Как правильно замерять парниковые газы на полях: простая статическая камера

Методы и процедуры измерения парниковых газов различаются по разным аспектам, что может определять большинство решений. Даже в рамках одного контекста измерений существуют разные методики и процедуры. В данном исследовании представлен унифицированный подход, чтобы результаты разных исследований можно было легко сравнивать, а методы — воспроизводить.

Соответствующая литература по отбору проб была проанализирована и использована для обеспечения согласованности. Прикладные знания, полученные в ходе двух связанных полевых экспериментов (2017–2018 и 2018–2019 годов), также были использованы для совершенствования процедур. Было установлено, что статический (закрытый или камерный) метод без протока является наиболее широко используемым полевым методом для измерения парниковых газов. Его основные этапы хронологического отбора проб включают: установку анкера (основания), размещение верхней части камеры, регистрацию температуры, отбор пробы газа, введение пробы во флакон, двукратную продувку шприца воздухом, снятие верхней части камеры с анкера и её размещение на границе делянки рядом с соответствующими анкерами. Эти усовершенствованные процедуры могут обеспечить согласованность при получении данных для надежных результатов, что поможет принимать обоснованные решения по сокращению выбросов парниковых газов.

Около 14% годовых выбросов парниковых газов (ПГ) приходится в основном на сельское хозяйство, а в развивающихся странах дополнительные 17% обусловлены вырубкой лесов для расширения сельскохозяйственных угодий (Vermeulen et al., 2012; Pearson et al., 2017; Shakoor et al., 2020). Ожидается, что выбросы будут увеличиваться в основном в развивающихся странах, на которые в настоящее время приходится около трех четвертей (Coady et al., 2019; Tubiello et al., 2021). Также было сообщено, что в глобальных антропогенных выбросах на долю сельскохозяйственных ПГ – метана (CH₄) и закиси азота (N₂O) – приходится около 10–12% (Smith et al., 2008; Kasimir Klemedtsson et al., 2009; Eckard et al., 2010; Hu et al., 2012).

Увеличение секвестрации углерода в почве и биомассе может сократить вклад сельского хозяйства в изменение климата на 5,5–6,0 гигатонн (Гт) эквивалента диоксида углерода (CO₂-экв.) (Olander et al., 2013; Pant et al., 2023). Практики управления провоцируют выбросы ПГ в сельском хозяйстве; поэтому необходимо изучать уровень выбросов при различных агротехнических практиках и выявлять практики с меньшими выбросами, обеспечивающие при этом оптимальную продуктивность. Это может иметь большое значение для планировщиков и политиков в управлении заинтересованными сторонами в направлении эффективного использования сельскохозяйственных ресурсов и обеспечении устойчивой агросистемы (Olander et al., 2013). По этим причинам количественная оценка ПГ уже несколько лет является предметом научного внимания, и были разработаны и протестированы различные методы в различных агроэкологических условиях. Эти подходы широко группируются на микрометеорологические и камерные категории (Denmead, 2008).

При разработке, калибровке и валидации эмпирических и процессно-ориентированных моделей для количественной оценки выбросов ПГ на уровне фермы и выше камерный подход используется наиболее широко благодаря его адаптируемости, портативности и экономической эффективности независимо от разнообразной агроэкологической среды и ее окружения (Sapkota et al., 2014). Этот метод используется более восьми десятилетий для оценки почвенного дыхания (Peoples et al., 1995; Rochette and Eriksen-Hamel, 2008; Rochette et al., 2009). Камерный подход позволяет количественно оценивать очень небольшие потоки с поверхности почвы и применим к широкому кругу экспериментальных задач (Sapkota et al., 2014). Более 95% из тысячи опубликованных исследований по эмиссии N₂O, в частности, использовали камерные методы (Venterea, 2013; Khalil et al., 2020). Камерный метод также может использоваться для количественной оценки воздействия различных обработок, но он имеет несколько ограничений в отношении пространственного охвата, времени и ручного отбора проб. Из-за ключевых аспектов камерной методологии, таких как конструкция, частота отбора проб, время хранения и аналитические процедуры, результаты исследований, проведенных разными исследователями, различаются, даже если они получены в схожих системах земледелия и практиках управления. Это делает необходимым сравнение этих исследований и разработку стандартных руководств для ручных камерных измерений. Несмотря на усовершенствования в методах измерений, ручная камера остается наиболее широко используемой методологией на уровне полевых делянок, за которой следует автоматизированная. Данное исследование было направлено на предоставление усовершенствованных процедур отбора проб выбросов ПГ с использованием ручного камерного метода для полевых культур, таких как рис, пшеница, кукуруза, нут, ананас и других связанных культур или систем.

Для обеспечения точности для желаемого местоположения установку анкера ручной камеры в поле лучше проводить сразу после прорастания культуры. В камере и компонентах обычно используются материалы, которые не реагируют с ПГ и не выделяют загрязняющие вещества, такие как нержавеющая сталь, алюминий, поливинилхлорид (ПВХ), поликарбонат, полиэтилен или полиметилметакрилат, т.е. плексиглас, акриловый лист (Parkin and Venterea, 2010; Clough and Nutbrown, 2012). Чтобы минимизировать внутренний нагрев от солнечной радиации, предпочтительным цветом является белый или покрытие отражающим материалом (Gorgolis and Karamanis, 2016). Компоненты камеры включают уплотнения, трубки, септы и вентиляционные отверстия (Clough et al., 2020). В указанном эксперименте температура измерялась с помощью датчика (JM624, Jinming Instrument CO., LTD., Tianjin, China), вставленного в верхнюю часть каждой камеры, а образцы газа анализировались с помощью системы газовой хроматографии (Shimadzu CO., LTD., Kyoto, Japan) в течение 24 часов. Образцы хранились в плотно закрытых флаконах, если анализ не проводился в течение 24 часов.

Свойства почвы (Таблица 1) взяты из упомянутого полевого эксперимента с пшеницей и приведены здесь только для справки.

Таблица 1 Физические и химические характеристики почвы.

2.1 Принципы

Принцип работы камерного метода заключается в усилении изменений концентрации газа в герметичном пространстве (головном пространстве), при котором происходит ограничение объема воздуха с газообменом (Denmead, 2008). Камерный метод можно дополнительно классифицировать на две категории (Rochette and Eriksen-Hamel, 2008): (i) открытые для атмосферы (проточные или стационарные) и (ii) закрытые для атмосферы (беспроточные или нестационарные). В проточной камере измеряется разница концентраций между воздухом, поступающим в головное пространство и выходящим из него, и поддерживается постоянный поток наружного воздуха через головное пространство камеры. Фактический поток из почвы рассчитывается по увеличению концентрации во времени. Метод без протока (непроточный стационарный), который является наиболее распространенным методом для эмиссии ПГ согласно проведенному обзору литературы, широко известен как статический метод (Bouwman et al., 2002; Rochette and Eriksen-Hamel, 2008; Clough et al., 2020).

2.2 Процедуры

После того как камера спроектирована и изготовлена, анкер следует вставить в почву на глубину не менее 8 см при установке в поле, при этом оставшаяся часть должна быть менее или равна 5 см над поверхностью почвы (Parkin and Venterea, 2010). Во время отбора проб верхняя часть камеры должна быть установлена и герметизирована на основании с помощью водяного слоя. После отбора проб ее следует снимать до следующего дня отбора проб (Baram et al., 2022). При необходимости вместо воды можно использовать резиновую прокладку для герметизации анкера и верхней части камеры (Parkin and Venterea, 2010). Однако анкеры камер не следует удалять, за исключением обрабатываемых систем; перед обработкой почвы, посевом и внесением удобрений при удалении их следует заменять не менее чем за 24 часа до отбора проб (Parkin and Venterea, 2010). Следует регулярно проверять условия в камере, обеспечивая поддержание сходства для уменьшения микроклиматических эффектов, возможно, обусловленных постоянным размещением камер. В системах сельскохозяйственного производства размещение камеры и адаптация к растениям играют важную роль в определении потоков. Если основной целью является измерение чистого потока микрогаза от конкретной производственной системы, то в идеале некоторые растения должны быть включены внутрь камер во время измерения потока; объект или контекст исследования также служат ориентиром.

Для преодоления вертикального градиента концентрации газа во время отбора проб (Parkin and Venterea, 2010) внутри камеры следует использовать газовый коллектор для отбора газа из головного пространства из четырех квадрантов. Следует избегать перемешивания газа в головном пространстве путем прокачивания шприца перед отбором проб, так как это может вызвать возмущения давления и/или чрезмерное разбавление газа головного пространства за счет попадания наружного воздуха через вентиляционную трубку, как сообщалось (Parkin and Venterea, 2010). Подготовка семенного ложа может напрямую влиять на выбросы. Например, рядовой посев или посев на грядах не могут давать одинаковые выбросы, так как межрядные градиенты могут приводить к различиям в почве, воде, содержании питательных веществ и выбросах ПГ. В идеале камеры размещают в рядах и в междурядьях/бороздах. В противном случае следует рассмотреть возможность использования более крупной камеры, которая учитывает оба варианта (Blanco-Canqui et al., 2008; Alexander, 2022).

Установка камеры на ее основание, охлаждение или нагрев воздуха в головном пространстве во время отбора проб могут создать градиент давления (Davidson et al., 2002; Clough et al., 2020) или ветровую турбулентность. Эффект Вентури может возникнуть в результате понижения давления в камере ветром, вытягивающим воздух из головного пространства камеры, что приводит к массовому потоку почвенных газов (Sapkota et al., 2014). Вентиляционное отверстие в камере вблизи почвы должно быть открыто для устранения этих недостатков. Процедуры отбора проб должны быть согласованы в течение всего сезона отбора проб, чтобы минимизировать смещение в оценке потока и учесть временную и пространственную изменчивость выбросов ПГ. На производство и диффузию газа может повлиять уплотнение почвы при ходьбе вокруг для отбора газа и других измерений. На влажной почве, подверженной уплотнению, рекомендуется периодически перемещать камеру. Отбор проб газа из головного пространства осуществляется через порт для отбора проб, который является инертным, герметичным и изготовлен с использованием бутилкаучуковых септ. Отбор проб и хранение работают одновременно, начиная с начала отбора проб и продолжаясь до проведения анализа. Образцы газа из головного пространства камеры анализируются в лаборатории на концентрацию микрогазов.

Изучение суточных вариаций для конкретного места может помочь установить лучшее время суток для отбора проб. Поскольку температура почвы подвержена влиянию удержания остатков на поверхности, все делянки должны иметь одинаковое количество почвенного покрова; в противном случае среднюю суточную температуру для делянок с большим количеством поверхностных остатков следует определять отдельно, и, если возможно, время их отбора проб следует переназначать отдельно.

Если для сбора образцов используются газонепроницаемые шприцы, образцы газа могут храниться в самих шприцах в течение короткого времени, но это дорого (Kammann et al., 2001; Capone, 2018; Harvey et al., 2020). Однако это может быть дорогостоящим вариантом. Стеклянные флаконы (экстейнеры), герметизированные резиновыми септами, в основном используются для хранения газов, поскольку они не реагируют с парниковыми газами. Перед отбором проб стеклянный флакон следует вакуумировать. Это в основном делается с помощью коллектора для вакуумирования флаконов, состоящего из насоса, вакуумметра, клапана и игл. В качестве альтернативы газ из головного пространства камеры можно использовать для вакуумирования флаконов путем четырехкратной промывки вперед и назад перед отбором проб, а затем продолжения обычного отбора проб (de Klein et al., 2003; Harvey et al., 2020). Чтобы избежать проникновения атмосферного воздуха во флаконы во время хранения, флаконы можно перегерметизировать, вставляя больший объем образца газа, чем фактический размер (Harvey et al., 2020). После отбора проб следует соблюдать надлежащее хранение, чтобы избежать загрязнения образца из-за утечки; в противном случае анализ следует проводить немедленно. Однако герметичные образцы могут храниться в течение более длительного периода. Например, в бутилкаучуковых контейнерах при 10 ppm N₂O до 126 дней без значительной потери концентрации N₂O (Harvey et al., 2020).

Скорость изменения концентрации микрогаза в головном пространстве камеры при вычислении ее градиента приводит к оценкам потока. Учитывая доступные ресурсы и линейное увеличение концентрации газов в головном пространстве с течением времени, следует отбирать более одного образца в разные интервалы, потому что чем больше количество образцов, тем лучше оценка потока для делянки или станции. Таким образом, для получения качественного потока Chadwick et al. (2014) предложили отбирать четыре или более образцов газа на одной делянке. Вставляя полипропиленовый шприц в септу камеры и медленно извлекая образец газа, следует отбирать 5-50 мл в зависимости от метода анализа.

Полевая культура пшеницы в указанном эксперименте подвергалась 3 режимам орошения (0 мм, 40 мм и 120 мм) и 2 различным нормам азота (157,5 Nкг и 315 Nкг) с 3 повторениями. Таким образом, 6 x 3 рандомизированных полных блока (РПБ) в разбиении на подделянки с 18 комбинациями обработок. При этом фактор орошения находился в основных делянках (Блок 1 – Блок 3), а фактор азота с двумя дозами – в подделянках на каждой орошаемой обработке, как показано на Рисунке 1.

Рисунок 1 Схематическая диаграмма, иллюстрирующая сбор образцов газа с помощью ручной камеры на пшеничном поле. (A) 0 – орошение (B) 1 – орошение (C) 3 – орошение.

Отбор проб проводился с 8:00 до 12:00 по местному времени для всех обработок для измерения выбросов ПГ с использованием ручного закрытого камерного метода в полевых условиях (Zhao et al., 2009). Образцы газа отбирались из камер с помощью 100-мл нейлоновых шприцев через трехходовой кран в моменты времени 0, 15, 30 и 45 минут. На каждой из 18 делянок анкеры камер были постоянно установлены сразу после прорастания пшеницы, и отбор проб проводился незамедлительно. Верхние части камер были размещены вдоль границы делянки рядом с каждым анкером. За несколько минут до отбора проб флаконы и шприцы были размещены в каждой точке отбора, а датчики температуры были постоянно установлены в верхней части каждой камеры. Были использованы подробные усовершенствованные систематические процедуры отбора проб для измерения потока микрогазов (Parkin and Venterea, 2010), а также наш полевой опыт заключается в следующем:

•         Возьмите один (1) образец атмосферного воздуха (из воздуха).

•         a) Установите все верхние части камер на их анкеры (вентиляционное отверстие обращено в подветренную сторону).

•         b) Запустите секундомер.

•         c) Отберите пробу газа в момент времени, равный нулю (t = 0), только на 1-й делянке.

•         d) Начните отбор проб на 1-й делянке, когда время на секундомере достигнет 15 минут.

•         e) Зарегистрируйте температуру (T1).

•         f) Отберите три (3) пробы газа по 10 мл.

•         g) Введите отобранные газы в стеклянный флакон, который был предварительно вакуумирован и герметизирован бутилкаучуковой септой для хранения.

•         h) Промойте шприц воздухом дважды.

•         i) Перейдите ко 2-й камере.

•         j) Зарегистрируйте температуру (T2).

•         k) Отберите три (3) пробы газа по 10 мл.

•         l) Введите пробу во флакон.

•         m) Промойте шприц воздухом дважды.

•         n) Повторите процедуру с пункта e по h последовательно для делянок (анкеров) с 3-й по 18-ю в кратчайшее возможное время.

•         o) Когда 18 делянок завершены, не снимайте камеры с анкеров; подождите, пока секундомер достигнет 30 минут, затем начните следующий раунд.

•         p) Повторите с пункта d по n со временем отбора проб 30 минут (t₂ = 30 мин) и 45 минут (t₃ = 45 мин) для всех делянок.

•         q) После того как все делянки обработаны для t₁, t₂ и t₃, снимите верхние части камер и поместите их на границу делянки рядом с соответствующими анкерами до следующего дня отбора проб.

•         r) Соберите все отобранные газы в общий охлаждаемый контейнер и доставьте их в лабораторию для анализа.

2.3 Технические характеристики

Основная камера разделена на две части (Baram et al., 2022). Верхняя часть должна иметь соответствующую высоту и размер, чтобы покрывать не менее 175 см² в зависимости от включаемых культур; это позволит максимизировать обнаружение потока и минимизировать возмущение переменных окружающей среды (Pihlatie et al., 2013; Sapkota et al., 2014). Следует отметить, что с увеличением высоты камеры чувствительность таких переменных окружающей среды, как температура, влажность и концентрация газа, снижается (Fang et al., 2010; Li et al., 2010; Both et al., 2015). Размеры камер, использованных в исследовании для озимой пшеницы в Северном Китае, были предложены Fang et al. (2010) и Li et al. (2010). Изготовление камер может быть выполнено на месте при соблюдении основных конструктивных требований. Это может помочь снизить затраты и при этом получить удовлетворительные результаты (Friedrich and Gustafson, 2007; Jain et al., 2015). Выбор подходящего размера камеры, их количества, места установки, времени суток для отбора проб и частоты отбора проб уменьшает временную и пространственную изменчивость потоков. Рисунок 2 представляет собой идеальное изображение прямоугольной ручной камеры.

Рисунок 2 Идеальная прямоугольная закрытая камера, использованная в указанном эксперименте.

Включение растений может увеличить высоту камеры, что приводит к снижению чувствительности. Чтобы улучшить это, период закрытия камеры может быть продлен. Время закрытия является ключевым для оценки потока; чем дольше время, тем лучше; для камеры с максимальной высотой 20 см было рекомендовано закрытие от 30 до 40 минут (Alves et al., 2012; Chadwick et al., 2014; Charteris et al., 2020; Martins et al., 2021). В общем, отношение высоты камеры ко времени закрытия должно быть ≥ 40 см в час (Rochette and Eriksen-Hamel, 2008). Помимо высоты растений, другой причиной возможности увеличения высоты камеры является наличие пространства над пологом культуры для вентиляторов, которые использовались для перемешивания воздуха в закрытых камерах, чтобы преодолеть возможное смещение из-за вертикальных градиентов концентрации газа (Clough et al., 2020).

Период дня, когда ожидаются пиковые выбросы ПГ, является лучшим временем для сравнения краткосрочных различий в выбросах между обработками. С 9 до 12 часов в апреле наблюдались максимальные выбросы CO₂ от кукурузы и нута на северо-западе Индии (Sapkota et al., 2014). Однако суточный поток измеряется с помощью точечных во времени измерений, и идеальным временем для измерений может быть время суток, когда определено, что поток равен его среднесуточному значению. Это связано с тем, что температура почвы контролирует выбросы ПГ из почвы (Dalal et al., 2008; Livesley et al., 2010; Schaufler et al., 2010). Среднесуточный поток может быть достигнут, когда температура почвы в пахотном слое близка к ее среднесуточной температуре (Laville et al., 2011). В Нью-Дели, Индия, несколько исследований показали, что время между 10 утра и 12 дня отражает средний суточный диапазон (ССД) (Parihar et al., 2018).

Дополнительно, другие факторы, такие как осадки и полевые операции (обработка почвы, удобрение и орошение), сильно влияют на выбросы ПГ. Например, после нарушения почвы, осадков или орошения и удобрения наблюдаются пики выбросов закиси азота, в частности, которые могут длиться от нескольких часов до нескольких недель (Bouwman et al., 2002). Когда никакие события не влияют на выбросы и в нормальный вегетационный период, отбор проб газа может проводиться раз в неделю, а после событий, которые влияют, следует проводить его чаще (Sass et al., 1992; Kallenbach et al., 2010). В указанном эксперименте измерения проводились ежедневно в течение одной недели до тех пор, пока выброс не снижался до его среднесуточного значения. Это гарантировало, что интерполяция выбросов до и после события была надежной и не занижала и не завышала выбросы.

На поток почвенного газа также могут влиять скорость вращения вентилятора, его положение и интенсивность перемешивания; таким образом, требуются дополнительные данные, особенно по систематической оценке систем, содержащих высокие растения, для установления наилучших практик (Clough et al., 2020). В целом, методы стабильных изотопов являются наиболее точными методами измерения ПГ, поскольку они позволяют проводить процесс-специфическую количественную оценку, но требуют сложного и дорогого оборудования (Mumu et al., 2024). Другим аспектом точности оценки ПГ является использование высококачественных известных стандартов; это обеспечивает точность и сопоставимость между лабораториями (Harvey et al., 2020). Идеальный единый стандартный протокол для всех трех основных ПГ (CO₂, CH₄ и N₂O) — от конструкции камеры до отчетности по данным — представлял бы собой консолидацию существующих знаний из передовых практик (Fiedler et al., 2022). Оценка различий между обработками и изучение динамики систем в течение сезонов или лет с использованием комплексного экспериментального дизайна является важнейшей для соответствия установленным руководствам (Collier et al., 2014). Более того, в тех случаях, когда потоки в частности пространственно изменчивы, например, в неоднородных агроландшафтах, таких как лесистые выпасаемые пастбища, может быть полезно разместить больше камер с меньшим количеством проб головного пространства на камеру (Charteris et al., 2020). Аналогично, увеличение частоты отбора проб камеры повысит точность и уменьшит неопределенность временно интерполированной N₂O для потока, вызванного орошением или циклами замораживания-оттаивания. Детальные обоснованные протоколы и рекомендации, сосредоточенные на ручном камерном методе, представлены в Таблице 2.

Таблица 2 Основные положения литературы по измерениям выбросов ПГ с использованием статического ручного камерного метода.

Согласно Bain et al. (2005), потоки CO₂ превышали коэффициент 2 в ответ на ветровые события для вентилируемых камер. Xu et al. (2006) представили новую конструкцию вентиляционного отверстия, чтобы избежать завышения потоков CO₂ в ветреных условиях из-за эффекта Вентури. Время измерений и частота отбора проб влияют на поток. Согласно Parkin (2008), отбор проб раз в 21 день давал оценки в пределах от -40 до +60% от фактического кумулятивного потока. Однако ежедневное использование ручных камер приводило к завышению сезонных потоков N₂O и CH₄ на 18–31%, потому что суточная вариация потоков не учитывалась; с другой стороны, автоматические камеры снижали влажность почвы из-за неизменного положения камеры (Yao et al., 2009). При отборе проб CH₄ между 18:00 и 08:00 с интервалами < 7 дней (Wood et al., 2013) измерения давали отклонение ± 10%, а для N₂O — 50% при отборе проб в 20:00. Рекомендуется изменять положение, чтобы избежать снижения влажности почвы при использовании автоматической камеры, и следует учитывать суточные вариации при использовании ручной камеры.

Отбор проб выбросов парниковых газов должен быть оптимизирован, чтобы минимизировать неопределенности в оценке потока, возникающие из-за временной и пространственной изменчивости. В настоящее время ресурсы наиболее ограничены, когда необходимо увеличивать количество камер и частоту отбора проб для учета пространственной и временной изменчивости. Оптимизация может быть достигнута с помощью проверенных методов и рекомендаций в каждом контексте отбора проб выбросов ПГ. Например, отбор не менее трех проб в каждой камере для адекватной оценки качества рассчитанного потока, отбор проб каждого раунда в кратчайшее возможное время до следующего раунда. Также следует изменять маршрут отбора проб, начиная с первого и заканчивая последним и наоборот каждый день или для каждого раунда, чтобы минимизировать временную изменчивость. Точные измерения ПГ могут помочь политикам принимать обоснованные решения и разрабатывать политику по сокращению выбросов парниковых газов.

Mazengo TER, Zhong X, Liu X, Mwema MF and Gill R (2024) Non-flow-through static (closed chamber) method for sampling of greenhouse gases in crop production systems. Front. Agron. 6:1464495. doi: 10.3389/fagro.2024.1464495

Перевод статьи «Non-flow-through static (closed chamber) method for sampling of greenhouse gases in crop production systems» авторов Mazengo TER, Zhong X, Liu X, Mwema MF and Gill R., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык

Фото: freepik