Målinger av jord karbon Neutron-Gamma analysen i statisk og skanning modi
Summary
Her presenterer vi protokollen for i situ måling av jord karbon med Nøytron-gamma teknikk for enkeltpunkt målinger (statisk modus) eller feltet gjennomsnitt (skanning-modus). Vi beskriver også systemet konstruksjon og utdype data behandling prosedyrer.
Abstract
Her beskrives anvendelsen av uelastisk neutron spredning (INS) metode for jord karbon analyse er basert på registrering og analyse av gammastråling opprettet når nøytroner samhandler med jord elementer. De viktigste delene av INS systemet er en pulserende neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, delt elektronikk skille gamma spectra INS og thermo-neutron fange (TNC) prosesser og programvare for gamma spectra oppkjøp og databehandling. Denne metoden har flere fordeler sammenlignet med andre metoder i at det er en ikke-destruktiv i situ metode som måler gjennomsnittlig karbon innholdet i store jord volumer, påvirkes negligibly av lokale skarpe endringer i jord karbon og kan brukes i stasjonære eller skanning moduser. Resultatet av metoden INS er karbon innholdet fra et område med et fotavtrykk av ~2.5 – 3 m2 i stasjonære regimet, eller gjennomsnittlig karbon innholdet i traverserte området i skanning regimet. Måling av dagens INS system er > 1,5 karbon vekt % (standardavvik ± 0,3 w %) i øvre 10 cm laget for en 1 hmeasurement.
Introduction
Kunnskap om jord karbon innholdet kreves for optimalisering av jord produktiviteten og lønnsomheten, forstå virkningen av jordbruksland bruk praksis på jord ressurser, og vurdere strategier for carbon sequestration1, 2,3,4. Jord karbon er en universell indikator jord kvalitet5. Flere metoder har blitt utviklet for jord karbon målinger. Tørr forbrenning (DC) er den mest brukte metoden for år6; Denne metoden er basert på feltet prøvetaking og laboratoriet behandling og mål som er destruktive, arbeidskraft intensiv og tidkrevende. To nyere metoder er laser-indusert sammenbrudd spektroskopi, og nær og infrarødspektroskopi7. Disse metodene er også ødeleggende og bare analysere svært nær overflaten laget (0,1 – 1 cm jord dybde). Dessuten, disse metodene bare gi punkt målinger av karboninnhold lite utvalg volumer (~ 60 cm3 for DC metoden og 0,01-10 cm3 for infrarød spektroskopi metoder). Slike punkt målinger gjør det vanskelig å ekstrapolere resultatene til feltet eller liggende skalaer. Siden disse metodene er destruktive, er regelmessige målinger også umulig.
Tidligere forskere ved Brookhaven National Laboratory foreslått bruk neutron teknologi for jord karbon analyse (INS metode)7,8,9. Denne innledende innsats utviklet teori og praksis av bruker neutron gamma analyse for jord karbon mål. Oppstart i 2013, fortsatte dette arbeidet på den USDA-ARS National jord Dynamics Laboratory (NSDL). Utvidelse av teknologisk programmet de siste 10 årene er to hovedfaktorer: tilgjengeligheten av relativt rimelige kommersielle neutron generatorer, gamma detektorer og tilsvarende elektronikk med programvaren; og toppmoderne Nøytron-kjerner samhandling referanse databaser. Denne metoden har flere fordeler sammenlignet med andre. En INS system, plassert på en plattform, kan være manøvrerte over alle typer felt mål. Denne ikke-destruktiv på plass metoden kan analysere store jord volumer (~ 300 kg) som kan være interpolert til en helt landbrukssektoren bruker kun målinger. INS systemet er likeledes dugelig å operere en skanningsmodus som bestemmer gj.snittlige karbon innholdet på et område basert på skanning over et predetermine rutenett for feltet eller landskap.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bygge på grunnlag av tidligere forskere, adressert NSDL personalet spørsmål kritisk til praktisk og vellykket bruk av denne teknologien i virkelige verden innstillinger. Først viste NSDL forskerne nødvendigheten konto for INS systemet bakgrunn signal når netto karbon peak områder. 11 et forsøk viste at netto karbon peak området karakteriserer gjennomsnittlig karbon vekt prosent i øvre 10 cm laget (uavhengig av karbon dybde distribusjon form) av direkte proporsjonal avhengighet. I tillegg…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne er gjeld til Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch og Marlin Siegford teknisk assistanse i eksperimentell målinger og Jim Clark og Dexter LaGrand for hjelp med datasimulering. Vi takker XIA LLC for tillater bruk av deres elektronikk og detektorer i dette prosjektet. Dette arbeidet ble støttet av NIFA ALA forskning kontrakt No ALA061-4-15014 “Presisjon geospatiale kartlegging jord karbon innhold for landbruket produktivitet og lifecycle management”.
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).
