Methodenartikel

Messung der Treibhausgas-Flux aus landwirtschaftlichen Böden mit statischer Chambers

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DOI:

10.3791/52110

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3. August 2014

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellt die auf statischen Kammern basierende Methode zur Messung des Treibhausgasflusses aus Bodensystemen vor. Mit relativ bescheidenen Infrastrukturinvestitionen können Messungen an mehreren Behandlungen/Standorten und über Zeiträume von Stunden bis Jahren durchgeführt werden.

Zusammenfassung

Die Messung von Treibhausgasflüssen (THG) zwischen dem Boden und der Atmosphäre, sowohl in bewirtschafteten als auch in nicht bewirtschafteten Ökosystemen, ist entscheidend für das Verständnis der biogeochemischen Treiber des Klimawandels und für die Entwicklung und Bewertung von Strategien zur Minderung von Treibhausgasen, die auf der Modulation von Landschaftsbewirtschaftungspraktiken basieren. Das hier beschriebene statische kammerbasierte Verfahren basiert darauf, von der Bodenoberfläche emittierte Gase in einer Kammer einzufangen und in regelmäßigen Abständen Proben aus dem Kammerkopfraum für die Analyse durch Gaschromatographie zu sammeln. Die Änderung der Gaskonzentration im Laufe der Zeit wird zur Berechnung des Flusses verwendet. Diese Methode kann verwendet werden, um den landschaftsbezogenen Fluss von Kohlendioxid, Distickstoffmonoxid und Methan zu messen und Unterschiede zwischen Behandlungen abzuschätzen oder die Systemdynamik über Jahreszeiten oder Jahre zu untersuchen. Die Anforderungen an die Infrastruktur sind gering, aber ein umfassendes Versuchsdesign ist unerlässlich. Diese Methode lässt sich leicht in der Praxis einsetzen, entspricht den etablierten Richtlinien und liefert Daten, die für groß angelegte Studien zu Treibhausgasemissionen geeignet sind.

Einleitung

Das Verständnis der Beiträge sowohl menschlicher Aktivitäten als auch natürlicher Systeme zu den Strahlungseigenschaften der Atmosphäre ist ein Bereich von entscheidender Bedeutung, da wir bestrebt sind, anthropogene Beiträge zum Treibhauseffekt abzuschwächen. Neben Kohlendioxid (CO2 ) sind auch Distickstoffmonoxid (N2O) und Methan (CH4) starke Treibhausgase, die schätzungsweise 7 % bzw. 19 % der globalen Erwärmung ausmachen, wobei der Großteil der Emissionen aus Landschaftsquellen stammt1,2. Diese reichen von bewirtschafteten Systemen wie landwirtschaftlichen Feldern, Reisfeldern und Mülldeponien bis hin zu natürlichen Systemen wie Waldböden, Feuchtgebieten und Termitenhügeln. Eine genaue Messung, die eine fundierte Modellierung solcher landschaftsbasierten Emissionen unterstützt, ist von entscheidender Bedeutung, um die Treiber des Klimawandels zu verstehen und Möglichkeiten zur Abschwächung zu identifizieren.

Es gibt eine Vielzahl von Strategien zur Messung von Treibhausgasen, jede mit ihren eigenen Stärken und Schwächen2-5. Massenbilanzierungstechniken beruhen auf der windbasierten Ausbreitung von Gasen und eignen sich für die Messung des Flusses aus kleinen, genau definierten Quellen wie Mülldeponien und Tierkoppeln. Mikrometeorologische Ansätze wie die Wirbelkovarianz basieren auf der direkten Messung des vertikalen Gasflusses in Echtzeit und können direkte Messungen über große Gebiete liefern. Die Homogenität der Quelltopographie ist jedoch eine implizite Annahme (da Messungen einen Mittelwert für das untersuchte Gebiet ergeben), und kostspielige Infrastruktur kann die Einsatzmöglichkeiten einschränken. Schließlich konzentrieren sich kammerbasierte Methoden auf die Änderung der Gaskonzentration an der Bodenoberfläche durch Probenahme aus einem begrenzten oberirdischen Kopfraum. Sie ermöglichen Messungen auf kleinem Raum und bei zahlreichen Behandlungen, unterliegen jedoch aufgrund der räumlichen Variation des Bodengasflusses hohen Variationskoeffizienten.

Hier diskutieren wir die am weitesten verbreitete und am einfachsten zu implementierende Form der kammerbasierten Messung, wobei die Art von geschlossenen Kammern ohne Luftdurchfluss verwendet wird, die allgemein als "statische" oder "nichtstationäre Kammern ohne Durchfluss" bezeichnet werden. Bei diesem Ansatz werden die Gasemissionen von der Bodenoberfläche in einer belüfteten Kammer eingeschlossen, und die Flussraten werden durch Messung der Änderung der Gaskonzentration im Laufe der Zeit innerhalb des Kopfraums der Kammer bestimmt. Die Technik der statischen Kammer ist sowohl in bewirtschafteten als auch in natürlichen Landschaften weit verbreitet und untermauert den Großteil der Daten, die über den bodenbasierten Fluss von Treibhausgasen, insbesondere N2O6,7, berichten. Es eignet sich ideal für die Untersuchung kleiner Versuchsflächen, verschiedener Standorte auf variablem Gelände oder in anderen Situationen, in denen mehrere unterschiedliche Standorte ohne nennenswerte Infrastrukturinvestitionen untersucht werden müssen. Typische experimentelle Anwendungen könnten die Erforschung alternativer Landschaftspflegepraktiken und deren Auswirkungen auf bodenbasierte CO2 , N2O und/oder CH4 -Emissionen, die Untersuchung der landschaftsbasierten Flussdynamik unter künstlich induzierten Klimawandelszenarien wie Erwärmung und Niederschlagsausschluss/-ergänzung oder die deskriptive Untersuchung natürlicher und landwirtschaftlicher Ökosysteme und Subsysteme sein.

Als kritisches Werkzeug bei der Messung von Treibhausgasen und der Flussabschätzung wurde die Methode der statischen Kammer gründlich evaluiert, und es wurden erhebliche Anstrengungen zur Standardisierung der Techniken und zur Harmonisierung der Datenberichterstattung unternommen4,6,8,9. Besonders hervorzuheben sind die detaillierten Überprüfungen und Richtlinien, die vom Greenhouse gas Reduction through Agricultural Carbon Enhancement Network (GRACEnet)8 des U.S. Department of Agriculture – Agricultural Research Service8 und von der Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases (GRA)9 erstellt wurden. Solche Richtlinien bieten eine unschätzbare Ressource und Plattform für die Koordination, da letztendlich die Interoperabilität von Daten aus einer Vielzahl von Studien entscheidend ist, um lokale Erkenntnisse auf globale Modellierung zu übertragen und Forschungsergebnisse in praktikable Minderungsstrategien umzusetzen.

GRACEnet, GRA und andere Übersichtsarbeiten unterstreichen auch die Tatsache, dass spezifische Techniken zur statischen kammerbasierten Messung von Treibhausgasflüssen äußerst vielfältig sind, mit signifikanten methodischen Variationen, die bei fast jedem Schritt des Weges möglich sind, einschließlich des Kammerdesigns, des zeitlichen und räumlichen Einsatzes, des Probenahmevolumens, der Probenanalyse und der Flussberechnungen. Die hier beschriebene Methode stellt eine mögliche Variante dar und zeigt gleichzeitig Best Practices auf und beleuchtet kritische Überlegungen für die Generierung hochwertiger, breit übertragbarer Daten. Es soll einen zugänglichen Überblick über dieses standardisierte Verfahren geben und eine Plattform bieten, von der aus weitere in der Literatur beschriebene Nuancen und Variationen untersucht werden können.

Protokoll

1. Kammer Bau-und Anker-Installation

  1. Planung und den Bau Kammern - die jeweils aus einem Anker, der in den Boden und einem Deckel, der auf der Oberseite des Ankers während der Strommessung angeordnet ist, eingeführt wird, - die Versuchsanforderungen.
    1. Bei der Gestaltung Kammer Form und Größe, prüfen räumliche Faktoren wie Erntereihenabstand, Dünger oder Gülle Streifenbildung, und die Pflanzenhöhe. Da Vorsprung von Ankern über der Bodenoberfläche kann auf Mikroklima und Wassereffekte sprech beitragen, prüfen, ob man die Deckel sitzen so günstig auf die Bodenoberfläche wie möglich. Weil Kompromisse zwischen Kammerhöhe und Nachweisempfindlichkeit existieren, Design Deckel so kurz wie für die untersuchte System machbar sein.
    2. Aufbau Kammern robuste, nicht-reaktiven Material wie rostfreiem Stahl oder PVC, und einen Mechanismus zum Versiegeln des Deckels auf den Anker. Isolieren Sie Deckel und Deckel mit hellen oder reflektierenden Material einen Wärmestau zu verhindernwährend der Messung. Fügen Sie ein Septum, Probensammlung und ein Entlüftungsrohr erlauben, Druckstörungen während Kammer Bereitstellung und Probenentnahme zu verhindern. Weitere Einzelheiten finden Sie in der Tabelle Materialien, Parkin und Venterea 8 und 10 Clough et al.
  2. Mindestens 1 Tag vor der Probenahme, installieren Kammer Anker im Boden an gewünschten Stellen. Die Installationsmethode wird auf Kammer-Konstruktion ab, aber im Allgemeinen, mit gleichmäßigem Druck in allen Punkten, so dass der Anker nicht verziehen oder verzerren das Bodenstruktur. Sinken Sie den Anker zu einer Tiefe von 2,5 bis 13 cm, je nach Bodentyp, die Bereitstellungszeit und Kammervolumen 6,11. Lassen so wenig wie möglich (nicht mehr als 5 cm) oberhalb der Bodenoberfläche ragt.

2. Kalibrierung und Experimentelles Design

Hinweis: Vor Beginn des Experiments, gehen Sie folgendermaßen vor, um eine geeignete Probenahmezeitverlauf zu bestimmen, mit denen Datendarauf, eine geeignete lineare oder nicht-lineare Flussmodell (siehe Parkin et al. 12) passen. Dadurch wird der Einsatz von Techniken in Schritten 3-5 (Field Probenahme, Probenanalyse und Datenanalyse) beschrieben erforderlich. Optimalen Zeitpunkt ist eine Funktion sowohl des untersuchten Systems und den Abmessungen der Kammern verwendet werden. Einige Versuch und Irrtum beteiligt sein können. Siehe Venterea 13 für alternative Ansätze.

  1. Kalibrierung Probenahme und Analyse
    1. Unter Umwelt-und Managementbedingungen voraussichtlich relativ hohen Spurengasflüsse zu generieren, führen intensive Probe folgenden Techniken in Kapitel 3 beschrieben. Mittels dicht angeordnet Probenahmezeitpunkten, füllen Sie eine Zeitreihe von längerer Dauer als wäre typisch angesehen werden. Beginnen Sie mit der Probenahme aus mehreren repräsentativen Kammern 5-10 gleichmäßig verteilten Zeitpunkten im Laufe einer Stunde.
    2. Analysieren Sie die Proben mittels Gaschromatographie folgenden Abschnitt 4.
  2. Kalibrierung Interpretatiauf
    1. Für jede Kalibrierung Zeitreihen und jedes Gas von Interesse, Grundstück Zeit-für-Konzentration.
    2. Stellen Sie sicher, dass die Flussraten sind auf dem oberen Ende des erwarteten Bereichs. Siehe Abschnitt 5 für Flussberechnung. Siehe Abschnitt 2.3 für Tipps zur Fehlerbehebung.
    3. Inspizieren Graphen auf Anzeichen von Nichtlinearität, oder genauer gesagt, ein Plateau von Gaskonzentrationen über die Zeit.
      Hinweis: Der Punkt, an dem Konzentration beginnt, unterscheidet sich von der Gasart Plateau, und ist eine Funktion der Rate der Gasproduktion oder Verbrauch innerhalb des Bodens, der Konzentration des Gases im Kopfraum der Kammer, und die Diffusion zwischen den zwei Zonen. Es wird daher dringend von Kammerhöhe betroffen sind, mit kürzeren Kammern was kürzere Zeit vor Plateau.
    4. Verwenden Sie die Kalibrierungssets, um eine optimale Kammer Bereitstellungszeit für die experimentelle System zu bestimmen. Wenn die lineare Regression wird in der Datenanalyse verwendet werden (wie hier in Abschnitt 5 beschrieben), wählen Sie Timing, die so nahe an eine lineare Wiederhälthung wie möglich zwischen der Zeit und der Konzentration aller Gase / Systeme von Interesse, während gleichzeitig mindestens drei, vorzugsweise vier Abtastzeiten innerhalb der Zeitreihe 6. Für Kammern 10-30 cm hohe CO 2 und N 2 O-Messungen verwendet, die Zeitreihen der Regel zwischen 20-60 min 8,14.
  3. Kalibrierung Fehlerbehebung
    1. Wenn es schlecht ist die Differenzierung und / oder Schwierigkeiten anspruchsvolle Linearität oder Plateau, verwenden enger Kalibrierungszeit Punkte oder mehr Kalibrierungszeit-Serie, und überprüfen Sie, dass die Konzentrationen innerhalb der Nachweisgrenze. Bei niedrigen Flussraten kann eine Reduktion der Rate der Akkumulation nicht innerhalb des Zeitrahmens getestet beobachtet werden. Dies sollte nicht Anlass zur Besorgnis.
    2. Wenn die Flüsse nicht am oberen Ende des erwarteten experimentellen Bereich Wiederholen der Kalibrierung verändert Behandlung oder Umweltbedingungen zu höheren Fluß (durch Anlegen Dünger oder Bewässerung, zum Beispiel) zu induzieren. Alternativ unse mindestens vier Zeitpunkten in experimentellen Design, so dass, wenn experimentelle Flüsse sind deutlich höher als jene, die während der Kalibrierung und Plateau beobachtet auftritt, können spätere Zeitpunkte ausgeschlossen werden, während mindestens drei Zeitpunkten für die lineare Regression. Krummlinigen Regressions Ansätze können ebenfalls verwendet werden.
  4. Experimentelles Design
    1. Basierend auf den optimalen Zeitpunkt in Abschnitt 2.2.4 bestimmt, entwickeln eine Gesamtstichprobenplan, der alle relevanten Websites, Behandlungen und / oder Wiederholungen erfasst und kann das Personal durch die Kammer-Sites effizient zu bewegen. Falls nötig, teilen die Kammer Websites in mehrere "Runden" zu probe eine nach der anderen werden.
      1. Wenn Messungen sind als repräsentativ für einen ganzen Tag Probe bei einer Tageszeit eingenommen werden, wenn die Temperaturen moderat, bezogen auf Tages Extreme sind. In typischen gemäßigten Anbausystemen, ist der ideale Fenster im mittleren bis späten Vormittag.
      2. Wenn Proben entnommen werden sollenin aufeinander folgenden Runden, achten Sie darauf, um eine Vorspannung durch mehrmaliges Abtasten der gleichen Behandlungen zur gleichen Tageszeit einzuführen. Construct Runden von Blöcken von Wiederholungen statt Behandlung-by-Behandlung.
      3. Fügen Sie Zeit für eventuell notwendige Zusatzmaßnahmen, die entweder innerhalb oder Runden vor / nach, ergriffen werden als angemessen. (Siehe Abschnitt 3.3 für typische Begleitmaßnahmen.)
      4. Optional umfassen die Zeit zum Sammeln der Umgebungsluftproben zur Verwendung in nicht-linearen Flussmodelle oder als Annäherung Starten (Zeitpunkt Null "T 0")-Konzentration (hier nicht beschrieben).
      5. Optional können Sie Zeit für das Laden Referenzgas in Ampullen zum Zeitpunkt der Probenahme, mögliche Probenabbau zwischen Probenahme und Analyse zu beurteilen. Siehe Parkin und Venterea 8 zur Lagerung von Proben Überlegungen.
    2. Bestimmen Sie die Häufigkeit der Flussmessungen, die für die Forschungsziele geeignet ist. Dies kann von einer einzigen Messung to täglich, wöchentlich oder periodische Messungen im Laufe von Monaten oder Jahren. Siehe Rochette et al. 14 für eine gründliche Diskussion der experimentellen Design-Überlegungen.
    3. Wenn Proben in kalten Bedingungen gesammelt werden sind, planen, für die Aufnahme einer Wärmegerät wie eine heiße Packung mit Fläschchen zu Septen spröde zu verhindern.

3. Feld Sampling

Hinweis: Auf jedem Probenahmetermin, folgen Sie den Stichprobenplan in Abschnitt 2.4 festgelegt, mit Hilfe der unten beschriebenen Techniken. Geräte und Probenvolumen kann je nach den Sammel-und Übertragungsverfahren verwendet wird und die Menge der Probe für die GC-Analyse benötigt 8 variieren. Dieses Protokoll nutzt 5,9 ml Sammelfläschchen und 30-ml-Spritzen, mit einem Spül-Methode der Probentransfer. Siehe Beiträge zu alternativen Ansätzen.

  1. Vorbereitung
    1. Wenn Messwerten aus mehreren Kammern pro Runde, bereiten einen Zeitpunkt Referenz Gitter (siehe Abbildung 2) einfach zu verfolgen, wo und wann zu probieren. Alternativ Vorkehrungen treffen, um jedem Zeitpunkt während der Probenentnahme aufzuzeichnen.
    2. Pre-Label und arrangieren Sammlung Fläschchen für maximale Effizienz und minimale Gefahr einer Verwechslung bei der Probenahme.
    3. Um Zeit zu sparen bei der Probenahme, bereiten alle Materialien und Geräte vorher. Fügen Extras von allem, was brechen kann, oder ist leicht in einer Trage tote, Eimer oder andere Behälter verloren (Nadeln, Spritzen, Hähne, etc.), und Ort.
    4. Seien Sie bereit, alle verzögerten Zeitpunkten, die durch Fehlfunktionen oder andere unvorhergesehene Umstände auftreten können, und die sich leicht bei der Datenanalyse, indem die Zeit mit einer bestimmten Probe verbunden korrigiert werden können, aufzunehmen.
  2. Probenentnahme
    1. Befestigen und Abdichtung der Kammerdeckel zu dem vorinstallierten Kammer Anker, und starten Sie eine Stoppuhr. Dies ist T 0.
    2. Unmittelbar nach dem Abdichten des Deckels collect eine Probe der Umgebungsluft von einer Stelle benachbart zu der Kammer, in der ungefähren Höhe der Kammer oben: mit einem leeren 30-ml-Spritze mit einer Nadel und einem Absperrhahn in der offenen Position angebracht ist, ziehen Sie eine 30 ml Luftprobe und schließen Sie die Hahn. Dies ist der T 0 Probe. Alternativ können Sie den T 0 Probe aus der Kammer 6.
      Hinweis: Kompromisse gibt es zwischen den beiden Ansätzen - zu bewerten räumliche (Entfernung vom Ort oder externen Mikroklima für den Außen Proben) vs Zeit (Verzögerung zwischen Deckelverschluss und Beispielsammlung für den Innen-Proben) und Überlegungen bestimmen die am besten geeignete Technik für die Ausrüstung verwendet werden und Das System untersucht.
    3. Mit der Spritzennadel, durchbohren das Septum einer 5,9 ml Sammelgefäß, das bereits über eine weitere Nadel durch stocherte in der Nähe der Kante der Scheidewand.
    4. Öffnen der Spritze zu injizieren Hahn und etwa 20 ml der Probe in die Ampulle (dies bewirkt, daß die vorherigen Inhalte derFläschchen, um durch die zusätzliche Nadel ausgewiesen werden, durch Proben ersetzt).
    5. In einer fließenden Bewegung, entfernen Sie die zusätzliche Nadel während sie weiterhin so viel von der restlichen Probe (ca. 10 ml) wie möglich zu injizieren, leicht über Druckbeaufschlagung der Fläschchen Probenintegrität zu gewährleisten und Analyse von mehreren Proben bei Bedarf 8.
    6. Schließen Sie den Wasserhahn und von der Scheidewand zurückziehen Sie die Spritzennadel. Drehen Sie den gefüllten Fläschchen auf den Kopf, um von ungefüllten Fläschchen unterscheiden.
    7. Fahren Sie mit der nächsten Kammer, wiederholen Sie die Schritte 3.2.1-3.2.6, Abdichten des Deckels auf der richtigen vorgegebenen Zeitpunkt T 0.
    8. Fahren Sie mit Schritt wiederholen, bis alle 3.2.1-3.2.7 Kammern in der Runde sind versiegelt worden und T 0 Proben wurden gesammelt.
    9. Zurück in die erste Kammer.
    10. Wie die Zeit nähert sich 10 Sekunden, bis T 1, durchbohren die Scheidewand in der Kammer oben mit der Spritzennadel.
    11. Innerhalb von 10 Sekunden-Bereich von T 1, Witzhdraw eine 30 ml-Probe der Luft aus dem Inneren der Kammer und den Absperrhahn schließen. Entfernen Sie die Spritzennadel aus der Kammer Scheidewand.
    12. Übertragen Sie die Probe auf ein Sammelgefäß folgenden Schritte 3.2.3-3.2.6.
    13. Weiter, um Proben zu sammeln folgende Schritte 3.2.10-3.2.12 nach dem Stichprobenplan in Abschnitt 2.4 etabliert.
  3. Begleitmassnahmen
    1. Um die Gaskonzentration zu konvertieren Masse, messen die Lufttemperatur zum Zeitpunkt der Probenahme. Je nach Forschungsziele, Aufzeichnung oder andere flankierende Maßnahmen wie Bodentemperatur und Bodenfeuchte an jedem Ort und / oder Zeit, tägliche Niederschlagsmenge, Bodendichte, Boden Nitrat-und Ammoniumkonzentrationen, etc. Verschiedene Mittel vorhanden sind, um diese Maßnahmen zu erhalten - folgen Standard-Protokolle.
    2. Optional sammeln Umgebungsluftproben und / oder Lastfeld Standards bekannter Konzentrationen in Ampullen auf Umgebungstreibhausgaskonzentrationen und potenziellen Speicher-Fläschchen Abbau i beurteilenn der Zeitraum zwischen Probenahme und Analyse (siehe Abschnitte 2.4.1.4 und 2.4.1.5).

4. Probenanalyse

  1. Bestimmung der Konzentration von Gasen von Interesse für jede Probe durch Gaschromatographie unter Verwendung einer Ausrüstung mit einem Elektroneneinfangdetektor für N 2 O, einem Infrarot-Gasanalysator oder Wärmeleitfähigkeitsdetektor für CO 2 und einem Flammenionisationsdetektor für CH 4 eingesetzt.
    Hinweis: Es ist wichtig, den Zugang zu einem Instrument, das richtig für die THG-Analyse konfiguriert ist und eine ausreichende Laufzeit verfügbar zu erhalten. Grundlagen und Methoden der Gaschromatographie werden an anderer Stelle beschrieben, 5,15,16.
  2. Konvertieren Spurengaskonzentration aus Volumenmassen mit dem idealen Gasgesetz:

PV = nRT

Wobei P = Druck, V = Volumen, n = Mole Gas, R = Gasgesetzkonstante und T = Temperatur. Also:

figure-protocol-1

5. Data Analysis

  1. Für jede Zeitreihe, Grundstück Zeit-für-Konzentration und bewerten für Linearität. Bewerten mit Güte der Anpassung oder durch Sichtkontrolle, ohne späteren Zeitpunkten zeigt Anzeichen einer Hochebene von der weiteren Analyse. Verwenden mindestens drei Zeitpunkten einschließlich T 0 für Stromberechnung (T 0, T 1, T 2, ...). Stellen Sie eine konsistente Protokoll und lehnen jede Zeitreihe, die Standards, die für Linearität Protokoll nicht erfüllen. Siehe Parkin und Venterea 8 für eine gründliche Diskussion der Fehler, Bias und Varianz in Flussberechnung.
  2. Die lineare Regression.
  3. Verwenden Sie die Steigung der Regressions, um den Fluss zu berechnen:

F = S • V • A -1

F = Fluss, S = Steigung der Regressions, V = Kammervolumen und A = KammerBereich. Also:

figure-protocol-2

Hinweis: Lesen Sie die Diskussion und Parkin et al 12 für nicht-lineare Ansätze zur Berechnung Fluss..

Ergebnisse

Vor Beginn eines Forschungsprojekts mit statischen Kammern, ist es wichtig, den gesamten Workflow zu verstehen, und die Organisation der in-silico-, Feld-und Laborbasierten Elementen (Abbildung 1). Vorausgesetzt, sorgfältige Versuchsplanung und Systemkalibrierung (Abbildung 2), wird die Datenanalyse in der Regel relativ einfach. Eine Rate der Fluß für jede Kammer und die Abtastzeit durch Regression der Zeit durch Konzentration unter Verwendung eines vorbestimmten Flussmodell entsprechend dem Verfahren (3) bestimmt. Aber auch folgenden Best Practices können Schwierigkeiten auftreten, und die Qualitätskontrolle der Rohdaten ist kritisch. So kann beispielsweise Ausfall eines Kammerdichtung oder undichte Probenfläschchen in anomale Konzentrationswerte führen. Diese werden leicht durch visuelle Inspektion der Zeitreihe Konzentration Stücke (Fig. 4), mit CO 2-Zeitreihen oft als besonders usefu dient identifiziertKennzeichen aufgrund der typischerweise stabiler und kontinuierlicher Fluß von CO 2 im Vergleich zu manchmal vernachlässigt, nahe Detektionsgrenze, oder sogar negative Flüsse von N 2 O und CH 4. Sobald die Datenqualität bestätigt worden ist, können die Ergebnisse zur Gasflussdynamik zwischen den Behandlungen oder im Verlauf der Saison (Fig. 5) zu vergleichen. Wie aus Mai und Juni Flusswerte und Fehlerbalken zu sehen ist, kann die Variation durch räumliche Heterogenität des Flusses verursacht erheblich sein, und unter Bedingungen produziert hohe Fluss ausgeprägt. Solche Variabilität ist nicht ungewöhnlich, und unterstreicht die Bedeutung einer ausreichenden Replikation in dieser Technik.

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Abbildung 1. Workflow-Übersicht. Verschiedene Elemente des Protokolls wird in der Planungsphase durchgeführt werden, im Feld, im Labor, und ichn silico. Die Pfeile zeigen die Reihenfolge der Arbeitsablauf, beginnend mit Kammer-Design (Konstruktion und falls erforderlich), und endend mit Datenanalyse. Mehrere Kartons / Pfeile zwischen Feld Probenahme und Probenanalyse stellen die Möglichkeit der Mehrfachentnahme Daten über den Verlauf eines Experiments.

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Abbildung 2. Proben Timing. Ein Beispiel Zeitschema für die Sammlung von Proben aus mehreren Kammern gleichzeitig. Kammernummern werden links und Zeitpunkte, an oben angedeutet, mit Probenahmezeiten in ganzen Minuten innerhalb des Rasters aufgelistet. In diesem Beispiel sind vier separate Zeitreihe von je 36 min (eine für jede Kammer) aus innerhalb von 46 min mit 12 min Abstand zwischen den Zeitpunkten innerhalb einer Reihe, und 2 min zu der Zeit zwischen den Kammern. Aus diesem hypothetischen Beispiel die suitabilität von 36-Minuten-Zeitreihe würde durch vorherige Kalibrierung bestimmt worden. Während gleichmäßig verteilt Timing ist nicht notwendig, ist es oft vereinfacht den Stichprobenplan. Alternativ können die Forscher einzeln erfasst jeden Abtastzeitpunkt Stichprobenintervalle zu bestimmen.

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Eine typische statische Kammer Zeitreihe 3. Flussberechnung., Bestehend aus N 2 O-Konzentrationen im Verlauf einer 36-min-Abtastperiode in vier Zeitpunkten gemessen. Die lineare Regression wird angezeigt, deren Steigung ergibt Flussrate.

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4. Qualitätskontrolle. Gekoppelte Zeitreihen aus dem gleichen Satz von Proben, aber unterschiedliche Gase in wel gezeigtench Fläschchen Leckage durch visuelle Inspektion (roter Punkt) identifiziert worden. A) CO 2-Konzentration über die Zeit. B) N 2 O-Konzentration über die Zeit.

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Abbildung 5. Synthesis Ergebnisse. N 2 O Flussrate von einem landwirtschaftlichen Gebiet im Laufe einer Vegetationsperiode. Flux-Werte stellen den Mittelwert der sechs Kammern, mit Vier-Punkt-Zeitreihen. Fehlerbalken sind Standardfehler.

Diskussion

Die hier beschriebene statische Kammer-Ansatz ist eine effiziente Methode für die Messung von Treibhausgasefluss von Bodensystemen. Die relative Einfachheit der Komponenten macht es besonders gut geeignet, um Zustände oder Systeme, in denen mehrere Infrastrukturintensive Verfahren sind durchführbar. Um eine hohe Datenqualität zu erzeugen, aber der statische Ansatz Kammer muss mit streng auf experimentelles Design 6 durchgeführt werden. Eine bemerkenswerte Überlegung, die berücksichtigt werden muss, ist die räumliche Variabilität der Bodengasflüsse, die in der hohen Variabilität unter Replikat-Kammer-basierten Messungen führen kann. In Versuchsplanungs daher ist es wichtig, genug, um eine angemessene Leistung Wiederholungen für die statistische Analyse bereitzustellen. Kompromisse zwischen der Anzahl der Behandlungen, die betrachtet werden kann, während eine ausreichende Replikation, und ein Minimum von vier Wiederholungen pro Behandlung ist eine allgemeine Richtlinie 14 vorhanden sein.

NHALT "> Wenn gemessenen Flüsse werden zur täglichen Emissionen abzuschätzen, müssen Tagesschwankungen der Lufttemperatur, Bodentemperatur und Gasemissionen berücksichtigt werden. Wenn Forschungsziele erfordern Messungen in Vormittag erhalten, wenn die Temperaturen entsprechen den Tagesmittelwerte werden die eingeschränkte Fenster für die Probenahme kann die Zahl der Kammern, die überwacht werden können führbar beeinflussen. Eine weitere Überlegung zu bewerten ist die Auswirkung, dass die Aufnahme oder den Ausschluss von Pflanzenwurzeln und Biomasse über der Erde wird am Gasflüsse haben. Kammer Platzierung relativ Pflanzengewebe wird Auswirkungen auf die Interpretation von Flussdaten, insbesondere im Fall von CO 2, wo nicht nur die mikrobielle Atmung, sondern auch Wurzel-und Trieb Atmung und Photosynthese, müssen entsprechend ausgeglichen werden. Für weitere Diskussion dieser Faktoren finden Parkin und Venterea 8.

Wie bereits erwähnt, viele Variationen dieser Methode existieren, einschließlich Kammerdesign und ProbenahmeLautstärke. Eine solche Variante ist in der verwendeten Proben zwischen der Spritze und Sammelgefäß übertragen Methode. Die hier beschriebene Technik spült zuerst das Sammelgefäß mit der Probe vor dem Befüllen der Ampulle zu 5 positiven Druck. Eine allgemein verwendete Technik ist die Übertragung der Proben von Spritzen, die Fläschchen gewesen vorevakuierten Verwendung einer Vakuumpumpe, und die Verwendung von nicht-evakuierten Röhrchen ohne Spülung wurde auch berichtet, 8,17. Ein anderer bedeutender Punkt, wo eine Reihe von Ansätzen gibt, ist in der Datenanalyse und der Auswahl des am besten geeigneten Flussmodell für das System untersucht. Neben der hier beschriebenen linearen Regressionsverfahren können nicht-lineare Modelle eingesetzt werden, insbesondere wenn längere Einsatzzeiten verwendet werden. Diese Modelle sind die von Hutchinson und Mosier 18 entwickelten Algorithmus und Ableitungen davon 19,20, die von Wagner et al. Quadratische Verfahren 21 beschrieben, und die nicht-stationärenZustand von Livingston et al 22 beschrieben Diffusionsfluß Schätzer. Für eine gründliche Diskussion der nicht-linearen Flussmodellen finden Sie Parkin et al. Venterea 12 und 23 et al.

Ähnlich dem statischen Ansatz Kammer Methoden umfassen die Verwendung von Durchflussmesssysteme mit Infrarot-Fourier-Transfer (FTIR)-Spektroskopie als Alternative zu Probenahme und Gaschromatographie-Spritze, sowie die Automatisierung von Kammerverschluss und Probenahmen durch verschiedene Mittel. Automatisierte Systeme ermöglichen häufigere Messungen mit reduziertem Personal, aber auch zusätzliche Investitionen in die Infrastruktur. Gnade et al. 24 stellen eine umfangreiche Zusammenfassung der Optionen und Kompromisse in der automatisierten Kammer-basierte N 2 O-Messung.

Charakterisierung von Treibhausgasefluss von verwalteten und natürlichen Systemen ist wichtig, prozessbasierte Modelle zu informieren, zu verstehen, die Auswirkungen der Management Praktiken und Minderungsstrategien zu informieren und zu globalen Bilanzierung und Modellierung des Klimawandels zu unterstützen. Während also einzelnen Studien sind informativ auf lokaler Ebene wird viel zusätzlichen Wert durch einen Beitrag zur und Zeichnung aus, einem globalen Körper des Wissens auf den Gasaustausch zwischen der Landschaft und der Atmosphäre abgeleitet. Es ist der Schlüssel, also, dass Daten gesammelt werden und in einer Weise, die Langlebigkeit und die Interoperabilität mit der breiteren Wissensbasis gewährleistet, berichtet. Dies beinhaltet folgende Best Practices, um die Datenqualität sowie Sammlung von Begleitmaßnahmen und umfassende Berichterstattung von Metadaten zu gewährleisten Erweiterung der Erkenntnisse über einzelne Studien zu ermöglichen. Ausgezeichnet Leitlinien für die Datenberichterstattung sind von der GRACEnet Projekt und der GRA 25.

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation unter der Fördernummer 1215858, vom US-Landwirtschaftsministerium unter der Fördernummer 2013-68002-20525 und vom US-Energieministerium Great Lakes Bioenergy Research Center – DOE BER Office of Science (DE-FC02-07ER64494) und dem DOE OBP Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (DE-AC05-76RL01830) unterstützt wurden. Videos und Bilder aus dem Feld wurden im Rahmen des Wisconsin Integrated Cropping System Trial-Projekts der University of Wisconsin-Madison aufgenommen. Die Autoren danken Ryan Curtin für die geschickte Videografie und den Schnitt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
5,9 ml Sodaglas mit flachem Boden 55 x 15,5 mmLabco Limited719WKollektion Fläschchen
16,5 mm Schraubverschlüsse mit durchstechbarem GummiseptumLabco LimitedVC309Kappen für Fläschchen
90-Well-Fläschchengestell aus Kunststoff, 17,1 mm Well-IDWheaton868810Gestell zum Organisieren von Fläschchen
Reguläre Schrägnadeln 23 G x 1"BD305193Nadeln für die Probenentnahme
Absperrhähne mit Luer-Anschlüssen, 1-Wege, männlicher SlipCole-ParmerEW-30600-01Absperrhähne für Spritzen
30 ml Spritze, StülpspitzeBD309651Spritzen für die Probenentnahme
Stoppuhr oder TimerVerschiedenesN/AFür die Probenahme vor Ort
Behälter aus Edelstahl oder verzinkt mit Rand oder Kammern und Deckel aus Edelstahl oder PVC, Abmessungen je nach VersuchssystemVerschiedenesN/AKammeranker und Deckel - Boden aus dem Anker ausgeschnitten, Löcher für Septum und Entlüftungsschlauch im Deckel gebohrt
Graue Butylstopfen 20 mmWheatonW224100-173Kammersepten für die Spritzenprobenahme - in das im Deckel gebohrte Loch einführen
Tygon-Schlauch 4,0 mm Innendurchmesser x 5,6 mm AußendurchmesserSigma-AldrichZ685623Kammer-Entlüftungsschlauch - in das Loch einführen, das in der Deckelseite gebohrt ist, bündig mit der Außenseite, ca. 25 cm aufgewickelt in der Deckelinnenseite (eine 1-ml-Spritzenspitze kann als Befestigungsmechanismus verwendet werden)
Klebeband aus Moosgummi oder HDPE-O-RingVerschiedeneN/AKammerdichtungsmechanismus - an der Unterseite des Deckelrandes befestigt
Reflektierende Isolierung, 0,3125" DickeLowe's409818isolierende und reflektierende Beschichtung - an der Außenseite des Kammerdeckels anbringen
Große Bindeklammern aus Metall, Größe 2" mit 1" Kapazität, oder gefertigter Zugriegel nach BedarfHeftklammern / McMaster831610 (Heftklammern) / 1863A21 (McMaster)Deckelbefestigungsmechanismus - zum Einklemmen des Deckels an die Verankerung während der Probenahme
Gaschromatographiegerät mit Elektroneneinfangdetektor für Distickstoffmonoxid, Infrarot-Gasanalysator oder Wärmeleitfähigkeitsdetektor für Kohlendioxid, Flammenionisationsdetektor für MethanVerschiedenesN/AFür die Probenanalyse

Referenzen

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