Mesures du carbone du sol par Neutron-Gamma analyse statique et Modes de numérisation
Summary
Ici, nous présentons le protocole pour la mesure in situ de carbone dans le sol selon la technique de neutron-gamma pour les mesures de point unique (mode statique), ou le domaine des moyennes (mode de balayage). Nous décrivons également système de construction et d’élaborer des procédures de traitement des données.
Abstract
L’application décrite dans les présentes d’inélastique neutron scattering méthode (INS) pour analyse de carbone des sols est basée sur l’enregistrement et l’analyse des rayons gamma créé lorsque les neutrons interagissent avec les éléments du sol. Les éléments principaux du système INS sont un générateur de neutrons pulsé, détecteurs de Nai (TL) de gamma, split électronique pour séparer les spectres gamma INS et thermo-neutron capture (TNC) processus et logiciels pour l’acquisition de spectres gamma et traitement des données. Cette méthode a plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes en ce que c’est une méthode non destructive in situ qui mesure la moyenne de carbone contenu dans des volumes de sol grand est négligeable touchée par les fortes variations carbone dans le sol et peut être utilisé en papeterie ou modes de balayage. Le résultat de la méthode de l’INS est la teneur en carbone provenant d’un site avec une empreinte de ~2.5 – 3 m2 dans le régime stationnaire, ou la teneur en carbone moyen de l’espace parcouru dans le régime de balayage. Est la plage de mesure du système actuel de INS > 1,5 % de poids de carbone (écart-type ± 0,3 w %) dans la couche du sol supérieure à 10 cm pour un 1 hmeasurement.
Introduction
Connaissance de la teneur en carbone du sol est nécessaire pour l’optimisation de la productivité du sol et de la rentabilité, comprendre l’impact des pratiques d’utilisation des terres agricoles sur les ressources en sols et l’évaluation des stratégies de piégeage du carbone1, 2,3,4. Carbone dans le sol est un indicateur universel de qualité de sol5. Plusieurs méthodes ont été développées pour les mesures de carbone du sol. Combustion sèche (DC) a été la méthode la plus utilisée pour les années6; Cette méthode repose sur le prélèvement d’échantillons de terrain et de traitement en laboratoire et de mesure qui est destructrice, travail intensif et beaucoup de temps. Deux méthodes plus récentes sont spectroscopie sur plasma induit par laser et près de : et au milieu de spectroscopie infrarouge7. Ces méthodes sont aussi destructeurs et analysent uniquement la couche de sol de très près de la surface (0,1 – 1 cm d’épaisseur du sol). En outre, ces méthodes seulement donnent point les mesures de la teneur en carbone pour des petits échantillons (~ 60 cm3 pour la méthode DC et 0,01-10 cm3 pour les méthodes de spectroscopie infrarouge). Ces mesures ponctuelles, il est difficile d’extrapoler les résultats à des échelles de champ ou de paysage. Étant donné que ces méthodes sont destructifs, mesures récurrentes sont également impossibles.
Des chercheurs précédents au Brookhaven National Laboratory a suggéré appliquant la technologie de neutrons pour sol carbone analyse (méthode de l’INS)7,8,9. Cet effort initial élaboré la théorie et la pratique de l’utilisation de neutronique gamma pour la mesure du carbone du sol. À partir de 2013, cet effort s’est poursuivi à l’USDA-ARS National sol Dynamics Laboratory (NSDL). L’expansion de cette application technologique au cours des 10 dernières années est attribuable à deux facteurs principaux : la disponibilité de générateurs de neutrons commercial relativement peu coûteux, détecteurs de gamma et l’électronique correspondante avec le logiciel ; et bases de données de pointe neutron-noyaux interaction référence. Cette méthode a plusieurs avantages par rapport à d’autres. Un système de INS, placé sur une plateforme, pouvait être manoeuvré sur n’importe quel type de champ qui requiert la mesure. Cette méthode non destructive in situ permet d’analyser des volumes de sols grand (~ 300 kg) qui peuvent être interpolées à un champ agricole tout en utilisant des mesures peu. Ce système INS est également capable de fonctionner dans un mode de balayage qui détermine la teneur en carbone moyenne d’une zone basée sur l’analyse sur une grille predetermine du champ ou du paysage.
Protocol
Representative Results
Discussion
S’appuyant sur la fondation créée par des chercheurs précédents, le personnel de la NSDL traitait de questions essentielles à l’utilisation pratique et efficace de cette technologie dans les paramètres de champ de monde réel. Au départ, les chercheurs de NSDL démontré la nécessité de rendre compte pour le signal de fond du système INS lors de la détermination des pics nette de carbone. 11 un autre effort a montré que la surface du pic net de carbone caractérise le pourcentage m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs sont reconnaissants à Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch et Siegford Marlin pour l’assistance technique de mesures expérimentales et à Jim Clark et Dexter LaGrand d’assistance avec des simulations informatiques. Nous remercions XIA LLC pour permettre l’utilisation de leurs détecteurs et électronique dans ce projet. Ce travail a été soutenu par NIFA ALA recherche contrat N° ALA061-4-15014 « Cartographie de geospatial précision de teneur en carbone du sol pour la gestion du cycle de vie et de la productivité agricole ».
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).
