Den traditionella jord-acceptansprovning bestämmer antalet jordprover godtyckligt. Här, erbjuder vi en enkel men ändå effektiv klustrade jord-provtagning design att demonstrera jord rumslig heterogenitet och kvantitativt bestämma antalet jordprover som krävs och den associera provtagning noggrannheten.
Jordar är mycket heterogena. I allmänhet antalet jordprover som krävs för jord forskning har alltid fastställts godtyckligt och associerade noggrannheten är okänd. Här presenterar vi ett detaljerat protokoll för effektiv och klustrade jord provtagning i en komplott, forskning och, att förlita sig på en pilot provtagning med denna design, för att demonstrera jord rumslig heterogenitet och informera rimliga urvalsstorlekar och associerade noggrannhet för framtida studie. Protokollet omfattar främst fyra steg: provtagning design, fältuppsättningen, analys av jord och geostatistisk analys. Det stegvisa förfarandet har ändrats enligt tidigare publikationer. Två exempel kommer att presenteras för att Visa kontrasterande rumsliga distributioner av organiskt kol i marken (SOC) och mikrobiella biomassan kol i marken (MBC) under olika skötselmetoder. Dessutom presenterar vi en strategi för att bestämma provets storlek kravet (SSR) ges en viss nivå av noggrannhet baserat på områdesnivå variationskoefficienten (CV). Protokollet fältet provtagning och kvantitativ bestämning av urvalets storlek kommer att hjälpa forskare söker genomförbart provtagning strategier för att möta behov av forskning och resursernas tillgänglighet.
Jordar är ytterst heterogen biomaterial1,2. Jord provtagning genomförs för att samla de mest representativa proverna och karakterisera näringsämnen fältets status till en så exakt och billigt som möjligt. Variabilitet i en jord ligger i jord rumslig heterogenitet och noggrannhet av kvantifiering. När rumslig variation i jord inte är beaktas, kan typiska jord provtagning resultera i en betydande avvikelse från sanna medelvärdet av en jord variabel, även om själva jord analysen är mycket exakt3. För en heterogen forskning tomt är variabilitet ofta viktigare än innebär3; det vill säga kommer en provtagning design som korrekt kan mäta både variation och menar att föredra.
När jord rumslig variation är ytterligare ändras på grund av mark förvaltning praxis4,5,6, är det svårare att bedriva jord provtagning på ett korrekt sätt. Dock oro uppstår också när det gäller de stora variationerna i viktiga jord variabler (t.ex., SOC och MBC)7 som sprids för att orsaka dålig begränsningar av viktiga modellparametrar som är avgörande för långsiktiga globala jord modell prognoser under klimat ändra8,9,10. Eftersom kostnaden för marken provtagning att karakterisera fältet variabilitet är ett centralt problem, söks en enkel, tillförlitlig och effektiv jord provtagningsstrategi.
Det finns många olika metoder att samla representativa jordprover i en komplott, forskning, och sina fördelar och nackdelar sammanfattas i tabell 1. I en traditionell jord-provtagning (dvs.enkla och slumpmässig provtagning), ett slumpmässigt samling av några till mer än 10 jordprover utförs i en forskning tomt. I synnerhet antalet prover i traditionella jord provtagning design bestäms alltid godtyckligt och det associerade urvalsfelet (dvs, noggrannhet) förblir okänd.
Provtagning design | Fördelen | Nackdelen |
Enkel och slumpmässig provtagning | Kostnadseffektiv, snabb och billig, allmänt antagna, enkel operation, optimal i homogen webbplats | Låg noggrannhet och hög variation, < 5 prover |
Systematisk provtagning | Hög noggrannhet och kända variation, optimal i stor skala heterogena webbplats | Kosta ineffektiva, stora provnumret |
Stratifierad provtagning | Korrekt genomsnittlig uppskattning, relativt enkelt handhavande, optimal för klustrade och stratifierat region | Kosta ineffektiva, stora provnumret (vanligtvis mindre än systematisk/grid provtagning) |
Compositing | Kostnadseffektiva, korrekt genomsnittlig uppskattning, enkelt handhavande, optimal i heterogena webbplats | Okända fältet variation, > 3 prover för komposit |
Tabell 1: fördelar och nackdelar av stora jord provtagning formgivningar antagen i jord forskarsamhället. Tabellen har sammanfattas från Tan et al. 3, Jones12och Swenson et al. 11
Jämfört med enkel och slumpmässig provtagning eller montage, kan systematisk och stratifierad provtagning mönster uppnå medel med hög noggrannhet tillsammans med associerade variabiliteten (tabell 1). Dock kommer de att kräva intensiva jord provtagning (t.ex., några 100 prover). Även om riktigheten av, och förtroendet, en jord test nivå ökar med fler jordprover samlas in per tomt11, gäller kravet på ett stort antal jordprover generellt endast för en storskalig studie5,11 ; Det är väl bortom överkomliga priser för de flesta jord forskningsprojekt som bedrivs på omfattningen av fältet tomter på grund av begränsningar i resurser. En provtagning design föredras att balansera kompromisser av dessa olika metoder.
En nyckelfråga för en jord provtagning design är att bestämma antalet jordprover som krävs och den associerade noggrannhet med tanke på forskningsfrågor och fältförhållanden. Exempelvis är en minskning av antalet jordprover möjligt i mindre störda platser samtidigt fortfarande uppnå samma nivå av precision6, vilket tyder på ett behov av att kvantifiera uttryckligen rumslig heterogenitet (dvs, karaktär och förekomst av jord variabilitet) före provtagning3i jorden. I själva verket rekommenderas ingen sådan pilot provtagning i de flesta jord provtagning konstruktioner. Fältet forskare ofta inte inser vikten av uppskattning statistisk power när de utformar experiment.
För att förbättra den experimentella stringens i jord provtagning, presenteras enkel och effektiv provtagningsmetod i denna studie. Den nya designen skall inte bara aktivera korrekt karakterisering av jord näringsnivå och variabilitet men även av redovisning för jord rumslig heterogenitet, ge kvantitativa sätt att informera antal jordprover och associerade provtagning noggrannhet för framtida forskning. Ny jord provtagning design bör hjälpa forskarna att identifiera valfria strategier som passar deras behov med provtagning och forskning. Det övergripande målet med denna metod är att ge jord biogeochemists och ekologer med en kvantitativ och manipulativa strategi att optimera jord provtagning strategier inom ramen för fältforskning.
Traditionella jord urvalsmetoden saknade en kvantitativ grund och ledde till okänd noggrannhet, medan de mer avancerade provtagning strategierna inblandade intensiva jord samlingar och inducerad oöverkomliga kostnader för de flesta jord forskning på fältet tomt skalan. En enkel, effektiv och tillförlitlig provtagning design bör vara ett användbart verktyg för att balansera båda ovannämnda metoderna och, viktigare, informera en kvantitativa sätt att avgöra det antal som krävs under vissa noggrannhet skull framtida provtagning behov. Sådan provtagning konstruktion saknas dock fortfarande. Här, en metod för att manipulera en klustrad provtagningsmetoder för att kvantifiera jord rumslig heterogenitet presenterades och förlita sig på denna design, meddela antalet jordprover krävs för framtida provtagning under särskild noggrannhet. Det finns två kritiska steg i protokollet. Först är att bestämma provtagning och identifiera provtagningsområdet i en given ritytan. Eftersom den dimensionen och formen på en specifik forskning tomt kan variera från en studie till en annan, bör antalet och längden av fyrkantiga rutnätet som representerar provtagningsområdet ändras för att bäst passa tomt egenskaper och täcka ritytan så mycket som möjligt. I allmänhet bör antalet fyrkantiga nät begränsas till åtta till tio så att 24-30 jordprover kommer att samlas i en viss tomt. Detta mindre intensiv provtagning kravet är godtagbart för en pilotstudie i en komplott. Den andra kritiska steget är att fastställa antalet prov som krävs enligt särskild noggrannhet. Även om antalet jordprover under en önskad noggrannhet kan härledas på utifrån den pilot provtagningsstrategi, behöver andra tillgängliga resurser redovisas (t.ex., arbete, kostnad och personal). Om antalet jordprover som krävs för en önskad noggrannhet överskrider överkomliga, bör önskad noggrannhet sänkas så att antalet jordprover kan omberäknas. Omberäkningarna ska upprepas tills bästa passform uppnås för att balansera önskad noggrannhet och tillgängliga resurser.
Protokollet kan enkelt modifieras för att passa den specifika formen, området och platsen för en forskning tomt. Även inom en oregelbunden tomt eller en mycket stor eller liten ritytan, kan förfarandet utföras genom att kontrollera storleken på fyrkantiga rutnätet för att täcka de flesta av ritytan. Däremot, när jordprover samlas utanför zonen cirkulär provtagning i handlingen, kan de fortfarande redovisas i beskrivande och geostatistisk analys. Flexibiliteten i protokollet är i detta avseende fördelaktigt eftersom det kan, således, minska kostnaden för provtagning.
En viktig begränsning med denna metod är att antalet jordprover som krävs för vissa noggrannhet beror på nivån tomt CV bestäms av en grupp av 24-30 jordprover i pilot mark provtagning. För en ytterst heterogen tomt, 30 prover eller mindre kan producera ett större CV än som baserat på ett större antal prover (> 30). Som ett resultat, blir antalet jordprover som beräknats med samma noggrannhet större. Det vill säga kommer antalet jordprover som krävs för samma noggrannhet överskattas i observationsområdet. För en mycket homogen tomt, kommer att ett mindre antal prover producera ett tomt nivå CV liknar 30 prover, således, vilket resulterar i en överskattning av behovet av resurs. För dessa extremt heterogen eller homogen tomter, kan jord provnumret (dvs30 eller mindre) föreslås i pilot provtagning designen därför orsaka onödiga investeringar i pilot provtagning scenen eller i framtida provtagning.
Vi visar betydande fördelar av den klustrade provtagning markstrategin. Det erbjuder en pålitlig och prisvärd jord provtagningsstrategi för att erhålla jord rumslig heterogenitet och kvantitativa sätt att härleda antalet jordprover som krävs för en viss önskad noggrannhet. Även om den intensiva strip eller stratifierad provtagning kan ge en bättre beskrivning av rumslig variation, är kostnaden för att bedriva sådan provtagning för hög för de flesta studier av jord. Den traditionella provtagningen är godtyckliga och saknar någon kvantitativ grund för provtagning noggrannhet. Det nuvarande protokollet är överlägsen på grund av dess mindre intensiv provtagning krav, lätthet i drift det i fältet makt att avslöja rumsliga mönster använder rigorösa geostatistisk analysmetoder och kapacitet att kvantitativt bestämma stickprovsstorleken ges någon önskad noggrannhet. Kunskap om den urvalsstorlek som krävs för en specifik provtagning noggrannhet gör att forskare att upp strategier sina investeringar i jord provtagning ansträngningar.
Anställa effektiv klustrade provtagningsförfarandet tillåter rigorös testning smutsa rumslig heterogenitet och förbättrar forskarnas kapacitet att genomföra jord provtagning med noggrannhet. Mindre intensiv och kvantitativa beskaffenhet den provtagning markstrategin kommer att aktivera dess bred tillämpning i jord undersökningspaneler. Kravet jord prov för samma provtagning noggrannhet i en komplott, forskning ges sannolikt förändrad jord rumslig heterogenitet under snabba globala förändringar, och kan variera över tiden. Föreslagna provnumret i pilot provtagning utformningen kan variera med olika jordar och ekosystem. Framtida tillämpningar som kan uppstå från detta arbete inkluderar att bestämma provnumret för specifika jordar eller ekosystem. Således behövs ytterligare empiriska arbete på programmet och identifiering av metoden i olika jordar och ekosystem. Långsiktiga och brett program kan hjälpa till att identifiera ett generiskt prov storlek krav för specifika ekosystem, som kan rekommenderas för jord forskare.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av finansiering från en US avdelning av jordbruk Evans-Allen Grant (nr 1005761). Författaren tack anställda på TSU’S Main Campus AREC i Nashville, Tennessee för deras hjälp. Maggie Syversen hjälpte genom att läsa en tidig version av manuskriptet. Författaren uppskattar de anonyma granskarna för deras konstruktiva kommentarer och förslag.
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 |