Измерения почвенного углерода путем анализа нейтронного гамма в статических и режимы сканирования
Summary
Здесь мы представляем протокол в situ измерения почвенного углерода с использованием метода нейтронного гамма для одной точки измерения (статический режим) или поле в среднем (режим сканирования). Мы также описывают системы строительства и разработки процедур обработки данных.
Abstract
Здесь описано применение неупругого нейтронного рассеяния (INS) метод для анализа почвы углерода основан на регистрации и анализа гамма-лучей, созданный когда нейтроны взаимодействуют с элементами почвы. Основные части модулей системы являются импульсного нейтронного генератора, NaI(Tl) гамма детекторы, Сплит электроники для разделения гамма-спектров благодаря INS и термо нейтронного захвата (ТНК) процессов и программного обеспечения для гамма-спектров сбора и обработки данных. Этот метод имеет ряд преимуществ перед другими методами, в том, что это метод неразрушающего на месте , который измеряет среднее углерода контента в больших почвы томах, ничтожно затронуты местных резкие изменения почвенного углерода и может использоваться в стационарном или режимы сканирования. Результатом метода INS является содержание углерода от сайта с след ~2.5 – 3 m2 в стационарном режиме, или средняя углерода области пройденный в режиме сканирования. Диапазон измерения текущей системы Син > 1,5 мас. % углерода (стандартное отклонение ± 0,3 Вт %) в верхней 10 см слое почвы на 1 hmeasurement.
Introduction
Требуется знание содержания углерода почвы для оптимизации продуктивности почв и прибыльности, понимание влияния практики использования сельскохозяйственных земель на почвенных ресурсов и оценке стратегий секвестрации углерода в1, 23,,4. Углерода в почве-это универсальный индикатор качества почвы5. Несколько методов были разработаны для почвы углерода измерений. Сухой сгорания (DC) был наиболее широко используемый метод для6лет; Этот метод основан на поле образец коллекции и лаборатории обработки измерения, что является разрушительным, труда интенсивной и много времени. Две новые методы лазерно индуцированным разбивка спектроскопии и вблизи и середине инфракрасной спектроскопии7. Эти методы также являются разрушительными и только анализировать слой очень близко к поверхности почвы (0,1 – 1 см Глубина почвы). Кроме того, эти методы только условным пределом измерения содержания углерода для небольшой образец томов (3 ~ 60 см для метода DC и 0,01-10 см3 для инфракрасной спектроскопии). Такие точки измерения сделать это трудно экстраполировать результаты для поля или пейзаж весы. Так как эти методы являются разрушительными, повторяющихся измерений также невозможно.
Предыдущие исследователи в Брукхейвенской национальной лаборатории предложил, применяя технологию нейтронов для почвы углерода анализ (метод INS)7,8,9. Этот первоначальный усилий разработана теория и практика использования нейтронов гамма анализа для измерения углерода почвы. Начиная с 2013 года, эта деятельность была продолжена в лаборатории динамики национальной почвы (NSDL) USDA-ARS. Расширение этого технологические приложения за последние 10 лет из-за двух основных факторов: наличие относительно недорогой коммерческие Нейтронные генераторы, гамма детекторы и соответствующей электроники с программным обеспечением; и состояние искусства нейтронных ядер взаимодействия справочных баз данных. Этот метод имеет несколько преимуществ над другими. МОДУЛИ системы, размещены на платформе, может маневрировать через любой тип поля, который требует измерения. Этот метод неразрушающего in situ можно анализировать большие почвы томов (~ 300 кг), которые может быть интерполяцией целые сельскохозяйственные поля, используя несколько измерений. Эта система INS также способен работать в режиме сканирования, которое определяет содержание средняя углерода в области на основе сканирования через заданный сетке поля или пейзаж.
Protocol
Representative Results
Discussion
Опираясь на фундаменте, заложенном в предыдущие исследователи, NSDL персонала вопросы критической для практических и успешного использования этой технологии в реальном мире параметры поля. Первоначально NSDL исследователи продемонстрировали необходимость учета модулей системы фоновог…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признательны Барри г. Дорман, Роберт а. Icenogle, Хуан Родригес, Моррис G. Уэлч и Марлин Siegford для оказания технической помощи в экспериментальных измерений и Джим Кларк и Декстер Лагранд для помощи с компьютерного моделирования. Мы благодарим ся ООО за разрешение использовать их электроники и детекторы в этом проекте. Эта работа была поддержана, НИФА Ала исследований контракт № ALA061-4-15014 «Точность геопространственных сопоставление содержания углерода почвы для сельскохозяйственной производительности и управления жизненным циклом».
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).
