Article de méthode

Mesure du flux de gaz à effet de serre provenant des sols agricoles utilisant statiques Chambers

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DOI :

10.3791/52110

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3 août 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

Auteurs correspondants : Curtis J. Dell <curtis.dell@ars.usda.gov>

Dans cet article

Résumé

Cet article présente la méthode basée sur une chambre statique pour la mesure des flux de gaz à effet de serre des systèmes de sol. Avec des investissements relativement modestes dans l’infrastructure, les mesures peuvent être obtenues à partir de plusieurs traitements ou emplacements et sur des périodes allant de quelques heures à plusieurs années.

Résumé

La mesure des flux de gaz à effet de serre (GES) entre le sol et l’atmosphère, dans les écosystèmes aménagés et non gérés, est essentielle pour comprendre les facteurs biogéochimiques du changement climatique et pour élaborer et évaluer des stratégies d’atténuation des GES fondées sur la modulation des pratiques de gestion du paysage. La méthode basée sur la chambre statique décrite ici est basée sur le piégeage des gaz émis par la surface du sol à l’intérieur d’une chambre et la collecte d’échantillons dans l’espace de tête de la chambre à intervalles réguliers pour analyse par chromatographie en phase gazeuse. La variation de la concentration de gaz au fil du temps est utilisée pour calculer le flux. Cette méthode peut être utilisée pour mesurer les flux de dioxyde de carbone, de protoxyde d’azote et de méthane dans le paysage, et pour estimer les différences entre les traitements ou explorer la dynamique du système au fil des saisons ou des années. Les besoins en infrastructures sont modestes, mais une conception expérimentale complète est essentielle. Cette méthode est facilement déployable sur le terrain, est conforme aux directives établies et produit des données adaptées aux études d’émissions de GES à grande échelle.

Introduction

Comprendre les contributions des activités humaines et des systèmes naturels aux propriétés radiatives de l’atmosphère est un domaine d’une importance cruciale alors que nous nous efforçons d’atténuer les contributions anthropiques à l’effet de serre. En plus du dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d’azote (N2O) et le méthane (CH4) sont également de puissants GES, représentant respectivement environ 7 % et 19 % du réchauffement climatique, la majorité des émissions provenant de sources paysagères1,2. Il s’agit de systèmes gérés tels que les champs agricoles, les rizières et les décharges, ainsi que de systèmes naturels tels que les sols forestiers, les zones humides et les termitières. Il est essentiel d’avoir des mesures précises, à l’appui d’une modélisation bien informée de ces émissions dans le paysage, afin de comprendre les facteurs du changement climatique et d’identifier les possibilités d’atténuation.

Il existe diverses stratégies de mesure des gaz à effet de serre, chacune ayant ses propres forces et faiblesses2-5. Les techniques de bilan massique reposent sur la dispersion des gaz par le vent et sont adaptées à la mesure des flux provenant de petites sources bien définies telles que les décharges et les enclos pour animaux. Les approches micrométéorologiques telles que la covariance des turbulences sont basées sur la mesure directe en temps réel du flux vertical de gaz et peuvent fournir des mesures directes sur de grandes zones. Cependant, l’homogénéité de la topographie de la source est une hypothèse implicite (en ce sens que les mesures donnent une moyenne pour la zone étudiée), et les infrastructures coûteuses peuvent limiter les possibilités de déploiement. Enfin, les méthodes en chambre se concentrent sur la modification de la concentration de gaz à la surface du sol par échantillonnage à partir d’un espace libre restreint au-dessus du sol. Ils permettent d’obtenir des mesures à partir de petites surfaces et de nombreux traitements, mais sont soumis à des coefficients de variation élevés en raison de la variation spatiale du flux de gaz du sol.

Nous abordons ici la forme la plus répandue et la plus facile à mettre en œuvre de mesure en chambre, en utilisant le type de chambres fermées sans écoulement d’air, communément appelées chambres « statiques » ou « non stationnaires sans écoulement direct ». Dans cette approche, les émissions de gaz de la surface du sol sont piégées dans une chambre ventilée, et les taux de flux sont déterminés en mesurant la variation de la concentration de gaz au fil du temps dans l’espace de tête de la chambre. La technique de la chambre statique a été largement déployée dans les paysages gérés et naturels et sous-tend la majeure partie des données faisant état de flux de gaz à effet de serre dans le sol, en particulier N2O6,7. Il est parfaitement adapté à l’étude de petites parcelles expérimentales, de sites divers sur des terrains variables, ou dans d’autres situations où plusieurs emplacements distincts doivent être étudiés sans investissements importants en infrastructures. Les utilisations expérimentales typiques pourraient inclure l’exploration de pratiques alternatives de gestion du paysage et leur impact sur les émissions deCO2, N2O et/ou CH4 dans le sol, l’examen de la dynamique des flux basée sur le paysage dans des scénarios de changement climatique induits artificiellement tels que le réchauffement et l’exclusion/supplémentation des précipitations, ou l’étude descriptive des écosystèmes et sous-systèmes naturels et agricoles.

En tant qu’outil essentiel pour la mesure des GES et l’estimation des flux, la méthode de la chambre statique a fait l’objet d’une évaluation approfondie et des efforts importants ont été déployés en vue de la normalisation des techniques et de l’harmonisation de la communication des données4,6,8,9. Il convient de noter en particulier les examens détaillés et les lignes directrices produits par le réseau GRACEnet (Greenhouse gas Reduction through Agricultural Carbon Enhancement Network) du Service de recherche agricole du ministère de l’Agriculture des États-Unis8 et par l’Alliance mondiale de recherche sur les gaz à effet de serre agricoles (GRA)9. De telles lignes directrices constituent une ressource et une plate-forme inestimables pour la coordination, car en fin de compte, l’interopérabilité des données d’une myriade d’études est essentielle pour étendre les résultats locaux à la modélisation mondiale et pour traduire les résultats de la recherche en stratégies d’atténuation viables.

GRACEnet, GRA et d’autres revues soulignent également le fait que les techniques spécifiques de mesure des flux de gaz à effet de serre en chambre statique sont extrêmement diverses, avec des variations méthodologiques significatives possibles à presque chaque étape du processus, y compris la conception de la chambre, le déploiement temporel et spatial, les volumes d’échantillonnage, l’analyse d’échantillons et les calculs de flux. La méthode décrite ici présente une variante possible, tout en présentant les meilleures pratiques et en mettant en évidence les considérations essentielles pour la génération de données de haute qualité et largement transférables. Il vise à fournir un aperçu accessible de cette procédure normalisée et une plate-forme à partir de laquelle explorer d’autres nuances et variations décrites dans la littérature.

Protocole

1. Chambre de la Construction et Ancrage

  1. Conception et construction de chambres - constitués chacun d'un point d'ancrage qui est insérée dans le sol et d'un couvercle qui est placé sur le dessus de la cheville lors de la mesure de flux - de répondre aux besoins expérimentaux.
    1. Dans la conception de la forme et la taille chambre, tenir compte des facteurs géographiques tels que l'espacement culture en rangs, engrais ou de fumier bandes, et la hauteur de la plante. Parce que saillie des ancres dessus de la surface du sol peut contribuer aux effets du microclimat et la formation de flaques d'eau, envisager d'avoir les paupières sont assis aussi bas à la surface du sol que possible. Parce que les compromis existent entre la hauteur de la chambre et de la sensibilité de détection, couvercles de conception pour être aussi courte que possible est pour le système à l'étude.
    2. Construire des chambres de solide, matériau non réactif comme l'acier inoxydable ou en PVC, et inclure un mécanisme pour sceller le couvercle sur l'ancre. Isoler les couvercles et couvrir avec un matériau de couleur claire ou réfléchissante pour éviter l'accumulation de chaleurpendant la mesure. Inclure un septum pour permettre la collecte d'échantillons et d'un tube d'évent pour empêcher des perturbations de pression pendant le déploiement et le retrait de la chambre d'échantillon. Pour plus de détails reportez-vous à la table des matières, Parkin et Venterea 8, et Clough et al 10.
  2. Au moins 1 jour avant l'échantillonnage, installer les ancrages de la chambre dans le sol sur les sites souhaités. La méthode d'installation dépend de la conception de la chambre, mais en général, appliquer une pression uniforme sur tous les points de sorte que l'ancre ne se déforme pas ou déformer la structure du sol. Couler l'ancre à une profondeur de 2,5 à 13 cm selon le type de sol, le temps de déploiement, et le volume de la chambre 6,11. Laissez aussi peu que possible (pas plus de 5 cm) en saillie au-dessus de la surface du sol.

2. D'étalonnage et de design expérimental

Remarque: Avant de commencer l'expérience, suivez ces étapes pour déterminer un cours de temps d'échantillonnage approprié qui permettra aux donnéesà s'adapter à un linéaire ou le modèle approprié flux non-linéaire (voir Parkin et al. 12). Cela nécessitera l'utilisation des techniques décrites dans les étapes 3-5 (échantillonnage sur le terrain, l'analyse des échantillons, et l'analyse de données). Le moment optimal est une fonction à la fois du système à l'étude et les dimensions des chambres étant utilisés. Quelques essais et erreurs peuvent être impliqués. Voir Venterea 13 pour d'autres approches.

  1. Échantillonnage et d'analyse d'étalonnage
    1. Dans des conditions environnementales ou de gestion devraient générer relativement élevés flux de gaz à l'état de traces, procéder à un échantillonnage intensif des techniques décrites dans la section 3 ci-dessous. Utilisation des points de temps d'échantillonnage étroitement espacés, remplir une série de temps de durée plus longue que ce qui serait considéré comme typique. Commencez par échantillonnage de plusieurs chambres représentatives à 5-10 points de temps régulièrement espacés au cours d'une heure.
    2. Analyser les échantillons par chromatographie en phase gazeuse suivant l'article 4.
  2. Calibration Interpretatisur
    1. Pour chaque série de temps d'étalonnage et chaque gaz d'intérêt, l'intrigue temps par concentration.
    2. Vérifiez que les débits sont à l'extrémité supérieure de la fourchette prévue. Voir la section 5 pour le calcul de flux. Reportez-vous à la section 2.3 pour obtenir des conseils de dépannage.
    3. Inspectez graphiques des signes de non-linéarité, ou plus précisément, pour plafonner les concentrations de gaz au fil du temps.
      Remarque: Le point auquel la concentration commence à se stabiliser diffère en fonction du type de gaz, et est une fonction de la vitesse de production de gaz ou de la consommation dans le sol, la concentration du gaz dans l'espace de tête de la chambre, et la diffusion entre les deux zones. Il est donc fortement influencée par la taille de la chambre, avec des chambres plus courtes rendement plus courte avant la plateau.
    4. Utilisez les données de calibrage pour déterminer chambre optimale temps de déploiement pour le système expérimental. Si la régression linéaire sera utilisée dans l'analyse des données (comme décrit ici dans la section 5), sélectionnez le calendrier qui maintient aussi proche d'une re linéairelationship que possible entre le temps et la concentration de tous les gaz / les systèmes d'intérêt, tout en permettant un minimum de trois, de préférence quatre périodes d'échantillonnage au sein de la série de temps 6. Pour les chambres 10-30 cm de hauteur utilisée pour le CO 2 et de N 2 O des mesures, des séries chronologiques vont généralement 20-60 min 8,14.
  3. Calibration Dépannage
    1. Si il ya une mauvaise différenciation et / ou la difficulté de discerner la linéarité ou plateau, utilisez le resserrement des points de temps d'étalonnage ou des séries plus longues d'étalonnage, et vérifier que les concentrations sont dans les limites de détection. Pour les taux de flux faibles, une réduction du taux d'accumulation ne peut être observé dans les délais testé. Cela ne devrait pas inquiéter.
    2. Si les flux ne sont pas à l'extrémité haute de la gamme expérimentale prévu, répéter le calibrage, une modification du traitement ou des conditions environnementales pour induire flux plus élevé (par l'application d'engrais ou d'irrigation, par exemple). En variante, nouse au moins quatre points dans le temps dans la conception expérimentale, de sorte que si les flux expérimentaux sont significativement plus élevés que ceux observés lors de l'étalonnage et le plafonnement ne se produit, des temps plus tardifs peuvent être exclus, tout en conservant au moins trois points dans le temps pour la régression linéaire. Méthodes de régression curvilignes peuvent également être employés.
  4. Experimental Design
    1. Basé sur le moment optimal déterminé à l'article 2.2.4, élaborer un plan d'échantillonnage global qui capture tous les sites pertinents, les traitements, et / ou les répétitions, et permet au personnel de se déplacer à travers les sites de chambre efficace. Si nécessaire, diviser les emplacements de la chambre en plusieurs «cycles» à échantillonner l'un après l'autre.
      1. Si des mesures doivent être prises en tant que représentant d'une journée entière, échantillon à un moment de la journée où les températures sont modérées par rapport aux extrêmes quotidiens. Dans les systèmes de culture tempérées typiques, la fenêtre est idéale milieu à la fin de la matinée.
      2. Si les échantillons doivent être prélevésdans les tours consécutifs, veiller à ne pas introduire un biais par échantillonnage à plusieurs reprises les mêmes traitements à la même heure de la journée. Construire tours de blocs de répétitions plutôt que le traitement par le traitement.
      3. Prévoyez du temps pour toutes les mesures d'accompagnement nécessaires pour être prises soit dans les séries ou avant / après, le cas échéant. (Voir la section 3.3 pour des mesures d'accompagnement typiques.)
      4. En option, inclure le temps pour la collecte des échantillons d'air ambiant pour une utilisation dans des modèles de flux non linéaires, ou comme une approximation de départ (temps zéro ", T 0") concentration (non décrit ici).
      5. Éventuellement, inclure le temps de chargement de gaz de référence dans des flacons au moment de l'échantillonnage pour évaluer la dégradation possible de l'échantillon entre le prélèvement et l'analyse. Voir Parkin et Venterea 8 pour des raisons de stockage de l'échantillon.
    2. Déterminer la fréquence des mesures de flux qui est approprié pour des objectifs de recherche. Cela peut aller d'une simple mesure to tous les jours, des mesures hebdomadaires ou périodiques au cours des mois ou des années. Reportez-vous à Rochette et al. 14 pour une discussion approfondie de considérations de conception expérimentales.
    3. Si les échantillons doivent être prélevés dans des conditions froides, planifier pour l'inclusion d'un dispositif de réchauffement comme une compresse chaude avec des flacons pour éviter des cloisons de devenir cassant.

3. Échantillonnage sur le terrain

Remarque: À chaque date d'échantillonnage, suivre le plan d'échantillonnage établi à l'article 2.4, en utilisant les techniques décrites ci-dessous. Équipement et volume d'échantillon peut varier en fonction des méthodes de collecte et de transfert étant employés et le montant de l'échantillon requis pour l'analyse de CG 8. Ce protocole utilise 5,9 ml des flacons de collecte et des seringues de 30 ml, avec un procédé de rinçage de transfert d'échantillon. Voir discussion pour d'autres approches.

  1. Préparation
    1. Si l'échantillonnage de plusieurs chambres par tour, préparer un point de réfé tempsgrille rence (voir la figure 2) à suivre où et quand échantillonner facilement. Sinon, prendre des dispositions pour enregistrer chaque point de temps lors de l'échantillonnage.
    2. Pré-étiquette et organiser des flacons de collecte pour une efficacité maximale et un risque minimal de confusion lors de l'échantillonnage.
    3. Afin de gagner du temps lors de l'échantillonnage, préparer tous les matériaux et équipements à l'avance. Inclure les figurants de tout ce qui peut se casser ou se perdre facilement (aiguilles, seringues, robinets, etc), et les placer dans un sac de transport, un seau ou un autre récipient.
    4. Soyez prêt à enregistrer tous les points de temps retardés qui peuvent survenir en raison d'une panne d'équipement ou d'autres circonstances imprévues, et qui peuvent être facilement corrigées au cours de l'analyse des données en ajustant le temps associé à un certain échantillon.
  2. Prélèvement des échantillons
    1. Fixez et scellez le couvercle de la chambre de l'ancrage de la chambre de pré-installé, et déclencher un chronomètre. Ceci est T 0.
    2. Immédiatement après avoir scellé le couvercle collect un échantillon d'air ambiant à partir d'un emplacement adjacent à la chambre, à la hauteur approximative de la partie supérieure de la chambre: avec un vide de 30 ml seringue munie d'une aiguille et d'un robinet en position ouverte, tirer un échantillon de 30 ml d'air et fermer le robinet. Ceci est l'échantillon T 0. Sinon, prendre l'échantillon T 0 de la chambre 6.
      Note: Compromis existent entre les deux approches - évaluer spatial (distance du site ou microclimat externe pour les échantillons à l'extérieur) vs calendrier (délai entre la fermeture du couvercle et le prélèvement d'échantillons pour les échantillons à l'intérieur) considérations et de déterminer la technique la plus appropriée pour l'équipement utilisé et le système étudié.
    3. Avec l'aiguille de la seringue, percer le septum 5,9 ml d'un flacon de prélèvement qui a déjà une autre aiguille piquer à travers à proximité du bord de la cloison.
    4. Ouvrir le robinet de la seringue et injecter environ 20 ml de l'échantillon dans le flacon (ce qui provoque le contenu précédent de laflacon pour être expulsé par l'aiguille supplémentaire, remplacé par échantillon).
    5. Dans un mouvement fluide, retirez l'aiguille supplémentaire tout en continuant à injecter autant de l'échantillon restant (environ 10 ml) que possible, un peu plus de pressurisation du flacon pour assurer l'intégrité de l'échantillon et permettre l'analyse de plusieurs échantillons si nécessaire 8.
    6. Fermer le robinet et retirez l'aiguille de la seringue de la cloison. Retournez le flacon rempli à l'envers à distinguer des flacons en carnet.
    7. Passez à la chambre suivante, répétez les étapes 3.2.1-3.2.6, sceller le couvercle sur la pré-déterminé du point T 0 heure correcte.
    8. Continuer à répéter les étapes 3.2.1-3.2.7 jusqu'à ce que toutes les chambres de la tour ont été scellés et T 0 échantillons ont été prélevés.
    9. Retour à la première chambre.
    10. Comme le temps se rapproche de 10 secondes jusqu'à T 1, percer le septum dans la partie supérieure de la chambre avec l'aiguille de la seringue.
    11. Dans un deuxième 10 Plage de T 1, l'esprithdraw un échantillon de 30 ml d'air à l'intérieur de la chambre et fermer le robinet. Retirez l'aiguille de la seringue de la cloison de la chambre.
    12. Transférer l'échantillon dans un flacon de prélèvement suivant les étapes 3.2.3-3.2.6.
    13. Continuer à recueillir des échantillons en suivant les étapes 3.2.10-3.2.12, selon le plan d'échantillonnage établi à l'article 2.4.
  3. Les mesures d'accompagnement
    1. Afin de convertir la concentration de gaz à la masse, de mesurer la température de l'air au moment de l'échantillonnage. En fonction des objectifs de recherche, fiche ou effectuer d'autres mesures d'accompagnement telles que la température du sol et l'humidité du sol à chaque emplacement et / ou le temps, les précipitations quotidiennes, la densité apparente du sol, les nitrates du sol et les concentrations d'ammonium, etc Différents moyens existent pour obtenir ces mesures - suivre les protocoles standard.
    2. Éventuellement, prélever des échantillons de l'air ambiant et / ou des normes sur le terrain de la charge de concentrations connues dans des flacons pour évaluer les concentrations de GES ambiantes et le potentiel de stockage flacon dégradation in la période comprise entre l'échantillonnage et l'analyse (voir les sections 2.4.1.4 et 2.4.1.5).

4. Analyse des échantillons

  1. Déterminer la concentration des gaz d'intérêt de chaque échantillon par chromatographie en phase gazeuse, en utilisant un équipement muni d'un détecteur d'électrons de capture pour le N 2 O, un analyseur de gaz à infrarouge ou d'un détecteur à conductivité thermique pour le CO 2, et un détecteur à ionisation de flamme pour le CH 4.
    Remarque: Il est essentiel d'avoir accès à un instrument qui est correctement configuré pour l'analyse des GES et a le temps d'exécution suffisant. Les principes et les méthodes de chromatographie en phase gazeuse sont décrites ailleurs 5,15,16.
  2. Autre concentration de gaz de trace de masse volumique à l'aide de la loi des gaz parfaits:

PV = nRT

Où P = pression, V = volume n = moles de gaz R = la constante de la loi des gaz, et T = température. Ainsi:

figure-protocol-1

5. Analyse des données

  1. Pour chaque série de temps, parcelle temps par concentration et d'évaluer la linéarité. Évaluer utilisant qualité de l'ajustement ou par inspection visuelle, à l'exclusion des temps plus tardifs montrent des signes de plateau de l'analyse. Utiliser un minimum de trois points dans le temps T 0, y compris pour le calcul du flux (T 0, T 1, T 2, ...). Établir un protocole uniforme, et rejeter une série de temps qui ne respectent pas les normes de ce protocole pour la linéarité. Voir Parkin et Venterea 8 pour une discussion approfondie de l'erreur, le biais et la variance dans le calcul de flux.
  2. Effectuez une régression linéaire.
  3. Utilisez la pente de la régression pour calculer le flux:

F = S • V • A -1

Où F = flux, S = pente de la régression, V = volume de la chambre, et A = la chambrezone. Ainsi:

figure-protocol-2

Remarque: Reportez-vous à la discussion et Parkin et al 12 pour les approches non-linéaires à flux calcul..

Résultats

Avant de commencer un projet de recherche avec des chambres statiques, il est important de comprendre que le processus global, et l'organisation d'in silico, le terrain et les éléments en laboratoire (Figure 1). Assuré la conception expérimentale attention et l'étalonnage du système (figure 2), l'analyse des données sera relativement simple. Un taux de flux est déterminé pour chaque chambre et le temps d'échantillonnage par une régression de temps par concentration à l'aide d'un modèle de flux prédéterminée appropriée pour le système (Figure 3). Cependant, même après les meilleures pratiques, des difficultés peuvent être rencontrées, et contrôle de la qualité des données brutes est essentiel. Par exemple, la défaillance d'un joint d'étanchéité de la chambre ou les fuites des flacons d'échantillon peut donner lieu à des valeurs de concentration anormaux. Ceux-ci sont facilement identifiés par une inspection visuelle des séries chronologiques parcelles de concentration (figure 4), avec le CO 2 séries de temps servant souvent particulièrement useful 'indicateur due au flux généralement plus robuste et continu de CO 2 par rapport à parfois négligeable, près de détection de limite, voire négatif flux de N 2 O ou CH 4. Une fois la qualité des données a été confirmée, les résultats peuvent être utilisés pour comparer la dynamique des flux de gaz entre les traitements ou au cours d'une saison (Figure 5). Comme on peut le voir à partir de mai et juin valeurs de flux et des barres d'erreur, la variation causée par l'hétérogénéité spatiale des flux peut être importante, et plus prononcée dans les conditions de production des taux élevés de flux. Cette variabilité n'est pas rare, et souligne l'importance de la réplication suffisante dans cette technique.

figure-results-1
Figure 1. Vue d'ensemble du flux de travail. Divers éléments de ce protocole sera effectué au stade de la planification, sur le terrain, en laboratoire, et in silico. Les flèches indiquent la séquence de flux de travail, à commencer par la conception de la chambre (et la construction si nécessaire), et de conclure avec l'analyse des données. Plusieurs boîtes / flèches entre échantillonnage sur le terrain et l'analyse de l'échantillon représentent la possibilité de plusieurs dates d'échantillonnage au cours d'une expérience.

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Figure 2. Cadencement d'échantillon. Un exemple de schéma de synchronisation pour le prélèvement d'échantillons à partir de plusieurs chambres simultanément. numéros de chambre sont indiqués dans les points de gauche et de temps en haut, avec des temps d'échantillonnage énumérés à l'ensemble des minutes dans la grille. Dans cet exemple, quatre séries de temps séparé de 36 min chacune (une pour chaque chambre) sont effectuées en l'espace de 46 min, 12 min avec un espacement entre les points dans le temps au sein d'une série, et 2 min de temps de marche entre les chambres. Pour cet exemple hypothétique, la suitabilité de 36 min série de temps aurait été déterminé par un étalonnage préalable. Bien que le calendrier régulièrement espacées n'est pas nécessaire, il simplifie souvent le plan d'échantillonnage. Alternativement, les chercheurs peuvent enregistrer individuellement chaque instant d'échantillonnage pour déterminer les intervalles d'échantillonnage.

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Figure 3. Flux de calcul. Une série typique statique de la chambre de temps, consistant en N 2 O concentrations mesurées à quatre points dans le temps au cours d'une période d'échantillonnage de 36 min. La régression linéaire est affichée, dont la pente donne le taux de flux.

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Figure commande 4. Qualité. Jumelé séries chronologiques de la même série d'échantillons, mais des gaz différents sont présentés dans la WHIfuite flacon ch a été identifié par inspection visuelle (point rouge). A) la concentration de CO 2 dans le temps. B) N 2 O concentration au cours du temps.

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Les résultats de la synthèse figure 5.. N 2 O taux d'un domaine agricole de flux au cours d'une seule saison de croissance. Valeurs de flux représentent la moyenne de six chambres, à l'aide de quatre points des séries chronologiques. Les barres d'erreur sont l'erreur-type.

Discussion

L'approche basée sur chambre-statique décrit ici est une méthode efficace pour la mesure de flux de GES des systèmes de sol. La relative simplicité de ses composants, il est particulièrement bien adapté à des conditions ou des systèmes dans lesquels plusieurs méthodes d'infrastructure à forte intensité sont irréalisables. Afin de générer des données de haute qualité, cependant, l'approche de la chambre statique doit être effectué avec une attention stricte à la conception expérimentale 6. Une considération notable qui doit être prise en compte est la variabilité spatiale des flux de gaz du sol, ce qui peut entraîner une forte variabilité des mesures sur la base de la chambre-répliqués. Dans la conception des expériences, par conséquent, il est important d'inclure suffisamment de répétitions pour fournir une puissance suffisante pour une analyse statistique. Il peut exister des compromis entre le nombre de traitements qui peuvent être étudiées tout en maintenant la réplication suffisante, et un minimum de quatre répétitions par traitement est une règle générale 14.

ontenu "> Si flux mesurés seront utilisés pour estimer les émissions quotidiennes, les variations diurnes de la température de l'air, la température du sol, et les émissions de gaz doivent être prises en compte. Si les objectifs de recherche exigent des mesures pour obtenir la mi-matin lorsque les températures reflètent des moyennes journalières, la fenêtre restreinte de l'échantillonnage peut affecter le nombre de chambres qui peuvent en pratique être surveillés. Une considération supplémentaire à évaluer est l'impact que l'inclusion ou l'exclusion des racines des plantes et au-dessus de la biomasse du sol auront sur les flux de gaz. placement Chambre par rapport au tissu végétal sera impact sur ​​l'interprétation des données de flux, en particulier dans le cas du CO 2, où non seulement la respiration microbienne, mais aussi racine et tirer la respiration et la photosynthèse doit être équilibré. Pour une discussion supplémentaire de ces facteurs, voir Parkin et Venterea 8.

Comme indiqué précédemment, de nombreuses variantes de cette méthode existent, y compris la conception de la chambre d'échantillonnage etvolume. Une telle variation est la méthode employée pour transférer des échantillons entre la seringue et le flacon de prélèvement. La technique décrite ici par vider le flacon de collection avec l'échantillon avant de remplir le flacon à pression positive 5. Une technique plus couramment utilisé est le transfert d'échantillons à partir de seringues dans des flacons qui ont été pré-évacué à l'aide d'une pompe à vide, et l'utilisation des flacons non évacués sans chasse d'eau a également été rapporté 8,17. Un autre point important où une série d'approches existe est dans l'analyse de données et la sélection du modèle de flux le plus approprié pour le système à l'étude. En plus de la méthode de régression linéaire est décrit ici, les modèles non-linéaires peuvent également être utilisés, en particulier lorsque de plus longs temps de déploiement sont utilisés. Ces modèles comprennent l'algorithme développé par Hutchinson et Mosier 18 les variations de ces 19,20, la procédure quadratique décrit par Wagner et al., 21, et le non-stable-estimateur de flux de diffusion de l'état décrit par Livingston et al 22. Pour une discussion approfondie des modèles de flux non-linéaires, reportez-vous à Parkin et al. 12 et Venterea et al 23.

Des méthodes similaires à l'approche de la chambre statique comprennent l'utilisation de systèmes de mesure accréditives avec Fourier transfert infrarouge (FTIR) spectrométrie comme une alternative à la seringue chromatographie d'échantillonnage et de gaz, ainsi que l'automatisation de la fermeture de la chambre et de l'échantillonnage par divers moyens. Les systèmes automatisés permettent des mesures plus fréquentes avec le personnel réduit, mais aussi nécessitent des investissements d'infrastructure supplémentaires. Grace et al. 24 fournissent un résumé détaillé des options et des compromis dans automatisé basé chambre-N 2 O mesure.

Caractérisation des flux de gaz à effet de serre à la fois de la gestion et des systèmes naturels est important d'informer les modèles basés sur les processus, comprendre les impacts des management pratiques et informer les stratégies d'atténuation, et à soutenir la comptabilité globale et modélisation du changement climatique. Ainsi, alors que les études individuelles sont instructifs à l'échelle locale, beaucoup de valeur supplémentaire est dérivé en contribuant à, et d'en tirer, un organisme mondial de connaissances sur les échanges gazeux entre le paysage et l'atmosphère. Il est essentiel, par conséquent, que les données soient recueillies et communiquées d'une manière qui assure la longévité et l'interopérabilité avec la base de connaissances plus large. Notamment en suivant les meilleures pratiques pour assurer la qualité des données, ainsi que la collecte de mesures d'accompagnement et des rapports complets de métadonnées pour permettre l'extension des résultats au-delà des études discrètes. Excellentes lignes directrices pour la communication des données sont disponibles sur le projet GRACEnet et le GRA 25.

Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la National Science Foundation sous le numéro de subvention 1215858, par le ministère de l’Agriculture des États-Unis sous le numéro de subvention 2013-68002-20525, et par le Centre de recherche sur la bioénergie des Grands Lacs du ministère de l’Énergie des États-Unis – DOE BER Office of Science (DE-FC02-07ER64494) et le DOE OBP Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (DE-AC05-76RL01830). Des vidéos et des images sur le terrain ont été enregistrées dans le cadre du projet d’essai du système de culture intégré du Wisconsin de l’Université du Wisconsin-Madison. Les auteurs sont reconnaissants à Ryan Curtin pour la vidéographie et l’édition habiles.

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Verre à soda de 5,9 ml à fond plat 55 x 15,5 mmFlacons de collection Labco Limited719WBouchons
vis de 16,5 mm avec septum en caoutchouc perçableLabco LimitedVC309Bouchons pour flacons Porte-flacons
en plastique à 90 puits, diamètre intérieur de 17,1 mmWheaton868810Rack pour l’organisation des flacons Aiguilles
biseautées régulières 23 G x 1"BD305193Aiguilles pour le prélèvement
d’échantillons Robinets d’arrêt avec raccords Luer, 1 voie, mâleCole-ParmerEW-30600-01Robinets d’arrêt pour seringues
Seringue de 30 ml, embout coulissantBD309651Seringues pour le prélèvement d’échantillons
Chronomètre ou minuterieDiversN/APour l’échantillonnage sur le terrain
Casseroles utilitaires en acier inoxydable ou galvanisé avec rebord, ou chambres et couvercles en acier inoxydable ou en PVC, dimensions adaptées au système expérimentalDiversN/AAncrage et couvercle de la chambre - fond découpé dans l’ancrage, trous pour septum et tube de ventilation percés dans le couvercle
Bouchons en butyle gris 20 mmWheatonW224100-173Septa de chambre pour le prélèvement à la seringue - insertion dans le trou percé dans le couvercle
supérieur Tube Tygon 4,0 mm D.I. x 5,6 mm D.E.Sigma-AldrichZ685623Tube d’aération de la chambre - insert dans le trou percé sur le côté du couvercle, au ras de l’extérieur, environ 25 cm enroulé à l’intérieur du couvercle (un embout de seringue de 1 ml peut être utilisé comme mécanisme de fixation)
Ruban adhésif en caoutchouc mousse ou joint torique en PEHDDiversMécanisme d’étanchéité de la chambre N/A - fixé sous le bord du couvercle
Isolation réfléchissante, 0,3125 pod’épaisseur Lowe’s409818Revêtement isolant et réfléchissant - à fixer à l’extérieur du couvercle de la chambre
Grandes pinces à reliure en métal, d’une taille de 2 po avec une capacité de 1 po, ou loquet de tirage fabriqué selon le casAgrafes / McMaster831610 (Agrafes) / 1863A21 (McMaster)Mécanisme de fixation du couvercle - pour fixer le couvercle à l’ancrage pendant l’échantillonnage
Appareil de chromatographie en phase gazeuse équipé d’un détecteur à capture d’électrons pour le protoxyde d’azote, d’un analyseur de gaz infrarouge ou d’un détecteur de conductivité thermique pour le dioxyde de carbone, d’un détecteur à ionisation de flamme pour le méthaneDiversN/APour l’analyse d’échantillons
à

Références

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