この記事では、土壌システムからの温室効果ガスフラックスを測定するための静的チャンバーベースの方法を紹介します。比較的控えめなインフラ投資により、複数の処理/場所から、数時間から数年の時間枠で測定値を取得できます。
この記事では、土壌システムからの温室効果ガスフラックスを測定するための静的チャンバーベースの方法を紹介します。比較的控えめなインフラ投資により、複数の処理/場所から、数時間から数年の時間枠で測定値を取得できます。
管理された生態系と管理されていない生態系の両方における土壌と大気の間の温室効果ガス(GHG)フラックスの測定は、気候変動の生物地球化学的要因を理解し、景観管理慣行の調節に基づくGHG緩和戦略の開発と評価に不可欠です。ここで説明する静的チャンバーベースの方法は、チャンバー内の土壌表面から放出されるガスをトラップし、チャンバーヘッドスペースから定期的にサンプルを収集してガスクロマトグラフィーによる分析に基づいています。ガス濃度の経時変化は、フラックスの計算に使用されます。この方法は、二酸化炭素、亜酸化窒素、メタンのランドスケープベースのフラックスを測定したり、処理間の違いを推定したり、季節や年ごとのシステムダイナミクスを調査したりするために使用できます。インフラストラクチャの要件は控えめですが、包括的な実験計画が不可欠です。この手法は、現場での展開が容易で、確立されたガイドラインに準拠し、大規模なGHG排出研究に適したデータを生成します。
人間の活動と自然システムの両方が大気の放射特性に寄与することを理解することは、温室効果に対する人為的な寄与を軽減するために非常に重要な領域です。二酸化炭素(CO2)に加えて、亜酸化窒素(N2O)とメタン(CH4)も強力なGHGであり、それぞれ地球温暖化の7%と19%を占めていると推定され、排出量の大部分は景観源から来ています1,2。農地、水田、埋め立て地などの管理されたシステムから、林床、湿地、シロアリ塚などの自然システムまで、さまざまなシステムがあります。気候変動の要因を理解し、緩和の機会を特定するためには、このようなランドスケープベースの排出量の正確な測定と十分な情報に基づくモデリングをサポートすることが重要です。
さまざまな温室効果ガス測定戦略が存在し、それぞれに長所と短所があります2-5。マスバランス技術は、風によるガスの分散に依存しており、埋め立て地や動物の放牧地など、小さくて明確に定義された発生源からのフラックスの測定に適しています。渦共分散などの微気象学的アプローチは、鉛直ガスフラックスのリアルタイムの直接測定に基づいており、広い領域で直接測定できます。ただし、ソース地形の均質性は暗黙の仮定であり (測定によって調査対象の領域の平均が得られる)、コストのかかるインフラストラクチャは展開の可能性を制限する可能性があります。最後に、チャンバーベースの方法は、制限された地上のヘッドスペースからサンプリングすることにより、土壌表面のガス濃度の変化に焦点を当てています。これらの処理により、小さな領域や多数の処理から測定値を得ることができますが、土壌ガスフラックスの空間的変動により、高い変動係数が生じます。
ここでは、一般的に「静的」または「非定常状態の非フロースルー」チャンバーと呼ばれる空気の流れのない密閉チャンバーのタイプを利用した、最も一般的で簡単に実装できるチャンバーベースの測定形式について説明します。このアプローチでは、土壌表面からのガス放出はベントチャンバー内に閉じ込められ、フラックスの速度は、チャンバーヘッドスペース内のガス濃度の経時変化を測定することによって決定されます。静的チャンバー技術は、管理された景観と自然景観の両方に広く展開されており、温室効果ガス、特にN2O6,7の土壌ベースのフラックスを報告するデータの大部分を支えています。小規模な実験区画、変動する地形上の多様なサイトの研究、または大規模なインフラストラクチャ投資なしで複数の異なる場所を研究する必要があるその他の状況の研究に最適です。典型的な実験的用途には、代替の景観管理手法とそれらが土壌ベースのCO2、N2O、および/またはCH4排出量に与える影響の調査、温暖化や降雨の排除/補足などの人為的に誘発された気候変動シナリオの下での景観ベースのフラックスダイナミクスの調査、または自然および農業の生態系とサブシステムの記述的研究が含まれます。
GHG測定とフラックス推定の重要なツールとして、静的チャンバー法は徹底的に評価され、技術の標準化とデータ報告の調和に向けて多大な努力が払われてきました4,6,8,9。特に注目すべきは、米国農務省農業研究局の「農業炭素強化ネットワークによる温室効果ガス削減」(GRACEnet)8および「農業温室効果ガスに関するグローバル研究同盟(GRA)」9が作成した詳細なレビューとガイドラインです。このようなガイドラインは、最終的には、無数の研究からのデータの相互運用性が、ローカルな知見をグローバルなモデリングにスケールアップし、研究結果を実行可能な緩和戦略に変換するために重要であるため、調整のための貴重なリソースとプラットフォームを提供します。
GRACEnet、GRA、およびその他のレビューは、静的チャンバーベースの温室効果ガスフラックス測定における特定の技術が非常に多様であり、チャンバーの設計、時間的および空間的な展開、サンプリング量、サンプル分析、フラックス計算など、ほぼすべてのステップで大きな方法論的バリエーションが可能であるという事実を強調しています。ここで説明する方法は、1つの可能なバリアントを示すとともに、ベストプラクティスを示し、高品質で広範囲に転送可能なデータを生成するための重要な考慮事項を強調しています。これは、この標準化された手順のアクセス可能な概要と、文献で説明されているさらなるニュアンスとバリエーションを探求するためのプラットフォームを提供することを目的としています。
1。会議所建設とアンカーの取り付け
2。キャリブレーションと実験計画
注:前に実験を開始するには、データをできるようになります適切なサンプリング時間経過を決定するために、以下の手順を実行します。適切な線形または非線形のフラックスモデル(パーキンら 12を参照)に嵌合する。これは、ステップ3-5(フィールドサンプリング、サンプル分析、およびデータ解析)に記載されている技術の使用が必要になります。最適なタイミングは、研究対象のシステムと使用されている室の寸法の両方の関数である。いくつかの試行錯誤が関与している可能性がある。代替アプローチをVenterea 13を参照してください。
3。フィールドサンプリング
注:各サンプリング日に、下記に記載の技術を用いて、2.4節に設立されたサンプリング·スキームに従ってください。装置と試料体積は、使用される収集および転送方法及びGC分析に必要な試料8の量に応じて変化し得る。このプロトコルは、サンプル移送のフラッシング法で、5.9ミリリットルの収集バイアルと30ミリリットル注射器を利用しています。代替的なアプローチのための議論を参照してください。
4。サンプル分析
PV = NRT
Pは圧力、V =容積=、nは気体、R =気体法則定数のモル数、Tは温度=場所。このように:

5。データ解析
F = S•V•A -1
回帰F =フラックス、S =傾き、V =チャンバー容積、およびA =室エリア。このように:

注:計算をフラックス非線形アプローチのための議論とパーキンら 12を参照してください。
静的室との研究プロジェクトを開始する前に、全体的なワークフロー、およびシリコ 、現場と実験室ベースの要素( 図1) 内の構成を理解することが重要です。注意深い実験デザインとシステム較正( 図2)を設け、データ分析は、一般に、比較的簡単であろう。フラックスの速度は、システム( 図3)に適切な予め決定された磁束モデルを用いて濃縮することにより、時間の回帰によって各チャンバとサンプリング時間に対して決定される。しかし、ベストプラクティス次の困難に遭遇することができ、生データの品質管理が重要です。例えば、チャンバシール又は漏洩サンプルバイアルの障害は、異常濃度値をもたらすことができる。これらは、容易にCO 2の時系列は、多くの場合、特にusefuとして用いて、時系列濃度のプロット( 図4)の目視検査により同定される原因時には無視でき、ほぼ検出限界、またはN 2 OまたはCH 4の偶数負のフラックスに比べて、CO 2の通常より堅牢かつ継続的な磁束にLインジケーター。データ品質が確認されると、結果は、治療間や季節( 図5)の過程でガスフラックスの動態を比較するために使用されてもよい。 5月、6月束値およびエラーバーから分かるように、束の空間的不均一性に起因する変動が有意であり、より高いフラックスの速度を生成する条件下で顕著でもよい。このような変動は珍しくありませんし、この技術では、十分な複製の重要性を強調している。

図1。ワークフローの概要。このプロトコルの様々な要素が実験室で、フィールドに、計画段階で実施することになる、と私n個のシリコ。矢印は、(必要に応じて、建設)チャンバ設計で始まり、ワークフローのシーケンスを示し、データ分析と結論。フィールドサンプリングとサンプル分析の間に複数のボックス/矢印は、実験の過程で複数のサンプリングの日付の可能性を表しています。

図2。サンプルタイミング。同時に複数のチャンバーからのサンプルの収集のためのサンプル·タイミング方式。室数はグリッド内の全体分に記載されているサンプリング時間で、最上部に左と時間の点で示されている。この例では、36分毎(各チャンバーに1つ)の4つの別々の時系列が系列内の時点間の12分間の間隔、チャンバ間の2分間の歩行時間と、46分の空間内で行われる。この仮想たとえば、隋36分間の時系列のtabilityは、従来のキャリブレーションにより決定されていたであろう。等間隔のタイミングは必要ありませんが、それは多くの場合、サンプリング方式を簡素化します。あるいは、研究者は、個々のサンプリング間隔を決定するために、各サンプリング時点を記録することができる。

図3フラックス計算。一般的なスタティックチャンバ時系列、N 2の36分間のサンプリング期間にわたって4つの時点で測定されたO濃度からなる。線形回帰が表示されている、の勾配はフラックス速度をもたらす。

図4。品質管理。試料が、異なるガスの同じセットからの時系列をペアはWHIのに示されているCHバイアル漏れは目視検査(赤点)で時間をかけて、A)のCO 2濃度が確認されている。B)N 2 Oの濃度時間をかけて。

図5。合成結果、N 2 Oフラックス率農業分野からの単一の生育期間の経過。フラックス値は、4点の時系列を用いて六室の平均を表す。エラーバーは標準誤差である。
ここで説明した静的室ベースのアプローチは、土壌システムからのGHGフラックスを測定するための効率的な方法である。その構成要素の相対的なシンプルさがより多くのインフラを集中的にメソッドが実行不可能である、条件やシステムへのそれは特に適しています。高品質なデータを生成するために、しかし、静的なチャンバのアプローチは、実験計画6に厳密に注意して行わなければならない。考慮されなければならない一つの注目すべき考慮事項は、反復室ベースの測定の間で高い変動性をもたらすことができる、土壌ガスフラックスの空間的な変動である。実験の設計において、従って、それは統計分析のために十分な電力を提供するのに十分な反復を含むことが重要である。トレードオフは、十分な複製を維持し、処理当たり4回の反復の最小値は一般的なガイドライン14の間に研究することができる治療の数の間に存在し得る。
測定されたフラックスは日々の排出量を推定するために使用する場合は、 "ontent>、気温、土壌温度、およびガス排出量の日内変動を考慮しなければなりません。研究目標は、温度が日次平均を反映する際に午前中で得られる測定値が必要な場合は、サンプリングのための制限されたウィンドウには、都合良く監視することができ室の数に影響することがあります。評価されるべき追加的な対価は、植物の根のと地上バイオマス上記包含または除外はガスフラックスに与える影響である。商工会議所の配置の相対植物組織になります適切にバランスでなければならない、フラックスデータの解釈に影響を与え、特にCO2 の場合には、微生物の呼吸だけでなく、根だけでなく呼吸や光合成を撃つ。これらの要因の追加的な議論については、パーキンおよびVenterea 8を参照してください。前述したように、この方法には多くのバリエーションがチャンバ設計及びサンプリングを含む、存在するボリューム。一つのこのような変化は、注射器と収集バイアルとの間でサンプルを転送するために用いられる方法である。ここに記載された技術は、まず正圧5バイアルを充填する前にサンプルを収集バイアルをフラッシュします。より一般的に使用される技術は、真空ポンプを用いて予備真空排気されてきたバイアルにシリンジからの試料の移転であり、フラッシングない非排気バイアルの使用はまた、8,17報告されている。アプローチの範囲が存在する別の重要な点は、データ分析および研究中のシステムに最も適したフラックスモデルの選択である。ここで説明する線形回帰法に加えて、非線形モデルも長い、展開時間が使用される場合は特に、使用することができる。これらのモデルは、21。そのハッチンソン19,20及びMosierから18及び導出により開発されたアルゴリズム、Wagner らにより記載され次の手順を含む、非定常リビングストンら 22によって記載された状態の拡散フラックス推定。非線形のフラックスモデルの全体的な説明については、パーキンら 12とVenterea ら 23を参照してください。
静的チャンバアプローチに類似の方法はフーリエ変換赤外線(FTIR)サンプリングし、ガスクロマトグラフィーシリンジする代替として分析、ならびに様々な手段を介してチャンバの閉鎖及びサンプリングの自動化フロースルー測定システムの使用を含む。自動化されたシステムを削減担当者とより頻繁な測定を可能にするだけでなく、追加のインフラストラクチャへの投資を必要とする。グレースら 24は、自動化されたチャンバーベースのN 2 Oの測定ではオプションとトレードオフの広範な概要を提供します。
両方の管理·ナチュラル系からの温室効果ガスフラックスの特徴付けはした運営の影響を理解し、プロセスベースのモデルに知らせることが重要です実践と緩和戦略を通知し、グローバルな会計と気候変動のモデル化をサポートするために、NT。個々の研究は、ローカルスケールで有益であるがこのように、多くの付加価値はに貢献し、景観と大気とのガス交換で知識のグローバルな身体からの描画によって導出される。したがって、そのデータが収集され、より広範な知識ベースと寿命との相互運用性が確保さ方法で報告することが、鍵となります。これは、個別の研究を超えた調査結果の拡張を可能にするために、データの品質だけでなく、補助的な対策やメタデータの包括的なレポートの収集を確実にするためのベストプラクティスを、次が含まれています。データ報告のための優れたガイドラインはGRACEnetプロジェクトとGRA 25から入手できます。
著者らは開示するものは何もない。
この資料は、米国国立科学財団(National Science Foundation)の助成金番号1215858、米国農務省の助成金番号2013-68002-20525、米国エネルギー省五大湖バイオエネルギー研究センター – DOE BER科学局(DE-FC02-07ER64494)およびDOE OBPエネルギー効率・再生可能エネルギー局(DE-AC05-76RL01830)の支援を受けた作業に基づいています。フィールド内のビデオと画像は、ウィスコンシン大学マディソン校のウィスコンシン統合クロッピングシステム試験プロジェクトで記録されました。著者は、巧みなビデオ撮影と編集を提供してくれたライアン・カーティンに感謝しています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 5.9 mlソーダガラス平底55 x 15.5 mm | Labco Limited | 719W | コレクションバイアル |
| 16.5 mmスクリューキャップ、ピアス可能なゴムセプタム付き | Labco Limited | VC309 | キャップ バイアル90 |
| ウェルプラスチックバイアルラック、内径17.1 mm | ウィートン | 868810 | バイアルを整理するためのラック |
| レギュラーベベルニードル 23 G x 1インチ | BD | 305193 | サンプル収集用針 |
| ルアー接続付きストップコック、一方向、オススリップ | コールパーマー | EW-30600-01 | シリンジ用ストップコック |
| 30mlシリンジ、スリップチップ | BD | 309651 | 収集用シリンジ |
| ストップウォッチまたはタイマー | 各種 | N/A | タイミングフィールドサンプリング用 |
| ステンレス鋼または亜鉛メッキユーティリティパン、リム付き、または製造されたステンレス鋼またはPVCチャンバーと蓋、実験システムに適した寸法 | 様々な | N/A | チャンバーアンカーと蓋-アンカーから切り出された底、蓋に穴が開けられたセプタムとベントチューブ |
| 灰色のブチルストッパー20mm | ウィートン | W224100-173 | シリンジサンプリング用チャンバーセプタム - 蓋の上部に開けられた穴に挿入し |
| タイゴンチューブ 内径 4.0 mm x 内径 5.6 mm | Sigma-Aldrich | Z685623 | チャンバーベントチューブ - 蓋側に開けられた穴に挿入し、外部と同じ高さで、蓋の内部に約25 cmコイル状(1 mlのシリンジチップを取り付け機構として使用できます) |
| 粘着性発泡ゴムテープまたはHDPE Oリング | さまざまな | N / A | チャンバーシーリング機構 - 蓋の縁の下側に固定 |
| 反射 断熱材、 0.3125インチの厚さ | Lowe's | 409818 | 絶縁および反射コーティング - チャンバー蓋の外側に貼り付け |
| 大型の金属バインダークリップ、2インチサイズ、容量1インチ、または必要に応じて製造されたドローラッチ | ステープルズ/マクマスター | 831610 (ステープルズ) / 1863A21 (マクマスター) | 蓋取り付け機構 - サンプリング |
| 中にアンカーに蓋をクランプするため亜酸化窒素用電子捕獲検出器、二酸化炭素用赤外線ガス分析計または熱伝導率検出器、メタン用火炎イオン化検出器を搭載したガスクロマトグラフィー装置 | /A | サンプル分析用 |