Сравнительная оценка методов определения эмиссии СО2 из почвы

  • Алина Ринатовна Камалова Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия https://orcid.org/0000-0002-7857-8756
  • Полина Александровна Курынцева Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия https://orcid.org/0000-0002-9274-7077
  • Александр Сергеевич Гордеев Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия https://orcid.org/0000-0002-1918-305X
  • Наталья Викторовна Данилова Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия https://orcid.org/0000-0001-8750-0929
  • Владимир Игоревич Платонов Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия https://orcid.org/0000-0003-1467-0761
  • Светлана Юрьевна Селивановская Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия https://orcid.org/0000-0001-6379-7166
Ключевые слова: парниковые газы, эмиссия СО2, углерод, камера, газовая хроматография, инфракрасный газоанализа-тор, портативный газовый хроматограф.

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

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Алина Ринатовна Камалова, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

младший научный сотрудник учебно-научной лаборатории Центра агро- и экобиотехнологий Института экологии, биотехнологии и природопользования КФУ, Казань, Россия

Полина Александровна Курынцева, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

к.б.н., старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «GreenAgro» Института экологии, биотехнологии и природопользования КФУ, Казань, Россия

Александр Сергеевич Гордеев, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

младший научный сотрудник учебно-научной лаборатории Центра агро- и экобиотехнологий Института экологии, биотехнологии и природопользования КФУ, Казань, Россия

Наталья Викторовна Данилова, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

к.б.н., старший научный сотрудник учебно-научной лаборатории Центра агро- и экобиотехнологий Института экологии, биотехнологии и природопользования КФУ, Казань, Россия

Владимир Игоревич Платонов, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия

к.х.н., доцент кафедры химии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Светлана Юрьевна Селивановская, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

д.б.н., ведущий научный сотрудник учебно-научной лаборатории Центра агро- и экобиотехнологий Института экологии, биотехнологии и природопользования КФУ, Казань, Россия

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.)

Опубликован
2025-01-04
Как цитировать
Камалова, А. Р., Курынцева, П. А., Гордеев, А. С., Данилова, Н. В., Платонов, В. И., & Селивановская, С. Ю. (2025). Сравнительная оценка методов определения эмиссии СО2 из почвы. Сорбционные и хроматографические процессы, 24(6), 911-923. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2024.24/12568