Mätningar av kol i marken av Neutron-Gamma analys i statisk och Scanning lägen
Summary
Här presenterar vi protokollet för i situ mätning av kol i marken med hjälp av neutron-gamma tekniken för enda punkt mätningar (statiskt läge) eller fältet medelvärden (sökningsläge). Vi beskriver också Systemkonstruktion och utarbeta data behandling förfaranden.
Abstract
Häri beskrivs tillämpningen av oelastisk neutronen spridning (INS) metod för analys av jord carbon bygger på registrering och analys av gammastrålar som skapas när neutroner interagera med jord element. De viktigaste delarna av INS systemet är en pulsad neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, split elektronik att separera gamma spectra på grund av INS och thermo-neutron capture (TNC) processer och programvara för gamma spectra förvärv och databehandling. Denna metod har flera fördelar jämfört med andra metoder i att det är en icke-förstörande i situ -metod som mäter den genomsnittliga kol innehåll i stora jord volymer, påverkas obetydligt av lokala skarpa ändringar i kol i marken och kan användas i stationära eller skanningslägen. Resultatet av metoden INS är kolhalten från en webbplats med ett fotavtryck av ~2.5 – 3 m2 i det stationära systemet eller genomsnittliga kolinnehållet i området genomkorsas i skanning regimen. Mätområdet för det nuvarande INS-systemet är > 1,5 kol vikt % (standardavvikelsen ± 0,3 w %) i det övre 10 cm jord lagret för en 1 hmeasurement.
Introduction
Kunskap om markens kolinnehåll krävs för optimering av markens produktivitet och lönsamhet, förstå effekterna av jordbruksmark användarpraxis på markresurserna och utvärdera strategier för kol kvarstad1, 2,3,4. Kol i marken är en universell indikator på markens kvalitet5. Flera metoder har utvecklats för jord carbon mätningar. Torr förbränning (DC) har varit den mest använda metoden för år6. Denna metod är baserad på fältet provsamling och laboratorium bearbetning och mätning som är destruktiv, labor intensiv och tidskrävande. Två nyare metoder är laserinducerad uppdelning spektroskopi och nära och mid infraröd spektroskopi7. Dessa metoder är också destruktiva och endast analysera den mycket ytnära jordlager (0.1 – 1 cm jord djup). Dessutom, dessa metoder endast ge punkt mätning av kolhalten för små provvolymer (~ 60 cm3 för DC metod och 0,01-10 cm3 för infraröd spektroskopi metoder). Sådan punkt mätningar gör det svårt att extrapolera resultat i fält eller liggande fjäll. Eftersom dessa metoder är destruktiva, är återkommande mätningar också omöjligt.
Tidigare forskare vid Brookhaven National Laboratory föreslog neutron-tekniken för jord kol analys (INS-metoden)7,8,9. Detta inledande arbete utvecklat teorin och övar av använda neutron gamma analys för jord carbon mätning. Från och med 2013, fortsatte denna ansträngning på den USDA-ARS nationella jord Dynamics laboratorium (NSDL). Utbyggnaden av detta tekniska program under de senaste 10 åren beror på två huvudfaktorer: tillgången till relativt billiga kommersiella neutron generatorer, gamma detektorer och motsvarande elektronik med programvaran; och toppmoderna neutron-kärnor interaktion referensdatabaser. Denna metod har flera fördelar över andra. Ett system för INS, placeras på en plattform, kunde manövreras över någon typ av fält som kräver mätning. Icke-förstörande in situ – metoden kan analysera stora jordar volymer (~ 300 kg) som kan interpoleras till en hela jordbruksområdet med bara några mätningar. Detta INS system är också kan arbeta i skanningsläge som bestämmer genomsnittliga kolinnehållet i ett område baserat på Skanna över ett predetermine rutnät i fältet eller landskap.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bygga på den grund som fastställts av tidigare forskare, behandlas NSDL personalen frågor som är kritiska till praktiska och framgångsrik användning av denna teknik i verkliga världen Fältinställningar. Inledningsvis visat NSDL forskare nödvändigheten att ta hänsyn till INS systemet bakgrund signalen när fastställandet av nettobindning av koldioxid peak områden. 11 ett nytt försök visade att nettobindning av koldioxid toppens präglar de genomsnittliga koldioxidutsläpp viktprocen…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är skuldsatta Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch och Marlin Siegford för tekniskt stöd i experimentella mätningar, och Jim Clark och Dexter LaGrand för hjälp med datorsimuleringar. Vi tackar XIA LLC för att tillåta användning av sin elektronik och detektorer i detta projekt. Detta arbete fick stöd av NIFA ALA forskning kontrakt nr ALA061-4-15014 ”Precision geospatial kartläggning av jord kolhalt för jordbrukets produktivitet och 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).
