Metingen van de bodemkoolstof door Neutron-Gamma analyse in statische en modi scannen
Summary
Hier presenteren we het protocol voor in situ meting van de bodemkoolstof met behulp van het neutron-gamma techniek voor aanspreekpunt metingen (statische modus) of veld gemiddelden (scanmodus). Ook beschrijven we de bouw van het systeem en gegevens behandeling procedures uit te werken.
Abstract
De hierin beschreven toepassingvan de inelastisch neutronen verstrooiing (INS) methode voor bodem koolstof analyse is gebaseerd op de registratie en analyse van gammastralen gemaakt wanneer neutronen met de elementen van de bodem interageren. De voornaamste onderdelen van het INS-systeem zijn een gepulseerde neutron generator, NaI(Tl) gamma detectoren, splitsen elektronica te scheiden van de gamma spectra als gevolg van INS en thermo-neutron capture (TNC) processen en software voor gamma spectra acquisitie en verwerking van gegevens. Deze methode heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere methoden in dat het is een niet-destructieve in situ -methode, die de gemiddelde koolstof meet inhoud in grote bodem hoeveelheden verwaarloosbaar wordt beïnvloed door lokale scherpe veranderingen in de bodemkoolstof en kan worden gebruikt in stationaire of het scannen van modi. Het resultaat van de INS-methode is het koolstofgehalte van een site met een voetafdruk van ~2.5 – 3 m2 in het stationaire regime, of de gemiddelde koolstofgehalte van het desbetreffende gebied in het scannen regime. Het meetbereik van de huidige INS-systeem is > 1,5 gewichtspercenten van de koolstof (standaarddeviatie ± 0,3 w %) in de bovenste 10 cm bodemlaag voor een 1 hmeasurement.
Introduction
Kennis van bodem koolstofgehalte is vereist voor optimalisatie van bodem productiviteit en rentabiliteit, het begrip van het effect van landbouwgrond gebruik praktijken op bodem middelen en het evalueren van strategieën voor carbon sequestration1, 2,3,4. Bodemkoolstof is een universele indicator van bodem kwaliteit5. Verschillende methoden zijn ontwikkeld voor de bodem koolstof metingen. Droge verbranding (DC) is de meest gebruikte methode voor jaar6; Deze methode is gebaseerd op het veld sample collectie en laboratorium verwerking en waardering die is destructief, arbeid intensief en tijdrovend. Twee nieuwere methoden zijn laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie en nabij en midden infrarood spectroscopie7. Deze methoden zijn ook destructieve en alleen analyseren de bodemlaag van zeer nabij-oppervlak (0.1 – 1 cm bodem diepte). Bovendien, deze methoden alleen opbrengst punt metingen van koolstofgehalte voor kleine steekproef volumes (~ 60 cm,3 voor DC methode en 0,01-10 cm3 voor infrarood spectroscopie methoden). Deze punt-metingen maken het moeilijk om te extrapoleren van de resultaten naar veld of liggend schalen. Aangezien deze methoden destructieve zijn, zijn periodieke metingen ook niet onmogelijk.
Eerdere onderzoekers van de Brookhaven National Laboratory voorgesteld neutron technologie voor bodem koolstof analyse (INS methode)7,8,9toe te passen. Deze eerste poging ontwikkelde de theorie en de praktijk van het gebruik van neutron gamma analyse voor bodem koolstof meting. Beginnen in 2013, werd deze inspanning op de USDA-ARS nationale bodem Dynamics Laboratory (NSDL) voortgezet. De uitbreiding van deze technologische toepassing in de afgelopen 10 jaar is toe te schrijven aan twee hoofdfactoren: de beschikbaarheid van generatoren van de relatief goedkope commerciële neutron, gamma detectoren en bijbehorende elektronica met software; en stand van de techniek neutron-kernen interactie referentie databases. Deze methode heeft verschillende voordelen ten opzichte van anderen. Een INS-systeem, geplaatst op een platform, kan op elk type veld waarvoor metingen worden gemanoeuvreerd. Deze methode van niet-destructieve in-situ kunt analyseren grote bodems volumes (~ 300 kg) die aan een hele agrarische veld met behulp van slechts een paar metingen kunnen worden geïnterpoleerd. Dit systeem van INS is ook kunnen functioneren in een scanmodus die de gemiddelde koolstofgehalte van een ruimte die is gebaseerd bepaalt op het scannen over een raster van de predetermine van het veld of landschap.
Protocol
Representative Results
Discussion
Voortbouwend op de Stichting opgericht door eerdere onderzoekers, het NSDL personeel vragen kritisch naar de praktische en succesvol gebruik van deze technologie in de echte wereld Veldinstellingen gericht. Aanvankelijk, NSDL onderzoekers aangetoond de noodzaak ter verantwoording voor het INS systeem achtergrond signaal bij het bepalen van de netto CO2 piek gebieden. 11 een poging bleek dat de netto koolstof piekoppervlakte de gemiddelde koolstof gewicht procent in de bovenste 10 cm bodemlaag (ong…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dank verschuldigd aan Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch en Marlin Siegford voor technische bijstand in experimentele metingen, en Jim Clark en Dexter LaGrand voor hulp bij computersimulaties. Wij danken XIA LLC voor het toestaan van het gebruik van hun elektronica en detectoren in dit project. Dit werk werd gesteund door NIFA ALA onderzoek Contract nr ALA061-4-15014 “Precisie georuimtelijke mapping van het koolstofgehalte van de bodem voor agrarische productiviteit en lifecycle management”.
Materials
| Neutron Generator | Thermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO DNC software |
MP320 | |
| Gamma-detector: | na | ||
| – NaI(Tl) crystal | Scionix USA, Orlando, FL | ||
| – Electronics | XIA LLC, Hayward, CA | ||
| – Software | ProSpect | ||
| Battery | Fullriver Battery USA, Camarillo, CA | DC105-12 | |
| Invertor | Nova Electric, Bergenfield, NJ | CGL 600W-series | |
| Charger | PRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TN | PS4 | |
| Block of Iron | Any | na | |
| Boric Acid | Any | na | |
| Laptop | Any | na | |
| mu-metal | Magnetic Shield Corp., Bensenville, IL | MU010-12 | |
| Construction sand | Any | na | |
| Coconut shell | General Carbon Corp., Patterson, NJ | GC 8 X 30S | |
| Reference Cs-137 source | Any | na |
References
- Potter, K. N., Daniel, J. A., Altom, W., Torbert, H. A. Stocking rate effect on soil carbon and nitrogen in degraded soils. J. Soil Water Conserv. 56, 233-236 (2001).
- Torbert, H. A., Prior, S. A., Runion, G. B. Impact of the return to cultivation on carbon (C) sequestration. J. Soil Water Conserv. 59 (1), 1-8 (2004).
- Stolbovoy, V., Montanarella, L., Filippi, N., Jones, A., Gallego, J., Grassi, G. . Soil sampling protocol to certify the changes of organic carbon stock in mineral soil of the European Union. Version 2. , (2007).
- Smith, K. E., Watts, D. B., Way, T. R., Torbert, H. A., Prior, S. A. Impact of tillage and fertilizer application method on gas emissions (CO2, CH4, N2O) in a corn cropping system. Pedosphere. 22 (5), 604-615 (2012).
- Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H., Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. Quantification of soil quality. Soil processes and the carbon cycle. , 387-404 (1997).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods. , 961-1010 (1996).
- Wielopolski, L., Carayannis, E. Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil. Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice. , (2011).
- Wielopolski, L., Yanai, R. D., Levine , C. R., Mitra, S., Vadeboncoeur, M. A. Rapid, non-destructive carbon analysis of forest soils using neutron-induced gamma-ray spectroscopy. Forest Ecol. Manag. 260, 1132-1137 (2010).
- Mitra, S., Wielopolski, L., Tan, H., Fallu-Labruyere, A., Hennig, W., Warburton, W. K. Concurrent measurement of individual gamma-ray spectra during and between fast neutron pulses. Nucl. Sci. 54 (1), 192-196 (2007).
- Yakubova, G., Wielopolski, L., Kavetskiy, A., Torbert, H. A., Prior, S. A. Field testing a mobile inelastic neutron scattering system to measure soil carbon. Soil Sci. 179, 529-535 (2014).
- Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method. Vadose Zone J. 15 (2), (2016).
- Knoll, G. F. . Radiation Detection and Measurement. , (2000).
- Mitra, S., Dioszegi, I. Unexploded Ordnance identification – A gamma-ray spectral analysis method for Carbon, Nitrogen and Oxygen signals following tagged neutron interrogation. Nucl. Instrum. Meth. A. 693, 16-22 (2012).
