Name: 静的チャンバを用いて農用地の土壌からの温室効果ガスフラックスの測定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-03T22:45:00.000+00:00
Duration: 11 min 50 s
Description: 学ぶ 静的チャンバ法による農用地土壌からの温室効果ガスフラックス測定手法。ガスクロマトグラフィーと回帰分析で濃度変化を評価し、管理手法が排出に与える影響を評価できる。

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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。

1。会議所建設とアンカーの取り付け<ol><li>設計およびチャンバを構築 - 実験的なニーズを満たすために、 - 各々が土壌やフラックス測定時のアンカーの上に配置される蓋に挿入されるアンカーからなる。 <ol><li>チャンバの形状およびサイズ​​の設計では、そのような作物の行間隔、肥料または肥料バンディング、および植物高さの空間の要因を考慮する。土壌表面上のアンカーの突起が微気候の影響や水の滞水に寄与することができるので、蓋は可能な土壌表面へと低く座ることを検討。トレードオフは、チャンバの高さと検出感度との間に存在するので、設計上の蓋は、研究中のシステムのための実現可能な限り短くすることができる。 </li><li>例えばステンレス鋼またはPVCなどの頑丈な非反応性材料のチャンバーを構築し、アンカー上にふたをシールするための機構を含む。熱の蓄積を防ぐために蓋を絶縁し、着色された光や反射性材料でカバー測定中。サンプル収集及び通気管は、チャンバの展開とサンプル除去時の圧力摂動を防ぐことを可能にする隔壁を含めます。詳細は、パーキンおよびVenterea 8、およびクラフら 10、材質の表を参照してください。 </li></ol></li><li>少なくとも1日前に採取するには、目的のサイトでの土壌中のチャンバアンカーをインストールしてください。インストール方法は、チャンバ設計に依存するが、アンカーが土壌構造を変形したり歪曲しないように、一般的には、すべてのポイント間で均等に力が適用されます。土壌の種類、展開時間、チャンバ容積6,11に応じて、2.5〜13センチメートルの深さまでアンカーをシンクする。土壌表面上に突出（せいぜい5センチ）できるだけ少ないままにしておきます。 </li></ol> 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。 <ol><li>キャサンプリングと分析<ol><li>比較的高い微量ガスフラックスを生成することが期待環境や管理条件下で、セクション3に記載された技術、次の集中的なサンプリングを行う。密に離間サンプリング時点を使用して、典型的と考えられるであろうよりも長い持続時間の時系列を取り込む。時間かけて5月10日等間隔の時点でいくつかの代表的な室内から採取することから始めます。 </li><li>セクション4以下のガスクロマトグラフィーによってサンプルを分析します。 </li></ol></li><li>キャInterpretati上の<ol><li>関心のある各キャリブレーション時系列と各ガスのため、プロットの時間ごとの濃度。 </li><li>その流動速度が予想範囲の上限にあることを確認します。フラックス計算のためのセクション5を参照してください。トラブルシューティングのヒントについては、セクション2.3を参照してください。 </li><li>時間をかけてガス濃度のプラトー、より具体的には、非線形性の兆候、またはグラフを点検します。 注：濃度がプラトーに達し始める点は、ガスの種類によって異なり、ガスの生産または消費土壌内で、チャンバ内のヘッドスペースガスの濃度、及び二つのゾーンの間の拡散速度の関数である。したがって、非常に短い時間前にプラトーを生じる短いチャンバと、チャンバの高さによって影響を受ける。 </li><li>実験系に最適な室内の展開時間を決定するためのキャリブレーションセットを使用しています。線形回帰（ここではセクション5で説明したように）データ解析で使用される場合には、再線形に近く維持する選択タイミング時系列6内のサンプリング時間、3、好ましくは4の最小を可能にしながら、できるだけ関心のあるすべてのガス/システムのための時間と濃度のlationship。チャンバーのためのCO 2およびN 2 Oの測定に使用される10〜30センチメートルの高い、時系列は、典型的には20〜60分の範囲である8,14。 </li></ol></li><li>キャリブレーションのトラブルシューティング<ol><li>乏しい分化および/または難易肥え線形又はプラトーがある場合は、より厳しい較正時間点以上の較正時系列を使用し、濃度が検出限界内にあることを確認する。フラックスの低料金のために、蓄積速度の低下は、テストされた時間枠内で観察されないことがあります。これは問題はありません。 </li><li>フラックスが期待される実験的な範囲の上限ではない場合、（たとえば、肥料又は灌注を適用することにより）高いフラックスを誘導するために治療または環境条件を変化させること、キャリブレーションを繰り返す。代わりに、私たち実験的なフラックスが発生した較正及びプラトーの間に観察されるものよりも有意に高い場合には、線形回帰のための少なくとも3つの時点を保持しながら、後の時点を排除することができるように、実験計画で電子の少なくとも4つの時点、。曲線回帰手法を用いてもよい。 </li></ol></li><li>実験計画<ol><li> 2.2.4項で決定した最適なタイミングに基づいて、関連するすべてのサイトで、治療法、および/または、複製物をキャプチャし、担当者が効率的にチャンバーサイト内を移動することができ、全体的なサンプリング方式を考案。必要に応じて、次々にサンプリングされるいくつかの「ラウンド」、チャンバ部位を分割する。 <ol><li>測定は、一日の代表、温度は毎日最高値に合わせて、中程度である一日の時点でサンプルとして取られるのであれば。典型的な温帯作付体系では、理想的なウィンドウは半ばから後半の朝です。 </li><li>サンプルを採取する場合は連続したラウンドで、繰り返し日の同じ時刻に同じ治​​療をサンプリングすることによってバイアスを導入しないように注意してください。反復試験のブロックの外にではなく、治療によって治療ラウンドを構築します。 </li><li>必要に応じて、ラウンド内または/前後どちらかに取られる必要な補助的な措置のための時間が含まれます。 （典型的な補助的な措置についてはセクション3.3を参照してください。） </li><li>必要に応じて、周囲の空気の非線形のフラックスモデルで使用するためのサンプル、または開始の近似値（時間ゼロ、「T 0」）（ここでは説明しません）濃度などの収集のための時間が含まれます。 </li><li>場合により、サンプリングと分析の間の可能な試料の劣化を評価するために、サンプリング時にバイアル中に基準ガスをロードするための時間を含む。サンプル保管の考慮のためにパーキンおよびVenterea 8を参照してください。 </li></ol></li><li>研究目標に適したフラックスの測定の頻度を決定します。これは、単一の測定tの範囲であり得るO毎日、毎週、または定期的な測定数ヶ月または数年にわたって。実験的な設計上の考慮事項の徹底的な議論のためのロシェットら 14を参照してください。 </li><li>試料は低温状態に収集することができるのであれば、このような脆くなるのセプタムを防ぐために、バイアルにホットパックなどの加温装置を含めることを計画します。 </li></ol></li></ol> 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。 <ol><li>準備<ol><li>ラウンドごとに複数の室からのサンプリングした場合、時刻REFEを準備renceグリッドは、いつどこで、試料に簡単に追跡すること（ 図2を参照）。あるいは、配置がサンプリング中に各時点を記録することを可能にする。 </li><li>事前ラベルとサンプリング中最大効率と混乱の最小可能性のためのコレクションバイアルを配置。 </li><li>サンプリング中の時間を節約するために、事前にすべての材料および機器を準備します。壊れたり、簡単にキャリートート、バケツ、または他の容器に（針、注射器、コックなど）、および場所を失っている、何のエキストラを含めます。 </li><li>機器の故障または他の不測の事態のために起こることができ、容易に特定のサンプルに関連する時間を調整することにより、データ解析中に補正することができる任意の遅延時間点を記録するために調製することができる。 </li></ol></li><li>試料捕集<ol><li>添付し、プリインストールされたチャンバーアンカーにチャンバーの蓋を密封し、ストップウォッチを開始します。これは、T 0である。 </li><li>すぐに蓋Cを密封した後チャンバトップのおおよその高さに、チャンバーに隣接した位置から周囲の空気のサンプルをollect：開いた位置にある針とコックを取り付けた空の30ミリリットル注射器で、30ミリリットルの空気サンプルを描き、閉じストップコック。これは、T 0サンプルです。代わりに、チャンバー6からT 0サンプルを採取する。 注： - タイミング（内部サンプル用蓋の閉鎖やサンプル収集の間の遅延）の考慮対空間（外のサンプルのためのサイトや外部微気候からの距離）を評価し、使用している機器に最も適した方法を決定し、トレードオフは二つのアプローチの間に存在する研究中のシステム。 </li><li>注射針で、すでに別の針がセプタムの端の近くを通ってつついている5.9ミリリットル収集バイアルのセプタムを突き刺す。 </li><li> （これは、以前の内容を引き起こしシリンジストップコックを開いて、バイアルに試料約20ミリリットルを注入バイアル）は、サンプルに置き換えられ、余分な針を介して排出される。 </li><li>サンプルの完全性を確保し、8必要に応じて、複数のサンプルの分析を可能にするために、わずかにオーバー加圧バイアル、可能な限り残りのサンプル（約10ミリリットル）をできるだけ多く注入を継続しながら、滑らかな動きでは、余分な針を取り除く。 </li><li>ストップコックを閉じて、セプタムから注射針を引き抜く。未充填バイアルから区別するために満たされたバイアルを裏返し。 </li><li>次のチャンバに進み、繰り返し、正しい予め決めT 0の時点でふたを密封、3.2.1-3.2.6を繰り返します。 </li><li>の手順を繰り返し続ける3.2.1-3.2.7ラウンド中のすべての室が密閉されており、T 0のサンプルが収集されるまで。 </li><li>第一室に戻ります。 </li><li>時刻T 1まで、10秒に近づくと、注射針とチャンバー上部にセプタムを貫通する。 </li><li> T 1、ウィットの10番目の範囲内でチャンバー内の空気の30ミリリットルのサンプルをhdrawとストップコックを閉じます。チャンバーセプタムから注射針を外します。 </li><li>手順に従って収集バイアルにサンプルを移す3.2.3-3.2.6。 </li><li>セクション2.4に設立されたサンプリング·スキームに従って、ステップ3.2.10-3.2.12次のサンプルを収集し続けています。 </li></ol></li><li>補助的な措置<ol><li>塊にガス濃度に変換するために、サンプリング時の空気温度を測定する。研究目標、レコード又は各位置および/または時刻、日降雨量、土壌の嵩密度、土壌、硝酸アンモニウムの濃度で、土壌温度、土壌水分含量のような他の補助的な対策を行う等に応じて様々な手段は、これらの手段を得るために存在する - 標準プロトコルに従ってください。 </li><li>任意選択的に、周囲のGHG濃度および電位貯蔵バイアル劣化を評価するために、iのバイアルに既知濃度の周囲空気試料および/または負荷フィールド基準を集めるNサンプリングと分析の間の期間は、（セクション2.4.1.4と2.4.1.5を参照）。 </li></ol></li></ol> 4。サンプル分析<ol><li> N 2 Oのための電子捕獲検出器、CO 2用赤外線ガス分析計又は熱伝導度検出器、及びCH 4のための水素炎イオン化検出器を備えた装置を用いて、ガスクロマトグラフィーにより各サンプルの関心対象のガスの濃度を決定する。 注：これは、適切にGHG分析のために構成され、利用可能な十分な実行時間を有している器具へのアクセスを取得することが不可欠である。ガスクロマトグラフィーの原理および方法は、他の場所に記載されている5,15,16。 </li><li>理想気体の法則を用いて、体積から質量に微量ガス濃度を変換します。 </li></ol> 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： <img alt="式（1）" fo src="/files/ftp_upload/52110/52110eq1.jpg" files> 5。データ解析<ol><li>各時系列に対して、プロット時間 - 濃度ごとおよび直線性を評価する。さらなる分析から高原の兆しを見せ、後の時点を除く、適合度や目視でを使用して評価します。フラックスの計算のためのT 0（T 0、T 1、T 2···）を含む3つの時点の最小値を使用する。一貫性のあるプロトコルを確立し、直線性のために、そのプロトコルの基準を満たしていない任意の時系列を拒否します。フラックス計算ミス、バイアス、および分散の全体的な説明についてはパーキンおよびVenterea 8を参照してください。 </li><li>線形回帰を実行します。 </li><li>フラックスを計算するために、回帰のスロープを使用します。 </li></ol> 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： <img alt="式2" fo:content-width="1.3in" src="/files/ftp_upload/52110/52110eq2.jpg" width="130">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。

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

<html>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、 &quot;ontent&gt;、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。

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。

<table><tbody><tr><td>5.9 mlソーダガラス平底55 x 15.5 mm</td><td>Labco Limited</td><td>719W</td><td>コレクションバイアル</td></tr><tr><td>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</td><td>Labco Limited</td><td>VC309</td><td>キャップ&nbsp; バイアル90</td></tr><tr><td>ウェルプラスチックバイアルラック、内径17.1 mm</td><td>ウィートン</td><td>868810</td><td>バイアルを整理するためのラック</td></tr><tr><td>レギュラーベベルニードル 23 G x 1インチ</td> <td>BD</td><td>305193</td><td>サンプル収集用針</td></tr><tr><td>ルアー接続付きストップコック、一方向、オススリップ</td><td>コールパーマー</td><td>EW-30600-01</td><td>シリンジ用ストップコック</td></tr><tr><td>30mlシリンジ、スリップチップ</td><td>BD</td><td>309651</td>サンプル<td>収集用シリンジ</td></tr><tr><td>ストップウォッチまたはタイマー</td><td>各種</td><td>N/A</td><td>タイミングフィールドサンプリング用</td></tr><tr><td>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</td><td>様々な</td><td>N/A</td><td>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</td></tr><tr><td>灰色のブチルストッパー20mm</td><td>ウィートン</td><td>W224100-173</td><td>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</td></tr>ます <tr><td>タイゴンチューブ 内径 4.0 mm x 内径 5.6 mm</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>Z685623</td><td>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)</td></tr><tr><td>粘着性発泡ゴムテープまたはHDPE Oリング</td><td>さまざまな</td><td>N / A</td><td>チャンバーシーリング機構 - 蓋の縁の下側に固定</td></tr><tr><td>反射&nbsp;断熱材、 0.3125インチの厚さ</td><td>Lowe's</td><td>409818</td><td>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</td></tr><tr><td>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</td><td>ステープルズ/マクマスター</td><td>831610 (ステープルズ) / 1863A21 (マクマスター)</td><td>蓋取り付け機構 - サンプリング</td></tr><tr><td>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</td><td></td> 各種 N<td>/A</td><td>サンプル分析用</td></tr></tbody></table>

静的チャンバを用いて農用地の土壌からの温室効果ガスフラックスの測定

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

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。

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。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig1highres.jpg" width="600"> 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。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig2highres.jpg" width="400"> 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。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig3highres.jpg" width="600"> 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。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig4highres.jpg" width="600"> 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。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/52110/52110fig5highres.jpg" width="600"> 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。

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the ...

この手順の全体的な目標は、さまざまな植生の種類や管理慣行の下で土壌からの微量ガスフラックスを測定することです。これは、チャンバー内の土壌表面から放出されるガスを捕捉し、寄生虫に対する時間の経過に伴う濃度の変化を測定することによって達成されます。円筒形または長方形のアンカーは、ガスの横方向の流れを防ぐために最初に地面に配置されます。サンプリングの準備ができたら、アンカーの上部に蓋を密封し、土壌システムからの排出物を閉じ込めます。次に、サンプルはチャンバーヘッドスペースから収集され、所定の時間経過にわたっていくつかのサンプルが収集されます。その後、サンプルをガスクロマトグラフィーで分析し、目的のガスの濃度を決定します。次いで、ガス濃度を時間に対してプロットし、データセットを、システムに適した所定のフラックスモデルを用いて線形または曲線線形回帰に供し、フラックスガスフラックスの速度を決定するために、処理間または季節間で比較することができる。システムダイナミクスを調査するために、これらの方法は、土壌からの温室効果ガス(二酸化炭素、亜酸化窒素、メタンなど)の排出が管理慣行や天候によってどのように影響を受けるかについての質問に答えるのに役立ちます。この手法が温室効果ガスを測定するための他のアプローチよりも優れている主な利点は、比較的安価な機器で一度に多くのサイトを監視する能力を提供することです。これは新しい方法ではありませんが、長年にわたって研究者によって使用されてきた方法です。実際、これから説明するサンプリングプロトコルは、Grace net A-U-S-D-Aプログラムに関連する研究者、またはGlobal Research AllianceおよびInternational Groupによって行われた出版物で文書化されています。したがって、私たちの出版物の目的は、この手法を視覚的に示すことです。経験がない方のために、さまざまなチャンバーデザインが存在します。各チャンバーには、土に挿入されるアンカーと、アンカーの上に置かれる蓋の2つの部分があります。フラックス測定中、チャンバーはステンレス鋼やPVCなどの頑丈で非反応性の材料で構築する必要があり、測定中の熱蓄積を防ぐために断熱し反射材で覆う必要があり、システムにはアンカーに蓋をシールするメカニズム、サンプル収集を可能にするセプタム、チャンバー展開およびサンプル除去中の圧力変化を防ぐためのベントチューブを含める必要があります。チャンバーの形状とサイズを設計する際には、作物の列の間隔、肥料のバンディング、植物の高さなどの空間的要因を考慮してください。チャンバーの高さと検出感度の間にはトレードオフが存在することに注意してください。ここでは、サンプリングの少なくとも1日前にユーティリティパンから構築された単純な円筒形のチャンバーを使用します。チャンバーアンカーを土壌の所望の位置に設置し、アンカーがシンクアンカーを地面に反らせないように、すべてのポイントに均等な圧力を加え、土壌表面から5センチメートル以下が残っています。アンカーは、チャンバーのヘッドスペースの体積を計算するために、微気候の影響と水の溜まりを最小限に抑えるために、できるだけ土壌表面の近くに配置する必要があります。土表面からのアンカーの高さは、設置時に測定する必要があり、実験を開始する前に土表面に大きな変化が生じた場合は、適切なサンプリングの時間経過を決定する必要があります。最適なタイミングは、研究対象のシステムと使用するチャンバーによって異なります。タイムコースキャリブレーションは、1時間にわたって集中的にサンプリングすることで実行できます。対象とする微量ガスの比較的高いフラックスを生成すると予想される条件下で。次に、濃度を時間に対してプロットして、システムのフレックスダイナミクスを視覚化し、データ解析で使用するチャンバー展開の最適な時間、時間点間隔、線形または非線形のフレックスモデルを決定できます。ここでは、大雨の数時間後に測定された二酸化炭素と亜酸化窒素の濃度と、この実験システムでの線形回帰を可能にするサンプリング時間コースの提案を示します。少なくとも、タイムコースには、最適なタイミングに基づく3つ、できれば4つのサンプリングタイムポイントを含める必要があり、すべてのサイト、処理、または複製をカバーするサンプリングスキームを分割し、人員がチャンバーサイト内を効率的に移動できるようにします。これには、チャンバー部位を次々にサンプリングできるラウンドに分割し、処理ごとに処理するのではなく、反復のブロックからラウンドを構築する必要がある場合があります。バイアスを回避し、サンプリング時間、サイト間の歩行時間、および補助的な測定値の収集時間を計画します。測定値を丸一日の代表として使用する場合、濃度は最終的に時間に対してプロットされるため、サンプルは、各サンプリング日の午前中から深夜まで、日の平均気温を反映する時間に収集する必要があることに注意してください。サンプリング前にサンプリング時間を正確に計画および記録し、プレラベルを作成し、コレクションバイアルを配置することで、効率を最大化し、サンプリング中の混乱の可能性を減らすことが重要です。チャンバーごとにタイムポイントごとに1つのバイアルが必要であり、注射器、ストップ、コック、針、ストップウォッチなどの追加の機器を収集します。装置とサンプルの量は、使用する収集方法と移し替え方法によって異なります。最初にサンプリングする場所で、事前に取り付けられたアンカーにチャンバーの蓋を取り付けてシールします。フタを閉めた直後に、ストップウォッチをスタートさせます。これは、針とストップコックが開いた位置に取り付けられた空の30ミリリットルシリンジを備えたタイムゼロまたはTゼロです。チャンバーに隣接する場所からチャンバー上部のおおよその高さにある30ミリリットルの空気サンプルを引き出し、ストップコックを閉じます。これが 2 つのゼロ サンプルになり、シリンジ針でコレクション バイアルに移す必要があります。セプタムの端近くに別の針がすでに挿入されているコレクションバイアルの中隔に穴を開けます。シリンジを開き、コックを止めて、約20ミリリットルのサンプルをバイアルに注入します。次に、滑らかな動きで余分な針を取り外し、残りのサンプルをできるだけ多く注入し続けます。バイアルを少し過加圧します。ストップコックを閉じ、シリンジ針をセプタムから引き出します。次に使用するバイアルに余分な針を挿入し、充填されたバイアルを逆さまにして、充填されていないバイアルと区別します。ここに示すサンプル移送のフラッシング方法では、最初のサンプル注入により、バイアルの以前の内容物が追加の針によってクリアされます。次に、余分な針を取り外すと、フラッシング方法の代わりにバイアルにサンプルを正圧で充填します。代わりに、サンプルは事前に真空化されたバイアルまたは非真空バイアルにロードできます。1つのサンプルの収集が完了したら、次のチャンバーサイトに進み、このプロセスを繰り返します。正しい所定の時点で蓋を密封します。蓋を取り付けるときは、すべてのチャンバーが密閉され、Tゼロのサンプルが収集されるまで、漏れが続く可能性のある隙間や破片がなく、良好なシールが得られるように注意してください。その後、最初のチャンバーに戻って、T 1個のサンプルを収集します。時間が近づくと、T oneがT oneの10秒以内でシリンジ針でチャンバー蓋中隔を突き刺すまで10秒後、チャンバー内から30ミリリットルの空気サンプルを引き出し、ストップコックを閉じます。チャンバー中隔から針を取り外します。サンプルを収集バイアルlに移します。すべてのサンプルが収集されるまで、チャンバー内を移動し続けます。サンプリング時の気温を記録する必要があります。土壌温度と水分含有量の測定も推奨され、研究目標によっては、土壌のかさ密度や土壌硝酸とアンモニウムなどの他の補助的な対策が定期的に必要になる場合があります。周囲空気サンプルは、Tゼロの近似や非線形フラックスモデルでの使用のために収集することもできます。ガスクロマトグラフィーにより、各サンプルの対象ガスの濃度を決定します。亜酸化窒素用の電子捕獲検出器、二酸化炭素用の赤外線ガス分析装置または熱伝導率検出器、火炎イオン化検出器を備えた装置を使用。メタンの場合、各時系列プロットの理想気体の法則を使用して、微量ガス濃度を体積単位から質量に変換します。濃度ごとの時間は、チャンバーやバイアルの漏れや機器の誤動作によって引き起こされる可能性のある疑わしい時点や時系列の特定と除去のための一貫した品質管理手順に従います。たとえば、ここでは、同じサンプルセットからの二酸化炭素と亜酸化窒素の時系列を示しています。他の時点と比較して T 1 で観察された濃度の低下は、濃度の増加傾向がバイアルの漏れによる可能性が高いことを示唆しています。時系列プロットを目視検査することで、このような問題を特定できます。線形フラックスモデルを使用する場合、適合度を使用するか、または目視検査により、フラックス計算のためにTゼロを含む少なくとも3つの時間点が保持されている限り、プラトーの兆候を示す時間点を削除することができます。データ品質を確認したら、線形回帰を実行し、回帰の傾きを使用して磁束を計算します。場合によっては、非線形磁束モデルの方が線形モデルよりも適している可能性があることに注意してください。フラックスの速度は、処理間または時間の経過とともに追跡できます。この方法を使用しながらシステムダイナミクスを調査するには、温室効果ガスの煙道は天候、土壌攪乱、および農業管理の慣行に応じて変化すること、およびこの変動を捉えるためにサンプリング日を調整する必要があることに留意することが重要です。毎週のサンプリングが一般的で、降雨、耕作、肥料や肥料の施用などのイベントに関するサンプリングがより頻繁に行われます。このビデオを見れば、温室効果ガスフラックスと土壌システムのチャンバーベースの測定プログラムを設計し、実施する方法を十分に理解できるはずです。

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静的チャンバを用いて農用地の土壌からの温室効果ガスフラックスの測定

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