Metoder för mark Omsampling att övervaka förändringar i de kemiska koncentrationer av skogsmark

Summary

Upprepad markprover har nyligen visat sig vara ett effektivt sätt att övervaka skogsmark förändras över åren och årtiondena. Att stödja dess användning, är ett protokoll presenteras som syntetiserar den senaste informationen om jord sampla metoder för att underlätta utformning och genomförande av framgångsrika mark övervakningsprogram.

Introduction

Mark utveckling har traditionellt sett i termer av processer som sker över hundraårsjubileum till tusenåriga tidsskalor ^1. Övervakning av jordar som inte hade störd av intensiva användningar som jordbruk inte normalt anses viktigt för politiska eller förvaltningsproblem på tidsskalan för år till årtionden. Dock har de senaste jordar forskning har visat att viktiga kemiska markegenskaper kan förändras på mindre än ett decennium, ofta resultatet av omfattande miljöförändringar drivna av konsekvenserna av mänsklig verksamhet, såsom luftföroreningar och klimatförändringar ^2. I östra Nordamerika, upprepas markprovtagning som ger värdefull information om effekterna av surt nedfall genom register över markförändringar i skogs inställningar. I ett försök att stödja och samordna detta arbete, var nordöstra markövervakning Cooperative (NESMC) bildades 2007 ^3. Detta dokument är en del av den fortsatta insats av NESMC till provide information som avancerar användningen av upprepad provtagning jord av skogsmark som ett värdefullt verktyg för att övervaka vår föränderliga miljö.

Upprepad provtagning har använts för att bedöma förändringar från experimentella manipulationer, men långtidsövervakning av skogsmark till följd av miljö förare är en relativt ny metod som inte är väl dokumenterat i litteraturen och har först nyligen blivit allmänt omfamnas av det vetenskapliga samfundet. Tidigare skepsis berodde till stor del på den uppfattningen att graden av mark förändringen var för långsam för att upptäcka i närvaro av hög rumslig variabilitet (horisontell och vertikal) typiskt av skogsmark. Eftersom insamling av marken är destruktivt, kan sampla endast ske nära den ursprungliga provtagningsplatsen. Därför måste rumslig variation inom tre-dimensionell rymd från vilken prov samlas korrekt kvantifieras för att detektera verkliga förändringar och undvika resultat som är en artefakt av insamlingsmetoden. Dessutom processen för jordprover och kemisk analys skapar potentiella källor för mätning instabilitet som kan maskera ändringar eller partiskhet resultat ^4. Mätning instabilitet kan inte tas bort helt, men kan kontrolleras tillräckligt med rätt protokoll för att producera resultat med minimal osäkerhet.

Utforma markövervaknings Study

markövervakning kräver att jordprover samlas upprepade gånger under ett tidsintervall som definieras av utredaren. Kortare tidsintervall minska längden på tiden som behövs för att statistiskt detektera en förändring, men längre intervall ger större möjligheter för markförändringar att inträffa ^4. En omsampling intervall om 5 år rekommenderas att balansera dessa två faktorer, men om övervakningen görs för att utvärdera en viss drivrutin, bör intervallet ställas in baserat på förändringstakten förväntas att förare ^2. Framgångsrik övervakning av skogsmark också krävaär att en studieperiod definieras inom ett område av skogsmark som har valts ut för markövervakning. Upprepad provtagning på flera platser inom studieperioden används för att bestämma om jorden av den specifika studieperioden har förändrats över tiden. Ytterligare studieperioder kan väljas, men var och en statistiskt analyseras separat för att utvärdera om markförändringar har inträffat. Statistiska resultat från flera studieperioder kan sedan grupperas i syfte att regional analys, vilket framgår i Lawrence et al. ^5. Typ och storlek av studieperioden beror på övervaknings frågor som ställdes och följande studiedesign överväganden. Markprovtagning inom studieperioden kan göras på slumpmässiga platser eller på ett rutnät för att erhålla upprepade prover så länge provtagningen sker på tillräckligt platser för att karakterisera areal variationen av studieperioden utan partiskhet ^4. En studie enhet ligger inom en enda landskap med avseende på funktioner SUCh som lutning, hillslope läge, aspekt, vegetation, grundmaterial och dränering tenderar att ha mindre areal variabilitet än en studieperiod som sträcker sig över mer än ett landskap typ. behövs undvika provtagning partiskhet i varje kollektion så att värdena från gropar samplade i någon samling att statistiskt jämfört med de värden som erhölls i tidigare och kommande kollektioner. Eftersom storleken på studieperioden ökar, kan areal variationen inom studieperioden också öka från faktorer som vegetation eller lutningsändringar. Om potentiella orsaker till variationen som dessa blir omfattas inom studieperioden kommer ytterligare provtagningsplatser behövas för att karakterisera möjlig variation i jordar som kan uppstå. Därför är storleken på studieperioden måste bestämmas av prövaren baserat på variationer i området som övervägs och projekt resurser för provtagning och resampling insatser.

Ett centralt kriterium att övervägaed att hitta studieperioden är potentialen för framtida oönskade platsstörningar. Det bör finnas en viss nivå av säkerhet att stället förblir lämplig för definierade mål för flera decennier eller mer övervakning. Till exempel bör en studieperiod med enda målet med övervakningen klimatförändringarna vara belägna i ett område där avverkning inte kommer att ske inom överskådlig framtid.

Den metod som beskrivs här täcker provtagning av en enskild studieperiod. Studie enheter kan replikeras i ett landskap typ eller studieperioderna kan tillsättas för att karakterisera ytterligare landskapstyper beroende på mål och omfattningen av studien, bland annat om studien innebär en experimentell manipulation. Ett exempel på en markövervakning konstruktion visas i figur 1. Inom området av intresse (västra Adirondack region), har sex studieperioderna lokaliserats. I detta fall är varje studieperioden inrutade i 25 lika storatomter. Varje tomt måste vara tillräckligt stor för att ge ett utrymme som lämpar sig för grop utgrävning. I skogs höglänt terräng i nordöstra USA och östra Kanada, till en lämplig plats gräver en grop till ett djup av 1,2 m kan i allmänhet inom 10 m med 10 m område. Därför, i vårt exempel, den totala arealen av studieperioden är lika med 1,0 hektar. Varje gång studieperioden samplas är ett utvalt antal områden slumpmässigt ut för provtagning. Om fem upprepade tomter slumpmässigt ut för provtagning på fem års mellanrum, kan studieperioden övervakas under 25 år. Den yta som krävs för att gräva och prova en grop kommer att variera mellan landskap och måste beaktas i provtagnings design.

Graden av replikering inom en studieperiod och frekvensen för upprepad provtagning kommer att variera beroende på studieperiod egenskaper, varvid frågor som ställs och vilken typ av störningar som förväntas. Baserat på jord sampla studier som harupptäckta förändringar med mätningar som vanligen används i skogsmark, är en återsampling intervall på 5 år och minst fem likadana provtagningsplatser inom varje studieperioden rekommenderas. Minskar frekvensen av sampla och öka provtagning replikering kommer att stärka förmågan att upptäcka förändringar.

Figur 1: Exempel studiedesign En generaliserad sampla studiedesign.. Observera att studieperioden ligger att undvika strandområdena två strömkanaler. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Jord Provtagning - Bakgrundsinformation

Insamlingen av jordprover bör ske under säsongen när jordar tenderar att vara torr, som oftast förekommer iden senare delen av växtsäsongen. Genom omsampling vid denna tid, är konsistens också uppnåtts när det gäller att plantera fenologi, en möjlig påverkan på mark kemiska förhållanden. Provtagning bör undvikas under eller omedelbart efter häftiga regn eller när marken är ytterst våt. Minst en plats i studieperioden bör beskrivas och dokumenteras efter USDA naturresurs Conservation Service (NRCS) Fält bok för att beskriva Jord ^6, eller andra lämpliga protokoll om efter en jordklassificeringssystem som används utanför USA Fält protokoll som avses häri följer USA klassificeringssystemet och kräver en kopia av NRCS Field bok för beskriva marken i området. Provtagaren bör ha utbildning och erfarenhet att beskriva och provtagning jordtypen som övervakas innan genomförandet av markövervakningsprotokoll.

samling jord kan göras på en mängd olika sätt, men användningen av en repeterbar teknik är av avgörande betydelseatt övervaka markförändringar. Fält metoden bör registreras i ett standardförfarande (SOP). Förändringar i rutiner för insamling mellan provtagningar bör undvikas, men när detta inte är möjligt, måste alla detaljer dokumenteras.

Tester bör också göras för att utvärdera möjligheterna till partiskhet orsakad av procedurförändringar. Provtagning kan ske genom horisonten där (1) kan gränser tydligt kan identifieras på fältet och (2) horisonter är tillräckligt tjock för att avlägsna jord utan kontaminering från horisonter över eller under. Om dessa kriterier inte uppfylls, kan provtagning av djupintervall göras. I varje provtagning, måste särskild försiktighet iakttas för att undvika blandning jord från ytan organiska rika horisonten (vanligtvis O eller A) med den översta mineral horisonten (vanligtvis B eller E). I vissa jordar, förändringar i konsistens och färg är lätt synlig över organiska mineral gränssnitt, medan det i andra jordar färgförändringar kan vara minimal så textur förändringar som återspeglar differences i organiskt kol (C) koncentrationen skall åberopas för att identifiera platsen för gränssnittet. Fastställande detta gränssnitt från textur förändringar kan vara svårt, även för erfarna jord forskare. Verifiering av den organiska-mineral gränssnitt kan göras med laboratorieanalys av kolkoncentrationen (organisk horisont definieras av organiskt kol koncentration> 20% ^7). I vissa jordar, kan O horisonten vara mindre än 1 cm tjockt och kan vara för tunna för att ta prov. Provtagning av både horisonten och djup inom samma markprofilen kan vara effektiva i att ta itu med variationer i skillnad i tjocklekar av horisonter i den profilen. Horisonter eller djup som ska provtas kommer också att vara beroende av målen för övervakningsprogrammet. Jord förändringar i lagren närmare ytan har mer allmänt identifierats än i djupare skikt, men inklusive djupare horisonter eller djupintervall kan ge information som är till hjälp för att minska osäkerheten i resultaten. Till exempel, i en initial provtagning, en istäckt mark, kraftigt lakas av det sura nedfallet visade basmättnad att vara minst i den övre B-horisonten ökar sedan med djup. I en upprepad provtagning, bör detta mönster också inträffa även om koncentrationer av individuella skikt förändras. Om ett annat mönster observeras i ett nytt prov tas, det finns en stark möjlighet att de två provtagningarna inte gjordes i jämförbar mark. Helst ska provet samlas över hela horisonten tjocklek. Dock kan i alltför tjocka horisonter vertikalt integrera provsamling vara svårt över hela tjockleken. I denna situation, kan prover av lika stor volym hämtas på lika åtskilda intervaller från botten till toppen av horisonten. Om provtagningen inte sker över hela horisonten tjocklek, spela samplingsdjupintervall inom den horisonten.

Jordprov bearbetning och analys - Bakgrundsinformation

process att avlägsna ett jordprov från profilen förändrar detta prov genom att bryta rötter, och orsakar förändringar i faktorer som temperatur, fukt, syre och andra gaskoncentrationer. Därför måste vissa mätningar göras snabbt utan förmåga att bevara provet, vilket gör dem svåra att använda i övervakningsprogram långsiktiga. Men för de vanligaste fysikaliska och kemiska mätningar såsom textur, skrymdensitet, totalt C och kväve (N), och koncentrationer av totalt och utbytbara metaller, luft-torkning av provet efter uppsamling ger en relativt konsekvent metod för stabilisering av kemi före analys . I nästan alla fall är mätningar mark operativt definierat, vilket återspeglar både villkoren i jorden på plats, och konsekvenserna av den provtagning, förberedelse och analys som används. Artefakter minimeras genom val av de bästa metoderna för programmets mål, och konsekvens i metodik över tiden. När de väl torkat, ytterligare c Hanges i jordprovet minimeras, och med det mesta av fukten avlägsnats, kan provet siktas för att bryta upp klumpar och avlägsna sten- och rot-fragment. Dessa steg gör det möjligt för provet som skall homogeniseras före subsampling för kemisk analys. Precis som konsekvens av Provtagning och bearbetningsmetoder måste upprätthållas över tiden, måste eventuell bias från den kemiska analysen även styras. Dokumentation av standardrutin (SOP) för kemisk analys användas varje gång prover samlas in och analyseras är nödvändigt, och idealiskt, samma SOP används för alla provsamlingar. Framgången för den kemiska analysen måste verifieras med ett kvalitetssäkringsprogram som innebär användning av interna referensprover och mellan laboratorier utbyta prover, liksom standard interna rutiner för kvalitetskontroll. För information om jämförbarheten av vanliga metoder kemisk analys se Ross et al. ^8.

ntent "> När Omsampling sker över 9:55 års mellanrum, vissa förändringar kan förekomma i en eller flera aspekter av den kemiska analysen, såsom SOP, laboratorieinstrument, laboratoriepersonal, eller laboratoriet gör analysen. Dessa faktorer skapa möjlighet till analytisk partiskhet mellan samlingarna. för att kontrollera för analytisk partiskhet, bör oanvända delar av prover från varje samling arkiveras för framtida bruk. prover från föregående samlingen kan analyseras med hjälp av nyinsamlade proven, och genom att jämföra data, möjligheten analytiska partiskhet kan lösas. Denna metod är baserad på antagandet att kemiska förändringar inte sker i den arkiverade provet under lagringsperioden. Förlust-on-tändning och koncentrationer av utbytbara baser, utbytbara al, totalt C, och totalt N har visat sig vara stabil i olika studier som har förlängas upp till 30 år ^9-11. emellertid, lagring av lufttorkade jordar har visat sig sänka markens pH 13. Den jordmassa som samlats in från varje horisont eller djupintervall bör vara tillräcklig för att slutföra en full uppsättning av planerade kemiska analyser plus ytterligare massa för åtminstone fyra uppsättningar av analyser i framtiden. En mängd olika metoder har använts för att arkivera jordprover. Den metod som beskrivs häri följer de rutiner lagrings används av New York State Museum.

Protocol

1. Prestation Urval och beskrivning

1. Leta upp ett skogsområde med de egenskaper som önskas för övervakning. Fastställa gränserna för studieperioden inom detta område och se till att (1) studieperioden är representativ för det område som ska övervakas, och (2) att området är stort nog att rymma den planerade provtagning och resamplings, men inte så stor att en överdriven mängd av replikat gropar behövs för att representera variabiliteten inom enheten.
2. Registrera platsen för studieperioden med ett globalt positioneringssystem (GPS) enhet. Anteckna centrum och hörn om studieperioden är rektangulär, eller centrum och ändarna av vinkelräta diametrar om studieperioden är cirkulär. Record skriven plats koordinater på en formulärfält, förutom att lagra dem elektroniskt i GPS-enheten. Om det är tillåtet, markera viktiga platser med permanenta monument såsom en järnstång.
3. Spela lutningen genom att hänga flaggning eller någon annan markör i ögon level vid studieperioden centrum och till lägsta höjd kant studieplatsen. Mät lutningen med en klinometer från (1) den högsta höjden kanten av studieperioden till studieperioden centrum (lutning uppåt), och (2) från studieperioden centrum till lägsta kanten (lutning nedåt). Spela kompassavläsningen längs den dominerande nedåtlutande riktning (lutning aspekt) från den högsta höjden kanten av studieperioden.
4. Spela lutningen position som toppmötet, skuldra, backslope, footslope eller toeslope om undersökningsområdet är på en hillslope eller platt slätt om studieperioden är i ett område med låg relief. Se sidorna 1-7 och 1-10 i Shoeneberger et al. ⁶ för att verifiera identifieringen av sluttningen läge.
5. Identifiera de dominerande vegetations arter genom vertikal skikt. Till exempel registrera dominerande ört arter i story under 1 m, de dominerande planta arter längre än 1 m, men inte når trädkronorna, och de dominerande trädslag i trädkronorna (de som når toppen of trädkronorna). Hur man skall definiera strata kommer att bero på vilken typ av skog det arbetas på. Ta ett digitalt foto av story från lägsta höjd kanten av studieperiod ser upslope och från den högsta höjden kanten ser nedåtgående linje.
6. Välj platser för gropar, undvika markytor som är av mindre betydelse inom den valda studieperiod, och därför inte är representativt för studieperioden. Också undvika landytor där provtagningsmetoder är inte möjligt på grund av perenna våthet, alltför stenar vid eller nära ytan eller överdriven densitet av träd, eller ett tillstånd som är i strid med målen för markövervakning projektet.

2. Schaktning och Profile Beskrivning

1. Lägg ut en presenning (cirka 10 fot från 12 fot eller 3,1 m med 3,7 m) i anslutning till den plats där en grop är att grävas. Välj en sida av den planerade grop (uppåtgående linjen sida om möjligt) för att skydda från tramp och kontaminering under grop digging genom att täcka med plast skräp väska eller något liknande (Figur 2). Den sidan kommer sedan att användas för personliga uppgifter och provtagning.

Figur 2:.. Avslutade grop schaktning Jord grop utgrävning visar den borttagna mineraljord och intakt skog golvet på en presenning för att minimera webbplats störning, tillsammans med stift märkning horisonter på gropen ansiktet Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Börja gräva gropen genom att ta bort skogen (O horisont) med spaden. Om möjligt, hålla skogen intakt och plats där den inte kommer att blandas med mineraljord tas bort från gropen. Gräva gropen med minsta fotavtryck möjligt (vanligen ca 0,5 ton o 1 m ²⁾ fram till att nå det önskade djupet bestäms av övervaknings design.
3. Förbered en vertikal grop ansikte för beskrivning och provtagning av lätt skrapning nedåt med en hand murslev för att avlägsna eventuella lösa jorden till följd av utgrävningen. Beskär rötter med handen snippers där så är nödvändigt.
   OBS: Om kraftiga stenar eller rötter hindra clearing av en grop ansikte för beskrivning och provtagning, eller att nå det önskade djupet, kan gropen behöva utökas något.
4. Record (i ett fält anteckningsbok eller elektronisk färdskrivare) alla synpunkter från vatten sipprar ner i gropen från en grop ansikte eller botten av gropen.
5. utvärdera visuellt gropen ansikte från topp till botten för skillnader i färg, textur och struktur. Ta bort små mängder av olika jord och plats sida vid sida på ett vitt papper (t.ex. baksidan av formulärfält) för att hjälpa till att identifiera horisont gränser, som visas i Figur 3.

innehåll "fo: keep-together.within-page =" 1 ">
Figur 3:. Prov borttagning teknik teknik som används för att ta bort smuts från gropen ansiktet. Dessutom visas prov på olika färger bort från gropen ansiktet, inriktade i ordning för att identifiera horisont gränser. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4:.. Exempel på horisonten uttryck En markprofilen med horisonten gränser som har tydlighet klasser av abrupt eller klar och topografi som är slät eller vågig Klicka här för att se en större version av denna Figure.

Figur 5: Exempel på horisonten uttryck En markprofilen med horisonten gränser som har tydlighet klasser av klart eller gradvis och topografi som är vågig eller oregelbunden.. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

6. Spela horisonten beteckningar de följande sidorna 2-2 till 2-5 i NRCS Field Book ^6.
7. Mark horisont gränser med T formade stift eller liknande objekt (figurerna 2, 4, 5). Ta ett digitalt foto av profilen med horisonten markörer och ett band på plats visar skala.
8. Mäta och registrera djupet av toppen och botten av varje horisonten med en metrisk band i förhållande till gränsytan mellan luften och markytan. Anteckna tydlighet klass och topografi kod för gränserna för varje horisonten de följande sidorna 2-6 till 2-7 i NRCS Field Book ^6.
9. Spela färg på varje horisonten med hjälp av Munsell jord färg Bok de följande sidorna 2-8 till 2-11 i NRCS Field Book ^6.
10. För varje horisont, spela textur klass (sid 2-36 till 2-37), struktur typ (sid 2-52 till 2-54), och visuellt inspektera gropen ansiktet för att göra en grov uppskattning av mängden av stenar (som volymprocent) att följa instruktionerna i NRCS Field Book ^6. Även för varje horisont, ange om finrötter (<2 mm diameter) är riklig, vanligt, få eller inga.

3. Provtagning

1. Välj horisonter och / eller djup som ska provtas baserat på studiens utformning och krav.
   OBS: Samla efter horisont om: kan (1) gränserna tydligt i området, och (2) horisonter är tillräckligt tjock för att ta bort såil utan kontaminering från horisonter över eller under. Samla av djupintervall om: (1) horisont gränser är för tunn för att prova, eller (2) horisont gränser är oregelbundna och eller trasig.
2. Samla upp jorden från de valda horisonter eller djupintervall, som börjar med den djupaste provet och arbetar uppåt. För att ta bort provet från gropen ansiktet, för in trädgårds glättaren nära bottnen av skiktet som håller på att samplas. Sedan in en platt murslev ovanför trädgårds glättaren att luckra upp jorden, så att den kan tas bort med botten spackel (Figur 3).
   OBS: jordmassa samlats bör motsvara den totala massan av den planerade kemiska analyser plus massa som behövs för arkivering (ytterligare minst fyra kompletta analyser).
3. Placera proverna i förseglingsbara plastpåsar och dubbel-beg prover om marken är stenig. För både horisonten och djup provtagning, samla jord över bredden av gropen ansiktet där horisonten kan samplas (dvs.där horisonten är tillräckligt tjock för att prova och stenar och rötter inte förekommer).
4. Märk provpåse med studieperioden, datum, grop identifiering, horisont eller djupintervall, och sampler namn.
5. När provtagning är klar, återfyllning gropen med mineraljorden och grova fragment. Placera skogen på toppen av mineraljorden, hålla det organiska materialet så intakt som möjligt. Anteckna platsen för gropen med avseende på studieperioden monument (avstånd och aspekt).
6. Gräva ytterligare gropar inom studieperioden att ge replikering kallas i provtagnings design. Vid varje grop, följ steg 2,1 till 2,8, och om profilbeskrivningar krävs vid alla gropar, också följa stegen 2-9 till 2-11. Sedan samla proverna följande steg 3.1 till 3.5.

4. Provbearbetning

1. Inom 24 timmar för insamling, häll prover av plastpåsar i pannor som kommer att underlätta lufttorkning av proverna. Air-dry vid ungefär rumstemperatur på en säker plats som är skyddad från luftburna föroreningar, såsom damm. Blanda proverna i pannor med några dagars mellanrum, beroende på väta. Inspektera varje prov för visuell och taktil tecken på torrhet för att avgöra om lufttorkning närmar sig sitt slut.
2. Kontrollera slutförandet av lufttorkning, genom att väga delprov (ca 5 g) från flera prov (minst 3). Därefter ugnstorr dessa delprover för 24 h (organisk jord vid 60 ° C; mineraljord vid 105 ° C), och väg på nytt. Beräkna massan av fukt förloras genom torkning som en procent av den totala massan (jord plus fukt) före torkning.
3. Efter 2 dagar, upprepa steg 4,2 och jämföra fukt försvinner från den första ugnstorkning, som förlorade i andra ugnstorkning. Om fukt förlorade i varje ugnstorkning är inom 2 procent, kan man betrakta jorden lufttorkades. När lufttorkning är komplett, placera prover i plastpåsar som kan förseglas efter utvisa så mycket luft sommöjlig.
4. Att avlägsna grova fragment och rötter, sil all insamlad jord. Passerar de organiska proven genom en sikt med en öppning av ungefär 4-6 mm; passera mineraljordprover genom en sikt med en öppning på 2 mm. Ytterligare siktning genom mindre öppningar kan krävas för specifika kemiska analyser. För sampla, se till att sikt förfarande överensstämmer med den föregående provtagning.
   VARNING: Människor som gör sikt bör skyddas från att andas in damm, antingen genom siktning i en fläktkåpa eller bär en NIOSH (NIOSH) godkänd N95 partikelfiltrering ansiktsmask andningsskydd.

5. Kemiska Analyser

1. Välj kemiska analysmetoder som överensstämmer med dem som används i liknande skogsmark, såsom de i Ross et al. ^8. US Environmental Protection Agency Jord Metoder Manual ¹⁴ ger också ett kompendium av metodersom fortsätter att vara allmänt används för analys av skogsmark. Om avvikelser är nödvändiga, måste verifieras data jämförbarhet. Se till att SOP är fullt dokumenterad för varje analys.
2. Inkludera referensjordprover med liknande egenskaper som jordprover som samlats i övervakningsprogrammet i alla analysserier för att upprätthålla kvalitetskontroll. Inkludera även prover från bland laboratorie utbyten ⁸ för att bestämma uppgifternas jämförbarhet med andra laboratorier.

6. Arkiveringsjordprover

1. Arkivera jord som återstår efter kemiska analyser för framtida användning. Välj jordmassa som ska sparas på grundval av (1) hur mycket jord användes för fullständig uppsättning mätningar (2) förväntat antal gånger prover kommer att analyseras om i framtiden, och (3) tillgängliga lång- termen lagringsutrymme.
2. Med en permanent markör, skriva följande information om en lämplig storlek tenn slips (vridbar fäst vid bag för tätning) poly fodrad papperspåse: (1) prov identifieringsinformation inklusive horisont eller djup ökning, (2) siktstorlek, (3) datum samlas, och (4) alla nödvändiga laboratorie information såsom prov serienummer.
3. Väg och registrera massa jord som arkiveras för varje prov, och placera i tenn slips påsen. Placera tenn tie påsen i en lämpligt stor plastpåse (Figur 6).

Figur 6:.. Jordprover förpackade för arkivering Intern förpackning av arkiverade jordprover Klicka här för att se en större version av denna siffra.

4. Förvara påsarna i behållarna kartong förvarings konfigurerade för att den tillgängliga hyllor (såsom den metod som visas i Figure 7. Märk lådan med uppgifter om proverna som ingår i att göra det möjligt för prover som placeras på ett effektivt sätt. Håll arkivrummet vid en stabil temperatur.

Figur 7:.. Exampling eller arkiverade hyllor yteffektiva hyllor av arkiverade jordprover Klicka här för att se en större version av denna siffra.

5. Lagra information om varje arkiveras prov i en digital databas som rutinmässigt säkerhetskopieras. Innefattar (1) identifiering av provet, (2) varje datum att provet analyserades, (3) det laboratorium där provet analyserades, (4) de analyser som utförts på varje datum, (5) massan av provet som återstår (uppdatering detta varje gång att en del av provet avlägsnades för analys), och (6)namnet på den institution med frihetsberövande ansvar för arkiverade prover.

7. Verifiera Konsekvens av kemiska analyser över tid

1. Omanalysera minst tolv arkiverade prover från varje horisonten eller djup inkrement tillsammans med analyserna av de nyinsamlade proverna.
2. Kör en två tailed t-test (eller Mann-Whitney rangsummetest om data normalitet är disproven) för att avgöra om kemiska analysresultat skilde sig signifikant (P <0,10) mellan den föregående analysen och den nuvarande ny analys.
   OBS: Om en signifikant skillnad (eller en tydlig partiskhet som inte är statistiskt signifikant) observeras, då bör utvärderas sambandet mellan de ursprungliga uppgifterna och ny analys data. Om de flesta av variabiliteten (R ^2> 0,9) kan förklaras av detta förhållande, då det kan användas för att justera data för att ta bort bias. Om emellertid ^R2 <0,9, varvid återstoden av de arkiverade samplena should göras om för att säkerställa att det inte finns någon analytisk fördomar när man jämför data från tidigare provresultat och resultat som erhållits från nyinsamlade proven.

Representative Results

Data som samlats in i studien av Lawrence et al. ⁹ kan användas för att demonstrera effekten av provtagning replikering på statistisk kraft för att upptäcka förändringar i Oa horisonten prover från 12 gropar i en röd gran (Picea Rubens) skog i östra ME. Mer information om denna studie webbplats (kallad Kossuth) finns i Lawrence et al. ^9. Jorden (klassificeras som Spodosol) hade en relativt tunn Oa horisont (genomsnittlig tjocklek uppgick 2,5 cm och 3,7 cm i 1992-1993 och 2004, respektive) som överlappade ett E-horisonten med ett abrupt gräns. Med en provstorlek av 12, betydande förändringar (P <0,05) mellan prover som tagits i 1992-1993 och 2004 upptäcktes i mätningar av pH, organiskt C, och utbytbart kalcium (Ca), natrium (Na) och aluminium (Al), medan ingen förändring observerades för utbytbar magnesium (Mg) (tabell 1). När åtta av de 12 proverna slumpvis utvalda för statistisk analys, significant skillnader (P <0,001) observerades för utbytbara Na och Al, och vid P <0,10 nivå för ekologisk C. Med fyra av 12 prover slumpmässigt utvalda, signifikanta skillnader observerades enbart för utbytbara Al och Na på P ≤ 0,05 nivå .

Tabell 1: Exempel på storlekseffekter Statistiska resultat från användning av provstorlekar av 12, 8 och 4 för att detektera signifikanta skillnader i kemiska mätningar av jordprover 10 till 11 års mellanrum.. P-värden anses statistiskt signifikant visas i röda kursiv.

Data från Oa horisonter och de övre 10 cm av B-horisonter som samlats in i norra och södra Flödes vattendelare av Buck Creek (västra Adirondack regionen New York) ger exempel på värdet av arkiverade jord för att minska osäkerheten när comparin G Data från olika tidsperioder. Av de 55 prover som samlats in, analyseras och arkiveras i 1997-2000, var 15 slumpmässigt ut för återanalys i 2013-14. Analyser i båda tidsperioderna gjordes i laboratorium US Geological Survey New York Water Science Center, Troy, NY, enligt samma SOP. Värden för utbytbara Ca i original samt ny analys av 15 Oa horisont prover visade ingen skillnad (P> 0,10) för utbytbara Ca koncentrationer (figur 8a). Konspirera mot 1: 1 rad visade också liten eller ingen bias och värde R ² indikerade lite oförklarlig variation. Avsaknaden av en skillnad mellan originaldata och data från återanalys efter lagring indikerar att varken analytiska partiskhet eller lagringseffekter under 14-16 år orsakas felaktiga skillnader i Ca data. På grundval av detta, ny analys av de ytterligare 40 Oa prover som tagits i 1997-1998 för utbytbara Ca koncentrationer var fast besluten att vara onödig.

nt "fo: keep-together.within-page =" 1 ">
Figur 8: ny analys resultat Ca. Förhållandet mellan utbytbara Ca mätningar i Oa horisonten (a), och de övre 10 cm av B-horisonten (b), som gjorts i 1997-2000 (ursprunglig analys) och mätningar av arkiverade prover analyseras om i 2013-2014 (ny analys). Den 1: 1 linje visas på tomten. Ekvationen representerar den bäst anpassade linjen bestäms genom linjär regression. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ett annat resultat erhölls när arkiverade jordar analyseras om för utbytbara Ca i B horisonter (figur 8b), också med hjälp av samma SOP. En signifikant skillnad (P <0,10) erhölls mellan original analys (medelvärde = 0,40 cmol _c / kg) och återanalys (medelvärde = 0,33 cmol _c / kg), även om linjär regression visade en mycket signifikant linjärt förhållande mellan de två datauppsättningarna (P <0,001; R ² = 0,99). Med den starka relation var regressionsmodell som används för att justera de ursprungliga värdena för de 40 proverna inte analyseras om att ta bort fördomar i förhållande till nyinsamlade och analyserade prover.

En förändring av SOP för bestämning utbytbara Al-koncentrationer resulterade i olika resultat mellan den ursprungliga analysen i vilken Al mättes genom titrering ¹⁵ och återanalys i vilken Al mättes genom induktivt kopplad plasma (ICP) efter Blume et al. ^14. Jämförelse av utbytbara Al mätningar av 15 Oa horisont prover (Figur 9a) mellan ursprungliga värdena (medelvärde = 11,5 cmol _c / kg) och ny analys (medelvärde = 7,8 cmol _c 2 = 0,96) och signifikant bias (P <0,05). Som gjort för B-horisonten Ca koncentrationer var regressionsmodell som används för att justera de ursprungliga värdena för de 40 proverna inte analyseras om att avlägsna analytisk partiskhet.

Figur 9: ny analys resultat för Al Förhållandet mellan utbytbara Al mätningar i Oa horisonten (a), och de övre 10 cm av B-horisonten (b), tillverkad i 1997-2000 (ursprunglig analys) och mätningar av arkiverade prover. analyseras om i 2013-2014 (ny analys). Den 1: 1 linje visas på tomten. Ekvationen representerar den bäst anpassade linjen bestäms genom linjär regression. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ursprungliga och analyseras data för utbytbara Al i B-horisonten var också signifikant (P <0,001) och linjär regression indikerade en signifikant samband mellan de två datamängder (P <0,10). I motsats till de Oa horisont Al uppgifter, var förhållandet svag (Figur 9b) och regressionsmodell kunde bara står för en liten del av variationen ^(R2 = 0,23). Eftersom modellen inte kan användas för att ta bort fördomar, till alla prover som samlats in och analyserats 1997-2000 behövs skall analyseras om med den nyligen insamlade proverna.

En förändring i analysmetoden kan resultera i en bias i data så test göras för att kontrollera att uppgifterna är opartisk. Till exempel, resultatet av arkiverade mineraljordar hämtas på Turkey Lake Watershed, Ontario, Kanada, 1986 och analyseras under 2005 ^{10 <}/ sup> visas i figur 10. Analysen visade att de två metoderna producerade objektiva data med lite oförklarlig variabilitet (Figur 10). Den ursprungliga analysen gjordes med hjälp av Walkley-Black våtrötning metod och arkiverade proverna analyserades genom förbränning analysatorn. I detta fall jämförelsen mellan resultaten av den ursprungliga analysen och analys av arkiverade prover visade att data som produceras av de två metoderna var direkt jämförbara.

De exempel som visas i figurerna 8-10 visar att användningen av konsekventa analysmetoder inte utesluta möjligheten av objektiva data, men visar också att en metod förändring inte nödvändiga resultatet i partiskhet. Dessa slutsatser understryka vikten av arkiverade prover för att minska osäkerheten i resultaten genom att kontrollera för analytisk partiskhet.

Figur 10: ny analys resultat C. Förhållandet mellan organiska C mätningar av mineraljordar som gjorts i 1986 (original analys) och mätningar av arkiverade prover som analyseras under 2005. Den streckade linjen är 1: 1 rad; den heldragna linjen är den linjära regressionen som beskriver förhållandet mellan första och arkiverad analys. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Studier som har visat värdet av markövervakning för att upptäcka förändringar i jord vid enskilda platser eller flodområden växer, och nyligen har markövervakning använts för att fastställa effekterna av surt nedfall minskar i en stor regional studie ^14. Vid alla dessa platser hade sura nedfallet minskat under de senaste tre decennierna,även de sura nedfall och minskningstakten varierade mellan platser. Ett stort antal ändringar identifierades i denna studie, som var i stort sett överens över den stora studien regionen under olika tidsperioder, med hjälp av olika sampla mönster (tabell 2). Genom att länka flera sampla studier var svaren från skogsmark till förändringar i en stor miljö förare identifierat över ett omfattande område (Figur 11). Studien av al. Lawrence et ⁵ visade att resultaten av mark sampla studier med olika mönster kan aggregeras för att ta itu breda regionala problem.

. Tabell 2: Exempel på sampla resultat medelvärden (initiala - final) och resultat från tester (T-test eller Mann-Whitney test) för skillnader mellan inledande och avslutande mätningar feller O, och övre B horisonter för markundersökningar i nordöstra USA och östra Kanada (platser som visas i figur 11). P-värden> 0,10 anges som ns (ej signifikant). Analyser med P <0,1 visas i gult för att indikera signifikanta skillnader observerades i dessa mätningar för platser som ligger över nordöstra USA och östra Kanada. Lådor med streckade linjer indikerar inga data. BB står för Bear Brook, ME; TMT står för BB webbplatser som erhållit experiment tillsatser av (NH _{4) 2} SO ₄ årligen. REF avser obehandlade platser på BB. Vissa webbplatser hade olika studieperioderna baserat på skogstyp. CF står för nordliga barrträd står; HW nordlig lövved står; MF står för blandade barrträd-ädelträ bestånd. Klicka här för att se en större version av denna tabell.

Figur 11:. Karta över sampla platser Platser av sampla markundersökningar i östra Kanada och nordöstra USA som presenteras i tabell 2. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Val av vilka horisonter eller steg djup att prova styrs av målen för övervakning, men i slutändan är beroende av egenskaperna hos jorden. Beslutet om var och hur man prova profilen är därför ett viktigt steg i markövervakning. Till exempel Spodosol visas i figur 12 har en skog golv med en gräns mellan Oe (måttligt nedbrutet organiskt material) och Oa (svart humified organiskt material) som är abrupt och de två horisonter är tillräckligt tjock för att kunna ske separat . Denna profil har även en väldefinierad E-horisonten med en abrupt gräns som skiljer den organiska Oa horisonten från mineral E-horisonten. Dessa färgrika horisonter med abrupta gränser möjliggör insamling av samma horisont material som skall genomgående upprepas, vilket gör dessa horisonter utmärkta kandidater för markövervakning. Om gränsen mellan mineral- och organiska skikten inte är tydligt eller är gradvis relative till horisonten tjocklek, kommer upprepad provtagning av skikt direkt över och under detta gränssnitt sannolikt även varierande mängder av jord från de intilliggande skikten. Denna egenskap lägger okontrollerad variation och skulle därför göra dessa horisonter mindre önskvärda för upprepad provtagning.

I vissa fall kan provtagning av djupintervall ger en konsekvent urvalsmetoden i jordar där vissa horisonter blandas eller blandade, om denna blandning är ett konsekvent inslag i jordar som övervakas. I figur 12, de övre 10 cm av B-horisonten har en abrupt gräns med E-horisonten, men färgvariation antyder närvaron av Bh och Bhs horisonter som blandas. I denna situation skulle provtagning övre 10 cm av B-horisonten vara den mest repeterbara insamlingsmetod. Detta tillvägagångssätt har visat sig vara framgångsrik i Spodosols sådana som visas i figur 12 ^7.

Figur 12:.. Spodosol profil A Spodosol horisont från Adirondack regionen New York visar särskiljande E-horisonten som separerar skogen (Oa och Oe horisont) från B-horisonten Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Fullständiga profil beskrivningar är mycket användbara för att minska risken för provtagning partiskhet och tolka data, men att samla in denna information är tidskrävande och kan begränsa den tillgängliga tiden för tillgänglig provtagning replikering, beroende på projektresurser och tillgängliga fälttiden. Ett alternativ till fullständiga profil beskrivningar av varje grop skulle vara att göra en fullständig beskrivning av en primär grop (med foto), sedan begränsa beskrivningar för upprepade gropar mätningar av horisonten tjocklek längs wed profil fotografier. Denna information skulle vara tillräckligt för att kontrollera att sampla gjordes i samma jord på ett sätt som överensstämmer med den tidigare provtagningen. högkvalitativa bilder är mycket värdefulla för att upprätthålla samplings konsekvens när resampling profiler för att bestämma kemiska förändringar över tiden.

Bedömning av eventuell bias från provtagnings inkonsekvenser kan utvärderas genom jämförelser av mätningar bland horisonter. Till exempel var lägre koncentrationer av organiskt kol observerades i Oa horisonten i en andra samplings än i den initiala provtagning 10-12 år tidigare ^nio. Detta kan ha resulterat från en provtagningsdiagonal mer av den underliggande mineral E-horisonten kan ha samlats i den andra samplings än i den första provtagningen. Detta skulle sänka koncentrationen av organiskt kol, och sannolikt sänka utbytbara Ca koncentrationen eftersom E horisont Ca koncentrationer i jord studeras var åtminstone en order av Magnitude lägre i än i Oa horisonten. Avsaknaden av en minskning av E-horisont Ca koncentrationer observerades i denna studie ger bevis till stöd för tolkningen att lägre organiska C-koncentrationer i den andra samplings var inte ett resultat av provtagning partiskhet. Denna typ av jämförelse mellan horisonter ger värdefull information för att utvärdera provtagnings konsistens. Därför provtagnings ytterligare horisonter inte specifikt behövs för projektmålen är motiverat för att minska osäkerheten i resultat.

Ny analys av arkiverade jordprov är en viktig praxis för att minska osäkerheten. Men arkivering av jordar kräver resurser för att hantera arkiv och lagringsutrymme som kan vara svårt att få på en permanent basis. Därför måste massan av arkiverade jord användas omdömesgillt. Reanalyzing alla arkiverade jordprover för en viss sampla studie är i allmänhet den mest effektiva metoden för att minska kemisk analys osäkerhet, men selektiv ny analys of arkiverade prover, där så är möjligt, kommer att bidra till att bevara oersättliga mark för framtida bruk. Ny analys av alla arkiverade prover bör inte göras om det behövs. En mängd olika metoder för att arkivera jord finns för närvarande är i bruk och har visat sig vara effektiva. Metoden och material som rekommenderas i denna artikel bygger på erfarenheterna av curatorer i New York State Museum, som har funnit att denna mycket utrymmeseffektiv förpackningsdesign skyddar provet i okrossbara, vattentät, lätt märkta material som är stabila för många decennier.

Skydda arkiverade jordprover är ett viktigt steg i markövervakning, eftersom det inte bara möjligt analytisk konsekvens mellan provtagningarna, ger det också möjlighet för framtida analys med metoder som ännu inte har utvecklats. Dessutom kan de arkiverade prover tillhandahålla information för att hantera nya frågor som de utan tvekan kommer att uppstå i framtiden. Hade arkiverade jordprover före ettcid regn funnits, effekterna av denna störning på marken skulle ha identifierats inom år snarare än decennier efter sin upptäckt. Istället pre-surt regn markkemi är fortfarande osäker vi nu följa återvinning av mark från sjunkande surt regn nivåer.

markövervakning är något begränsad av tidsramen under vilken förändring kan detekteras (i allmänhet 5 år eller mer), och med en tillit till förstörande provtagning, provytan behövs för övervakning ökar över tiden. Ändå utan markövervakning, markförändringar måste härledas från indirekta metoder, såsom chronosequences (plats för tid byte), vattendelare massbalanser, dendrochemistry kortsiktiga manipulationer och modellering. Dessa metoder ger grova uppskattningar av markförändringar, och alla kräver antaganden som ökar osäkerheten som bäst kan minskas genom direkta mätningar av jord genom tiden. Tillvägagångssättet för upprepade jordprover kan också applied långsiktiga styrda manipuleringsförsök, såsom vattendelare Ca-tillägg experiment på Hubbard Brook Experimental Forest, NH, som varar mer än 12 år ¹⁶ och Calhoun, SC, markens långsiktiga experiment som varar mer än 50 år ^2.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment Required in the Field
global positioning system	outdoor suppliers such as Forestry Suppliers		A wide variety of makes and models of GPS systems would be suitable.
water-proof paper	Forestry Suppliers	49450	Available through any outdoor supplier
iron rod (approximately 3 ft length)	Available at any hardware store
vinyl flagging	Available through any outdoor supplier
clinometer	outdoor suppliers such as Forestry Suppliers		A wide variety of makes and models of clinometers would be suitable.
plastic tarp	Available at any hardware store
round-pointed shovel or sharpshooter shovel for digging	Available at any hardware store
hand pruner for cutting small roots	Available at any hardware store
Lesche digging tool	Forestry Suppliers	33488
gardening trowel			A variety of hand trowels available at hardware and gardening stores would be suitable.
T-pins	Forestry Suppliers	53851
a copy of "Field Book for Describing Soils"	Currently available only online at: http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_052523.pdf; Reprinting by the National Resource Conservation Service is expected in October 2026.
Munsell Soil Color Book	Forestry Suppliers	77321
digital camera	Widely available		With flash and minimum resolution 8 megapixels
metric tape with 3 to 5 meter length	Available through any outdoor supplier such as Forestry Suppliers
sealable plastic bags with a non-clear panel for labeling	Available at any grocery store
Indelible felt markers for bag labeling and pencils for field recording forms	Widely available
Materials Needed to Process and Archive Samples in the Laboratory
testing sieves	Duel Manufacturing Co., Inc.	2 mm: 200MM-2MM 4 mm: 200MM-4MM 6 mm: 200MM-6.3MM
National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) approved N95 Particulate Filtering Facepiece Respirator	MSA Safety Works, model number 10102483	available through multiple suppliers
kraft tin tie bags with poly liner	Papermart	7410100
2 ml gussetted poly bag	Associated Bag	64-4-53
200 lb kraft literature mailers	Uline	s-2517
*Note, several of the authors are government scientists and are therefore not allowed to endorse the products of private companies.