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

Protocol

1。会議所建設とアンカーの取り付け

1. 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。
   1. 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。
   2. 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。
2. 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。

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。

1. キャサンプリングと分析
   1. 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。
   2. 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。
2. キャInterpretati上の
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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。
   4. 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。
3. キャリブレーションのトラブルシューティング
   1. 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。
   2. 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。
4. 実験計画
   1. 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。
      1. 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。
      2. 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。
      3. 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。）
      4. 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。
      5. 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。
   2. 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。
   3. 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。

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。

1. 準備
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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。
   4. 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。
2. 試料捕集
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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。
   4. （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。
   5. 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。
   6. 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。
   7. 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。
   8. 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。
   9. 第一室に戻ります。
   10. 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。
   11. 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。
   12. 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。
   13. 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。
3. 補助的な措置
   1. 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。
   2. 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）。

4。サンプル分析

1. 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。
2. 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。

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

1. 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。
2. 線形回帰を実行します。
3. 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。

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。

Representative Results

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。

Discussion

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。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
5.9 ml soda glass flat bottom 55 x 15.5 mm	Labco Limited	719W	Collection vials
16.5 mm screw caps with pierceable rubber septum	Labco Limited	VC309	Caps for  vials
90-well plastic vial rack, 17.1 mm well I.D.	Wheaton	868810	Rack for organizing vials
Regular bevel needles 23 G x 1"	BD	305193	Needles for sample collection
Stopcocks with luer connections, 1-way, male slip	Cole-Parmer	EW-30600-01	Stopcocks for syringes
30 ml syringe, slip tip	BD	309651	Syringes for sample collection
Stopwatch or timer	Various	N/A	For timing field sampling
Stainless steel or galvanized utility pans with rim, or fabricated stainless steel or PVC chambers and lids, dimensions as appropriate to experimental system	Various	N/A	Chamber anchor and lid - bottom cut out of anchor, holes for septum and vent tubing bored in lid
Gray butyl stoppers 20 mm	Wheaton	W224100-173	Chamber septa for syringe sampling - insert into hole bored in lid top
Tygon tubing 4.0 mm I.D. x 5.6 mm O.D.	Sigma-Aldrich	Z685623	Chamber vent tubing - insert in hole bored in lid side, flush with exterior, approximately 25 cm coiled in lid interior (a 1 ml syringe tip may be used as an attachment mechanism)
Adhesive foam rubber tape or HDPE O-ring	Various	N/A	Chamber sealing mechanism - fastened to underside of lid rim
Reflective  insulation, 0.3125" thickness	Lowe's	409818	Insulating and reflective coating - affix to exterior of chamber lid
Large metal binder clips, 2" size with 1" capacity, or manufactured draw latch as appropriate	Staples / McMaster	831610 (Staples) / 1863A21 (McMaster)	Lid attachment mechanism - for clamping lid to anchor during sampling
Gas chromatography equipment fitted with electron capture detector for nitrous oxide, infrared gas analyzer or thermal conductivity detector for carbon dioxide, flame ionization detector for methane	Various	N/A	For sample analysis