Målinger af kulstof i jorden af Neutron-Gamma analyse i statisk og Scanning tilstande
Summary
Her præsenterer vi i protokollen for i situ måling af kulstof i jorden ved hjælp af neutron-gamma teknik til enkelt punkt målinger (statisk tilstand) eller felt gennemsnit (scannetilstand). Vi også beskrive systemet konstruktion og udarbejde data behandlingsprocedurer.
Abstract
Heri beskrives anvendelsen af uelastisk neutron spredning (INS) metode til jorden kulstof analyse er baseret på registrering og analyse af gamma stråler oprettes, når neutroner interagere med jord elementer. De vigtigste dele af INS system er en pulserende neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, opdele elektronik til at adskille gamma spectra på grund af INS og thermo-neutron capture (TNC) processer og software til gamma spectra erhvervelse og databehandling. Denne metode har flere fordele frem for andre metoder i, at det er en ikke-destruktiv i situ -metode, der måler den gennemsnitlige CO2 indhold i store jord bind, er negligibly påvirket af lokale skarpe ændringer i kulstof i jorden og kan bruges i stationære eller scanning tilstande. Resultatet af metoden INS er CO2 indhold fra et websted med et aftryk af ~2.5 – 3 m2 i den stationære regime, eller det gennemsnitlige kulstofindholdet i området føres i ordningen scanning. Måleområde i det nuværende INS er > 1,5 carbon vægt % (standardafvigelsen ± 0,3 w %) i de øverste 10 cm jordlag for en 1 hmeasurement.
Introduction
Kendskab til jord kulstofindhold er nødvendige for optimering af jordens produktivitet og rentabilitet, forstå virkningen af landbrugsjord brug praksis på jordens ressourcer, og evaluering af strategier for carbon sequestration1, 2,3,4. Kulstof i jorden er en universel indikator for jordbundens kvalitet5. Flere metoder er blevet udviklet til jord carbon målinger. Tør forbrænding (DC) har været den mest udbredte metode til år6; denne metode er baseret på feltet prøvetagning og laboratorium behandling og måling, der er ødelæggende, labor intensiv, og tidskrævende. To nyere metoder er laser-induceret opdeling spektroskopi, og i nærheden af og midten af infrarød spektroskopi7. Disse metoder er også destruktiv og kun analysere meget nær overfladen jordlag (0,1 – 1 cm jord dybde). Derudover disse metoder kun give punkt målinger af kulstofindhold til lille udsnit diskenheder (~ 60 cm3 for DC metode og 0,01-10 cm3 til infrarød spektroskopi metoder). Sådanne punkt målinger gøre det vanskeligt at ekstrapolere resultaterne til felt eller landskab skalaer. Da disse metoder er destruktiv, er tilbagevendende målinger også umuligt.
Tidligere forskere ved Brookhaven National Laboratory foreslog anvendelse af neutron teknologi til jord carbon analyse (INS metode)7,8,9. Denne indledende indsats udviklet teori og praksis med at bruge neutron gamma analyse for jord CO2 måling. Starter i 2013, blev denne indsats videreført på USDA-ARS nationale jord Dynamics Laboratory (NSDL). Udvidelsen af denne teknologisk anvendelse i de sidste 10 år er som følge af to hovedfaktorer: tilgængeligheden af relativt billige kommercielle neutron generatorer, gamma detektorer og tilsvarende elektronik med software; og topmoderne neutron-kerner interaktion reference databaser. Denne metode har flere fordele frem for andre. En INS system, placeres på en platform, kunne være manøvrerede over enhver form for felt, der kræver måling. Denne ikke-destruktiv in situ -metode kan analysere store jord diskenheder (~ 300 kg), der kan indskydes til en hele landbrugsområdet ved hjælp af kun få målinger. Denne INS system er også kan fungere i en scanningstilstand, der bestemmer det gennemsnitlige kulstofindholdet i et område baseret på scanning over et predetermine gitter felt eller landskab.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bygger på det fundament af tidligere forskere, behandlet NSDL personale spørgsmål kritisk til praktiske og vellykket brug af denne teknologi i virkelige verden Feltindstillinger. I første omgang, påvist NSDL forskere nødvendigheden af at tage højde for INS system baggrund signal ved fastsættelsen af nettokulstofemission toparealer. 11 et andet forsøg viste at nettokulstofemission topareal karakteriserer de gennemsnitlige CO2 vægt procent i de øverste 10 cm jordlag (uanset carbon dybde d…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne står i gæld til Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch og Marlin Siegford for teknisk bistand i eksperimentelle målinger, og Jim Clark og Dexter LaGrand for bistand med computer-simuleringer. Vi takker XIA LLC for at tillade brugen af deres elektronik og detektorer i dette projekt. Dette arbejde blev støttet af NIFA ALA forskning kontrakt nr ALA061-4-15014 “Præcision geospatiale kortlægning af jordens kulstofindhold til landbrugets 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 |
Referências
- 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).
