Gjentatte jordprøver har nylig vist seg å være en effektiv måte å overvåke skogsjord endrer seg over år og tiår. For å støtte bruken av den, er en protokoll presenteres som syntetiserer den nyeste informasjonen om jord resampling metoder til hjelp i utforming og gjennomføring av vellykkede jord overvåkningsprogrammer.
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.
Jord utvikling har tradisjonelt blitt sett i forhold til prosesser som foregår i løpet av hundreårsjubileet til tusenårig tidsskala 1. Overvåking av jordsmonn som ikke hadde blitt perturbed ved intensiv bruk slike som landbruket ble ikke vanligvis ansett som viktig for politikk eller styring bekymringer på tidsskalaen år til tiår. Imidlertid har de senere jord forskning vist at viktige kjemiske jordegenskaper kan endre seg i mindre enn et tiår, ofte et resultat av bred miljøendringer drevet av konsekvensene av menneskelige aktiviteter som luftforurensning og klimaendringer 2. I østlige Nord-Amerika, er gjentatt jordprøver gi verdifull informasjon om virkningene av surt nedfall gjennom registreringer av jord endring i skog innstillinger. I et forsøk på å støtte og koordinere dette arbeidet, ble det nordøstJord Monitoring Cooperative (NESMC) dannet i 2007 tre. Dette papiret er en del av den pågående innsats av NESMC til progi opplysninger som avanserer bruk av gjentatte jordprøver av skogsjord som et verdifullt verktøy for å overvåke våre skiftende miljø.
Gjentatt prøvetaking har blitt brukt til å vurdere endringer fra eksperimentelle manipulasjoner, men langsiktig overvåking av skogsjord som svar på miljø sjåfører er en relativt ny praksis som ikke er godt dokumentert i litteraturen, og har nylig vært bredt omfavnet av det vitenskapelige samfunn. Tidligere skepsis skyldes i stor grad til den oppfatning at frekvensen av jord endringen var for treg til å oppdage i nærvær av høy romlig variabilitet (horisontal og vertikal) typisk for skogsjord. På grunn av at samlingen av jord er destruktiv, kan resampling bare gjøres nær den opprinnelige samplings plassering. Derfor må romlig variasjon innenfor det 3-dimensjonale rommet som prøver er innsamlet være riktig kvantifiseres å påvise reelle endringer og unngå resultater som er en gjenstand av innsamlingsmetode. Videre er prosessen med jordprøver og kjemisk analyse skaper potensielle kilder til ustabilitet måling som kan maskere endringer eller skjevhet resulterer 4. Måling ustabilitet kan ikke fjernes helt, men kan kontrolleres på tilstrekkelig med de riktige protokoller for å produsere resultater med minimal usikkerhet.
Designing Soil Monitoring Study
Jord overvåking krever at jordprøvene samles gjentatte ganger over et tidsintervall definert av undersøkeren. Kortere tidsintervaller redusere lengden av tiden som er nødvendig for å statistisk detektere en endring, men lengre intervaller gir flere muligheter for endringer jord for å forekomme fire. En resampling intervall på 5 år er anbefalt å balansere disse to faktorer, men dersom overvåkingen blir gjort for å evaluere en bestemt driver, må intervallet settes basert på endringstakten forventes i den driver to. Vellykket overvåking av skogsjord også kreves som en studieenhet defineres innenfor et område på skogeiendommer som har blitt valgt for jord overvåking. Gjentatt prøvetaking på flere steder innenfor studieenheten brukes til å avgjøre om jorda av den aktuelle studieenhet har endret seg over tid. Andre studieenhetene kan velges, men alle er statistisk analysert separat for å vurdere om det har skjedd endringer jord. Statistiske resultater fra flere studier heter kan deretter bli gruppert i den hensikt å regional analyse, som vist i Lawrence et al., 5. Den type og størrelse på studieenheten vil avhenge av overvåkings spørsmålene blir stilt og følgende studie design hensyn. Jordprøver innen studiet enheten kan gjøres på tilfeldige steder, eller på et rutenett for å oppnå gjentatte prøver så lenge prøvetaking er gjort på steder nok til å karakterisere areal variasjon av studien enhet uten skjevhet 4. En studie enhet plassert innenfor en enkelt landskapstype med hensyn til funksjoner such som skråningen, hillslope posisjon, aspekt, vegetasjon, grunnmaterialet og drenering vil tendens til å ha mindre areal variasjon enn en studieenhet som strekker seg over mer enn en landskapstype. Unngå prøvetaking skjevhet i hver samling er nødvendig for å muliggjøre verdiene fra gropene samplet i noen samling for å være statistisk sammenlignet med verdier oppnådd i tidligere og fremtidige samlinger. Etter hvert som størrelsen av studien enheten øker, kan det areal variasjon innen studiet enheten også øke fra faktorer som for eksempel vegetasjon eller skråning endres. Hvis potensielle årsaker til variasjoner som disse bli omfattet innenfor studieenhet, vil ytterligere prøvetakings steder være nødvendig for å karakterisere den mulige variasjonen i jord som kan oppstå. Derfor størrelsen på studieenhet må bestemmes av utprøver basert på variabiliteten i det området som vurderes og prosjekt ressurser tilgjengelig for prøvetaking og resampling innsats.
Et viktig kriterium for å bli vurdereed i å finne studieenheten er potensialet for fremtidige uønskede språk forstyrrelser. Det bør være en viss grad av sikkerhet for at stedet vil være egnet for de definerte overvåknings målene for flere tiår eller mer. For eksempel bør en studieenhet med ett mål for overvåking klimaendringer være lokalisert i et område der hogst ikke vil skje i overskuelig fremtid.
Metodikken beskrevet heri omfatter sampling av en individuell undersøkelse enhet. Studieenhetene kan replikeres i en landskapstype eller studere enheter kan legges til karakterisere flere landskapstyper, avhengig av formål og omfang av studien, herunder om studien innebærer en eksperimentell manipulasjon. Et eksempel på en jordovervåknings utforming er vist i figur 1. Innenfor området av interesse (Lake Placid region), har seks studieenhetene blitt lokalisert. I dette tilfellet er hver studie enhet gridded inn i 25 like storetomter. Hver tomt må være stor nok til å gi en plass som er egnet for grop utgravning. I skoghøyereliggende terreng i nordøstlige USA og østlige Canada, til en egnet plass grave en grop til en dybde på 1,2 m kan vanligvis innenfor et 10 m med 10 m område. Derfor, i vårt eksempel, det totale arealet av studieenhet tilsvarer 1,0 hektar. Hver gang studieenheten blir samplet, blir et utvalgt antall av tomter tilfeldig valgt for prøvetaking. Hvis fem replikatmålinger tomter er tilfeldig valgt for prøvetaking på en fem-års intervall, kan studieenheten skal overvåkes i 25 år. Området som kreves for å grave ut og prøve en grop vil variere mellom landskap og må tas i betraktning ved prøvetaking design.
Graden av replikasjon i en studieenhet og hyppigheten av gjentatte prøvetaking vil variere avhengig av studieenheten egenskaper, spørsmålene som stilles og arten av forstyrrelser som er forventet. Basert på jord resampling studier som haroppdaget endringer med målinger som vanligvis brukes i skogsjord, er en resampling intervall på 5 år og minimum 5 replikere prøvetakingsstedene i hver studieenhet anbefales. Å redusere frekvensen av resampling og økende prøvetaking replikasjon vil forsterke evnen til å oppdage endringer.
Figur 1: Eksempel studiedesign En generell resampling studiedesign.. Legg merke til at studieenheten er plassert for å unngå elvebreddebufferen områder av to stream kanaler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Jord Prøvetaking – Bakgrunnsinformasjon
Samlingen av jordprøver bør gjøres i løpet av sesongen når jord pleier å være tørr, noe som oftest forekommer isiste del av vekstsesongen. Ved resampling på dette tidspunkt, blir konsistensen også oppnås med hensyn til å plante fenologien, en mulig innvirkning på jord kjemiske forhold. Prøvetaking bør unngås under eller rett etter kraftig regnvær eller når jorda er overmåte våt. Minst én plassering i studieenheten skal beskrives og dokumenteres etter USDA Natural Resource Conservation Tilbud (NRC) Feltet Book for å beskrive Jordsmonn 6, eller andre passende protokoller om å følge en jordklassifiseringssystemet som brukes utenfor USA Feltet protokollen gitt heri følger USA klassifiseringssystemet og krever en kopi av NRCS feltet bok for å beskrive Jordsmonn i feltet. Prøvetakeren skal ha opplæring og erfaring beskrive og prøvetaking av jordtype som overvåkes før gjennomføring av jord overvåking protokoller.
Jord samling kan gjøres på en rekke måter, men bruk av en repeterbar teknikk er avgjørendeå overvåke jord endring. Feltet metodikken bør registreres i en standard operasjonsprosedyre (SOP). Endringer i inkassoprosedyrer mellom prøvetakinger bør unngås, men når dette ikke er mulig, må dokumenteres alle detaljer.
Testene bør også utføres for å evaluere potensialet for forspenningen som følge av prosedyre endringer. Sampling kan gjøres ved horisonten hvor (1) kan grensene være tydelig identifisert i feltet, og (2) horisonter er tilstrekkelig tykt til å fjerne jord uten forurensning fra horisonter over eller under. Der disse kriteriene ikke er oppfylt, kan prøvetaking av dybdeintervall gjøres. I alle prøvetaking, må spesiell forsiktighet utvises for å unngå å blande jord fra overflaten organisk rike horisonten (vanligvis O eller A) med den øverste mineral horisonten (vanligvis B eller E). I visse jordarter, endringer i tekstur og farge er lett synlige på den organisk-mineralsk grensesnitt, mens det i andre jordarter fargeforandringer kan være minimale, slik teksturelle forandringer som reflekterer differences i organisk karbon (C) konsentrasjonen må være avhengig av å identifisere plasseringen av grenseflaten. Bestemme dette grensesnittet fra tekstur endringer kan være vanskelig, selv for erfarne jord forskere. Verifisering av organisk-mineralsk grensesnitt kan gjøres med laboratorieanalyser av karbonkonsentrasjonen (organisk horisont blir definert av organisk karbon konsentrasjon> 20% 7). I noen jord, kan O horisonten være mindre enn 1 cm tykk og kan være for tynn til å smake. Prøvetaking av både horisonten og dybde innen samme jordprofilen kan være effektive i å ta variasjoner i distinctness tykkelser av horisonter innenfor den profilen. Horisonter eller dybder skal tas prøver vil også være avhengig av målene i overvåkingsprogrammet. Jord endringer i lag nærmere overflaten har blitt mer vanlig identifisert enn i dypere lag, men inkludert dypere horisonter eller dybdeintervall kan gi informasjon som er nyttig for å redusere usikkerheten i resultatene. For eksempel, i en første sampling, en glaciated jord, tungt utvasket med syreholdig avsetning, viste basemetning for å være minimum i den øvre B horisonten deretter øker med dybden. I en gjentatt sampling, bør dette mønsteret også forekomme, selv om konsentrasjonene av individuelle lag endres. Hvis et annet mønster er observert i gjenta prøvetaking, er det en sterk mulighet for at de to samplings ikke ble utført på tilsvarende jord. Ideelt sett bør prøven samles over hele horisonten tykkelse. Imidlertid kan i svært tykke horisonter vertikalt integrere prøvetaking være vanskelig over hele tykkelsen. I denne situasjon, kan prøver av samme volum samles ved likt atskilte mellomrom fra bunnen til toppen av horisonten. Dersom prøvetaking ikke er gjort over hele horisonten tykkelse, ta samplingsdybdeintervall innenfor denne horisonten.
Jordprøvebehandling og analyse – Bakgrunnsinformasjon
den process av fjerning av en jordprøve fra profilen endrer at prøven ved å skille røtter, og forårsaker endringer i faktorer som temperatur, fuktighet, oksygen og andre gasskonsentrasjoner. Derfor må noen målinger gjøres raskt uten evne til å bevare prøven, noe som gjør dem vanskelig å bruke i langsiktige overvåkningsprogrammer. Men for de fleste vanlige fysiske og kjemiske målinger som tekstur, massetetthet, total C og nitrogen (N), og konsentrasjoner av total og utbyttbare metaller, luft-tørking av prøven etter samling gir en relativt konsistent metode for å stabilisere kjemien før analyse . I nesten alle tilfeller, er jord målinger operasjonelt definert som følge av både forholdene i jord i situ, og konsekvensene av prøvetakingen, forberedelse og analyse ansatt. Artifacts er minimert ved valg av de beste metodene for målene i programmet, og konsistens i metodikk over tid. Når tørket, ytterligere c Hanges i jordprøven blir minimalisert, og med det meste av fuktigheten fjernet, kan prøven bli siktet for å bryte opp klumper og fjerne stein og rot fragmenter. Disse trinnene gjør det mulig for prøven å bli homogenisert før subsampling for kjemisk analyse. Akkurat som konsistensen av prøvetaking og bearbeidingsmetoder må opprettholdes over tid, må potensiell skjevhet fra den kjemiske analysen også bli kontrollert. Dokumentasjon av standard operasjonsprosedyre (SOP) for den kjemiske analysen brukes hver gang prøver blir samlet og analysert er viktig, og ideelt sett den samme SOP brukes for alle prøvesamlinger. Suksessen til kjemisk analyse må verifiseres med et kvalitetssikringsprogram som innebærer bruk av interne referanseprøver og inter-laboratorieutvekslingsprøver, samt standard interne kvalitetskontrollen. For informasjon om sammenlignbarhet av brukte kjemiske analysemetoder se Ross et al. 8.
ntent "> Når resampling er gjort over fem til ti års mellomrom, noen endringer kan oppstå i ett eller flere aspekter av kjemiske analyser som SOP, laboratorium instrumentering, laboratoriepersonell, eller laboratoriet gjør analysen. Disse faktorene skape muligheten for analytiske skjevhet mellom samlingene. for å kontrollere for analytisk forspenning bør ubrukte porsjoner av prøver fra hver samling skal arkiveres for fremtidig bruk. prøver fra de foregående samling kan analyseres med den nylig oppsamlede prøvene, og ved å sammenligne data, er muligheten for analytisk skjevhet kan håndteres. Denne tilnærmingen er basert på antagelsen om at kjemiske endringene ikke forekommer i den arkiverte prøven under lagringsperioden. Tap-on-tenning og konsentrasjoner av utskiftbare baser, utbyttbar Al, total C, og total N har vist seg å være stabil i ulike studier som har utvidet opp til 30 år 9-11. imidlertid lagring av lufttørket jord har vist seg å senke pH jord <sopp> 12 og manganoksider 13. Massen av jord oppsamlet fra hver horisont eller dybdeintervall bør være tilstrekkelig for å gjennomføre en komplett sett av planlagte kjemiske analyser pluss tilleggsmasse for minst fire sett av analysene i fremtiden. En rekke metoder har blitt brukt til å arkivere jordprøver. Metoden beskrevet her følger lagringsprosedyrer som brukes av New York State Museum.Valg av hvilken horisonter eller inkrementer dybde for å prøve styres av målene for overvåking, men er i siste instans avhengig av egenskapene til jorda. Avgjørelsen om hvor og hvordan du skal smake profilen er derfor et viktig skritt i jord overvåking. For eksempel Spodosol vist i Figur 12 har en skogbunnen med en grense mellom Oe (moderat nedbrutt organisk materiale) og Oa (svart humified organisk materiale) som er brå og de to horisonter er tilstrekkelig tykk til å kunne prøves separat . Denne profilen har også en veldefinert E horisonten med en brå grense som skiller økologisk Oa horisonten fra mineral E horisonten. Disse fargerike horisonter med brå grenser muliggjøre innsamling av samme horisont materialet som skal konsekvent gjentatt, gjør disse horisonter gode kandidater for jord overvåking. Hvis grensen mellom mineral- og organiske lagene ikke er tydelig sett eller er gradvis relative til horisonten tykkelse, vil gjentatt sampling av lag direkte over og under denne grenseflaten sannsynlig omfatter varierende mengder av jord fra de tilstøtende lag. Denne karakteristikken gir ukontrollert variasjon, og vil derfor gjøre disse horisontene mindre ønskelig for gjentatt sampling.
I noen tilfeller kan samplings ved dybdeintervall tilveiebringe en konsistent samplings tilnærming i jord hvor visse horisonter er blandet eller slå rot, dersom denne blanding er et gjennomgående trekk i jordsmonnet som overvåkes. På figur 12, de øverste 10 cm av B horisonten har en brå grense med E horisonten, men fargevariasjoner indikerer tilstedeværelse av Bh og BHS horisonter som er blandet. I denne situasjonen ville prøvetaking de øverste 10 cm av B horisonten være den mest repeterbare innsamlingsmetode. Denne fremgangsmåten har vist seg vellykket i Spodosols slik som vist i figur 12 7.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1">Full profilbeskrivelser er svært nyttig for å redusere sjansen for prøvetaking skjevhet og tolke data, men å samle inn denne informasjonen er tidkrevende og kan begrense tiden tilgjengelig for tilgjengelig prøvetaking replikering, avhengig av prosjektets ressurser og tilgjengelige feltet tid. Et alternativ til full profil beskrivelser av hver grop ville være å gjøre en fullstendig beskrivelse av en primær pit (med bilder), deretter begrense beskrivelser for gjentatte groper til målinger av horisonten tykkelse sammen mith profil fotografier. Denne informasjonen vil være tilstrekkelig til å bekrefte at resampling ble gjort i den samme jord på en måte som samsvarer med den tidligere prøvetaking. bilder av høy kvalitet er svært verdifull for å opprettholde prøvetaking konsistens når resampling profiler for å bestemme kjemiske endringer over tid.
Vurdering av potensiell skjevhet fra prøvetakings uoverensstemmelser kan evalueres gjennom sammenligninger av målinger blant horisonter. For eksempel ble lavere konsentrasjoner av organisk karbon observert i Oa horisont i en andre prøve enn i den opprinnelige sampling utført 10-12 år tidligere ni. Dette kan ha resultert fra en prøvetaking skjevhet-mer av den underliggende mineral E horisont kan ha blitt samlet inn i andre prøvetaking enn i første prøvetaking. Dette ville senke organisk karbon konsentrasjon, og sannsynligvis senke utskiftbar Ca-konsentrasjonen på grunn E horisont Ca-konsentrasjoner i jordsmonnet blir studert var minst en størrelsesorden Magnitude lavere i enn i Oa horisonten. Mangelen på en nedgang i E-horisonten Ca konsentrasjoner observert i denne studien gir bevis som støtter tolkningen at lavere organiske C konsentrasjoner i andre prøve ikke var et resultat av prøvetaking skjevhet. Denne typen sammenligning mellom horisonter gir verdifull informasjon for å vurdere prøvetaking konsistens. Derfor prøvetaking flere horisonter ikke er spesielt nødvendig for prosjektets mål er garantert bidra til å redusere usikkerhet i resultatene.
Reanalyse av arkivjordprøver er en viktig praksis i å redusere usikkerhet. Men arkivering av jord krever ressurser å administrere arkivet og lagringsplass som kan være vanskelig å skaffe på permanent basis. Derfor må massen av arkiverte jord brukes judiciously. Analysere på nytt alle arkiverte jordprøver for en bestemt resampling studien er vanligvis den mest effektive tilnærmingen for å redusere kjemisk analyse usikkerhet, men selektiv reanalyse of arkivert prøver, der det er mulig, vil bidra til å bevare uerstattelige jord for fremtidig bruk. Reanalyse av alle arkiverte prøvene bør ikke gjøres med mindre nødvendig. En rekke metoder for arkivering jord er i bruk, og har vist seg å være effektive. Metoden og materialer anbefalt i denne artikkelen er basert på opplevelsen av kuratorene i New York State Museum, som har funnet at denne svært plassbesparende emballasje design beskytter prøven i uknuselige, vannbestandig, lett merkede materialer, som er stabil for mange tiår.
Beskytte arkiverte jordprøver er et viktig steg i jord overvåking fordi det ikke bare gjør analytisk konsistens mellom samplings, gir det også mulighet for fremtidig analyse med metoder som ennå ikke er utviklet. Videre kan de arkiverte prøvene gi informasjon å ta opp nye spørsmål som de vil utvilsomt oppstå i fremtiden. Hadde arkivert jordprøver fra før encid regn vært tilgjengelig, effekter av denne forstyrrelsen på jord ville ha blitt identifisert innen år i stedet tiår etter sin oppdagelse. I stedet forblir pre-sur nedbør jordkjemi usikker som vi nå overvåke utvinning av jord fra fallende sur nedbør nivåer.
Jord overvåkning er noe begrenset av den tidsramme over hvilken endring kan detekteres (vanligvis 5 år eller mer), og med en avhengighet av destruktiv sampling, samplingsområdet nødvendig for overvåking øker over tid. Likevel, uten jord overvåking, endringer jord må utledes fra indirekte metoder, som chronosequences (plass til tid substitusjon), vannskille massebalanser, tre-kjemi, kortsiktige manipulasjoner og modellering. Disse metodene gir grove estimater av jord endring, og alle krever forutsetninger som øker usikkerheten som kan best reduseres gjennom direkte målinger av jord gjennom tiden. Fremgangsmåtene i gjentatte jordprøver kan også innmatesd til langsiktige kontrollerte manipulasjon eksperimenter, slik som vannskillet Ca-tillegg eksperiment på Hubbard Brook Experimental Forest, NH, som varer mer enn 12 år 16 og Calhoun, SC, langsiktig jord eksperiment som varer mer enn 50 år 2.
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. |