メタンおよび亜酸化窒素フラックス静電気による水田からの評価閉鎖チャンバー ヘッド スペース内の植物を維持します。

Environment
 

Summary

このプロトコルの全体的な目標は、静的な密閉容器を用いた水田からの温室効果ガス排出を測定することです。測定システムには、フィールドの両方永続的な水層とチャンバー ヘッド スペース内で植物の存在のため、特定の調整が必要があります。

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Bertora, C., Peyron, M., Pelissetti, S., Grignani, C., Sacco, D. Assessment of Methane and Nitrous Oxide Fluxes from Paddy Field by Means of Static Closed Chambers Maintaining Plants Within Headspace. J. Vis. Exp. (139), e56754, doi:10.3791/56754 (2018).

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Abstract

このプロトコルでは、静的な密閉容器を用いた水田土壌からの温室効果ガス (GHG) 排出の測定について説明します。このメソッドは、拡散理論に基づきます。定義された土壌領域を覆う空気量が知られている時間の定義された期間のため (「室」という名前)、平行六面体カバーが囲まれます。このエンクロージャ間土壌間隙空気の微生物源 (すなわち、メタン生成古細菌、硝化、脱窒菌) の近くからを移動次の自然、商工会議所のヘッド スペースにガス (メタン (CH4) と亜酸化窒素 (N2O))濃度勾配。フラックスは、エンクロージャ全体で一定の間隔でサンプリングし、ガスクロマトグラフィーで分析され、チャンバー ヘッド スペース濃度変動から見積もられます。温室効果ガス測定が可能の技術の中で静的閉鎖チャンバー法は、大規模なゆく処理土壌地帯を必要としないプロット実験に適しています。さらに、限られたリソースで管理し、温室効果ガス駆動力の測定と組み合わせる場合は特に、生態系のプロパティ、プロセス、およびフラックス、間の関係を識別できます。それにもかかわらず、微気象のメソッドに関してまだやむを得ない土壌攪乱が最小限が増え、マイナーな時間分解能をことができます。いくつかの段階がメソッドの実装にキー: i) 商工会議所設計および展開、ii) サンプルの処理と分析、および iii) フラックス推定。水田における技術実装の成功は、調整フィールドは洪水トリミング サイクルの大部分で、測定中に商工会議所ヘッド スペース内米プラント メンテナンスを要求します。したがって、農用地の土壌の湛の通常のアプリケーションに関して考慮すべき他の要素から成るデバイス: i) フラックスを過大評価することができる任意の意図しない水障害を回避し、ii) 稲を含む通気輸送で排出されるガスを完全に考慮するチャンバー ヘッド。

Introduction

農業、林業と他の土地利用では、世界的な温室効果ガス排出量1の約 21% を生成する生産部門です。農地土壌の温室効果ガス排出量の正確な測定は気候の変更2ソースとシンクの両方として生態系の適切な役割の決定を確立するのみならず内適切かつ効果的な緩和戦略を定義するキーパリの契約対象のフレームワーク。

農耕地土壌 (すなわちN2O および CH4) によって生成される最も重要な 2 つの温室効果ガスの排出フラックスが微メソッドまたは閉鎖チャンバー法3によって測定可能過去 3 年間の土壌からの温室効果ガス排出量データを報告する研究の大多数は、最初 1926年6で記述された閉鎖チャンバー法4,5を適用されます。技術を微調整し、実験成果物とバイアス7,8,9,1011,12 のすべてのソースを克服するためにいくつかの努力がなされました。 ,,1314。特定のプロトコルは、別の回でコンパイル方法論15,16,17,18,19、標準化し、科学的な試みは、まだ進行中を手法を用いたフラックス推定におけるバイアスを最小限に抑えるのためのベスト プラクティスを確立します。

水田土壌には、このペーパーで説明されて、静的の閉鎖室技術拡散理論に依存している、正確な期間の知られている土の表面の部分の上の空気量のエンクロージャを提供しています。エンクロージャの中に CH4 N2O の分子は特定の微生物によって製造された場所、土壌間隙空気から自然な濃度勾配に沿う拡散によって移行 (メタン CH の場合4; 硝化とN2O の脱窒菌)、洪水の水や植物通気組織を通じて最終的に、商工会議所のヘッド スペースで囲まれた空気に。チャンバー ヘッド スペース内で 2 つのガスの濃度を時間をかけて増やすし、フラックス推定のこれらの増加の出現を提供します。

微気象のメソッドに関して密閉チャンバー測定は、しばしば異なる土地利用タイプと生態系の最寄りプロット スケールでフラックス温室効果ガスを学ぶ抱えた大規模な同種のフィールド2または高ではないため物流投資要件20。さらに、彼らは異なる栽培方法など他の分野の治療12,21の操作実験の同時分析ができます。最後に、テクニックは生態系のプロパティ、プロセス、およびフラックス間の関係の識別ができます。また、技術の 2 つの主な欠点は、時空の不均一性の比較的非能率的な探査と商工会議所展開22による土壌障害の効果を含めます。ただし、これらの弊害は、少なくとも部分的にで克服することができます、: (土壌攪乱を最小限に抑える) する適切な室の設計、(空間的変動を調べる) 複製の十分な数の採用の強化を可能にするシステムの使用を自動化もしくは (残留変動の温度の影響を省略) にレギュラー (一日の同じ時間) 測定 (日周変動のアカウント) に毎日測定の頻度。

To 水田日付を戻って 80 年代初頭の23メソッドの最初のアプリケーションと畑に関してその使用の主な特質は、土壌と商工会議所の中にヘッド スペース内で植物を含める必要性水の存在筐体。慎重に本稿に記載されている、最初の特徴は、フラックスは、洪水の水を通ってガス拡散の乱れによる強化による過大評価を避けるために測定イベント中に水障害を防ぐために特定のシステムの必要性を意味します。第二の重要な特色は、放出される CH424、測定イベント中に植物を含むように適切なデバイスが必要ですの 90% までを表す米通気ガス輸送を考慮することです。

Protocol

1. 室の設計

  1. 各商工会議所で 3 つの主な要素をアセンブル: 少なくとも 4 つの拡張、ふた、アンカー。
  2. 75 cm × 36 cm × 25 の形をしたアンカーを構築 cm (L x 幅 x 高さ) ステンレス製の長方形の箱。水入力可能なチャンネル 10-13 mm (w) × 13-20 mm (h) アンカーの上部の四角形の境界を溶接します。アンカー上部の水路から 5 cm の 4 つの辺のそれぞれに 2 つの穴 (直径 1 cm) をドリルします。
    注: アンカーは商工会議所の下にソイルを隔離し、横方向の拡散を防ぐため。チャネルは、アンカーと蓋の間の効果的なシールを達成するために必要です。穴は排水のフィールド イベント中にチャンバ内で田面水中の高速放電を確認します。
  3. ステンレス鋼の長方形の箱形の蓋を構築し、サイズ 75 cm × 36 cm × 20 cm (L x 幅 x 高さ) 54 l. を確認の内部容積とそれにぴったり水入力可能なチャンネル。
  4. 光の反射 (アルミニウムのような) コーティングで覆われては、順番に、4 cm 厚クローズドセル発泡体と蓋をカバーします。
    メモ: 商工会議所閉鎖時にチャンバー内に、人工的に微生物の活動を促進するために、意図しない温度の増加の結果としての温度制御システムを装備する必要は。
  5. 各弁, プラスチック製のチューブの湾曲した部分の蓋を装備 (1.5 cm × 24 cm、D L x) 商工会議所ボリュームや風の条件25サイズします。蓋の 2 つの 36 cm 横面の中心に 1.5 cm の穴をドリルで蓋に通気バルブを接続します。スクリュー コネクタ付きプラスチック製のチューブを固定します。
    注: ベント弁を送信するため推奨は、同封の気圧変更空気ボリュームとボリュームの変更中に発生するための補償ではエンクロージャの部屋のエアコン、撤退をサンプリングおよび/または制御されていない、囲まれた空気に関連付けられています。温度変化。通気口は穴ではなく、単にチューブをする必要がありますから空気が排出されるので、外部圧力の低下の間にエンクロージャがチューブ内をキャプチャ、圧力が再び増加に備えてエンクロージャに返されます。曲面形状は、開く、すなわち、ベンチュリ効果26その外部に風の流れにより商工会議所減圧の可能性を最小限に抑えます。
  6. ガス試料のサンプリング ポートを提供します。細胞泡に掘った 7 cm x 7 cm ニッチの蓋の上部の中央に 1 cm の穴を作る。(内部の直径 3 mm、長さ 20 cm) テフロン チューブに合うゴム栓の穴を閉じます。テフロン チューブ 3 cm を押し出し、ストッパーは、そのニッチに置かれたときに 17 cm を侵入を確認します。サンプリング ポートの開放/閉鎖を管理する一方向の活栓に管の外側の部分を接続します。
  7. 空気混合できるように、12 v 7Ah 充電式電池・ ポータブル バッテリーで 12 v の PC ファンをそれぞれの蓋を装備します。商工会議所の内部の側面にボルトで固定 2 つの鉄製ファスナーによるふたの内部の上側の PC ファンを設置してください。
    注: 空気混合大量の植生が存在する場合に特に筐体の中にチャンバー ヘッド スペース内で任意のガスの成層を防止する必要があります。
  8. 彼らは完全に成長したチャンバー内の植物を含むように拡張機能の数を構築します。たとえば、植物は彼らの最終的なサイズを 80 cm の高さを超えていない場合は、各商工会議所の 4 拡張機能を構築します。それぞれがステンレス鋼と 75 × 36 × 25 cm の長方形の箱であることを確認 (L x 幅 x 高さ) サイズと前述のアンカーの上部水入力可能なチャネルの。作物の段階に応じて、商工会議所エンクロージャの中にアンカーと蓋の間にこれらの拡張機能を追加します。

2. アンカー展開と土壌障害を防止するため、システムの配置

  1. フィールドの準備 (すなわち、耕起作業終了後) 後、土壌にアンカーを挿入とイネ苗の前に。可能であれば、削除しないでくださいアンカー測定期間中に限り、2 つの後続作の耕起作業のように、厳密に必要。フラックス測定が始まる前に、土は再インストール中に妨害の後にあるので、数日 (2 日以上) をアンカーに挿入します。
  2. 裸の土壌にアンカーを配布する、前に置き 30 cm × 3 m (W × L) 木の板 (フィールド排他的に土壌の締め固めを避けるために次の操作中に散歩したの。各アンカーから 0.5 m 以上の板を配置します。
  3. 水深 40 cm のアンカーを確保し、特に拡張機能を使用する場合に、フィールドは洪水後、誤ってとして横方向曲げを避けるために耕されたパンにアンカーを挿入します。割り当てられたフィールド地域の土壌にアンカーを配置すると後、は、両方のコンポーネントの適切なアライメントを維持しながらカスタム組み立てスチール フレームのアンカーの上を配置します。土壌にアンカーをハンマーし、ヒット フレームとないアンカー、アンカーへの損傷を防ぐために注意を払います。挿入後、バブルのレベルを使用して、アンカーが完全にフラットであることを確認します。
  4. 各監視対象治療法 (すなわち複製) の少なくとも 3 つのアンカーを挿入します。同じ実験的ユニット内で 1 つ以上の商工会議所が使用する必要がある場合は、1 m の隣接する部屋との間の最小距離を尊重します。
  5. すべてのアンカーが挿入されると、一時的に木製の歩行板を削除し、フィールドの外側の銀行から発信されたキャットウォークのシステムでフィールドを並べ替えます。詳しくは、木製の板のシステムを保持するために十分な数のアンカーから少なくとも 0.5 m のフィールドのコンクリート ブロックに配置します。
    注: キャットウォークが以降の温室効果ガス測定イベント中土壌攪乱を防ぐために必要です。コンクリート ブロックの数は、フィールドの横の銀行からアンカーまでの距離によって異なります。各 3 m 長い板は、安定性の 2 つのコンクリート ブロックを必要があります。

3. 部屋の閉鎖と温室効果ガス測定

  1. 日周変動を最小限に抑えるため、各日の同じ時間で常に測定イベントを実行します。
    注: 平均毎日磁束を表す最高の瞬間、すなわち平均の近くには 10、温度時これは27日に独自の計測から毎日の累積値を推定する最良の方法です。
  2. フィールドに到着したときは、アンカーに到達するコンクリート ブロックに木製の板を配置します。その後、水でアンカーの上部の周囲に配置するチャンネルを入力します。慎重にチャンバー ヘッド スペース内のすべての植物を囲む必要に応じて拡張機能を追加します。
    注: この操作は、任意の農作物被害を避けるために 2 つの演算子によって実行する必要があります。同様にそれぞれの使用される拡張のチャネルを水で埋めます。
  3. 上部の拡張の水で満たされたチャネルに蓋を置くこと、各商工会議所を閉じます。決算期間 (通常 15-20 分、実験的ニーズを満たすために変更できるが)、中に等しい時間間隔 (例えば閉鎖後、10 分後、20 分後) で、少なくとも 3 つのガスのサンプルを撤回します。サンプリング、サンプリング ポートに一方向バルブ搭載 50 mL 注射器を接続しの 2 つの活栓 (注射器の 1 つ)、「濯ぎ」注射器 35 mL を撤退する前上下に 3 回のピストンを移動することによって、サンプリング ポートの 1 つを開くヘッド スペースは、商工会議所、最後に 2 つの活栓を閉じます。サンプリング ポートからシリンジを外し、それを離れて格納します。
    注: フィールドは洪水時に部屋の近くで動作しているとき、それ非定型ガス気泡を生成でき、温室効果ガスのフラックスの推定を変更、妨害や田面水中の乱流を回避します。
  4. イネを含む適切ないくつかの拡張機能を追加します。拡張間のアンカーとすべて水入力可能なチャンネルを充填、蓋を置きます。1 つの拡張子を使用して、米が 20-40 cm (折りたたみ定規で測定) として土壌表面上米は 40-60 cm 場合、は、2 つの拡張子を使用します。
  5. 商工会議所閉鎖中にヘッド スペース温度温度データロガーを用いたすべての 3-5 分を測定します。
  6. 閉鎖期間後に完全なサンプリング イベントを検討します。蓋を取り外し、その後すべての拡張機能を使用します。
    注: 複数の部屋を監視および日周変動バイアスを避けるために必要な時間を短縮するためだ同時期よりも 1 つの区域を測定することが可能。たとえば、2 つの演算子のチームが、30 分で最大 10 の隣接する部屋からサンプリングを管理することが可能です。
  7. 各サンプリング イベント後 (ときにフィールドを排水) 土壌や田面水中から各商工会議所のヘッド スペースの高さを測定して (浸水フィールドの場合) 折りたたみ定規を使ってします。

4. サンプルの処理と解析

  1. 各水田の前に訪問、実験室でフィールドを商工会議所あたりブチル ゴム隔壁閉鎖 3 つ (またはそれ以上) の 12 mL ガラス瓶を避難させます。
    注: バイアルは再利用することができます。各再を使用前に、代わりにゴム中隔と真空を復元に必要なです。
  2. チャンバー ヘッド スペースからのガスの回収、次の注射器に提出サンプルに避難したバイアルすばやく転送閉じた活栓とも、プラスチックの注射器の漏れ28を保証できないため。25 ゲージ注射針の転送を実行します。まず、活栓に針を合わせて、それを開いて、5 ml のサンプルの針をフラッシュします。次に、針を挿入鼻中隔事前避難バイアルに残り 30 mL サンプルを押すし、針を撤回します。
    注: バイアル内サンプルは > 2 atm 多重分析用ガスを提供するために、サンプルでは、その温室効果ガスの濃度を変更への外部環境から任意の質量流束を避けるために加圧します。針の 5 mL サンプル フラッシュの他のサンプルで再利用することができます。
  3. 各サンプリング イベントの最後には、分析の研究室にバイアルを転送します。
    注: サンプルの保全は、4 ヶ月28より 20 ° C で保証されていますが、分析的手続をできるだけ早く行うことが好ましいが常に。
  4. N2O の決意と CH4定量29炎イオン化検出器の電子捕獲検出器搭載自動ガスクロマトを使用して収集されたサンプルのガス濃度を決定します。サンプルに加えて正確なキャリブレーションを実行するために多数の知られている N2O および CH4サンプル (規格) の濃度を測定します。
    注: 基準の濃度は、サンプルの予想される濃度の範囲をカバーする必要があります。

5. フラックスの推定

  1. 束の推定のために選択モデルは、商工会議所展開、すなわち、真の為替レートは商工会議所の存在によって影響を受ける理想的な瞬間瞬間にフラックスを予測する必要があります。
  2. ガス経由で基本ボリューム上のガスの濃度を決定した後ガスクロマトグラフィーによる分析とその後の校正計算物質 (N2O または CH4)、ヘッド スペース内に存在の絶対額空気のモル体積によると理想気体法律から派生します。
    注: ガスクロマト グラフは、エラーにつながることができる温度の関数としてわずかな信号変化を受けることができますので、それぞれのサンプリング イベントに関連付けられている校正曲線を生成する非常にお勧めです。
  3. 発光パターンによって、線形または非線形のモデルをお選びください。利用可能な非線型モデルの間で HM モデル25、HMR パッケージ9に最終的に依存するを選択します。持っている (時間 0、時刻 1 と時刻 2) 3 つの時間ポイントを選択した場合 2 つのセグメントの勾配に基づく: 時点 0 と時点 1 間斜面は斜面が一致、時刻 1 と時刻 2 の斜面より絶対値で大きいこと、HM モデルを使用他のすべての場合は、線形モデルを使用します。以上の 3 つの時間ポイントを持っている、HMR を使用して 2 つのモデルに合うが、その後自分で選択は、最高のフィッティング、傾向のモデルの視覚的評価に基づいています。
  4. 最小検出可能なフラックス、ガスクロマト グラフの検出限界によると計算され、動作条件 (温度、圧力、ヘッド スペース ボリューム) の下でゼロのフラックスに設定します。
  5. フラックスの季節変化を正確に描写するには、少なくとも 40 (両方のサイクルを監視と間作期間) 年間を通してイベントをサンプリング、サンプリング周波数の近く、耕起などの栽培サイクルの極めて重要なイベントを強化を提供します。受精、排水、浸水状態の確立、水稲苗田面水中からの浮上します。一度の最小限に (例えば排水、施肥などで) の毎日の最大周波数からの移行隔週 (例えば冬の間に)。

Representative Results

すべての測定イベントは、温室効果ガスのフラックスの推定のための基礎は、監視対象の部屋ごと時間をかけて温室効果ガス濃度のシリーズを生成します。基本的には、データを破棄する必要はありませんが、単調関数 (厳密に増加または減少) の理論モデルを超えた状況の発生率が高い保証プロトコル アプリケーションと可能な限りの精度に関する注意予期せぬエラー (例えば、バイアル漏れ)。

図 1は、正しい例 CH4フラックスの全体の年をレポートします。誤差範囲を示した、このような結果が異なる大幅、主の結果として温室効果ガス生産をつかさどる微生物過程の空間的不均一性に。高変動が発生しているユーザーは、このような結果では、悪い結果が必ずしも通知しないでください。アドレス: 高変動で、治療の違いを検出し、複製の数を単に増加することは不可能になります。

図 2、季節変動の貧しい探査の例を示します: 年間フラックスの過小評価につながった測定イベントの数が足りません。

毎日のフラックスは、太陽の 1 年間、作期または特定のトリミング ステージ上の累積排出量を計算するその後結合できます。通常、累積的なフラックスの計算は、2 つのそれに続く測定イベント間のフラックスの線形変更に依存します。累積的なフラックスの例は、CH4図 3に示します。

Figure 1

図 1。(5 月から 9 月) サイクルをトリミングと混成栽培期間の両方を含む、通年で湛水から CH4毎日フラックスの季節変化の例です。誤差は、標準誤差を表しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2。不十分な測定でなく、温室効果ガスの排出量のすべての重要な瞬間をカバーするイベント数で一年以上湛水から CH4毎日フラックスの季節変化の例です。誤差は、標準誤差を表しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 3
図 3。作シーズンを通して累積 CH4排出量の例です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 4
図 4。対応する重要なポイントと成功の指標のメソッド アプリケーションのメイン フェーズ。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Discussion

水稲栽培における静的閉鎖チャンバー技術のアプリケーションは、プロトコルに記載されている主要なセクションに対応する 5 つの重要なフェーズで構成されます。各フェーズには、図 4に要約注意して実装フェーズの成功を確認する指標の重要なポイントが含まれています。

図 4で説明されているほとんどの重要なポイントは、プロトコルで既に解決されて、含まれている推奨事項に従うことによって簡単に解決することができます。この議定書の最も重要なポイントは、商工会議所のエンクロージャの中に温室効果ガスの濃度変化に基づくフラックスの計算です。またそれは適用する最高のモデルを選択することをお勧め、視覚的評価に基づいて、HMR 提案の独立した計算で HMR のパッケージを使用する場合。これは、時間で濃度が一貫して増加の予想される動作から逸脱または減少よりも重要です。

記載した技術のいくつかのバリエーションは、主な原則は、室形状 (商工会議所は円筒でもことがあります)、商工会議所資料 (任意非透過性、反応性、非-ソース/シンクのガスに特に関連の構造の内で可能です検討、および適切なしかしより高価なテフロンなどの使いやすい素材を受けて分子)、および温室効果ガス分析装置の種類 (ポータブル システムが利用可能バイアルと注射器のガス伝達を要求しない)。それにもかかわらず、土壌からの温室効果ガスのフラックスの測定は極めて重要なステップ監視に必要な気候の変更ソース、可能な緩和戦略の有効性を研究し、将来を予測するためのモデルを知らせる、排出に至るプロセスを理解するにはシナリオ。これまでに全球の温室効果ガス収支の生態系を監視するための知識の統一体をビルドする共通のプロトコルを採用するよりも重要です。

ここで、理想気体法律を適用して、実在気体のモル体積を計算します。このアプリケーションは、広く普及し、文学の特定の体の受け入れし、理想気体の近似は妥当な精度30で使用できます。

最後に、温室効果ガス測定のコンテキスト内で対処する実験の質問に応じて CH4の主要なドライバーを測定検討し、N2O 排出量、土壌温度、酸化還元電位、土壌間隙溶存有機二酸化炭素濃度は、土壌間隙硝酸塩、アンモニウム濃度。

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgements

著者は、マルコ ・ ロマーニとエレオノーラ フランチェスカ ・ Miniotti 研究センターの Ente ナツィオナーレ リシ、ビデオが作成された実験的試みを主催したスタッフに感謝しています。我々 はまた原稿の英語の編集の彼女の貴重な作品のプロトコル実現、ジョアン ・ レナードと続く最初の科学的なフラッシュのフランチェスコ洪水を感謝したいと思います。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Anchor/Chamber - - Self-produced
5 cm thick closed cell foam - - It is an insulating material, to be found in a store of building materials.
Light reflective (aluminum-like) coating - - We use a shiny blanket, but it is possible to use aluminium foil for food.
Curved piece of plastic tubing (1.5 cm and 24 cm, DxL) - - We use an electrical duct, to be found in a hardware store.
Screw connector - - We use a connector for electrical ducts, to be found in a hardware store.
Rubber stopper (1 cm D) - - To be found in a store for laboratory equipments.
Teflon tube (3 mm internal D) - - To be found in a store for laboratory equipments.
One-way stopcock - - We use stopcock for drip, to be found in a store for medical equipments.
12V PC fan - - To be found in a PC store.
12V-7Ah rechargeable and portable battery - - To be found in a store for electrical material.
Steel fasteners - - To be found in a hardware store.
30 cm X 3 m (WxL) wood planks - - To be found in a store of building materials.
Steel frame - - Self-produced
Bubble level - - To be found in a hardware store.
Concrete blocks - - To be found in a store of building materials.
50 ml syringe - - To be found ina store for medical/veterinary equipments.
Folding Ruler - - To be found in a hardware store.
Temperature datalogger Onset HOBO U23 Pro v2 External Temperature Data Logger
Exetainer 12ml Vial - Flat Bottom Labco UK 736 W
Butil rubber septa for vials Labco UK VW101
25-gauge hypodermic needle - - To be found in a store for medical equipments.
CH4 and N2O standards - - To be found at a supplier of gas bottles.

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