ISO 20951:2019
(Main)Soil Quality — Guidance on methods for measuring greenhouse gases (CO2, N2O, CH4) and ammonia (NH3) fluxes between soils and the atmosphere
Soil Quality — Guidance on methods for measuring greenhouse gases (CO2, N2O, CH4) and ammonia (NH3) fluxes between soils and the atmosphere
This document gives an overview and provides guidance on the main methods available to quantify the exchanges of greenhouse gases (CO2, N2O, CH4) and ammonia (NH3) between soils and the atmosphere. It is intended to help users to select the measurement method or methods most suited to their purposes by setting out information on the application domain and the main advantages and limitations of each methods.
Qualité du sol — Recommandations sur les méthodes de mesure des gaz à effet de serre (CO2, N2O, CH4) et des flux d'ammoniac (NH3) entre les sols et l'atmosphère
Le présent document donne une vue d'ensemble et fournit des recommandations sur les principales méthodes permettant de quantifier les échanges de gaz à effet de serre (CO2, N2O, CH4) et d'ammoniac (NH3) entre les sols et l'atmosphère. Il est destiné à aider les utilisateurs à choisir la ou les méthodes de mesure les plus adaptées à leurs besoins en fournissant des informations sur le domaine d'application ainsi que les principaux avantages et inconvénients de chaque méthode.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20951
First edition
2019-06
Soil Quality — Guidance on methods
for measuring greenhouse gases (CO ,
N O, CH ) and ammonia (NH ) fluxes
2 4 3
between soils and the atmosphere
Qualité du sol — Recommandations sur les méthodes de mesure des
gaz à effet de serre (CO , N O, CH ) et des flux d'ammoniac (NH )
2 2 4 3
entre les sols et l'atmosphère
Reference number
©
ISO 2019
© ISO 2019
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ii © ISO 2019 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Methods for measuring GHGs and ammonia fluxes between soil and the atmosphere .2
5 Concentration measurements and air sampling . 5
5.1 General . 5
5.2 Concentration measurement methods . 5
5.3 Air sampling . 7
6 Selection of the appropriate methods . 9
7 Minimum requirement for reporting .10
Annex A (informative) Description of the flux measurement methods .11
Annex B (informative) Description of the concentration measurement methods .24
Annex C (informative) Description of the air sampling methods .29
Bibliography .33
Foreword
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through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
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Introduction
Greenhouse gas (GHG) emissions from soils have become a major environmental concern. Global and
national emission inventories have identified soils, in particular agricultural soils, as being a major
contributor to these emissions, in particular nitrous oxide (N O), methane (CH ) and carbon dioxide
2 4
(CO ) related to loss of soil organic matter. Agricultural soils are also major emitters of ammonia (NH ),
2 3
which is a precursor of N O. Changes in soil management should take account of these emissions as part
of efforts to mitigate climate change.
GHGs and ammonia fluxes from soil are complex to measure. They are variable and heterogeneous as
they are governed by weather/meteorological conditions (e.g. temperature and moisture regimes), soil
characteristics (e.g. soil parental material, pH, clay content, cation exchange capacity) and for managed
soils by the agricultural or forestry practices (e.g. crop and wood residues management, soil tillage or
no-tillage, inputs of soil conditioner and fertilizers, irrigation). These factors generally interact and their
effects on GHG emissions are still poorly quantified. It results in large uncertainties for the inventories
[1]
of national and global agricultural emissions. For example, Freibauer (2008) has estimated an
uncertainty at 80 % for European (EU27) agricultural N O emissions. With the reinforcement of
international and regional climate policies, comparable and reliable information is needed to report on
GHG emissions but also to adopt and verify mitigation options.
No standard covers the measurement of GHGs and ammonia emissions from soils. However, several
measurement methods have been developed. This document provides guidance on the main methods
available to quantify the exchanges of greenhouse gases (CO , N O, CH ) and ammonia (NH ) between
2 2 4 3
soils and the atmosphere. It is intended to help users to select the measurement method or methods
most suited to their purposes by setting out information on the application domain and the main
advantages and limitations of each methods.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 20951:2019(E)
Soil Quality — Guidance on methods for measuring
greenhouse gases (CO , N O, CH ) and ammonia (NH )
2 2 4 3
fluxes between soils and the atmosphere
1 Scope
This document gives an overview and provides guidance on the main methods available to quantify the
exchanges of greenhouse gases (CO , N O, CH ) and ammonia (NH ) between soils and the atmosphere.
2 2 4 3
It is intended to help users to select the measurement method or methods most suited to their purposes
by setting out information on the application domain and the main advantages and limitations of each
methods.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
intrusive method
measuring method that can influence the emitting processes
3.2
mass balance approach
method based on a mass balance consisting of measuring the flux of compounds entering and leaving a
volume of air above the soil surface being studied
3.3
micrometeorological method
method using analyses of the atmospheric concentration of the gas and meteorological measurements
such as wind speed, wet and dry-bulb air temperatures, net radiation, and heat fluxes.
Note 1 to entry: These techniques are used for determining field-scale fluxes, and include eddy covariance,
energy balance, aerodynamic and mass balance technique. They do not disturb the environmental conditions.
3.4
oasis effect
effect arising from the local environment of the field being studied and affecting emissions from a
particular field depending on whether it is in an environment with a high level of emissions or a low
level of emissions
Note 1 to entry: the oasis effect will only affect compounds whose fluxes result from a thermodynamical
equilibrium between the surface and the atmosphere (NH ).
4 Methods for measuring GHGs and ammonia fluxes between soil and the
atmosphere
There are methods for measuring ammonia and GHG fluxes between soil and the atmosphere for a
diversity of conditions and spatio-temporal resolutions (from less than an hour up to several days, from
the soil sample up to several square kilometres) (this section). The main methods generally involve
air sampling and determination of the concentration of the gas(es) of interest. Several concentration
measurement and air sampling methods are compatible with a given flux measurement strategy (see
Clause 5). The methods used and their combination depend on the purpose for which the measurements
will be used, the operators’ qualifications and the financial resources available (see Clause 6).
Two main strategies can be used:
a) chamber methods measuring the fluxes at source, and
b) atmospheric method used to estimate the fluxes at a distance from the source.
NOTE 1 Chamber methods are intrusive methods based on using static or dynamic flux chambers. Static and
dynamic flux chambers can only quantify emissions for a small area of the source. Fluxes generally vary in time
(variations in the parameters for weather and season) and in space (different soils and climatic conditions).
For spatial extrapolation at field-scale, a sampling strategy using several chambers is required to reflect the
variations in emissions over the area. Flux spatial structure could be determined by exploratory measurements
prior to monitoring, or by assuming that flux will vary according to soil properties (e.g.: texture, organic matter
content) or landscape features (e.g.: position in a slope). These methods can also be applied under laboratory
conditions to determine the emissions of gases from soil samples, but hard to scale-up to field scale.
NOTE 2 Atmospheric methods are non-disruptive. The net exchange is estimated by measuring concentrations
at a distance from the source together with micrometeorological measurements (e.g.: wind, air temperature).
The fluxes are then estimated on the basis of these measurements, with a mass-balance approach or with
models. Some of these methods are fairly difficult to implement and are highly dependent on weather conditions.
Some knowledge of micrometeorology is generally required. They can be used to characterize global fluxes from
heterogeneous, diffuse sources within a given area, without being able to distinguish the contribution of each
particular source. In particular, atmospheric methods measure both soil and vegetation contributions, if there is
active vegetation.
Table 1 presents the different methods and their main advantages and limitations.
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Table 1 — The different methods and their main advantages and limitations
Application domain Main advantages Main limitations
Chambers methods
Static flux cham- — Applicable to low — Easy to implement — Intrusive method modifying
bers fluxes emissions conditions.
— High sensitivity even with
Chambers may alternate
— Mainly used for low instrumental precision
between locations (provide
comparison of
multiple chamber bases)
— Evaluation of spatial
treatments
to limit the impact of
variability with several
the chamber on the soil
— Applicable in field chambers
environment and hence
and in laboratory
emissions.
— Most common flux
— Small area (~m ) measurement methods
— Spatial extrapolation of
with many methodological
measurements requires a
— Can be automated
references
sampling strategy using
for monitoring
several chambers with
dynamics over
spatial and temporal
short periods
extrapolation models.
— Non-reactive gases
(CO , CH , N O)
2 4 2
Dynamic flux — Comparison of — Possible control of wind — Intrusive method modifying
chambers and treatments speed emissions conditions
wind tunnels
— Applicable in field — Preferred for reactive gas — Very difficult to extrapolate
and in laboratory such as NH results to representative
field emissions
— Small area (~m )
— The oasis effect can
increase or decrease the
apparent flux
Table 1 (continued)
Application domain Main advantages Main limitations
Atmospheric methods
Mass-balance — Continuous — Easy to implement and not — Need a large number of
methods monitoring expensive measurement points
— Real conditions — Non-intrusive method — Background concentration
should be measured
— Comparison of — Can be used for small areas
accurately
treatment (few tens of square metres)
Inverse modelling — Easy to implement and not — Suitable for uniform, major
expensive emissions sources with
low and fairly constant
— Non-intrusive method
background concentrations
— Small numbers of
— Not suitable for areas with
measurement points
hedges or scattered trees or
with significant changes in
— Can be used to estimate
surface roughness
emissions from several
sources simultaneously,
— Deployment over extended
if there is a sufficient
periods with changes in
number of sensors (n+1
wind direction requires
where n is the number of
multiple measurement
sources).
points to cover all wind
directions.
Aerodynamic — Continuous — Non-intrusive method — Difficult to implement and
gradient monitoring expensive
— Measures the flux from the
— Real conditions surface directly — Assumes a large uniform
emitting surface
— Allows measuring — Can be used to monitor
atmospheric multiple sources
deposition
Eddy-covariance — Applicable to large areas — Very difficult to implement
(>1 ha) and expensive
— Non-intrusive method — Assumes a uniform emitting
surface. Methodologies
are in development to
distinguish different
emitting surfaces through
flux footprint analysis
(see for example Cowan et
[2]
al. 2016 ; Bureau et al.
[3]
2017 ).
— Requires high speed
sensors for wind and
gas concentrations, but
method derived from eddy-
covariance such as disjunct
eddy-covariance (DEC)
have been developed for
measuring fluxes without
high speed analysers
— In development, for reactive
gases such as NH
— Flux underestimation
when turbulence is low,
particularly during nights.
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5 Concentration measurements and air sampling
5.1 General
Methods for measuring soil-atmosphere exchange of GHGs and ammonia involve the determination
of gas concentrations in volumes of air. There are various methods to determine the concentrations,
involving air sampling if necessary. They are characterized by the chemical species which they can
detect and the associated limits of detection, the acquisition frequency, their precision, their cost and
by the ease of use.
5.2 Concentration measurement methods
There are two families of concentration measurement methods (Table 2) that can be used for any type
of gas targeted:
— Physical methods (absorption spectroscopy). The main characteristics of these methods are their
very short response time, their sensitivity and the possibility of monitoring the concentration
dynamics in real time (possibly monitoring several gases with different levels of concentration at
the same time). Open path technologies exist for measuring integrated gaseous concentrations over
a path directly in the atmosphere.
— Chemical methods (gas chromatography, laboratory assays, chemiluminescence). These methods
are suitable for ad hoc measurements or for measurements integrated over periods from a few
minutes to a few weeks. They are, therefore, less suitable for monitoring concentration dynamics.
Furthermore, most of these methods are selective and cannot be used to measure several gases at
the same time using the same equipment.
Annex B provides concentration measurement methods.
Table 2 — Concentration measurement methods
Method Application domain Advantages Limitations
Chemical methods
Gas chromatography — Gaseous CO , — Technique is well — May be used in the field for
CH , N O, NH understood, commercial continuous measurements
4 2 3
equipment is available but has logistical limitations
— Suitable with
and high operating costs
chamber and — High sensitivity and low
(bottles of carrier gas,
atmospheric limit of detection (of the
reference gases, daily
methods, order of ppm for CO and
intervention by operators
except eddy- ppb for N O, NH and CH )
2 3 4
and maintenance of ambient
covariance
conditions).
— Can be used to quantify
several chemical species at
the same time
— Can be used where there
are high concentration
fluctuations
— Suitable with small
sample volumes
— Easily automated
Chemiluminescence — Gaseous NH — High sensitivity of a few — Frequent calibration
ppb for NH
— Suitable with — Interference may be
both dynamic — Fast response time (down problematic for low
chamber and to 0,1s) with rapid data concentrations in rural areas
atmospheric acquisition
methods
— Particularly suitable for
use with eddy covariance
method
+
Laboratory assay of — NH trapped — High speed analyses (40 to — Allowance should be made
+
ammonium (NH ) in solution 60 samples per hour) for interference with other
in solution (passive gases if the samples are very
— Robust
diffusion acidic (e.g.: having been
-
sampler, trapped in an acid solution)
— Good reproducibility
denuders and
Continuous flow
trapping of
analysers (CFA)
ammonia in
Laboratory assay of — Can be used to assay all the — Long analysis time (4
acid solution)
+
ammonium (NH ) major cations at the same samples per hour)
in solution time as ammonium
— Interference with other
-
— Reproducible gases if the sample contains
a large number of cations
Liquid chromatog-
raphy
Laboratory assay of — Easy to implement — Long analysis time (5 to 12
+
ammonium (NH ) samples per hour)
— Low cost
in solution
-
— Small samples
Conductivity
— Wide measurement range
and low limit of detection
— Good reproducibility
a
TDLAS : Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy; OA-ICOS : Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy;
CRDS : Cavity Ring-Down Spectroscopy.
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Table 2 (continued)
Method Application domain Advantages Limitations
Physical methods
Fourier-transform — Gaseous CO , — High sensitivity depending — Risk of interference
and photoacoustic CH , N O, NH on the instrument and the
4 2 3
— Sensitive to ambient
infrared absorption gas (e.g. <1 ppb for N O
— Closed path conditions
spectroscopy and CO )
and open path
— Frequent calibration for
technologies — Can measure several
some analysers but low
compounds at the same
— All chamber and annual drift for others
time
atmospheric
methods — Fast response time and
rapid data acquisition
— Standard equipment for
greenhouse gases
— Can be used where there
are high concentration
fluctuations
Laser absorption — Standard method for
spectroscopy quantitative evaluation of
(TDLAS, OA-ICOS, trace gases
a
CRDS)
— Fast response time (down
to 0,1 s) with rapid data
acquisition
— Very high sensitivity
(typically, 0,01 ppb for
N O, 2 ppb for CH , 1,5 ppb
2 4
for NH at 1 Hz)
— High selectivity and low
risk of interference, in
particular with Quantum
Cascade Laser (QCL)
Differential optical — Gaseous CO , — Fast response time (<1 s) — Measurements are affected
absorption spec- CH , N O, NH with rapid data acquisition by poor visibility (ex: fog,
4 2 3
troscopy snow), and clouds if the light
— Open path — Very high sensitivity
source is the sun
technologies (<1 ppb)
(ambient air) — Risk of interference
— Atmospheric
methods
a
TDLAS : Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy; OA-ICOS : Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy;
CRDS : Cavity Ring-Down Spectroscopy.
5.3 Air sampling
In many cases, the determination of gaseous concentration involves sampling of a volume of air before
analysis. There are various gas sampling methods which depend on the strategies adopted and the
methods used to determine the concentrations.
Table 3 presents the different methods and their main advantages and limitations.
Table 3 — Air sampling methods
Method Application domain Advantages Limitations
Passive diffusion — Reactive gas — Easy to implement — Gives an average
samplers (NH ) concentration over the
— High sensitivity for NH
3 exposure time
— Time-integrated in particular in low
measurement concentrations — Can only be used over long
periods from a few hours to a
— Inverse
few weeks
modelling and
mass balance — Some samplers may be
(atmospheric affected by dust
methods)
— Total cost of measurement
may be close to that of an
automatic analyser when
measurements have to be
repeated over a long period
— Requires manual
intervention for each
measurement
Denuder tubes — Reactive gas — Easy to implement — Gives an average
(NH ) concentration over the
— High sensitivity, can
exposure time
— Time-integrated be adapted to the
measurement concentrations expected — Requires manual
intervention for each
— Chamber — Preferable to passive
measurement
methods, samplers for short sampling
inverse periods (from a few minutes
modelling, mass up to about an hour)
balance and
— Enables a wide variety of
relaxed Eddy
compounds to be collected
Accumulation
in a relatively short
(eddy-
sampling time
covariance
derived method)
Trapping NH in an — NH (i.e. NH + — Robust — The process is time-
3 3 4
acid solution in solution) consuming and difficult to
— High sensitivity
automate
— Time-integrated
— Can be adapted to the
measurement — Not suitable for high
concentrations expected,
temporal resolution
— Chamber and to the sampling period
monitoring
methods
— There may be interference
— Inverse
from other absorbable
modelling and
species containing nitrogen
mass balance
(e.g.: volatile amines).
(atmospheric
methods) — Requires manual
intervention for each
measurement
8 © ISO 2019 – All rights reserved
Table 3 (continued)
Method Application domain Advantages Limitations
Continuous sam- — Air sample — The air samples can be — It may take some time to
pling methods for analysed in situ, in real set up or move the sampling
— Continuous
real-time analysis time and continuously over system
monitoring
long periods of time (high
— The pipework needs to be
temporal resolution)
— High temporal
protected against dust and
resolution
— Samples can be taken from condensation
several different sampling
— All chamber and
— For suction systems, there
points in succession at the
atmospheric
should be no leaks between
same site
methods
the sampling point and the
analyser that might dilute or
contaminate the gas samples
Sampling tubes or — Air sample — Can be used for keeping — Pressure fluctuations may
bags samples of non-reactive compromise gas-tightness of
— Delayed analysis
compounds for days to the vials
weeks before analysis.
— Static chamber
method and
— Applicable when
Relaxed Eddy
concentration
Accumulation
measurement is not
(eddy-
suitable or possible in the
covariance
field conditions
derived method)
Description of air sampling methods are given in Annex C.
6 Selection of the appropriate methods
Being able to quantify emissions makes it possible to compare probable emissions from various
processes, estimate representative emission factors, monitor and check compliance with emission
limits, etc. The methods used and their combination depend on the purpose for which the measurements
will be used, the operators’ expertise and the financial resources available. For example, research on
the underlying processes might require a different approach than when yearly emission totals are
required. As different emission measurement methods have different characteristics, an appropriate
method should be selected, depending on different criteria: limit of detection and sensitivity required,
field or lab measurements, maintenance and equipment costs, spatial area to cover, comparison of
modalities or site monitoring. The sampling strategy should also be tailored to the gas in question. For
example, soil N O flux has different drivers (involving biological processes) and different dynamics
than ammonia (NH ) flux (involving mainly physical and chemical processes).
Table 4 presents several published applications of flux measurement methods in relation to their
purposes. Description of these methods are presented in Annex A.
Table 4 — Examples of applications of flux measurement methods in relation to their purposes
References Flux measurement method Purpose
de Klein and Harvey
To measure field N O emissions and investigate
[4]
(2015) , Loubet et al. Static flux chambers
their spatial variabilities
[5]
(2011)
Minamikawa et al. To measure field N O and CH emissions in rice
2 4
Static flux chambers
[6]
(2015) paddies.
To determine the influence of various factor
(e.g. wind velocity, soil properties, air tempera-
[7]
Sommer et al. (1991) Wind tunnels
ture, agricultural practices) on ammonia emis-
sion from soils in controlled conditions
Table 4 (continued)
References Flux measurement method Purpose
[8]
Laville et al. (1997) ;
[9]
Aubinet et al. (2012) ;
To measure soil-atmosphere net exchange of
Eugster and Merbold
Eddy-covariance GHG from field and investigate soil processes
[10]
(2014) ;
and agricultural practices involved.
[2]
Cowan et al. (2016)
[11]
VERA (2009) , Sinter-
[12]
mann et al. (2011) , Mass balance method, Inverse To measure ammonia emissions following ma-
[13]
Carozzi et al. (2013) , modelling nure or fertilizer spreading in field conditions
[14]
Ferrara et al. (2014)
To investigate short-time dynamics of ammonia
[15]
Personne et al. (2015) Aerodynamic gradient
emission
7 Minimum requirement for reporting
Reporting is important for evaluating the robustness of emission data. It is particularly crucial if they
are collected for meta-analyses or intercomparison purposes, or for the calculation of emission factors.
Furthermore, it is generally accepted that additional measurements are required when monitoring
fluxes to interpret the results with respect to the conditions (surface temperature and humidity,
incident radiation, etc).
The following minimum information should be reported:
— Experimental sites including location (e.g. latitude, longitude, altitude), soil properties (e.g. soil
type, texture, bulk density, pH, organic C, available N, total N), and current and past occupations
(e.g. pasture, crop, forest) and managements (e.g. fertilization, tillage, irrigation, crop protection,
soil cover). Recent management can strongly affect soil-atmosphere gas exchange. For example, soil
tillage and nitrogen fertilization can induce a rapid and transient increase in gaseous N emissions.
Fertilizers and soil conditioner properties should be also reported (e.g. type, total N, mineral N, pH,
organic C, dry matter, C:N ratio).
— Methodology including treatment details (e.g. replicates in the methodology is not spatially
integrative), measurement methods (gas emission and concentration), area of the emitting surface,
equipment (e.g. design, precision), duration of the monitoring, sampling scheme and method,
background gas concentration.
NOTE 1 Regarding flux measurement methodology, information needs to be reported on the equipment
used to estimate the variables necessary for the calculation of (1) the rate of accumulation for the chambers
methods (headspace volume and air flow control/measurement devices), (2) the mass balances for the mass
balance methods (wind velocity measurement device and design) and (3) the exchange coefficient for the inverse
modelling, aerodynamic gradient and eddy covariance method (wind velocity measurement device and design).
NOTE 2 Regarding gas concentration measurements and air sampling, information on (1) the equipment used
for gas analysis and their performances (e.g. detection limit, precision), (2) the air sampling strategy (e.g. direct
or indirect, containers, continuous or sporadic, frequency) and (3) the sample manipulation and storage (e.g.
duration and conditions of storage) are reported.
— Ancillary measurements including soil and weather conditions (e.g. soil water content, soil
temperature, air temperature, precipitation, wind speed and direction). These data are essential to
analyse and interpret the results.
— Data analysis (flux calculation method, estimation of errors, quality control).
10 © ISO 2019 – All rights reserved
Annex A
(informative)
Description of the flux measurement methods
A.1 Chamber methods
A.1.1 Non-steady-state or static flux chambers
A.1.1.1 General
This method is used for measuring non-reactive gas emissions at local scale usually for areas less than
a square metre. Nitrous oxide (N O), carbon dioxide (CO ), methane (CH ) may be measured using
2 2 4
static flux chambers. It is not adapted to compounds which emissions result from a thermodynamical
equilibrium between the surface and the atmosphere.
A.1.1.2 Operating principles
This method estimates the fluxes from a source based on the accumulation dynamics (dC/dt) of the
gases inside a sealed chamber placed on the surface of the source. The limit of detection depends on the
ratio between the volume, V, and the area, A, of the chamber, the gas analyser and the integration time.
The time taken for the measurement may vary from a few minutes to a few hours. For a system that is
perfectly closed with no outside influences, the accumulation is close to linearity while the chamber is
being used and the gas fluxes, Q, are, therefore, proportional to the accumulation slope (dC/dt or a) as
shown in Formula (A.1):
V dC V
Q== a (A.1)
A dt A
This method can measure both positive and negative fluxes. Depending on the type of source studied,
fairly large flux chambers should be used (ground area of a significant fraction of a square metre) to
take account of the spatial variability of the fluxes and a number of measurements should be taken to
obtain representative values for fluxes at the scale of the source of emissions considered. Although the
static flux chamber method is one of the most common flux measurement methods for which there are
[4] [6]
many methodological references (de Klein and Harvey, 2015 ; Minamikawa et al., 2015 ; Hutchinson
[16] [17]
and Livingston, 2002 ; Livingston and Hutchinson, 1995 ), it is not standardized.
A.1.1.3 Implementation
Static flux chambers are relatively easy to use depending on the concentration analysis method used
[18]
(Rochette and Eriksen-Hamel, 2008 ). Static flux chamber can be connected to an inline gas analyser
for real-time analysis or uses traps for instantaneous or integrative sampling. For real-time analysis,
the greenhouse gas concentrations (CH , N O, CO ) can be detected using infrared spectroscopy. For
4 2 2
systems with traps, the gases can also be assayed by gas chromatography. If samples are taken from the
chamber for subsequent analysis, they can be stored in small pre-evacuated or flushed vials (a few ml).
Chamber opening and closing can be automated to minimize manipulation, to increase the temporal
resolution of the measurements and to sample specific conditions (e.g. soil temperature, rain event).
Static flux chambers are an intrusive method which changes the emission conditions at the surface
of the soil, in particular by changing the turbulence, the pressure fluctuations and the differences in
[19]
concentration between the soil and the atmosphere (Matthias et al., 1978 ). Gas diffusion theory
would predict that the increase inside the chamber during deployment would not be linear and some
[20]
non-linear models have been proposed (Healy et al., 1996 ). To minimize these effects and be able
to use a linear approximation, it is important to limit the measurement time, ensure that the gas is
thoroughly mixed inside the chamber (e.g. fan, mixing using a sampling syringe), sink the chambers
into the ground or substrate to prevent lateral diffusion so far as possible, provide a vent that will
balance the pressure inside the chamber with the pressure outside and insert the chamber base into
[4]
the soil at least 24 h prior to the first sampling. De Klein and Harvey (2015) give recommendations on
the chamber design, implementation and data treatment to maximize flux detectability and minimize
any measurement artefacts.
A.1.1.4 Validation and sources of uncertainty
The measurements can be checked visually or statistically. Plotting the concentration with time
enables the linearity to be checked: the coefficient of determination R is widely used as an estimator
and the maximum slope can also be taken into account. The level of precision of the flux measurement
depends directly on the precision of the analyser and the measurement conditions (leaks, duration) and
also on the estimate of the V/A ratio. The detection threshold of the method can be evaluated from the
calculated error on the determination of the slope. It is inversely proportional to the square root of the
number of measurements and depends on both the sensitivity of the analyser and the V/A ratio. The
detection threshold can be minimized by finding a good compromise between the length for which the
flux chamber is deployed, the sensitivity of the analyser and the height of the chamber.
A.1.2 Dynamic flux chambers and wind tunnels
A.1.2.1 General
Dynamic flux chambers with controlled air circulation and wind tunnels can be used for any gas. They
are generally used to characterize the emissions of reactive compounds such as ammonia, for small
areas (of the order of 1 square metre). They can be used to measure emissions in a laboratory, often
in closely controlled conditions as well as in situ. This is a method suitable for experiments comparing
different treatments.
A.1.2.2 Operating principles
A small area is swept with a controlled airflow in a tunnel enclosing the area. The airflow is imposed.
It can simulate wind, one of the major factors controlling volatilization. The volatilization flow Q
s
−2 −1
(µg·m ·s ) for a compound is determined from the difference in concentrations between the input and
output of the tunnel, as given in Formula (A.2):
CC−
()
oi
Qq=× (A.2)
s
A
where
−3
C and C (µg·m ) are the concentrations of the compound of interest at the output and input of
o i
the tunnel respectively;
3 −1
q (m ·s ) is the airflow in the tunnel;
A (m ) is the area covered by the tunnel.
The turbulent component of the airflow is ignored.
A.1.2.3 Implementation
Although the tunnels and wind chambers are portable, this method may be relatively difficult
to implement in the field: a power supply is required for the pump. To include the effects of rain or
cultivation on the land, these should either be simulated manually inside the tunnels, with the risk of
not reproducing them correctly, or the tunnels can be opened automatically for some time. The tunnels
can also be moved regularly across the surface being measured.
12 © ISO 2019 – All rights reserved
The concentrations can be assayed using inline analysers such as infrared, to measure several points
at the same time over integrative periods ranging from a few hours (just after manure spreading, for
example), a few days (for periods after spreading during which the fluxes are expected to be lower), to
a few weeks or months.
A.1.2.4 Validation and sources of uncertainty
Positioning the tunnels or chambers directly on the emitting surface may require account to be taken
of the unevenness of the distribution of the sources of emissions (e.g. manure) which may have a
major effect: it is recommended that several tunnels/chambers should be used to evaluate the fluxes.
Pumping air may create large pressure gradient that may strongly affect the fluxes. It is therefore highly
recommended to check the pressure difference between inside and outside the tunnel/chamber. The
major source of uncertainty for determining fluxes using wind tunnels or chambers is the measurement
[21,22]
of the airflow, as was shown by Loubet et al., (1999a; 1999b) . It is important to measure the
airflow accurately, as the airflow not only has a significant direct effect on the measurement but may
also affect the emissions themselves. Wind tunnels give results closer to those of the entire surface
when the wind speed in the tunnels is the same as those measured outside but tend to overestimate the
real fluxes due to the oasis effect.
A.2 Atmospheric methods
A.2.1 Mass-balance approaches
These methods which are based on a mass balance consist of measuring the flux of compounds entering
and leaving a volume of air above the soil surface being studied.
A.2.1.1 Integrated Horizontal Flux (IHF) method
A.2.1.1.1 General
The Integrated Horizontal Flux (IHF) is suitable for measuring the gaseous emissions from circular
sources with a diameter from about 20 m to about 40 m. IHF has been used mainly for measuring
ammonia volatilization from fields.
A.2.1.1.2 Operating principles
The method is based on mass balance by measuring the flux of compounds entering and leaving a
volume of air above the surface being studied (see Figure A.1). The difference between the input flux,
Fi, and the output flux, Fo, from the test volume is equal to the flux emitted from the surface, S. The lost
flux leaving the top of the test volume F is ignored, and should hence be minimised.
l
Key
1 wind
S is the emissions flux to be measured
Q is the input flux to the test volume (delimited by dashed lines)
i
Q is the output flux
o
Q is the lost flux through the top of the test volume
l
NOTE In this case, two masts measure the input and output fluxes. Each mast has an anemometer and a
concentration sensor for the compound at several different heights.
Figure A.1 — Integrated Horizontal Flux method
H
The horizontal flux Q (z) of a compound at a concentration C(z) at a given height z is equal to the
c
concentration multiplied by the wind velocity at this height v(z), which, taking the means, gives
Formula (A.3):
H
Qz()==Cz(),(vz)(Cz)(·vz)'+vc'(z) (A.3)
c
where the mean of the product is decomposed into the product of the means Cz() and vz() plus a term
vc''()z which represents the horizontal turbulent flux. The bars represent means over the period and
the primes represent the fluctuation around the mean.
Assuming that the term representing the turbulence is negligible, the horizontal flux can be measured
with an averaging concentration sensor and an anemometer. The IHF is estimated by measuring the
horizontal flux at several heights, as given by Formula (A.4):
∞ z
max
0→∞
QC= ()zv··()zzdd Cz() vz() z (A.4)
c
∫∫
As taking measurements at great heights is neither easy nor useful, a maximum height z is set, above
max
which the horizontal flux is considered to be negligible (approximately one tenth of the radius of the
source). There are several ways of estimating the integral, either directly by summing the values or by
fitting curves to the flux or concentration profiles (splines, logarithm, exponential, etc.).
Several variants of the IHF method have been developed. In general, circular plots are used for practical
purposes as they measure the IHF at the centre, regardless of the wind direction. The input flux can be
estimated from the background concentration for fields at some distance from the field that has been
treated and a uniform vertical concentration profile is assumed.
14 © ISO 2019 – All rights reserved
A.2.1.1.3 Operating principles
When implementing the method, the main work involves preparing the concentration sensors if acid
bubblers, denuders or passive diffusion samplers are used. The source area should be well delimited.
When background concentration is used, it may be useful to have three background concentration
[23]
sensors in case the wind direction changes. Wilson and Shum (1992) give more information on
implementation.
A.2.1.1.4 Validation and sources of uncertainty
[23]
Wilson and Shum (1992) tested this method using a Lagrangian stochastic model and considered that
it was accurate to about 20 %. IHF has been shown to overestimate ammonia emissions in comparison
with the new standard method of inverse modelling, for volatilization after spreading manure or slurry
[24]
on a field (Sintermann et al., 2012) . This overestimate comes from ignoring horizontal turbulent
airflow and the oasis effect which increases emissions.
A.2.1.2 The perimeter profile method
A.2.1.2.1 General
The perimeter profile method is similar to IHF and is based on mass balance. It is applied to plots by
taking measurements round the outside of the plot. A
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20951
Première édition
2019-06
Qualité du sol — Recommandations
sur les méthodes de mesure des gaz
à effet de serre (CO , N O, CH ) et des
2 2 4
flux d'ammoniac (NH ) entre les sols
et l'atmosphère
Soil Quality — Guidance on methods for measuring greenhouse gases
(CO , N O, CH ) and ammonia (NH ) fluxes between soils and the
2 2 4 3
atmosphere
Numéro de référence
©
ISO 2019
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Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Méthodes de mesure des flux de GES et d’ammoniac entre le sol et l’atmosphère .2
5 Mesurages de la concentration et prélèvement d’air . 5
5.1 Généralités . 5
5.2 Méthodes de mesure de la concentration . 5
5.3 Prélèvement d’air . 8
6 Choix des méthodes appropriées .10
7 Exigence minimale pour le compte-rendu .11
Annexe A (informative) Description des méthodes de mesure des flux .13
Annexe B (informative) Description des méthodes de mesure de la concentration .27
Annexe C (informative) Description des méthodes de prélèvement d’air .33
Bibliographie .37
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, de la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute autre information au sujet de
l’adhésion de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les
obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/iso/fr/avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le Comité technique ISO/TC 190, Qualité du sol.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
Introduction
Les émissions de gaz à effet de serre (GES) par les sols constituent un problème environnemental
majeur. Les inventaires d’émissions mondiaux et nationaux ont identifié les sols, en particulier les sols
agricoles, comme étant un contributeur majeur à ces émissions, notamment le protoxyde d’azote (N O),
le méthane (CH ) et le dioxyde de carbone (CO ) associés à la perte de matière organique du sol. Les sols
4 2
agricoles sont également des émetteurs majeurs d’ammoniac (NH ), qui est un précurseur du N O. Il
3 2
convient que les changements en matière de gestion des sols tiennent compte de ces émissions dans le
but de limiter le changement climatique.
Les GES et les flux d’ammoniac émis par le sol sont difficiles à mesurer, variables et hétérogènes, car
ils dépendent des conditions météorologiques (par exemple régimes thermique et hygrométrique), des
caractéristiques du sol (par exemple matériau parental du sol, pH, teneur en argile, capacité d’échange
d’ions) et, en ce qui concerne les sols exploités, par les pratiques agricoles et forestières (par exemple
gestion des résidus de culture et de bois, travail du sol avec ou sans labour, apports en matériau
d’amendement du sol et en engrais, irrigation). Généralement, ces facteurs interagissent et leurs effets
sur les émissions de GES sont encore mal quantifiés. Cela génère d’importantes incertitudes dans les
[1]
inventaires d’émissions agricoles mondiaux et nationaux. Par exemple, Freibauer (2008) a estimé
une incertitude à 80 % pour les émissions agricoles européennes (EU27) de N O. Avec le renforcement
des politiques climatiques internationales et régionales, il est nécessaire d’obtenir des informations
comparables et fiables pour rendre compte des émissions de GES, mais également d’adopter et de
vérifier des options de limitation.
Aucune norme ne traite du mesurage des émissions de GES et d’ammoniac par le sol. Cependant, plusieurs
méthodes de mesure ont été mises au point. Le présent document fournit des recommandations sur les
principales méthodes permettant de quantifier les échanges de gaz à effet de serre (CO , N O, CH ) et
2 2 4
d’ammoniac (NH ) entre les sols et l’atmosphère. Il est destiné à aider les utilisateurs à choisir la ou les
méthodes de mesure les plus adaptées à leurs besoins en fournissant des informations sur le domaine
d’application ainsi que les principaux avantages et inconvénients de chaque méthode.
NORME INTERNATIONALE ISO 20951:2019(F)
Qualité du sol — Recommandations sur les méthodes de
mesure des gaz à effet de serre (CO , N O, CH ) et des flux
2 2 4
d'ammoniac (NH ) entre les sols et l'atmosphère
1 Domaine d'application
Le présent document donne une vue d’ensemble et fournit des recommandations sur les principales
méthodes permettant de quantifier les échanges de gaz à effet de serre (CO , N O, CH ) et d’ammoniac
2 2 4
(NH ) entre les sols et l’atmosphère.
Il est destiné à aider les utilisateurs à choisir la ou les méthodes de mesure les plus adaptées à leurs
besoins en fournissant des informations sur le domaine d’application ainsi que les principaux avantages
et inconvénients de chaque méthode.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online Browsing Platform (OBP): disponible à l’adresse https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
méthode intrusive
méthode de mesure susceptible d’influencer les processus d’émissions
3.2
méthode du bilan de masse
méthode consistant à faire un bilan de masse, c’est-à-dire mesurer le flux de composés rentrant et
sortant d’un volume d’air situé au-dessus de la surface du sol étudiée
3.3
méthode micrométéorologique
méthode utilisant des analyses de la concentration atmosphérique du gaz étudié et des mesures
météorologiques telles que la vitesse du vent, les températures de l’air avec bulbe sec et humide, le
rayonnement net et les flux de chaleur
Note 1 à l'article: Ces techniques sont utilisées pour déterminer les flux à l’échelle du champ, et incluent la
covariance turbulente, le bilan énergétique, le la méthode du gradient aérodynamique et la méthode du bilan de
masse. Elles ne modifient pas les conditions environnementales.
3.4
effet oasis
effet provoqué par l’environnement local de la parcelle étudiée et affectant les émissions selon qu’elle se
situe dans un environnement ayant un niveau d’émissions élevé ou un niveau d’émissions faible
Note 1 à l'article: L’effet oasis n’affectera que les composés dont les flux sont provoqués par un équilibre
thermodynamique entre la surface et l’atmosphère (NH ).
4 Méthodes de mesure des flux de GES et d’ammoniac entre le sol et
l’atmosphère
Il existe des méthodes de mesure des flux d’ammoniac et de GES entre le sol et l’atmosphère pour
plusieurs conditions et résolutions spatiotemporelles (de moins d’une heure jusqu’à plusieurs jours,
de l’échantillon de sol jusqu’à plusieurs kilomètres carrés) (cet article). Les principales méthodes
impliquent en général le prélèvement d’air et la détermination de la concentration du ou des gaz étudiés.
Plusieurs méthodes de mesure de la concentration et de prélèvement d’air sont compatibles avec une
stratégie de mesure des flux (voir Article 5). Les méthodes utilisées et leur combinaison dépendent
de l’objectif d’utilisation des mesures, des qualifications des opérateurs et des ressources financières
disponibles (voir Article 6).
Deux stratégies principales peuvent être utilisées:
a) les méthodes des chambres, mesurant les flux à la source, et
b) les méthodes atmosphériques utilisées pour estimer les flux à distance de la source.
NOTE 1 Les méthodes des chambres sont des méthodes intrusives reposant sur l’utilisation de chambres
statiques ou dynamiques. Les chambres statiques et dynamiques peuvent uniquement quantifier les émissions
pour une petite portion de la source. Généralement, les flux varient dans le temps (variations des paramètres
météorologiques et saisonniers) et dans l’espace (différents sols et différentes conditions climatiques). Pour
l’extrapolation spatiale à l’échelle du champ, une stratégie de prélèvement utilisant plusieurs chambres est requise
pour refléter les variations d’émissions dans la zone. La structure spatiale des flux peut être déterminée en
effectuant des mesurages exploratoires avant le contrôle, ou en partant du principe que le flux variera en fonction
des propriétés du sol (par exemple texture, teneur en matière organique) ou caractéristiques topographiques (par
exemple position dans une pente). Ces méthodes peuvent également être appliquées en laboratoire pour déterminer
les émissions de gaz par des échantillons de sol, mais elles sont difficiles à extrapoler à l’échelle du champ.
NOTE 2 Les méthodes atmosphériques ne provoquent pas de perturbations. L’échange net est estimé en
mesurant les concentrations à distance de la source en parallèle de mesures micro-météorologiques (par
exemple vent, température de l’air). Les flux sont ensuite estimés à partir de ces mesures, à l’aide d’une méthode
du bilan de masse ou à l’aide de modèles. Certaines de ces méthodes sont assez difficiles à mettre en œuvre et sont
très liées aux conditions météorologiques. Il est généralement nécessaire d’avoir des connaissances en micro-
météorologie. Elles peuvent être utilisées pour caractériser l’émission globale de sources hétérogènes et diffuses
dans une zone donnée, sans permettre de distinguer les émissions propres à chacune des sources. En particulier,
les méthodes atmosphériques mesurent les contributions du sol et de la végétation, si la végétation est active.
Le Tableau 1 présente les différentes méthodes ainsi que leurs principaux avantages et inconvénients.
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Tableau 1 — Les différentes méthodes et leurs principaux avantages et inconvénients
Domaine d’application Principaux avantages Principaux inconvénients
Méthodes des chambres
Chambres sta- — Applicables aux — Faciles à mettre en œuvre — Méthode intrusive
tiques faibles flux modifiant les conditions
— Haute sensibilité même
d’émissions. Possibilité
— Principalement avec une faible fidélité
d’alterner les chambres
utilisées pour instrumentale
entre les emplacements
comparer les
(prévoir plusieurs bases
— Évaluation de la variabilité
traitements
de chambres) pour limiter
spatiale avec plusieurs
l’impact de la chambre
— Applicables sur chambres
sur l’environnement du
le terrain et en
sol et, par conséquent, les
— Principales méthodes de
laboratoire
émissions
mesure des flux avec de
— Petite surface (~m ) nombreuses références
— L’extrapolation spatiale
méthodologiques
des mesures requiert une
— Peuvent être
stratégie de prélèvement
a ut o m at i s é e s
à l’aide de plusieurs
pour suivre la
chambres avec des modèles
dynamique sur de
d’extrapolation spatiale et
courtes périodes
temporelle
— Gaz non réactifs
(CO , CH , N O)
2 4 2
Chambres dyna- — Comparaison des — Contrôle possible de la — Méthode intrusive
miques et tunnels traitements vitesse du vent modifiant les conditions
de ventilation d’émissions
— Applicables sur — À privilégier pour les gaz
le terrain et en réactifs tels que le NH — Résultats très difficiles à
laboratoire extrapoler en émissions
représentatives du champ
— Petite surface (~m )
— L’effet oasis peut augmenter
ou réduire le flux apparent
Méthodes atmosphériques
Tableau 1 (suite)
Domaine d’application Principaux avantages Principaux inconvénients
Méthodes du bilan — Suivi en continu — Faciles à mettre en œuvre — Nécessité d’un grand
de masse et peu onéreuses nombre de points de mesure
— Conditions réelles
— Méthode non intrusive — Concentration de fond à
— Comparaison des
mesurer avec exactitude
traitements — Peuvent être utilisées pour
des petites zones (quelques
dizaines de mètres carrés)
Modélisation — Facile à mettre en œuvre et — Convient pour les
inverse peu onéreuse principales sources
d’émissions homogènes
— Méthode non intrusive
ayant des concentrations de
fond faibles et relativement
— Faible nombre de points
constantes
de mesure
— Ne convient pas pour les
— Peut être utilisée pour
zones couvertes de haies ou
estimer les émissions
d’arbres isolés ou dont la
de plusieurs sources
rugosité de surface change
simultanément, si le
significativement
nombre de capteurs est
suffisant (n+1, où n est le
— Le déploiement sur de
nombre de sources).
longues périodes avec
des changements de
direction du vent nécessite
plusieurs points de mesure
pour couvrir toutes les
directions du vent
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Tableau 1 (suite)
Domaine d’application Principaux avantages Principaux inconvénients
Gradient aérody- — Suivi en continu — Méthode non intrusive — Difficile à mettre en œuvre
namique et onéreux
— Conditions réelles — Mesure le flux directement
depuis la surface — Implique une grande surface
— Permet de
émettrice homogène
mesurer le dépôt — Peut être utilisé pour
atmosphérique suivre plusieurs sources
Covariance tur- — Applicable aux grandes — Très difficile à mettre en
bulente ou «Eddy zones (>1 ha) œuvre et onéreuse
covariance»
— Méthode non intrusive — Implique une surface
émettrice homogène. Des
méthodes de distinction
des différentes surfaces
émettrices par analyse de
l’empreinte des flux sont
en cours de développement
(voir, par exemple, Cowan
[2]
et al. 2016 ; Bureau et al.
[3]
2017 ).
— Nécessite des capteurs
rapides pour le vent et les
concentrations en gaz, mais
des méthodes dérivées de
la covariance turbulente,
notamment la covariance
turbulente disjointe (DEC),
ont été mises au point
pour mesurer les flux sans
analyseurs rapides
— En cours de développement,
pour les gaz réactifs tels
que le NH
— Sous-estimation des flux
lorsque les turbulences sont
faibles, notamment la nuit
5 Mesurages de la concentration et prélèvement d’air
5.1 Généralités
Les méthodes de mesure de l’échange sol-atmosphère de GES et d’ammoniac impliquent la détermination
des concentrations en gaz, en volumes d’air. Il existe plusieurs méthodes permettant de déterminer
les concentrations, impliquant le prélèvement d’air si nécessaire. Elles sont caractérisées par l’espèce
chimique qu’elles peuvent détecter et par leurs limites de détection, leur fréquence d’acquisition, leur
fidélité, leur coût et leur facilité d’utilisation.
5.2 Méthodes de mesure de la concentration
Deux types de méthodes de mesure de la concentration (Tableau 2) peuvent être utilisés pour n’importe
quel type de gaz étudié:
— Méthodes physiques (spectroscopie d’absorption). Les principales caractéristiques de ces méthodes
sont leur temps de réponse très court, leur sensibilité et la possibilité de contrôler la dynamique de
concentration en temps réel (en contrôlant éventuellement plusieurs gaz ayant différents niveaux
de concentration en même temps). Des techniques en circuit ouvert permettent de mesurer les
concentrations gazeuses directement dans l’atmosphère.
— Mét hodes chimiques (chromatog raphie en phase gazeuse, dosages en laboratoire, chimiluminescence).
Ces méthodes conviennent pour les mesurages ad hoc ou pour les mesurages intégrés sur des
périodes allant de quelques minutes à quelques semaines. Par conséquent, elles conviennent moins
bien au suivi de la dynamique temporelle de concentration. En outre, la plupart de ces méthodes
sont sélectives et ne peuvent pas être utilisées pour mesurer plusieurs gaz en même temps avec le
même appareil.
L’Annexe B indique les méthodes de mesure de la concentration.
Tableau 2 — Méthodes de mesure de la concentration
Domaine d’applica-
Méthode Avantages Inconvénients
tion
Méthodes chimiques
Chromatographie en — Gaz CO, CH , — Technique bien connue, — Peut être utilisée sur le
2 4
phase gazeuse N O, NH matériel commercial terrain pour les mesurages
2 3
disponible continus, mais présente des
— Convient pour
inconvénients logistiques et
les méthodes — Haute sensibilité et faible
des coûts de fonctionnement
des chambres et limite de détection (de
élevés (bouteilles de gaz
atmosphériques, l’ordre des ppm pour les
vecteur, gaz de référence,
sauf la CO et des ppb pour le N O,
2 2 intervention quotidienne des
co v a r ia n ce NH et CH )
3 4 opérateurs et maintien des
turbulente
conditions ambiantes)
— Peut être utilisée pour
quantifier plusieurs espèces
chimiques en même temps
— Peut être utilisée en cas
de fortes fluctuations de
concentrations
— Convient pour les petits
volumes d’échantillons
— Facilement automatisée
Chimiluminescence — Gaz NH — Haute sensibilité de l’ordre — Étalonnage fréquent
des ppb pour le NH
— Convient pour — Les interférences peuvent
les méthodes — Temps de réponse rapide être problématiques pour
des chambres (de l’ordre de 0,1 s) avec les faibles concentrations en
dynamiques et acquisition rapide des zones rurales
atmosphériques données
— Convient particulièrement
pour une utilisation avec la
méthode des covariances
turbulentes
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Tableau 2 (suite)
Domaine d’applica-
Méthode Avantages Inconvénients
tion
+
Dosage en labora- — NH piégé — Vitesse d’analyse élevée (40 — Il convient de tenir compte
toire de l’ammonium dans la solution à 60 échantillons par heure) des interférences avec
+
(NH ) en solution (échantillonneur d’autres gaz si les échantillons
— Robuste
passif à sont très acides (par exemple
-
d i f f u s ion , s’ils ont été piégés dans une
— Bonne reproductibilité
denuders et solution acide)
Analyseurs en flux
piégeage de
continu (CFA)
l’ammoniac dans
Dosage en labora- — Peut être utilisé pour — Temps d’analyse long
une solution
toire de l’ammonium doser tous les principaux (4 échantillons par heure)
acide)
+
(NH ) en solution cations en même temps que
— Interférences avec d’autres
l’ammonium
-
gaz si l’échantillon contient un
— Reproductible grand nombre de cations
Chromatographie en
phase liquide
Dosage en labora- — Facile à mettre en œuvre — Temps d’analyse long (5 à
toire de l’ammonium 12 échantillons par heure)
+ — Faible coût
(NH ) en solution
-
— Petits échantillons
Conductivité
— Vaste gamme de mesure et
limite de détection basse
— Bonne reproductibilité
Méthodes physiques
Tableau 2 (suite)
Domaine d’applica-
Méthode Avantages Inconvénients
tion
Spectroscopie d’ab- — Gaz CO, CH , — Haute sensibilité en fonction — Risque d’interférences
2 4
sorption infrarouge N O, NH de l’instrument et du gaz
2 3
— Sensible aux conditions
à transformée de (par exemple <1 ppb pour le
— Techniques en ambiantes
Fourier et photoa- N O et CO )
2 2
circuit fermé et
coustique
— Étalonnage fréquent pour
en circuit ouvert— Peut mesurer plusieurs
certains analyseurs mais
composés en même temps
— Toutes les faible dérive annuelle pour
méthodes des — Temps de réponse rapide d’autres
chambres et et acquisition rapide des
atmosphériques données
— Matériel standard pour gaz
à effet de serre
— Peut être utilisée en cas
de fortes fluctuations de
concentrations
— Méthode standard pour
Spectroscopie
d’absorption laser l’évaluation quantitative des
(TDLAS, OA-ICOS, traces de gaz
a
CRDS)
— Temps de réponse rapide
(de l’ordre de 0,1 s) avec
acquisition rapide des
données
— Très haute sensibilité
(généralement, 0,01 ppb
pour le N O, 2 ppb pour le
CH , 1,5 ppb pour le NH à
4 3
1 Hz)
— Haute sélectivité et faible
risque d’interférences, en
particulier avec le laser à
cascade quantique (QCL)
Spectroscopie — Gaz CO, CH , — Temps de réponse rapide — Les mesurages sont affectés
2 4
d’absorption optique N O, NH (<1 s) avec acquisition par une mauvaise visibilité
2 3
différentielle rapide des données (par exemple brouillard,
— Techniques en
neige) et les nuages si la
circuit ouvert — Très haute sensibilité
source de lumière est le soleil
(air ambiant) (<1 ppb)
— Risque d’interférences
— Méthodes
atmosphériques
a
TDLAS: Spectroscopie d’absorption par diode laser accordable; OA-ICOS: Spectroscopie d’absorption en cavité
résonante hors d’axe; CRDS: Spectroscopie par temps de déclin d’une cavité optique.
5.3 Prélèvement d’air
Bien souvent, la détermination de la concentration gazeuse implique le prélèvement d’un volume d’air
avant l’analyse. Plusieurs méthodes de prélèvement de gaz dépendent des stratégies adoptées et des
méthodes utilisées pour déterminer les concentrations.
Le Tableau 3 présente les différentes méthodes ainsi que leurs principaux avantages et inconvénients.
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Tableau 3 — Méthodes de prélèvement d’air
Domaine d’applica-
Méthode Avantages Inconvénients
tion
Échantillonneurs — Gaz réactif (NH ) — Faciles à mettre en œuvre — Donnent une concentration
passifs à diffusion moyenne sur le temps
— Mesurage intégré — Haute sensibilité pour le
d’exposition
dans le temps NH , en particulier dans
de faibles concentrations — Ne peuvent être utilisés que
— Modélisation
sur de longues périodes de
inverse et bilan de
quelques heures à quelques
masse (méthodes
semaines
atmosphériques)
— Certains échantillonneurs
peuvent être affectés par la
poussière
— Le coût total du mesurage
peut être proche de celui
d’un analyseur automatique
lorsque les mesurages
doivent être répétés sur une
longue période
— Nécessitent une intervention
manuelle pour chaque
mesurage
Tubes denuders — Gaz réactif (NH ) — Faciles à mettre en œuvre — Donnent une concentration
moyenne sur le temps
— Mesurage intégré — Haute sensibilité,
d’exposition
dans le temps peuvent être adaptés aux
concentrations prévues — Nécessitent une intervention
— Méthodes des
manuelle pour chaque
c h a m b r e s , — Préférables aux
mesurage
m o dé l i s a t ion échantillonneurs passifs à
inverse, bilan diffusion pour de courtes
de masse et périodes de prélèvement
a c c u m u l a t io n (de quelques minutes à
t u r b u l e n t e environ une heure)
r e l â c h é e
— Permettent de recueillir
(méthode dérivée
une vaste gamme de
des covariances
composés sur une
turbulentes)
durée de prélèvement
relativement courte
Piégeage du NH — NH (c.-à-d. NH + — Robuste — Processus chronophage et
3 3 4
dans une solution en solution) difficile à automatiser
— Haute sensibilité
acide
— Mesurage intégré — Non approprié pour le
— Peut être adapté aux
dans le temps contrôle à haute résolution
concentrations prévues
temporelle
— Méthodes des et à la période de
chambres prélèvement — Risque d’interférences de
la part d’autres espèces
— Modélisation
absorbables contenant de
inverse et bilan de
l’azote (par exemple amines
masse (méthodes
volatiles).
atmosphériques)
— Nécessite une intervention
manuelle pour chaque
mesurage
Tableau 3 (suite)
Domaine d’applica-
Méthode Avantages Inconvénients
tion
Méthodes de prélè- — Échantillon d'air — Les échantillons d’air — L’installation ou le
vement en continu peuvent être analysés in déplacement du système de
— Suivi en continu
pour l’analyse en situ, en temps réel et en prélèvement peut prendre
temps réel continu sur de longues du temps
— Haute résolution
périodes de temps (haute
temporelle
— La tuyauterie doit être
résolution temporelle)
protégée contre la poussière
— Toutes les
— Les échantillons et la condensation
méthodes des
peuvent être prélevés
chambres et
— Pour les systèmes
sur différents points de
atmosphériques
d’aspiration, il convient
prélèvement à la suite sur
qu’il n’y ait aucune fuite
le même site
susceptible de diluer ou de
contaminer les échantillons
de gaz entre le point de
prélèvement et l’analyseur
Tubes ou sacs de — Échantillon d'air — Peuvent être utilisés — Les variations de pression
prélèvement pour conserver des peuvent compromettre
— Analyse différée
échantillons de composés l’étanchéité au gaz des flacons
non réactifs pendant
— Méthode de la
plusieurs jours à plusieurs
chambre statique
semaines avant l’analyse
et accumulation
t u r b u l e n t e
— Applicables lorsque
r e l â c h é e
le mesurage de la
(méthode dérivée
concentration est
des covariances
inapproprié ou impossible
turbulentes)
à effectuer dans les
conditions in situ
L’Annexe C décrit des méthodes de prélèvement d’air.
6 Choix des méthodes appropriées
Le fait de pouvoir quantifier les émissions permet de comparer les émissions de plusieurs processus,
d’estimer les facteurs d’émissions représentatifs, de contrôler et de vérifier la conformité aux limites
d’émissions, etc. Les méthodes utilisées et leur combinaison dépendent de l’objectif des mesurages, de
l’expertise des opérateurs et des ressources financières disponibles. Par exemple, les recherches sur
les processus sous-jacents peuvent nécessiter une méthode différente de celle utilisée pour obtenir les
émissions totales annuelles. Étant donné que les différentes méthodes de mesure des émissions ont
différentes caractéristiques, il convient qu’une méthode appropriée soit choisie en fonction de divers
critères: limite de détection et de sensibilité requise, mesurages sur le terrain ou en laboratoire, coûts
de maintenance et du matériel, zone géographique à couvrir, comparaison des modalités ou contrôle du
site. Il convient également que la stratégie de prélèvement soit adaptée au gaz concerné. Par exemple, le
flux de N O du sol a différents circuits de sortie (impliquant des processus biologiques) et différentes
dynamiques que le flux d’ammoniac (NH ) (impliquant des processus physiques et chimiques
principalement).
Le Tableau 4 présente plusieurs applications publiées des méthodes de mesure des flux en fonction de
leurs objectifs. L’Annexe A décrit ces méthodes.
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Tableau 4 — Exemples d’applications de méthodes de mesure des flux en fonction de leurs
objectifs
Références Méthode de mesure des flux Objectif
[4]
de Klein et Harvey (2015) , Mesurer les émissions de N O sur le terrain
Chambres statiques
[5]
Loubet et al. (2011) et étudier leurs variabilités spatiales
Mesurer les émissions de N O et CH dans les
2 4
[6]
Minamikawa et al. (2015) Chambres statiques
rizières
Déterminer l’influence de différents facteurs
(par exemple vitesse du vent, propriétés du
[7]
Sommer et al. (1991) Tunnels de ventilation sol, température de l’air, pratiques agricoles)
sur les émissions d’ammoniac par le sol dans
des conditions contrôlées
[8]
Laville et al. (1997) ; Aubi-
Mesurer l’échange net sol-atmosphère des
[9]
net et al. (2012) ; Eugster et
Covariance turbulente GES du champ et étudier les processus pédo-
[10]
Merbold (2014) ; Cowan et
logiques et les pratiques agricoles impliqués
[2]
al. (2016)
[11]
VERA (2009) , Sintermann
Mesurer les émissions d’ammoniac après
[12]
et al. (2011) , Carozzi et Méthode du bilan de masse,
l’épandage de fumier ou d’engrais dans des
[13]
al. (2013) , Ferrara et al. modélisation inverse
conditions in situ
[14]
(2014)
Étudier la dynamique à court terme des
[15]
Personne et al. (2015) Gradient aérodynamique
émissions d’ammoniac
7 Exigence minimale pour le compte-rendu
Le compte-rendu est important pour évaluer la robustesse des données d’émissions. Il est
particulièrement indispensable si ces données sont collectées pour des méta-analyses ou des
intercomparaisons, ou pour le calcul des facteurs d’émissions. De plus, il est généralement admis que
des mesurages supplémentaires doivent être effectués lors du contrôle des flux, pour interpréter les
résultats en fonction des conditions (température et humidité de surface, rayonnement incident, etc.).
Il convient de consigner au moins les informations suivantes:
— les sites expérimentaux, notamment l’emplacement (par exemple latitude, longitude, altitude),
les propriétés du sol (par exemple type de sol, texture, masse volumique apparente, pH, carbone
organique, azote disponible, azote total) et les occupations actuelles et antérieures (par exemple
protection des cultures, couverture du sol). Une exploitation récente peut fortement affecter
l’échange gazeux sol-atmosphère. Par exemple, le labour du sol et la fertilisation azotée peuvent
entraîner une hausse rapide et temporaire des émissions d’azote. Il convient également de consigner
les propriétés des engrais et des matériaux d’amendement du sol (par exemple type, azote total,
azote minéral, pH, carbone organique, matière sèche, rapport carbone/azote);
— la méthodologie, y compris les informations sur le traitement (par exemple réplicats si la
méthodologie n’est pas spatialement intégrative), les méthodes de mesure (émission de gaz et
concentration en gaz), zone de la surface émettrice, matériel (par exemple modèle, fidélité), durée
du contrôle, programme et méthode de prélèvement, concentration gazeuse de fond);
NOTE 1 En ce qui concerne la méthode de mesure des flux, il faut consigner des informations sur le matériel
utilisé pour estimer les variables nécessaires au calcul des éléments suivants: (1) vitesse d’accumulation relative
aux méthodes des chambres (volume de l’espace de tête et dispositifs de contrôle/mesure du débit d’air, (2)
bilans de masse relatifs aux méthodes du bilan de masse (dispositif de mesure de la vitesse du vent et modèle
et (3) coefficient d’échange relatif à la modélisation inverse, au gradient aérodynamique et à la méthode des
covariances turbulentes (dispositif de mesure de la vitesse du vent et modèle).
NOTE 2 En ce qui concerne les mesurages de la concentration en gaz et le prélèvement d’air, des informations
sur (1) le matériel utilisé pour l’analyse des gaz et ses performances (par exemple limite de détection, fidélité),
(2) la stratégie de prélèvement d’air (par exemple direct ou indirect, récipients, continu ou sporadique, fréquence)
et (3) la manipulation et la conservation des échantillons (par exemple durée et conditions de conservation) sont
consignées.
— les mesurages auxiliaires, y compris les conditions pédologiques et météorologiques (par exemple
teneur en eau du sol, température du sol, température de l’air, précipitations, vitesse et direction du
vent). Ces données sont indispensables pour analyser et interpréter les résultats;
— l’analyse des données (méthode de calcul des flux, estimation des erreurs, contrôle qualité).
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Annexe A
(informative)
Description des méthodes de mesure des flux
A.1 Méthodes des chambres
A.1.1 Chambres dynamiques ou statiques
A.1.1.1 Généralités
Cette méthode est utilisée pour mesurer les émissions de gaz non réactifs à l’échelle locale, généralement
pour les zones inférieures à un mètre carré. Le protoxyde d’azote (N O), le dioxyde de carbone (CO )
2 2
et le méthane (CH ) peuvent être mesurés à l’aide de chambres statiques. Elle ne convient pas aux
composés dont les émissions sont provoquées par un équilibre thermodynamique entre la surface et
l’atmosphère.
A.1.1.2 Principes de fonctionnement
Cette méthode estime les flux d’une source d’après la dynamique d’accumulation (dC/dt) des gaz à
l’intérieur d’une chambre hermétique placée à la surface de la source. La limite de détection dépend du
rapport entre le volume, V, et la surface, A, de la chambre, de l’analyseur de gaz et du temps d’intégration.
La durée du mesurage peut varier de quelques minutes à quelques heures. Pour un système parfaitement
hermétique soumis à aucune influence extérieure, l’accumulation est proche de la linéarité lorsque la
chambre est utilisée et les flux de gaz, Q, sont, par conséquent, proportionnels à la pente d’accumulation
(dC/dt ou a) comme indiqué dans la Formula (A.1):
V dC V
Q== a (A.1)
A dt A
Cette méthode permet de mesurer les flux positifs et négatifs. Selon le type de source étudié, il convient
d’utiliser des chambres relativement grandes (surface au sol d’une fraction significative d’un mètre
carré) pour tenir compte de la variabilité spatiale des flux et il convient d’effectuer plusieurs mesurages
pour obtenir des valeurs représentatives pour les flux à l’échelle de la source d’émissions considérée.
Bien que la méthode des chambres statiques soit l’une des principales méthodes de mesure des flux
[4]
abordées par de nombreuses références méthodologiques (de Klein et Harvey, 2015 ; Minamikawa
[6] [16] [17]
et al., 2015 ; Hutchinson et Livingston, 2002 ; Livingston et Hutchinson, 1995 ), elle n’est pas
normalisée.
A.1.1.3 Mise en œuvre
Les chambres statiques sont relativement faciles à utiliser en fonction de la méthode d’analyse de la
[18]
concentration utilisée (Rochette et Eriksen-Hamel, 2008 ). La chambre statique peut être raccordée
à un analyseur de gaz en ligne pour l’analyse en temps réel ou utilise des pièges pour l’échantillonnage
instantané ou intégratif. Pour l’analyse en temps réel, les concentrations en gaz à effet de serre (CH ,
N O, CO ) peuvent être détectées par spectroscopie infrarouge. Pour les systèmes à pièges, les gaz
2 2
peuvent également être dosés par chromatographie en phase gazeuse. Si des échantillons sont prélevés
de la chambre en vue d’une analyse ultérieure, ils peuvent être conservés dans de petits flacons
préalablement vidés ou purgés (quelques millilitres). L’ouverture et la fermeture de la chambre peuvent
être automatisées pour réduire au minimum sa manipulation, pour augmenter la résolution temporelle
des mesurages et pour prélever des conditions spécifiques (par exemple température du sol, événement
pluvieux).
Les chambres statiques sont une méthode intrusive qui modifie les conditions d’émissions à la surface
du sol, en particulier en modifiant les turbulences, les variations de pression et les différences de
[19]
concentration entre le sol et l’atmosphère (Matthias et al., 1978 ). D’après la théorie de diffusion
gazeuse, l’augmentation à l’intérieur de la chambre pendant le déploiement ne serait pas linéaire, et
[20]
certains modèles non linéaires ont été proposés (Healy et al., 1996 ). Pour réduire au minimum
ces effets et pour pouvoir utiliser une approximation linéaire, il est important de limiter le temps du
mesurage, de s’assurer que le gaz est soigneusement mélangé à l’intérieur de la chambre (par exemple
turbine, mélange avec une seringue de prélèvement), d’enfoncer les chambres dans le sol ou dans
un substrat pour empêcher toute diffusion latérale, de prévoir un orifice de sortie qui équilibrera la
pression à l’intérieur de la chambre avec la pression extérieure et d’introduire la base de la chambre
[4]
dans le sol au moins 24 h avant le premier échantillonnage. De Klein et Harvey (2015) donnent des
recommandations sur le modèle de chambre, la mise en œuvre et le traitement des données pour
optimiser la détectabilité des flux et réduire au minimum tout artéfact de mesure.
A.1.1.4 Validation et sources d’incertitude
Les mesures peuvent être vérifiées visuellement ou statistiquement. La représentation graphique de la
concentration en fonction du temps permet de vérifier la linéarité: le coefficient de détermination R est
couramment utilisé comme estimation et la pente maximale peut également être prise en compte. Le
niveau de fidélité de mesure des flux dépend directement de la fidélité de l’analyseur et des conditions
de mesure (fuites, durée) ainsi que de l’estimation du rapport V/A. Le seuil de détection de la méthode
peut être évalué d’après l’erreur calculée relative à la détermination de la pente. Il est inversement
proportionnel à la racine carrée du nombre de mesurages et dépend de la sensibilité de l’analyseur et du
rapport V/A. Le seuil de détection peut être réduit au minimum en trouvant un bon compromis entre la
longueur pour laquelle la chambre est déployée, la sensibilité de l’analyseur et la hauteur de la chambre.
A.1.2 Chambres dynamiques et tunnels de ventilation
A.1.2.1 Généralités
Les chambres dynamiques à circulation contrôlée d’air et les tunnels de ventilation peuvent être utilisés
pour n’importe quel gaz. Ils sont généralement utilisés pour caractériser les émissions de composés
réactifs comme l’ammoniac, pour les petites zones (de l’ordre de 1 mètre carré). Ils peuvent être utilisés
pour mesurer les émissions en laboratoire, dans des conditions souvent très contrôlées, et in situ. Cette
méthode convient pour les expériences de comparaison de différents traitements.
A.1.2.2 Principes de fonctionnement
Une petite surface est balayée avec un débit d’air contrôlé sous un tunnel recouvrant cette surface. Le
débit d’air est imposé. Il peut simuler le vent, l’un des principaux facteurs expliquant la volatilisation
−2 −1
ammoniacale. Le flux Q (µg·m ·s ) d’un composé est déterminé d’après la différence de concentration
s
entre l’entrée et la sortie du tunnel, comme indiqué dans la Formula (A.2):
CC−
()
oi
Qq=× (A.2)
s
A
où
−3
C et C (µg·m ) sont les concentrations du composé d’intérêt à la sortie et à l’entrée du tunnel,
o i
respectivement;
3 −1
q (m ·s ) est le débit d’air dans le tunnel;
A (m ) est la surface couverte par le tunnel.
La composante turbulente du débit d’air n’est pas prise en compte.
14 © ISO 2019 – Tous droits réservés
A.1.2.3 Mise en œuvre
Bien que les tunnels et les chambres soient portables, cette méthode peut être relativement difficile
à mettre en œuvre in situ: la pompe doit être raccordée à une alimentation électrique. Pour inclure
les effets des pluies ou des cultures sur le sol, il convient que ceux-ci soient simulés manuellement à
l’intérieur des tunnels, avec le risque de ne pas les reproduire correctement, ou les tunnels peuvent
être ouverts automatiquement pendant un certain temps. Les tunnels peuvent également être déplacés
régulièrement sur la surface mesurée.
Les concentrations peuvent être déterminées à l’aide d’analyseurs en ligne tels que les analyseurs
à infrarouge, pour mesurer plusieurs points en même temps sur des périodes intégratives allant de
quelques heures (juste après l’épandage de fumier, par exemple), quelques jours (pour les périodes suivant
l’épandage pendant lesquelles les flux sont censés être moins élevés) à quelques semaines ou mois.
A.1.2.4 Validation et sources d’incertitude
Le posit
...
Questions, Comments and Discussion
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