다른 유형의 연구에 샘플링 토양 플롯
Summary
전통적인 토양 샘플링 절차 임의로 토양 샘플의 수를 결정합니다. 효율적인 클러스터 토양 샘플링 디자인 토양 공간이 고 양적 필요한 토양 샘플 및 관련된 샘플링 정확도의 수를 결정을 아직 여기, 우리 간단 하 게 제공 합니다.
Abstract
토양은 매우 이질적인. 일반적으로, 토양 연구에 필요한 토양 샘플의 수는 임의로 결정 항상 고 관련된 정확도 알 수 없습니다. 여기, 우리는 효율적이 고 클러스터 토양 연구 줄거리에 샘플링 하 고,이 디자인을 사용 하 여 토양 공간이 시연 및 알리는 적절 한 샘플 크기와 연결에 대 한 파일럿 샘플링에 의존에 대 한 자세한 프로토콜 제시 미래의 연구입니다. 프로토콜은 주로 4 단계 구성: 샘플링 설계, 필드 컬렉션, 토양 분석, 및 geostatistical 분석. 단계별 절차는 전 간행물에 따라 수정 됩니다. 두 가지 예는 토양 유기 탄소 (SOC) 및 다른 관리 관행에서 토양 미생물 바이오 매스 탄소 (MBC)의 대조 공간 분포를 보여 주기 위해 표시 됩니다. 또한, 우리는 샘플 크기 요구 사항 (SSR) 주어진 편차 (CV)의 작 수준 계수에 따라 정확도의 특정 수준을 결정 하는 전략을 제시. 필드 샘플링 프로토콜 및 샘플 크기의 양적 결정 연구원 연구 요구 및 자원의 가용성에 맞게 가능한 샘플링 전략 추구 도움이 됩니다.
Introduction
토양에는 매우 이질적인 생체1,2입니다. 토양 샘플링은 가장 대표적인 샘플을 수집 하 고 정확 하 게 그리고 싸게 가능한 필드의 영양 상태를 특성화 위해 수행 됩니다. 변화는 토양에서 토양 공간이 고 정량화의 정확성에 있다. 토양에 있는 공간 변이 고려 사항으로 촬영 되지 않습니다, 토양 분석 자체는 매우 정확한3경우에 토양 변수의 진정한 의미 가치에서 상당한 출발에 일반적인 토양 샘플링 될 수 있습니다. 다른 유형의 연구 음모에 대 한 다양성은3; 의미 보다 더 많은 중요성의 자주 즉, 정확 하 게 모두 변화를 측정 하 고 의미 수 있는 샘플링 디자인 선호 될 것입니다.
토지 관리 관행4,,56으로 인해 토양 공간 변형 변경 추가 하는 경우는 정확한 방식으로 샘플링 하는 토양을 더 어렵습니다. 그럼에도 불구 하 고, 우려 또한 주요 토양 변수 (예를 들어, SOC 및 MBC)의 큰 변화에 관해서는 발생7 장기 글로벌 토양 모델에 대 한 중요 한 주요 모델 매개 변수 가난한 제약을 전파 되는 기후 아래 계획 변경8,,910. 토양 샘플링 필드 변화 특성을 비용으로 핵심 문제, 간단 하 고 신뢰할 수 있는, 효율적인 토양 샘플링 전략 모색입니다.
가지가 많은 다른 연구 음모, 대표 토양 샘플을 수집 하 고 그들의 이점 및 불리는 표 1에 요약 된다. 전통적인 토양 샘플링에서 (즉, 간단 하 고 무작위 샘플링), 10 개 이상의 토양 샘플을 몇 가지 임의의 컬렉션 연구 플롯에서 수행 됩니다. 특히, 전통적인 토양 샘플링 디자인 샘플 수가 항상 임의로 결정 하 고 관련 된 샘플링 오류 (즉, 정확도) 알 수 없는 남아 있다.
| 샘플링 설계 | 이점 | 단점 |
| 간단 하 고 무작위 샘플링 | 비용 효과적인, 신속 저렴, 널리 채택, 쉬운 작업, 동종 사이트에 최적의 | 낮은 정확도 및 높은 변형, < 5 샘플 |
| 체계적 샘플링 | 높은 정확도 및 알려진된 변형, 대규모 이기종 사이트에서 최적의 | 비용된 효과, 큰 샘플 수 |
| 층 화 샘플링 | 정확한 의미 견적, 상대적으로 쉬운 작업, 층 화와 지역에 대 한 최적의 | 비용된 효과, 큰 샘플 번호 (일반적으로 보다 체계적인/그리드 샘플링) |
| 합성 | 비용 효과적이 고, 정확한 의미 견적, 쉬운 가동, 다른 유형의 사이트에 최적의 | 알 수 없는 필드 변형 > 합성에 대 한 3 샘플 |
표 1: 주요 토양 샘플링 토양 연구 커뮤니티에서 채택 하는 디자인의 장단점. 테이블에서 황갈색 외. 요약 되어 3, 존스12, 스 웬 슨 외. 11
간단 하 고 무작위 샘플링 또는 합성에 비해 체계적이 고 층 화 샘플링 디자인 관련된 변화 (표 1)와 함께 높은 정확도 가진 의미를 얻을 수 있습니다. 그러나, 그들은 집중 토양 샘플링 (예를 들어, 몇 가지 100 샘플) 필요 합니다. 비록 더 많은 토양 샘플 정확도, 그리고에, 토양 시험 수준 증가 자신감 음모11당 수집, 토양 샘플의 많은 수에 대 한 요구는 일반적으로에 적용 한 대규모 연구5,11 ; 그것은 대부분 토양 연구 프로젝트 자원에서 제약으로 인해 필드 플롯의 규모에서의 경제성을 넘어 잘입니다. 이러한 다른 방법의 장단점을 균형을 샘플링 디자인 선호 된다.
토양 샘플링 디자인에 대 한 중요 한 문제는 필요한 토양 샘플 및 연구 질문 및 필드 조건 관련된 정확도의 수를 결정 하는. 예를 들어, 토양 샘플의 수에 있는 감소 여전히 정밀6, 명시적으로 (즉, 자연 및 발생의 공간이 계량 필요가 제안의 동일한 수준을 달성 하는 동안 덜 방해 사이트에서 가능 하다 샘플링3토양의 토양 변화) 사전 사실, 이러한 파일럿 샘플링은 대부분 토양 샘플링 디자인에 것이 좋습니다. 필드 과학자 들은 자주 그들이 실험을 설계할 때 통계적 인 힘을 추정의 중요성을 인식 하지.
토양 샘플링 실험 경직 개선, 간단 하 고 효율적인 샘플링 방법은 본이 연구에서 제공 됩니다. 새로운 디자인 한다 토양 영양 수준 및 다양성의 정확한 특성화를 활성화 뿐만 아니라 또한, 토양 공간이 성분에 대 한 고려를 하 여 토양 샘플 및 관련된 샘플링 정확도의 번호를 알려 하는 양적 방법을 제공합니다 미래의 연구 대 한. 새로운 토양 샘플링 디자인 연구자 자신의 연구와 필요에 맞게 옵션 전략을 식별 도움이 됩니다. 이 방법의 전반적인 목표는 토양 biogeochemists 및 생태학 분야 연구의 맥락에서 토양 샘플링 전략을 최적화 하기 위해 양적 및 속임수 접근 제공 하는 것입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
전통적인 토양 샘플링 방법 양적으로 부족 고 알 수 없는 정확도, 더 고급 샘플링 전략 집중 토양 컬렉션을 포함 하 고 감당할 수 없는 비용 필드 플롯 축척에서 대부분 토양 연구를 유도. 간단 하 고, 신뢰할 수 있는 샘플링 디자인 하 균형 두 앞서 언급 한 방법, 더 중요 한 것은, 미래 샘플링 요구를 위해 특정 정확도 따라 필요한 수를 결정 하는 양적 방법 유용한 도구 이어야 한다. 그러나, 이러한 샘플링 디자인은 아직 없습니다. 여기, 토양 공간이 척도를 클러스터 된 샘플링 절차를 조작 하는 방법을 제시 했다,이 디자인에 의존, 토양 샘플의 수를에 필요한 / 특정 정확도에서 미래의 샘플링. 프로토콜 내에서 두 가지 중요 한 단계가 있습니다. 처음은 샘플링 영역을 결정 하 고 주어진된 그림 영역에 샘플링 영역을 식별 하는 것입니다. 차원 및 특정 연구 음모의 형태는 다른 한 연구에서 변화할 수 있다, 때문에 수와 샘플링 영역을 나타내는 사각형 격자의 길이 플롯 특성에 가장 적합 하 고 가능한 한 많이 그림 영역을 커버 하도록 수정 한다. 일반적으로, 정사각형 격자의 수 주어진된 플롯에서 24-30 토양 샘플을 수집할 것입니다 10 8 제한 되어야 합니다. 이 요구 사항은 샘플링 덜 집중 음모에 파일럿 연구에 대 한 허용 됩니다. 두 번째 중요 한 단계에서 특정 정확도 필요 샘플 수를 결정 하는. 원하는 정확도에서 토양 샘플의 수에서 파일럿 샘플링 전략에 따라 파생 될 수 있다, 다른 사용 가능한 리소스 (예를 들어, 노동, 비용, 및 인원) 설명 될 필요가 있다. 원하는 정확도에 필요한 토양 샘플의 수를 초과 하면 경제성, 토양 샘플의 수를 다시 계산 될 수 있도록 원하는 정확도 인하 한다. 다시 계산 최적 원하는 정확도 사용 가능한 리소스의 균형을 얻을 때까지 반복 한다.
프로토콜 특정 모양, 지역, 및 연구 작의 위치에 맞게 쉽게 수정할 수 있습니다. 불규칙 한 음모 또는 매우 크거나 작은 그림 영역 내 에서도 그림 영역의 대부분을 커버 하 사각형 모눈의 크기를 제어 하 여 절차를 수행할 수 있습니다. 다른 한편으로 때 토양 샘플 음모에 원형 샘플링 영역 넘어 수집, 그들은 수 있을 여전히 차지 설명 및 geostatistical 분석에. 그것은 샘플링의 비용을 줄일 수 있습니다, 따라서, 프로토콜의 유연성은이 점에서 유리 하다.
이 방법의 중요 한 제한 토양 샘플의 수 특정 정확도 파일럿 토양 샘플링에서 24-30 토양 샘플의 그룹에 의해 결정 하는 이력서 작 수준에 따라 달라 집니다 필요한 것입니다. 매우 이질적인 음모에 대 한 30 샘플 또는 샘플 (> 30)의 큰 숫자에 따라 그 보다 더 큰 이력서 생산 적은 수. 그 결과, 동일한 정확도와 계산 토양 샘플의 수는 더 큰 됩니다. 즉, 동일한 정확도에 필요한 토양 샘플의 수 음모에 과대평가 될 것입니다. 매우 동질적인 음모에 대 한 샘플 수가 작 수준 이력서 30 샘플, 따라서, 유사한 리소스 필요 과대평가 결과 생산할 예정 이다. 따라서, 이러한 매우 이종 또는 동종 플롯에 대 한 토양 샘플 수 (즉, 30 또는 더 적은) 파일럿 샘플링 설계에서 발생할 수 있습니다 불필요 한 투자 파일럿 샘플링 단계 또는 미래의 샘플링.
클러스터 된 토양 샘플링 전략의 중요 한 이점을 설명합니다. 그것은 토양 공간이를 안정적이 고 저렴 한 토양 샘플링 전략을 제공 하 고 특정 원하는 정확도에 필요한 토양 샘플의 수를 파생 하는 양적 방법 제공. 집중 스트립 또는 층 화 샘플링 공간 변이의 더 나은 설명을 제공할 수 있습니다, 있지만 이러한 샘플링을 실시의 비용 너무 높다 대부분 토양 연구. 전통적인 샘플링 임의 이며 샘플링 정확도 어떤 양적으로 부족 합니다. 현재 프로토콜은 그것의 더 적은으로 우수한 집중적인 샘플링 요구 사항, 전원 공개 공간 패턴이 양적 모든 샘플 크기를 결정 하려면 엄격한 geostatistical 분석 방법 및 용량을 사용 하 여 필드에 운영 용이성 원하는 정확도. 특정 샘플링 정확도에 필요한 샘플 크기의 지식에 토양 샘플링 노력에 그들의 투자 전략 연구원 수 있게 됩니다.
효율적인 클러스터 된 샘플링 절차 고용 토양 공간이 성분의 엄격한 테스트를 수 고 정확도 가진 토양 샘플링을 과학자의 용량을 향상 시킵니다. 토양 샘플링 전략의 덜 집중 하 고 양적 자연 토양 연구 커뮤니티에서 다양 한 응용 프로그램을 수 있게 된다. 가능성이 변경된 토양 공간이 급속 한 글로벌 변경 사항 아래에 주어진 동일한 샘플링 정확성 연구 줄거리에 대 한 토양 시료 채취 량 시간이 지남에 따라 달라질 수 있습니다. 파일럿 샘플링 디자인에 제안 된 샘플 수는 다른 토양 및 생태계와 달라질 수 있습니다. 이 작품에서 나타날 수 있는 미래의 응용 프로그램 특정 토양 또는 생태계에 대 한 샘플 번호 포함 됩니다. 따라서, 경험적 작업 추가 응용 프로그램 및 다양 한 토양 및 생태계에 방법의 확인에 필요 합니다. 장기와 다양 한 응용 프로그램 특정 생태계, 토양 연구에 대 한 권장 수에 대 한 일반 샘플 크기 요구 사항을 식별 하는 데 도움이 있습니다.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구에서 한 미국 부의 농업 에반스-앨런 그랜트 (No. 1005761) 자금에 의해 지원 되었다. 저자는 그들의 도움에 대 한 정액의 메인 캠퍼스 AREC 내 쉬 빌, 테네시에서에서 직원을 감사합니다. 매기 Syversen는 원고의 초기 버전을 읽고 도움이. 저자는 그들의 건설적인 의견 및 제안에 대 한 익명 검토자 감사.
Materials
| Soil auger | AMS | 350.05 | For soil collection |
| Screwdriver | Fisher Scientific | 19-313-447 | For soil collection |
| Rope | Fisher Scientific | 19-313-429 | For delineating sampling zone |
| FatMax 35 ft. Tape Measure | Home Depot | #215880 | For measuring distances |
| Marking flag | Fisher Scientific | S99537 | For marking sampling locations |
| Plastic Zipper Seal Storage Bag | Fisher Scientific | 09-800-16 | For soil collection |
| Sharpie | Fisher Scientific | 50-111-3135 | For soil collection |
| Marking pencil | Fisher Scientific | 50-294-45 | For recording data in field |
| Lab notebook | Fisher Scientific | 11-903 | For recording data in field |
| ArcGis 10.3 | ESRI | For producing kriging map | |
| Sieve | Fisher Scientific | 04-881G | For sieving soil sample |
References
- Young, I. M., Crawford, J. W. Interactions and Self-Organization in the Soil-Microbe Complex. Science. 304 (5677), 1634-1637 (2004).
- Masoom, H., et al. Soil Organic Matter in Its Native State: Unravelling the Most Complex Biomaterial on Earth. Environmental Science and Technology. 50 (4), 1670-1680 (2016).
- Tan, K. . Soil Sampling, Preparation, and Analysis. , (2005).
- Li, J. W., Richter, D. D., Mendoza, A., Heine, P. Effects of land-use history on soil spatial heterogeneity of macro- and trace elements in the Southern Piedmont USA. Geoderma. 156 (1-2), 60-73 (2010).
- Li, J., et al. Nitrogen Fertilization Elevated Spatial Heterogeneity of Soil Microbial Biomass Carbon and Nitrogen in Switchgrass and Gamagrass Croplands. Scientific Reports. 8 (1), 1734 (2018).
- Chung, C. K., Chong, S. K., Varsa, E. C. Sampling Strategies for Fertility on a Stoy Silt Loam Soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 26 (5-6), 741-763 (1995).
- Luo, Y. Q., et al. Toward more realistic projections of soil carbon dynamics by Earth system models. Global Biogeochemical Cycles. 30 (1), 40-56 (2016).
- Li, J., Wang, G., Allison, S., Mayes, M., Luo, Y. Soil carbon sensitivity to temperature and carbon use efficiency compared across microbial-ecosystem models of varying complexity. Biogeochemistry. 119 (1-3), 67-84 (2014).
- Conant, R. T., Ogle, S. M., Paul, E. A., Paustian, K. Measuring and monitoring soil organic carbon stocks in agricultural lands for climate mitigation. Frontiers in Ecology and the Environment. 9 (3), 169-173 (2011).
- Wieder, W. R., Bonan, G. B., Allison, S. D. Global soil carbon projections are improved by modelling microbial processes. Nature Climate Change. 3 (10), 909-912 (2013).
- Swenson, L. J., Dahnke, W. C., Patterson, D. D. . Sampling for Soil Testing. , (1984).
- Jones, J. . Laboratory Guide for Conducting Soil Tests and Plant Analysis. , (2001).
