الأرض أخذ عينات التربة في بحوث غير متجانسة
Summary
ويحدد الإجراء عينات من التربة التقليدية عدد عينات التربة تعسفاً. هنا، نحن نقدم بسيطة لكنها فعالة تجمع تصميم عينات من التربة إثبات عدم تجانس التربة المكانية وتحديد الكمية عدد عينات التربة المطلوبة ودقة أخذ العينات المرتبطة بها.
Abstract
التربة الغاية غير متجانسة. وبصفة عامة، دائماً تحديد عدد عينات التربة اللازمة لأبحاث التربة تعسفاً ودقة المرتبطة بها غير معروف. نقدم هنا، بروتوكول مفصل للتربة تتسم بالكفاءة ومتفاوت المسافات أخذ العينات في مؤامرة لبحث، والاعتماد على عينات تجريبية باستخدام هذا التصميم، مما يدل على عدم تجانس التربة المكانية وإعلام أحجام العينة معقولة ودقة المقترنة دراسة في المستقبل. يتضمن البروتوكول أساسا أربع خطوات: أخذ العينات التصميم والجمع الميداني وتحليل التربة وتحليل الجيوإحصائية. يتم تعديل الإجراء خطوة بخطوة وفقا للمنشورات السابقة. ستعرض مثالين لإثبات التوزيعات المكانية المتناقضة للكربون العضوي في التربة (شركة نفط الجنوب) والكربون في الكتلة الحيوية الميكروبية التربة (أم بي سي) في إطار الممارسات الإدارية المختلفة. وباﻹضافة إلى ذلك، فإننا نقدم استراتيجية لتحديد متطلبات حجم العينة (SSR) نظراً لمستوى معين من الدقة استناداً إلى مستوى مؤامرة معامل الاختلاف (CV). بروتوكول أخذ العينات الميدانية، وتحديد كمي لحجم العينة ستساعد الباحثين في البحث عن استراتيجيات أخذ العينات الممكنة لتلبية الاحتياجات البحثية وتوافر الموارد.
Introduction
التربة هي الحيوية غير متجانسة عالية1،2. ويجري أخذ عينات التربة لجمع العينات الأكثر تمثيلاً وتميز حالة المغذيات لحقل أكبر قدر من الدقة وغير مكلفة قدر الإمكان. تقلب في طبقة من تربة يكمن في عدم تجانس التربة المكانية ودقة القياس الكمي. عند هو عدم مراعاة التباين المكاني في التربة، يمكن أن يؤدي عينات من التربة نموذجي خروجاً كبيرا من متوسط القيمة الحقيقية لمتغير التربة، حتى ولو كان تحليل التربة نفسها دقيقة للغاية3. لمؤامرة بحوث غير متجانسة، تقلب كثيرا ما أكثر أهمية مما يعني3؛ فسوف تكون تصميم عينات التي يمكن بدقة قياس كل تقلب ويعني المفضل.
عندما يتم تغيير التباين المكاني التربة كذلك بسبب الأراضي إدارة الممارسات4،،من56، من الصعب أكثر سلوك التربة أخذ العينات بطريقة دقيقة. ومع ذلك، تنشأ الشواغل أيضا فيما يتعلق بالاختلافات الكبيرة في متغيرات التربة الرئيسية (مثلاً، شركة نفط الجنوب وأم بي سي)7 التي تم نشرها لتسبب القيود الفقراء من معلمات النموذج الرئيسية التي تعتبر حاسمة بالنسبة لنموذج التربة العالمية الطويلة الأجل تغيير الإسقاطات في المناخ8،،من910. التكلفة لعينات من التربة لتحديد خصائص الحقل تقلب مشكلة رئيسية، سعى استراتيجية أخذ عينات تربة بسيطة وموثوق بها وفعالة.
هناك العديد من أساليب مختلفة لجمع عينات التربة الممثل في مؤامرة لبحث، ومزاياها وعيوبها ويرد في الجدول 1. في عينات تربة تقليدية (أي، أخذ عينات بسيطة وعشوائية)، يتم تنفيذ مجموعة عشوائية من عدد قليل من أكثر من 10 عينات التربة في مؤامرة لبحث. على وجه الخصوص، ويحدد عدد العينات في تصميم أخذ عينات تربة تقليدية دائماً تعسفاً وخطأ أخذ العينات المرتبطة بها (أي، الدقة) لا يزال غير معروف.
| تصميم العينات | ميزة | العيب |
| أخذ عينات بسيطة وعشوائية | عملية فعالة من حيث التكلفة، سريعة وغير مكلفة، معتمداً على نطاق واسع، سهلة، الأمثل في موقع متجانسة | منخفض الدقة وعالية التباين، < 5 عينات |
| منهجية أخذ العينات | درجة عالية من الدقة والاختلاف المعروف، الأمثل في موقع غير متجانسة كبيرة الحجم | رقم العينة كبيرة وغير فعالة التكلفة |
| أخذ العينات الطبقية | تقدير متوسط دقيق، عملية سهلة نسبيا، الأمثل لمنطقة متفاوت المسافات والطبقية | تكلفة عدد عينة كبيرة وغير فعالة (عادة ما تكون أقل من العينات المنتظمة/الشبكة) |
| التركيب | تقدير متوسط فعالة من حيث التكلفة، ودقيقة، عملية سهلة، الأمثل في موقع غير متجانسة | التباين حقل غير معروف، > 3 عينات لمركب |
الجدول 1: مزايا ومساوئ التربة الرئيسية أخذ عينات النماذج المعتمدة في الأوساط البحثية التربة- تم تلخيصها في الجدول من تان et al. 3وجونز12سوينسون et al. 11
بالمقارنة مع عينات بسيطة وعشوائية أو التركيب، يمكن تحقيق تصميم العينات المنتظمة والطبقية الوسائل بدقة عالية جنبا إلى جنب مع التقلبات المرتبطة بها (الجدول 1). ومع ذلك، فإنها تتطلب أخذ عينات التربة بصورة مكثفة (مثلاً، بعض العينات 100). عموما على الرغم من دقة، والثقة في، يزيد مستوى اختبار تربة مع مزيد من عينات التربة التي جمعت كل مؤامرة11، الحاجة إلى عدد كبير من عينات التربة لا ينطبق إلا دراسة واسعة النطاق5،11 ; أنها تتجاوز بكثير القدرة على تحمل معظم مشاريع بحثية في التربة، التي أجريت في حجم قطع الحقل بسبب القيود على الموارد. ويفضل تصميم عينات لتحقيق التوازن في ميزات وعيوب هذه الطرق المختلفة.
مسألة أساسية لتصميم عينات تربة لتحديد عدد عينات التربة المطلوبة ودقة المرتبطة بها نظراً للأسئلة البحثية والظروف الميدانية. على سبيل المثال، انخفاضا في عدد عينات التربة من الممكن في أقل المواقع المضطربة بينما لا يزال تحقيق نفس المستوى من الدقة6، مما يشير إلى حاجة إلى قياس صراحة إلى التباين المكاني (أي، طبيعة وحدوث تقلب التربة) السابقة التربة أخذ العينات3. في الواقع، ينصح لا أخذ العينات التجريبية هذه في معظم التصاميم أخذ عينات التربة. العلماء الميدانية تفشل غالباً الاعتراف بأهمية تقدير قوة إحصائية عند تصميم التجارب.
ويرد أسلوب أخذ عينات بسيطة وفعالة لتحسين دقة التجريبية في عينات من التربة، في هذه الدراسة. التصميم الجديد يجب تمكين توصيف دقيق لمستويات المغذيات في التربة وتقلب، بل أيضا، بالمحاسبة للتباين المكاني التربة، توفر طريقة كمية ليبلغ عدد عينات التربة ودقة أخذ العينات المرتبطة بها للبحث في المستقبل. تصميم أخذ عينات التربة الجديدة ينبغي أن تساعد الباحثين تحديد اختياري الاستراتيجيات التي تناسب احتياجاتهم أخذ العينات والبحوث. والهدف العام لهذا الأسلوب تزويد بيوجيوتشيميستس التربة وعلماء البيئة باتباع نهج كمي والتلاعب تحسين استراتيجيات أخذ عينات التربة في سياق البحث الميداني.
Protocol
Representative Results
Discussion
طريقة أخذ عينات التربة التقليدية تفتقر إلى أساس كمي وأدت إلى الدقة غير معروف، بينما تشارك مجموعات التربة بصورة مكثفة استراتيجيات أخذ العينات أكثر تقدما والناجمة عن التكاليف الباهظة لمعظم بحوث التربة على نطاق الأرض حقل. تصميم عينات بسيطة وفعالة وموثوق بها ينبغي أن تكون أداة مفيدة تحقيق التوازن بين كل الأساليب المذكورة آنفا، والأهم من ذلك، أبلغ بطريقة كمية لتحديد العدد المطلوب بموجب بعض الدقة من أجل احتياجات المستقبل أخذ العينات. ومع ذلك، هذا تصميم أخذ عينات ما زالوا مفقودين. هنا، قدم أسلوب للتعامل مع إجراءات أخذ عينات متفاوت المسافات لقياس التباين المكاني التربة، والاعتماد على هذا التصميم، يبلغ عدد عينات التربة المطلوبة لأخذ العينات المقبلة تحت الدقة المحددة. هناك اثنين من الخطوات الحاسمة ضمن البروتوكول. الأول هو تحديد مجال أخذ العينات وتحديد منطقة أخذ العينات في منطقة الأرض المعطاة. لأنه يمكن أن تختلف بالبعد والشكل من مؤامرة بحثية محددة من دراسة واحدة إلى آخر، ينبغي تعديل عدد وطول الشبكة مربعا تمثل منطقة أخذ العينات تناسب خصائص الأرض وتغطي مساحة الأرض إلى أقصى حد ممكن. بشكل عام، ينبغي أن تكون محدودة إلى ثمانية إلى عشرة عدد الشبكات المربعة حيث أنه سيتم جمع عينات التربة 24-30 في قطعة أرض معينة. هذا أقل كثافة العينات شرط مقبول لدراسة تجريبية في مؤامرة. الخطوة الحاسمة الثانية لتحديد عدد العينات المطلوبة بموجب دقة محددة. على الرغم من أن يمكن اشتقاق عدد عينات التربة تحت دقة المطلوبة في الاستناد إلى استراتيجية أخذ العينات التجريبية، الموارد المتاحة الأخرى تحتاج إلى أن تستأثر (مثلاً، والتكلفة والعمالة والموظفين). إذا تجاوز عدد عينات التربة المطلوبة الدقة المطلوبة القدرة على تحمل التكاليف، ينبغي تخفيض الدقة المطلوبة حيث أنه يمكن إعادة حساب عدد عينات التربة. يجب تكرار عمليات إعادة الحساب حتى يتم تحقيق أفضل ملائمة لتحقيق التوازن بين الدقة المطلوبة والموارد المتاحة.
يمكن بسهولة تعديل البروتوكول لتناسب الشكل المحدد، والمنطقة، وموقع من مؤامرة للبحث. حتى في إطار مؤامرة غير نظامية أو مساحة الأرض كبيرة جداً أو صغيرة، يمكن أن يؤديها الإجراء إلى التحكم في حجم الشبكة المربعة لتغطية الجزء الأكبر من مساحة الأرض. من ناحية أخرى، عندما يتم جمع عينات التربة خارج منطقة دائرية أخذ العينات في المؤامرة، يمكن أن يكون لا يزال يمثلن في التحليل الوصفي والجيواحصائيه. مرونة البروتوكول في هذا الشأن من المفيد كما أنه يمكن، وبالتالي، خفض تكاليف أخذ العينات.
قيداً هاما لهذا الأسلوب هو أن عدد عينات التربة اللازمة لبعض الدقة سيتوقف على مستوى الأرض السيرة الذاتية التي تحددها مجموعة من 24-30 عينات التربة في أخذ عينات التربة التجريبية. لمؤامرة متغايرة جداً، عينات 30 أو أقل يمكن أن تنتج السيرة ذاتية أكبر من ذلك استناداً إلى عدد أكبر من العينات (> 30). كنتيجة لذلك، سيكون عدد عينات التربة التي تحسب بنفس دقة أكبر. هو عدد عينات التربة اللازمة لدقة نفس سوف المغالاة في المؤامرة. للحصول على قطعة متجانسة إلى حد كبير، سوف تنتج عدد أصغر من عينات الأرض مستوى السيرة ذاتية مشابهة لعينات 30، وهكذا، أدى إلى المبالغة في تقدير الحاجة إلى الموارد. لذلك، لهذه المؤامرات متجانسة أو غير متجانسة للغاية، التربة العينة عدد (أي30 أو أقل) المقترح في تصميم العينات التجريبية قد يؤدي الاستثمار لا لزوم لها في مرحلة أخذ العينات التجريبية أو في المستقبل أخذ العينات.
علينا أن نظهر مزايا هامة لاستراتيجية أخذ عينات التربة متفاوت المسافات. استراتيجية أخذ عينات تربة موثوقة وميسورة التكلفة للحصول على تربة التباين المكاني ويقدم بطريقة كمية لاستخلاص العدد عينات التربة المطلوبة دقة معينة المطلوب. على الرغم من أن قطاع المكثفة أو أخذ العينات الطبقية قد تقدم وصفاً أفضل للتباين المكاني، تكلفة إجراء مثل هذه العينات مرتفع للغاية لمعظم الدراسات للتربة. أخذ العينات التقليدية هو إجراء تعسفي ويفتقر إلى أي أساس كمي لأخذ عينات من الدقة. البروتوكول الحالي أعلى بسبب أقل شرط أخذ العينات مكثفة، سهولة في التشغيل في الميدان، السلطة للكشف عن الأنماط المكانية استخدام أساليب التحليل الجيوإحصائية صارمة، والقدرات لتحديد حجم العينة نظراً لأي كمياً الدقة المطلوبة. سوف تسمح معرفة حجم العينة المطلوبة لدقة أخذ عينات خاصة الباحثين لوضع استراتيجية الاستثمار في الجهود أخذ عينات التربة.
استخدام إجراء أخذ العينات متفاوت المسافات كفاءة يسمح اختبار صارم للتباين المكاني التربة ويحسن قدرة العلماء على إجراء أخذ عينات التربة بدقة. طبيعة استراتيجية أخذ عينات التربة أقل كثافة وكمية سيمكن تطبيقها على نطاق واسع في الأوساط البحثية في التربة. ونظرا لعدم تجانس التربة يحتمل تغيير المكانية تحت التغيرات العالمية السريعة، قد تختلف شرط عينة التربة نفس دقة أخذ العينات في مؤامرة لبحث مع مرور الوقت. وقد يتفاوت عدد العينة المقترحة في تصميم العينات التجريبية مع مختلف أنواع التربة والنظم الإيكولوجية. وتشمل التطبيقات المستقبلية التي يمكن أن تنشأ عن هذا العمل تحديد عدد العينات للتربة محددة أو النظم الإيكولوجية. وبالتالي، هناك حاجة إلى المزيد من العمل التجريبي على التطبيق وتحديد الأسلوب في مختلف أنواع التربة والنظم الإيكولوجية. تطبيقات واسعة وطويلة الأجل قد تساعد في تحديد شرط حجم عينة عامة لنظم إيكولوجية محددة، التي يمكن التوصية بها للباحثين التربة.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه الدراسة كانت مدعومة بتمويل من لنا وزارة للزراعة إيفانز-الين “منحة” (رقم 1005761). صاحب البلاغ بفضل الموظفين في AREC تسو الحرم الجامعي الرئيسي في ناشفيل، تينيسي لمساعدتها. ماغي سيفيرسين ساعد بقراءة النسخة الأولى من المخطوطة. وتقدر مقدم البلاغ المراجعين المجهولين على التعليقات البناءة واقتراحاتها.
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 |
Riferimenti
- 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).
