Methoden der Kohlenstoffmessung im Gelände und im Labor
1.1 Gasmessung nach der Haubenmessmethode
Inhalt dieses Kapitels
1. Einführung
2. Der klassiche
statische Ansatz mit dem mobilen, manuellen Haubenmessverfahren
3.
Der klassische statische Ansatz mit dem fest installierten,
automatischen Haubenmessverfahren
4.
Der neuere dynamische Ansatz mit dem offenen, dynamischen
Haubenmessverfahren
5.
Probleme bei der Anwendung der verschiedenen Haubenmessverfahren
Es gibt zwei Kategorien der Haubenmessung:
-
der klassische statische Ansatz
-
der neuere dynamische Ansatz
Beim klassischen statischen Ansatz handelt es
sich beim Haubenmesssystem um eine rechteckige, während des Messvorgangs
geschlossene Kammer mit anwendungsorientierten Ausmaßen, die auf eine zu
messende Erdoberfläche geschlossen aufgesetzt wird und in der die
Veränderungen der CO2-Konzentration und anderer klimarelevanter Spurengase,
wie Lachgas und Methan, gemessen werden
können.
Animation: Prinzip der Kohlendioxidgasmessung anhand der manuellen, statischen Haubenmessmethode
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Animation (Quelle: Thelemann 2012) |
Um zu vermeiden, dass während der
Anreicherungszeit Umgebungsluft von außen in die Haube eindringt bzw.
Gas ausweichen kann, wird die Haube auf einen fest im Boden verankerten
und in den Boden hineinreichenden Bodenrahmen aufgesetzt. Der Vorteil
dieser klassischen Methode ist die relativ leichte Anwendung. Sie basiert entweder auf der Anreicherung oder
Absorption von Kohlendioxid oder anderer klimarelevanter Gase, tendiert
allerdings aufgrund des Diffusionsprozesses dazu weniger genau zu sein,
als neuere dynamische Messsysteme. So wurde statischen Haubenmesssystemen
nachgewiesen, dass sie dazu tendieren, hohe Gasflüsse zu unterschätzen
und niedrige Gasflüsse zu überschätzen. Ein Nachteil aller geschlossenen
Haubenmesssysteme ist, dass zur Messung ein Teil der Bodenoberfläche
abgeschlossen wird und so der Einfluss von natürlichen Luftturbulenzen
und Luftdruckfluktuationen auf die Bodenatmung während des Messvorgangs
ausgeschlossen wird. Speziell dieses Druckungleichgewicht zwischen Haube
und Atmosphäre kann durch sehr kleine Belüftungsröhren vermindert
werden, die den Gasverlust auf ein Minimum reduzieren. Bei geschlossenen
Haubenmesssystemen ist zudem zu beachten, dass diese zwischen den
Messungen geöffnet oder von der Messfläche entfernt werden müssen, um
die Beeinflussung des Bodens und des zu messenden Gasausstoßes zu
begrenzen.
Skizze eines Gaschromatographen im Labor
 (Quelle: Universität für Bodenkultur Wien, eigene Darstellung) |
Der klassische statische Ansatz mit einer geschlossenen Haube kann sowohl in einem mobilen, manuellen Haubenmessverfahren, als auch einem fest installierten, automatischen Haubenmessverfahren durchgeführt werden.
2. Der klassische statische Ansatz mit dem mobilen, manuellen Haubenmessverfahren
Beim mobilen, manuellen Messverfahren
werden die Hauben zu jeder Gasmessung per Hand im Gelände auf den
Bodenring aufgesetzt und können dafür aber relativ schnell umgesetzt
werden. Diese Variante ist somit praktisch für räumlich verteilte
Messungen. Dauerhafte, kontinuierliche Messungen sind manuell allerdings
mit einem sehr hohen personellen Aufwand verbunden. Beim manuellen
Verfahren wird das in der Haube angesammelte Gas zum Ende der
Anreicherung über evakuierte Gasprobenflaschen direkt aus der Haube
gesaugt. Die Gasprobenflaschen können später durch einen
Gaschromatographen mit einer Computereinheit sowohl
auf CO2, N2O (mittels eines ECD-Detektors), als auch CH4 (mittels eines
FID-Detektors) hin analysiert werden.
Film zum manuellen, statischen Haubenmessverfahren in Thyrow, Brandenburg
Manueller Download des Films (Quelle: Thelemann 2012)
3. Der klassische statische Ansatz mit dem fest installierten, automatischen Haubenmessverfahren
Beim fest installierten, automatischen
Messverfahren mit geschlossenen, statischen Hauben sind die
Hauben auf einer bestimmten Messfläche dauerhaft fest installiert und
werden zwischen den programmierten automatisierten Messungen durch eine
Hebeapparatur jeweils automatisch angehoben. Die automatischen
Kohlendioxidmessungen werden im Gegensatz zu den manuellen mittels eines
Infrarot-Gasanalysators (IRGA) durchgeführt. Neuere
Ausführungen dieser Messgeräte sind ebenfalls in der Lage die
klimarelevanten Spurengase Lachgas und Methan automatisiert zu messen.
In geschlossenen dynamischen Systemen zirkuliert die Luft dabei in einem
Kreislauf zwischen der Haube und dem
IRGA und die Veränderung der
Gaskonzentration über die Zeit können gemessen werden. In der Regel sind
automatische Haubenmessungen aufgrund der festen Installation räumlich
weniger verteilt und eine Stromversorgung ist notwendig. Allerdings
ermöglicht diese Variante besonders häufige Messungen über lange
Zeiträume mit geringem personellem Aufwand und ist somit praktisch für
zeitlich verteilte Messungen.
Film zum automatischen, statischen Haubenmessverfahren in Paulinenaue, Brandenburg
Manueller Download des Films (Quelle: Thelemann 2012)
4. Der neuere dynamische Ansatz mit dem offenen, dynamischen Haubenmessverfahren
Dem gegenüber existiert der Ansatz des offenen, dynamischen Haubenmessverfahrens, bei dem die Luft bei der Messung nicht in einem Kreislauf in einer geschlossenen Haube zirkuliert, sondern in die Atmosphäre abgelassen wird. Dadurch herrscht in diesem offenen System ein konstanter Luftstrom durch die Haube vor, der ständig gemessen wird. Zusätzlich dazu wird, ähnlich wie bei geschlossenen automatischen Hauben, ebenfalls ein IRGA zur Gasmessung verwendet, wobei hier kontinuierlich der Unterschied der Gaskonzentration, beispielsweise von Kohlendioxid zwischen Umgebung und Haube, gemessen wird. Vor der Platzierung der offenen Haube existiert anfangs kein Unterschied zwischen Haube und Atmosphäre. Mit steigendem Kohlendioxidgehalt setzt ein Luftaustausch ein, der in dem Moment ein Gleichgewicht erreicht, wenn die Menge des aus der Haube herausströmenden Kohlendioxids der Menge an aus dem Boden ausgestoßenem Kohlendioxid entspricht. Ab diesem Zeitpunkt entspricht das Produkt der Kohlendioxidkonzentrationsdifferenz zwischen Haube und Umwelt und der Strömungsrate geteilt durch die durch die Haube abgedeckte Bodenfläche der Bodenatmungsrate (in µmol CO2 m-2 s-1). Die Problematik dieser Methode besteht darin, dass der Sensor extrem empfindlich auf Druckdifferenzen zwischen Haube und Atmosphäre reagiert. Die Empfindlichkeit lässt sich nur durch Belüftungssysteme oder sehr große Luftöffnungen der Haube vermindern.
5. Probleme bei der Anwendung der verschiedenen Haubenmessverfahren
Generell werden bei der Haubenmessung höhere Messergebnisse erzielt, wenn die Luft im Haubensystem durch einen Ventilator zirkuliert wird. Dies hängt zum einen mit der besseren Durchmischung der Luft, aber zum anderen auch mit einer Erhöhung des Bodengasausstoßes durch das gestörte Luftströmungssystem in der Haube zusammen und bildet eine mögliche Fehlerquelle. Zudem spielt es eine Rolle, ob die Haube aus lichtdurchlässigem oder undurchlässigem Material besteht. Durchlässiges Material führt bei Sonneneinstrahlung zu einem Aufheizen der Bodenoberfläche und zu einem Ansteigen des Gasausstoßes des Bodens, während dieser Ausstoß in lichtundurchlässigen Systemen erheblich niedriger ist. Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher geschlossener bzw. offener, automatischer bzw. manueller Haubenmessmethoden besteht die Problematik darin, dass die Ergebnisse verschiedener Messungen gerade auch international kaum miteinander verglichen werden können. Dies liegt zum einen in der fehlenden gegenseitigen Kalibrierung unterschiedlicher Messsysteme und zum anderen in einer fehlenden Standardmethode zur Messung der Bodenatmung.
Literatur:
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In:
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(2003): Measurement of Soil Respiration. In:
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-
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York.
Schulz, R.-R.; Schumann, W.
(2004):
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Landesforschungsanstalt für Landwirtschaft und Fischerei
Mecklenburg-Vorpommern, Institut für Acker- und Pflanzenbau,
Abschlussbericht