This article showcases the static chamber-based method for measurement of greenhouse gas flux from soil systems. With relatively modest infrastructure investments, measurements may be obtained from multiple treatments/locations and over timeframes ranging from hours to years.
Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the biogeochemical drivers of climate change and to the development and evaluation of GHG mitigation strategies based on modulation of landscape management practices. The static chamber-based method described here is based on trapping gases emitted from the soil surface within a chamber and collecting samples from the chamber headspace at regular intervals for analysis by gas chromatography. Change in gas concentration over time is used to calculate flux. This method can be utilized to measure landscape-based flux of carbon dioxide, nitrous oxide, and methane, and to estimate differences between treatments or explore system dynamics over seasons or years. Infrastructure requirements are modest, but a comprehensive experimental design is essential. This method is easily deployed in the field, conforms to established guidelines, and produces data suitable to large-scale GHG emissions studies.
Understanding the contributions of both human activities and natural systems to radiative properties of the atmosphere is an area of critical importance as we strive to mitigate anthropogenic contributions to the greenhouse effect. In addition to carbon dioxide (CO2), nitrous oxide (N2O) and methane (CH4) are also potent GHGs, accounting for an estimated 7% and 19% of global warming, respectively, with the majority of emissions coming from landscape sources1,2. These range from managed systems such as agricultural fields, rice paddies, and landfills, to natural systems such as forest floors, wetlands, and termite mounds. Accurate measurement, supporting well-informed modeling of such landscape-based emissions is critical in order to understand the drivers of climate change as well as to identify mitigation opportunities.
A variety of greenhouse gas measurement strategies exist, each with their own strengths and weaknesses2-5. Mass balance techniques rely on wind-based dispersion of gases and are suited to measurement of flux from small, well-defined sources such as landfills and animal paddocks. Micrometeorological approaches such as eddy covariance are based on real-time direct measurement of vertical gas flux, and can provide direct measurements over large areas. However, homogeneity in source topography is an implicit assumption (in that measurements yield a mean for the area under study), and costly infrastructure can limit deployment possibilities. Finally, chamber-based methods focus on change in gas concentration at the soil surface by sampling from a restricted above ground headspace. They allow measurements to be obtained from small areas and numerous treatments, but are subject to high coefficients of variation due to spatial variation in soil gas flux.
Here we discuss the most prevalent and easily implemented form of chamber-based measurement, utilizing the type of closed chambers without air flow-through commonly referred to as “static” or “non-steady-state non-flow-through” chambers. In this approach, gas emissions from the soil surface are trapped within a vented chamber, and rates of flux are determined by measuring the change in gas concentration over time within the chamber headspace. The static chamber technique has been widely deployed across both managed and natural landscapes and underpins the bulk of data reporting soil-based flux of greenhouse gases, particularly N2O6,7. It is ideally suited to the study of small experimental plots, diverse sites over variable terrain, or in other situations where multiple distinct locations must be studied without significant infrastructure investments. Typical experimental uses might include the exploration of alternative landscape management practices and their impact on soil-based CO2, N2O, and/or CH4 emissions, examination of landscape-based flux dynamics under artificially induced climate change scenarios such as warming and rainfall exclusion/supplementation, or the descriptive study of natural and agricultural ecosystems and subsystems.
As a critical tool in GHG measurement and flux estimation, the static chamber method has been thoroughly evaluated, and significant efforts have been made towards standardization of techniques and harmonization of data reporting4,6,8,9. Of particular note are the detailed reviews and guidelines produced by the U.S. Department of Agriculture – Agricultural Research Service’s Greenhouse gas Reduction through Agricultural Carbon Enhancement network (GRACEnet)8 and by the Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases (GRA)9. Such guidelines provide an invaluable resource and platform for coordination, as ultimately the interoperability of data from a myriad of studies is critical for scaling up local findings to global modeling, and for translating research results into viable mitigation strategies.
GRACEnet, GRA, and other reviews also highlight the fact that specific techniques in static chamber-based greenhouse gas flux measurement are extremely diverse, with significant methodological variations possible at nearly every step of the way, including chamber design, temporal and spatial deployment, sampling volumes, sample analysis, and flux calculations. The method described here presents one possible variant, while showcasing best practices and highlighting critical considerations for the generation of high quality, broadly transferrable data. It is intended to provide an accessible overview of this standardized procedure, and a platform from which to explore further nuances and variations described in the literature.
L'approche basée sur chambre-statique décrit ici est une méthode efficace pour la mesure de flux de GES des systèmes de sol. La relative simplicité de ses composants, il est particulièrement bien adapté à des conditions ou des systèmes dans lesquels plusieurs méthodes d'infrastructure à forte intensité sont irréalisables. Afin de générer des données de haute qualité, cependant, l'approche de la chambre statique doit être effectué avec une attention stricte à la conception expérimentale 6. Une considération notable qui doit être prise en compte est la variabilité spatiale des flux de gaz du sol, ce qui peut entraîner une forte variabilité des mesures sur la base de la chambre-répliqués. Dans la conception des expériences, par conséquent, il est important d'inclure suffisamment de répétitions pour fournir une puissance suffisante pour une analyse statistique. Il peut exister des compromis entre le nombre de traitements qui peuvent être étudiées tout en maintenant la réplication suffisante, et un minimum de quatre répétitions par traitement est une règle générale 14.
ontenu "> Si flux mesurés seront utilisés pour estimer les émissions quotidiennes, les variations diurnes de la température de l'air, la température du sol, et les émissions de gaz doivent être prises en compte. Si les objectifs de recherche exigent des mesures pour obtenir la mi-matin lorsque les températures reflètent des moyennes journalières, la fenêtre restreinte de l'échantillonnage peut affecter le nombre de chambres qui peuvent en pratique être surveillés. Une considération supplémentaire à évaluer est l'impact que l'inclusion ou l'exclusion des racines des plantes et au-dessus de la biomasse du sol auront sur les flux de gaz. placement Chambre par rapport au tissu végétal sera impact sur l'interprétation des données de flux, en particulier dans le cas du CO 2, où non seulement la respiration microbienne, mais aussi racine et tirer la respiration et la photosynthèse doit être équilibré. Pour une discussion supplémentaire de ces facteurs, voir Parkin et Venterea 8.Comme indiqué précédemment, de nombreuses variantes de cette méthode existent, y compris la conception de la chambre d'échantillonnage etvolume. Une telle variation est la méthode employée pour transférer des échantillons entre la seringue et le flacon de prélèvement. La technique décrite ici par vider le flacon de collection avec l'échantillon avant de remplir le flacon à pression positive 5. Une technique plus couramment utilisé est le transfert d'échantillons à partir de seringues dans des flacons qui ont été pré-évacué à l'aide d'une pompe à vide, et l'utilisation des flacons non évacués sans chasse d'eau a également été rapporté 8,17. Un autre point important où une série d'approches existe est dans l'analyse de données et la sélection du modèle de flux le plus approprié pour le système à l'étude. En plus de la méthode de régression linéaire est décrit ici, les modèles non-linéaires peuvent également être utilisés, en particulier lorsque de plus longs temps de déploiement sont utilisés. Ces modèles comprennent l'algorithme développé par Hutchinson et Mosier 18 les variations de ces 19,20, la procédure quadratique décrit par Wagner et al., 21, et le non-stable-estimateur de flux de diffusion de l'état décrit par Livingston et al 22. Pour une discussion approfondie des modèles de flux non-linéaires, reportez-vous à Parkin et al. 12 et Venterea et al 23.
Des méthodes similaires à l'approche de la chambre statique comprennent l'utilisation de systèmes de mesure accréditives avec Fourier transfert infrarouge (FTIR) spectrométrie comme une alternative à la seringue chromatographie d'échantillonnage et de gaz, ainsi que l'automatisation de la fermeture de la chambre et de l'échantillonnage par divers moyens. Les systèmes automatisés permettent des mesures plus fréquentes avec le personnel réduit, mais aussi nécessitent des investissements d'infrastructure supplémentaires. Grace et al. 24 fournissent un résumé détaillé des options et des compromis dans automatisé basé chambre-N 2 O mesure.
Caractérisation des flux de gaz à effet de serre à la fois de la gestion et des systèmes naturels est important d'informer les modèles basés sur les processus, comprendre les impacts des management pratiques et informer les stratégies d'atténuation, et à soutenir la comptabilité globale et modélisation du changement climatique. Ainsi, alors que les études individuelles sont instructifs à l'échelle locale, beaucoup de valeur supplémentaire est dérivé en contribuant à, et d'en tirer, un organisme mondial de connaissances sur les échanges gazeux entre le paysage et l'atmosphère. Il est essentiel, par conséquent, que les données soient recueillies et communiquées d'une manière qui assure la longévité et l'interopérabilité avec la base de connaissances plus large. Notamment en suivant les meilleures pratiques pour assurer la qualité des données, ainsi que la collecte de mesures d'accompagnement et des rapports complets de métadonnées pour permettre l'extension des résultats au-delà des études discrètes. Excellentes lignes directrices pour la communication des données sont disponibles sur le projet GRACEnet et le GRA 25.
The authors have nothing to disclose.
This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant Number 1215858, by the US Department of Agriculture under Grant Number 2013-68002-20525, and by the US Department of Energy Great Lakes Bioenergy Research Center – DOE BER Office of Science (DE-FC02-07ER64494) and DOE OBP Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (DE-AC05-76RL01830). In-field video and images were recorded at the Wisconsin Integrated Cropping System Trial project of the University of Wisconsin–Madison. The authors are grateful to Ryan Curtin for skillful videography and editing.
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 23G 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 1ml syringe tip may be used as an attachement 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 |