Ten artykuł przedstawia metodę statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Przy stosunkowo niewielkich inwestycjach w infrastrukturę, pomiary można uzyskać z wielu zabiegów/lokalizacji i w ramach czasowych od godzin do lat.
Artykuł metodologiczny
Pomiar strumienia gazów cieplarnianych z gleb rolniczych za pomocą komór statycznych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Pomiar strumieni gazów cieplarnianych (GHG) między glebą a atmosferą, zarówno w zarządzanych, jak i niezarządzanych ekosystemach, jest kluczowy dla zrozumienia biogeochemicznych czynników zmian klimatycznych oraz dla rozwoju i oceny strategii ograniczania emisji gazów cieplarnianych opartych na modulacji praktyk zarządzania krajobrazem. Opisana tutaj metoda statyczna oparta na komorze opiera się na wychwytywaniu gazów emitowanych z powierzchni gleby w komorze i pobieraniu próbek z przestrzeni górnej komory w regularnych odstępach czasu do analizy za pomocą chromatografii gazowej. Zmiana stężenia gazu w czasie służy do obliczania strumienia. Metoda ta może być wykorzystana do pomiaru strumienia dwutlenku węgla, podtlenku azotu i metanu w krajobrazie oraz do oszacowania różnic między zabiegami lub zbadania dynamiki systemu w ciągu pór roku lub lat. Wymagania dotyczące infrastruktury są niewielkie, ale niezbędny jest kompleksowy projekt eksperymentalny. Metoda ta jest łatwa do zastosowania w terenie, jest zgodna z ustalonymi wytycznymi i generuje dane odpowiednie do badań emisji gazów cieplarnianych na dużą skalę.
Wprowadzenie
Zrozumienie wpływu zarówno działalności człowieka, jak i systemów naturalnych na właściwości promieniowania atmosfery jest obszarem o krytycznym znaczeniu, ponieważ staramy się ograniczyć antropogeniczny wpływ na efekt cieplarniany. Oprócz dwutlenku węgla (CO2 ) podtlenek azotu (N2O) i metan (CH4) są również silnymi gazami cieplarnianymi, odpowiadającymi za szacunkowo odpowiednio 7 % i 19 % globalnego ocieplenia, przy czym większość emisji pochodzi ze źródeł krajobrazowych1,2. Obejmują one zarówno systemy zarządzane, takie jak pola uprawne, pola ryżowe i wysypiska śmieci, jak i systemy naturalne, takie jak dna leśne, tereny podmokłe i kopce termitów. Dokładne pomiary, wspierające świadome modelowanie takich emisji związanych z krajobrazem, mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia czynników napędzających zmianę klimatu, a także dla określenia możliwości jej łagodzenia.
Istnieje wiele strategii pomiaru gazów cieplarnianych, z których każda ma swoje mocne i słabe strony2-5. Techniki bilansu masy opierają się na dyspersji gazów w oparciu o wiatr i są przystosowane do pomiaru strumienia z małych, dobrze zdefiniowanych źródeł, takich jak wysypiska śmieci i wybiegi dla zwierząt. Podejścia mikrometeorologiczne, takie jak kowariancja wirów, opierają się na bezpośrednim pomiarze pionowego strumienia gazu w czasie rzeczywistym i mogą zapewnić bezpośrednie pomiary na dużych obszarach. Jednak jednorodność topografii źródłowej jest domyślnym założeniem (w tym sensie, że pomiary dają średnią dla badanego obszaru), a kosztowna infrastruktura może ograniczać możliwości wdrożenia. Wreszcie, metody komorowe koncentrują się na zmianie stężenia gazów na powierzchni gleby poprzez pobieranie próbek z ograniczonej przestrzeni nadziemnej. Pozwalają one na uzyskanie pomiarów z małych obszarów i licznych zabiegów, ale podlegają wysokim współczynnikom zmienności ze względu na przestrzenną zmienność strumienia gazów glebowych.
Tutaj omawiamy najbardziej rozpowszechnioną i łatwiejszą do wdrożenia formę pomiaru w komorze komorowej, wykorzystującą typ zamkniętych komór bez przepływu powietrza, powszechnie nazywanych komorami "statycznymi" lub "nieustalonymi komorami przepływowymi". W tym podejściu emisje gazów z powierzchni gleby są zatrzymywane w wentylowanej komorze, a szybkości przepływu są określane poprzez pomiar zmian stężenia gazu w czasie w przestrzeni nadprożowej komory. Technika komory statycznej jest szeroko stosowana zarówno w krajobrazach zarządzanych, jak i naturalnych, i stanowi podstawę większości danych dotyczących przepływu gazów cieplarnianych w glebie, w szczególnościN2O6,7. Idealnie nadaje się do badania małych powierzchni doświadczalnych, zróżnicowanych lokalizacji na zmiennym terenie lub w innych sytuacjach, w których konieczne jest badanie wielu różnych lokalizacji bez znacznych inwestycji w infrastrukturę. Typowe zastosowania eksperymentalne mogą obejmować badanie alternatywnych praktyk zarządzania krajobrazem i ich wpływu na emisje CO2 w glebie, N2O i/lubCH4 w glebie, badanie dynamiki strumieni opartych na krajobrazie w ramach sztucznie wywołanych scenariuszy zmiany klimatu, takich jak wykluczenie/uzupełnienie ocieplenia i opadów deszczu, lub badanie opisowe ekosystemów i podsystemów naturalnych i rolniczych.
Jako kluczowe narzędzie w pomiarze gazów cieplarnianych i szacowaniu strumienia, metoda komory statycznej została dokładnie oceniona i podjęto znaczne wysiłki w kierunku standaryzacji technik i harmonizacji raportowania danych4,6,8,9. Na szczególną uwagę zasługują szczegółowe przeglądy i wytyczne opracowane przez Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych – Agricultural Research Service's Greenhouse gas Reduction through Agricultural Carbon Enhancement network (GRACEnet)8 oraz przez Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases (GRA)9. Takie wytyczne stanowią nieocenione źródło informacji i platformę do koordynacji, ponieważ ostatecznie interoperacyjność danych z niezliczonych badań ma kluczowe znaczenie dla skalowania lokalnych ustaleń do globalnego modelowania oraz dla przełożenia wyników badań na realne strategie łagodzenia skutków.
GRACEnet, GRA i inne recenzje również podkreślają fakt, że konkretne techniki statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych w komorze są niezwykle różnorodne, ze znaczącymi różnicami metodologicznymi możliwymi na prawie każdym etapie, w tym projektowania komory, rozmieszczenia czasowego i przestrzennego, objętości próbek, analizy próbek i obliczeń strumienia. Opisana tutaj metoda przedstawia jeden z możliwych wariantów, prezentując jednocześnie najlepsze praktyki i podkreślając kluczowe kwestie dotyczące generowania wysokiej jakości danych, które można łatwo przenosić. Ma on na celu zapewnienie przystępnego przeglądu tej ustandaryzowanej procedury oraz platformy, z której można badać dalsze niuanse i warianty opisane w literaturze.
Protokół
1. Konstrukcja komory i instalacja kotwic
- Zaprojektować i zbudować komory – każda składająca się z kotwicy wkładanej w glebę oraz pokrywy umieszczanej na kotwicy podczas pomiaru strumienia – zgodnie z potrzebami eksperymentalnymi.
- Projektując kształt i rozmiar komory, należy wziąć pod uwagę czynniki przestrzenne, takie jak rozstawa rzędów upraw, aplikacja nawozów lub obornika w pasach oraz wysokość roślin. Ponieważ wystawanie kotwic ponad powierzchnię gleby może przyczyniać się do efektów mikroklimatycznych i zastoin wodnych, należy dążyć do tego, aby pokrywy znajdowały się jak najniżej nad powierzchnią gleby. Ze względu na kompromis między wysokością komory a czułością detekcji, pokrywy powinny być tak niskie, jak to tylko możliwe dla badanego systemu.
- Komory należy wykonać z wytrzymałego, niereaktywnego materiału, takiego jak stal nierdzewna lub PVC, i wyposażyć w mechanizm uszczelniający pokrywę z kotwicą. Pokrywy należy zaizolować i pokryć materiałem w jasnym kolorze lub materiałem refleksyjnym, aby zapobiec nagrzewaniu się podczas pomiaru. Należy zamontować septum umożliwiające pobieranie próbek oraz rurkę odpowietrzającą, aby zapobiec zakłóceniom ciśnienia podczas instalacji komory i wyjmowania próbek. Dodatkowe szczegóły znajdują się w tabeli materiałowej, u Parkina i Venterei8 oraz Clough et al10.
- Przynajmniej 1 dzień przed pobieraniem próbek zainstalować kotwice komór w glebie w wybranych miejscach. Metoda instalacji zależy od konstrukcji komory, lecz ogólnie należy wywierać równomierny nacisk we wszystkich punktach, aby kotwica nie odkształciła struktury gleby. Kotwicę należy wbić na głębokość 2,5-13 cm, w zależności od rodzaju gleby, czasu ekspozycji i objętości komory6,11. Powyżej powierzchni gleby powinno pozostać jak najmniej elementów (nie więcej niż 5 cm).
2. Kalibracja i projekt eksperymentalny
Uwaga: Przed rozpoczęciem eksperymentu należy wykonać następujące kroki, aby określić odpowiedni harmonogram pobierania próbek, który pozwoli na dopasowanie danych do odpowiedniego liniowego lub nieliniowego modelu strumienia (patrz Parkin et al.12). Wymaga to zastosowania technik opisanych w krokach 3-5 (pobieranie próbek terenowych, analiza próbek i analiza danych). Optymalny czas jest funkcją zarówno badanego systemu, jak i wymiarów stosowanych komór. Może być konieczne zastosowanie metody prób i błędów. Alternatywne podejścia opisano w pracy Venterea13.
- Próbkowanie i analiza kalibracyjna
- W warunkach środowiskowych lub zarządzania, w których oczekiwane są stosunkowo wysokie strumienie gazów śladowych, przeprowadź intensywne próbkowanie zgodnie z technikami opisanymi w sekcji 3. Wykorzystując gęsto rozmieszczone punkty czasowe próbkowania, stwórz szereg czasowy o dłuższym czasie trwania niż uznaje się za typowy. Rozpocznij od pobrania próbek z kilku reprezentatywnych komór w 5–10 równomiernie rozmieszczonych punktach czasowych w ciągu godziny.
- Próbki przeanalizuj za pomocą chromatografii gazowej zgodnie z sekcją 4.
- Interpretacja kalibracji
- Dla każdego kalibracyjnego szeregu czasowego i każdego badanego gazu przedstaw zależność stężenia od czasu na wykresie.
- Zweryfikuj, czy wartości strumieni znajdują się w górnej granicy oczekiwanego zakresu. Obliczanie strumieni opisano w sekcji 5. Wskazówki dotyczące rozwiązywania problemów znajdują się w sekcji 2.3.
- Przeanalizuj wykresy pod kątem oznak nieliniowości, a konkretnie występowania plateau stężeń gazu w czasie.
Uwaga: Punkt, w którym stężenie zaczyna osiągać plateau, różni się w zależności od rodzaju gazu i jest funkcją szybkości produkcji lub konsumpcji gazu w glebie, stężenia gazu w przestrzeni nad glebą wewnątrz komory oraz dyfuzji między tymi dwiema strefami. Jest on zatem silnie zależny od wysokości komory; krótsze komory skutkują szybszym osiągnięciem plateau. - Wykorzystaj zestawy kalibracyjne do określenia optymalnego czasu ekspozycji komory dla systemu eksperymentalnego. Jeśli w analizie danych będzie stosowana regresja liniowa (jak opisano w sekcji 5), wybierz czas, który pozwoli na zachowanie możliwie najbliższej relacji liniowej między czasem a stężeniem dla wszystkich badanych gazów/systemów, umożliwiając jednocześnie pobranie minimum trzech, a najlepiej czterech próbek w ramach szeregu czasowego6. Dla komór o wysokości 10–30 cm stosowanych do pomiarów CO2 i N2O szeregi czasowe zazwyczaj wynoszą od 20 do 60 min8,14.
- Rozwiązywanie problemów z kalibracją
- W przypadku słabego zróżnicowania i/lub trudności w rozróżnieniu liniowości od plateau, zastosuj gęstsze punkty czasowe kalibracji lub dłuższe szeregi czasowe kalibracyjne oraz sprawdź, czy stężenia mieszczą się w granicach wykrywalności. Przy niskich wartościach strumienia spadek szybkości akumulacji może nie być zauważalny w testowanym przedziale czasowym. Nie powinno to budzić niepokoju.
- Jeśli strumienie nie znajdują się w górnej granicy oczekiwanego zakresu eksperymentalnego, powtórz kalibrację, zmieniając zabiegi lub warunki środowiskowe w celu wywołania wyższego strumienia (np. poprzez nawożenie lub nawadnianie). Alternatywnie, zaplanuj w projekcie eksperymentalnym co najmniej cztery punkty czasowe, tak aby w przypadku wystąpienia znacznie wyższych strumieni niż podczas kalibracji i pojawienia się plateau, późniejsze punkty czasowe można było wykluczyć, zachowując co najmniej trzy punkty do regresji liniowej. Można również zastosować podejścia oparte na regresji krzywoliniowej.
- Projekt eksperymentalny
- W oparciu o optymalny czas określony w sekcji 2.2.4, opracuj ogólny schemat próbkowania obejmujący wszystkie istotne stanowiska, zabiegi i/lub powtórzenia, który umożliwi personelowi efektywne przemieszczanie się między komorami. W razie potrzeby podziel stanowiska z komorami na kilka „tur” próbkowanych jedna po drugiej.
- Jeśli pomiary mają być reprezentatywne dla całego dnia, pobieraj próbki o porze dnia, gdy temperatury są umiarkowane w stosunku do ekstremów dobowych. W typowych umiarkowanych systemach upraw idealne okno czasowe przypada na godziny od połowy do późnego poranka.
- Jeśli próbki są zbierane w kolejnych turach, należy uważać, aby nie wprowadzić błędu systematycznego poprzez wielokrotne próbkowanie tych samych zabiegów o tej samej porze dnia. Twórz tury z bloków powtórzeń, a nie według kolejności zabiegów.
- Przewidź czas na wszelkie niezbędne pomiary pomocnicze, które należy wykonać w ramach tur lub przed/po nich, w zależności od potrzeb. (Typowe pomiary pomocnicze opisano w sekcji 3.3).
- Opcjonalnie, wyznacz czas na pobranie próbek powietrza otoczenia do wykorzystania w nieliniowych modelach strumieni lub jako przybliżenie stężenia początkowego (czas zero, „T0”) (nieopisane tutaj).
- Opcjonalnie, przewidź czas na napełnianie fiolek gazem referencyjnym w momencie próbkowania, aby ocenić możliwą degradację próbki między pobraniem a analizą. Kwestie przechowywania próbek opisano w pracy Parkin i Venterea8.
- Określ częstotliwość pomiarów strumieni odpowiednią dla celów badawczych. Może ona wynosić od pojedynczego pomiaru do pomiarów codziennych, tygodniowych lub okresowych w ciągu miesięcy lub lat. Szczegółową dyskusję na temat kwestii projektu eksperymentalnego zawiera praca Rochette et al.14.
- Jeśli próbki mają być pobierane w niskich temperaturach, zaplanuj użycie urządzenia grzewczego, takiego jak ogrzewacz chemiczny z fiolkami, aby zapobiec kruszeniu się sept w zakrętkach.
- W oparciu o optymalny czas określony w sekcji 2.2.4, opracuj ogólny schemat próbkowania obejmujący wszystkie istotne stanowiska, zabiegi i/lub powtórzenia, który umożliwi personelowi efektywne przemieszczanie się między komorami. W razie potrzeby podziel stanowiska z komorami na kilka „tur” próbkowanych jedna po drugiej.
3. Pobieranie prób terenowych
Uwaga: W każdym terminie pobierania próbek należy stosować schemat pobierania ustalony w sekcji 2.4, wykorzystując techniki opisane poniżej. Sprzęt i objętość próbki mogą się różnić w zależności od stosowanych metod pobierania i przenoszenia oraz ilości próbki wymaganej do analizy GC8. Niniejszy protokół wykorzystuje fiolki do pobierania o pojemności 5.9 ml oraz strzykawki o pojemności 30 ml, z zastosowaniem metody płukania przy przenoszeniu próbki. Alternatywne podejścia opisano w sekcji Dyskusja.
- Przygotowanie
- W przypadku pobierania próbek z wielu komór w jednej serii, należy przygotować siatkę referencyjną punktów czasowych (patrz: Rycina 2), aby łatwo śledzić miejsce i czas pobierania próbek. Alternatywnie można zorganizować zapisywanie każdego punktu czasowego w trakcie pobierania próbek.
- Należy wcześniej opisać i uporządkować fiolki do pobierania próbek, aby zmaksymalizować wydajność i zminimalizować ryzyko pomyłki podczas pobierania.
- Aby zaoszczędzić czas podczas pobierania próbek, należy wcześniej przygotować wszystkie materiały i sprzęt. Należy dołączyć zapasowe elementy, które mogą ulec uszkodzeniu lub łatwo zaginąć (igły, strzykawki, kurki, itp.) i umieścić je w torbie transportowej, wiadrze lub innym pojemniku.
- Należy być przygotowanym do odnotowania wszelkich opóźnionych punktów czasowych, które mogą wystąpić z powodu awarii sprzętu lub innych nieprzewidzianych okoliczności i które można łatwo skorygować podczas analizy danych, dostosowując czas przypisany do danej próbki.
- Pobieranie próbek
- Należy przymocować i uszczelnić pokrywę komory do wcześniej zainstalowanego kotwiczenia komory i uruchomić stoper. Jest to moment T0.
- Natychmiast po uszczelnieniu pokrywy należy pobrać próbkę powietrza otoczenia z miejsca przylegającego do komory, na przybliżonej wysokości górnej krawędzi komory: za pomocą pustej strzykawki 30 ml z założoną igłą i kurkiem w pozycji otwartej, należy pobrać 30 ml próbki powietrza i zamknąć kurek. Jest to próbka T0. Alternatywnie próbkę T0 można pobrać z wnętrza komory6.
Uwaga: Istnieją kompromisy między obydwoma podejściami – należy ocenić kwestie przestrzenne (odległość od miejsca poboru lub zewnętrzny mikroklimat dla próbek zewnętrznych) w stosunku do czasowych (opóźnienie między zamknięciem pokrywy a pobraniem próbki dla próbek wewnętrznych) i dobrać technikę najodpowiedniejszą dla używanego sprzętu i badanego systemu. - Za pomocą igły strzykawki należy przebić septu fiolki do próbek o pojemności 5,9 ml, w której blisko krawędzi septu wbita jest już inna igła.
- Należy otworzyć kurek strzykawki i wstrzyknąć około 20 ml próbki do fiolki (spowoduje to wypchnięcie poprzedniej zawartości fiolki przez dodatkową igłę i zastąpienie jej próbką).
- Płynnym ruchem należy usunąć dodatkową igłę, kontynuując wstrzykiwanie jak największej ilości pozostałej próbki (około 10 ml), lekko nadciśniając fiolkę, aby zapewnić integralność próbki i umożliwić analizę wielu próbek, jeśli jest to konieczne8.
- Należy zamknąć kurek i wyciągnąć igłę strzykawki z septu. Wypełnioną fiolkę należy odwrócić do góry nogami, aby odróżnić ją od fiolek pustych.
- Należy przejść do następnej komory i powtórzyć kroki 3.2.1–3.2.6, uszczelniając pokrywę w odpowiednim, wcześniej określonym punkcie czasowym T0.
- Należy kontynuować powtarzanie kroków 3.2.1–3.2.7 aż do momentu, gdy wszystkie komory w serii zostaną uszczelnione i pobrane zostaną próbki T0.
- Należy powrócić do pierwszej komory.
- Gdy do momentu T1 pozostanie 10 sekund, należy przebić igłą strzykawki septu w górnej części komory.
- W przedziale 10 sekund od T1 należy pobrać 30 ml próbki powietrza z wnętrza komory i zamknąć kurek. Następnie należy wyjąć igłę strzykawki z septu komory.
- Próbkę należy przenieść do fiolki zgodnie z krokami 3.2.3–3.2.6.
- Należy kontynuować pobieranie próbek zgodnie z krokami 3.2.10–3.2.12, według schematu pobierania ustalonego w sekcji 2.4.
- Pomiary pomocnicze
- W celu przeliczenia stężenia gazu na masę należy zmierzyć temperaturę powietrza w momencie pobierania próbek. W zależności od celów badawczych należy zapisać lub przeprowadzić inne pomiary pomocnicze, takie jak temperatura gleby i wilgotność gleby w każdym miejscu i/lub czasie, dobowe opady, gęstość objętościowa gleby, stężenia azotanów i amonu w glebie itp. Istnieją różne metody uzyskania tych pomiarów – należy stosować standardowe protokoły.
- Opcjonalnie można pobierać próbki powietrza otoczenia i/lub ładować do fiolek wzorce terenowe o znanych stężeniach, aby ocenić stężenia gazów cieplarnianych w otoczeniu oraz potencjalną degradację w fiolkach do przechowywania w okresie między pobieraniem próbek a analizą (patrz: sekcje 2.4.1.4 i 2.4.1.5).
4. Analiza próbek
- Wyznaczyć stężenie interesujących gazów dla każdej próbki za pomocą chromatografii gazowej, używając sprzętu wyposażonego w detektor wychwytu elektronów dla N2O, analizator gazów w podczerwieni lub detektor przewodności cieplnej dla CO2 oraz detektor płomieniowo-jonizacyjny dla CH4.
Uwaga: Niezbędne jest uzyskanie dostępu do urządzenia odpowiednio skonfigurowanego do analizy gazów cieplarnianych (GHG) i dysponującego wystarczającym czasem pracy. Zasady i metody chromatografii gazowej opisano w innych źródłach5,15,16. - Przeliczyć stężenie gazów śladowych z objętościowego na masowe, korzystając z prawa gazów doskonałych:
PV = nRT
Gdzie P = ciśnienie, V = objętość, n = liczba moli gazu, R = stała gazowa i T = temperatura. Zatem:
5. Analiza danych
- Dla każdej serii czasowej sporządź wykres zależności stężenia od czasu i oceń liniowość. Ocenę przeprowadź za pomocą wskaźnika dopasowania lub poprzez inspekcję wizualną, wykluczając z dalszej analizy późniejsze punkty czasowe wykazujące oznaki osiągnięcia plateau. Do obliczenia strumienia wykorzystaj minimum trzy punkty czasowe, wliczając T0 (T0, T1, T2 …). Ustal spójny protokół i odrzuć wszystkie serie czasowe, które nie spełniają standardów liniowości określonych w tym protokole. Szczegółową dyskusję na temat błędów, obciążenia i wariancji w obliczeniach strumienia zaprezentowano w pracy Parkina i Venterei8.
- Przeprowadź regresję liniową.
- Wykorzystaj nachylenie prostej regresji do obliczenia strumienia:
F = S • V • A-1
Gdzie F = strumień, S = nachylenie regresji, V = objętość komory i A = powierzchnia komory. Zatem:
Uwaga: W kwestii nieliniowych podejść do obliczania strumienia należy odnieść się do sekcji Dyskusja oraz publikacji Parkin et al.12
Wyniki
Przed rozpoczęciem projektu badawczego z wykorzystaniem komór statycznych ważne jest zrozumienie ogólnego przebiegu prac oraz organizacji elementów in silico, terenowych i laboratoryjnych (Rysunek 1). Przy zastosowaniu starannego projektu eksperymentalnego i kalibracji systemu (Rysunek 2), analiza danych będzie zazwyczaj stosunkowo prosta. Tempo strumienia dla każdej komory i czasu pobierania próbek określa się poprzez regresję czasu względem stężenia, wykorzystując wcześniej ustalony model strumienia odpowiedni dla danego systemu (Rysunek 3). Jednak nawet przy przestrzeganiu najlepszych praktyk mogą wystąpić trudności, dlatego kontrola jakości surowych danych jest kluczowa. Na przykład nieszczelność uszczelki komory lub przeciekające fiolki z próbkami mogą prowadzić do anomalnych wartości stężeń. Są one łatwo identyfikowalne poprzez wizualną inspekcję wykresów szeregów czasowych stężeń (Rysunek 4), przy czym serie czasowe CO2 często służą jako szczególnie użyteczny wskaźnik ze względu na zazwyczaj bardziej stabilny i ciągły strumień CO2 w porównaniu do czasami pomijalnych, bliskich granicy wykrywalności, a nawet ujemnych strumieni N2O lub CH4. Po potwierdzeniu jakości danych wyniki mogą zostać wykorzystane do porównania dynamiki strumieni gazów pomiędzy wariantami badawczymi lub w ciągu sezonu (Rysunek 5). Jak widać po wartościach strumienia i słupkach błędów dla maja i czerwca, zmienność spowodowana przestrzenną heterogenicznością strumienia może być znacząca i bardziej wyraźna w warunkach generujących wysokie tempo strumienia. Taka zmienność nie jest niezwykła i podkreśla znaczenie odpowiedniej liczby powtórzeń w tej technice.
Rysunek 1. Przegląd przepływu pracy. Różne elementy tego protokołu będą realizowane na etapie planowania, w terenie, w laboratorium oraz in silico. Strzałki wskazują sekwencję przepływu pracy, rozpoczynającą się od projektu komory (i ewentualnej budowy), a kończącą na analizie danych. Wiele ramek/strzałek pomiędzy próbkowaniem terenowym a analizą próbek reprezentuje możliwość wielokrotnego pobierania próbek w trakcie trwania eksperymentu.
Rysunek 2. Harmonogram pobierania próbek. Przykładowy schemat czasowy jednoczesnego pobierania próbek z wielu komór. Numery komór są wskazane po lewej stronie, a punkty czasowe na górze, przy czym czasy pobierania próbek są podane w pełnych minutach wewnątrz siatki. W tym przykładzie cztery oddzielne serie czasowe po 36 min każda (jedna dla każdej komory) są realizowane w ciągu 46 min, z 12 min odstępu między punktami czasowymi wewnątrz serii oraz 2 min czasem przejścia między komorami. W tym hipotetycznym przykładzie zasadność zastosowania 36-minutowych serii czasowych zostałaby określona w drodze wcześniejszej kalibracji. Choć równomierne rozmieszczenie czasowe nie jest niezbędne, często upraszcza ono schemat pobierania próbek. Alternatywnie badacze mogą indywidualnie rejestrować każdy punkt czasowy pobierania, aby określić odstępy między próbkami.
Rycina 3. Obliczanie strumienia. Typowa seria czasowa z komory statycznej, obejmująca stężenia N2O zmierzone w czterech punktach czasowych w ciągu 36-minutowego okresu pobierania próbek. Przedstawiono regresję liniową, której nachylenie pozwala wyznaczyć szybkość strumienia.
Rycina 4. Kontrola jakości. Przedstawiono sparowane szeregi czasowe z tego samego zestawu próbek, ale dla różnych gazów, w których wyciek z fiolki został zidentyfikowany podczas inspekcji wizualnej (czerwony punkt). A) Stężenie CO2 w czasie. B) Stężenie N2O w czasie.
Rysunek 5. Wyniki syntezy. Szybkość strumienia N2O z pola uprawnego w ciągu jednego sezonu wegetacyjnego. Wartości strumienia reprezentują średnią z sześciu komór, przy zastosowaniu czuopunktowych serii czasowych. Słupki błędów oznaczają błąd standardowy.
Dyskusja
Opisane tutaj statyczne podejście komorowe jest skuteczną metodą pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Względna prostota jego komponentów sprawia, że szczególnie dobrze nadaje się do warunków lub systemów, w których metody wymagające większej ilości infrastruktury są niewykonalne. Jednak w celu wygenerowania wysokiej jakości danych, podejście oparte na komorze statycznej musi być przeprowadzone ze ścisłą uwagą na projekt eksperymentalny6. Jedną z istotnych kwestii, które należy wziąć pod uwagę, jest przestrzenna zmienność strumieni gazów w glebie, co może skutkować dużą zmiennością wśród powtórzonych pomiarów w komorze glebowej. Dlatego przy projektowaniu eksperymentów ważne jest, aby uwzględnić wystarczającą liczbę powtórzeń, aby zapewnić odpowiednią moc do analizy statystycznej. Mogą istnieć kompromisy między liczbą terapii, które można badać przy zachowaniu wystarczającej replikacji, a co najmniej cztery powtórzenia na leczenie to ogólna wytyczna14.
Jeżeli do oszacowania dziennych emisji zostaną wykorzystane zmierzone strumienie, należy wziąć pod uwagę dobowe zmiany temperatury powietrza, temperatury gleby i emisji gazów. Jeśli cele badawcze wymagają, aby pomiary były wykonywane w godzinach porannych, kiedy temperatury odzwierciedlają średnie dzienne, ograniczone okno pobierania próbek może mieć wpływ na liczbę komór, które można monitorować. Dodatkową kwestią, którą należy ocenić, jest wpływ, jaki włączenie lub wykluczenie korzeni roślin i biomasy nadziemnej będzie miało na strumienie gazów. Rozmieszczenie komór w stosunku do tkanki roślinnej będzie miało wpływ na interpretację danych dotyczących strumienia, szczególnie w przypadku CO2 , gdzie nie tylko oddychanie mikrobiologiczne, ale także oddychanie korzeni i pędów oraz fotosynteza muszą być odpowiednio zrównoważone. Aby uzyskać dodatkowe omówienie tych czynników, zobacz Parkin i Venterea8.
Jak wspomniano wcześniej, istnieje wiele wariantów tej metodyki, w tym konstrukcja komory i objętość pobierania próbek. Jedną z takich odmian jest metoda stosowana do przenoszenia próbek między strzykawką a fiolką do pobierania próbek. Opisana tutaj technika polega na przepłukaniu fiolki pobraniowej próbką przed napełnieniem fiolki do nadciśnienia5. Częściej stosowaną techniką jest przenoszenie próbek ze strzykawek do fiolek, które zostały wstępnie opróżnione za pomocą pompy próżniowej, a także zgłoszono użycie nieopróżnionych fiolek bez spłukiwania8,17. Innym istotnym punktem, w którym istnieje szereg podejść, jest analiza danych i wybór modelu strumienia najbardziej odpowiedniego dla badanego systemu. Oprócz opisanej tutaj metody regresji liniowej można również stosować modele nieliniowe, szczególnie w przypadku stosowania dłuższych czasów wdrażania. Modele te obejmują algorytm opracowany przez Hutchinsona i Mosiera18 oraz jego pochodne19,20, procedurę kwadratową opisaną przez Wagnera i wsp.21 oraz estymator strumienia dyfuzyjnego w stanie nieustalonym opisany przez Livingstona i wsp. 22. Aby uzyskać szczegółowe omówienie nieliniowych modeli strumienia, zapoznaj się z Parkin et al.12 oraz Venterea i wsp. 23.
Metody podobne do podejścia opartego na komorze statycznej obejmują wykorzystanie przepływowych systemów pomiarowych ze spektrometrią w podczerwieni z transferem Fouriera (FTIR) jako alternatywy dla pobierania próbek strzykawkowych i chromatografii gazowej, a także automatyzację zamykania komory i pobierania próbek za pomocą różnych środków. Zautomatyzowane systemy umożliwiają częstsze pomiary przy zmniejszeniu liczby personelu, ale wymagają również dodatkowych inwestycji w infrastrukturę. Grace i wsp.24 zawierają obszerne podsumowanie opcji i kompromisów w zakresie zautomatyzowanego pomiaruN2Ow komorze pomiarowej.
Charakterystyka strumienia gazów cieplarnianych zarówno z systemów zarządzanych, jak i naturalnych jest ważna dla tworzenia modeli opartych na procesach, zrozumienia wpływu praktyk zarządzania i informowania o strategiach łagodzenia skutków, a także dla wspierania globalnej rachunkowości i modelowania zmian klimatycznych. Tak więc, podczas gdy poszczególne badania mają wartość informacyjną w skali lokalnej, wiele dodatkowej wartości uzyskuje się poprzez przyczynianie się do tworzenia i czerpanie z globalnego zasobu wiedzy na temat wymiany gazowej między krajobrazem a atmosferą. W związku z tym kluczowe znaczenie ma gromadzenie i raportowanie danych w sposób zapewniający długowieczność i interoperacyjność z szerszą bazą wiedzy. Obejmuje to przestrzeganie najlepszych praktyk w celu zapewnienia jakości danych, a także gromadzenie środków pomocniczych i kompleksowe raportowanie metadanych, aby umożliwić rozszerzenie wyników poza odrębne badania. Doskonałe wytyczne dotyczące raportowania danych są dostępne w ramach projektu GRACEnet i GRA25.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ten materiał jest oparty na pracach wspieranych przez National Science Foundation w ramach Grantu Numer 1215858, przez Departament Rolnictwa USA w ramach Grantu o numerze 2013-68002-20525 oraz przez Centrum Badań Bioenergetycznych Departamentu Energii USA Great Lakes - DOE BER Office of Science (DE-FC02-07ER64494) oraz DOE OBP Office of Energy of Energy and Renewable Energy (DE-AC05-76RL01830). Filmy i zdjęcia w terenie zostały nagrane w ramach projektu Wisconsin Integrated Cropping System Trial prowadzonego przez University of Wisconsin-Madison. Autorzy są wdzięczni Ryanowi Curtinowi za umiejętne filmowanie i montaż.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 5,9 ml szklanka sodowa z płaskim dnem 55 x 15,5 mm | Fiolki Labco | Limited | 719W |
| 16,5 mm nakrętki z przebijaną gumową przegrodą | Labco Limited | VC309 | Nasadki do fiolek |
| 90-dołkowy plastikowy stojak na fiolki, średnica wewnętrzna 17,1 mm | Wheaton | 868810 | Stojak do organizowania fiolek |
| Igły do cięcia skośnego 23 G x 1" | BD | 305193 | Igły do pobierania próbek |
| Kranki z przyłączami typu luer, 1-drożne, męskie poślizg | Cole-Parmer | EW-30600-01 | Krany do strzykawek |
| Strzykawka 30 ml, końcówka | ślizgowa BD | 309651 | Strzykawki do pobierania próbek |
| Stoper lub minutnik | Różne | Nie dotyczy Do | pobierania próbek w polu czasowym |
| Patelnie użytkowe ze stali nierdzewnej lub ocynkowane z rantem lub komory i pokrywy ze stali nierdzewnej lub PCV, wymiary odpowiednie dla systemu eksperymentalnego | Różne | nie dotyczy | Kotwa i pokrywa komory - dno wycięte z kotwicy, otwory na przegrodę i rurkę odpowietrzającą wydrążone w pokrywie |
| Korki butylowe szare 20 mm | Wheaton | W224100-173 | Przegroda komorowa do pobierania próbek strzykawką - wkładka do otworu wywierconego w pokrywie |
| górnej rurki Tygon 4,0 mm średnica wewnętrzna x średnica zewnętrzna 5,6 mm | Sigma-Aldrich | Z685623 | Rurka odpowietrzająca komorę - wkładka w otworze wywierconym po stronie pokrywy, zlicowana z zewnętrzną, około 25 cm zwinięta wewnątrz pokrywy (jako mechanizm mocujący można użyć końcówki strzykawki o pojemności 1 ml) |
| Samoprzylepna taśma z gumy piankowej lub O-ring HDPE | Różne | N/A | Mechanizm uszczelniający komorę - mocowany do spodu krawędzi pokrywy |
| Odblaskowa izolacja, Grubość 0,3125" | Lowe's | 409818 | Powłoka izolacyjna i odblaskowa - mocowana na zewnątrz pokrywy komory |
| Duże metalowe klipsy do segregatora, rozmiar 2" o pojemności 1" lub wyprodukowany zatrzask w zależności od potrzeb | Zszywki / McMaster | 831610 (Zszywki) / 1863A21 (McMaster) | Mechanizm mocowania pokrywy - do zaciskania pokrywy w celu zakotwiczenia podczas pobierania próbek |
| Urządzenia do chromatografii gazowej wyposażone w detektor wychwytu elektronów dla podtlenku azotu, analizator gazu w podczerwieni lub detektor przewodności cieplnej dla dwutlenku węgla, detektor płomieniowo-jonizacyjny dla metanu | Różne | Nie dotyczy | Do analizy próbek |
Bibliografia
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Klein, C., Harvey, M. Nitrous Oxide Chamber Methodology Guidelines. Ministry for Primary Industries. , Wellington, UK. 1-146 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Venterea, R. T. Simplified Method for Quantifying Theoretical Underestimation of Chamber-Based Trace Gas Fluxes. Journal of Environment Quality. 39 (1), 126(2010).
- 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).
- Fundamentals of Gas Chromatography. Agilent Technologies, Inc. , 1-60 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Livingston, G. P., Hutchinson, G. L., Spartalian, K. Trace gas emission in chambers. Soil Science Society of America Journal. 70, 1459-1469 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
Przedruki i uprawnienia
