Metody pobierania próbek gleby w celu monitorowania zmian stężeń chemicznych w glebach leśnych

Podsumowanie

Ostatnio wykazano, że wielokrotne pobieranie próbek gleby jest skutecznym sposobem monitorowania zmian w glebie leśnej na przestrzeni lat i dekad. Aby wesprzeć jego stosowanie, przedstawiono protokół, który syntetyzuje najnowsze informacje na temat metod ponownego próbkowania gleby, aby pomóc w projektowaniu i wdrażaniu skutecznych programów monitorowania gleby.

Streszczenie

Ostatnie badania gleb wykazały, że ważne cechy chemiczne gleby mogą ulec zmianie w czasie krótszym niż dekada, często w wyniku szeroko zakrojonych zmian środowiskowych. Wielokrotne pobieranie próbek w celu monitorowania tych zmian w glebach leśnych jest stosunkowo nową praktyką, która nie jest dobrze udokumentowana w literaturze i dopiero niedawno została szeroko przyjęta przez społeczność naukową. Celem niniejszego protokołu jest zatem synteza najnowszych informacji na temat metod ponownego pobierania próbek gleby w formacie, który może być wykorzystany do opracowania i wdrożenia programu monitorowania gleby. Skuteczne monitorowanie gleb leśnych wymaga zdefiniowania jednostki badawczej na obszarze gruntów leśnych, który można scharakteryzować za pomocą powtórzonych miejsc pobierania próbek. Zaleca się ponowne pobieranie próbek w odstępach 5 lat, ale jeśli monitorowanie jest prowadzone w celu oceny konkretnego czynnika środowiskowego, należy wziąć pod uwagę tempo zmian oczekiwane w tym czynniku. Tutaj pokazujemy, że próbkowanie profilu można przeprowadzić za pomocą horyzontu, gdzie granice mogą być wyraźnie określone, a poziomy są wystarczająco grube, aby usunąć glebę bez zanieczyszczenia z poziomów powyżej lub poniżej. W przeciwnym razie próbkowanie można przeprowadzić według interwału głębokości. Archiwizacja próbki do przyszłej ponownej analizy jest kluczowym krokiem w celu uniknięcia błędu analitycznego i zapewnienia możliwości dodatkowych analiz w miarę pojawiania się nowych pytań.

Wprowadzenie

Rozwój gleby tradycyjnie postrzegano przez pryzmat procesów zachodzących w skalach czasowych od stuleci do tysiącleci ¹. Monitorowanie gleb, które nie zostały przekształcone przez intensywne użytkowanie, takie jak rolnictwo, zazwyczaj nie było uważane za istotne z punktu widzenia kwestii politycznych czy zarządczych w skali lat lub dekad. Jednakże niedawne badania gleb wykazały, że istotne chemiczne właściwości gleby mogą ulec zmianie w czasie krótszym niż dekada, co często jest wynikiem szerokich zmian środowiskowych spowodowanych następstwami działalności człowieka, takich jak zanieczyszczenie powietrza i zmiany klimatu ². W wschodniej Ameryce Północnej powtarzalne pobieranie próbek gleby dostarcza cennych informacji na temat skutków depozycji kwaśnej poprzez rejestrację zmian w glebach leśnych. W celu wsparcia i koordynacji tych działań, w 207 roku utworzono Northeastern Soil Monitoring Cooperative (NESMC) ³. Niniejsza praca jest częścią trwającego wysiłku NESMC mającego na celu dostarczenie informacji, które przyczynią się do wykorzystania powtarzalnego pobierania próbek gleb leśnych jako cennego narzędzia do monitorowania zmieniającego się środowiska.

Wielokrotne pobieranie prób stosowano w celu oceny zmian wynikających z manipulacji eksperymentalnych, jednak długoterminowy monitoring gleb leśnych w odpowiedzi na czynniki środowiskowe jest stosunkowo nową praktyką, słabo udokumentowaną w literaturze i dopiero niedawno szeroko przyjętą przez społeczność naukową. Dawny sceptycyzm wynikał w dużej mierze z przekonania, że tempo zmian w glebie jest zbyt powolne, aby można je było wykryć przy wysokiej zmienności przestrzennej (poziomej i pionowej) typowej dla gleb leśnych. Ponieważ pobieranie gleby jest procesem niszczącym, ponowne próbkowanie może być wykonywane jedynie w pobliżu pierwotnego miejsca poboru. Z tego względu zmienność przestrzenna w obrębie trójwymiarowej przestrzeni, z której pobierane są próbki, musi zostać odpowiednio określona ilościowo, aby wykryć rzeczywiste zmiany i uniknąć wyników będących artefaktem metody poboru. Ponadto proces pobierania próbek gleby i analiz chemicznych generuje potencjalne źródła niestabilności pomiarowej, które mogą maskować zmiany lub zniekształcać wyniki ⁴. Niestabilności pomiarowej nie można całkowicie wyeliminować, ale można ją w wystarczającym stopniu kontrolować za pomocą odpowiednich protokołów, aby uzyskać wyniki o minimalnej niepewności.

Projektowanie badania monitoringu gleby

Monitorowanie gleby wymaga wielokrotnego pobierania próbek gleby w odstępach czasowych określonych przez badacza. Krótsze odstępy czasu zmniejszają czas potrzebny do statystycznego wykrycia zmian, jednak dłuższe interwały stwarzają większą możliwość wystąpienia zmian w glebie ⁴. Aby zrównoważyć te dwa czynniki, zaleca się 5-letni odstęp między ponownymi próbkowaniami, jednak jeśli monitorowanie jest przeprowadzane w celu oceny konkretnego czynnika sprawczego, interwał powinien zostać ustalony na podstawie oczekiwanej szybkości zmian tego czynnika ². Skuteczne monitorowanie gleb leśnych wymaga również zdefiniowania jednostki badawczej w obrębie obszaru terenu zalesionego wybranego do monitorowania gleby. Powtarzalne próbkowanie w wielu lokalizacjach w obrębie jednostki badawczej służy do określenia, czy gleba w tej konkretnej jednostce uległa zmianie w czasie. Można wybrać dodatkowe jednostki badawcze, lecz każdą z nich analizuje się statystycznie osobno, aby ocenić, czy wystąpiły zmiany w glebie. Wyniki statystyczne z wielu jednostek badawczych mogą być następnie grupowane w celu przeprowadzenia analizy regionalnej, zgodnie z metodą opisaną przez Lawrence et al. ⁵. Typ i rozmiar jednostki badawczej będą zależeć od stawianych pytań badawczych oraz następujących rozważań dotyczących projektu badania. Pobieranie próbek gleby w obrębie jednostki badawczej może odbywać się w lokalizacjach losowych lub w układzie siatki w celu uzyskania próbek powtórzonych, pod warunkiem, że próbkowanie zostanie przeprowadzone w wystarczającej liczbie lokalizacji, aby bezstronnie scharakteryzować zmienność przestrzenną jednostki badawczej ⁴. Jednostka badawcza zlokalizowana w obrębie jednego typu krajobrazu pod względem cech takich jak nachylenie, pozycja na stoku, ekspozycja, roślinność, materiał rodzimy i drenaż będzie wykazywać mniejszą zmienność przestrzenną niż jednostka obejmująca więcej niż jeden typ krajobrazu. Należy unikać błędów systematycznych podczas każdego pobierania próbek, aby wartości uzyskane z wykopów w dowolnej serii pobrań mogły być statystycznie porównywane z wartościami uzyskanymi w seriach wcześniejszych i późniejszych. Wraz ze wzrostem rozmiaru jednostki badawczej, zmienność przestrzenna w jej obrębie może również wzrosnąć ze względu na czynniki takie jak roślinność lub zmiany nachylenia terenu. Jeśli potencjalne przyczyny zmienności, takie jak wspomniane, zostaną objęte jednostką badawczą, konieczne będzie wyznaczenie dodatkowych lokalizacji poboru próbek w celu scharakteryzowania możliwej zmienności gleb. W związku z tym rozmiar jednostki badawczej musi zostać ustalony przez badacza na podstawie zmienności rozważanego obszaru oraz zasobów projektu dostępnych na potrzeby pobierania i ponownego pobierania próbek.

Kluczowym kryterium przy wyborze jednostki badawczej jest potencjał wystąpienia niepożądanych zakłóceń w obrębie terenu w przyszłości. Należy uzyskać pewność, że warunki na danym obszarze pozostaną odpowiednie dla określonych celów monitoringu przez kilka dekad lub dłużej. Przykładowo, jednostka badawcza, której jedynym celem jest monitorowanie skutków zmian klimatycznych, powinna zostać zlokalizowana na obszarze, na którym w dającej się przewidzieć przyszłości nie będą prowadzone prace leśne.

Opisana tutaj metodologia obejmuje pobieranie prób z pojedynczej jednostki badawczej. Jednostki badawcze mogą być powielone w obrębie jednego typu krajobrazu lub mogą zostać dodane w celu scharakteryzowania dodatkowych typów krajobrazu, w zależności od celów i zakresu badania, w tym od tego, czy badanie obejmuje manipulację eksperymentalną. Przykład projektu monitoringu gleby przedstawiono na Rysunku 1. W obszarze zainteresowania (zachodni region Adirondack) zlokalizowano sześć jednostek badawczych. W tym przypadku każda jednostka badawcza została podzielona na siatkę 25 równych działek. Każda działka musi być wystarczająco duża, aby zapewnić przestrzeń odpowiednią do wykopania dołu. W zalesionym terenie wyżynnym północno-wschodnich Stanów Zjednoczonych i wschodniej Kanady odpowiednią przestrzeń do wykopania dołu o głębokości 1,2 m można zazwyczaj znaleźć w obszarze o wymiarach 10 m na 10 m. Zatem w naszym przykładzie całkowita powierzchnia jednostki badawczej wynosi 1,0 ha. Przy każdym pobieraniu próbek z jednostki badawczej losowo wybierana jest określona liczba działek. Jeśli pięć powtórzonych działek zostanie wybranych losowo do poboru prób w odstępach pięcioletnich, jednostka badawcza może być monitorowana przez 25 lat. Powierzchnia wymagana do wykopania i pobrania próbek z jednego dołu będzie się różnić w zależności od krajobrazu i musi zostać uwzględniona w projekcie pobierania próbek.

Stopień powtórzeń w obrębie jednostki badawczej oraz częstotliwość ponownego pobierania próbek będą się różnić w zależności od charakterystyki jednostki badawczej, stawianych pytań oraz rodzaju przewidywanych zaburzeń. Na podstawie badań dotyczących ponownego pobierania próbek gleby, w których wykryto zmiany przy użyciu pomiarów powszechnie stosowanych w glebach leśnych, zaleca się 5-letni odstęp między pobraniami próbek oraz minimum 5 powtórzonych lokalizacji pobierania próbek w obrębie każdej jednostki badawczej. Zmniejszenie częstotliwości ponownego pobierania próbek przy jednoczesnym zwiększeniu liczby powtórzeń wzmocni zdolność do wykrywania zmian.

Rysunek 1: Przykład projektu badania. Uogólniony schemat badania ponownego pobierania prób. Należy zwrócić uwagę, że jednostka badawcza została zlokalizowana w taki sposób, aby uniknąć obszarów nadrzecznych dwóch koryt strumieni. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Pobieranie próbek gleby — informacje wstępne

Pobieranie próbek gleby należy przeprowadzić w sezonie, w którym gleby mają tendencję do przesychania, co najczęściej zdarza się w późnej fazie okresu wegetacyjnego. Ponowne pobranie próbek w tym czasie zapewnia również spójność w odniesieniu do fenologii roślin, która może wpływać na chemiczne warunki glebowe. Należy unikać pobierania próbek podczas lub bezpośrednio po intensywnych opadach deszczu lub w przypadku nadmiernego zawilgocenia gleb. Przynajmniej jedna lokalizacja w obrębie jednostki badawczej powinna zostać opisana i udokumentowana zgodnie z publikacją USDA Natural Resource Conservation Service (NRCS) Field Book for Describing Soils ⁶ lub innymi odpowiednimi protokołami, jeśli stosowany jest system klasyfikacji gleb używany poza USA. Przedstawiony tutaj protokół terenowy opiera się na amerykańskim systemie klasyfikacji i wymaga posiadania kopii NRCS Field Book for Describing Soils w terenie. Osoba pobierająca próbki powinna posiadać odpowiednie przeszkolenie i doświadczenie w opisywaniu oraz pobieraniu próbek badanego typu gleby przed wdrożeniem protokołów monitorowania gleby.

Pobieranie gleby można przeprowadzić na różne sposoby, jednak zastosowanie powtarzalnej techniki jest kluczowe dla monitorowania zmian w glebie. Metodyka terenowa powinna zostać zapisana w standardowej procedurze operacyjnej (SOP). Należy unikać zmian w procedurach pobierania próbek pomiędzy poszczególnymi sesjami, a w przypadku, gdy nie jest to możliwe, wszystkie szczegóły muszą zostać udokumentowane.

Należy również przeprowadzić testy w celu oceny potencjalnego błędu wynikającego ze zmian proceduralnych. Pobieranie próbek może odbywać się według horyzontów, gdy (1) granice można wyraźnie zidentyfikować w terenie i (2) horyzonty są wystarczająco grube, aby usunąć glebę bez zanieczyszczenia horyzontami powyżej lub poniżej. W przypadku niespełnienia tych kryteriów można zastosować pobieranie próbek w interwałach głębokości. Podczas każdego pobierania próbek należy zachować szczególną ostrożność, aby uniknąć zmieszania gleby z powierzchniowego, bogatego w materię organiczną horyzontu (zazwyczaj O lub A) z najwyższym horyzontem mineralnym (zazwyczaj B lub E). W niektórych glebach zmiany tekstury i koloru są łatwo widoczne na granicy organiczno-mineralnej, podczas gdy w innych zmiany koloru mogą być minimalne, dlatego w celu zidentyfikowania położenia tej granicy należy polegać na zmianach teksturalnych odzwierciedlających różnice w stężeniu węgla organicznego (C). Określenie tej granicy na podstawie zmian teksturalnych może być trudne, nawet dla doświadczonych gleboznawców. Weryfikację granicy organiczno-mineralnej można przeprowadzić za pomocą analizy laboratoryjnej stężenia węgla (horyzont organiczny definiuje stężenie węgla organicznego >20% ⁷). W niektórych glebach horyzont O może mieć grubość mniej niż 1 cm i może być zbyt cienki do pobrania próbek. Pobieranie próbek zarówno według horyzontów, jak i głębokości w obrębie tego samego profilu glebowego może być skuteczne w radzeniu sobie z różnicami w wyraźności grubości horyzontów w tym profilu. Horyzonty lub głębokości, z których pobierane będą próbki, będą również zależały od celów programu monitoringu. Zmiany glebowe w warstwach bliższych powierzchni były identyfikowane częściej niż w warstwach głębszych, jednak uwzględnienie głębszych horyzontów lub interwałów głębokości może dostarczyć informacji pomocnych w zmniejszeniu niepewności wyników. Na przykład podczas wstępnego pobierania próbek gleba zlodowacona, silnie wymywana przez depozycję kwasową, wykazała minimalne nasycenie zasadami w górnym horyzoncie B, które następnie rosło wraz z głębokością. W powtórnym pobieraniu próbek ten wzorzec powinien się powtórzyć, nawet jeśli stężenia w poszczególnych warstwach ulegną zmianie. Jeśli w powtórnym pobieraniu próbek zostanie zaobserwowany inny wzorzec, istnieje duże prawdopodobieństwo, że oba pobrania nie zostały przeprowadzone w porównywalnej glebie. Idealnie próbka powinna być pobierana z całej grubości horyzontu. Jednak w przypadku horyzontów o nadmiernej grubości pionowa integracja poboru próbek z całej grubości może być trudna. W takiej sytuacji można pobrać próbki o równej objętości w równych odstępach od dołu do góry horyzontu. Jeśli pobieranie próbek nie odbywa się z całej grubości horyzontu, należy odnotować interwał głębokości poboru w obrębie tego horyzontu.

Przetwarzanie i analiza próbek gleby — Informacje wstępne

Proces pobierania próbki gleby z profilu modyfikuje tę próbkę poprzez przecinanie korzeni oraz powodowanie zmian w takich czynnikach jak temperatura, wilgotność, zawartość tlenu i innych gazów. W związku z tym niektóre pomiary muszą być wykonane szybko, bez możliwości utrwalenia próbki, co utrudnia ich zastosowanie w długoterminowych programach monitoringu. Jednak w przypadku większości powszechnych pomiarów fizycznych i chemicznych, takich jak tekstura, gęstość objętościowa, całkowita zawartość C i azotu (N) oraz stężenia metali całkowitych i wymiennych, suszenie próbki na powietrzu po pobraniu stanowi stosunkowo spójną metodę stabilizacji składu chemicznego przed analizą. W prawie wszystkich przypadkach pomiary gleby są definiowane operacyjnie, odzwierciedlając zarówno warunki gleby in situ, jak i skutki zastosowanego pobierania, przygotowania i analizy próbki. Artefakty są minimalizowane poprzez wybór najlepszych metod dostosowanych do celów programu oraz zachowanie spójności metodologii w czasie. Po wysuszeniu dalsze zmiany w próbce gleby są ograniczone, a po usunięciu większości wilgoci próbkę można przesiać, aby rozbić grudki i usunąć fragmenty kamieni i korzeni. Kroki te umożliwiają homogenizację próbki przed pobraniem podpróbek do analizy chemicznej. Podobnie jak w przypadku konieczności zachowania spójności metod pobierania i przetwarzania próbek w czasie, należy kontrolować potencjalne błędy systematyczne wynikające z analizy chemicznej. Niezbędne jest dokumentowanie standardowej procedury operacyjnej (SOP) dla analizy chemicznej stosowanej przy każdym pobieraniu i analizowaniu próbek, a idealnie ta sama SOP powinna być stosowana dla wszystkich serii pobrań. Skuteczność analizy chemicznej musi zostać zweryfikowana w ramach programu zapewnienia jakości, który obejmuje wykorzystanie wewnętrznych próbek referencyjnych i próbek wymiany międzylaboratoryjnej, a także standardowych wewnętrznych procedur kontroli jakości. Informacje na temat porównywalności powszechnie stosowanych metod analizy chemicznej znajdują się w pracy Ross et al. ⁸.

Gdy ponowne pobieranie próbek odbywa się w odstępach od pięciu do dziesięciu lat, prawdopodobne są zmiany w jednym lub kilku aspektach analizy chemicznej, takich jak SOP (standardowe procedury operacyjne), instrumentacja laboratoryjna, personel laboratorium lub samo laboratorium wykonujące analizę. Czynniki te stwarzają możliwość wystąpienia błędu analitycznego między kolekcjami. Aby wyeliminować błąd analityczny, niewykorzystane części próbek z każdej kolekcji powinny zostać zarchiwizowane do przyszłego użytku. Próbki z poprzedniej kolekcji można analizować wraz z nowo pobranymi próbkami, a porównując dane, można odnieść się do kwestii potencjalnego błędu analitycznego. Podejście to opiera się na założeniu, że w zarchiwizowanej próbce nie zachodzą zmiany chemiczne podczas okresu przechowywania. W różnych badaniach trwających do 30 lat wykazano stabilność ubytku po spaleniu oraz stężeń zasad wymiennych, wymiennego Al, całkowitego C i całkowitego N ^9-1. Jednak wykazano, że przechowywanie gleb wysuszonych powietrzem obniża pH gleby ¹² oraz zawartość tlenków manganu ¹³. Masa gleby pobrana z każdego horyzontu lub przedziału głębokości powinna być wystarczająca do przeprowadzenia jednego pełnego zestawu zaplanowanych analiz chemicznych oraz dodatkowa masa na co najmniej cztery zestawy analiz w przyszłości. Do archiwizowania próbek gleby stosowano różne metody. Opisana tutaj metoda opiera się na procedurach przechowywania stosowanych przez Muzeum Stanu Nowy Jork (New York State Museum).

Protokół

1. Wybór i opis jednostki badawczej

1. Zlokalizuj obszar zalesiony o charakterystyce pożądanej do monitoringu. Wyznacz granice jednostki badawczej w obrębie tego obszaru, upewniając się, że (1) jednostka badawcza jest reprezentatywna dla obszaru poddanego monitoringowi oraz (2) że obszar jest wystarczająco duży, aby pomieścić planowane próbkowanie i ponowne próbkowanie, ale nie na tyle duży, by wymagać nadmiernej liczby powtórnych wykopów w celu przedstawienia zmienności wewnątrz jednostki.
2. Zapisz lokalizację jednostki badawczej za pomocą urządzenia systemu pozycjonowania satelitarnego (GPS). Zapisz środek i narożniki, jeśli jednostka badawcza jest prostokątna, lub środek i końce średnic prostopadłych, jeśli jednostka badawcza jest okrągła. Zapisz współrzędne terenu w formie pisemnej na formularzu terenowym, oprócz zapisania ich elektronicznie w urządzeniu GPS. Jeśli jest to dopuszczalne, oznacz kluczowe lokalizacje trwałymi znakami, takimi jak pręt żelazny.
3. Zapisz nachylenie stoku, zawieszając taśmę oznakową lub inny marker na wysokości wzroku w centrum jednostki badawczej oraz na krawędzi o najniższej wysokości terenu. Zmierz nachylenie za pomocą klinometru od (1) krawędzi o najwyższej wysokości jednostki badawczej do centrum jednostki (nachylenie w górę) oraz (2) od centrum jednostki badawczej do najniższej krawędzi (nachylenie w dół). Zapisz odczyt kompasu wzdłuż dominującego kierunku spływu (ekspozycja stoku) od krawędzi o najwyższej wysokości jednostki badawczej.
4. Zapisz położenie stoku jako szczyt, ramię, stoku tylny, stoku dolny lub stopa stoku, jeśli obszar badawczy znajduje się na zboczu wzgórza, lub równinę, jeśli jednostka badawcza znajduje się na obszarze o niskim reliefie. Szczegóły identyfikacji położenia stoku znajdują się na stronach 1-7 i 1-10 w pracy Shoeneberger et al. ⁶.
5. Zidentyfikuj dominujące gatunki roślinności z podziałem na warstwy pionowe. Na przykład zapisz dominujące gatunki roślin zielnych w podszycie poniżej 1 m, dominujące gatunki siewek wyższe niż 1 m, ale nie sięgające korony, oraz dominujące gatunki drzew w koronach (te, które docierają do górnej granicy korony). Sposób zdefiniowania warstw zależy od typu badanego lasu. Wykonaj zdjęcie cyfrowe podszytu z krawędzi o najniższej wysokości jednostki badawczej patrząc pod górę oraz z krawędzi o najwyższej wysokości patrząc w dół stoku.
6. Wybierz lokalizacje wykopów, unikając powierzchni terenu o niewielkim znaczeniu w obrębie wybranej jednostki badawczej, a zatem niereprezentatywnych dla tej jednostki. Unikaj również powierzchni terenu, na których metody próbkowania są niemożliwe ze względu na całoroczne zawilgocenie, nadmierną ilość kamieni na powierzchni lub w jej pobliżu, zbyt duże zagęszczenie drzew lub warunki sprzeczne z celami projektu monitoringu gleb.

2. Wykopaliska i opis profilu

1. Rozłóż plandekę (około 10 ft na 12 ft lub 3,1 m na 3,7 m) w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca, w którym ma zostać wykopany dół. Wybierz jedną stronę planowanego wykopu (jeśli to możliwe, stronę położoną wyżej), aby chronić ją przed deptaniem i zanieczyszczeniem podczas kopania, przykrywając ją plastikowym workiem na śmieci lub podobnym materiałem (Rysunek 2). Strona ta zostanie następnie wykorzystana do opisu profilu i pobierania próbek.

Rycina 2: Zakończono wykopywanie dołu. Wykop do badania gleby przedstawiający usuniętą glebę mineralną oraz nienaruszoną ściółkę leśną ułożoną na plandece w celu zminimalizowania zakłóceń w miejscu badań, wraz z pinezkami wyznaczającymi poziomy na ścianie wykopu. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

2. Rozpocznij kopanie wykopu, usuwając ściółkę leśną (horyzont O) za pomocą łopaty. Jeśli to możliwe, zachowaj ściółkę w całości i odłóż ją w miejsce, w którym nie wymiesza się z glebą mineralną usuwaną z wykopu. Wykop otwór o jak najmniejszej powierzchni (zazwyczaj od 0,5 do 1 m²) aż do osiągnięcia głębokości określonej w planie monitoringu.
3. Przygotuj pionową ścianę wykopu do opisu i poboru próbek, delikatnie skrobiąc w dół małą łopatką, aby usunąć luźną ziemię powstałą podczas kopania. W razie potrzeby przytnij korzenie nożyczkami ogrodniczymi.
   UWAGA: Jeśli nadmierna obecność kamieni lub korzeni uniemożliwia oczyszczenie ściany wykopu do opisu i poboru próbek lub osiągnięcie pożądanej głębokości, wykop może wymagać niewielkiego poszerzenia.
4. Zapisz (w notesie terenowym lub elektronicznym urządzeniu rejestrującym) wszelkie obserwacje dotyczące przesiąkania wody do wykopu ze ścian lub z dna.
5. Wizualnie oceń ścianę wykopu od góry dołu pod kątem różnic w kolorze, teksturze i strukturze. Pobierz niewielkie ilości różniących się próbek gleby i ułóż je obok siebie na białej kartce papieru (np. na odwrocie formularza terenowego), aby ułatwić identyfikację granic horyzontów, jak pokazano na Rysunku 3.

Rysunek 3: Technika usuwania próbek. Technika stosowana do usuwania gleby z powierzchni ścian profilu jamowego. Przedstawiono również pobrane z powierzchni ścian profilu próbki o różnych kolorach, ułożone w kolejności, co ułatwia identyfikację granic poziomów glebowych. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4: Przykład ekspresji horyzontalnej. Profil glebowy z granicami poziomów o klasach wyraźności gwałtownej lub wyraźnej oraz rzeźbą terenu gładką lub falistą. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Przykład ekspresji horyzontalnej. Profil glebowy z granicami poziomów o stopniu wyraźności wyraźnym lub stopniowym oraz topografią falistą lub nieregularną. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

6. Zapisz oznaczenia poziomów zgodnie z treścią stron 2-2 do 2-5 podręcznika NRCS Field Book ⁶.
7. Wyznacz granice poziomów za pomocą szpilek w kształcie litery T lub podobnych przedmiotów (Rysunki 2, 4, 5). Wykonaj cyfrowe zdjęcie profilu z markerami poziomów oraz przyłożoną miarą wskazującą skalę.
8. Zmierz i zapisz głębokość górnej i dolnej granicy każdego poziomu za pomocą miary metrycznej w odniesieniu do styku powierzchni gleby z powietrzem.
9. Zapisz klasę wyraźności i kod topograficzny dla granic każdego poziomu zgodnie z treścią stron 2-6 do 2-7 podręcznika NRCS Field Book ⁶.
10. Zapisz kolor każdego poziomu, korzystając z książki Munsell Soil Color Book zgodnie z treścią stron 2-8 do 2-1 podręcznika NRCS Field Book ⁶.
11. Dla każdego poziomu zapisz klasę tekstury (strony 2-36 do 2-37) i typ struktury (strony 2-52 do 2-54), a następnie dokonaj wizualnej oceny ściany wykopu, aby szacunkowo określić zawartość kamieni (jako procent objętości) zgodnie z instrukcjami w NRCS Field Book ⁶. Dla każdego poziomu określ również, czy korzenie drobne (<2 mm średnicy) występują obficie, powszechnie, nielicznie czy wcale.

3. Pobieranie próbek

1. Wybierz horyzonty i/lub głębokości do pobrania próbek na podstawie projektu badania i wymogów.
   UWAGA: Pobieraj próbki według horyzontów, jeśli: (1) granice można wyraźnie zidentyfikować w terenie oraz (2) horyzonty są wystarczająco grube, aby usunąć glebę bez zanieczyszczenia z horyzontów powyżej lub poniżej. Pobieraj próbki według przedziałów głębokości, jeśli: (1) granice horyzontów są zbyt cienkie do pobrania próbek lub (2) granice horyzontów są nieregularne i/lub przerwane.
2. Pobierz glebę z wybranych horyzontów lub przedziałów głębokości, zaczynając od najgłębszej próbki i kierując się w górę. Aby usunąć próbkę ze ściany wykopu, włóż szpadel ogrodniczy w pobliże spodu pobieranej warstwy. Następnie włóż płaską łopatkę nad szpadel ogrodniczy, aby rozluźnić glebę, tak aby można było ją usunąć dolnym narzędziem (Rysunek 3).
   UWAGA: Masa pobranej gleby powinna odpowiadać całkowitej masie wymaganej do zaplanowanych analiz chemicznych oraz masie potrzebnej do archiwizacji (co najmniej cztery dodatkowe pełne analizy).
3. Umieść próbki w szczelnych plastikowych woreczkach; w przypadku gleb kamienistych zastosuj podwójne workowanie. Zarówno przy pobieraniu według horyzontów, jak i głębokości, pobieraj glebę na całej szerokości ściany wykopu, gdzie pobranie horyzontu jest możliwe (tzn. gdzie horyzont jest wystarczająco gruby do pobrania próbek i nie występują skały ani korzenie).
4. Oznacz worek z próbką, podając jednostkę badawczą, datę, identyfikator wykopu, horyzont lub przedział głębokości oraz imię i nazwisko osoby pobierającej próbki.
5. Po zakończeniu pobierania próbek zasyp wykop glebą mineralną i fragmentami grubymi. Połóż ściółkę leśną na wierzchu gleby mineralnej, starając się zachować materiał organiczny w stanie jak najmniej naruszonym. Zapisz lokalizację wykopu względem znaku jednostki badawczej (odległość i azymut).
6. Wykop dodatkowe profile w obrębie jednostki badawczej, aby zapewnić powtórzenia przewidziane w projekcie pobierania próbek. W każdym wykopie wykonaj kroki od 2.1 do 2.8, a jeśli wymagane są opisy profili dla wszystkich wykopów, wykonaj również kroki od 2-9 do 2-1. Następnie pobierz próbki zgodnie z krokami od 3.1 do 3.5.

4. Przetwarzanie próbek

1. W ciągu 24 h od pobrania przelać próbki z plastikowych worków do tacek, które ułatwią ich suszenie na powietrzu. Suszyć na powietrzu w temperaturze pokojowej w bezpiecznym miejscu, chronionym przed zanieczyszczeniami przenoszonymi przez powietrze, takimi jak kurz. Mieszać próbki w tackach co kilka dni, w zależności od stopnia wilgotności. Sprawdzać każdą próbkę pod kątem wizualnych i dotykowych oznak suchości, aby ocenić, czy proces suszenia dobiega końca.
2. Zweryfikować zakończenie suszenia na powietrzu poprzez zważenie podpróbek (około 5 g) z kilku próbek (minimum 3). Następnie suszyć te podpróbki w suszarce przez 24 h (glebę organiczną w 60 °C; glebę mineralną w 105 °C), a następnie zważyć ponownie. Obliczyć masę utraconej wilgoci w wyniku suszenia jako procent całkowitej masy (gleba plus wilgoć) przed suszeniem.
3. Po 2 dniach powtórzyć krok 4.2 i porównać ilość wilgoci utraconej podczas pierwszego suszenia w suszarce z ilością utraconą podczas drugiego suszenia. Jeśli różnica w ilości utraconej wilgoci w każdym z procesów suszenia wynosi mniej niż 2 procent, glebę można uznać za wysuszoną na powietrzu. Po zakończeniu suszenia na powietrzu umieścić próbki w plastikowych workach, które można szczelnie zamknąć po usunięciu z nich jak największej ilości powietrza.
4. W celu usunięcia grubych fragmentów i korzeni przesiać całą zebraną glebę. Próbki organiczne przesiać przez sito o oczkach o wielkości około 4-6 mm; próbki gleby mineralnej przesiać przez sito o oczkach 2 mm. W przypadku specyficznych analiz chemicznych może być wymagane dodatkowe przesiewanie przez mniejsze oczka. W przypadku ponownego pobierania próbek należy upewnić się, że procedura przesiewania jest zgodna z procedurą zastosowaną przy poprzednim pobraniu.
   OSTRZEŻENIE: Osoby wykonujące przesiewanie powinny być chronione przed wdychaniem kurzu poprzez pracę pod wyciągiem lub noszenie maski filtrującej cząstki N95 zatwierdzonej przez National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).

5. Analizy chemiczne

1. Wybierz metody analizy chemicznej zgodne z tymi stosowanymi w odniesieniu do podobnych gleb leśnych, np. w pracy Rossa et al. ⁸. Podręcznik Metod Glebowych U.S. Environmental Protection Agency ¹⁴ również zawiera zestaw metod, które są nadal powszechnie stosowane w analizie gleb leśnych. W przypadku konieczności wprowadzenia odstępstw należy zweryfikować porównywalność danych. Upewnij się, że każda analiza jest w pełni udokumentowana zgodnie ze standardową procedurą operacyjną (SOP).
2. W celu zapewnienia kontroli jakości do każdej serii analiz włącz próbki gleby referencyjnej o właściwościach podobnych do próbek pobranych w programie monitoringu. Dołącz również próbki z międzylaboratoryjnych wymian ⁸, aby określić porównywalność danych z innymi laboratoriami.

6. Archiwizacja próbek gleby

1. Zarchiwizuj glebę pozostałą po analizach chemicznych do przyszłego wykorzystania. Masę gleby przeznaczonej do przechowywania dobierz na podstawie (1) ilości gleby zużytej do pełnego zestawu pomiarów, (2) przewidywanej liczby ponownych analiz próbek w przyszłości oraz (3) dostępnej przestrzeni w magazynie długoterminowym.
2. Za pomocą trwałego markera zapisz następujące informacje na odpowiednio dobranej papierowej torebce z wyściółką polietylenową i zapięciem z drutu (tin tie): (1) dane identyfikacyjne próbki, w tym horyzont lub przyrost głębokości, (2) rozmiar sita, (3) datę pobrania oraz (4) wszelkie niezbędne informacje laboratoryjne, takie jak numer seryjny próbki.
3. Zważ i zapisz masę archiwizowanej gleby dla każdej próbki, a następnie umieść ją w torebce zapięciem z drutu. Torebkę zapięciem włóż do plastikowego woreczka o odpowiednim rozmiarze (Rysunek 6).

Rycina 6: Próbki gleby zapakowane do archiwizacji. Wewnętrzne pakowanie zarchiwizowanych próbek gleby. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

4. Przechowywać worki w tekturowych pojemnikach do przechowywania dostosowanych do dostępnych półek (zgodnie z metodą przedstawioną na Ryc. 7). Oznaczyć pudełko informacją o zawartych w nim próbkach, aby umożliwić ich sprawne odnalezienie. Utrzymywać stabilną temperaturę w pomieszczeniu archiwalnym.

Rysunek 7: Regały do próbkowania lub archiwizacji. Efektywne pod względem przestrzeni przechowywanie zarchiwizowanych próbek gleby na półkach. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

5. Przechowuj informacje o każdej zarchiwizowanej próbce w cyfrowej bazie danych, która jest regularnie kopowana do celów archiwizacyjnych. Uwzględnij (1) identyfikację próbki, (2) każdą datę analizy próbki, (3) laboratorium, w którym analizowano próbkę, (4) analizy wykonane w danej dacie, (5) masę pozostałej części próbki (aktualizuj tę wartość za każdym razem, gdy część próbki zostanie pobrana do analizy) oraz (6) nazwę instytucji odpowiedzialnej za opiekę nad zarchiwizowanymi próbkami.

7. Weryfikacja spójności analiz chemicznych w czasie

1. Ponownie przeanalizuj minimum dwanaście zarchiwizowanych próbek z każdego horyzontu lub przyrostu głębokości wraz z analizami nowo pobranych próbek.
2. Przeprowadź dwustronny test t (lub test sum rang Manna-Whitneya, jeśli wykluczono normalność rozkładu danych), aby ustalić, czy wyniki analiz chemicznych różniły się istotnie (P <0.10) pomiędzy poprzednią analizą a obecną reanalizą.
   UWAGA: Jeśli zaobserwowano istotną różnicę (lub wyraźne odchylenie, które nie jest istotne statystycznie), należy ocenić relację między oryginalnymi danymi a danymi z reanalizy. Jeśli większość zmienności (R² >0.9) można wyjaśnić tą relacją, można ją wykorzystać do skorygowania danych w celu usunięcia odchylenia. Jeżeli jednak R² <0.9, pozostałe zarchiwizowane próbki należy przeanalizować ponownie, aby upewnić się, że nie występuje błąd analityczny przy porównywaniu danych z poprzednich wyników pobierania próbek i wyników uzyskanych z nowo pobranych próbek.

Wyniki

Dane zebrane w badaniu Lawrence et al. ⁹ mogą posłużyć do zademonstrowania wpływu powtórzeń pobierania próbek na moc statystyczną w wykrywaniu zmian w próbkach z poziomu Oa z 12 jam w lesie świerka czerwonego (Picea rubens) wschodniego Maine. Więcej informacji na temat tego terenu badań (nazwanego Kossuth) dostępnych jest w publikacji Lawrence et al. ⁹. Gleba (sklasyfikowana jako Spodosol) posiadała stosunkowo cienki poziom Oa (średnia grubość wynosiła odpowiednio 2,5 cm i 3,7 cm w latach 1992-93 oraz 2004), który gwałtownie przechodził w poziom E. Przy wielkości próby n=12 wykryto istotne zmiany (P <0,05) między próbkami pobranymi w latach 192-93 a 2004 w pomiarach pH, organicznego C oraz wymiennego wapnia (Ca), sodu (Na) i glinu (Al), podczas gdy nie zaobserwowano zmian w przypadku wymiennego magnezu (Mg) (Tabela 1). Gdy do analizy statystycznej losowo wybrano 8 z 12 próbek, istotne różnice (P <0,01) zaobserwowano dla wymiennego Na i Al, a na poziomie P <0,10 dla organicznego C. Przy losowym wyborze 4 z 12 próbek istotne różnice zaobserwowano jedynie dla wymiennego Al i Na na poziomie P ≤ 0,05.

Tabela 1: Wpływ wielkości próby. Wyniki statystyczne zastosowania wielkości próby wynoszącej odpowiednio 12, 8 i 4 w celu wykrycia istotnych różnic w pomiarach chemicznych próbek gleby pobranych w odstępie od 10 do 1 lat. Wartości p uznane za istotne statystycznie przedstawiono czerwoną kursywą.

Dane z poziomów Oa oraz z górnych 10 cm poziomów B pobrane w zlewniach dopływów północnego i południowego Buck Creek (zachodni region Adirondack w Nowym Jorku) stanowią przykład wartości zarchiwizowanej gleby w ograniczaniu niepewności podczas porównywania danych z różnych okresów czasowych. Z 5 próbek pobranych, przeanalizowanych i zarchiwizowanych w latach 197–20, 15 wybrano losowo do ponownej analizy w latach 2013–14. Analizy w obu okresach przeprowadzono w laboratorium U.S. Geological Survey New York Water Science Center w Troy, NY, zgodnie z tą samą procedurą SOP. Wartości dla wymiennego Ca w pierwotnej analizie i ponownej analizie 15 próbek z poziomu Oa nie wykazały różnic (P >0,10) w stężeniach wymiennego Ca (Rysunek 8a). Wykres względem linii 1:1 również wykazał niewielki lub brak obciążenia, a wartość R² wskazała na niewielką niewyjaśnioną zmienność. Brak różnicy między pierwotnymi danymi a danymi z ponownej analizy po przechowywaniu wskazuje, że ani błąd analityczny, ani efekty przechowywania w ciągu 14–16 lat nie spowodowały błędnych różnic w danych dotyczących Ca. Na tej podstawie uznano, że ponowna analiza pozostałych 40 próbek z poziomu Oa pobranych w latach 197–98 pod kątem stężeń wymiennego Ca jest niepotrzebna.

Rysunek 8: Wyniki reanalizy dla Ca. Związek między pomiarami wymiennego Ca w horyzoncie Oa (a), oraz górne 10 cm poziomu B (b), wykonane w latach 1997–200 (analiza pierwotna) oraz pomiary zreanalizowanych w latach 2013–2014 próbek archiwalnych (reanaliza). Na wykresie przedstawiono linię 1:1. Równanie opisuje linię najlepiej dopasowaną, wyznaczoną metodą regresji liniowej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Inny wynik uzyskano podczas ponownej analizy zarchiwizowanych gleb pod kątem zawartości wymiennego Ca w horyzontach B (Rysunek 8b), stosując tę samą SOP. Odnotowano istotną różnicę (P <0,10) pomiędzy analizą pierwotną (średnia = 0,40 cmol_c/kg) a ponowną analizą (średnia = 0,33 cmol_c/kg), choć regresja liniowa wykazała wysoce istotną liniową zależność między dwoma zestawami danych (P <0,01; R² = 0,9). Wykorzystując tę silną zależność, model regresji posłużył do skorygowania pierwotnych wartości dla 40 próbek, których nie poddano ponownej analizie, w celu usunięcia błędu systematycznego względem nowo pobranych i przeanalizowanych próbek.

Zmiana standardowej procedury operacyjnej (SOP) dla oznaczenia stężeń wymiennego Al doprowadziła do uzyskania różnych wyników pomiędzy pierwotną analizą, w której Al mierzono metodą miareczkowania ¹⁵, a ponowną analizą, w której Al mierzono metodą plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP) zgodnie z metodą Blume et al. ¹⁴. Porównanie pomiarów wymiennego Al dla 15 próbek z horyzontu Oa (Rysunek 9a) pomiędzy wartościami pierwotnymi (średnia = 1,5 cmol_c/kg) a wynikami ponownej analizy (średnia = 7,8 cmol_c/kg) wykazało silną relację liniową (P <0,01; R² = 0,96) oraz istotne obciążenie systematyczne (P <0,05). Podobnie jak w przypadku stężeń Ca w horyzoncie B, model regresji został wykorzystany do skorygowania pierwotnych wartości dla 40 próbek, które nie były analizowane ponownie, w celu usunięcia błędów analitycznych.

Rysunek 9: Wyniki ponownej analizy dla Al. Zależność między pomiarami Al wymiennego w horyzoncie Oa (a), oraz górne 10 cm poziomu B (b), wykonane w latach 1997-200 (analiza pierwotna) oraz pomiary zarchiwizowanych próbek przeanalizowanych ponownie w latach 2013-2014 (reanaliza). Na wykresie naniesiono linię 1:1. Równanie przedstawia linię najlepiej dopasowaną, wyznaczoną za pomocą regresji liniowej. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Oryginalne i ponownie przeanalizowane dane dla wymiennego Al w horyzoncie B również różniły się znacząco (P <0,01), a regresja liniowa wykazała istotną zależność między dwoma zestawami danych (P <0,10). W przeciwieństwie do danych Al z horyzontu Oa, zależność ta była słaba (Rysunek 9b), a model regresji mógł wyjaśnić jedynie niewielką część zmienności (R² = 0,23). Ponieważ model nie mógł zostać wykorzystany do usunięcia błędu systematycznego, wszystkie próbki pobrane i przeanalizowane w latach 197-20 musiały zostać poddane ponownej analizie wraz z ostatnio pobranymi próbkami.

Zmiana metody analizy może prowadzić do wprowadzenia błędu systematycznego w danych, dlatego należy przeprowadzić testy w celu weryfikacji, czy dane są nieobciążone. Na przykład w Rysunku 10 przedstawiono wyniki analizy zarchiwizowanych gleb mineralnych pobranych w zlewni Turkey Lake w Ontario w Kanadzie w 1986 roku i poddanych ponownej analizie w 205 roku ¹⁰. Analiza wykazała, że obie metody dostarczyły nieobciążonych danych z niewielką niewyjaśnioną zmiennością (Rysunek 10). Pierwotna analiza została przeprowadzona przy użyciu metody mokrego trawienia Walkleya-Blacka, natomiast zarchiwizowane próbki przeanalizowano za pomocą analizatora spalania. W tym przypadku porównanie wyników pierwotnej analizy z analizą zarchiwizowanych próbek wykazało, że dane uzyskane obiema metodami były bezpośrednio porównywalne.

Przykłady przedstawione na rysunkach 8-10 wykazują, że stosowanie spójnych metod analizy nie eliminuje możliwości wystąpienia błędów systematycznych w danych, a także pokazują, że zmiana metody nie musi prowadzić do wystąpienia błędu. Wnioski te podkreślają znaczenie archiwizowanych próbek w celu zmniejszenia niepewności wyników poprzez kontrolę błędów analitycznych.

Rysunek 10: Wyniki reanalizy dla C. Zależność pomiędzy pomiarami węgla organicznego w glebach mineralnych wykonanymi w 1986 roku (analiza pierwotna) a pomiarami zarchiwizowanych próbek przeanalizowanych w 205 roku. Linia przerywana to linia 1:1; linia ciągła to regresja liniowa opisująca zależność między analizą pierwotną a zarchiwizowaną. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Liczba badań wykazujących wartość monitoringu gleby w wykrywaniu zmian w poszczególnych lokalizacjach lub zlewniach rośnie, a ostatnio monitoring ten zastosowano do oceny skutków spadku depozycji kwaśnej w szeroko zakrojonym badaniu regionalnym¹⁴. We wszystkich tych lokalizacjach depozycja kwaśna malała w ciągu ostatnich trzech dekad, choć poziom depozycji oraz tempo jej spadku różniły się w zależności od miejsca. W badaniu tym zidentyfikowano liczne zmiany, które były zazwyczaj spójne w obrębie dużego obszaru badań, w różnych okresach czasu, przy zastosowaniu zróżnicowanych schematów ponownego pobierania próbek (Tabela 2). Dzięki połączeniu wielu badań opartych na ponownym pobieraniu próbek zidentyfikowano reakcje gleb leśnych na zmiany w głównym czynniku środowiskowym na rozległym obszarze (Rysunek 1). Badanie Lawrence'a et al. ⁵ wykazało, że wyniki badań z ponownym pobieraniem próbek gleby o różnych schematach mogą być agregowane w celu rozwiązania szerokich problemów regionalnych.

Tabela 2: Przykłady wyników ponownego próbkowania. Wartości średnie (początkowe – końcowe) oraz wyniki testów (testy T lub testy Mann-Whitneya) dla różnic pomiędzy pomiarami początkowymi i końcowymi dla poziomów O i górnych poziomów B w badaniach gleb w północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych i wschodniej Kanadzie (lokalizacje przedstawione na Rysunek 1). wartości p >0,10 oznaczono jako ns (nieistotne). Analizy z P <0,1 są zaznaczone kolorem żółtym, aby wskazać istotne różnice zaobserwowane w tych pomiarach dla stanowisk zlokalizowanych w północno-wschodniej części USA oraz wschodniej Kanady. Pola z przerywanymi liniami oznaczają brak danych. BB oznacza Bear Brook, ME; TMT oznacza stanowiska BB, w których zastosowano eksperymentalne dodatki (NH₄)₂SO₄ rocznie. REF odnosi się do obszarów niepoddanych działaniom w BB. Niektóre obszary miały różne jednostki badawcze w zależności od typu lasu. CF oznacza północne drzewostany iglaste; HW północne drzewostany liściaste; MF oznacza mieszane drzewostany iglasto-liściaste. Prosimy o kliknięcie tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej tabeli.

Rysunek 1: Mapa miejsc ponownego pobierania próbek. Lokalizacje badań z ponownym poborem prób gleby we wschodniej Kanadzie i północno-wschodnich Stanach Zjednoczonych przedstawione w Tabeli 2. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

Wybór horyzontów lub przyrostów głębokości do pobrania próbek jest podyktowany celami monitoringu, jednak ostatecznie zależy od charakterystyki gleby. Decyzja o tym, gdzie i w jaki sposób pobierać próbki z profilu, jest zatem krytycznym etapem monitoringu gleby. Na przykład Spodosol pokazany na Rysunku 12 posiada ściółkę leśną z gwałtowną granicą między horyzontem Oe (średnio rozkładająca się materia organiczna) a Oa (czarna humifikowana materia organiczna), a oba horyzonty są wystarczająco grube, aby można było pobierać z nich próbki osobno. Profil ten posiada również wyraźnie zdefiniowany horyzont E z gwałtowną granicą oddzielającą organiczny horyzont Oa od mineralnego horyzontu E. Te kolorowe horyzonty o gwałtownych granicach umożliwiają spójne i powtarzalne pobieranie materiału z tego samego horyzontu, co czyni je doskonałymi kandydatami do monitoringu gleby. Jeśli granica między warstwami mineralnymi a organicznymi nie jest wyraźna lub jest stopniowa w stosunku do grubości horyzontu, powtarzalne pobieranie próbek z warstw bezpośrednio nad i pod tym interfejsem prawdopodobnie obejmie zmienne ilości gleby z warstw sąsiednich. Ta cecha wprowadza niekontrolowaną zmienność, przez co horyzonty te są mniej pożądane do powtarzalnego pobierania próbek.

W niektórych przypadkach pobieranie próbek w określonych przedziałach głębokości może zapewnić spójne podejście do próbkowania w glebach, w których niektóre poziomy są wymieszane lub przeplatają się, o ile takie wymieszanie jest stałą cechą monitorowanych gleb. Na Rysunku 12 górne 10 cm poziomu B posiada gwałtowną granicę z poziomem E, jednak zmienność barwy sugeruje obecność przeplatających się poziomów Bh i Bhs. W takiej sytuacji pobranie próbki z górnych 10 cm poziomu B byłoby najbardziej powtarzalną metodą poboru. Podejście to okazało się skuteczne w przypadku gleb typu Spodosols, takich jak przedstawione na Rysunku 12 ⁷.

Rysunek 12: Profil spodosolu. Horyzont spodosolu z regionu Adirondack w Nowym Jorku, wykazujący charakterystyczny horyzont E, który oddziela ściółkę leśną (horyzonty Oa i Oe) od horyzontu B. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Pełne opisy profilu są niezwykle użyteczne w ograniczaniu ryzyka błędu próbkowania i interpretacji danych, jednak gromadzenie tych informacji jest czasochłonne i może ograniczyć czas dostępny na powtórzenia próbkowania, w zależności od zasobów projektu i dostępnego czasu w terenie. Alternatywą dla pełnych opisów każdego profilu w wykopie byłoby sporządzenie pełnego opisu wykopu głównego (z fotografią), a następnie ograniczenie opisów wykopów powtórzeniowych do pomiarów grubości poziomów wraz z fotografiami profilu. Informacje te byłyby wystarczające do potwierdzenia, że ponowne próbkowanie zostało przeprowadzone w tej samej glebie w sposób zgodny z poprzednim próbkowaniem. Wysokiej jakości obrazy są niezwykle cenne dla zachowania spójności próbkowania podczas ponownego badania profili w celu określenia zmian chemicznych w czasie.

Ocenę potencjalnego błędu wynikającego z niespójności pobierania próbek można przeprowadzić poprzez porównanie pomiarów między horyzontami. Na przykład w drugim pobieraniu próbek zaobserwowano niższe stężenia węgla organicznego w horyzoncie Oa niż podczas wstępnego pobierania przeprowadzonego 10-12 lat wcześniej ⁹. Mogło to wynikać z błędu pobierania próbek – podczas drugiego pobierania mogło zostać zebrane więcej materiału z położonego poniżej mineralnego horyzontu E niż podczas pierwszego. Obniżyłoby to stężenie węgla organicznego, a prawdopodobnie także stężenie wymiennego Ca, ponieważ stężenia Ca w horyzoncie E w badanej glebie były co najmniej o rząd wielkości niższe niż w horyzoncie Oa. Brak spadku stężeń Ca w horyzoncie E zaobserwowany w niniejszym badaniu stanowi dowód wspierający interpretację, że niższe stężenia organicznego C w drugim pobieraniu próbek nie były wynikiem błędu pobierania. Ten rodzaj porównania między horyzontami dostarcza cennych informacji służących do oceny spójności pobierania próbek. W związku z tym zasadne jest pobieranie dodatkowych horyzontów, które nie są ściśle wymagane do realizacji celów projektu, aby pomóc w zmniejszeniu niepewności wyników.

Ponowna analiza zarchiwizowanych próbek gleby jest kluczową praktyką w celu zmniejszenia niepewności pomiarowej. Jednakże archiwizacja gleb wymaga zasobów do zarządzania archiwum oraz przestrzeni magazynowej, którą trudno jest pozyskać na stałe. W związku z tym masa zarchiwizowanej gleby musi być wykorzystywana w sposób rozważny. Ponowna analiza wszystkich zarchiwizowanych próbek gleby w ramach konkretnego badania ponownego próbkowania jest zazwyczaj najskuteczniejszym podejściem do zmniejszenia niepewności analizy chemicznej, jednak selektywna reanaliza zarchiwizowanych próbek, tam gdzie to możliwe, pomoże zachować niezastąpioną glebę do przyszłych zastosowań. Reanalizy wszystkich zarchiwizowanych próbek nie należy przeprowadzać, chyba że jest to konieczne. Obecnie stosuje się różnorodne metody archiwizacji gleby, które okazały się skuteczne. Metoda i materiały zalecane w niniejszym artykule opierają się na doświadczeniach kustoszy Muzeum Stanu Nowy Jork, którzy stwierdzili, że ta niezwykle wydajna pod względem przestrzeni konstrukcja opakowania chroni próbkę w niezniszczalnych, wodoodpornych i łatwych do oznakowania materiałach, które pozostają stabilne przez wiele dziesięcioleci.

Zabezpieczanie zarchiwizowanych próbek gleby jest kluczowym etapem monitorowania gleb, ponieważ nie tylko zapewnia spójność analityczną pomiędzy kolejnymi pobraniami próbek, ale także stwarza możliwość przeprowadzania w przyszłości analiz za pomocą metod, które nie zostały jeszcze opracowane. Ponadto zarchiwizowane próbki mogą dostarczyć informacji niezbędnych do odpowiedzi na nowe pytania, które bez wątpienia pojawią się w przyszłości. Gdyby dostępne były zarchiwizowane próbki gleby sprzed okresu występowania kwaśnych deszczy, wpływ tego zjawiska na gleby zostałby zidentyfikowany w ciągu kilku lat, a nie dziesiątek lat od jego odkrycia. W efekcie skład chemiczny gleby sprzed okresu kwaśnych deszczy pozostaje niepewny, podczas gdy obecnie monitorujemy regenerację gleb w obliczu spadającego poziomu kwaśnych opadów.

Monitorowanie gleby jest w pewnym stopniu ograniczone ramami czasowymi, w których można wykryć zmiany (zazwyczaj 5 lat lub więcej), a ze względu na poleganie na pobieraniu próbek metodą niszczącą, obszar próbny niezbędny do monitorowania zwiększa się z czasem. Niemniej jednak, bez monitorowania gleby, zmiany w jej składzie muszą być wnioskowane z podejść pośrednich, takich jak chronosekwencje (podstawienie przestrzeni za czas), bilanse masy zlewni, dendrochemia, manipulacje krótkoterminowe oraz modelowanie. Podejścia te dostarczają jedynie przybliżonych szacunków zmian glebowych i wszystkie one wymagają założeń, które zwiększają niepewność, którą najlepiej można zredukować poprzez bezpośrednie pomiary gleby w czasie. Procedury powtarzalnego pobierania próbek gleby można zastosować również w długoterminowych kontrolowanych eksperymentach manipulacyjnych, takich jak eksperyment z dodatkiem Ca w zlewni w Hubbard Brook Experimental Forest, NH, trwający ponad 12 lat ¹⁶, oraz długoterminowy eksperyment glebowy w Calhoun, SC, trwający ponad 50 lat ².

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Sprzęt wymagany w terenie
globalny system pozycjonowania	dostawcy zewnętrzni, tacy jak dostawcy		. Odpowiednia byłaby szeroka gama marek i modeli systemów GPS.
wodoodporny papier	Dostawcy leśnictwa	49450	Dostępne za pośrednictwem dowolnego dostawcy zewnętrznego
pręt żelazny (o długości około 3 stóp)	Dostępne w każdym sklepie z
flagowanie winylowe	Dostępne za pośrednictwem dowolnego dostawcy
klinometr	dostawcy zewnętrznego, tacy jak dostawcy		Szeroka gama marek i modeli przeklinomierzy byłaby stosowny.
plastikowa plandeka	Dostępna w każdym sklepie z
okrągła łopata lub łopata wyborowa do kopania	Dostępne w każdym sklepie z
sekator ręczny do cięcia małych korzeni	Dostępne w każdym sklepie z
Narzędzie do kopania Lesche	Dostawcy leśnictwa	Kielnia
			Odpowiednie byłyby różne kielnie ręczne dostępne w sklepach ze sprzętem i ogrodniczymi.
T-pins	Dostawcy Leśnictwa	53851
egzemplarz "Księgi polowej do opisywania gleb"	Obecnie dostępna tylko online pod adresem: http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_052523.pdf; Przedruk przez National Resource Conservation Service spodziewany jest w październiku 2026 roku.
Munsell Soil Color Book	Dostawcy leśnictwa	77321
	Szeroko dostępny		Z lampą błyskową i minimalną rozdzielczością 8-megapikselowa taśma
metryczna o długości od 3 do 5 metrów	Dostępne za pośrednictwem dowolnego dostawcy zewnętrznego, takiego jak dostawcy
, zamykane plastikowe torby z nieprzezroczystym panelem do etykietowania	Dostępne w każdym sklepie spożywczym
Nieścieralne markery filcowe do etykietowania toreb i ołówki do formularzy do nagrywania w terenie	Powszechnie dostępne
Materiały potrzebne do przetwarzania i archiwizacji próbek w laboratorium
testing sita	Duel Manufacturing Co., Inc.	2 mm: 200 MM-2 MM 4 mm: 200 MM-4 MM 6 mm: 200 MM-6,3 MM
Zatwierdzony przez Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy (NIOSH) Respirator maski filtrującej cząstki stałe N95	MSA Safety Works, numer modelu 10102483	dostępny u wielu dostawców
torby kraft z wkładką polietylenową	Papermart	7410100
Torebka foliowa z fałdą o pojemności 2 ml	Powiązana torba	64-4-53
Koperty pocztowe do literatury kraft 200 funtów	Uline	s-2517
*Zauważ, że kilku autorów to naukowcy rządowi i dlatego nie wolno im promować produktów prywatnych firm.

leśnictwa: narzędziami, zewnętrznego leśnictwa narzędziaminarzędziaminarzędziami ogrodnicza 33488 Aparat cyfrowy leśnictwa