Ogólnym celem tego protokołu jest pomiar emisji gazów cieplarnianych z pól ryżowych za pomocą techniki statycznej zamkniętej komory. System pomiarowy wymaga specjalnych regulacji ze względu na obecność zarówno stałej warstwy wody na polu, jak i roślin w przestrzeni nadprożowej komory.
Artykuł metodologiczny
Ocena strumieni metanu i podtlenku azotu z pola ryżowego za pomocą statycznych zamkniętych komór utrzymujących rośliny w przestrzeni nadbrzeżnej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ten protokół opisuje pomiar emisji gazów cieplarnianych (GHG) z gleb ryżowych przy użyciu techniki statycznej zamkniętej komory. Metoda ta opiera się na teorii dyfuzji. Znana objętość powietrza pokrywająca określony obszar gleby jest zamknięta w równoległościanie (zwanym "komorą") na określony czas. W tym okresie komory gazy (metan (CH4) i podtlenek azotu (N2O)) przemieszczają się z powietrza porowego gleby w pobliżu źródła mikrobiologicznego (tj. metanogenów, nitryfikatorów, denitryfikatorów) do przestrzeni nadprożowej komory, zgodnie z naturalnym gradientem stężeń. Strumienie są następnie szacowane na podstawie zmian stężeń w przestrzeni nadpowierzchniowej, pobieranych w regularnych odstępach czasu w całej komorze, a następnie analizowanych za pomocą chromatografii gazowej. Wśród dostępnych technik pomiaru emisji gazów cieplarnianych metoda statycznej komory zamkniętej nadaje się do eksperymentów na powierzchniach, ponieważ nie wymaga dużych, jednorodnie traktowanych obszarów gleby. Co więcej, jest on możliwy do opanowania przy ograniczonych zasobach i może identyfikować relacje między właściwościami, procesami i strumieniami ekosystemu, zwłaszcza w połączeniu z pomiarami siły napędowej gazów cieplarnianych. Niemniej jednak, w odniesieniu do metody mikrometeorologicznej, powoduje ona minimalne, ale wciąż nieuniknione naruszenie gleby i pozwala na niewielkie rozwiązanie czasowe. Kluczowe znaczenie dla wdrożenia metody ma kilka etapów: i) projektowanie i wdrażanie komory, ii) obsługa i analiza próbek oraz iii) szacowanie strumienia. Sukces wdrożenia techniki na polach ryżowych wymaga dostosowania do zalewania pól przez większą część cyklu uprawy oraz do konserwacji roślin ryżu w przestrzeni nadprożowej komory podczas pomiarów. W związku z tym dodatkowe elementy, które należy wziąć pod uwagę w odniesieniu do zwykłego stosowania niezalanych gleb rolnych, obejmują urządzenia służące: (i) unikaniu wszelkich niezamierzonych zakłóceń wody, które mogłyby zawyżać przepływy, oraz (ii) włączaniu roślin ryżu do przestrzeni nadprożowej komory, aby w pełni uwzględnić gazy emitowane w wyniku transportu aerenchymy.
Wprowadzenie
Rolnictwo to produktywny sektor, który wraz z leśnictwem i innym użytkowaniem gruntów, generuje około 21% globalnej emisji gazów cieplarnianych1. Dokładny pomiar emisji gazów cieplarnianych z gleb rolnych ma kluczowe znaczenie nie tylko dla ustalenia właściwej roli agroekosystemów zarówno jako źródła, jak i pochłaniacza zmian klimatu2, ale także dla określenia odpowiednich i skutecznych strategii łagodzenia skutków w ramach celów porozumienia paryskiego.
Strumienie emisji dwóch najważniejszych gazów cieplarnianych wytwarzanych przez gleby rolnicze (tj. N2O i CH4) są mierzalne za pomocą metod mikrometeorologicznych lub techniki zamkniętej komory3. W zdecydowanej większości badań przedstawiających dane dotyczące emisji gazów cieplarnianych z gleb w ciągu ostatnich trzech dekad zastosowano technikę zamkniętej komory4,5, która została po raz pierwszy opisana w 1926 roku6. Podjęto kilka wysiłków, aby dopracować technikę i przezwyciężyć wszystkie źródła eksperymentalnych artefaktów i uprzedzeń7,8,9,10,11,12,13,14. Konkretne protokoły, opracowane w różnym czasie, miały na celu standaryzację metodologii15,16,17,18,19, a badania naukowe są nadal w toku, aby ustalić najlepsze praktyki stosowania tej techniki i minimalizowania błędów systematycznych w szacunkach przepływów.
Technika statycznej zamkniętej komory, której zastosowanie do gleb ryżowych jest opisane w tym artykule, opiera się na teorii dyfuzji i zapewnia zamknięcie znanej objętości powietrza nad częścią powierzchni gleby na ściśle określony czas. Podczas komory cząsteczki CH4 i N2O migrują drogą dyfuzji wzdłuż naturalnego gradientu stężeń z powietrza porowego gleby, gdzie są wytwarzane przez określone mikroorganizmy (metanogeny w przypadkuCH4; nitryfikatory i denitryfikatory dlaN2O), do powietrza zamkniętego w przestrzeni nadbrzeżnej komory, ostatecznie przez wodę powodziową lub aerenchymę roślinną. Stężenia dwóch gazów w przestrzeni nad głową komory rosną w czasie, a występowanie tych wzrostów pozwala na oszacowanie strumienia.
W odniesieniu do metod mikrometeorologicznych, pomiary w zamkniętej komorze są często preferowane dla różnych typów użytkowania gruntów i ekosystemów podczas badania strumieni gazów cieplarnianych na skali wykresu, ponieważ nie są one obciążone dużym jednorodnym polem2 lub wysokie wymagania logistyczne i inwestycyjne20. Co więcej, pozwalają one na jednoczesną analizę zmanipulowanych eksperymentów, takich jak różne praktyki agronomiczne lub inne zabiegi polowe12,21. Wreszcie, technika ta pozwala na identyfikację relacji między właściwościami, procesami i przepływami ekosystemu. Alternatywnie, dwie główne wady tej techniki obejmują stosunkowo nieefektywną eksplorację niejednorodności przestrzennej i czasowej oraz skutki naruszenia gleby spowodowane rozmieszczeniem komór22. Wady te można jednak przynajmniej częściowo przezwyciężyć poprzez: odpowiednią konstrukcję studzienki (w celu zminimalizowania zakłóceń w glebie), przyjęcie wystarczającej liczby powtórzeń (w celu zbadania zmienności przestrzennej) oraz zautomatyzowane zastosowanie systemu, który pozwala na intensyfikację częstotliwości pomiarów dziennych (w celu uwzględnienia zmienności dobowej) lub regularnych (o tej samej porze dnia) pomiarów (w celu pominięcia wpływu temperatury na zmienność resztkową).
Pierwsze zastosowanie tej metody na polu ryżowym pochodzi z początku lat 80-tych23, a głównymi cechami charakterystycznymi jej użycia w odniesieniu do pól wyżynnych są obecność wody powodziowej na glebie i konieczność uwzględnienia roślin w przestrzeni nad głową podczas zamykania komory. Jak dokładnie opisano w tym artykule, pierwsza cecha implikuje potrzebę specjalnych systemów zapobiegających zakłóceniom wody podczas zdarzeń pomiarowych, aby uniknąć przeszacowania strumienia spowodowanego wywołanym turbulencjami zwiększeniem dyfuzji gazu przez zalewającą wodę. Drugą istotną cechą jest uwzględnienie transportu gazu przez aerenchymę ryżową, stanowiącą do 90% emitowanych CH424, co wymaga odpowiednich urządzeń do uwzględnienia roślin podczas zdarzeń pomiarowych.
Protokół
1. Projekt komory
- Zmontuj każdą komorę z trzema głównymi elementami: kotwicą, pokrywą i co najmniej czterema przedłużeniami.
- Zbuduj kotwę w kształcie prostokątnej skrzynki o wymiarach 75 cm x 36 cm x 25 cm (dł. x szer. x wys.) wykonanej ze stali nierdzewnej. Przyspawać kanał wypełniony wodą o wymiarach 10-13 mm (szer.) x 13-20 mm (wys.) do górnego prostokątnego obwodu kotwy. Wywierć dwa otwory (o średnicy 1 cm) z każdej z czterech stron kotwy w odległości 5 cm od górnego kanału wodnego.
UWAGA: Kotwy izolują kolumnę gruntu pod komorą i zapobiegają dyfuzji bocznej. Kanał jest niezbędny do uzyskania skutecznego uszczelnienia między kotwą a pokrywą. Otwory zapewniają szybki odpór wody ze stawu do wnętrza komory podczas odwadniania pola. - Zbuduj pokrywę w kształcie prostokątnego pudełka ze stali nierdzewnej o wymiarach 75 cm x 36 cm x 20 cm (dł. x szer. x wys.) o wewnętrznej objętości 54 l. Upewnij się, że idealnie pasuje do kanału napełnianego wodą.
- Przykryj pokrywę pianką o zamkniętych komórkach o grubości 4 cm, która z kolei jest pokryta powłoką odbijającą światło (przypominającą aluminium).
UWAGA: Konieczne jest wyposażenie komory w system kontroli temperatury, aby nie sprzyjać sztucznie aktywności mikrobiologicznej, w wyniku niezamierzonego wzrostu temperatury podczas zamykania komory. - Wyposaż każdą pokrywę w zawór odpowietrzający, wykonany z zakrzywionego kawałka plastikowej rurki (1,5 cm x 24 cm, D x L) o wymiarach dostosowanych do objętości komory i warunków wiatrowych25. Podłącz zawór odpowietrzający do pokrywy, wiercąc otwór o średnicy 1.5 cm pośrodku jednej z dwóch 36-centymetrowych bocznych powierzchni pokrywy. Następnie zabezpiecz plastikową rurkę za pomocą łącznika śrubowego.
UWAGA: Zawór odpowietrzający jest zalecany do przesyłania wszelkich zmian barometrycznych objętości powietrza w pomieszczeniu i kompensacji zmian objętości, które występują podczas obudowy komory i pobierania próbek powietrza i/lub związanych z niekontrolowanymi, zamkniętymi zmianami temperatury powietrza. Odpowietrznik powinien być rurką, a nie po prostu otworem, tak aby powietrze wydmuchiwane z obudowy podczas spadku ciśnienia zewnętrznego było wychwytywane w rurce, a następnie zwracane do obudowy w przypadku ponownego wzrostu ciśnienia. Zakrzywiony kształt minimalizuje możliwość rozhermetyzowania komory w wyniku przepływu wiatru przez jej zewnętrzny otwór, tj. efekt Venturiego26. - Zapewnić port do pobierania próbek gazu. Zrób 1 cm otwór na środku górnej części pokrywy we wnęce o wymiarach 7 cm x 7 cm wykopanej w piance komórkowej. Zamknij otwór gumowym korkiem, który pasuje do rurki teflonowej (średnica wewnętrzna 3 mm, długość 20 cm). Upewnij się, że rurka teflonowa wystaje na 3 cm i wsuwa się na 17 cm, gdy korek jest umieszczony we wnęce. Podłączyć zewnętrzną część rurki do jednokierunkowego zaworu odcinającego, aby zarządzać otwieraniem/zamykaniem portu pobierania próbek.
- Wyposaż każdą pokrywę w wentylator PC 12 V zasilany przenośnym akumulatorem 12 V-7 Ah, aby zapewnić mieszanie powietrza. Umieść wentylator PC po wewnętrznej górnej stronie pokrywy za pomocą dwóch stalowych łączników przykręconych do wewnętrznej strony komory.
UWAGA: Mieszanie powietrza jest konieczne, aby zapobiec rozwarstwieniu się gazu w przestrzeni nad komorą podczas obudowy, zwłaszcza gdy obecne są duże ilości roślinności. - Zbuduj kilka rozszerzeń, aby uwzględnić rośliny znajdujące się w komorze, gdy są w pełni rozwinięte. Na przykład, jeśli rośliny nie będą przekraczać 80 cm wysokości w swoim ostatecznym rozmiarze, zbuduj 4 przedłużenia dla każdej komory. Upewnij się, że każde z nich jest prostokątnym pudełkiem wykonanym ze stali nierdzewnej o wymiarach 75 x 36 x 25 cm (dł. x szer. x wys.) i z górnym kanałem do napełniania wodą, zgodnie z opisem dla kotwy. Dodaj te przedłużenia między kotwą a pokrywą podczas obudowy komory, w zależności od etapu uprawy.
2. Rozmieszczenie kotwic i rozmieszczenie systemu zapobiegającego naruszaniu gleby
- Kotwy należy wprowadzić w glebę po przygotowaniu pola (tj. po wszystkich czynnościach uprawowych) i przed siewem ryżu. Jeśli to możliwe, nie należy zdejmować kotew na czas trwania pomiaru, chyba że jest to absolutnie konieczne, na przykład w przypadku uprawy roli między dwoma kolejnymi sezonami uprawy. Kotwy należy włożyć na kilka dni (minimum 2 dni) przed rozpoczęciem pomiaru strumienia, aby gleba ponownie się wyrównała po zakłóceniach podczas montażu.
- Przed rozłożeniem kotwy na gołej glebie należy umieścić drewniane deski o wymiarach 30 cm x 3 m (szer. x dł.) (na polu i chodzić wyłącznie po nich podczas kolejnych czynności, aby uniknąć zagęszczenia gleby. Umieść deski w odległości co najmniej 0,5 m od każdej kotwy.
- Kotwy należy włożyć na głębokości 40 cm do zaoranej miski, aby zabezpieczyć kotwę i uniknąć przypadkowego zgięcia bocznego po zalaniu pola, zwłaszcza gdy używane jest przedłużenie. Po umieszczeniu kotew na glebie w wyznaczonym obszarze pola, umieść specjalnie zmontowaną stalową ramę na szczycie kotwy, zachowując prawidłowe wyrównanie obu elementów. Wbij kotwę w ziemię i zwróć uwagę, aby uderzyć w ramę, a nie w kotwę, aby zapobiec uszkodzeniu kotwy. Po włożeniu upewnij się, że kotwy są idealnie płaskie za pomocą poziomicy.
- Wprowadzić co najmniej trzy kotwice dla każdego monitorowanego zabiegu (tj. kontrpróby). Należy zachować minimalną odległość między sąsiadującymi komorami wynoszącą 1 m, w przypadku gdy konieczne jest użycie więcej niż jednej komory w tej samej jednostce doświadczalnej.
- Po włożeniu wszystkich kotew tymczasowo usuń drewniane deski do chodzenia, a następnie przearanżuj pole za pomocą systemu pomostów rozpoczynających się z bocznych brzegów pola. Szczegółowo należy umieścić na polu bloczki betonowe w odległości co najmniej 0,5 m od kotew, w liczbie wystarczającej do utrzymania systemu drewnianych desek.
UWAGA: Wybiegi są niezbędne, aby zapobiec naruszeniu gleby podczas kolejnych pomiarów emisji gazów cieplarnianych. Liczba bloczków będzie zależeć od odległości kotew od bocznych brzegów pola. Każda deska o długości 3 m będzie wymagała dwóch bloków dla stabilności.
3. Zamknięcie komory i pomiary emisji gazów cieplarnianych
- Pomiary należy wykonywać zawsze o tej samej porze każdego dnia, aby zminimalizować zmienność dobową.
UWAGA: Momentem najlepiej reprezentującym średni strumień dobowy jest moment, w którym temperatury są bliskie średniej dobowej, tj. o godzinie 10 rano. Jest to najlepszy sposób na oszacowanie dziennej wartości skumulowanej na podstawie unikalnego pomiaru w ciągu day27. - Po przybyciu na pole połóż drewniane deski na blokach, aby dotrzeć do kotwic. Następnie napełnij wodą kanały umieszczone na górnym obwodzie kotew. W razie potrzeby ostrożnie dodaj przedłużenia, aby zamknąć wszystkie rośliny w przestrzeni nad komorą.
UWAGA: Ta operacja powinna być wykonywana przez dwóch operatorów, aby uniknąć uszkodzenia upraw. Napełnij wodą kanał każdego używanego przedłużenia. - Zamknij każdą komorę, umieszczając pokrywę w wypełnionym wodą kanale górnego przedłużenia. W okresie zamykania (zazwyczaj 15–20 minut, ale z możliwością modyfikacji w celu zaspokojenia potrzeb doświadczalnych) należy pobrać co najmniej trzy próbki gazu w równych odstępach czasu (np. tuż po zamknięciu, po 10 minutach i po 20 minutach). Podczas pobierania próbek podłączyć strzykawkę o pojemności 50 ml wyposażoną w zawór odcinający jednokierunkowy do portu pobierania próbek, następnie otworzyć dwa zawory odcinające (jeden w strzykawce i jeden w porcie pobierania próbek), "przepłukać" strzykawkę, przesuwając tłok trzy razy w górę i w dół przed pobraniem 35 ml przestrzeni nad komorą, a następnie na koniec zamknąć oba zawory odcinające. Odłączyć strzykawkę od portu pobierania próbek i przechowywać ją oddzielnie.
UWAGA: Podczas pracy w pobliżu komór podczas zalewania pól należy unikać wszelkich zakłóceń lub turbulencji gromadzącej się wody, ponieważ może to powodować powstawanie nietypowych pęcherzyków gazu i zmieniać szacunki strumienia gazów cieplarnianych. - Dodaj kilka rozszerzeń odpowiednich do przechowywania roślin ryżu. Umieść przedłużenia między kotwą a pokrywą, wypełniając wszystkie kanały wypełnione wodą. Użyj jednego przedłużenia, gdy ryż znajduje się 20-40 cm nad powierzchnią gleby (mierzoną składaną linijką); Użyj dwóch przedłużeń, gdy ryż ma 40-60 cm i tak dalej.
- Podczas zamykania komory należy mierzyć temperaturę przestrzeni nad głową co 3-5 minut za pomocą rejestratora temperatury.
- Zdarzenie pobierania próbek należy uznać za zakończone po okresie zamknięcia. Zdejmij pokrywę, a następnie wszystkie używane rozszerzenia.
UWAGA: Aby skrócić czas potrzebny na monitorowanie kilku komór i uniknąć błędu zmienności dobowej, możliwe jest jednoczesne pomiary więcej niż jednej komory. Na przykład, przy zespole składającym się z dwóch operatorów, możliwe jest zarządzanie pobieraniem próbek z maksymalnie 10 sąsiednich komór w ciągu 30 minut. - Po każdym pobraniu próbek należy zmierzyć wysokość przestrzeni nad głową każdej komory od gleby (gdy pole jest osuszane) lub od wody w stawie (gdy pole jest zalane) za pomocą składanej linijki.
4. Postępowanie z próbkami i ich analiza
- Przed każdą wizytą w polu ryżowym należy opróżnić trzy (lub więcej) szklane fiolki o pojemności 12 ml zamknięte przegrodami z kauczuku butylowego na komorę polową w laboratorium.
UWAGA: Fiolki mogą być ponownie użyte. Przed każdym ponownym użyciem należy wymienić gumową przegrodę i przywrócić podciśnienie. - Po wycofaniu gazu z przestrzeni nad komorą, należy szybko przenieść próbki wypełnione strzykawką do opróżnionych fiolek, ponieważ plastikowe strzykawki, nawet z zamkniętym kranem, nie mogą zagwarantować braku wycieków28. Wykonaj transfer za pomocą igły podskórnej o rozmiarze 25. Najpierw włóż igłę do kranu odcinającego, a następnie otwórz go i przepłucz igłę 5 ml próbki. Następnie włóż igłę do przegrody i wepchnij pozostałe 30 ml próbki do wstępnie opróżnionej fiolki, a następnie wyjmij igłę.
UWAGA: Próbka wewnątrz fiolki jest pod ciśnieniem > 2 atm, aby dostarczyć gaz do wielu analiz i uniknąć przepływu masy ze środowiska zewnętrznego w kierunku próbki, co mogłoby zmienić jej stężenie gazów cieplarnianych. Przepłukanie igły próbką o pojemności 5 ml pozwala na jej ponowne użycie do innych próbek. - Na zakończenie każdego pobierania próbek należy przenieść fiolki do laboratorium w celu analizy.
UWAGA: Chociaż konserwacja próbki w temperaturze 20 °C jest gwarantowana przez ponad cztery miesiące28, zawsze zaleca się przeprowadzenie procedur analitycznych tak szybko, jak to możliwe. - Oznaczyć stężenia gazów w pobranych próbkach za pomocą automatycznego chromatografu gazowego wyposażonego w detektor wychwytu elektronów do oznaczaniaN2Oi detektor płomieniowo-jonizacyjny do oznaczania CH4 29. Oprócz próbek należy zmierzyć stężenia wielu znanych próbekN2OiCH4 (wzorców) w celu przeprowadzenia dokładnej kalibracji.
UWAGA: Stężenie wzorców powinno obejmować zakres oczekiwanych stężeń próbek.
5. Szacowanie strumienia
- Model wybrany do estymacji strumienia powinien przewidywać strumień w momencie uruchomienia komory, tj. w idealnym momencie, w którym obecność komory nie ma wpływu na rzeczywisty kurs wymiany.
- Po określeniu stężenia gazu w objętości podstawowej za pomocą analizy chromatografii gazowej i późniejszej kalibracji, należy obliczyć bezwzględną ilość substancji (N2OlubCH4) obecnej w przestrzeni nad głową, zgodnie z objętością molową powietrza wynikającą z prawa gazu doskonałego.
UWAGA: Zdecydowanie zaleca się sporządzenie krzywej kalibracyjnej związanej z każdym zdarzeniem pobierania próbek, ponieważ chromatograf gazowy może ulegać niewielkim zmianom sygnału w funkcji temperatury, co może prowadzić do błędów. - Do wyboru jest model liniowy lub nieliniowy, w zależności od wzorca emisji. Spośród dostępnych modeli nieliniowych wybierz HM model25, ostatecznie opierając się na pakiecie HMR9. Jeśli masz trzy punkty czasowe (czas 0, czas 1 i czas 2), wybierz na podstawie nachylenia dwóch segmentów: w przypadku, gdy nachylenie między czasem 0 a czasem 1 jest większe w wartościach bezwzględnych niż nachylenie między czasem 1 a czasem 2, a nachylenia są zgodne, użyj modelu HM; We wszystkich innych przypadkach należy użyć modelu liniowego. Jeśli masz więcej niż trzy punkty czasowe, dopasuj oba modele za pomocą HMR, ale potem wybierz samodzielnie na podstawie wizualnej oceny modelu najlepiej pasującego do trendu.
- Ustawione na zero strumieni w ramach minimalnego wykrywalnego strumienia, obliczonego zgodnie z granicą wykrywalności chromatografu gazowego i warunkami pracy (temperatura, ciśnienie, objętość przestrzeni nad głową).
- Aby prawidłowo opisać sezonową zmienność przepływów, należy podać co najmniej 40 zdarzeń związanych z pobieraniem próbek w ciągu roku (monitorując zarówno cykle, jak i okresy międzyplonów), intensyfikując częstotliwość pobierania próbek w pobliżu kluczowych wydarzeń cyklu uprawy, takich jak uprawa roli, nawożenie, drenaż, ustanowienie warunków powodziowych, wynurzenie sadzonek ryżu z wody w stawie i tak dalej. Przejście z maksymalnej częstotliwości dziennie (np. w okresach drenażu, nawożenia itp.) na co najmniej raz w tygodniu (np. zimą).
Wyniki
Każdy pomiar generuje serię stężeń gazów cieplarnianych (GHG) w czasie dla każdej z monitorowanych komór, co stanowi podstawę do szacowania strumieni GHG. Co do zasady nie ma potrzeby odrzucania danych, jednak częste występowanie sytuacji wykraczających poza teoretyczny model funkcji monotonicznej (ściśle rosnącej lub malejącej) wymaga zwrócenia uwagi na dokładność stosowania protokołu oraz możliwe nieprzewidziane błędy (np. nieszczelność fiolek).
Rycina 1 przedstawia prawidłowe przykładowe strumienie CH4 z całego roku. Jak pokazują słupki błędów, wyniki te mogą się znacznie różnić, głównie w konsekwencji heterogeniczności przestrzennej procesów mikrobiologicznych odpowiedzialnych za produkcję GHG. Dla użytkowników obserwujących wysoką zmienność, takie wyniki niekoniecznie oznaczają błędy. Aby rozwiązać problem wysokiej zmienności, która uniemożliwia wykrycie różnic między wariantami traktowania, należy po prostu zwiększyć liczbę powtórzeń.
Na Rysunku 2 przedstawiono przykład niewłaściwego zbadania zmienności sezonowej: niewystarczająca liczba pomiarów doprowadziła do niedoszacowania strumieni rocznych.
Strumienie dobowe mogą być następnie sumowane w celu obliczenia emisji skumulowanej w ciągu roku słonecznego, sezonu wegetacyjnego lub konkretnych etapów uprawy. Zazwyczaj obliczanie strumieni skumulowanych opiera się na liniowej zmianie strumieni pomiędzy dwoma kolejnymi pomiarami. Przykład strumieni skumulowanych dla CH4 przedstawiono na Rysunku 3.
Rysunek 1. Przykład sezonowej zmienności dziennych strumieni CH4 z zalanego pola ryżowego w ciągu całego roku, obejmujący zarówno cykl uprawy (od maja do września), jak i okresy międzyplonowe. Słupki błędów przedstawiają błędy standardowe. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 2Przykład sezonowej zmienności CH4 dzienne strumienie z zalanego pola ryżowego w ciągu całego roku, przy niewystarczającej liczbie pomiarów, które nie obejmują w pełni wszystkich kluczowych momentów emisji gazów cieplarnianych. Słupki błędów reprezentują błędy standardowe. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 3Przykład skumulowanego CH4 emisje w ciągu sezonu wegetacyjnego. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury, kliknij tutaj.
Rycina 4Główne etapy zastosowania metody wraz z odpowiadającymi im punktami krytycznymi i wskaźnikami sukcesu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dyskusja
Zastosowanie techniki statycznej uprawy w komorze zamkniętej w odniesieniu do ryżu niełuskanego składa się z pięciu zasadniczych faz, odpowiadających głównym sekcjom opisanym w Protokole. Każda faza zawiera punkty krytyczne, o których należy pamiętać, oraz wskaźniki sprawdzające powodzenie wdrożenia fazy, jak podsumowano na rysunku 4.
Większość krytycznych punktów opisanych na rys. 4 została już uwzględniona w protokole i można je łatwo rozwiązać, postępując zgodnie z zawartymi w nim zaleceniami. Najtrudniejszym punktem krytycznym niniejszego protokołu jest obliczanie strumieni na podstawie zmian stężenia gazów cieplarnianych podczas zamykania komory. Również w przypadku korzystania z pakietu HMR do obliczeń zaleca się wybór najlepszego modelu do zastosowania, niezależnie od sugestii HMR, w oparciu o ocenę wizualną. Jest to jeszcze ważniejsze, gdy stężenia w czasie odbiegają od oczekiwanego zachowania polegającego na stałym wzroście lub spadku.
W strukturze głównych zasad możliwych jest kilka wariantów opisanej techniki, szczególnie związanych z geometrią komory (komora może być również cylindryczna), materiałem komory (dowolny nieprzepuszczalny, niereaktywny, niebędący źródłem/pochłaniaczem cząsteczek gazu rozważany i łatwy w użyciu materiał, taki jak teflon, który jest odpowiedni, ale droższy) oraz rodzaj analizatora gazów cieplarnianych (dostępne są systemy przenośne, które nie wymagają transferu gazu w strzykawkach i fiolkach). Niemniej jednak pomiar strumieni gazów cieplarnianych z gleb jest kluczowym krokiem niezbędnym do monitorowania źródeł zmiany klimatu, zrozumienia procesów prowadzących do emisji, zbadania skuteczności możliwych strategii łagodzenia zmiany klimatu oraz opracowania modeli do przewidywania przyszłych scenariuszy. Przyjęcie wspólnych protokołów, które zbudują jednolity zasób wiedzy w celu monitorowania agroekosystemów na potrzeby globalnego budżetu na emisję gazów cieplarnianych, jest ważniejsze niż kiedykolwiek.
Prawo gazu doskonałego jest tutaj stosowane do obliczania objętości molowej gazów rzeczywistych. To zastosowanie jest szeroko stosowane i akceptowane w specyficznej literaturze, a przybliżenie gazu idealnego może być używane z rozsądną dokładnością30.
Wreszcie, w zależności od pytań eksperymentalnych, które należy rozwiązać w kontekście pomiarów gazów cieplarnianych, rozważ pomiar głównych czynników powodujących emisjeCH4 iN2O, takich jak temperatura gleby, potencjał redoks, stężenie rozpuszczonego węgla organicznego w porach gleby, azotany porów glebowych i stężenie amonu.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy są wdzięczni Marco Romani i Eleonorze Francesce Miniotti oraz personelowi Centrum Badawczego Ente Nazionale Risi, którzy byli gospodarzami eksperymentalnego badania, w którym powstał film. Pragniemy również podziękować Francesco Alluvione za pierwszy naukowy błysk prowadzący do realizacji protokołu oraz Joan Leonard za jej cenną pracę nad angielską edycją manuskryptu.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kotwica / komora | - | Samodzielnie wyprodukowana | |
| pianka o zamkniętych komórkach o grubości 5 cm | - | Jest to materiał izolacyjny, który można znaleźć w magazynie materiałów budowlanych. | |
| Powłoka odbijająca światło (podobna do aluminium) | - | Używamy błyszczącego koca, ale do jedzenia można użyć folii aluminiowej. | |
| Zakrzywiony kawałek plastikowej rurki (1,5 cm i 24 cm, DxL) | - | Używamy kanału elektrycznego, który można znaleźć w sklepie z narzędziami. | |
| Złącze śrubowe | - | Używamy złącza do kanałów elektrycznych, które można znaleźć w sklepie z narzędziami. | |
| Gumowy korek (1 cm D) | - | do znalezienia w sklepie ze sprzętem laboratoryjnym. | |
| Rurka teflonowa (wewnętrzna 3 mm D) | - | do znalezienia w sklepie ze sprzętem laboratoryjnym. | |
| Jednokierunkowy kran | - | Używamy kranu do kroplówki, którą można znaleźć w sklepie ze sprzętem medycznym. | |
| Wentylator PC 12 V | - | do znalezienia w sklepie z komputerami. | |
| Akumulator przenośny 12V-7Ah | - | do znalezienia w sklepie z materiałami elektrycznymi. | |
| Stalowe łączniki | - | do znalezienia w sklepie z narzędziami. | |
| Drewniane deski o wymiarach 30 cm x 3 m (szer. x dł.) | - | do znalezienia w magazynie materiałów budowlanych. | |
| Stalowa rama | - | Samodzielnie wyprodukowana | |
| poziomica bąbelkowa | - | do znalezienia w sklepie z narzędziami. | |
| Bloczki betonowe | - | do znalezienia w magazynie materiałów budowlanych. | |
| Strzykawka o pojemności 50 ml | - | do znalezienia w sklepie ze sprzętem medycznym / weterynaryjnym. | |
| Składana linijka | - | do znalezienia w sklepie z narzędziami. | |
| Rejestrator temperatury | Onset | HOBO U23 Pro v2 Zewnętrzny rejestrator | |
| Exetainer 12ml Fiolka - Płaskie dno | Labco UK | 736 W | |
| Przegrody z gumy butylowej do fiolek | Labco UK | VW101 | |
| Igła podskórna o rozmiarze 25 - | do znalezienia w sklepie ze sprzętem medycznym. | ||
| Normy CH4 i N2O | - | do znalezienia u dostawcy butli gazowych. |
Bibliografia
- Tubiello, F. N., et al. Agriculture, Forestry and Other Land Use Emissions by Sources and Removals by Sinks. , Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations. 4-89 (2014).
- Oertel, C., Matschullat, J., Zurba, K., Zimmermann, F., Erasmi, S. Greenhouse gas emissions from soils-A review. Chemie der Erde. 76, 327-352 (2016).
- Hutchinson, G. L., Livingston, G. P. Soil-atmosphere gas exchange. Methods of soil analysis. Dane, J. H., Topp, G. C. , Soil science society of America. Madison, WI. 1159-1182 (2002).
- Nakano, T., Sawamoto, T., Morishita, T., Inoue, G., Hatano, R. A comparison of regression methods for estimating soil-atmosphere diffusion gas fluxes by a closed-chamber technique. Soil Biol. Biochem. 36, 107-113 (2004).
- Rochette, P., Eriksen-Hamel, N. S. Chamber Measurements of Soil Nitrous Oxide Flux: Are Absolute Values Reliable? Soil Sci. Soc. Am. J. 72 (2), 331-342 (2008).
- Lundegardh, H. Carbon dioxide evolution of soil and crop growth. Soil Sci. 23 (6), 417-450 (1926).
- Buendia, L. V., et al. An efficient sampling strategy for estimating methane emission from rice field. Chemosphere. 36, 395-407 (1998).
- Khalil, M. A. K., Butenhoff, C. L. Spatial variability of methane emissions from rice fields and implications for experimental design. J Geophys. Res. 113, 1-11 (2008).
- Pedersen, A. R., Petersen, S. O., Schelde, K. A comprehensive approach to soil-atmosphere trace-gas flux estimation with static chambers. Eur. J. Soil Sci. 61, 888-902 (2010).
- Christiansen, J. R., Korhonen, J. F. J., Juszczak, R., Giebels, M., Pihlatie, M. Assessing the effects of chamber placement, manual sampling and headspace mixing on CH4 fluxes in a laboratory experiment. Plant Soil. 343, 171-185 (2011).
- Minamikawa, K., Tokida, T., Sudo, S., Padre, A., Yagi, K. Guidelines for measuring CH4 and N2O emissions from rice paddies by a manually operated closed chamber method. , National Institute for Agro-Environmental Sciences. Tsukuba, Japan. (2015).
- Parkin, T. B., Venterea, R. T., Hargreaves, S. K. Calculating the detection limits of chamber-based soil greenhouse gas flux measurements. J. Environ. Qual. 41, 705-715 (2012).
- Pihlatie, M. K., et al. Comparison of static chambers to measure CH4 emissions from soils. Agr. Forest. Meteorol. 171-172, 124-136 (2013).
- Sander, B. O., Wassmann, R. Common practices for manual greenhouse gas sampling in rice production: a literature study on sampling modalities of the closed chamber method. Greenhouse Gas Meas. Manage. 4, 1-13 (2014).
- IAEA. Manual on measurement of methane and nitrous oxide emissions from agriculture. , International Atomic Energy Agency. Vienna, Austria. (1992).
- IGAC. Global Measurement Standardization of Methane Emissions from Irrigated Rice Cultivation: A Report of the Rice Cultivation and Trace Gas Exchange Activity (RICE) of the International Global Atmospheric Chemistry (IGAC) Project. , IGAC Core Project Office, Massachusetts Institute of Technology. Cambridge, USA. (1994).
- Parkin, T. B., Venterea, R. T. Chapter 3. Chamber-Based Trace Gas Flux Measurements. Sampling Protocols. Follett, R. F. , 3.1-3.39 (2010).
- Minamikawa, K., Tokida, T., Sudo, S., Padre, A., Yagi, K. Guidelines for measuring CH4 and N2O emissions from rice paddies by a manually operated closed chamber method. , National Institute for Agro-Environmental Sciences. Tsukuba, Japan. (2015).
- Firbank, L. G., et al. Towards the co-ordination of terrestrial ecosystem protocols across European research infrastructures. Ecol Evol. 7 (11), 3967-3975 (2017).
- FAO,, IFA, Global estimates of gaseous emissions of NH3, NO and N2O from agricultural land. , ISBN 92-5-104689-1 (2001).
- Denmead, O. T. Approaches to measuring fluxes of methane and nitrous oxide between landscapes and the atmosphere. Plant Soil. 309, 5-24 (2008).
- Cleemput, O. V., Boeckx, P. Greenhouse gas fluxes: measurement. Encyclopedia of Soil Science. Lal, R. , Second Edition, CRC Press. (2005).
- Cicerone, R. J., Shetter, J. D. Sources of atmospheric methane: Measurements in rice paddies and a discussion. J Geophys. Res. 86, 7203-7209 (1981).
- Le Mer, R., Roger, J. Production, oxidation, emission and consumption of methane by soils: A review. Eur. J. Soil Biol. 37, 25-50 (2001).
- Hutchinson, G. L., Mosier, A. R. Improved soil cover method for field measurement of nitrous oxide fluxes. Soil Sci. Soc. Am. J. 45, 311-316 (1981).
- Conen, F., Smith, K. A. A re-examination of closed flux chamber methods for the measurement of trace gas emissions from soils to the atmosphere. Eur. J. Soil Sci. 49, 701-707 (1998).
- Minamikawa, K., Yagi, K., Tokida, T., Sander, B. O., Wassmann, R. Appropriate frequency and time of day to measure methane emissions from an irrigated rice paddy in Japan using the manual closed chamber method. Greenhouse Gas Meas. Manage. 2, 118-128 (2012).
- Rochette, P., Bertrand, N. Soil air sample storage and handling using polypropylene syringes and glass vials. Can. J. Soil Sci. 83, 631-637 (2003).
- Peyron, M., et al. Greenhouse gas emissions as affected by different water management practices in temperate rice paddies. Agr. Ecosyst. Environ. 232, 17-28 (2016).
- Ussiri, D., Lal, R. Soil Emission of Nitrous Oxide and its Mitigation. , Springer Science & Business Media. (2012).
Przedruki i uprawnienia
