Оценка метана и закиси азота потоков от рисовые поля с помощью статического закрытое камер, поддержание растений в пределах Headspace

Резюме

Общая цель настоящего Протокола заключается в том, для измерения выбросов парниковых газов из рисовых полей с использованием метода статического закрытой камере. Система измерения нуждается конкретные корректировки, вызванные присутствие постоянной водой слой в поле и растений в пределах headspace камеры.

Аннотация

Этот протокол описывает измерение выбросов парниковых газов (ПГ) из рисовых почв с использованием метода статического закрытой камере. Этот метод основан на теории диффузии. Известный объем воздуха, наложением определенных почвы области заключен в оболочке параллелепипед (названный «палата»), на определенный период времени. В этот период корпус газов (метана (CH₄) и закиси азота (N₂O)) перейти от воздуха поры почвы вблизи их микробиологических источников (т.е., Метаногены, нитрифицирующие, denitrifiers) к камере headspace, следуя естественным градиент концентрации. Потоков затем оцениваются от камеры headspace вариации концентрации пробы на регулярной основе на протяжении всего корпуса и затем анализируются с газовой хроматографии. Среди методов, доступных для измерения ПГ статические закрытой камере метод подходит для печати экспериментов, как он не требует, что большим содержанием однородно обрабатывают участки почвы. Кроме того он является управляемым с ограниченными ресурсами и можно определить отношения между свойств экосистемы, процессов и потоков, особенно в сочетании с ПГ вождения измерения силы. Тем не менее в отношении микрометеорологических метод, он вызывает минимальный, но по-прежнему неизбежно почвы помеха и позволяет незначительные временное разрешение. Несколько этапов являются ключом к реализации метода: i) Палата проектирования и развертывания, ii) образец обработки и анализа и iii) флюса оценки. Успех осуществления техника на рисовых полях требует корректировки для поля наводнения в течение большей части цикла выращивания сельскохозяйственных культур и риса Торо в камере headspace во время измерений. Таким образом, дополнительные элементы для рассмотрения в отношении обычного приложения не затопления сельскохозяйственных почв состоит из устройства для: i) избегая любых нежелательных воды нарушения, которые могли бы переоценить потоков и ii) включая растений риса в рамках headspace камеры в полной мере учитывать газов через Аэренхима транспорта.

Введение

Сельское хозяйство является производственный сектор, который, вместе с лесного хозяйства и другим видам землепользования, производит около 21% от глобальных выбросов ПГ¹. Точное измерение выбросов ПГ сельскохозяйственных почв является ключом не только установить надлежащую роль определения агроэкосистем как источника и приемника в климата изменения², но и для определения надлежащего и эффективного смягчения последствий стратегий в рамках в рамках Парижского соглашения целей.

Микрометеорологических методы или закрытой камере техника³измеримы потоков выбросов двух наиболее важных парниковых газов, производимых сельскохозяйственных почв (т.е., N₂O и CH₄). Подавляющее большинство исследований, представления данных о выбросах ПГ из почвы за последние три десятилетия применяется закрытой камере техника^4,5 , который был впервые описан в 1926 году⁶. Было предпринято несколько усилий технику, и преодолеть все источники экспериментальной артефакт и смещения^{7,8,9,10,11,12 ,,1314}. Конкретных протоколов, скомпилированные в разное время, направленных на стандартизацию методологии^{15,16,,1718,19}, и по-прежнему являются научные попытки по внедрению наилучшей практики, используя технику и сведении к минимуму необъективности в смете потока.

Статические закрытой камере техника, применение которых в почвах рисовых описан в этом документе, основывается на теории диффузии и предусматривает точный период корпус известный объем воздуха выше часть поверхности почвы. В корпусе, CH₄ и N₂O молекул миграции путем диффузии вдоль естественной градиента концентрации от воздуха поры почвы, где они производятся конкретными микроорганизмами (Метаногены в случае CH₄; нитрифицирующие и denitrifiers для N₂O), в воздух огороженными headspace камеры, в конечном счете через затопление водой или Аэренхима завод. Концентрации двух газов в камере headspace возрастать с течением времени, и возникновение этих увеличений обеспечивает для оценки потока.

Применительно к микрометеорологических методам закрытой камере измерения часто предпочитали для различных типов использования земель и экосистем при изучении ПГ флюсы на масштаб печати, потому что они не обремененные большой однородное поле² или высокое материально-технических и инвестиционных требований²⁰. Кроме того они позволяют одновременно анализ манипулировать экспериментов, например различные агрономической практики или другие области лечения^12,21. Наконец метод позволяет выявить взаимосвязи между свойств экосистемы, процессов и потоков. Кроме того два основных недостатка техники включают относительно неэффективных исследования пространственной и временной гетерогенности и последствия нарушения почвы из-за камеры развертывания²². Однако, этих недостатков можно по крайней мере частично, с преодолеть: дизайн надлежащего камеры (для минимизации помех почвы), принятие достаточное количество реплицирует (для изучения пространственная изменчивость) и автоматизированное использование системы, которая позволяет активизировать Частота ежедневных измерений (для учета дневной изменчивости) или обычный (то же время суток) измерения (чтобы исключить влияние температуры в остаточная изменчивость).

Первое применение метода рисовом поле восходит к начале 80-х²³и основные особенности его использования по нагорных поля являются наличие затопления водой на почву и необходимость включения растений в пределах headspace во время палата корпус. Как тщательно описаны в этом документе первый признак подразумевает необходимость конкретных систем для предотвращения нарушения воды во время измерения событий, чтобы избежать потока завышению сметных расходов, вызванных турбулентность индуцированной расширение газовой диффузии через затопление водой. Вторым важным черта является для учета транспортировки газа через Аэренхима Райс, составляет до 90% выбросов CH₄²⁴, которая требует надлежащего устройства включить растений во время измерения событий.

протокол

1. Палата дизайн

1. Соберите каждой камеры с трех основных элементов: якорь, крышкой и по крайней мере четыре расширения.
2. Создание якорь в форме 75 см х 36 см х 25 см (L x W x H) прямоугольный ящик изготовлен из нержавеющей стали. Сварить воды заполняемые канала 10-13 мм (ш) x 13-20 мм (h) в верхней прямоугольный периметр анкера. Просверлите два (1 см в диаметре) по каждой из четырех сторон якорь 5 см от верхней воды канала.
   Примечание: Якоря изолировать столбце почвы под камеры и предотвратить поперечной диффузии. Канал является необходимым для достижения эффективного уплотнения между точкой закрепления и крышку. Отверстиями обеспечить быстрый разряд затопление водой внутри камеры во время событий дренажа поле.
3. Построить крышкой в форме прямоугольной коробки из нержавеющей стали и размера 75 см х 36 см х 20 см (L x W x H) с внутренним объемом 54 л обеспечить что оно идеально подходит вода заполняемые канала.
4. Обложка крышку с 4 см толщиной закрытые ячейки пены, что, в свою очередь, охватываемых света Светоотражающий покрытия (алюминий как).
   Примечание: Необходимо оборудовать в камеру с системой контроля температуры, чтобы не поощрять микробную активность искусственно, последующее увеличение непреднамеренные температуры во время закрытия камеры.
5. Оснащения каждой крышкой с выпускным клапаном, из изогнутой кусок пластиковой трубы (1,5 см х 24 см, D x L) размера для камеры объем и Ветер условия²⁵. Подключите клапан сброса к крышке путем сверлить отверстие в центре одного из двух боковых сторон 36 см крышки 1,5 см. Затем закрепите пластиковая труба с резьбовым соединением.
   Примечание: Выпускной клапан рекомендуется для передачи атмосферного изменения заключите объем воздуха и компенсировать объем изменений, которые происходят во время камерный корпус и воздуха выборки вывода, и/или связанные с неконтролируемым, закрытых воздухом изменения температуры. Вентиляционное отверстие должно быть трубку и не просто отверстие, так, что воздух в исчерпаны из корпуса во время падения внешнего давления захвачен в трубку и затем вернулся в корпусе, в случае, если давление снова повышается. Изогнутая форма минимизирует потенциал камеры разгерметизации вследствие ветрового потока над его внешних открытия, т.е., эффект Вентури²⁶.
6. Предоставить порт выборки для снятия проб газа. Сделайте отверстие 1 см в центре верхней части крышки в нише 7-cm x 7 cm, вырыли в ячейки пены. Закройте отверстие с резиновой пробкой, которая приспосабливает тефлоновые трубки (внутренний диаметр 3 мм, длина 20 см). Убедитесь, что тефлоновые трубки выдавливаются 3 см и вторгается 17 см, когда пробка помещается в своей нише. Подключите наружу часть трубки к односторонним краном для управления открытие/закрытие порта выборки.
7. Оснащения каждой крышкой с вентилятором PC 12V питание от 12V 7Ah аккумуляторная и портативные батареи, чтобы смешивания воздуха. Расположить вентилятор PC на внутренней стороне верхней крышки с помощью двух стальных крепеж болтами к внутренней стороне камеры.
   Примечание: Смешивания воздуха необходима для предотвращения любой газ стратификации в пределах headspace камеры во время корпус, особенно при больших количествах растительности.
8. Построить ряд расширений включить растения внутри камеры, когда они полностью выросли. Например если растения не превысит 80 см Высота их окончательного размера, построить 4 расширений для каждой камеры. Убедитесь, что каждый прямоугольный ящик изготовлен из нержавеющей стали и 75 x 36 x 25 см (L x W x H) в размере и с верхней воды заполняемые каналом, как описано для привязки. Добавьте эти расширения между якорь и крышкой во время корпус камеры, в зависимости от стадии культур.

2. якорь развертывания и организация системы для предотвращения нарушения почвы

1. Вставьте анкер в почву после подготовка поля (то есть, после всех операций обработки почвы) и до посева риса. Если возможно, не удаляйте якорей в течение всего периода измерения если строго необходимым, например для обработки операции между двух последующих сезонов обрезки. Вставьте якорей несколько дней (минимум на 2 суток) перед началом измерения потока, так что почва повторно уравновешивает после беспорядков во время установки.
2. Перед распространением любой якорь на голой земле, место 30 см х 3 м (Ш x Д) Деревянные доски (в поле и ходить исключительно на них в ходе следующих операций, чтобы избежать уплотнения почвы. Место планки по крайней мере 0,5 м от каждой привязки.
3. Вставьте анкер на глубине 40 см распаханные Пан для обеспечения якорь и избежать случайного боковых изгиб после наводнения области, особенно когда используется расширение. После того, как якоря были размещены на почве в назначенные области, место собрал пользовательских стальная рама на вершине якорь, при сохранении надлежащего согласования обоих компонентов. Молоток якорь в почву и обратить внимание на хит кадра и не якорь, чтобы предотвратить повреждение якорь. После вставки обеспечить якорей идеально ровной, используя уровень пузыря.
4. Вставка по меньшей мере три якоря для каждого наблюдаемого лечения (т.е., реплицирует). Соблюдать минимальное расстояние между соседними камер 1 м, в случае, если необходимо использовать более одной палаты в рамках той же экспериментальные единицы.
5. После вставки всех якорей, временно удалить деревянные планки пешком и затем переставить поле с системой подиумов, возникая от берегов боковые поля. В деталях место в поле бетонных блоков по крайней мере 0,5 м от якорей, в количестве, достаточно провести систему деревянных планок.
   Примечание: Catwalks являются необходимыми для предотвращения беспорядков почвы во время последующих событий измерения ПГ. Количество бетонных блоков будет зависеть от расстояния якорей от берегов боковые поля. Каждая доска длиной 3 м потребует двух бетонных блоков для стабильности.

3. камеры закрытия и измерения ПГ

1. Запуск измерения события всегда в то же время каждый день, чтобы свести к минимуму дневной изменчивости.
   Примечание: Лучший, представляющих средний ежедневный поток момент, когда температура близки среднесуточное значение, т.е., в 10 ч. Это самый лучший способ оценить ежедневный совокупное значение из уникальных измерений в день²⁷.
2. Когда вы прибываете в поле, поместите деревянные планки на бетонных блоков достичь якорей. После этого заполните каналы, размещены на верхней периметру якоря с водой. Аккуратно добавьте расширения при необходимости приложить все растения в пределах headspace камеры.
   Примечание: Эта операция должна выполняться двумя операторами для того, чтобы избежать повреждения сельскохозяйственных культур. Заполните водой каналов каждого используется расширение также.
3. Закрытие каждой камеры, размещение крышку в канале заполнены водой верхнего расширения. В период закрытия (обычно 15-20 мин, но для удовлетворения потребностей в экспериментальных) снять по меньшей мере три газовых проб на равных-интервалы времени (например, сразу после закрытия, после 10 минут и после 20 мин). В сэмплинги Подключите 50 мл шприц, с односторонней краном в порт выборки, а затем открыть два Краны запорные (один в шприц) и один в порту выборки, «промыть» шприц, перемещая поршень вверх и вниз в три раза до снятия 35 мл Камерный headspace, а затем наконец закрыть два запорные краны. Отсоедините шприц от порта выборки и хранить его отдельно.
   Примечание: При работе вблизи камеры во время наводнения области, во избежание каких-либо помех или турбулентности затопление водой как он может производить нестандартные газовых пузырей и изменять поток оценок ПГ.
4. Добавьте несколько расширений подходит для содержат растений риса. Возражать расширения между якорь и крышкой, заполнив все воды заполняемые каналы. Использовать одно расширение, когда рис 20-40 см выше поверхности почвы (измеренные с раскладной линейкой); Используйте два расширения, когда рис является 40-60 см и так далее.
5. Во время закрытия камеры измерьте температуру headspace каждые 3-5 мин с измерители температуры.
6. Рассмотрим событие выборки полный после закрытия периода. Снимите крышку и впоследствии все используемые расширений.
   Примечание: Чтобы сократить время, необходимое для мониторинга нескольких камер и избежать предвзятости дневной изменчивости, это можно измерить одновременно более чем в одной палате. Например с командой из двух операторов, можно управлять выборки до 10 рядом камер в 30 мин.
7. После каждой выборки событий, измерить высоту headspace каждой камеры из почвы (когда поле осушенных) или затопление водой (когда затопленные поля) с помощью раскладной линейкой.

4. образец обработки и анализа

1. До каждого поля падиа посетить, эвакуировать три (или более) 12-мл стеклянных флаконах, закрыт с бутил каучука перегородками на поле камеру в лаборатории.
   Примечание: Флаконов может быть повторно использован. Перед каждым использованием это необходимо заменить резиновые перегородки и восстановить вакуума.
2. После вывода газа из камеры headspace передать образцы шприц подала эвакуированных флаконы быстро потому что пластиковые шприцы, даже с закрытыми краном, не может гарантировать без утечки²⁸. Выполните передачу с 25-го калибра подкожных игл. Во-первых игла вписывается кран, затем открыть его и очистить иглой с 5 мл образца. Далее вставить иглу в носовой перегородки и оставшиеся 30 мл образца вставьте заранее эвакуировано во флаконе и затем снять иглу.
   Примечание: Образец внутри флакона-> 2 атм, под давлением для обеспечения газа для несколько анализов и избежать любого массового потока от внешней среды к образца, которая изменит его концентрации ПГ. Пример 5-мл флеш иглы позволяет повторно использовать для других образцов.
3. В конце каждого события выборки передачи флаконов в лабораторию для анализа.
   Примечание: Хотя сохранение образца гарантируется при температуре 20 ° C для более чем четыре месяца²⁸, это всегда предпочтительнее выполнять аналитические процедуры как можно скорее.
4. Определение концентрации газов в собранных образцов, используя автоматизированный газовый хроматограф, оснащенные детектор захвата электронов для N₂O решимость и пламенно-ионизационный детектор для CH₄ определение²⁹. Помимо образцов измеряйте концентрации ряда известных N₂O и CH₄ образцов (стандартов) для выполнения точной калибровки.
   Примечание: Концентрация стандарты должны охватывать диапазон ожидаемых концентраций проб.

5. поток оценки

1. Модель, выбранная для оценки потока следует прогнозировать поток в данный момент развертывания камеры, то есть, идеальный момент, в котором истинный обменный курс не влияет наличие камеры.
2. После определения концентрации газа на базовый объем через газ хроматографического анализа и последующего калибровки, вычислить абсолютное количество вещества (N₂O или CH₄) в рамках headspace, согласно молярный объем воздуха производные от закона идеального газа.
   Примечание: Рекомендуется производить калибровочной кривой, связанные с каждым событие выборки, поскольку газовый хроматограф могут страдать небольшое сигнал изменения как функция температуры, которые могут привести к ошибкам.
3. Выбор между линейным или нелинейным модель, в зависимости от модели выбросов. Среди доступных нелинейных моделей выберите HM модели²⁵, в конечном итоге полагаясь на HMR пакет⁹. Если вы три времени точки (0, время 1 и времени 2) выбрали основанные на склоне двух сегментов: в том случае, если склон между 0 и время 1 больше, чем склон между время 1 и 2 в абсолютных значений и склоны совпадающие , используйте модель HM; во всех остальных случаях используйте линейную модель. Если у вас более трех моментов времени, подходят две модели с использованием HMR, но потом выбирать по своему усмотрению на основе визуального оценки модели наиболее подходящие тенденция.
4. Присвоить ноль потоков под флюсом минимум обнаружению, рассчитывается согласно предел обнаружения газовый хроматограф и эксплуатационных условий (температуры, давления, объем пустот).
5. Чтобы правильно описать Сезонная изменчивость потоков, обеспечивают по крайней мере 40 выборки событий в течение года (мониторинг обоих циклов и междурядное периодов), активизации частота дискретизации вблизи стержневые события обрезки цикла, например обработки почвы, ру­ководством, дренаж, создание условий, затопления наплавки рисовых саженцев из затопление водой и так далее. Переход от максимальная частота ежедневно (например, в периоды дренажа, ру­ководством и т.д.) минимум один раз каждые две недели (например, зимой).

Результаты

Каждое измерение событие производит серию концентраций ПГ с течением времени для каждой из контролируемых камер, которые является основой для оценки потоков парниковых газов. В принципе нет особой необходимости отказаться от данных, но большое число ситуаций, которые выходят за рамки теоретической модели монотонная функция (строго увеличения или уменьшения) заслуживает внимание на точности протокола приложения и возможности непредвиденные ошибки (например, флаконы утечки).

Рисунок 1 сообщает целый год правильный пример CH₄ потоков. Как продемонстрировал с погрешностей, такие результаты могут отличаться сильно, главным образом вследствие к пространственная неоднородность микробиологических процессов, ответственным за производство ПГ. Для пользователей, которые испытывают высокой изменчивости такие результаты не обязательно сигнал плохие результаты. Адрес высокой изменчивости, что делает невозможным обнаружить, просто увеличить количество реплицирует лечения различия.

В рисунке 2приведен пример бедных разведки сезонной изменчивости: недостаточное количество измерений события привели к недооценке каждогодное потоков.

Ежедневные потоки могут быть впоследствии объединены для расчета совокупных выбросов над солнечного года, обрезки сезона или конкретные этапы выращивания сельскохозяйственных культур. Как правило при расчете кумулятивного потоков опирается на линейное изменение потоков между двумя последующими событиями измерения. На рисунке 3 приведен пример накопительное потоков для CH₄.

Рисунок 1. Пример сезонные вариации CH₄ ежедневных потоков из затопленных рисовых поля за полный год, включая обрезка цикла (с мая по сентябрь) и возделывания периодов. Планки погрешностей представляют собой стандартные ошибки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2. Пример сезонные вариации CH₄ ежедневных потоков из затопленных рисовых поля за целый год, с недостаточным количеством измерения события, не охватывающих всех ключевых моментов для выбросов ПГ. Планки погрешностей представляют собой стандартные ошибки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

На рисунке 3. Пример кумулятивные выбросы CH₄ течение сельскохозяйственного сезона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4. Основные этапы применения метода с соответствующим критических точек и показатели успеха. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Обсуждение

Применение статического метода закрытой камере в риса-сырца состоит из пяти основных этапов, в соответствующие основные разделы, указанные в настоящем Протоколе. Каждый этап содержит критические точки которого необходимо знать, и показателей для проверки успешного осуществления фазы, приводится на рисунке 4.

Большинство критических точек, описанные на рис. 4 , уже рассматриваются в протокол и может быть легко решена, следуя рекомендации, включенные. Каверзных критической точки настоящего Протокола является расчет потоков на основе вариации концентрации ПГ во время корпус камеры. Также при использовании пакета HMR для вычислений, это целесообразно выбрать лучшие модели для применения, независимо от HMR предложение, на основе визуального восприятия. Это даже более важно, при концентрации в время отходить от ожидаемого поведения последовательное увеличение или уменьшение.

В структуре основных принципов, особенно связанные с камеры геометрии (палата также может быть цилиндрической), палата материал (любой проницаемой, реактивной, не источников/поглотителей газа возможны несколько вариантов описаны методики молекулы, и простой в использовании материала, например тефлон, который подходит, но дороже) и тип ПГ анализатора (имеются портативные системы которые не требуют передачи газа в шприцов и флаконов). Тем не менее измерения потоков ПГ из почвы ключевой шаг необходим для мониторинга источников изменения климата, чтобы понять процессы, ведущие к выбросам, изучение эффективности стратегий смягчения возможных последствий и сообщить модели для прогнозирования будущих сценарии. Это более важно чем когда-либо принимать общие протоколы, которые будут строить единого свода знаний для мониторинга агроэкосистем для глобального бюджета выбросов ПГ.

Здесь закона идеального газа применяется расчет молярный объем реальных газов. Это приложение широко используется и принята в организме определенных литературы, и аппроксимации идеального газа могут быть использованы с разумной точностью³⁰.

Наконец, в зависимости от экспериментальных вопросов для рассмотрения в контексте измерения ПГ, рассмотреть измерение основными драйверами CH₄ и N₂O выбросы, например, температуру почвы, redox потенциал почвы поры растворенных органических Концентрации углерода, почвенных поровых нитраты и концентрации аммония.

Материалы

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.