用静止封闭室维持顶空装置对稻田甲烷和一氧化二氮通量的评价

Environment
 

Summary

本议定书的总目标是利用静闭室技术测量稻田温室气体排放量。测量系统需要进行具体的调整, 因为在现场和室内的厂房内都有永久性的水层存在。

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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

本议定书描述了利用静闭室技术测量稻田土壤中温室气体排放量的方法。这种方法是基于扩散理论的。一个已知的空气覆盖一个定义的土壤区域被封闭在一个平行六面体盖 (命名为 "房间"), 在规定的时间内。在这个封闭期内, 气体 (甲烷 (CH4) 和一氧化二氮 (N2O)) 从其微生物源附近的土壤孔隙空气 (甲烷、硝化、反硝化菌) 移动到燃烧室顶空, 遵循自然浓度梯度。然后用气相色谱法分析在整个外壳内定期取样的室顶空浓度变化的通量。在可用于温室气体测量的技术中, 静闭室法适用于地块试验, 因为它不需要大的 homogenously 处理的土壤区域。此外, 它是可管理的资源有限, 可以确定生态系统的性质, 过程和通量之间的关系, 特别是当与温室气体驱动力测量结合。然而, 就气象方法而言, 它造成了极小但仍然不可避免的土壤扰动, 并允许轻微的时间分辨率。几个阶段是方法实现的关键: i) 室设计和部署, 二) 样品处理和分析, 和 iii) 通量估计。稻田技术实施的成功要求在种植周期的大部分时期对田间注水进行调整, 并在测量期间, 在室内顶空区进行水稻植株维护。因此, 在通常适用非淹水的农业土壤方面, 需要考虑的其他因素包括: i) 避免任何可能高估通量的无意的水干扰, 和 ii) 包括在该会议厅的顶空充分考虑排放的气体通过通气组织运输。

Introduction

农业是一个生产性部门, 它连同林业和其他土地使用, 产生约21% 的全球温室气体排放量1。准确测量农业土壤的温室气体排放量, 不仅是确定农田作为气候变化的来源和下沉的适当作用的关键,而且还要确定适当和有效的缓解战略在《巴黎协定》的目标框架。

农业土壤产生的两种最重要的温室气体 (N2O 和 CH4) 的排放通量可以通过气象方法或封闭腔技术3来衡量。在过去三年中, 绝大多数关于土壤温室气体排放量的研究报告采用了45 1926年第一次提到的封闭室技术.已经作出了几项努力, 以微调技术, 并克服所有来源的实验工件和偏见7,8,9,10,11,12 ,13,14。在不同时间编译的特定协议旨在规范方法1516171819和科学尝试, 但仍正在着手建立最佳做法, 以使用该技术和尽量减少偏差的流量估计。

本文描述了静态密闭室技术在稻田土壤中的应用, 它依赖于扩散理论, 并在一个精确的周期内提供了已知的部分土壤表面的空气体积。在封箱期间, ch4和 N2O 分子通过扩散沿自然浓度梯度迁移从土壤孔隙空气, 他们由特定微生物生产 (甲烷的情况下4; 硝化和反硝化菌为 N2O), 到空气中封闭的室顶, 最终通过水淹或植物通气组织。房间内两种气体的浓度随着时间的推移而增加, 而这些增加的发生则提供了通量估计。

关于气象方法, 当研究地块尺度上的温室气体通量时, 通常更倾向于使用不同的土地利用类型和生态系统, 因为它们不受大的同质场2或高的束缚。后勤和投资要求20。此外, 它们允许对操作性实验进行同时分析, 如不同的农艺做法或其他现场处理1221。最后, 该技术允许识别生态系统属性、过程和通量之间的关系。另外, 该技术的两个主要缺点包括对空间和时间异质性的相对效率低下的探索, 以及由于硐室部署22引起的土壤扰动的影响。然而, 这些危害至少可以部分地克服: 适当的房间设计 (减少土壤干扰), 通过足够数量的复制 (探索空间可变性) 和自动化系统使用, 允许强化每日测量的频率 (用于计算日变化) 或定期 (同一时间) 测量 (忽略温度在残余变异性中的影响)。

该方法的第一个应用在稻田的时间追溯到80代初的23, 其在陆地上使用的主要特点是在土壤中存在水淹, 需要将植物包括在室内的顶空中。外壳。正如本文所仔细描述的, 第一个特征意味着需要特定的系统来防止在测量事件中的水扰动, 以避免由于湍流引起的通量高估通过水淹扩散引起的流量。第二个基本特征是通过大米通气组织的气体输送, 代表多达90% 的排放 CH424, 这需要适当的设备, 包括植物在测量事件。

Protocol

1. 室内设计

  1. 每室装配三个主要元素: 一个锚, 一个盖子, 至少四个扩展。
  2. 建立一个75厘米 x 36 厘米 x 25 厘米 (L x W x H) 矩形盒不锈钢制成的锚。将水填充通道10-13 毫米 (w) x 13-20 毫米 (h) 焊接到锚杆的上矩形周长。钻两个孔 (直径1厘米), 在四边的锚5厘米从上水道。
    注: 锚杆将土柱隔离在腔体下方, 防止侧向扩散。该通道是必要的, 以实现一个有效的印章之间的锚和盖子。在野外排水活动中, 孔保证了积水水的快速排出。
  3. 在一个长方形的盒子形状的不锈钢和大小为75厘米 x 36 厘米 x 20 厘米 (L x W x H) 和内部体积为 54 l 确保它适合水填充通道完美的盖子。
  4. 盖上盖子与一个4厘米厚的封闭细胞泡沫, 反过来, 覆盖了光反射 (铝样) 涂层。
    注: 有必要将室装入温度控制系统, 以不人为地促进微生物活动, 从而导致室内封闭过程中意外的温度升高。
  5. 装备每个盖子与一个排气阀, 由弯曲的塑料管材 (1.5 cm x 24 cm, D x L) 大小为房间容量和风情况25。通过在盖子的两个36厘米侧面面的中心钻孔一个1.5 厘米孔, 将排气阀与盖子连接起来。然后用螺钉连接器来保护塑料管。
    注: 建议使用排气阀将气压变化传送到随附的风量, 并补偿在舱壳和空气取样撤回过程中发生的体积变化, 以及/或与未控制的封闭空气相关联。温度变化。排气口应该是管子, 而不是简单的孔, 这样在外部压力下降时从外壳中耗尽的空气会在管子内被捕获, 然后回到机箱中, 以防压力再次增大。由于风流对其外部开口,文丘里效应26, 弯曲形状最小化室减压电位。
  6. 提供用于提取气体样品的取样口。在一个7厘米 x 7 厘米的小孔中, 把盖子顶部的中心的一个1厘米的洞挖进细胞泡沫。用符合聚四氟乙烯管 (3 毫米内径, 20 厘米长) 的橡胶塞子关闭孔。确保聚四氟乙烯管挤出3厘米, 并侵入17厘米时, 塞子放在其利基。将管的外部连接到单向旋塞阀, 以管理取样端口的开启/关闭。
  7. 配备一个由 12 v-7 ah 充电和便携式电池驱动的 12V PC 风扇的每个盖子, 以确保空气混合。将 PC 风扇置于盖子的内部上侧, 用两个钢紧固件螺栓连接到腔室的内部侧。
    注: 空气混合是必要的, 以防止在舱内空气中的任何气体分层, 在封闭期间, 特别是当大量的植被存在。
  8. 建立一些扩展, 包括在房间内的植物, 当他们完全长大。例如, 如果这些植物的最终尺寸不会超过80厘米高, 则为每个房间建造4个扩展。确保每一个矩形框的不锈钢和 75 x 36 x 25 厘米 (L x W x H) 的大小, 并与上水填充通道, 如描述的锚。根据作物的阶段, 在舱壳内的锚和盖子之间添加这些扩展。

2. 防土干扰系统的锚固部署与布置

  1. 在田间准备后 (所有耕作作业后) 和水稻播种前, 将锚插入土壤中。如有可能, 除非严格必要, 否则不得在测量期内移除锚杆, 例如在随后的两个种植季节之间进行耕作作业。在通量测量开始前, 插入锚数天 (最少2天), 使土壤在安装过程中扰动后重新 equilibrates。
  2. 在裸土上分配任何锚前, 将30厘米 x 3 米 (W x L) 木板 (在田间, 并在下列操作中完全行走, 以避免土壤压实。将木板从每个锚处放置至少0.5 米。
  3. 在40厘米深处插入锚杆, 以确保锚杆的安全, 避免现场注水后发生意外的侧向弯曲, 特别是在使用扩展时。锚杆定位在所指定领域的土壤上后, 在锚杆上放置一个定制组装的钢框架, 同时保持两个部件的正确对准。将锚锤钉入土中, 并注意击中车架而不是锚杆, 以防损坏锚杆。插入后, 使用气泡级别确保锚杆完全平坦。
  4. 为每个被监测的治疗 (复制) 插入至少三个锚。尊重1米相邻腔之间的最小距离, 以防同一实验单元内有多个腔室需要使用。
  5. 一旦所有的锚都插入, 暂时删除木制的步行木板, 然后重新安排该领域的走廊系统的来源, 从外地银行。详细地, 安置在领域混凝土块至少 0.5 m 离锚, 在数字足够容纳一个木木板系统。
    注: 走廊是必要的, 以防止土壤干扰在随后的温室气体测量事件。混凝土砌块的数量将取决于锚杆与场外侧岸的距离。每3米长的木板将需要两个混凝土块, 以稳定。

3. 室关闭和温室气体测量

  1. 每天在同一时间运行测量事件, 以尽量减少日变化。
    注: 平均每日通量的最佳时刻是气温接近每日平均值,10点。这是从27天的唯一测量中估计每日累计价值的最佳方法。
  2. 到达现场时, 在混凝土砌块上放置木板以到达锚。之后, 用清水填满锚杆上周长的通道。仔细添加扩展, 必要时, 把所有的植物在房间的顶空。
    注意: 此操作应由两个操作员执行, 以避免任何农作物损坏。用清水填满每个使用过的延伸通道。
  3. 关闭每个房间, 把盖子放在上面延伸的充水通道上。在结转期间 (通常为15-20 分钟, 但可修改为满足实验需要), 在同等时间间隔内提取至少三个气体样本 (例如, 关闭后, 10 分钟后, 20 分钟后)。在抽样, 连接一个装有单向旋塞阀的50毫升注射器到取样端口, 然后打开两个 stopcocks (一个在注射器和一个在取样端口), "冲洗" 注射器通过移动活塞上下三次, 然后撤回35毫升的室顶空, 然后最后关闭两个 stopcocks。从取样口拔下注射器, 并将其分开存放。
    注: 在野外注水时, 在硐室附近操作时, 应避免积水水的扰动或湍流, 因为它能产生非典型气体气泡并改变温室气体流量估计。
  4. 添加一些适合容纳水稻植株的引伸。在锚和盖子之间的干预延伸, 填装所有水填充渠道。使用一个引伸, 当米是 20-40 cm 在土壤表面之上 (用折弯标尺测量);用两个引伸当米是40-60 厘米, 等等。
  5. 在腔室闭合过程中, 用温度数据存储器测量每3-5 分钟的顶空温度。
  6. 在关闭期结束后考虑取样事件完成。卸下盖子并随后使用所有的扩展。
    注: 为了缩短监测几个房间所需的时间, 避免日变化偏差, 可以测量作保多个腔室。例如, 有两个操作员组成的团队, 可以在30分钟内管理多达10个相邻分庭的取样。
  7. 每次取样事件后, 测量每个腔室的顶空高度 (当场被排水) 或从积水水 (当场被淹没时) 使用折叠的标尺。

4. 样品处理和分析

  1. 在每次稻田访问之前, 在实验室内疏散三 (或更多) 12 毫升玻璃玻璃瓶, 每场室内都有丁基橡胶隔膜。
    注: 瓶子可以重新使用。在每次重复使用之前, 必须更换橡胶隔膜并恢复真空。
  2. 在从燃烧室顶空的气体撤出后, 迅速将注射器提交的样品转移到疏散瓶中, 因为塑料注射器即使用封闭式旋塞阀也不能保证28的渗漏。用25口径的皮下注射针进行转移。首先, 把针装入旋塞阀, 然后打开它, 用5毫升的样品冲洗针头。接下来, 将针插入隔膜, 将剩余的30毫升样品推入预疏散的瓶子, 然后取出针头。
    注: 瓶子内的样品是 > 2 atm 增压, 以提供气体的多种分析, 并避免任何质量流量从外部环境向样品, 这将改变其温室气体浓度。5毫升样品冲洗针允许它被重用其他样品。
  3. 在每次取样事件结束时, 将瓶子转移到实验室进行分析。
    注: 虽然样品的保存保证在20°c 超过四月28, 但最好尽快执行分析程序。
  4. 使用装有2O 测定的电子俘获探测器的自动气相色谱仪确定所收集样品中的气体浓度, 并测定 CH4确定29的火焰电离探测器。除样品外, 还测量了一些已知的 N2O 和 CH4样品 (标准) 的浓度, 以便进行精确的标定。
    注: 标准浓度应涵盖样品的预期浓度范围。

5. 流量估计

  1. 所选择的通量估计模型应预测室部署时刻的通量,真实汇率不受腔内存在影响的理想时刻。
  2. 在通过气相色谱分析和随后的校准确定了基容积的气体浓度后, 根据空气摩尔体积计算出在顶空中存在的物质 (N2O 或 CH4) 的绝对量。源自理想气体定律。
    注意: 要产生与每个取样事件相关的校准曲线是非常可取的, 因为气相色谱仪可能会受到轻微的信号变化, 作为温度的函数, 这会导致错误。
  3. 根据发射模式选择线性或非线性模型。在可用的非线性模型中, 选择25模型, 最终依赖于 HMR 包9。如果您有三个时间点 (时间0、时间1和时间 2) 根据两个段的斜率进行选择: 在时间0和时间1之间的斜率大于时间1和时间2之间的斜率和斜率是一致的情况下;, 使用 HM 模型;在所有其他情况下, 使用线性模型。如果你有三多个时间点, 适合两个模型使用 HMR, 但事后选择自己基于视觉评价的模型最佳拟合的趋势。
  4. 设置为零通量下的最小可探测流量, 根据检测极限的气相色谱仪和操作条件 (温度, 压力, 顶空容积) 计算。
  5. 为了准确地描述通量的季节性变化, 全年至少提供40个抽样事件 (监测周期和间作周期), 强化作物周期附近关键事件的取样频率, 如耕作,施肥、排水、水淹条件的建立、积水水下水稻幼苗的堆焊等。从每日最大频率 (例如, 在排水期、施肥) 过渡到至少两周 (冬季)。

Representative Results

每一次测量活动都会为每个被监测的分庭产生一系列的温室气体浓度, 这是估计温室气体通量的基础。基本上, 没有特别需要丢弃数据, 但在单调函数的理论模型之外 (严格增加或减少) 的情况下, 很高的发生率必须注意协议应用的准确性和可能意想不到的错误 (例如, 瓶子泄漏)。

图 1报告了整整一年的正确例子 CH4通量。如误差线所示, 这种结果可能会有很大的差异, 主要是由于负责温室气体生产的微生物过程的空间异质性所致。对于那些经历高变异性的用户来说, 这样的结果不一定预示着坏的结果。为了解决使治疗差异无法检测的高变异性, 只需增加复制次数。

图 2中, 有一个关于季节性变异性的拙劣探索的例子: 测量事件的数量不足导致每年的通量低估。

每日通量可以被结合在一起计算在一个太阳年, 在耕种季节, 或在特定的种植阶段的累计排放。通常, 累积通量的计算依赖于随后两次测量事件之间通量的线性变化。一个累积通量的例子如图 3所示, 为 CH4

Figure 1

图 1。一整年被淹的稻田的4天通量的季节性变化的例子, 包括种植周期 (从可能到 9月) 和跨季期间。错误条表示标准错误。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2。一整年被淹的稻田的4天通量的季节性变化例子, 没有足够数量的测量事件不能很好地覆盖温室气体排放的所有关键时刻。错误条表示标准错误。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3。一个种植季节累计 CH4排放量的例子。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4。方法应用的主要阶段有相应的关键点和成功指标。请单击此处查看此图的较大版本.

Discussion

静态密闭室技术在水稻上的应用包括五个基本阶段, 对应于该议定书所描述的主要部分。每个阶段都包含要了解的关键点, 以及检查阶段实现成功的指标, 如图 4所述。

图 4中描述的大多数关键点已经在《议定书》中得到了解决, 可以通过遵循包括的建议来轻松解决。本议定书最棘手的关键点是在箱壳内根据温室气体浓度变化计算通量。另外, 在使用包 HMR 进行计算时, 最好选择适用的最佳模型, 独立于 HMR 建议, 基于可视化评估。当时间浓度偏离预期的持续增减行为时, 这一点更重要。

描述的技术的几个变化在主要原则的结构之内是可能的, 特别是与房间几何有关 (房间也可以是圆筒), 室材料 (任何不透水, 无反应, 非源/下沉气体分子正在考虑, 易于使用的材料, 如聚四氟乙烯, 这是适当的, 但更昂贵的) 和类型的温室气体分析仪 (便携式系统是可利用的, 不需要气体转移注射器和瓶子)。然而, 测量土壤中的温室气体通量是监测气候变化来源、了解导致排放的过程、研究可能的减灾战略的有效性的关键步骤, 并为预测未来的模型提供信息场景。比以往任何时候都更重要的是通过共同议定书, 建立一个统一的知识机构, 监测全球温室气体预算的农田。

采用理想气体法计算实际气体的摩尔体积。该应用在文献的特定主体中得到了广泛的使用和接受, 理想气体逼近可以合理准确地应用30

最后, 根据在温室气体测量范围内要处理的实验问题, 考虑测量4和 N2O 的排放量的主要驱动因素, 如土壤温度、氧化还原电位、土壤孔隙溶解有机碳浓度, 土壤孔隙硝酸盐和铵浓度。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgements

作者感谢马可波罗和利奥诺拉弗朗西丝卡 Miniotti 和 Ente 国家队 Risi 研究中心的工作人员, 他们主持了制作视频的实验性试验。我们也要感谢 Alluvione 的第一个科学闪光导致协议的实现和琼伦纳德为她的宝贵工作的英文编辑手稿。

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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