繰り返し土壌のサンプリングは、最近数年と数十年にわたる森林土壌の変化を監視するための効果的な方法であることが示されています。その使用をサポートするために、プロトコルが成功した土壌のモニタリングプログラムの設計と実装を支援するための土壌のリサンプリング方法の最新情報を合成し、その提示されています。
Recent soils research has shown that important chemical soil characteristics can change in less than a decade, often the result of broad environmental changes. Repeated sampling to monitor these changes in forest soils is a relatively new practice that is not well documented in the literature and has only recently been broadly embraced by the scientific community. The objective of this protocol is therefore to synthesize the latest information on methods of soil resampling in a format that can be used to design and implement a soil monitoring program. Successful monitoring of forest soils requires that a study unit be defined within an area of forested land that can be characterized with replicate sampling locations. A resampling interval of 5 years is recommended, but if monitoring is done to evaluate a specific environmental driver, the rate of change expected in that driver should be taken into consideration. Here, we show that the sampling of the profile can be done by horizon where boundaries can be clearly identified and horizons are sufficiently thick to remove soil without contamination from horizons above or below. Otherwise, sampling can be done by depth interval. Archiving of sample for future reanalysis is a key step in avoiding analytical bias and providing the opportunity for additional analyses as new questions arise.
土壌の開発は、従来、千年の時間スケール1に百周年にわたって行わプロセスの観点で見てきました。農業などの集中的な用途によって乱されていない土壌のモニタリングは、典型的には、数十年に年の時間スケール上のポリシーや管理の懸念のために重要であると考えられていませんでした。しかし、近年の土壌調査は重要な化学土壌の特性は、以下の十年で、このような大気汚染や気候変動2などの人間活動の影響によって駆動幅広い環境変化の多くの場合、結果を変えることができることを示しています。北米東部では、繰り返し土壌サンプリングは森林設定の土壌変化のレコードを酸性沈着の影響に関する貴重な情報を提供しています。この作業を支援し、コーディネートするための努力では、協同組合(NESMCを)監視北東部の土壌は、2007年3内に形成された。本稿では、プロにNESMCの継続的な努力の一環です私たちの環境の変化を監視するための貴重なツールとして森林土壌の繰り返し土壌サンプリングの使用を進める見よ情報。
繰り返しサンプリングは、実験操作からの変更を評価するために使用されてきたが、環境ドライバに応じて、森林土壌の長期的なモニタリングは、文献に十分に記載されていませんし、ごく最近になって広く科学界に受け入れてきた比較的新しい習慣です。過去の懐疑論は、土壌の変化率は、(水平および垂直)森林土壌の典型的な高空間変動の存在下で検出することが遅すぎたとの見方に大部分によるものでした。土壌のコレクションは破壊的であるので、リサンプリングは、元のサンプリング位置の近くに行うことができます。したがって、サンプルが収集され、そこから3次元空間内の空間的変動は、実際の変更を検出し、収集方法のアーティファクトである結果を防ぐため、適切に定量化でなければなりません。また、土壌のサンプリングと化学分析のプロセスが変更をマスク又はバイアスが4をもたらすことができ、測定の不安定性の潜在的な源を作成します。測定の不安定性を完全に除去することはできないが、十分に最小限の不確実性を有する結果を生成するために適切なプロトコルを用いて制御することができます。
土壌モニタリング調査の設計
土壌モニタリングは、土壌サンプルは研究者によって定義された時間間隔で繰り返し採取されている必要があります。短い時間間隔は、統計的な変化を検出するのに必要な時間の長さを減少させるが、より長い間隔が土壌変化が4を発生するためのより多くの機会を提供します。 5年のリサンプリング間隔は、これらの2つの要因のバランスを取ることが推奨されますが、監視が特定のドライバを評価するために行われている場合、間隔はそのドライバ2に予想される変化率に基づいて設定する必要があります。森林土壌の成功の監視も必要試験装置は、土壌のモニタリングのために選択された森林地の領域内に定義されることです。試験装置内の複数の位置で繰り返されるサンプリングが、その特定の試験ユニットの土壌を経時的に変化したかどうかを決定するために使用されます。追加の調査単位を選択することができるが、それぞれ統計的に土壌の変更が発生したかどうかを評価するために別々に分析されます。ローレンスらに示されているように、複数の試験ユニットの統計結果は、地域の分析のためにグループ化することができる。5。研究ユニットの種類とサイズが求められている監視質問と以下の研究の設計上の考慮事項に依存します。試験ユニット内の土壌サンプリングは、サンプリングをバイアス4なしで試験ユニットの面積変動性を特徴付けるために十分な場所で行われている限り、複製サンプルを得るために、ランダムな位置で、またはグリッド上で行うことができます。機能のSUCに関して、単一の景観型内に配置された研究ユニットスロープ、hillslope位置、態様、植物、母材と排水などの時間は、複数のランドスケープタイプにまたがる研究部より少ない面積の変動を有する傾向があります。各コレクションでサンプリングバイアスを回避することは、前と今後のコレクションで得られた値と比較して、統計的になるようにいずれかのコレクションにサンプリングピットからの値を有効にするために必要とされています。試験装置のサイズが大きくなるように、試験装置内の面積の変動はまた、植物又は傾斜の変化などの要因から増加させることができます。なるこのような変動の潜在的な原因は、研究ユニット内に包含される場合は、追加のサンプリング位置が発生することがあり土壌中の可能な変動性を特徴づけるために必要とされるであろう。従って、試験装置の大きさは考慮されている領域と、サンプリング及び再サンプリング作業のために利用可能なプロジェクトのリソースの変動に基づいて、調査者によって決定される必要があります。
考慮すべき重要な基準研究ユニットの位置を内edは将来の望ましくないサイト障害の可能性です。現場の状況は数十年以上のために定義された監視の目的に適したままであることの保証のいくつかのレベルがあるはずです。例えば、監視気候変動の影響の単一目的とした研究ユニットは、ロギングが予見可能な将来に発生しません領域に配置する必要があります。
本明細書中に記載の方法論は、個々の研究ユニットのサンプリングをカバーしています。研究ユニットは、風景の種類や勉強のユニット内で複製することができる研究は実験操作を伴うかどうかなど、研究の目的と範囲に応じて追加の風景のタイプを特徴づけるために追加することができます。土壌監視設計の例が図1に示されている。関心領域(西部アディロンダック領域)内では、6研究ユニットが配置されています。この場合には、各試験ユニット25は同じサイズにグリッドれますプロット。各プロットは、ピットの掘削に適した空間を提供するのに十分な大きさである必要があります。米国北東部とカナダ東部の森林高地地形では、1.2メートルの深さにピットを掘削するための適切なスペースは、一般的に10メートルの面積で10メートル以内にあります。したがって、この例では、試験装置の総面積1.0ヘクタール等しいです。調査単位がサンプリングされるたびに、プロットの選択された数は、ランダムサンプリングのために選択されます。 5複製プロットをランダム5年の間隔でサンプリングのために選択されている場合、試験装置は、25年間のために監視することができます。 1ピットを掘削し、サンプルするのに必要な面積は、風景の中で変化し、サンプリング設計で考慮しなければなりません。
研究ユニット内の複製の程度や研究ユニットの特性に応じて変わる繰り返しサンプリングの頻度、質問がと予想される外乱の性質れています。持っている土壌リサンプリング研究に基づいて一般的に森林土壌で使用される測定値変化を検出し、5年のリサンプリング間隔と、各研究ユニット内の5の反復サンプリング位置の最小値が推奨されています。リサンプリングの頻度を減少させ、サンプリング複製を増加させる変化を検出する能力を強化します。
図1:例の研究デザインの一般リサンプリング研究デザイン。研究ユニットは、2ストリームチャネルの水辺エリアを回避するために配置されていることに注意してください。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
土壌サンプルコレクション – 背景情報
土壌試料の採取は、ほとんどの場合で発生する土壌が乾燥する傾向がある季節、中に行われるべきです成長期の後半。この時点でリサンプリングすることにより、一貫性はまた、植物季節、土壌の化学的条件に可能な影響に関して達成されます。サンプリング中または直後に大雨の後や汚れが非常に湿っているときに避けるべきです。研究ユニット内の少なくとも1つの位置を説明し、米国外で使用される土壌分類システム以下の本明細書に提供されるフィールドのプロトコルは、以下の場合は土壌6、または他の適切なプロトコルを記述するための米国農務省の自然資源保全サービス(NRCS)フィールドブックを以下の文書化する必要があります米国の分類システムとフィールド内の土壌を記述するためのNRCSフィールドブックのコピーが必要です。サンプラーは訓練と経験を記述し、土壌モニタリングプロトコルを実装する前に、監視されている土壌の種類をサンプリングしている必要があります。
土壌のコレクションは、様々な方法で行うことができるが、反復手法を使用することは重要です土壌の変化を監視します。フィールドの方法論は、標準作業手順(SOP)に記録されるべきです。サンプリング間収集手順の変更は避ける必要がありますが、これが不可能な場合は、すべての詳細が文書化されなければなりません。
テストはまた、手順の変更によって引き起こされるバイアスの可能性を評価するために行われる必要があります。サンプリングは、(1)境界が明確フィールドで識別することができ、水平線によって行うことができる(2)視野は、上記または下記の視野からの汚染することなく汚れを除去するのに十分な厚さです。これらの基準が満たされない場合には、深さ間隔によるサンプリングを行うことができます。任意のサンプリングでは、特に注意が最上位のミネラル地平線(通常はBまたはE)で表面有機物に富む地平線(通常はOまたはA)から土壌を混合しないように注意する必要があります。他の土壌に色の変化がディを反映し、最小限のようにテクスチャー変更することができ、一方、いくつかの土壌で、質感や色の変化は、有機ミネラルインタフェースを介して容易に表示されます有機炭素(C)濃度のfferencesは、インターフェイスの場所を特定するために依拠しなければなりません。テクスチャーの変化から、このインタフェースを決定することはあっても、経験豊富な土壌科学者のために、困難な場合があります。有機ミネラルインターフェースの検証は、炭素濃度(有機地平線有機炭素濃度によって定義される> 20%7)の実験室での分析を行うことができます。いくつかの土壌では、Oの地平線は1cm未満の厚さとすることができるとサンプルにはあまりにも薄くてもよいです。同じ土壌断面内の地平線と深さの両方によるサンプリングは、そのプロファイル内の地平の厚さの明瞭の変動に対処する上で有効であることができます。サンプリングする地平または深さはまた、監視プログラムの目的に依存することになります。表面に近い層における土壌の変化は、より一般的に深い地平や結果の不確実性を低減するのに有用である情報を提供することができる深さ間隔など、より深い層に比べて識別され、されているが、。たとえば、最初のサンプリングで、重く酸性沈着によって浸出氷河土壌は、その後、深さとともに増加上位Bの地平線に最小となるベースの飽和を示しました。繰り返しサンプリングでは、このパターンはまた、個々の層の濃度が変化した場合でも発生します。異なるパターンが繰り返しサンプリングで観察されている場合、2つのサンプリングが比較土壌で行われていなかった可能性が高いです。理想的には、サンプルは完全な水平線の厚さにわたって収集されるべきです。しかし、厚すぎる地平に垂直にサンプル収集を統合することは、全体の厚さにわたって困難な場合があります。この状況では、等量のサンプルが地平線の下から上に等間隔で収集することができます。サンプリングは完全な水平線の厚さを介して行われていない場合は、その水平線内のサンプリング深さ間隔を記録します。
土壌サンプル処理および解析 – 背景情報
Pプロファイルから土壌サンプルを除去するrocessは、根を切断し、そのような温度、湿度、酸素および他のガス濃度などの要因の変化を引き起こすことによって、そのサンプルを変更します。そのため、一部の測定値は、彼らが困難な長期モニタリングプログラムで使用すること、サンプルを保持する能力なしに迅速に行われなければなりません。しかし、収集、分析の前に化学反応を安定化させるために比較的一貫した方法を提供した後に、そのような質感、かさ密度、総Cおよび窒素(N)、及び合計と交換金属の濃度として最も一般的な物理的および化学的測定用のサンプルを空気乾燥。ほとんどの場合、土壌測定は操作上、その場の土壌条件、および使用サンプル収集、調製及び分析の結果の両方を反映して、定義されています。アーティファクトは、時間をかけて方法論におけるプログラムの目標、および一貫性のための最善の方法を選択することにより最小化されます。乾燥し、さらにCに一度土壌試料中のhangesが最小化されており、ほとんどの水分を除去した、サンプルは土塊を破壊し、石や根断片を除去するためにふるいにかけすることができます。これらの手順は、サンプルが化学分析のためにサブサンプリングする前に均質化することを可能にします。サンプル収集および処理方法の一貫性が経時的に維持されなければならないように、化学分析からの潜在的なバイアスも制御しなければなりません。化学分析のための標準操作手順(SOP)のドキュメントは、サンプルが収集され、分析されるたびに必須であり、理想的には、同一のSOPはすべてのサンプル収集のために使用される使用しました。化学分析の成功は、内部基準試料と相互研究所交換サンプル、ならびに標準的な内部品質管理手順の使用を含む品質保証プログラムで確認する必要があります。一般的に使用される化学分析方法の比較についてはRossらを参照してください。8。
10年ごとに5を介して行われるリサンプリングするとntentは ">、いくつかの変更は、SOP、実験用計測器、実験者、または分析を行う実験室としての化学分析の一つ以上の側面に発生する可能性があります。これらの要因分析的バイアスを制御するために。コレクションの間の分析のバイアスの可能性を作成し、各コレクションからのサンプルの未使用部分は、将来の使用のためにアーカイブする必要があります。以前のコレクションからのサンプルは、新たに収集されたサンプルを用いて分析することができ、データを比較することにより、分析バイアスの可能性は、この方法は、化学変化は、貯蔵期間中にアーカイブされたサンプルには存在しないという仮定に基づいている。対処することができる。上で点火ロスと交換塩基の濃度は、交換可能なアルミニウム、総C、総N 30年9〜11まで延長している様々な研究において安定であることが示されている。しかしながら、空気乾燥土壌の貯蔵は、土壌のpHを低下させることが示されています<s> 12とマンガン酸化物13まで。各水平線または深さ間隔から採取した土壌の質量分析に加えて、将来の分析の少なくとも4組のための追加の大計画化学の1フルセットを完了するのに十分であるべき。種々の方法は、土壌サンプルをアーカイブするために使用されています。本明細書に記載される方法は、ニューヨーク州立博物館が使用する記憶手順に従います。サンプリングする地平または深さの増分の選択は、監視の目的によって導かれるが、土壌の特性に最終的に依存します。プロフィールをサンプリングする場所と方法の決定は、したがって、土壌モニタリングにおける重要なステップです。例えば、 図12に示すポドゾル性土壌は大江(適度に分解有機物)とOA(黒加湿有機物)それは突然であり、2つの地平がそれらを可能にするのに十分な厚さを別々にサンプリングすることがあるとの間の境界で林床を持っています。このプロファイルはまた、ミネラルEの地平線からの有機のOA地平線を分離突然の境界で明確に定義されたEの地平線を持っています。急激な境界を有するこれらのカラフルな地平は、これらの地平に土壌モニタリングのための優れた候補を作り、一貫して繰り返されなければ、同じ水平線材の収集を可能にします。ミネラルと有機層の間の境界が明瞭に見えるかrelat緩やかでされていない場合、地平線の厚さに直接このインターフェイス上および下の層の繰り返しサンプリングをアイブおそらく隣接する層からの土壌の様々な量が含まれます。この特性は、制御されない変動が追加されますので、繰り返しサンプリングのためのこれらの視野はあまり望ましくなるだろう。
いくつかの例では、深さ間隔によるサンプリングは、この混合が監視されている土壌の一貫した特徴がある場合、特定の地平は、混合するか、または混在している土壌中の一貫性のあるサンプリング手法を提供することができます。 図12において、B地平線の上10センチはEの地平線との急激な境界を持っていますが、色の変化が混在しているBhのとBHS地平の存在を示唆しています。この状況では、Bの水平線の上10センチをサンプリングすることは、ほとんどの再現性収集方法であろう。 図12 7に示すように、このアプローチは、Spodosolsにおける成功が証明されています。
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-ページ= "1">完全プロフィールの記述は、サンプリングバイアスの可能性を低減し、データを解釈する上で極めて有用であるが、この情報を収集することは、時間がかかり、プロジェクトのリソースと利用可能なフィールド時間に応じて、利用可能なサンプリング複製に使用可能な時間を制限することができます。完全プロフィールに代わる各ピットの説明はワットに沿って水平線の厚さの測定に複製ピットの説明を制限した後、(写真付き)一次ピットの完全な説明を行うことであろうプロフィール写真番目。この情報は、リサンプリングがサンプリング前と一致する方法で、同じ土壌で行われたことを確認するのに十分であろう。高品質の画像が経時的化学変化を決定するためのプロファイルをリサンプリングするときのサンプリングの一貫性を維持するために非常に貴重です。
サンプリングの不整合からの潜在的なバイアスの評価は、地平の中での測定値の比較により評価することができます。例えば、有機炭素のより低い濃度は、10から12年前の9行われ、初期のサンプリングに比べて第2のサンプリングでのOA地平線で観察されました。これは最初のサンプリングに比べて第2のサンプリングで収集されている可能性があり、サンプリングバイアスより根本的なミネラルEの地平線のに起因している可能性があります。これは、有機炭素濃度を下げ、土壌中のE地平線のCa濃度が検討されているのでそうmagnitの少なくとも順だった交換性Ca濃度を下げることになりますUDEのOA地平線よりも下側。本研究で観察されたE-地平線のCa濃度の減少の欠如は、2回目のサンプリングにおける下層の有機C濃度は、サンプリングバイアスの結果ではなかったという解釈を支持する証拠を提供します。視野間の比較このタイプのサンプリングの一貫性を評価するための貴重な情報を提供します。したがって、具体的プロジェクトの目的のために必要とされていない追加の視野をサンプリングすると、結果には不確実性を軽減するために保証されています。
アーカイブされた土壌サンプルの再分析は、不確実性を減らすのに重要な練習です。しかし、土壌のアーカイブは、永続的に取得することは困難であるアーカイブおよびストレージ・スペースを管理するためのリソースを必要とします。したがって、アーカイブされた土壌の質量は慎重に使用する必要があります。特定のリサンプリング研究のために、すべてのアーカイブ土壌試料を再分析することは、一般化学分析の不確実性を減らすための最も効果的なアプローチが、選択的な再解析Oでありますfは、将来の使用のためのかけがえのない土壌を節約するのに役立ちます可能なサンプルを、アーカイブ。アーカイブされたすべてのサンプルの再分析が必要な場合以外は行うべきではありません。土壌をアーカイブするための様々な方法は、現在使用されていると効果的であることが示されています。この記事で推奨される方法および材料は、この非常にスペース効率パッケージデザインは安定である割れない、耐水性、簡単にラベルされた材料、内のサンプルを保護することを発見したニューヨーク州立博物館の学芸員の経験に基づいています何十年。
それはまた、まだ開発されていない方法で将来の分析のための機会を提供し、サンプリング間の分析の一貫性を可能にするだけでなくので、アーカイブされた土壌サンプルを保護することは、土壌のモニタリングの重要なステップです。また、アーカイブされたサンプルは、彼らは間違いなく将来に起きるように新たな疑問に対処するための情報を提供することができます。より以前の土壌サンプルをアーカイブしていましたCID雨が利用され、土壌にこの外乱の影響は、年間ではなく、その発見後十年以内に確認されているだろう。私たちは今、酸性雨のレベルの低下から、土壌の回復を監視するようにする代わりに、事前に酸性雨の土壌の化学的性質は不明のまま。
土壌モニタリングは多少変化を検出することができる上に、時間枠(一般的に5年以上)によって制限され、そして破壊的なサンプリングへの依存、時間をかけて監視が増加するために必要なサンプリング領域とされています。それにもかかわらず、土壌モニタリングすることなく、土壌の変化は、このようなchronosequences(時間交代のスペース)、流域物質収支、dendrochemistry、短期的な操作やモデリングなどの間接的なアプローチ、から推測する必要があります。これらのアプローチは、土壌の変化の粗い推定値を提供し、すべてが最高の時間を通して、土壌の直接測定によって減少させることができる不確実性を増加させる前提条件が必要です。繰り返し土壌サンプリングの手順もapplieすることができます12年以上16以上50年2持続カルホーン、SC、長期の土壌実験を持続するようなハバードブルック実験林における流域のCa添加実験として、長期制御された操作実験、にD、NH、。
The authors have nothing to disclose.
The authors have nothing to disclose.
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 | ||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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. |