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.
El enfoque basado en la cámara de estática se describe aquí es un método eficiente para la medición de gases de efecto invernadero de flujo de los sistemas de suelo. La relativa simplicidad de sus componentes hace que sea especialmente bien adaptada a las condiciones o sistemas en los que los métodos más-de infraestructura intensiva no son factibles. Con el fin de generar datos de alta calidad, sin embargo, el enfoque de la cámara estática debe llevarse a cabo con una estricta atención al diseño experimental 6. Una consideración notable que hay que tener en cuenta es la variabilidad espacial de los flujos de gases del suelo, lo que puede dar lugar a una gran variabilidad entre las mediciones basadas en cámara replicadas. En el diseño de experimentos, por lo tanto, es importante incluir suficientes repeticiones para proporcionar la energía adecuada para el análisis estadístico. Pueden existir soluciones de compromiso entre el número de tratamientos que se pueden estudiar mientras se mantiene la replicación suficiente, y un mínimo de cuatro repeticiones por tratamiento es una pauta general 14.
ontenido "> Si se utilizan los flujos medidos para estimar las emisiones diarias, las variaciones diurnas de la temperatura del aire, la temperatura del suelo, y las emisiones de gases deben ser tenidos en cuenta. Si las metas de investigación requieren mediciones de obtenerse a media mañana, cuando las temperaturas reflejan promedios diarios, la ventana restringido para el muestreo puede afectar el número de cámaras que sean factibles de ser monitoreados. Una consideración adicional a evaluar es el impacto que la inclusión o exclusión de las raíces de las plantas y la biomasa por encima del suelo tendrán sobre los flujos de gases. Cámara de colocación en relación con el tejido vegetal se afectar la interpretación de los datos de flujo, particularmente en el caso del CO 2 en la que no sólo la respiración microbiana, sino también la raíz y disparar la respiración y la fotosíntesis deben estar debidamente equilibrados. Para la discusión adicional de estos factores, ver Parkin y Venterea 8.Como se señaló anteriormente, existen muchas variaciones en esta metodología, incluyendo diseño de la cámara y de muestreovolumen. Uno de estos es la variación en el método empleado para transferir muestras entre la jeringa y vial de colección. La técnica descrita aquí vacía primero el vial de recogida con la muestra antes de llenar el vial a presión positiva 5. Una técnica más comúnmente utilizada es la transferencia de muestras de las jeringas a viales que han sido pre-evacuados usando una bomba de vacío, y el uso de viales no evacuados sin lavado también se ha informado de 8,17. Otro punto significativo en el que existe una serie de enfoques es en el análisis de datos y la selección del modelo de flujo más adecuado para el sistema en estudio. Además del método de regresión lineal descrito aquí, modelos no lineales pueden emplearse también, en particular cuando se utilizan los tiempos de implementación más largos. Estos modelos incluyen el algoritmo desarrollado por Hutchinson y Mosier 18 y derivaciones de los mismos 19,20, el procedimiento cuadrática descrita por Wagner et. Al 21, y la no-constante-Estado estimador de flujo difusivo descrito por Livingston et al 22. Para una discusión detallada de los modelos de flujo no lineal, consulte Parkin et al. 12 y Venterea et al 23.
Métodos similares al enfoque de la cámara estática incluyen el uso de sistemas de medición de flujo-a través de la transferencia de infrarrojos de Fourier (FTIR) espectrometría como una alternativa a la jeringa cromatografía de toma de muestras y de gas, así como la automatización de cierre de la cámara y toma de muestras a través de varios medios. Los sistemas automatizados permiten mediciones más frecuentes con el personal reducido, pero también requieren inversiones adicionales en infraestructura. Gracia et al. 24 proporcionan un amplio resumen de las opciones y soluciones de compromiso en N automatizado basado en la cámara 2 O medición.
Caracterización de flujo de gas de efecto invernadero, tanto administrados y los sistemas naturales es importante informar a los modelos basados en procesos, entender los impactos de managemeprácticas nt e informan a las estrategias de mitigación, y para apoyar la contabilidad global y el cambio climático de modelado. Así, mientras que los estudios individuales son de carácter informativo a escala local, mucho valor adicional se deriva a través de contribuir a, y el dibujo de un cuerpo global de conocimiento sobre el intercambio gaseoso entre el paisaje y la atmósfera. Es fundamental, por lo tanto, pueden recoger los datos e informó de una manera que asegura la longevidad y la interoperabilidad con la base de conocimientos más amplia. Esto incluye seguir las mejores prácticas para garantizar la calidad de los datos, así como la recopilación de medidas complementarias y la información completa de metadatos para permitir la extensión de los resultados más allá de los estudios discretos. Pautas excelentes para la presentación de datos están disponibles en el proyecto GRACEnet y la 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 |