Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione
Summary
Qui, presentiamo il protocollo per la misura in situ di carbonio nel suolo usando la tecnica di neutroni-gamma per singolo punto misure (modalità statica) o campo medie (modalità di scansione). Inoltre descriviamo la costruzione del sistema ed elaborare procedure di trattamento dei dati.
Abstract
L’applicazione qui descritto del neutrone anelastico Dispersione metodo (INS) per analisi di carbonio del suolo è basato sulla registrazione e l’analisi di raggi gamma creata quando neutroni interagiscono con gli elementi del terreno. Le parti principali del sistema INS sono un generatore di neutroni pulsati, rilevatori di gamma Nai, dividere elettronica per separare spettri gamma dovuto INS e termo-neutrone cattura (TNC) processi e software per l’acquisizione di spettri di gamma ed elaborazione dei dati. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri metodi, in quanto esso è un metodo non distruttivo in situ che misura il carbonio medio contenuto in volumi di grande terreno, risente in modo trascurabile locali forti cambiamenti in carbonio nel suolo e può essere utilizzato in stazionario o modalità di scansione. Il risultato del metodo INS è il contenuto di carbonio da un sito con un ingombro di ~2.5 – 3 m2 in regime stazionario, o il contenuto di carbonio medio dell’area attraversata in regime di scansione. Campo di misura del sistema INS attuale è > 1,5% di peso di carbonio (deviazione standard ± 0.3% w) nello strato superiore 10 cm del suolo per un 1 hmeasurement.
Introduction
Conoscenza del contenuto di carbonio del suolo è necessaria per l’ottimizzazione della produttività del suolo e la redditività, comprendere l’impatto delle pratiche di utilizzo di terreni agricoli su risorse del suolo e la valutazione di strategie per il sequestro di carbonio1, 2,3,4. Carbonio nel suolo è un indicatore universale di terreno qualità5. Diversi metodi sono stati sviluppati per le misurazioni di carbonio del suolo. Combustione a secco (DC) è stato il metodo più diffuso per anni6; Questo metodo si basa sulla raccolta del campione di campo e laboratorio di lavorazione e misurazione che è distruttivo, manodopera intensiva e richiede tempo. Due nuovi metodi sono spettroscopia di ripartizione indotta da laser e vicino e metà spettroscopia infrarossa7. Questi metodi sono anche distruttivi e analizzare solo lo strato di terra molto vicino alla superficie (0,1 – 1 cm di profondità di suolo). Inoltre, questi metodi restituiscono solo punto misurazioni del contenuto di carbonio per volumi di campione piccolo (~ 60 cm3 per metodo di DC e 0.01-10 cm3 per i metodi di spettroscopia infrarossa). Tali misurazioni del punto rendono difficile estrapolare risultati alle scale di campo o paesaggio. Poiché questi metodi sono distruttivi, misure ricorrenti anche sono impossibili.
I ricercatori precedenti al Brookhaven National Laboratory ha suggerito applicando la tecnologia di neutroni per suolo carbonio analisi (metodo INS)7,8,9. Questo sforzo iniziale ha sviluppato la teoria e la pratica di usando l’analisi di gamma di neutroni per la misura di carbonio del suolo. A partire dal 2013, questo sforzo è stato continuato a USDA-ARS nazionale suolo Dynamics Laboratory (NSDL). L’espansione di questa applicazione tecnologica negli ultimi 10 anni è dovuta a due fattori principali: la disponibilità di generatori di neutroni commerciale relativamente poco costoso, rilevatori di gamma e corrispondente elettronica con software; e banche dati di riferimento all’avanguardia neutrone-nuclei interazione. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri. Un sistema di INS, posizionato su una piattaforma, potrebbe essere manovrato su qualsiasi tipo di campo che richiede la misura. Questo metodo non distruttivo in situ può analizzare i volumi di grandi terreni (~ 300 kg) che possono essere interpolati a un campo intero agricolo utilizzando solo alcune misurazioni. Questo sistema di INS è anche in grado di operare in una modalità di scansione che determina il contenuto di carbonio medio di un’area basata sulla scansione sopra una griglia prestabilito del campo o del paesaggio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sulla base la Fondazione creata da precedenti ricercatori, il personale NSDL rivolto domande critiche per l’uso pratico e di successo di questa tecnologia in impostazioni del campo di mondo reale. Inizialmente, i ricercatori NSDL ha dimostrato la necessità di rappresentare il segnale di fondo del sistema INS quando determinare zone di picco di carbonio netto. 11 un altro sforzo ha mostrato che l’area del picco di carbonio netto caratterizza la percentuale di peso medio carbonio nello strato super…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono indebitati per Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch e Siegford di Marlin per assistenza tecnica in misure sperimentali e per Jim Clark e Dexter LaGrand per assistenza con simulazioni al computer. Ringraziamo XIA LLC per consentire l’uso di rivelatori e loro elettronica in questo progetto. Questo lavoro è stato supportato da catino ALA ricerca contratto No ALA061-4-15014 “Mappatura di geospatial di precisione del contenuto di carbonio del suolo per la gestione della produttività e del ciclo di vita agricola”.
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 |
Riferimenti
- 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).
