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.
여기에 설명 된 정적 챔버 기반의 접근 방식은 토양 시스템에서 온실 가스 유량 측정을위한 효율적인 방법입니다. 구성 요소의 상대적 단순보다 인프라 집중 방법이 불가능되는 조건이나 시스템이 특히 적합합니다. 고품질의 데이터를 생성하기 위하여, 그러나, 정적 챔버 방식은 실험 설계 6에 엄격한주의를 실시해야한다. 고려되어야 하나 주목할만한 고려 사항은 복제 챔버 기반 측정 사이에서 높은 변동성이 발생할 수있는 토양 가스 플럭스의 공간 변화입니다. 실험 설계에 따라서, 통계 분석을 위해 충분한 힘을 제공하기에 충분한 복제물을 포함하는 것이 중요하다. 절충 충분한 복제를 유지하고, 처리 당 네 개의 반복의 최소 일반적인 가이드 라인 (14) 동안 연구 될 수있는 처리의 수 사이에 존재할 수있다.
측정 된 플럭스 매일 배출량을 산정하는 데 사용되는 경우 "ontent>, 공기 온도, 토양 온도, 가스 배출 낮의 변화가 고려되어야한다. 연구 목표 온도가 일 평균을 반영 할 때 중반 아침에 얻을 수 측정을 요구하는 경우에, 샘플링에 대한 제한 창에서 실질적으로 모니터링 할 수있는 챔버의 수에 영향을 미칠 수 있습니다. 평가 될 추가 고려 사항이 식물 뿌리의 지상 바이오 매스 위의 포함 또는 제외 가스 플럭스에 미칠 영향이다. 상공 회의소 배치 상대 조직을 심는 것 특히 미생물의 호흡뿐 아니라 뿌리와 호흡과 광합성이 적절하게 균형을 이루어야한다 쏘지는. 이러한 요소의 추가 설명은 파킨과 Venterea 8 참조 CO 2의 경우 유출 자료의 해석, 영향.전술 한 바와 같이,이 방법에 많은 변형이 챔버 설계 및 샘플링을 포함하여, 존재볼륨. 하나의 이러한 변화는 주사기 및 수집 바이알간에 샘플을 전송하기 위해 사용하는 방법이다. 여기에 설명 된 기술은 첫 번째 긍정적 인 압력 5 병을 채우기 전에 샘플 수집 병을 플러시합니다. 더 일반적으로 사용되는 기술은 진공 펌프를 이용하여 사전 대피 한 바이알에 주사기로부터 샘플의 전사이며, 세척없이 비 배기 튜브의 사용은 또한 8,17보고되었다. 접근의 범위가 존재하는 또 다른 중요한 점은 데이터 분석 및 연구중인 시스템에 가장 적합한 플럭스 모델의 선택에있다. 여기에서 설명한 선형 회귀 방법에 더하여, 비선형 모델은 긴 탑재 시간이 사용될 때, 특히 이용 될 수있다. 이러한 모델은 허치슨과 Mosier에서 (18)에 의해 개발 된 알고리즘과 유도 19, 20, 그, 바그너 등. (21)에 의해 기술 된 차 절차와 비 정상을 포함리빙스턴 등 (22)에 의해 설명 된 상태 확산 자속 추정기. 비선형 유출 모델의 철저한 설명은 파킨 등. 12를 참조 Venterea 등 23.
정적 챔버 방식과 유사한 방법은 다양한 방법을 통해 샘플링 및 가스 크로마토 그래피를 주사기 대체 등의 푸리에 전송 적외선 (FTIR) 분석과 흐름을 통해 측정 시스템의 사용뿐만 아니라 챔버 폐쇄 및 샘플링의 자동화 (가) 있습니다. 자동화 시스템은 감소 된 직원과 더 자주 측정을 가능하게하지만, 추가적인 인프라 투자가 필요합니다. 그레이스 등. (24)는 자동화 된 챔버 기반의 N 2 O 측정 옵션과 트레이드 오프의 광범위한 개요를 제공합니다.
관리 및 자연 시스템 manageme의 영향, 프로세스 기반의 모델을 알려 이해하는 것이 중요합니다 모두에서 온실 가스 플럭스의 특성NT 관행 및 완화 전략을 알리고, 글로벌 회계 및 기후 변화 모델링을 지원합니다. 개별 연구는 지역 규모에서 정보를하는 동안 따라서, 많은 부가 가치는에 기여하고, 풍경과 대기 사이의 가스 교환에 대한 지식의 글로벌 몸에서 그림을 통해 도출된다. 따라서, 데이터 수집 및 광범위한 지식 기반과 수명과의 상호 운용성을 보장하는 방법으로보고, 핵심입니다. 이는 개별 연구를 넘어 결과의 확장을 할 수 있도록 데이터 품질뿐만 아니라 부수적 인 조치와 메타 데이터의 포괄적 인보고의 수집을 보장하기 위해 최선의 방법을 다음이 포함되어 있습니다. 데이터보고를위한 훌륭한 지침이 GRACEnet 프로젝트와 GRA 25에서 사용할 수 있습니다.
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 |