O tradicional procedimento de amostragem de solo determina o número de amostras de solo arbitrariamente. Aqui, nós fornecemos um simples mas eficiente agrupado projeto solo-amostragem para demonstrar a heterogeneidade espacial do solo e determinar quantitativamente o número de amostras de solo necessárias e a precisão da amostragem associado.
Os solos são altamente heterogêneos. Em geral, o número de amostras necessárias para a investigação do solo sempre foi determinado arbitrariamente e a precisão associada é desconhecida. Aqui, apresentamos um protocolo detalhado para solo em cluster e eficiente de amostragem em uma trama de investigação e, baseando-se em uma amostragem piloto usando esse projeto, para demonstrar a heterogeneidade espacial do solo e informando tamanhos de amostra razoável e precisão associado para estudos futuros. O protocolo, principalmente, é composto por quatro etapas: projeto, coleção de campo, análise de solo e geoestatísticos análise de amostragem. O procedimento passo a passo é modificado de acordo com publicações anteriores. Dois exemplos serão apresentados para demonstrar contrastantes distribuições espaciais de carbono orgânico do solo (SOC) e carbono da biomassa microbiana (MBC) no solo sob as práticas de gestão diferente. Além disso, apresentamos uma estratégia para determinar o requisito de tamanho de amostra (SSR) dado um determinado nível de precisão com base no nível de trama coeficiente de variação (CV). O protocolo de amostragem de campo e a determinação quantitativa do tamanho da amostra ajudará pesquisadores na busca de estratégias de amostragem viável para atender às necessidades de pesquisa e disponibilidade dos recursos.
Os solos são altamente heterogêneo biomateriais1,2. Amostragem do solo é realizada para coletar as amostras mais representativas e caracterizar o status de nutrientes de um campo com o maior rigor e barata possível. Variabilidade em um solo reside na heterogeneidade espacial do solo e precisão de quantificação. Quando a variação espacial no solo não é levada em consideração, amostragem de solo típico pode resultar em uma partida substancial do verdadeiro valor médio de uma variável de solo, mesmo que a própria análise de solo é altamente precisos3. Para uma trama de investigação heterogêneos, variabilidade é frequentemente mais importância do que significa3; ou seja, um projeto de amostragem que pode medir ambos variabilidade com precisão e dizer será preferencial.
Quando a variação espacial do solo é mais alterada devido a terra gestão práticas4,5,6, é mais difícil de conduzir solo amostragem de forma exata. No entanto, preocupações surgem também no que diz respeito as grandes variações nas variáveis chave do solo (por exemplo, SOC e MBC)7 , que são propagadas para causar constrangimentos pobres dos parâmetros do modelo da chave que são essenciais para o modelo de solo global a longo prazo projeções sob clima mudam8,9,10. Como o custo de amostragem de solo para caracterizar a variabilidade de campo é um problema-chave, uma estratégia de amostragem de solo simples, confiável e eficiente é pedida.
Existem muitas abordagens diferentes para coletar amostras de solo representativas em um terreno de investigação, e as suas vantagens e desvantagens estão resumidas na tabela 1. Em uma amostragem de solo tradicional (i.e., amostragem simples e aleatória), uma coleção aleatória de alguns a mais de 10 amostras de solo é executada em uma trama de investigação. Em particular, o número de amostras em um projeto de amostragem de solo tradicional sempre é determinado arbitrariamente e o erro de amostragem associado (ou seja, precisão) permanece desconhecido.
Projeto de amostragem | Vantagem | Desvantagem |
Amostragem aleatória e simples | Custo-eficaz, rápida e barata, amplamente adotada, fácil operação, ideal no site homogênea | Baixa precisão e alta variação, < 5 amostras |
Amostragem sistemática | Alta precisão e variação conhecida, ideal no site heterogêneos de larga escala | Número de custo ineficaz, grande exemplo |
Amostra estratificada | Estimativa média precisa, operação relativamente fácil, ideal para a região em cluster e estratificada | Número de amostra ineficaz, grande custo (geralmente menos do que a amostragem sistemática/grade) |
Composição | Estimativa média custo-eficaz, precisa, fácil operação, ideal no site heterogêneo | Variação de campo desconhecido, > 3 amostras para composto |
Tabela 1: as vantagens e desvantagens do solo principal projetos adoptados na Comunidade de pesquisa de solo de amostragem. A tabela tem sido resumida de Tan et al . 3, Jones12e. Swenson et al 11
Em comparação com a amostragem aleatória e simples ou composição, desenhos de amostragem estratificada e sistemática podem alcançar meios com exatidão elevada, juntamente com a variabilidade associada (tabela 1). No entanto, exigirão amostragem intensiva do solo (por exemplo, uns 100 amostras). Embora a precisão de, além da confiança na, um aumento de nível de teste de solo com mais amostras de solo coletadas por lote11, a exigência de um grande número de amostras de solo é geralmente aplicável apenas para um estudo em grande escala5,11 ; Está bem além da acessibilidade da maioria dos projetos de pesquisa de solo realizado à escala de parcelas de campo devido a restrições de recursos. Um projeto de amostragem é preferido para equilibrar as vantagens e desvantagens destes métodos diferentes.
Uma questão fundamental para um projeto de amostragem do solo é determinar o número de amostras necessárias e o associado precisão dada a questões de investigação e as condições de campo. Por exemplo, uma redução no número de amostras de solo é possível em menos locais perturbados e ainda alcançar o mesmo nível de precisão6, sugerindo a necessidade de quantificar explicitamente a heterogeneidade espacial (i.e., natureza e ocorrência de antes da variabilidade do solo) para o solo de amostragem3. Na verdade, nenhum tal amostragem piloto é recomendada na maioria dos projetos de amostragem do solo. Cientistas do campo frequentemente não reconhecem a importância de estimar o poder estatístico quando projetam experiências.
Para melhorar o rigor experimental na amostragem de solo, um método de amostragem simples e eficiente é apresentado neste estudo. O novo design deve não só permitem a caracterização exata dos níveis de nutrientes do solo e variabilidade, mas também, pela contabilização de heterogeneidade espacial do solo, fornecem uma maneira quantitativa para informar o número de amostras de solo e a precisão da amostragem associado para futuras pesquisas. O novo design de amostragem do solo deve ajudar os pesquisadores a identificar estratégias opcionais que atender suas necessidades de amostragem e pesquisa. O objetivo geral deste método é fornecer solo biogeochemists e ecologistas com uma abordagem quantitativa e manipuladora para otimizar estratégias de amostragem do solo no contexto da pesquisa de campo.
O método de amostragem de solo tradicional carecia de uma base quantitativa e levou a precisão desconhecida, Considerando que as mais avançadas estratégias de amostragem envolveram coleções do solo intensivo e induzido custos inacessíveis para a maioria das pesquisas de solo para a escala de plotagem de campo. Um design simples, eficiente e confiável de amostragem deve ser uma ferramenta útil para equilibrar os dois métodos acima mencionados e, mais importante, informar uma forma quantitativa para determinar o número exigido sob certa precisão por razões de necessidades futuras amostragens. No entanto, tal um projeto de amostragem ainda está desaparecido. Aqui, foi apresentado um método para manipular um procedimento de amostragem em cluster para quantificar a heterogeneidade espacial do solo e, contando com este projeto, informar o número de amostras de solo necessária para futuras amostragens sob precisão específico. Há duas etapas críticas dentro do protocolo. A primeira é para determinar a área de amostragem e identificar a zona de amostragem em uma área de plotagem determinado. Porque a dimensão e a forma de uma trama de investigação específicos podem variar de um estudo para outro, o número e o comprimento da grade de quadrados, que representa a zona de amostragem devem ser modificados para melhor se adequam às características do terreno e cobrir a área de plotagem, tanto quanto possível. Em geral, o número de quadrados grades deve ser limitado a oito a dez anos para que serão coletadas amostras de solo de 24-30 em um determinado terreno. Menos intensivos de exigência de amostragem é aceitável para um estudo piloto em uma trama. O segundo passo fundamental é para determinar o número de amostras requerido precisão específico. Embora o número de amostras de solo sob uma precisão desejada pode ser derivado em com base na estratégia de amostragem piloto, outros recursos disponíveis precisam ser contabilizados (por exemplo, trabalho, custo e pessoal). Se o número de amostras de solo necessária para uma precisão desejada excede a acessibilidade, a precisão desejada deve ser diminuída para que o número de amostras de solo pode ser recalculado. O cálculo deve ser repetido até obter o melhor ajuste para equilibrar a precisão desejada e os recursos disponíveis.
O protocolo pode ser facilmente modificado para caber a forma específica, área e localização de uma trama de investigação. Mesmo dentro de uma trama irregular ou uma área de plotagem muito grande ou pequeno, o procedimento pode ser realizado, controlando o tamanho da grade quadrada para cobrir a maior parte da área de plotagem. Por outro lado, quando amostras são coletadas para além da zona de amostragem circular na trama, eles podem ser ainda contabilizados na análise descritiva e geoestatísticas. A flexibilidade do protocolo a este respeito é vantajosa, como pode, assim, reduzir o custo de amostragem.
Uma limitação importante desse método é que o número de amostras de solo necessários para determinados precisão dependerá do nível de trama CV determinado por um grupo de 24-30 amostras de solo na amostragem do solo piloto. Para uma trama altamente heterogênea, 30 amostras ou menos pode produzir um CV maior do que com base em um número maior de amostras (> 30). Como resultado, o número de amostras de solo, calculado com a mesma precisão será maior. Ou seja, o número de amostras necessárias para a mesma precisão vai ser subestimado na trama. Para uma trama altamente homogênea, um menor número de amostras de irá produzir um enredo nível CV semelhante ao 30 amostras, assim, resultando em uma sobreavaliação da necessidade de recurso. Portanto, para estes terrenos extremamente heterogêneos ou homogêneos, o número de amostra solo (ou seja, 30 ou menos) proposto no projeto piloto de amostragem pode causar investimentos desnecessários em fase piloto de amostragem ou em futuras amostragens.
Vamos demonstrar as vantagens significativas da estratégia de amostragem de solo em cluster. Ele fornece uma estratégia de amostragem de solo confiável e acessível para obter a heterogeneidade espacial do solo e oferece uma maneira quantitativa para derivar o número de amostras de solo necessária para uma certa precisão desejada. Embora a faixa intensiva ou amostra estratificada pode fornecer uma melhor descrição da variação espacial, o custo da realização de tal amostragem é demasiado elevado para a maioria dos estudos de solo. A amostragem tradicional é arbitrária e não possui qualquer base quantitativa para amostragem de precisão. O protocolo atual é superior devido a sua menor exigência de amostragem intensiva, facilidade em utilizá-lo no campo, poder revelar padrões espaciais usando métodos de análise rigorosa geoestatísticos e capacidade para determinar quantitativamente o tamanho de amostra dado qualquer precisão desejada. O conhecimento do tamanho da amostra necessário para uma precisão de amostragem específicos permitirá que pesquisadores strategize seus investimentos nos esforços de recolha de amostras de solo.
Empregando o procedimento de amostragem em cluster eficiente permite testes rigorosos da heterogeneidade espacial do solo e melhora a capacidade dos cientistas para realizar a amostragem de solo com precisão. A natureza menos intensiva e quantitativa da estratégia de amostragem de solo permitirá que sua aplicação larga em comunidades de investigação do solo. Dada a heterogeneidade espacial do solo provavelmente alterada sob as rápidas mudanças globais, a exigência de amostra de solo para a mesma precisão de amostragem em uma trama de investigação pode variar ao longo do tempo. O número de amostra proposto no projeto piloto de amostragem pode variar com diferentes solos e ecossistemas. Aplicações futuras que poderiam surgir a partir deste trabalho incluem a determinação do número de amostra para solos específicos ou ecossistemas. Assim, ainda mais o trabalho empírico é necessário sobre a aplicação e a identificação do método em vários solos e ecossistemas. Aplicações de longo prazo e ampla poderá ajudar a identificar um requisito de tamanho de amostra genérico para ecossistemas específicos, que pode ser recomendado para pesquisadores de solo.
The authors have nothing to disclose.
Este estudo foi suportado pelo financiamento de nos departamento de agricultura Evans-Allen Grant (n. º 1005761). O autor agradece membros da equipe em Main Campus AREC do TSU em Nashville, Tennessee para sua assistência. Maggie Syversen ajudou lendo a versão inicial do manuscrito. O autor agradece os revisores anônimos para suas sugestões e comentários construtivos.
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 |