Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Metingen van de bodemkoolstof door Neutron-Gamma analyse in statische en modi scannen

6.6K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56270

⸱

24 augustus 2017

 ,  ,  , 
1National Soil Dynamics Laboratory, Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture

In dit artikel

Samenvatting

Hier presenteren we het protocol voor in situ meting van de bodemkoolstof met behulp van het neutron-gamma techniek voor aanspreekpunt metingen (statische modus) of veld gemiddelden (scanmodus). Ook beschrijven we de bouw van het systeem en gegevens behandeling procedures uit te werken.

Samenvatting

De hierin beschreven toepassingvan de inelastisch neutronen verstrooiing (INS) methode voor bodem koolstof analyse is gebaseerd op de registratie en analyse van gammastralen gemaakt wanneer neutronen met de elementen van de bodem interageren. De voornaamste onderdelen van het INS-systeem zijn een gepulseerde neutron generator, NaI(Tl) gamma detectoren, splitsen elektronica te scheiden van de gamma spectra als gevolg van INS en thermo-neutron capture (TNC) processen en software voor gamma spectra acquisitie en verwerking van gegevens. Deze methode heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere methoden in dat het is een niet-destructieve in situ -methode, die de gemiddelde koolstof meet inhoud in grote bodem hoeveelheden verwaarloosbaar wordt beïnvloed door lokale scherpe veranderingen in de bodemkoolstof en kan worden gebruikt in stationaire of het scannen van modi. Het resultaat van de INS-methode is het koolstofgehalte van een site met een voetafdruk van ~2.5 - 3 m2 in het stationaire regime, of de gemiddelde koolstofgehalte van het desbetreffende gebied in het scannen regime. Het meetbereik van de huidige INS-systeem is > 1,5 gewichtspercenten van de koolstof (standaarddeviatie ± 0,3 w %) in de bovenste 10 cm bodemlaag voor een 1 hmeasurement.

Inleiding

Kennis van bodem koolstofgehalte is vereist voor optimalisatie van bodem productiviteit en rentabiliteit, het begrip van het effect van landbouwgrond gebruik praktijken op bodem middelen en het evalueren van strategieën voor carbon sequestration1, 2,3,4. Bodemkoolstof is een universele indicator van bodem kwaliteit5. Verschillende methoden zijn ontwikkeld voor de bodem koolstof metingen. Droge verbranding (DC) is de meest gebruikte methode voor jaar6; Deze methode is gebaseerd op het veld sample collectie en laboratorium verwerking en waardering die is destructief, arbeid intensief en tijdrovend. Twee nieuwere methoden zijn laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie en nabij en midden infrarood spectroscopie7. Deze methoden zijn ook destructieve en alleen analyseren de bodemlaag van zeer nabij-oppervlak (0.1 - 1 cm bodem diepte). Bovendien, deze methoden alleen opbrengst punt metingen van koolstofgehalte voor kleine steekproef volumes (~ 60 cm,3 voor DC methode en 0,01-10 cm3 voor infrarood spectroscopie methoden). Deze punt-metingen maken het moeilijk om te extrapoleren van de resultaten naar veld of liggend schalen. Aangezien deze methoden destructieve zijn, zijn periodieke metingen ook niet onmogelijk.

Eerdere onderzoekers van de Brookhaven National Laboratory voorgesteld neutron technologie voor bodem koolstof analyse (INS methode)7,8,9toe te passen. Deze eerste poging ontwikkelde de theorie en de praktijk van het gebruik van neutron gamma analyse voor bodem koolstof meting. Beginnen in 2013, werd deze inspanning op de USDA-ARS nationale bodem Dynamics Laboratory (NSDL) voortgezet. De uitbreiding van deze technologische toepassing in de afgelopen 10 jaar is toe te schrijven aan twee hoofdfactoren: de beschikbaarheid van generatoren van de relatief goedkope commerciële neutron, gamma detectoren en bijbehorende elektronica met software; en stand van de techniek neutron-kernen interactie referentie databases. Deze methode heeft verschillende voordelen ten opzichte van anderen. Een INS-systeem, geplaatst op een platform, kan op elk type veld waarvoor metingen worden gemanoeuvreerd. Deze methode van niet-destructieve in-situ kunt analyseren grote bodems volumes (~ 300 kg) die aan een hele agrarische veld met behulp van slechts een paar metingen kunnen worden geïnterpoleerd. Dit systeem van INS is ook kunnen functioneren in een scanmodus die de gemiddelde koolstofgehalte van een ruimte die is gebaseerd bepaalt op het scannen over een raster van de predetermine van het veld of landschap.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. bouw van het systeem van INS

  1. gebruik van de algemene INS systeem geometrie afgebeeld in Figuur 1.

figure-protocol-1
Figuur 1. INS systeem geometrie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. gebruiken de INS systeemontwerp afgebeeld in Figuur 2. 10

figure-protocol-2
Figuur 2. Overzicht van het systeem van INS.
A) eerste blok bevat neutron generator, neutron detector en power systeem; B) tweede blok bevat drie NaI (Tl) detectoren; C) derde blok bevat apparatuur voor de werking van het systeem; D) algemeen beeld van het eerste blok weergegeven: afzonderlijke onderdelen; en E) close-up weergave van de gamma-detectoren. 10 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. drie blokken in het systeem van INS gebruiken (zie aanhangsel).
    1. Voor het eerste blok (A), gebruikt u een neutron generator (NG) en power systeem ( figuur 2A en 2D). Gepulseerde neutron output van deze generator zullen 10 7 - 10 8 z met neutron energie van 14 MeV. De macht systeem bestaat uit vier batterijen (12 V, 105 Ah), een DC-AC omvormer, en een lader. Dit blok bevat ook ijzer (10 x 20 cm x 30 cm) en boorzuur (5 x 20 cm x 30 cm) afscherming ter bescherming van de gamma-detector van neutron bestraling.
      Opmerking: Een neutron detector is ook opgenomen in dit blok voor de controle die de NG functioneert.
    2. Gebruiken voor het tweede blok (B), de gamma-ray meetapparatuur ( figuur 2B en 2E). Dit blok bevat drie 12,7 x 12,7 cm x 15.2 cm Scintillatie NaI(Tl) detectoren met bijbehorende elektronica. De exterieur grootte van de detectoren met elektronica meet 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.
    3. Voor het derde blok (C), gebruikt u een laptopcomputer waarmee de neutron generator (met DNC-software), detectoren en data-acquisitiesysteem ( figuur 2C).

2. Voorzichtigheid en persoonlijke wensen

  1. hebben van elke gebruiker van de INS systeem pass radiologische opleiding.
  2. Zorg ervoor dat elke persoon die de NG een controle van de straling voert badge. Gedurende de metingen moet de beperkt toegankelijke zone-grens (> ìSv/20u) rond de NG zal hebben het symbool van de straling met de woorden " voorzichtigheid, straling gebied. " alle randen van het beperkte gebied zullen niet minder dan 4 m van de NG.
  3. In noodgevallen onmiddellijk duwen de " Emergency onderbreken " knop op de NG, verwijderen van de sleutel van de NG en haal de NG uit het stopcontact.

3. Voorbereiding van het INS-systeem voor meting

  1. Check het elektriciteitssysteem. De macht niveau-indicator op de lader zullen groen, of meer dan 3 rode lampen moeten verlichten. Zo niet, sluit de lader aan op een stopcontact en wacht totdat de batterijen volledig worden opgeladen (groen lampje zal verlichten) of tot een aanvaardbaar niveau is bereikt (≥ 3 rode lampen zal verlichten).
  2. De omvormer (groen lampje verlicht) en de laptop inschakelen.
    3. De data acquisitie programma draaien
  3. op de laptop te bedienen van de gamma-detectoren en controleren van de vereiste parameters voor elke detector. De waarden van deze parameters zal worden gedefinieerd en eerder opgenomen in het INS systeem testen.
    1. Plaats een Cs-137 Besturingselementbron (elk type) binnen 5 tot 15 cm van de detectoren.
    2. Start spectra overname voor 1-3 min.; Controleer de centroids van de 662 keV Cs-137 piek voor alle detectoren. Ze moeten zich op hetzelfde kanaal. Zo niet, gebruik de energie coëfficiënt schaal van thedata acquisitie programma door de waarde te wijzigen om te passen de 662 keV piek centroids.
  4. De NG inschakelen met behulp van de speciale sleutel. De waarschuwingslamp op de NG groen en geel zal verlichten.

4. Kalibratie van het systeem van INS

  1. bereiden 4 pits formaat 1.5 m x 1.5 m x 0.6 m met homogene mengsels van de zand-koolstof ( Figuur 3). Koolstofgehalte is 0, 2.5, 5 en 10 w %.
    Opmerking: Een betonmixer wordt gebruikt om synthetische bodem samengesteld voor bouw zand en kokos shell (100% koolstofgehalte, gemiddelde granulaire diameter < 0,5 mm). Homogeniteit van deze mengsels wordt bepaald visueel.

figure-protocol-3
Figuur 3. Weergave van Pit met zand en Pit met 10% zand-koolstof-mengsel van Cw. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. nemen metingen over de pits met behulp van de volgende stappen uit.
    1. Plaatst u het INS-systeem op de put handmatig of door een caravan met een geschikt voertuig. Plaats de INS-systeem zodanig dat de projectie van de neutron bron wordt gecentreerd op de put.
    2. Voer de DNC-software op de laptop die de NG generator werkt. In de kolom fouten aan de rechterkant van het scherm DNC programma zal alle lampen verlichten groen; Als dat niet het geval is, klikt u op de knop wissen. Invoegen van de volgende parameters: voor Pulse Parameters - frequentie 5 kHz, duty cycle 25%, vertragen 0 µs, uitbreiding 2 µs; voor Beam - hoogspanning 50 kV, lichtbundel huidige 50 µA (merk op dat deze parameters verschillen naargelang de specifieke INS systeeminstellingen en de taak kunnen).
      1. De schakelaar op de DNC programma scherm activeren en wacht tot de NG invoeren van het regime van de werken waar de hoogspanning en de Beam huidige zal komen tot stabiele waarden die overeenkomen met de ingevoerde waarden; Reservoir huidige komt ook op een stabiele waarde.
    3. De data acquisitie software draaien op de laptop te bedienen van de gamma-detectoren. Start spectra overname door het data acquisitie programma voor 1 h. De twee spectra overname processen (INS & TNC en TNC) op het scherm worden weergegeven.
    4. Na 1 h, stoppen de spectra verwerving en spectra op de harde schijf opslaan (bestand | MCA gegevens opslaan | Kies de map en geef de bestandsnaam.
      Opmerking: Er worden twee opgeslagen spectra (TNC en INS) met bestandsnaam-extensies .mca en _gated.mca, respectievelijk).
    5. Selecteer tweede detector (Klik op de pijl in de linker bovenhoek) en sla de spectra voor deze detector. Doe hetzelfde voor derde detector.
    6. Klik op bestand | Afslag naar de software sluiten.
    7. De DNC-software uitschakelen door de schakelaar op de DNC programma scherm uitschakelen.
    8. Herhaal stap 4.2.1 - 4.2.7 voor de andere pits.
    9. De NG met behulp van de speciale sleutel uitschakelen. De waarschuwingslamp op de NG zal dim.
  2. Bepalen de INS systeem achtergrond spectra door het hele systeem van INS verheffen tot op een afstand groter is dan 4 m boven het grondoppervlak en uit de buurt van alle grote objecten en Herhaaldestappen data acquisitie 4.2.2 - 4.2.9.
  3. Verwerking van de gegevens
    1. gebruiken een spreadsheetprogramma te openen van gegevensbestanden opgeslagen in stap 4.2.4. Vinden van waarden voor uitvoer en invoer van graaf tarieven (OCR en ICR) en in real time (RT) in rijen 28, 27 en 30, respectievelijk.
    2. Berekenen de levensduur (LT) voor INS & TNC TNC spectra bij alle metingen als en de
      LT ik = OCR ik / ICR ik ·RT ik (1),
      waar OCR ik en ICR ik de tarieven van de output en input tellen voor de meting van de i-th en RT ik is echt tijd van de meting van de i-th.
    3. Berekenen van de gamma-spectra in tellingen per seconde (cps) door te delen van de spectra (rijen 33-2080 in het werkblad) door de overeenkomstige LT.
    4. Bereken de netto INS spectra van de overeenkomstige metingen voor elke put als
      Netto-INS Spectrum = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2)
    5. Zoeken de gamma pieken 1,78 MeV (28 Si) en 4,44 MeV (12 C) in het spectrum van de netto INS voor elk pit en berekenen van de piek gebieden (4,44 MeV C piek gebied, 1,78 MeV Si piekoppervlakte) IGOR softwarematig.
      1. Open de software door te dubbelklikken op het pictogram. Eerste netto INS Spectrum in de tabel invoegen.
      2. Klik op Windows | Nieuwe grafiek | Van doel | " bestandsnaam " | Doe het. Het Spectrum in de Graph-venster wordt weergegeven. Klik op grafiek | Toon Info. De Vensters met A en B markeringen wordt weergegeven onder het grafiekvenster.
      3. Plaats de muisaanwijzer op teken A, druk de linker muisknop en sleep de cursor naar het spectrum aan linker kant van de piek 1,78 MeV. Plaats de muisaanwijzer op het bord B, druk de linker muisknop en sleep de cursor naar het spectrum aan de rechterkant van de piek 1,78 MeV.
      4. Klik op analyse | Multi piek Fit | Start nieuwe multi piek Fit | Van doel | Blijven. In het pop-upvenster gemarkeerd gebruik grafiek Cursor | Basislijn lineaire | Auto-zoek pieken nu | Doen | Piek resultaten. Het gebied van de piek in het pop-upvenster weergegeven.
      5. Herhalen van dezelfde operaties voor 4,44 MeV piek.
      6. Herhaal alle eerdere operaties met de resterende netto INS Spectra.
    6. Zoeken de netto koolstof pieken elke put door de vergelijking
      netto C piek gebied ik = 4,44 MeV C piek gebied ik - 0,058 · 1,78 MeV Si piek gebied ik (3)
    7. bouwen de kalibratie-lijn voor de INS-systeem als een directe prop ortional afhankelijkheid van de netto koolstof piekoppervlakte vs. koolstofconcentratie uitgedrukt in procent van het gewicht.
      1. Open de nieuwe tabel in IGOR software: Klik op venster | Nieuwe tabel. Pit kooldioxide concentratie waarden invoeren in de eerste kolom en de corresponderende netto C piekoppervlakte in de tweede kolom.
      2. Plot de netto C piek gebied vs pit koolstofconcentratie: klikt u op Windows | Nieuwe grafiek. Kies netto C piekoppervlakte als YWave en koolstof concentraties als XWave. Klik op doen. De punten op de grafiek worden weergegeven.
      3. Bouwen de kalibratie-lijn: Klik op analyse | Montage van de kromme | Functie - lijn | Van doel | Doe het. De kalibratie-lijn en de kalibratiecoëfficiënt (k) in het venster worden weergegeven.

5. Uitvoeren van bodem veldmetingen in statische modus

  1. de INS-systeem voorbereiden meting volgens stap 3.
  2. Plaatst het systeem op de site waarvoor bodem koolstof inhoudsanalyse handmatig of door slepen met behulp van geschikte voertuig. Plaats van het INS-systeem zodanig dat de projectie van de neutron bron is gecentreerd over de site te meten.
  3. Acties als volgt 4.2.2 - 4.2.9 en 4.4.1 - 4.4.6 voor de bepaling van de netto C piek gebieden voor de studieplaatsen.
  4. Berekenen de koolstofconcentratie in gewichtspercenten met behulp van de kalibratiecoëfficiënt als
    figure-protocol-4

6. veld bodem-metingen uitvoeren in de modus scannen

  1. schatten van het pad dat het INS-systeem over het veld terwijl reizen zal administratieve verwerking van reizen snelheid (≤ 5 km/h), veld grootte, INS systeem voetafdruk (radius ~ 1 m) en de tijd van de meting (1 h) zodanig dat de bewegende baan uiteindelijk bestrijkt het gehele gebied. Voor het gemak zet plaats vlaggen op punten langs de omtrek veld.
  2. Stel het INS-systeem voor meting volgens stap 3.
  3. Acties als volgt 4.2.2 - 4.2.3.
  4. Volg het pad van de vooraf bepaalde reizen voor 1 h.
  5. Acties als volgt 4.2.4 - 4.2.9 en 4.4.1 - 4.4.6 voor de bepaling van de netto C piek gebieden voor het bestudeerde gebied.
  6. Berekenen de koolstofconcentratie in gewichtspercenten met behulp van de kalibratiecoëfficiënt door vergelijking 4.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Bodem INS & TNC en TNC gamma spectra

Een algemeen beeld van de gemeten bodem gamma spectra wordt weergegeven in Figuur 4. De spectra bestaan uit een set van pieken op een continue achtergrond. De belangrijkste bergtoppen van belang hebben centroids op 4,44 MeV en 1,78 MeV in de modules & TNC spectra. De tweede piek kan worden toegeschreven aan silicium kernen die zijn opgenomen in de bodem, en de eerste pie...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Voortbouwend op de Stichting opgericht door eerdere onderzoekers, het NSDL personeel vragen kritisch naar de praktische en succesvol gebruik van deze technologie in de echte wereld Veldinstellingen gericht. Aanvankelijk, NSDL onderzoekers aangetoond de noodzaak ter verantwoording voor het INS systeem achtergrond signaal bij het bepalen van de netto CO2 piek gebieden. 11 een poging bleek dat de netto koolstof piekoppervlakte de gemiddelde koolstof gewicht procent in de bovenste 10 cm bodemlaag (ong...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

De auteurs zijn dank verschuldigd aan Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch en Marlin Siegford voor technische bijstand in experimentele metingen, en Jim Clark en Dexter LaGrand voor hulp bij computersimulaties. Wij danken XIA LLC voor het toestaan van het gebruik van hun elektronica en detectoren in dit project. Dit werk werd gesteund door NIFA ALA onderzoek Contract nr ALA061-4-15014 "Precisie georuimtelijke mapping van het koolstofgehalte van de bodem voor agrarische productiviteit en lifecycle management".

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Neutron GeneratorThermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO
DNC software		MP320
Gamma-detector:na
- NaI(Tl) kristalScionix USA, Orlando, FL
- ElektronicaXIA LLC, Hayward, CA
- SoftwareProSpect
BatterijFullriver Battery USA, Camarillo, CADC105-12
OmvormerNova Electric, Bergenfield, NJCGL 600W-serie
OpladerPRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TNPS4
IJzerblokWillekeurigna
BoorzuurWillekeurigna
LaptopWillekeurigna
Mu-metaalMagnetic Shield Corp., Bensenville, IL MU010-12
BouwweerWillekeurigna
KokosnootschaalGeneral Carbon Corp., Patterson, NJGC 8 X 30S
Referentie Cs-137 bronWillekeurigna

Referenties

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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. , Office for Official Publications of the European Communities. Luxembourg. ISBN: 978-92-79-05379-5 (2007).
  4. 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).
  5. Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H. Quantification of soil quality. Soil processes and the carbon cycle. Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. , CRC Press. Boca Raton, FL. 387-404 (1997).
  6. Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods. Sparks, D. L. , SSSA and ASA. Madison, WI. 961-1010 (1996).
  7. Wielopolski, L. Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil. Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice. Carayannis, E. , ISBN: 978-953-307-733-8 (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method. Vadose Zone J. 15 (2), (2016).
  12. Knoll, G. F. Radiation Detection and Measurement. , 3rd, Inc. John Willey & Sons. New York. (2000).
  13. 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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Inelastische neutronenverstrooiingbodemkoolstofanalyseneutronengeneratorgammastralingsdetectiestatische modusscanmoduskalibratieputtengegevensacquisitiekoolstofgewichtsprocentniet destructieve methode
Metingen van de bodemkoolstof door Neutron-Gamma analyse in statische en modi scannen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.