Сравнительная оценка методов определения эмиссии СО2 из почвы
Аннотация
Почва является важным компонентом углеродного цикла, и даже небольшие изменения в её углеродных запасах, вызванные факторами, такими как изменение землепользования или глобальное потепление, могут существенно повлиять на концентрацию CO2 в атмосфере и общий баланс парниковых газов.
Целью настоящей работы является сравнение трех методов оценки эмиссии СО2 из почвы (методом закрытой камеры с использование ИК-анализатора и с помощью мобильного газового хроматографа «ПИА», а также методом, предполагающий отбор проб почвы и их инкубирование в лабораторных условиях), позволяющие оценивать нетто-выбросы в различных экосистемах. В работе анализируются сходимость и воспроизводимость результатов измерений, а также исследуются особенности применения приборов. Сравнение методов проведено в условиях оранжереи при одинаковых климатических условиях (температура, влажность почвы, освещение), для черноземной почвы. Описаны процессы подготовки к проведению анализа, время измерений, необходимое дополнительное оборудование, определены такие статистические показатели как дисперсия (σ2), среднее квадратическое отклонение (σ) и коэффициент вариации (CV). На основе полученных данных установлено, что наибольшие средние значения респираторной активности почвы (0.1653 г С/м2·ч) были зафиксированы для лабораторного газового хроматографа (ГХ), что может быть связано с дополнительной аэрацией и нарушением почвенной структуры при отборе проб. В случае с портативным ГХ, полученные средние значения были минимальными (0.0077 г С/м2·ч) с более высокой точностью, но меньшей воспроизводимостью в отдельных точках измерения. ИК-анализатор продемонстрировал средние значения, сопоставимые с лабораторным ГХ (0.0224 г С/м2·ч), но показал меньшую точность и более высокие значения CV, что указывает на меньшую сходимость результатов. Наибольшие статистически значимые различия были выявлены между лабораторным и портативным ГХ, тогда как различия между портативным ГХ и ИК-анализатором были незначительными (p>0.05). Этот факт подтверждает, что методы с использованием закрытых камер дают сопоставимые результаты и позволяют получить более предметную фактическую информацию.
Скачивания
Литература
Bhavna J., Arideep M., Bhanu P., Madhoolika A. Emission of greenhouse gases from soil: an assessment of agricultural management practices. Plant Resp. to Soil Pollut., 2020; 221-248. https://doi.org/10.1007/978-981-15-4964-9_14
Camarda M., De Gregorio S., Capasso G., Di Martino R.M.R., Gurrieri S., Prano V. The monitoring of natural soil CO2 emissions: Issues and perspectives. Earth-Science Rev., 2019; 198: 102928. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2019.102928
Yoshida H., ten Hoeve M., Christensen T.H., Bruun S., Jensen L.S., Scheutz C. Life cycle assessment of sewage sludge management options including long-term impacts after land application // J. Clean. Prod., 2018; 174: 538-547. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.10.175
Friedlingstein P., Jones Matthew W., O’Sullivan M., Andrew R.M., Hauck J., Peters G.P., Peters W., Pongratz J., Sitch S., Le Quéré C., Bakker, Dorothee C.E., Canadell J.G., Ciais P., Jackson R.S. Research collection: Global carbon budget 2019. Optim. Param. Tuning Feed. Control. with Appl. to Biomol. Antithetic Integr. Control., 2019; 10(3): 12-19. https://doi.org/10.5194/essd-11-1783-2019
MacAgga R., Asante M., Sossa G., Antonijević D., Dubbert M., Hoffmann M. Validation and field application of a low-cost device to measure CO2 and evapotranspiration (ET) fluxes. Atmos. Meas. Tech., 2024; 17(4): 1317-1332. https://doi.org/10.5194/amt-17-1317-2024
Trumbore S.E. Potential responses of soil organic carbon to global environmental change. Proc. Natl. Acad. Sci.U.S.A., 1997; 94(16): 8284-8291. https://doi.org/10.1073/pnas.94.16.8284
Merl T., Hu Y., Pedersen J., Zieger S.E., Bornø M.L., Tariq A., Sommer S.G., Koren K. Optical chemical sensors for soil analysis: possibilities and challenges of visualising NH3 concentrations as well as pH and O2 microscale heterogeneity. Environ. Sci. Adv., 2023; 2(9): 1210-1219. https://doi.org/10.1039/d3va00127j
Zaman M., Kleineidam K., Bakken L., Berendt J., Bracken C., Butterbach-Bahl K., Cai Z., Chang S.X., Clough T., Dawar K., Ding W.X., Dörsch P., dos Reis Martins M., Eckhardt C., Fiedler S., Frosch T., Goopy J., Görres C.M., Gupta A., Henjes S., Hofmann M.E.G., Horn M.A., Jahangir M.M.R., Jansen-Willems A., Lenhart K., Heng L., Lewicka-Szczebak D., Lucic G., Merbold L., Mohn J., Molstad L., Moser G., Murphy P., Sanz-Cobena A., Šimek M., Urquiaga S., Well R., Wrage-Mönnig N., Zaman S., Zhang J., Müller C. Measuring Emission of Agricultural Greenhouse Gases and Developing Mitigation Options using Nuclear and Related Techniques. Applications of Nuclear Techniques for GHGs, 2021. 375 р. https://doi.org/10.1007/978-3-030-55396-8_1
Bhowmik A., Fortuna A.M., Cihacek L.J., Rahman S., Borhan M.S., Carr P.M. Use of laboratory incubation techniques to estimate greenhouse gas footprints from conventional and no-tillage organic agroecosystems. Soil Biol. Biochem., 2017; 112: 204-215. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2017.04.015
Kulikova M.A., Soromotin A.V. Otsenka potokov uglekislogo gaza postpi-rogennykh geosistem na severe Zapadnoi Sibi-ri. «Arktika: sovremennye podkhody k pro-izvod¬stvennoi i ekologicheskoi bezopasnosti v neftegazovom sektore», Materialy Mezhdu-narodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, 28 Noyabrya 2022 g. Tyumen', 2022: 86-89. (In Russ.)
Wang L., Cheng Y., Naidu R., Chadalavada S., Bekele D., Gell P., Donaghey M., Bowman M. Application of portable gas chromatography–mass spectrometer for rapid field based determination of TCE in soil vapour and groundwater. Environ. Technol. Innov., 2021; 21: 101274. https://doi.org/10.1016/j.eti.2020.101274
McGowen E.B., Sharma S., Deng S., Zhang H., Warren J.G. An Automated Laboratory Method for Measuring CO2 Emissions from Soils. Agric. Environ. Lett., 2018; 3(1): 1-5. https://doi.org/10.2134/ael2018.02.0008
Dulov L.E., Udal'tsov S.N., Stepanov A.L. Potoki dioksida ugleroda , metana i zakisi azota v pochvakh kateny pravoberezh'ya r. Oka (Moskovskaya Oblast'). Pochvovedenie, 2010; 5: 582-590. (In Russ.)
Maiwald M., Sowoidnich K., Sumpf B. Portable shifted excitation Raman difference spectroscopy for on-site soil analysis. J. Raman Spectrosc., 2022; 53: 1560-1570. https://doi.org/10.1002/jrs.6400
Materazzi S., Gentili A., Curini R. Applications of evolved gas analysis: Part 1: EGA by infrared spectroscopy. Talanta, 2006; 68(3): 489-496. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2005.04.055
Duff D., Lennard C., Li Y., Doyle C., Edge K.J., Holland I., Lothridge K., Johnstone P., Beylerian P., Spikmans V. Portable gas chromatography–mass spectrometry method for the in-field screening of organic pollutants in soil and water at pollution incidents. Environ. Sci. Pollut. Res., 2023; 30(40): 93088-93102. https://doi.org/10.1007/s11356-023-28648-w
Zgonnik V., Beaumont V., Deville E., Larin N., Pillot D., Farrell K.M. Evidence for natural molecular hydrogen seepage associated with Carolina bays (surficial, ovoid depressions on the Atlantic Coastal Plain, Province of the USA).Prog. Earth Planet. Sci., 2015; 2: 31. https://doi.org/10.1186/s40645-015-0062-5
Zainitdinova L. Vliyanie izmenenii okru-zhayushchei sredy na mikrobnoe raznoobra¬zie. Universum khimiya i biologiya, 2023; 7(109): 18-22. (In Russ.)
Leshkenov A.M. Agroecological efficiency of soil bioactivation in the mineral nutrition system of winter wheat against the background of green manure aftereffect. News Kabard. Sci. Cent. RAS., 2023; 2(112): 39-49. https://doi.org/10.35330/1991-6639-2023-2-112-39-49
O’Riordan R., Davies J., Stevens C., Quinton J.N., Boyko C. The ecosystem services of urban soils: A review. Geoderma, 2021; 395: 115076. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115076
Pavelka M., Acosta M., Kiese R., Alti-mir N., Brümmer C., Crill P., Darenova E., Fuß R., Gielen B., Graf A., Klemedtsson L., Lohila A., Longdoz B., Lindroth A., Nilsson M., Jiménez S.M., Merbold L., Montagnani L., Peichl M., Pihlatie M., Pumpanen J., Ortiz P.S., Silvennoinen H., Skiba U., Vestin P., Weslien P., Janous D., Kutsch W. Standardisa-tion of chamber technique for CO2, N2O and CH4 fluxes measurements from terrestrial eco-systems. Int. Agrophysics, 2018; 32(4): 569-587. https://doi.org/10.1515/intag-2017-0045
Kochiieru M., Feiza V., Feizienė D., Volungevičius J., Deveikytė I., Seibutis V., Pranaitienė S. The effect of environmental factors and root system on СО2 efflux in different types of soil and land uses. Zemdirbyste, 2021; 108(10): 3-10. https://doi.org/10.13080/z-a.2021.108.001
Goncharova O.Yu., Matyshak G.V., Bo-brik A.A., Timofeeva M.V., Sefilyan A.R. Otsenka vklada kornevogo i mikrobnogo dykhaniya v obshchii potok so 2 iz torfyanykh pochv i podzolov severa Zapadnoi Sibiri metodom integratsii komponentov. Pochvovedenie, 2019; 2: 234-245. https://doi.org/10.1134/s0032180x19020059 (In Russ.)
Karelin D. V., Lyuri D.I., Goryachkin S. V., Lunin V.N., Kudikov A. V. Changes in the carbon dioxide emission from soils in the course of postagrogenic succession in the Chernozems forest-steppe. Eurasian Soil Sci., 2015; 48(11): 1229-1241. https://doi.org/10.1134/S1064229315110095
Karelin D.V., Lyuri D.I., Goryachkin S.V., Lunin V.N., Kudikov A.V. Changes in the carbon dioxide emission from soils in the course of postagrogenic succession in the Chernozems forest-steppe. Eurasian Soil Sci., 2015; 48(11): 1229-1241. https://doi.org/10.1134/S1064229315110095
Görres C.M., Kammann C., Ceulemans R. Automation of soil flux chamber measurements: Potentials and pitfall. Biogeosciences, 2016; 13(6): 1949-1966. https://doi.org/10.5194/bg-13-1949-2016
Bekin N., Agam N. Rethinking the deployment of static chambers for CO2 flux measurement in dry desert soils. Biogeosciences, 2023; 20(18): 3791-3802. https://doi.org/10.5194/bg-20-3791-2023
Sharma M., Kaushal R., Kaushik P., Ramakrishna S. Carbon farming: Prospects and challenges. Sustain., 2021; 13(19): 1-15. https://doi.org/10.3390/su131911122
Gross C.D., Harrison R.B. The case for digging deeper: Soil organic carbon storage, dynamics, and controls in our changing world. Soil Syst., 2019; 3(2): 1-24. https://doi.org/10.3390/soilsystems3020028
ISO 16072:2002 Soil quality — Laboratory methods for determination of microbial soil respiration. USA, American National Standards Institute (ANSI), 2002, 26 p.
Mayer A., Hausfather Z., Jones A.D., Silver W.L. The potential of agricultural land management to contribute to lower global surface temperatures. Sci. Adv., 2018; 4(8). https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.aaq0932
Berger B.W., Davis K.J., Yi C., Bakwin P.S., Zhao C.L. Long-term carbon dioxide fluxes from a very tall tower in a northern forest: Flux measurement methodology. J. Atmos. Ocean. Technol., 2001; 18(4): 529-542. https://doi.org/10.1175/1520-0426(2001)018<0529:LTCDFF>2.0.CO;2
GOST R 58595-2019. Pochvy. Otbor prob. M., Standartinform, 2019, 9 p. (In Russ.)
Karelin D.V., Zamolodchikov D.G., Kraev G.N. Metodicheskoe rukovodstvo po analizu emissii ugleroda iz pochv poselenii v tundra. Moskva: TsEPL RAN, 2015. 64 p. (In Russ.)
Bure V.M. Metodologiya statisticheskogo analiza opytnykh dannykh, 2007. 138 p. (In Russ.)
Bure V.M., Parilina E.M. Teoriya veroyatnostei i matematicheskaya statistika, 2022. 416 p. (In Russ.)
Zadorozhnyi S.S. Statisticheskaya obra-botka dannykh na yazyke R, 2023. 104 p. (In Russ.)
Wielopolski L., Hendrey G., Johnsen K.H., Mitra S., Prior S.A., Rogers H.H., Torbert H.A. Nondestructive System for Analyzing Carbon in the Soil. Soil Sci. Soc. Am. J., 2008; 72(5): 1269-1277. https://doi.org/10.2136/sssaj2007.0177
Mondini C., Sinicco T., Cayuela M.L., Sanchez-Monedero M.A. A simple automated system for measuring soil respiration by gas chromatography. Talanta, 2010; 81(3): 849-855. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2010.01.026
Gar'kusha D.N., Fedorov Yu.A. Tambieva N.S., Emissiya metana iz pochv Rostovskoi oblasti. Arid ecosystems, 2011; 17.4(49): 44–52. (In Russ.)
Zamolodchikov D. G., Grabovskii V. I., Kraev G.N. Dinamika byudzheta ugleroda lesov rossii za dva poslednikh desyatiletiya. Lesovedenie, 2011; 6: 16-28 (In Russ.)
Karelin D. V., Zolotukhin A. N., Ryzhkov O. V., Lunin V. N. Use of long-term soil respiration measurements for calculating the net carbon balance in ecosystems of the central chernozemic region. Soil Biol., 2024, 57(10): 1638-1649. https://doi.org/10.1134/S1064229324601318
Sarzhanov D.A., Vasenev V.I., Sotniko-va Yu.L., Tembo A., Vasenev I.I., Valentini R. Kratkosrochnaya dinamika i prostranstvennaya neodnorodnost' emisii CO2 pochvami estestvennykh i gorodskikh ekosistem tsen-tral'no-chernozemnogo regiona. Soil Science, 22015; 4: 469-478. https://doi.org/ 10.7868/S0032180X15040097 (In Russ.)
Burba G. Eddy covariance method-for scientific, industrial, agricultural, and regula-tory applications. Lincoln, Nebraska, LI-COR. Biosciences, 2013, 345 p. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.4247.8561
Fedorov Yu.A., Sukhorukov V.V., Trubnik R.G. Analiticheskii obzor: emissiya i pogloshchenie parnikovykh gazov pochvami. Ekologicheskie problemy. Anthropog. Transform. Of Nat., 2021; 7(1): 6-34. https://doi.org/10.17072/2410-8553-2021-1-6-34
Mühlbachová G., Růžek P., Kusá H., Vavera R. CO2 emissions from soils under different tillage practices and weather conditions. Agronomy, 2023; 13(12):1-18. https://doi.org/10.3390/agronomy13123084
Matei S., Matei G. M., Dumitru S., Mocanu V. Soil respiration as microbial response to the endogen input of bio-synthesized organic matter and its implication in carbon sequestration. Carpathian J. Earth Environ. Sci., 2023; 18(1): 51-64. https://doi.org/10.26471/cjees/2023/018/240
Naumov A.V. Dykhanie i evapotran-spiratsiya ekosistem stepnoi kateny (Zapadnaya Sibir'). Zhivye i biokosnye sistemy, 2014; 7. https://doi.org/10.18522/2308-9709-2014-7-1 (In Russ.)
Kon'kova V.M., Burlo A.V. Narkevich I.P. Emissiya parnikovykh gazov s torfyanykh pochv v usloviyakh brestskoi i minskoi ob-lastei. Ekologicheskii vestnik, 2016; 4(38): 33-42. (In Russ.)