Türdeş olmayan bir araştırma topraklarda örnekleme Arsa
Summary
Geleneksel toprak-örnekleme yordamı keyfi olarak toprak örneklerini sayısını belirler. Burada, verimli toprak-örnekleme tasarım toprak kayma heterojenite göstermek ve kantitatif gerekli toprak örnekleri ve ilişkili örnekleme doğruluk sayısını belirlemek için kümelenmiş henüz basit bir sağlamak.
Abstract
Toprak son derece heterojen. Genel olarak, toprak araştırma için gerekli toprak örnekleri sayısı her zaman keyfi olarak belirlenen ve ilişkili doğruluğu bilinmemektedir. Burada, bir araştırma mezarlığına örnekleme ve toprak kayma heterojenite gösteren ve makul örneklerin boyutu ve ilişkili doğruluk için bilgilendirmek için bu tasarım kullanarak bir pilot örnekleme güvenerek verimli ve kümelenmiş toprak için detaylı bir iletişim kuralı mevcut gelecekteki çalışma. Protokol çoğunlukla dört adımdan oluşur: tasarım, alan koleksiyonu, toprak analizleri ve geostatistical analiz örnekleme. Adım adım yordam eski yayınlar göre değiştirilir. İki örnek zıt kayma dağıtımları toprak organik karbon (SOC) ve toprak mikrobiyal biyokütle karbon (MBC) farklı yönetim uygulamaları altında göstermek için sunulacak. Buna ek olarak, belirli bir düzeyde doğruluk varyasyon (CV) Arsa düzeyi katsayısı göre verilen örnek boyutu gereksinimini (SSR) belirlemek için bir strateji mevcut. Alan örnekleme Protokolü ve kantitatif tayin edilmesi örnek boyutu araştırmacılar araştırma ihtiyaç ve kaynakların kullanılabilirlik karşılamak için uygun örnekleme stratejileri arayışında yardımcı olacaktır.
Introduction
Toprak son derece heterojen Biyomalzeme1,2vardır. Toprak örnekleme en iyi temsil eden örnekler toplamak ve bir alanın besin durumu olabildiğince doğru bir biçimde ve mümkün olduğunca ucuza karakterize etmek için yapılır. Bir toprak değişkenlik toprak kayma heterojenite ve miktar doğruluğunu yatıyor. Ne zaman toprak mekansal varyasyon dikkate alınmaz, toprak Analizi son derece hassas3olsa bile bir toprak değişkenin doğru ortalama değeri önemli bir kalkış tipik toprak örnekleme neden olabilir. Türdeş olmayan araştırma arsa için değişkenlik sık daha3anlamına gelir daha fazla önem taşımaktadır; diğer bir deyişle, doğru bir şekilde her iki değişkenlik ölçebilir ve demek bir örnekleme tasarımı tercih olacaktır.
Toprak uzaysal değişim daha fazla arazi yönetimi uygulamaları4,5,6nedeniyle değiştirildiğinde, toprak doğru bir şekilde örnekleme yapmak daha zordur. Yine de, endişeleri de anahtar toprak değişkenlerini (Örneğin, SOC ve MBC) büyük değişimler ile ilgili olarak ortaya uzun vadeli genel toprak modeli için kritik olan temel modeli parametreleri zavallı kısıtları neden için yayılır7 projeksiyonlar iklim altında8,9,10değiştirin. Basit, güvenilir ve verimli toprak örnekleme strateji alanı değişkenliği tanımlamak için toprak örnekleme maliyetini önemli bir sorun olduğu için aranır.
Bir araştırma Arsa temsilcisi toprak örnekleri toplamak için birçok farklı yaklaşım vardır ve avantaj ve dezavantajları Tablo 1‘ de özetlenmiştir. Geleneksel toprak örnekleme içinde (yani, basit ve rastgele örnekleme), 10’dan fazla toprak örnekleri birkaç rasgele koleksiyonunu bir araştırma mezarlığına gerçekleştirilir. Özellikle, bir geleneksel toprak örnekleme tasarım örnekleri sayısı her zaman keyfi olarak belirlenir ve ilişkili örnekleme hatası (yani, doğruluk) bilinmeyen kalır.
| Örnekleme tasarım | Avantaj | Dezavantaj |
| Basit ve rastgele örnekleme | Maliyet etkin, hızlı ve ucuz, yaygın olarak kabul edilen, kolay operasyon, homojen sitedeki en uygun | Düşük doğruluk ve yüksek varyasyon, < 5 örnekleri |
| Sistematik örnekleme | Yüksek doğruluk ve bilinen varyasyon, büyük ölçekli türdeş olmayan sitedeki en uygun | Etkisiz, büyük örnek sayısı maliyet |
| Tabakalı örnekleme | Doğru ortalama tahmin, nispeten kolay kullanım, kümelenmiş ve tabakalı bölge için en uygun | Maliyet etkisiz, büyük örnek numarası (genellikle daha az sistematik/kılavuz örnekleme) |
| Kompozisyon | Uygun maliyetli, doğru ortalama tahmini, kolay kullanım, türdeş olmayan sitedeki en uygun | Bilinmeyen alan varyasyon, > Kompozit için 3 örnekleri |
Tablo 1: avantajları ve dezavantajları büyük toprak toprak araştırma toplumda kabul edilen tasarımlar örnekleme. Tablo Tan ve ark. özetlenen 3, Jones12ve Swenson vd. 11
Basit ve rastgele örnekleme veya kompozisyon ile karşılaştırıldığında, sistematik ve tabakalı örnekleme tasarımları ile ilişkili değişkenlik (Tablo 1) ile birlikte yüksek doğruluk anlamına gelir elde edebilirsiniz. Ancak, onlar yoğun toprak örnekleme (Örneğin, birkaç 100 örnek) gerektirir. Her ne kadar doğruluğu ve güven, toprak test düzeyi artar daha fazla toprak örnekleri ile arsa11başına toplanan toprak örnekleri çok sayıda gereksinimini genellikle sadece bir büyük ölçekli çalışma5için,11 geçerlidir. ; Kaynak kısıtlamaları nedeniyle alan parsel ölçeğinde yapılan çoğu toprak araştırma projeleri uygun fiyatta iyi olur. Bir örnekleme tasarımı farklı yöntemlerin karşılaştırılması dengelemek için tercih edilir.
Önemli bir toprak örnekleme tasarımı için gerekli toprak örnekleri ve araştırma soruları ve alan koşullar göz önüne alındığında ilişkili doğruluk sayısını belirlemek için konudur. Örneğin, toprak örnekleri sayısı bir azalma hala hassas6(yani, Doğa ve oluşumunu kayma heterojenite açıkça ölçmek için bir ihtiyaç düşündüren, aynı düzeyde gerçekleştirmek ise daha az rahatsız siteleri mümkündür örnekleme3toprak için toprak değişkenlik) öncesinde. Aslında, hiçbir pilot böyle örnekleme çoğu toprak örnekleme tasarımlarında önerilir. Alan bilim adamları sık deneyler tasarlarken istatistiksel güç tahmin etmek önemini tanımak için başarısız.
Toprak örnekleme deneysel rigor artırmak için basit ve etkili örnekleme yöntemi bu çalışmada sunulur. Yeni tasarım sadece toprak besin düzeyleri ve değişkenlik doğru karakterizasyonu etkinleştirmek ama toprak kayma heterojenite için muhasebe tarafından toprak örnekleri ve ilişkili örnekleme doğruluk bilgilendirmek için nicel bir yol sağlamak aynı zamanda, gelecekteki araştırmalar için. Yeni toprak örnekleme tasarım araştırmacılar örnekleme ve araştırma ihtiyaçlarını uygun isteğe bağlı stratejilerini belirlemek yardımcı olmalıdır. Bu yöntem genel amacı toprak biogeochemists ve ekologlar toprak örnekleme Stratejileri bağlamında saha araştırması, en iyi duruma getirmek için nicel ve çıkarcı bir yaklaşım sağlamaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geleneksel toprak örnekleme yöntemi bir nicel olarak yoksun ve daha gelişmiş örnekleme stratejileri yoğun toprak koleksiyonları yer ve kalkılamayacağını maliyeti çoğu toprak araştırma alan arsa ölçekte indüklenen ise bilinmeyen doğruluk için yol açtı. Basit, etkili ve güvenilir örnekleme tasarımı söz konusu her iki yöntem denge ve daha da önemlisi, bazı doğruluk aşkına gelecekteki örnekleme ihtiyaçlarını altında gerekli numarasını belirlemek için nicel bir şekilde bilgilendirmek için yararlı bir araç olmalıdır. Ancak, böyle bir örnekleme tasarım hala kayıp. Burada, toprak kayma heterojenite ölçmek için bir kümelenmiş örnekleme yordamı değiştirmek için bir yöntem sunuldu ve belirli doğruluk altında gelecekteki örnekleme için gerekli toprak örnekleri sayısı bilgilendirmek için bu tasarım üzerinde güvenerek. Protokol içinde iki önemli adım vardır. İlk örnekleme alanı belirlemek ve belirli çizim alanı örnekleme bölgesinde tespit etmektir. Boyut ve belirli araştırma Arsa şeklinde bir çalışmada değişebilir çünkü örnekleme bölgeyi temsil eden kareden oluşan bir kılavuz uzunluğunu ve numarası en uygun Arsa özellikleri ve çizim alanını mümkün olduğunca kapak için değiştirilmesi gerekir. 24-30 toprak örnekleri verilen mezarlığına toplanacak genel olarak, kare ızgaralar sayısı sekize on sınırlı olmalıdır. Bu gereksinim örnekleme daha az yoğun bir arsa bir pilot çalışma için kabul edilir. İkinci önemli adım örnek numarası altında belirli doğruluk gerekli tespit etmektir. Her ne kadar istenen bir doğruluk altında toprak örnekleri sayısı, pilot örnekleme strateji üzerinde dayalı elde edilebilir, diğer kaynaklara (Örneğin, işçilik, maliyet ve personel için) hesaba katılması gerekir. İstenen bir doğruluk için gerekli toprak örnekleri sayısı uygun fiyatta aşarsa, böylece toprak örnekleri sayısı hesaplanabilir istenilen doğruluk düşürülmelidir. En uygun istenilen doğruluk ve kullanılabilir kaynakları dengelemek için elde kadar yeniden hesaplamalar yinelenmelidir.
İletişim kuralı belirli şekli, alan ve araştırma Arsa konumunu uyacak şekilde kolayca değiştirilebilir. Düzensiz bir arsa veya bir çok büyük ya da küçük çizim alanı içinde bile, yordam en çizim alanı kapsayacak şekilde kareden oluşan bir kılavuz boyutunu kontrol ederek gerçekleştirilebilir. Toprak örnekleri komplo dairesel örnekleme bölgenin ötesinde toplandığında, öte yandan, onlar hala için açıklayıcı ve geostatistical analizde muhasebesi. Bu nedenle, örnekleme maliyetini azaltabilir esneklik Protokolü’nün bu konuda avantajlı gibidir.
Bu yöntemin önemli bir sınırlama toprak örnekleri sayısı kesin doğruluk üzerine çizim düzeyi 24-30 toprak örnekleri pilot toprak örnekleme içinde bir grup tarafından belirlenen CV bağlıdır gerekli olduğunu. Son derece heterojen bir arsa için 30 örnekleri ya da daha büyük bir CV örnekleri (> 30) büyük bir sayısına göre daha üretmek daha az olabilir. Sonuç olarak, aynı doğruluk ile hesaplanan toprak örnekleri sayısı daha büyük olacaktır. Diğer bir deyişle, aynı doğruluk için gerekli toprak örnekleri sayısı mezarlığına fazla hesaplamış. Son derece homojen bir arsa için örnekleri daha az sayıda kaynak ihtiyacı bir tahmindi içinde kaynaklanan bir çizim düzey CV 30 örnekleri için böylece, benzer üretecek. Bu nedenle, bu son derece heterojen veya homojen araziler için pilot örnekleme model önerdi toprak örneği (yani, 30 veya daha az) gereksiz yatırım pilot örnekleme sahne veya gelecekteki örnekleme neden.
Kümelenmiş toprak örnekleme stratejisinin önemli avantajları göstermektedir. Bu toprak kayma heterojenite elde etmek için güvenilir ve uygun fiyatlı toprak örnekleme strateji sağlar ve bir istediğiniz belirli doğruluk için gerekli toprak örnekleri sayısı türetmek için nicel bir yol sunar. Her ne kadar yoğun şerit veya tabakalı örnekleme mekansal varyasyon daha iyi bir açıklama sağlayabilir, böyle örnekleme iletken maliyetini en toprak çalışmaları için çok yüksektir. Geleneksel örnekleme isteğe bağlıdır ve doğruluk örnekleme için nicel herhangi bir temeli yoktur. Geçerli protokol nedeniyle onun daha az üstün yoğun örnekleme gereksinimi, alanında, uzamsal desenleri kantitatif herhangi verilen örnek boyutunu belirlemek için titiz geostatistical analiz yöntemleri ve kapasite kullanarak ortaya çıkarmak için güç sömürge kolaylığı istenilen doğruluk. Belirli örnekleme doğruluk için gerekli örnek boyutu bilgi araştırmacılar yatırımlarını toprak örnekleme çabalarında strateji için izin verir.
Verimli kümelenmiş örnekleme yordamı istihdam sıkı toprak kayma heterojen test sağlar ve doğruluk ile toprak örnekleme yapmak için bilim adamlarının kapasite geliştirir. Toprak örnekleme strateji daha az yoğun ve nicel doğası toprak araştırma topluluklar geniş kendi uygulamasında sağlayacaktır. Büyük olasılıkla değiştirilmiş toprak kayma heterojenite altında hızlı küresel değişiklikler göz önüne alındığında, bir araştırma Arsa aynı örnekleme doğruluk toprak örnek gereksinimini zaman içinde değişebilir. Önerilen örnek numarası pilot örnekleme tasarımı farklı toprak ve ekosistemler ile değişebilir. Bu işten ortaya çıkabilir gelecekteki uygulamalar belirli topraklar veya ekosistemler için örnek belirleyerek içerir. Böylece, daha fazla ampirik çalışma uygulama ve çeşitli toprak ve ekosistemler yönteminde tanımlaması gerekir. Uzun vadeli ve geniş uygulamalar toprak araştırmacılar için tavsiye edilebilir belirli ekosistemler genel örnek boyutu gereksinimini belirlemek yardımcı olabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışmada bir bize Bölümü Tarım Evans-Allen Grant’ın üzerinden (No. 1005761) fon tarafından desteklenmiştir. Yazar personeli TSU’s ana kampüs Alec Nashville, Tennessee, onların yardım için teşekkürler. Maggie Syversen el yazması eski sürümünü okuyarak yardımcı oldu. Yazar onların yapıcı yorumlar ve öneriler için adsız yorumcular takdir eder.
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 |
References
- 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).
