מאמר שיטה

מדידה של שטף גזי חממה מקרקעות חקלאיות באמצעות לשכות סטטי

46.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/52110

⸱

3 באוגוסט 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

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מציג את השיטה המבוססת על תא סטטי למדידת שטף גזי חממה ממערכות קרקע. עם השקעות תשתית צנועות יחסית, ניתן לקבל מדידות ממספר טיפולים/מיקומים ולאורך מסגרות זמן הנעות בין שעות לשנים.

תקציר

מדידת שטפי גזי חממה (GHG) בין הקרקע לאטמוספירה, הן במערכות אקולוגיות מנוהלות והן במערכות אקולוגיות לא מנוהלות, היא קריטית להבנת המניעים הביו-גיאוכימיים של שינויי האקלים ולפיתוח והערכה של אסטרטגיות להפחתת גזי חממה המבוססות על מודולציה של שיטות ניהול נוף. השיטה המבוססת על תא סטטי המתוארת כאן מבוססת על לכידת גזים הנפלטים משטח הקרקע בתוך תא ואיסוף דגימות מחלל ראש התא במרווחי זמן קבועים לניתוח על ידי כרומטוגרפיית גז. שינוי בריכוז הגז לאורך זמן משמש לחישוב שטף. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי למדוד שטף מבוסס נוף של פחמן דו חמצני, תחמוצת החנקן ומתאן, ולהעריך הבדלים בין טיפולים או לחקור דינמיקת מערכת לאורך עונות או שנים. דרישות התשתית צנועות, אך תכנון ניסיוני מקיף הוא חיוני. שיטה זו נפרסת בקלות בשטח, תואמת את ההנחיות שנקבעו ומייצרת נתונים המתאימים למחקרי פליטת גזי חממה בקנה מידה גדול.

מבוא

הבנת התרומות של פעילויות אנושיות ומערכות טבעיות לתכונות הקרינה של האטמוספירה היא תחום בעל חשיבות קריטית כאשר אנו שואפים להפחית את התרומות האנתרופוגניות לאפקט החממה. בנוסף לפחמן דו חמצני (CO2), תחמוצת החנקן (N2O) ומתאן (CH4) הם גם גזי חממה חזקים, המהווים כ-7% ו-19% מההתחממות הגלובלית, בהתאמה, כאשר רוב הפליטות מגיעות ממקורות נוף1,2. אלה נעים בין מערכות מנוהלות כגון שדות חקלאיים, שדות אורז ומזבלות, למערכות טבעיות כגון קרקעות יער, ביצות ותלוליות טרמיטים. מדידה מדויקת, התומכת במודלים מושכלים של פליטות מבוססות נוף כאלה היא קריטית על מנת להבין את המניעים לשינויי האקלים כמו גם לזהות הזדמנויות להפחתת הסיכונים.

קיימות מגוון אסטרטגיות למדידת גזי חממה, שלכל אחת מהן נקודות חוזק וחולשה משלה2-5. טכניקות איזון מסה מסתמכות על פיזור גזים מבוסס רוח ומתאימות למדידת שטף ממקורות קטנים ומוגדרים היטב כגון מזבלות ומרעה של בעלי חיים. גישות מיקרומטאורולוגיות כגון שונות מערבולת מבוססות על מדידה ישירה בזמן אמת של שטף גז אנכי, ויכולות לספק מדידות ישירות על פני שטחים גדולים. עם זאת, הומוגניות בטופוגרפיה של המקור היא הנחה מרומזת (בכך שמדידות מניבות ממוצע לאזור הנחקר), ותשתית יקרה יכולה להגביל את אפשרויות הפריסה. לבסוף, שיטות מבוססות תא מתמקדות בשינוי בריכוז הגז על פני הקרקע על ידי דגימה ממרחב ראש מוגבל מעל פני הקרקע. הם מאפשרים לקבל מדידות מאזורים קטנים וטיפולים רבים, אך כפופים למקדמי שונות גבוהים עקב שונות מרחבית בשטף הגז בקרקע.

כאן אנו דנים בצורה הנפוצה והמיושמת ביותר של מדידה מבוססת תא, תוך שימוש בסוג התאים הסגורים ללא זרימת אוויר המכונים בדרך כלל תאים "סטטיים" או "לא יציבים שאינם זורמים". בגישה זו, פליטות הגז מפני הקרקע נלכדות בתוך תא מאוורר, ושיעורי השטף נקבעים על ידי מדידת השינוי בריכוז הגז לאורך זמן בתוך חלל הראש של החדר. טכניקת התא הסטטי נפרסה באופן נרחב הן בנופים מנוהלים והן בנופים טבעיים והיא עומדת בבסיס עיקר הנתונים המדווחים על שטף גזי חממה מבוססי קרקע, במיוחד N2O6,7. הוא מתאים באופן אידיאלי לחקר חלקות ניסוי קטנות, אתרים מגוונים על פני שטח משתנה, או במצבים אחרים שבהם יש לחקור מספר מיקומים נפרדים ללא השקעות תשתית משמעותיות. שימושים ניסיוניים אופייניים עשויים לכלול חקירה של שיטות ניהול נוף חלופיות והשפעתן על פליטותCO2, N2O ו/או CH4 מבוססות קרקע, בחינת דינמיקת שטף מבוססת נוף תחת תרחישי שינויי אקלים המושרים באופן מלאכותי כגון התחממות והרחקה/השלמה של גשמים, או מחקר תיאורי של מערכות אקולוגיות ותת-מערכות טבעיות וחקלאיות.

ככלי קריטי במדידת גזי חממה והערכת שטף, שיטת התא הסטטי הוערכה ביסודיות, ונעשו מאמצים משמעותיים לקראת סטנדרטיזציה של טכניקות והרמוניזציה של דיווח נתונים4,6,8,9. ראויות לציון במיוחד הסקירות וההנחיות המפורטות שהופקו על ידי משרד החקלאות האמריקני - הפחתת גזי חממה באמצעות רשת שיפור פחמן חקלאי (GRACEnet)8 ועל ידי ברית המחקר הגלובלית על גזי חממה חקלאיים (GRA)9. קווים מנחים כאלה מספקים משאב ופלטפורמה שלא יסולא בפז לתיאום, שכן בסופו של דבר יכולת הפעולה ההדדית של נתונים ממספר עצום של מחקרים היא קריטית להגדלת הממצאים המקומיים למודלים גלובליים, ולתרגום תוצאות המחקר לאסטרטגיות הפחתה ברות-קיימא.

GRACEnet, GRA וסקירות אחרות מדגישות גם את העובדה שטכניקות ספציפיות במדידת שטף גזי חממה מבוססות תא סטטי הן מגוונות ביותר, עם וריאציות מתודולוגיות משמעותיות אפשריות כמעט בכל שלב בדרך, כולל עיצוב תא, פריסה זמנית ומרחבית, נפחי דגימה, ניתוח דגימות וחישובי שטף. השיטה המתוארת כאן מציגה גרסה אפשרית אחת, תוך הצגת שיטות עבודה מומלצות והדגשת שיקולים קריטיים ליצירת נתונים באיכות גבוהה הניתנים להעברה רחבה. הוא נועד לספק סקירה נגישה של הליך סטנדרטי זה, ופלטפורמה שממנה ניתן לחקור ניואנסים ווריאציות נוספות המתוארות בספרות.

פרוטוקול

1. קאמרית בנייה והתקנה עוגן

  1. עיצוב ובניית תאים - כל אחד בהיקף של עוגן שמוכנס לתוך האדמה ומכסה הממוקם בחלק העליון של העוגן בזמן מדידת שטף - כדי לענות על צורכי ניסוי.
    1. בעיצוב צורת תא ואת הגודל, שקלו גורמים מרחביים כגון ריווח יבול שורה, דשן או פסי זבל, וגובה צמח. בגלל בליטה של ​​עוגנים מעל פני הקרקע יכולה לתרום לתופעות מיקרו האקלים וponding מים, רואים שיש המכסים לשבת נמוך על פני הקרקע ככל האפשר. בגלל פשרות קיימות בין גובה חדר ורגישות זיהוי, מכסי עיצוב להיות קצרים ככל הוא ריאלי עבור המערכת תחת מחקר.
    2. לבנות תאים של חומר יציב, nonreactive כגון נירוסטה או PVC, וכולל מנגנון לאיטום המכסה על העוגן. לבודד את המכסים ומכסים עם חומר בהיר או רעיוני כדי למנוע הצטברות חוםבזמן מדידה. כולל מחיצה כדי לאפשר איסוף דגימה וצינור אוורור כדי למנוע הפרעות בלחץ במהלך פריסה קאמרית והסרת מדגם. לפרטים נוספים עיינו בטבלת החומרים, פרקין וVenterea 8, וקלית ואח' 10.
  2. לפחות יום 1 לפני הדגימה, להתקין עוגנים קאמריים בקרקע באתרים רצויים. שיטת ההתקנה תהיה תלויה בעיצוב חדר, אך באופן כללי, חלות גם בלחץ על פני כל הנקודות כך שהעוגן אינו עיוות או לעוות את מבנה הקרקע. להטביע את העוגן לעומק של 2.5-13 סנטימטר בהתאם לסוג קרקע, זמן פריסה, וקאמרי נפח 6,11. השאר מעט ככל האפשר (לא יותר מ 5 ס"מ) בולטים מעל פני הקרקע.

2. כיול ועיצוב ניסיוני

הערה: לפני תחילת הניסוי, בצע את השלבים הבאים כדי לקבוע כמובן זמן דגימה מתאימה שיאפשר הנתוניםלהיות בכושר ליניארי מתאים או מודל שטף שאינו ליניארי (ראה פרקין et al. 12). זה יחייב השימוש בטכניקות מתוארות בשלבים 3-5 (שדה דגימה, ניתוח לדוגמא, וניתוח נתונים). עיתוי אופטימלי הוא פונקציה של שתי המערכת תחת מחקר וממדיהם של תאים בשימוש. קצת ניסוי וטעייה עשוי להיות מעורבת. ראה 13 Venterea לגישות חלופיות.

  1. כיול דגימה וניתוח
    1. בתנאי ניהול סביבתיים או צפויים לייצר נתיבי גז עקבות גבוהים יחסית, לנהל דגימה אינטנסיבית הבאים טכניקות מתוארות בסעיף 3. שימוש בנקודתי זמן דגימה במרווחים בחוזקה, לאכלס סדרת זמן של משך זמן ארוך יותר ממה שאפשר נחשבים טיפוסי. בגין על ידי דגימה מכמה תאי נציג ב5-10 נקודות זמן מחולק באופן שווה במהלך שעה.
    2. ניתוח דגימות על ידי גז כרומטוגרפיה הבא סעיף 4.
  2. כיול Interpretatiעל
    1. לכל סדרת כיול זמן וכל גז של עניין, עלילה בזמן על ידי ריכוז.
    2. ודא ששיעורי השטף הם בקצה הגבוה של הטווח הצפוי. ראה סעיף 5 לחישוב שטף. עיין בסעיף 2.3 לעצות לפתרון בעיות.
    3. בדוק גרפים לסימנים של אי - ליניאריות, או ליתר דיוק, plateauing של ריכוזי גז לאורך זמן.
      הערה: הנקודה שבה ריכוז מתחיל יגיע לשיא תפוקה משתנית לפי סוג דלק, והוא פונקציה של קצב הפקת גז או הצריכה בתוך האדמה, את הריכוז של הגז באמיץ את החדר, ודיפוזיה בין שני האזורים. לכן זה השפיע במידה רבה על ידי תא גובה, עם תאים קצרים מניב זמן קצר לפני הרמה.
    4. השתמש בערכות הכיול כדי לקבוע את זמן פריסת חדר האופטימלי למערכת הניסיונית. אם רגרסיה ליניארית תשמש בניתוח הנתונים (כפי שמתואר כאן בסעיף 5), עיתוי בחר ששומר קרוב ליניארי מחדשlationship ככל האפשר בין הזמן וריכוז לכל הגזים / מערכות של עניין, תוך מתן אפשרות למינימום של שלוש, רצוי ארבעה, דגימת פעמים בתוך סדרת הזמן 6. לתאים גבוהים סנטימטר 10-30 משמש לCO 2 ו-N 2 O מדידות, סדרת זמן בדרך כלל נע 20-60 דקות 8,14.
  3. פתרון בעיות כיול
    1. אם יש בידול ו / או קושי הבחנה ליניאריות או רמה ירוד, משתמש בנקודתי זמן כיול הדוקות או סדרת זמן כיול ארוכה יותר, ולבדוק שריכוזים הם בגבולות זיהוי. לשיעורים נמוכים של שטף, ירידה בשיעור של הצטברות לא יכולה להיות שנצפתה במסגרת הזמן שנבדק. זה לא צריך לגרום לדאגה.
    2. אם הנתיבים אינם בקצה הגבוה של הטווח הניסיוני הצפוי, חוזר על כיול, שינוי תנאי טיפול סביבתי או כדי לגרום לשטף גבוה יותר (על ידי החלת דשן או השקיה, לדוגמא). לחלופין,דואר לפחות ארבע נקודות זמן בתכנון ניסוי, כך שאם והנתיבים ניסיוניים הם גבוהים יותר באופן משמעותי מאלו שנצפו בכיול וplateauing מתרחש, ניתן לשלול נקודות זמן מאוחר יותר תוך שמירה על לפחות שלוש נקודות זמן לרגרסיה ליניארית. גישות רגרסיה Curvilinear גם יכולות להיות מועסקות.
  4. עיצוב ניסיוני
    1. בהתבסס על העיתוי האופטימלי שנקבע בסעיף 2.2.4, לתכנן תכנית דגימה כוללת שלוכדת את כל אתרים הרלוונטיים, טיפולים, ו / או משכפל, ומאפשר לאנשים לנוע דרך אתרי תא ביעילות. במידת צורך, יש לחלק את אתרי חדר לכמה "סיבובים" שנדגמו בזה אחר זה.
      1. אם מדידות הן שיש לנקוט כנציג של כל היום, לדוגמא בזמן של יום שבו טמפרטורות הן מתונות יחסית לקיצוניות יומית. במערכות חיתוך ממוזגים טיפוסיות, החלון האידיאלי הוא אמצע לשעתי הבוקר מאוחר.
      2. אם דגימות שנאספובסיבובים ברציפות, היזהר שלא להציג את הטיה על ידי דגימת הטיפולים זהים שוב ושוב באותה השעה ביום. לבנות סיבובים מתוך בלוקים של משכפל ולא טיפול אחר טיפול.
      3. כולל זמן לכל אמצעי עזר הכרחי שיש לנקוט אם בתוך סיבובים או לפני / אחרי, לפי העניין. (ראה סעיף 3.3 לצעדים נלווים טיפוסיים.)
      4. לחלופין, כולל זמן לאיסוף דגימות אוויר סביבה לשימוש במודלים של שטף שאינו ליניארי, או כקירוב מתחיל (זמן אפס ", T 0") ריכוז (לא שתואר כאן).
      5. לחלופין, כולל זמן לטעינת גז התייחסות לתוך צלוחיות בעת הדגימה להעריך השפלה מדגם אפשרית בין הדגימה וניתוח. ראה פרקין וVenterea 8 לשיקולי אחסון מדגם.
    2. לקבוע את התדירות של מדידות שטף מתאימה למטרות מחקר. זה יכול לנוע בין t מדידה אחתo יומי, מדידות שבועיות או תקופתיות במשך חודשים או שנים. עיין Rochette et al. 14 לדיון מעמיק בשיקולי עיצוב ניסיוני.
    3. אם דגימות שנאספו בתנאים קרים, תכנית להכללתו של מכשיר התחממות כגון חבילה חמה עם צלוחיות כדי למנוע septa מלהפוך פריך.

3. דגימת שדה

הערה: בכל מועד דגימה, בצע את תכנית הדגימה קבועה בסעיף 2.4, תוך שימוש בטכניקות המתוארות להלן. ציוד ונפח דגימה יכול להשתנות בהתאם לשיטות איסוף והעברה להיות מועסקות ואת כמות המדגם הנדרשת לניתוח GC 8. פרוטוקול זה מנצל 5.9 מיליליטר צלוחיות איסוף ו30 מיליליטר מזרקים, עם שיטת שטיפה של העברת דגימה. ראה דיון על גישות חלופיות.

  1. הכנה
    1. אם דגימה מתאים מרובים בכל סבב, להכין refe נקודת זמןרשת לורנס (ראה איור 2) כדי לעקוב אחר היכן ומתי לדגום בקלות. לחלופין, לעשות סידורים כדי להקליט כל נקודת זמן במהלך דגימה.
    2. טרום תווית ולארגן בקבוקוני אוסף ליעילות מקסימלי וסיכוי מינימאלי של בלבול במהלך דגימה.
    3. על מנת לחסוך זמן בעת ​​דגימה, להכין את כל החומרים וציוד מראש. כולל תוספות של כל דבר שעלול לשבור או הולך לאיבוד בקלות (מחטים, מזרקים, וברזים למינים וכו '), ומקום בתיק נשיאה, דלי, או מיכל אחר.
    4. להיות מוכן להקליט כל נקודות זמן מאוחרות שיכול לקרות עקב תקלה בציוד או נסיבות בלתי צפויות אחרות, ואשר ניתן לתקן בקלות במהלך ניתוח הנתונים על ידי התאמת הזמן קשור עם מדגם מסוים.
  2. אוסף דוגמאות
    1. צרף ולאטום את מכסה התא לתא העוגן המותקן מראש, ולהתחיל שעון עצר. זה T 0.
    2. מייד לאחר איטום ג המכסהollect מדגם של אוויר הסביבה ממיקום סמוך לקאמרי, בשיאו המשוער של ראש התא: עם מצויד במחט וברזלים במצב הפתוח מזרק מיליליטר ריק 30, לצייר 30 מיליליטר דגימת אוויר ולסגור את ברזלים. זה הוא מדגם T 0. לחלופין, לקחת מדגם T 0 מהתא 6.
      הערה: Tradeoffs קיים בין שתי הגישות - להעריך מרחביים (מרחק מאתר או מיקרו האקלים החיצוני לדגימות מחוץ) לעומת עיתוי (עיכוב בין סגירת מיכסה ואיסוף דגימה לדגימות בפנים) שיקולים ולקבוע את הטכניקה המתאימה ביותר לציוד בשימוש, ו המערכת הנחקרת.
    3. בעזרת מחט המזרק, לנקב את המחיצה של בקבוקון 5.9 מיליליטר אוסף שכבר יש מחט אחרת חטטה ליד הקצה של מחיצת האף.
    4. פתח את שסתום המזרק ולהזריק כ 20 מיליליטר של המדגם לתוך הבקבוקון (זה גורם לתוכן הקודם שלבקבוקון להיות מגורש דרך המחט נוספת, הוחלף על ידי מדגם).
    5. בתנועה חלקה, להוציא את המחט נוספת, תוך המשך להזריק כמה שיותר המדגם הנותר (כ 10 מיליליטר) ככל האפשר, מעט הבקבוקון כדי להבטיח שלמות מדגם ולאפשר ניתוח של דגימות מרובות במידת צורך 8-pressurizing נגמר.
    6. סגור את ברזלים ולמשוך את מחט המזרק ממחצה. סובב את הצנצנת ובתוך הפוך להבחין בין בקבוקונים ללא מילוי.
    7. המשך לתא הבא, חזור על השלבים 3.2.1-3.2.6, איטום את המכסה על נקודת T 0 זמן שנקבע מראש הנכונה.
    8. תמשיך לחזור על שלבים 3.2.1-3.2.7 עד שכל התאים בסיבוב נאטמו ו0 דגימות T כבר נאספו.
    9. לחזור לחדר הראשון.
    10. ככל שהזמן מתקרב 10 שניות עד 1 T, לנקב את המחיצה בחלק העליון הקאמרית עם מחט המזרק.
    11. בטווח שני 10 של 1 T, שנינותhdraw מדגם 30 מיליליטר של אוויר מבתוך החדר ולסגור את הברז. הסר את מחט המזרק ממחיצת החדר.
    12. להעביר את הדגימה לבקבוקון אוסף ביצוע שלבי 3.2.3-3.2.6.
    13. תמשיך לאסוף דגימות ביצוע שלבי 3.2.10-3.2.12, על פי תכנית הדגימה קבועה בסעיף 2.4.
  3. אמצעים נלווים
    1. על מנת להמיר את ריכוז גז למסה, למדוד את טמפרטורת האוויר בזמן הדגימה. בהתאם למטרות מחקר, להקליט או לבצע צעדים נלווים אחרים כגון טמפרטורת קרקע ותוכן לחות קרקע במיקום זה ו / או בזמן, כמות משקעים יומיות, צפיפות בצובר אדמה, חנקתי קרקע וריכוזי אמוניום, וכו 'אמצעים שונים קיימים כדי להשיג אמצעים אלה - בצע את הפרוטוקולים סטנדרטיים.
    2. לחלופין, לאסוף דגימות סביבה אוויר ו / או תקני שדה עומס של ריכוזים ידועים לתוך צלוחיות להעריך ריכוזי גזי חממה סביבה ואני השפלה אחסון בקבוקון פוטנציאלn בתקופה שבין דגימה וניתוח (ראה סעיפים 2.4.1.4 ו2.4.1.5).

4. ניתוח מדגם

  1. קבע את הריכוז של גזים של עניין לכל דגימה על ידי גז כרומטוגרפיה, באמצעות מצויד בגלאי אלקטרונים ללכוד עבור N 2 O, מנתח גז אינפרא אדום או גלאי מוליכות תרמית לCO 2, וגלאי יינון להבה לCH 4 ציוד.
    שים לב: זה חיוני כדי להשיג גישה למכשיר, כי הוא מוגדר כראוי לצורך ניתוח גזי חממה ויש לו זמן ריצה מספיק זמין. עקרונות ושיטות לגז כרומטוגרפיה מתוארים במקומות אחרים 5,15,16.
  2. המרת ריכוז גז עקבות מנפח למסה באמצעות חוק הגז האידיאלי:

PV = NRT

איפה = לחץ P, V = נפח, n = שומות של גז, R = קבוע גז החוק, וT = טמפרטורה. כך:

figure-protocol-1

5. ניתוח נתונים

  1. לכל סדרה זמן, להעריך עלילה בזמן על ידי ריכוז וליניאריות. להעריך באמצעות טיב התאמה או על ידי בדיקה ויזואלית, למעט נקודות זמן מאוחר יותר מראים סימנים של רמה מניתוח נוסף. השתמש במינימום של שלוש נקודות זמן כולל T 0 לחישוב שטף (T 0, 1 T, T 2 ...). להקים פרוטוקול עולה בקנה אחד, ולדחות כל סדרת זמן שלא יעמוד בסטנדרטים ששל הפרוטוקול ליניאריות. ראה פרקין וVenterea 8 לדיון מעמיק של טעות, הטיה, ושונות בחישוב שטף.
  2. לבצע רגרסיה ליניארית.
  3. השתמש בשיפוע של רגרסיה לחישוב שטף:

F = • V • S -1

כאשר F = שטף, S = שיפוע של רגרסיה, V = תא על עוצמת קול, ו= קאמריאזור. כך:

figure-protocol-2

הערה: עיין בדיון ופרקין ואח' 12 לגישות שאינן ליניארי לשטף חישוב..

תוצאות

לפני תחילת פרויקט מחקר בתאי סטטי, חשוב להבין את זרימת העבודה הכללית, וארגון בסיליקו, שדה ואלמנטים מבוססי מעבדה (איור 1). המסופק על תכנון זהיר ניסיוני וכיול מערכת (איור 2), ניתוח נתונים בדרך כלל להיות פשוט יחסית. שיעור של שטף נקבע לכל תא וזמן דגימה על ידי רגרסיה של זמן על ידי ריכוז תוך שימוש במודל שטף נקבע מראש מתאים למערכת (איור 3). עם זאת, גם שיטות עבודה מומלצות הבא, ייתכן ויהיה קושי, ובקרת איכות של הנתונים גולמיים היא קריטית. לדוגמא, כישלון של חותם קאמרי או בקבוקוני מדגם דולפים יכול לגרום לערכי ריכוז חריגים. אלה מזוהים בקלות באמצעות בדיקה ויזואלית של חלקות ריכוז סדרת הזמן (איור 4), עם סדרת 2 זמן CO לעתים קרובות משמשת בעיקר usefuמחוון l בשל השטף בדרך כלל חזק יותר ומתמשך של CO 2 בהשוואה ל, סמוך לזיהוי מגבלה לפעמים זניחה, או אפילו נתיבים שליליים של N 2 O או 4 CH. ברגע שאיכות הנתונים כבר אישרה, תוצאות עשויות לשמש כדי להשוות דינמיקת שטף גז בין טיפולים או במהלך עונה (איור 5). כפי שניתן לראות מערכי שטף חודשים מאי ויוני וברים שגיאה, הווריאציה שנגרמה על ידי הטרוגניות המרחבית של שטף עשויה להיות משמעותית, ובולט יותר בתנאי ייצור שיעורים גבוהים של שטף. השתנות כזה היא לא יוצאת דופן, ומדגישות את החשיבות של שכפול מספיק בטכניקה זו.

figure-results-1
איור 1. סקירת זרימת עבודה. אלמנטים שונים של פרוטוקול זה תבוצע בשלב התכנון, בשדה, במעבדה, ואניסיליקו n. חצים מצביעים על הרצף של זרימת עבודה, החל מעיצוב תא (ובנייה במידת צורך), וכלה בניתוח הנתונים. תיבות / חצים מרובים בין דגימת שדה וניתוח מדגם מייצגים את האפשרות של תאריכי דגימה מרובים במהלך ניסוי.

figure-results-2
איור 2. עיתוי לדוגמא. ערכת עיתוי דוגמא לאיסוף דגימות מתאים מרובים בו זמנית. מספרי הלשכה מסומנים בנקודות משמאל ופעם בראש, עם זמני דגימה מופיעים בדקות שלמות בתוך הרשת. בדוגמא זו, ארבע סדרות זמן נפרדות של 36 דקות כל אחד (אחד לכל תא) מתבצעות בתוך המרחב של 46 דקות, עם 12 מרווח דק בין נקודות זמן בתוך סדרה, ו2 זמן הליכה דקות בין תאים. לדוגמא היפותטית זו, suitability סדרת זמן 36 דקות של היה נקבע על ידי כיול קודם. אמנם עיתוי מחולק באופן שווה אין צורך, זה בדרך כלל מפשט את תכנית הדגימה. לחלופין, חוקרים יכולים בנפרד להקליט כל timepoint דגימה כדי לקבוע מרווחי דגימה.

figure-results-3
איור 3. חישוב שטף. סדרה טיפוסית סטטית קאמרי זמן, בהיקף של N 2 O ריכוזים שנמדדו בארבע נקודות זמן במהלך תקופת דגימה 36 דקות. רגרסיה ליניארית מוצגת, השיפוע של אשר מניב קצב זרימה.

figure-results-4
שליטת 4. איכות איור. מותאם סדרת זמן מאותו הסט של דגימות אבל גזים שונים מוצגות בWHIדליפת בקבוקון ch זוהתה על ידי בדיקה חזותית (נקודה אדומה).) 2 ריכוז CO לאורך זמן. ב ') N 2 O ריכוז לאורך זמן.

figure-results-5
שיעור איור 5. תוצאות סינתזה. N 2 O שטף משדה חקלאי במהלך עונת גידול אחת. ערכי שטף מייצגים את הממוצע של שישה תאים, סדרת זמן ארבע נקודות משתמשים. ברים שגיאה הם שגיאה סטנדרטית.

דיון

הגישה מבוססת תא סטטי שתוארה כאן היא שיטה יעילה למדידת שטף גזי חממה ממערכות קרקע. הפשטות היחסית של מרכיביו הופכת אותו מתאימה במיוחד לתנאים או מערכות שבהן יותר שיטות תשתית עתירות אינן מעשיות. על מנת להפיק נתונים באיכות גבוהה, לעומת זאת, הגישה הקאמרית סטטי חייבת להתבצע עם תשומת לב קפדנית לעיצוב ניסיוני 6. שיקול בולט אחד שיש לקחת בחשבון הוא את השונות המרחבית של נתיבי גז קרקע, אשר עלול לגרום לשונות גבוהות בין מדידות המבוסס על תא לשכפל. בתכנון ניסויים, ולכן, חשוב לכלול מספיק חזרות כדי לספק כוח מתאים לניתוח סטטיסטי. פשרות עשויות להתקיים בין מספר הטיפולים שניתן ללמוד תוך שמירה על שכפול מספיק, ומינימום של ארבע חזרות לכל טיפול הוא קו מנחה כללי 14.

ontent "> אם והנתיבים נמדדו ישמשו כדי לאמוד את הפליטה יומית, וריאציות יומי בטמפרטורת אוויר, טמפרטורת קרקע, ופליטת גזים חייבים להילקח בחשבון. אם מטרות מחקר דורשות מדידות שתתקבל באמצע הבוקר כאשר טמפרטורות משקפות ממוצעים יומי, החלון המוגבל לדגימה עשוי להשפיע על מספר התאים שיתכן יכולים להיות פיקוח. תמורה נוספת שמוערכת היא ההשפעה שהכללה או אי הכללה של שורשי צמח ומעל לביומסה קרקע תהיה בנתיבי גז. יחסי מיקום הלשכה לשתול רקמות להשפיע על הפרשנות של נתונים שטף, במיוחד במקרה של ה-CO 2 שבו לא רק נשימה של חיידקים, אלא גם שורש ולירות נשימה ופוטוסינתזה חייבת להיות כראוי מאוזנות. לדיון נוסף בגורמים אלה, ראו פרקין וVenterea 8.

כפי שצוין קודם לכן, וריאציות רבות על מתודולוגיה זו קיימות, כולל עיצוב תא ודגימהנפח. וריאציה אחת כזו היא בשיטה המועסקות על מנת להעביר דגימות בין המזרק ובקבוקון אוסף. הטכניקה המתוארת כאן גלי ראשונה בקבוקון האוסף עם מדגם לפני מילוי הבקבוקון ללחץ חיובי 5. טכניקה נפוצות יותר היא ההעברה של דגימות ממזרקים לבקבוקונים, כי כבר מראש פינה-באמצעות משאבת ואקום, ואת השימוש בבקבוקונים שאינם מפונים ללא שטיפה דווח 8,17 גם. עוד נקודה משמעותית שבו מגוון של גישות קיימת היא בניתוח הנתונים והבחירה של מודל השטף המתאים ביותר למערכת תחת מחקר. בנוסף לשיטת רגרסיה ליניארית שתוארה כאן, מודלים שאינם ליניארי עשויים גם להיות מועסקים, ובמיוחד בזמנים פריסה ארוכים יותר נמצאים בשימוש. מודלים אלה כוללים את האלגוריתם שפותח על ידי הצ'ינסון וMosier 18 ונגזרות ממנו 19,20, ההליך ריבועית שתואר על ידי וגנר ואח'. 21, והלא יציביםאומדן שטף diffusive מדינה תואר על ידי ליווינגסטון et 22 אל. לדיון מעמיק במודלי שטף שאינו ליניארי, עיין בפרקין et al. 12 וVenterea אח' 23.

שיטות דומות לגישה הקאמרית סטטית כוללות שימוש במערכות מדידת זרימה דרך אינפרא אדום עם העברה פורייה ספקטרומטריית (FTIR) כחלופי למזרק כרומטוגרפיה דגימה וגז, כמו גם אוטומציה של סגירת תא ודגימה באמצעים שונים. מערכות אוטומטיות תאפשר מדידות תכופות יותר עם אנשים מופחתים, אלא גם דורשות השקעות בתשתית נוספות. גרייס et al. 24 לספק סיכום נרחב של אפשרויות ופשרות בN מבוסס תא האוטומטי 2 O מדידה.

אפיון של שטף גזי חממה משני מנוהל ומערכות טבעיות חשוב ליידע מודלים מבוססי תהליך, להבין את ההשפעות של managemeשיטות עבודה וNT להודיע ​​אסטרטגיות להפחתה, ולתמוך חשבונאי גלובלי ושינויי אקלים דוגמנות. וכך, בעוד מחקרים בודדים הם אינפורמטיבי בקנה המידה המקומי, הרבה ערך נוסף נגזר דרך לתרום ל, וציור מ, גוף עולמי של ידע על חילוף גזים בין הנוף והאווירה. זה מפתח, אם כן, הנתונים שייאספו ודיווחו באופן שמבטיח אריכות ימים ויכולת פעולה הדדית עם בסיס הידע הרחב יותר. זה כולל שיטות עבודה מומלצות הבא על מנת להבטיח איכות נתונים, כמו גם אוסף של צעדים נלווים ודיווח המקיף של מטה כדי לאפשר הרחבה של ממצאים מעבר למחקרים נפרדים. הנחיות מצוינות לדיווח הנתונים זמינות מפרויקט GRACEnet וGRA 25.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

חומר זה מבוסס על עבודה הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע תחת מענק מספר 1215858, על ידי משרד החקלאות האמריקאי תחת מענק מספר 2013-68002-20525, ועל ידי מרכז המחקר לביו-אנרגיה של משרד האנרגיה של האגמים הגדולים של ארה"ב - משרד המדע של DOE BER (DE-FC02-07ER64494) ומשרד היעילות האנרגטית והאנרגיה המתחדשת של DOE OBP (DE-AC05-76RL01830). וידאו ותמונות בשטח הוקלטו בפרויקט ניסוי מערכת החיתוך המשולבת של ויסקונסין של אוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון. המחברים אסירי תודה לריאן קרטין על צילום וידיאו ועריכה מיומנים.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
5.9 מ"ל זכוכית סודה תחתית שטוחה 55 x 15.5 מ"מLabco Limited719Wבקבוקוני אוסף
16.5 מ"מ עם מחיצת גומי ניתנת לניקובLabco LimitedVC309מכסים עבור   בקבוקונים
מתלה בקבוקון פלסטיק 90 בארות, 17.1 מ"מ תעודת זהותWheaton868810מתלה לארגון בקבוקונים
מחטי שיפוע רגילות 23 גרם x 1 אינץ'BD305193מחטים לאיסוף דוגמאות
Stopcocks עם חיבורי לואר, חד כיווני, החלקה זכרCole-ParmerEW-30600-01Stopcocks למזרקים
מזרק 30 מ"ל, קצה החלקהBD309651מזרקים לאיסוף דוגמאות
שעון עצר או טיימרשוניםN/Aלתזמון דגימת שדה
מחבתות נירוסטה או מגולוונות עם שפה, או תאים ומכסים מיוצרים מנירוסטה או PVC, מידות בהתאם למערכת הניסיוניתN/Aשונים- תחתית חתוכה מעוגן, חורים לצינורות מחיצה ואוורור משועממים במכסה
פקקי בוטיל אפורים 20 מ"מWheatonW224100-173מחיצת תא לדגימת מזרק - הכנס לחור משועמם במכסה העליון
צינורות טיגון 4.0 מ"מ תעודת זהות x 5.6 מ"מ ODZ685623 Sigma-Aldrich- הכנס לחור משועמם בצד המכסה, צמוד לחלק החיצוני, כ-25 ס"מ מפותל בפנים המכסה (קצה מזרק של 1 מ"ל עשוי לשמש כמנגנון חיבור)
סרט גומי קצף דבק או טבעת O HDPEמנגנון איטום תא N/A שונים - מהודק לחלק התחתון של שפת המכסה
מחזיר אור  בידוד, עובי 0.3125 אינץ'409818 ציפוי בידוד ומחזיר אור של Lowe's - הדבקה לחלק החיצוני של מכסה החדר
תפסי קלסר מתכת גדולים, בגודל 2 אינץ' עם קיבולת 1 אינץ', או תפס משיכה מיוצר לפי הצורךסיכות / McMaster831610 (סיכות) / 1863A21 (McMaster)מנגנון הצמדת מכסה - להידוק מכסה לעיגון במהלך הדגימה
ציוד כרומטוגרפיה גז מצויד בגלאי לכידת אלקטרונים לתחמוצת החנקן, מנתח גז אינפרא אדום או גלאי מוליכות תרמית לפחמן דו חמצני, גלאי יינון להבה למתאןN/Aשוניםלניתוח מדגם
עוגן ומכסה תא צינורות אוורור תא

מקורות

  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).

הדפסות חוזרות והרשאות

גלה מאמרים נוספים

שיטת התא הסטטידגימת גזים מהקרקעאנליזה באמצעות כרומטוגרפיה של גזיםמדידת פחמן דו-חמצניזיהוי תחמוצת חנקןמדידת שטף מתאןניטור קרקעות חקלאיותאנליזה של גזים בעקבותמודל לחישוב שטף
מדידה של שטף גזי חממה מקרקעות חקלאיות באמצעות לשכות סטטי
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.