一氧化二氮的时间序列。与其它时间点相比，T1时间点观察到的浓度下降，提示浓度呈上升趋势，这很可能是由于样品瓶泄漏所致。通过目视检查时间序列图可识别此类问题。若采用线性通量模型，应通过拟合优度或目视检查评估图形的线性关系；若后期时间点显示出平台期迹象，可将其剔除，但须至少保留包括T0在内的三个时间点，用于通量计算。在确认数据质量后，进行线性回归，并利用回归的斜率计算通量。需要注意的是，在某些情况下，非线性通量模型可能比线性模型更合适。可对不同处理之间或随时间变化的通量速率进行追踪。在使用该方法研究系统动态时，需要注意温室气体通量会因天气、土壤扰动和农业管理措施的不同而发生变化，因此应合理安排采样时间以捕捉这种变异性。通常采用每周采样一次的频率，在降雨、耕作以及施用粪肥或肥料等事件前后则需增加采样频次。观看本视频后，您应能够充分理解如何设计并实施基于箱室法的温室气体通量与土壤系统测量方案。

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