Summary
Повторные отбора проб почвы в последнее время было показано, что эффективным способом мониторинга изменений почвы лесов в течение многих лет и десятилетий. Для того, чтобы поддержать его использование, протокол представляется, что синтезирует самую последнюю информацию о методах почвы передискретизации для оказания помощи в разработке и реализации успешных программ мониторинга почвы.
Introduction
Развитие почвы традиционно рассматривается с точки зрения процессов , которые имеют место в течение столетию в тысячелетних временных масштабах 1. Мониторинг почв, которые не были возмущенных интенсивного использования таких, как сельское хозяйство не было, как правило, считаются важными для политики или управления проблемами на временной шкале нескольких лет до десятилетий. Однако недавние исследования почвы показали , что важные химические характеристики почвы может изменяться в менее чем за десятилетие, часто является результатом широких экологических изменений , управляемых последствий человеческой деятельности , таких как загрязнение воздуха и изменение климата 2. В восточной части Северной Америки, повторный отбор почвы обеспечивает ценную информацию о воздействии кислотного осаждения путем записи изменения почвы в лесных условиях. В целях поддержки и координации этой работы, Северо - Восточного почвы мониторинга Cooperative (NESMC) была образована в 2007 году 3. Эта статья является частью продолжающихся усилий по NESMC к проСмотри также информацию, которая продвигает использование повторного отбора проб почвы лесных почв в качестве ценного инструмента для мониторинга изменений окружающей среды.
Повторная выборка была использована для оценки изменений по сравнению с экспериментальных манипуляций, но долгосрочный мониторинг лесных почв в ответ на экологических факторов является относительно новой практикой, которая не очень хорошо описаны в литературе и только недавно был широко охвачено научным сообществом. Прошлое скептицизма было обусловлено в значительной степени к мнению о том, что скорость изменения почвы была слишком медленной, чтобы обнаружить в присутствии высокой пространственной изменчивости (горизонтальной и вертикальной) типичных лесных почв. Поскольку сбор почвы является деструктивным, передискретизации может быть сделано только вблизи исходного места отбора проб. Таким образом, пространственная изменчивость в пределах 3-х мерном пространстве, из которого собраны образцы должны быть надлежащим образом количественно для выявления реальных изменений и избежать результатов, которые являются артефактом метода сбора, Кроме того, процесс отбора проб почвы и химического анализа создает потенциальные источники нестабильности измерений , которые могут маскировать изменения или результаты , смещение 4. Неустойчивость измерение не может быть полностью удалена, но может быть в достаточной степени контролировать с помощью надлежащих протоколов для получения результатов с минимальной неопределенностью.
Проектирование мониторингового исследования почвы
Мониторинг почв требует, чтобы образцы почвы собраны неоднократно в течение интервала времени, определяемого исследователем. Более короткие интервалы времени уменьшить продолжительность времени , необходимого для статистически обнаружить изменения, но более длительные интервалы обеспечивают более широкие возможности для изменения почвы происходят 4. Смены частоты дискретизации интервал 5 лет , рекомендуется , чтобы сбалансировать эти два фактора, но если мониторинг делается для оценки конкретного драйвера, интервал должен быть установлен на основании скорости изменения , ожидаемого в этом диффузоре 2. Успешный мониторинг лесных почв также требуютS, что исследование единица определяется в пределах площади покрытых лесом земель, который был выбран для мониторинга почв. Повторный отбор в нескольких местах в пределах исследуемого блока используется для определения того, если почва этого конкретного блока исследование изменилось с течением времени. Дополнительные блоки исследования могут быть выбраны, но каждый из них по отдельности проведен статистический анализ, чтобы оценить, если произошли изменения почвы. Статистические результаты нескольких единиц исследуемых затем могут быть сгруппированы для целей регионального анализа, как было показано в Лоуренса и др. 5. Тип и размер исследуемого блока будет зависеть от вопросов мониторинга и которые просят следующих соображений дизайна исследования. Отбор проб почвы в пределах исследуемого блока может быть сделано в случайных местах или на сетке , чтобы получить образцы дублирующие тех пор , пока отбор проб производится при достаточно места , чтобы охарактеризовать Поверхностную изменчивость исследуемого блока без смещения 4. Исследование, проведенное подразделение, расположенное в пределах одного типа ландшафта в отношении особенности SUCч, как наклон, положение hillslope, аспект, растительности, исходный материал и дренаж будет, как правило, имеют меньший площадной изменчивости, чем исследования единицы, которая охватывает более одного типа ландшафта. Как избежать смещения выборки в каждой коллекции необходимо для того, чтобы значения из ям, отобранных в какой-либо одной коллекции, чтобы быть статистически по сравнению со значениями, полученными в предыдущих и будущих коллекций. Поскольку размер блока увеличивается исследования, поверхностна изменчивость в пределах исследуемого устройства может также увеличиться с такими факторами, как растительность или наклонными изменения. Если потенциальные причины изменчивости, такие как они становятся охвачены в рамках исследования единицы, дополнительные места для отбора проб будут необходимы, чтобы характеризовать возможную изменчивость в почвах, которые могут произойти. Таким образом, размер исследуемого блока должен быть определен исследователем на основе изменчивости рассматриваемой площади и ресурсов проекта, доступных для отбора проб и передискретизации усилий.
Ключевым критерием следует рассмотретье изд в поиске учебного блока потенциал для будущих нежелательных возмущений сайта. Там должен быть какой-то уровень уверенности, что местные условия будут оставаться подходящими для определенных целей мониторинга в течение нескольких десятилетий или больше. Например, исследование блок с единственной целью воздействия изменения климата мониторинг должен быть расположен в районе, где регистрация не произойдет в обозримом будущем.
Методология, описанная здесь, охватывает выборку отдельной единицы исследования. Учебные блоки могут быть воспроизведены в пределах ландшафтного типа или изучения единиц могут быть добавлены дополнительные характеристики типы ландшафтов, в зависимости от целей и сферы охвата исследования, в том числе предполагает ли исследование экспериментальной манипуляции. Пример схемы мониторинга почвы показана на рисунке 1. В зоне интереса (западная Адирондак область), шесть учебных единиц были расположены. В этом случае каждое исследование блок Сетчатая в 25 одинакового размераучастки. Каждый участок должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить место, подходящий для пит котлована. В лесистой местности нагорных на северо-востоке США и восточной части Канады, подходящее место, чтобы выкопать яму на глубину 1,2 м, как правило, можно найти в пределах 10 м на 10 м площади. Таким образом, в нашем примере, общая площадь исследуемого блока составляет 1,0 га. Каждый раз, когда исследование блок оцифровывается, избранный количество участков случайным образом выбирается для отбора проб. Если пять повторных участков выбираются случайным образом для взятия проб на интервале пяти лет, исследование блок можно было наблюдать в течение 25 лет. Площадь, необходимая для выемки и образец одну яму будет меняться в зависимости от ландшафтов и должны быть приняты во внимание при проектировании выборки.
Степень репликации внутри исследуемого блока и частота повторных проб будет меняться в зависимости от исследования единичных характеристик, задаваемых вопросов и характер нарушений, которые ожидаются. На основе исследований почвы передискретизации, которые имеютобнаружены изменения с помощью измерений, обычно используемых в лесных почвах, которые рекомендуется ресэмплинг интервал 5 лет и минимум 5 мест отбора проб дублированных в пределах каждого исследуемого устройства. Уменьшение частоты передискретизации и увеличения выборки репликации позволит расширить возможности для обнаружения изменений.
Рисунок 1: Пример дизайн исследования Обобщенный дизайн ресэмплинг исследование.. Следует отметить , что исследование блок расположен , чтобы избежать прибрежные районы двух русел. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Сбор образцов почвы - Общая информация
Сбор образцов почвы должно быть сделано в течение сезона, когда почвы, как правило, сухой, который чаще всего встречается впоследняя часть вегетационного периода. По передискретизации в это время, последовательность также достигается в отношении фенологии растений, возможное влияние на химические почвы условиях. Отбор проб следует избегать во время или сразу же после сильных дождей или когда почвы чрезвычайно влажный. По крайней мере , в одном месте в пределах исследуемого блока должны быть описаны и задокументированы после службы USDA природных ресурсов охраны природы (NRCS) полевой книге для описания почв 6 или других соответствующих протоколов , если следующая система классификации почв используется за пределами США Протокол поле представлено здесь следует система классификации и США требует копию поля Книга NRCS для описания Почвы в полевых условиях. Пробоотборник должен иметь подготовку и опыт описания и отбора проб типа почвы проводится мониторинг до реализации протоколов мониторинга почв.
Сбор почвы может быть осуществлено различными способами, но использование повторяемым техники имеет решающее значениедля мониторинга изменений почвы. Методология поля должна быть записана в стандартной операционной процедуры (СОП). Изменения в процедурах сбора между выборками следует избегать, но если это невозможно, все детали должны быть документально подтверждены.
Испытания также должно быть сделано, чтобы оценить потенциал для смещения, вызванного процедурных изменений. Отбор проб может быть сделано горизонтом, где (1) границы могут быть четко определены в поле и (2) горизонты имеют достаточную толщину, чтобы удалить почву без загрязнения от горизонтов выше или ниже. Там, где эти критерии не выполняются, отбор проб на интервале глубин может быть сделано. В любой выборке, особенно необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать смешивания почвы с поверхности богатой органическими горизонта (обычно O или A) с верхней минеральной горизонта (как правило, В или Е). В некоторых почвах, изменение текстуры и цвета хорошо видны через органо-минерального интерфейса, в то время как в других почвах изменение цвета может быть минимальным, так текстурные изменения, которые отражают диfferences в органической углерода концентрации (С) следует полагаться на, чтобы определить местоположение интерфейса. Определение этого интерфейса из текстурных изменений может быть трудно, даже для опытных ученых почвы. Проверка органо-минерального интерфейса можно сделать с помощью лабораторного анализа концентрации углерода (органического горизонта определяется органической концентрацией углерода> 20% 7). В некоторых почвах, горизонт вывода может иметь толщину менее 1 см и может быть слишком тонким, чтобы образец. Отбор проб обоими горизонта и глубины в пределах того же почвенного профиля могут быть эффективными в решении изменения в отчетливостью толщин горизонтов в пределах этого профиля. Горизонты или глубины должны быть взяты пробы будут также зависеть от целей программы мониторинга. Изменения почвы, в слоях, расположенных ближе к поверхности, были более часто упоминаемой, чем в более глубоких слоях, но в том числе более глубоких горизонтов или интервалах глубин может предоставить информацию, которая полезна для снижения неопределенности результатов, Например, в начальной взятия образцов, ледниками почвы, сильно выщелоченные кислотным осаждением, показало, насыщенность основаниями быть минимум в верхний горизонт Б затем возрастают с глубиной. В повторной выборки, эта модель также должна иметь место, даже если концентрации отдельных слоев изменяются. Если другая картина наблюдается в выборке повтора, существует большая вероятность того, что два выборках не были сделаны в сопоставимом почве. В идеале, выборка должна быть собрана по всей толщине горизонта. Тем не менее, в чрезмерно толстые горизонты вертикально интегрирующих сбор образцов может быть затруднено по всей толщине. В этой ситуации, образцы равного объема могут быть собраны через равные промежутки времени от дна до верхней части горизонта. Если выборка не делается по всей толщине горизонта, записывать интервал глубины выборки в пределах этого горизонта.
Почва проб Обработка и анализ - Общая информация
рrocess удаления образец почвы из профиля изменяет этот образец путем разъединять корни, и вызывая изменения таких факторов, как температура, влажность, кислорода и других концентраций газов. Таким образом, некоторые измерения должно быть сделано быстро, без возможности сохранения образца, что делает их трудно использовать в долгосрочных программах мониторинга. Тем не менее, для большинства обычных физических и химических измерений, таких как текстура, объемная плотность, общая C и азота (N), а концентрации общего и обмениваемые металлов, сушку на воздухе образца после сбора обеспечивает относительно последовательный метод стабилизации химии перед проведением анализа , Почти во всех случаях измерения почвы в оперативном определены, что отражает как условия почвы на месте, а также последствия сбора проб, подготовки и анализа используемого. Артефакты сведены к минимуму путем выбора лучших методов для целей программы и согласованности в методологии с течением времени. После высыхания, далее C hanges в образце почвы сведены к минимуму, и большая часть влаги удаляется, образец может быть просеивают, чтобы разбить комки и удалить камень и корневых фрагментов. Эти шаги позволяют образец необходимо гомогенизировать до подвыборки для химического анализа. Так же, как последовательность методов сбора и обработки образцов необходимо поддерживать в течение долгого времени, потенциал смещения от химического анализа также необходимо контролировать. Документация стандартной операционной процедуры (СОП) для химического анализа используется каждый раз, когда образцы собирали и анализировали имеет важное значение, и в идеале, то же СОП используется для всех образцов коллекций. Успех химического анализа должен быть проверен с программой обеспечения качества, которая предполагает использование внутренних эталонных образцов и образцов обмена межлабораторных, а также стандартных процедур внутреннего контроля качества. Для получения информации о сопоставимости наиболее часто используемых методов химического анализа см Ross и др. 8.
ntent "> Когда ресэмпинга делается в течение пяти с интервалом десятилетних, некоторые изменения, которые могут произойти в одном или нескольких аспектов химического анализа, такие как СОП, лабораторного оборудования, персонала лаборатории или лаборатории делают анализ. Эти факторы создают возможность аналитического смещения между коллекциями. для контроля аналитического смещения, неиспользованные части образцов из каждой коллекции должны быть заархивированы для дальнейшего использования. образцы из предыдущей коллекции могут быть проанализированы с вновь собранных образцов, а также путем сравнения данных, в возможность аналитического смещения может быть решена. Этот подход основан на предположении, что химические изменения не происходят в архивной пробы в течение периода хранения. Потеря-на-зажиганием и концентрации обменных оснований, обмениваемые Al, общий C, и общее N было показано , что быть стабильными в различных исследований, продлен до 30 лет , 9-11. Тем не менее, хранение высушенных на воздухе почвах было показано ниже рН почвыProtocol
1. Изучение блок выбора и описание
- Найдите лесистой местности с характеристиками требуемыми для мониторинга. Установить границы исследуемой единицы в пределах этой области, гарантируя, что (1) исследование блок является представителем области, подлежащих мониторингу, и (2), что область является достаточно большой, чтобы разместить запланированный отбор проб и resamplings, но не настолько велико, что чрезмерное количество повторных ям необходимы, чтобы отразить изменчивость в пределах блока.
- Запишите расположение учебного блока с блоком системы глобального позиционирования (GPS). Запишите центр и углы, если исследование блок имеет прямоугольную форму, или центр и концы перпендикулярных диаметров, если исследование блок имеет круглую форму. Запись написаны координаты узла в поле формы, в дополнение к хранению их в электронном виде в устройстве GPS. Если это допустимо, отметьте ключевые места с постоянными памятников, таких как железный прут.
- Запись по склону через повешение мигания или какой-нибудь другой маркер в глаза Leveл в исследовании единичного центра и на самом низком возвышения края исследуемого участка. Измерьте уклон с клинометром из (1) наибольшая высота края исследуемого блока к изучению блока центра (наклон вверх), и (2) от исследования единичного центра до самого низкого края (наклон вниз). Запишите показания компаса вдоль преобладающего спада тока направления (наклона аспект) от самого высокого возвышения края исследуемого устройства.
- Запишите положение наклона, как на высшем уровне, плечо, backslope, footslope или toeslope, если область исследования находится на hillslope или плоской равнине, если исследование блок находится в области низкого рельефа. См стр 1-7 и 1-10 в Shoeneberger и др. 6 для проверки идентификации положения наклона.
- Определение доминирующих видов растительности по вертикали слоев. Например, запись доминирующих видов лекарственных растений в подлеске ниже 1 м, доминирующий вид саженец выше 1 м, но не доходит до навеса, а также доминирующие древесные породы в навесе (те, которые достигают верхней Oе пологом). Как определить слои будут зависеть от типа леса ведутся работы. Возьмите цифровую фотографию подлеском от самого низкого возвышения края исследуемого блока, глядя вверх по склону, и с самого высокого места края, глядя вниз по склону.
- Выбор места для ям, избегая земной поверхности, которые имеют второстепенное значение в рамках выбранной исследовательской единицы, и, следовательно, не является представителем учебного блока. Также следует избегать поверхности суши, где методы отбора проб не представляется возможным из-за многолетних сырости, чрезмерного пород на или вблизи поверхности или чрезмерной плотности деревьев, или условие, которое противоречит целям проекта мониторинга почв.
2. Раскопки и профиля Описание
- Выложите брезент (приблизительно 10 футов на 12 футов или 3,1 м на 3,7 м), прилегающих к месту, где яма должна быть раскопаны. Выберите одну сторону запланированной ямы (вверх по склону на стороне, если это возможно) для защиты от вытаптывания и загрязнения во время пит-Diggiнг путем покрытия с полиэтиленовым пакетом мусора или нечто подобное (рисунок 2). Эта сторона будет использоваться для описания профиля и отбора проб.
Рисунок 2:.. Завершено яму котлована грунта выемка грунта показывает снятую минеральную почву и малонарушенных пол на брезент , чтобы свести к минимуму нарушения сайта, а также булавки маркировки горизонты на пит лицом Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
- Начните экскаватором яму путем удаления лесную подстилку (O горизонт) с лопатой. Если это возможно, сохранить лесную подстилку нетронутыми и место, где он не будет смешиваться с минеральной почвы удаляется из ямы. Выкопать яму с наименьшим возможным след (обычно около 0,5 т O 1 м 2) до достижения желаемой глубины определяется конструкцией мониторинга.
- Подготовьте вертикальную яму лицо для описания и отбора проб, слегка очищая вниз с мастерком, чтобы удалить любую свободную почву в результате раскопок. Чернослив корни с рукой ножницами, где это необходимо.
Примечание: Если чрезмерные камни или корни исключают расчистку ямы лица для описания и отбора проб, или достижении желаемой глубины, яма, возможно, потребуется расширить несколько. - Запись (в поле ноутбук или электронным устройством записи) любых наблюдений попадания воды в яму из ямы лица или нижней части ямы.
- Визуально оценить яму лицо сверху вниз различий в цвете, фактуре и структуре. Удалите небольшие количества почвы и отличающегося место бок о бок на белом листе бумаги (например, к задней стороне формы поля) , чтобы помочь в определении границ горизонта, как показано на рисунке 3.
Рис . 3: Пример метод удаления Метод , используемый для удаления почвы с пит лица. Также показаны образцы различных цветов удалены из ямы лицом, выровненных с тем, чтобы помочь определить границы горизонта. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4:.. Пример выражения горизонта почвенного профиля с границами горизонта , которые имеют Отличимость классы резких или ясная и топографии, гладкой или волнистой Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этого FIGUчисло рейнольдса
Рисунок 5: Пример выражения горизонта почвенного профиля с границами горизонта , которые имеют Отличимость классы четкой или постепенной и топографии , которая является волнистой или нерегулярные.. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
- Запишите горизонте обозначения следующих страницах 2-2 до 2-5 из NRCS Field Book 6.
- Границы Марк горизонт с Т - образную форму булавок или аналогичных объектов (рисунки 2, 4, 5). Возьмите цифровую фотографию профиля с маркерами горизонта и ленты в месте показывая масштабе.
- Измерить и записать глубину в верхней и нижней части каждого горизонта с метрической ленточной относительно границы раздела между воздухом и поверхностью почвы. Запишите класс отличимости и код для рельефа границ каждого горизонта на следующих страницах 2-6 до 2-7 NRCS Field Book 6.
- Запишите цвет каждого горизонта с использованием Манселлу почвы Color Book Следующие страницы 2-8 для 2-11 из NRCS Field Book 6.
- Для каждого горизонта, запись класса текстуры (страницы 2-36 до 2-37), тип структуры (страницы 2-52 до 2-54), и визуально осмотреть яму лицо, чтобы сделать грубую оценку количества пород (как объемных процентов) , следуя инструкциям в NRCS Field Book 6. Кроме того, для каждого горизонта, указать, является ли тонкие корни (<2 мм в диаметре) имеются в изобилии, общий, мало или нет.
3. Сбор образцов
- Выберите горизонты и / или глубины должны быть взяты пробы на основе дизайна исследования и требований.
Примечание: Собрать на горизонте, если: (1) границы могут быть четко определены в этой области, и (2) горизонты имеют достаточную толщину, чтобы удалить такиль без загрязнения от горизонтов выше или ниже. Сбор на интервале глубин, если: (1) границы горизонта слишком тонкие, чтобы попробовать, или (2) границы горизонта являются неправильными и не сломаны. - Соберите почву от выбранных горизонтов или интервалах глубин, начиная с самой глубокой пробы и работающих вверх. Чтобы удалить образец с пит лица, вставьте садоводству мастерок в нижней части слоя, который в настоящее время отобранного. Затем вставьте плоский шпатель над садоводческого шпателем , чтобы разрыхлить почву , так что она может быть удалена с нижним шпателем (рисунок 3).
Примечание: Масса почвы, собранных должна равняться общей массы требуемого планового химического анализа плюс массы, необходимой для архивирования (по крайней мере, четыре дополнительных полный анализ). - Место образцы в герметичные пластиковые пакеты и образцы двойной мешок, если почвы каменистые. Для обоих горизонта и глубины отбора проб, собирать почву по всей ширине ямы лица , где горизонт может быть отобранного (то есть,где горизонт достаточно толстый, чтобы пробовать и камни и корни не встречаются).
- Этикетка мешок образца с блоком исследования, дата идентификации пит, горизонт или интервале глубин, а также имя сэмплер.
- После выборки завершается, засыпки ямы с минеральной почвы и грубых фрагментов. Поместите лесную подстилку поверх минеральной почвы, сохраняя органический материал, как нетронутыми, насколько это возможно. Запишите расположение ямы относительно исследования единичного памятника (расстояние и аспект).
- Выкопать дополнительные ямы в рамках исследования блока, чтобы обеспечить репликацию под названием при проектировании выборки. На каждой яме, выполните шаги 2.1 до 2.8, и если описания профиля необходимы на всех боксах, а также выполните шаги 2-9 через 2-11. Затем собрать образцы следующие шаги 3.1 через 3.5.
4. Обработка проб
- В течение 24 часов сбора, разлить проб из полиэтиленовых пакетов в кастрюлях, которые будут способствовать сушки на воздухе образцов. Air-dRy приблизительно при комнатной температуре в защищенном месте, которое защищено от воздушно-капельным путем загрязняющих веществ, таких как пыль. Смешайте образцы в кастрюлях каждые несколько дней, в зависимости от влажности. Проверьте каждый образец для визуального и тактильного доказательства сухости, чтобы определить, является ли воздушная сушка близится к завершению.
- Проверьте завершение воздушной сушки, путем взвешивания подвыборки (приблизительно 5 г) из нескольких образцов (минимум 3). Затем в печи сушить эти подвыборки в течение 24 ч (органической почвы при температуре 60 ° С; минеральная почва при 105 ° С), и повторное взвешивание. Вычислить массу влаги теряется через сушки в процентах от общей массы (почвы плюс влажность) перед сушкой.
- После 2-х дней, повторите шаг 4.2 и сравнить влагу, выбывший из первой печи сушки, к тому, что теряется во второй печи сушки. Если влага теряется в каждой сушильной печи находится в пределах 2 процентов, почва можно считать сушат на воздухе. После сушки на воздухе завершена, образцы место в полиэтиленовых пакетах, которые могут быть запечатанных после изгнания как можно больше воздуха, каквозможное.
- Для удаления крупных фрагментов и корней, сито всю собранную почву. Пропускают органические пробы через сито с отверстием около 4-6 мм; пройти минеральные образцы почвы через сито с отверстием 2 мм. Дополнительное просеивания через меньшие отверстия могут потребоваться для конкретных химических анализов. Для передискретизации, убедитесь, что просеивание процедура совпадает с предыдущей выборки.
ВНИМАНИЕ: Люди, делающие просеивание должны быть защищены от вдыхания пыли либо путем просеивания в вытяжкой или носить Национальный институт по охране труда и промышленной гигиене (NIOSH) одобрен N95 сажевого Фильтрация лицевой части респиратора.
5. Химические анализы
- Выбор методов химического анализа, которые согласуются с теми , которые используются в аналогичных лесных почв, таких как те , в Росс и др. 8. Агентство по охране окружающей среды США Методы почвы Руководство 14 также обеспечивает компендиум методовчто по-прежнему широко используется для анализа лесных почв. Если отклонения необходимы, сопоставимость данные должны быть проверены. Убедитесь в том, что СОП полностью документирован для каждого анализа.
- Включить эталонных образцов почвы с аналогичными свойствами для образцов почвы, собранных в программе мониторинга во всех пакетах анализа для поддержания контроля качества. Кроме того, включать образцы из интер лабораторных обменов 8 для определения сопоставимости данных с другими лабораториями.
6. Архивирование Образцы почвы
- Архив почвы, которая остается после химического анализа для использования в будущем. Выберите массу почвы для сохранения на основе (1), сколько почва была использована для полного набора измерений, (2) ожидаемого количества раз образцы будут реанализа в будущем, и (3) доступен на длительный термин пространство для хранения.
- С постоянным маркером, напишите следующую информацию на соответствующего размера олова галстук (Twistable провод, присоединенный к баг) для запечатывания поли подкладке бумажный мешок: (1) информацию идентификации образца включая горизонта или увеличения глубины, (2) размер сита, (3) дата собраны, и (4) любые необходимые лабораторные данные, такие как серийный номер образца.
- Взвешивают и записывают массу почвы, которая архивируется для каждого образца, и место в олове галстука мешок. Поместите мешок олова галстук в соответствующего размера пластиковый пакет (рисунок 6).
Рисунок 6:.. Образцы почвы расфасованные для архивирования Внутренняя упаковка архивных образцов почвы Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
- Хранить мешки в контейнерах картон хранения , сконфигурированный на имеющихся стеллажи (например, способом , показанным на Figure 7. Этикетка окно с информацией о пробах , содержащихся в образцы для того, чтобы быть расположены эффективно. Держите архив помещение при стабильной температуре.
Рисунок 7:.. Exampling или архивная стеллаж Space эффективных стеллаж архивных образцов почвы Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
- Хранить информацию на каждой архивной пробы в цифровую базу данных, которая обычно резервное копирование. Включить (1) идентификацию образца, (2) каждой дате, которая была проанализирована выборка, (3) лаборатория, в которой анализировали образец, (4) анализ, проделанный на каждую дату, (5) масса образца оставшегося (обновление это каждый раз, когда часть образца удаляется для анализа), и (6)название учреждения с тюремным заключением ответственности за архивными образцов.
7. Проверка непротиворечивости химических анализов в течение долгого времени
- Повторный анализ минимум двенадцать архивированных образцов из каждого горизонта или приращение глубины вместе с анализом вновь собранных образцов.
- Запуск двух Стьюдента-тест (или Манна-Уитни ранг критерия суммы, если данные нормальность опровергнуто), чтобы определить, есть ли химические результаты анализа значительно отличались (Р <0,10) между предыдущим анализом и текущей реанализом.
Примечание: Если наблюдается существенное различие (или явный перекос, который не является статистически значимым), то связь между исходными данными и данными реанализу следует оценивать. Если большую часть изменчивости (R 2> 0,9) можно объяснить эти отношения, то он может быть использован для корректировки данных для удаления смещения. Тем не менее, если R 2 <0,9, остальная часть архивных образцов сhould быть повторно запустить, чтобы гарантировать, что нет никакого аналитического смещения при сравнении данных из предыдущих результатов выборки и результаты, полученные от вновь собранных образцов.
Representative Results
Собранные в исследовании Лоуренса и др. Данные 9 могут быть использованы для демонстрации эффекта репликации выборки на статистической мощности для обнаружения изменений в Оа образцов горизонта из 12 ям в красной ели (ель красная) лес в восточной части ME. Более подробную информацию о данном исследовании сайте (упоминается как Кошута) доступен в Lawrence и др. 9. Почва (классифицируется как Spodosol) имели относительно тонкую Оа горизонт (средняя толщина составляла 2,5 см и 3,7 см в 1992-93 и 2004, соответственно), что перекрывается электронную горизонт с резкой границей. С размером выборки 12, существенных изменений (р <0,05) между образцами, собранными в 1992-93 и 2004 годах были обнаружены при измерении рН, органического углерода и обменного кальция (Ca), натрия (Na) и алюминия (Al), в то время как никаких изменений не наблюдалось для сменного магния (Mg) (таблица 1). Когда 8 из 12 образцов были выбраны случайным образом для статистического анализа, significмуравей различия (P <0,001) наблюдались сменным Na и Al, и при P <0,10 для уровня органического C. С 4 из 12 случайно выбранных образцов, существенные различия наблюдались только для сменной Al и Na при P ≤ 0,05 уровне ,
Таблица 1: эффекты размера выборки Статистические результаты использования размеров выборки из 12, 8 и 4 , чтобы обнаружить существенные различия в химических измерений образцов почвы , собранных от 10 до 11 лет друг от друга.. Значения P считаются статистически значимыми показаны красным цветом выделены курсивом.
Данные из Оа горизонтов и верхние 10 см B горизонтов, собранных в бассейнах Северной и Южной притоке Buck-Крик (западный регион Адирондак Нью-Йорка) приводятся примеры стоимости архивированного почвы в снижении нерешительности при comparin г данные из различных периодов времени. Из 55 образцов, собранных, проанализированных и архивируются в 1997-2000 годах, 15 были выбраны случайным образом для реанализом в 2013-14. Анализы в обоих периодах времени были проведены в лаборатории Геологической службы США Нью-Йорк Научно-исследовательский центр по водным ресурсам, Трой, штат Нью-Йорк, следуя той же СОП. Значения для обменных Са в оригинале и реанализом 15 образцов Оа горизонта не показали никакой разницы (P> 0,10) для обмениваемых концентрации Са (рис 8а). Заговор против линии 1: 1 также показал , мало или вообще не предвзятость , а значение R 2 указано немного необъяснимые изменения. Отсутствие разницы между исходными данными и данными из реанализом после хранения указывает на то, что ни аналитических смещения, ни для хранения эффектов на 14-16 лет вызвало ошибочные различия в данных Са. На этой основе, переанализ дополнительных 40 образцов Оа, собранных в 1997-98 для обмениваемых концентрации Са был полон решимости быть ненужным.
нт "ВОК: Keep-together.within-странице =" 1 ">
Рисунок 8: Результаты переанализ для Ca. Взаимосвязь между заменяемыми измерений Са в горизонте Оа (а), а верхние 10 см Б горизонта (б), сделанные в 1997-2000 (оригинал) анализа и измерения архивных образцов переосмыслены в 2013-2014 (реанализом). 1: 1 линия показана на графике. Уравнение представляет собой наиболее подходящую линию , определяемую линейной регрессии. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Другой результат был получен , когда заархивированные почвы были переосмыслены для сменной Са в B горизонтов (рис 8b), а также с использованием того же СОП. Существенное различие (p <0,10) было получено между OАнализ первоначально оплащенной (среднее значение = 0,40 Cmol с / кг) и переанализ (среднее значение = 0,33 Cmol Кл / кг), хотя линейная регрессия показала весьма значимую линейную зависимость между двумя наборами данных (P <0,001; R 2 = 0,99). С этой сильной связи, модель регрессии была использована для корректировки исходных значений 40 образцов не реанализа, чтобы удалить смещение относительно недавно собранных и проанализированных образцов.
Изменение в СОП для определения обмениваемых концентраций Al приводит к различным результатам между оригинальным анализом , в котором Аль измеряли титрованием 15 и повторного анализа , в котором Аль измерялось с помощью индуктивно - связанной плазмой (ICP) после Блюм и др. 14. Сравнение обмениваемых измерений Al 15 образцов Оа горизонта (рис 9а) между исходными значениями (среднее значение = 11,5 смоль с / кг) и переанализ (среднее значение = 7,8 смоль с 2 = 0,96) и значительное смещение (P <0,05). Как это было сделано для B горизонта концентраций Са, модель регрессии была использована для корректировки исходных значений 40 образцов не реанализа для удаления аналитического смещения.
Рисунок 9: Результаты переанализ для Al Взаимосвязь между заменяемыми измерений Al в горизонте Оа (а), а верхние 10 см от горизонта B (б), сделанные в 1997-2000 (первоначального анализа) и измерений архивной образцов. переосмыслены в 2013-2014 (реанализом). 1: 1 линия показана на графике. Уравнение представляет собой наиболее подходящую линию , определяемую линейной регрессии. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенное версион этой фигуры.
Оригинальные и реанализа данных для сменной Al в B горизонте были также значительно различаются (р <0,001) и линейной регрессии показали значимую связь между двумя наборами данных (P <0,10). В отличие от данных Оа горизонт Al, отношения были слабыми (рис 9б) и модель регрессии может объяснить лишь малую долю изменчивости (R 2 = 0,23). Поскольку модель не может быть использована для удаления смещения, все образцы, собранные и проанализированные в 1997-2000 годах необходимо было проанализировать повторно с недавно собранными образцами.
Изменение метода анализа может привести к смещению в данных таким образом тестирование должно быть сделано, чтобы убедиться, что данные беспристрастная. Например, результаты архивным минеральных почв собраны в Турции озера водораздел, Онтарио, Канада, в 1986 году и переосмыслены в 2005 году 10 </ SUP> представлены на рисунке 10. Анализ показал , что эти два метода получены объективные данные с небольшим количеством необъяснимых изменчивости (Рисунок 10). Оригинальный анализ был проведен с использованием Walkley-Черную метод влажного пищеварение и заархивированные образцы анализировали с помощью анализатора горения. В этом случае сравнение между результатами первоначального анализа и анализа архивных образцов показали, что данные, полученные обоими методами, были сопоставимы.
Примеры , показанные на рисунках 8-10 показывают , что применение методов последовательного анализа не исключает возможности объективных данных, но также показывает , что изменение метод не нужного результата в предвзятости. Эти выводы подчеркивают важность архивных образцов, чтобы уменьшить неопределенность результатов путем контроля за аналитическим уклоном.
Рисунок 10: Результаты переанализ для C. Взаимосвязь между органическими измерений С минеральных почв , сделанных в 1986 году (первоначального анализа) и измерений архивных образцов , анализируемых в 2005 пунктирная линия является 1: 1 линия; сплошная линия является линейной регрессии , описывающая зависимость между начальным и архивируются анализа. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Исследования, которые показали ценность мониторинга почвы для обнаружения изменений почвы на отдельных участках или водосборных бассейнов растут, а в последнее время , мониторинг почв была применена для оценки воздействия кислотного осаждения уменьшается в большом региональном исследовании 14. На всех этих участках, кислотного осаждения уменьшился в течение последних трех десятилетий,хотя кислотных уровней осаждения и скорости уменьшения варьировала среди сайтов. Было выявлено большое количество изменений в этом исследовании, которые были в целом согласуются через крупное исследование региона, в течение различных периодов времени, используя различные конструкции передискретизации (таблица 2). Связав несколько исследований передискретизации, были выявлены реакции лесных почв к изменениям в окружающей среде крупного водителя на обширной области (рисунок 11). Исследование Лоуренса и др. 5 показано , что результаты исследований почвы передискретизации с разными конструкциями могут быть объединены для решения общих региональных проблем.
. Таблица 2: Примеры результатов ресамплинг средних значений (начальные - конечная) и результаты испытаний (T-тестов или Манна-Уитни испытаний) для различий между начальной и конечной измерений Fили О, и верхние горизонты B для почвенных исследований на северо - востоке США и Восточной Канады (расположение показано на рисунке 11). Значения P> 0,10 обозначены как нс (не имеет значения). Анализы с P <0.1 показаны желтым цветом, чтобы указать существенные различия, наблюдаемые в этих измерениях для участков, расположенных по всей северо-восточной части США и восточной части Канады. Коробки с пунктирными линиями указывают на отсутствие данных. BB означает Медведь-Брук, ME; TMT означает сайтов ВВ , которые получили экспериментальные дополнения (NH 4) 2 SO 4 в год. REF относится к необработанных участков на BB. Некоторые сайты имеют различные единицы исследования основаны на типе леса. CF стенды для северных стендов хвойных деревьев; HW северная лиственных пород стоит; MF стенды для смешанных хвойно-лиственных насаждениях. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой таблицы.
Discussion
Выбор которых горизонтов или приращения глубины к образцу руководствуется целями мониторинга, но в конечном счете зависит от характеристик почвы. Поэтому решение о том, где и как образец профиля является важным шагом в процессе мониторинга почвы. Например, Spodosol показано на рисунке 12 имеет пол леса с границей между Ое (умеренно разлагают органические вещества) и Оа (черный гумифицируются органическое вещество) , что является резким и два горизонта имеют достаточную толщину , чтобы они могли быть выбраны отдельно , Этот профиль также имеет четко определенный E горизонт с резкой границей, отделяющей органический Оа горизонт из минеральной Е горизонта. Эти красочные горизонты с резкими границами позволяют коллекции того же горизонта материала последовательно повторяют, что делает этих горизонтов превосходных кандидатов для контроля за состоянием почвы. Если граница между минеральными и органическими слоями четко не видно, или является постепенное RELATив толщине горизонта, повторный отбор слоев непосредственно выше и ниже этого интерфейса, вероятно, включать различные количества почвы из соседних слоев. Эта особенность добавляет неконтролируемого изменения и, следовательно, сделать эти горизонты менее желательными для повторного отбора проб.
В некоторых случаях, выборка данных по глубине интервала может обеспечить последовательный подход к выборке почвах, где определенные горизонты смешаны или перемешаны, если это смешивание является последовательным особенностью почв контролируется. На рисунке 12, верхние 10 см Б горизонт имеет резкую границу с горизонта Е, но изменение цвета указывает на наличие Bh и BHS горизонтов, которые перемешаны. В этой ситуации, отбор проб верхние 10 см Б горизонта будет наиболее повторяемый метод сбора. Такой подход оказался успешным в Spodosols таких , как показано на рисунке 12 7.
Рис . 12:. Spodosol профиль A Spodosol горизонт из Адирондак региона Нью - Йорка , показывая отличительный E горизонт, отделяющий лесную подстилку (Оа и Оэ горизонта) из горизонта B Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть большую версию этой фигуры.
Полные описания профиля чрезвычайно полезны для снижения вероятности смещения выборки и интерпретации данных, но сбор этой информации отнимает много времени и может ограничить время, доступное для доступной репликации выборки, в зависимости от проектных ресурсов и доступного времени поля. Альтернатива полного описания профиля каждой ямы было бы сделать полное описание первичного яму (с фотографией), а затем ограничить описание для повторных колодцах для измерения толщины горизонта вдоль шIth профиль фотографии. Эта информация будет достаточно, чтобы убедиться, что передискретизации было сделано в той же почве в соответствии с предварительного отбора проб. Изображения высокого качества чрезвычайно важны для поддержания согласованности дискретизации при передискретизации профилей для определения химических изменений с течением времени.
Оценка потенциального смещения от несогласованности выборки можно оценить путем сравнения измерений между горизонтами. Например, наблюдались более низкие концентрации органического углерода в горизонте Оа во второй выборки , чем в исходной выборке , проведенной 10-12 лет тому назад 9. Это могло быть результатом выборки диагонально более лежащего в основе минеральной Е горизонта, возможно, были собраны во втором обследовании, чем в первой выборке. Это приведет к снижению органического концентрации углерода, и, вероятно, снизить концентрацию обмениваемого Ca, так как концентрации Е горизонта Са в почве изучается по крайней мере порядка Магнитаудэ ниже, чем в горизонте Оа. Отсутствие снижения в E-горизонта концентрации Са, наблюдаемые в этом исследовании свидетельствует о том, чтобы поддержать интерпретацию, что более низкие концентрации органического углерода во второй выборке не были результатом смещения выборки. Этот тип сравнения между горизонтами дает ценную информацию для оценки согласованности выборки. Поэтому выборки дополнительные горизонты конкретно не нужны для целей проекта является оправданным, чтобы помочь уменьшить нерешительности в результатах.
Повторный анализ архивных образцов почвы является одним из ключевых в практике снижения неопределенности. Тем не менее, архивирование почв требует ресурсов для управления архива, а также место для хранения, которое может быть трудно приобрести на постоянной основе. Таким образом, масса архивной грунта необходимо использовать благоразумно. Повторный анализ все имеющиеся образцы почвы для конкретного исследования передискретизации, как правило, наиболее эффективным подходом для уменьшения химического анализа неопределенности, но селективный переанализ ое архивируются образцы, где это возможно, поможет сохранить незаменимую почву для будущего использования. Повторный анализ всех архивных образцов не должно быть сделано, если это необходимо. Разнообразие методов архивирования почвы используются в настоящее время, и было показано, чтобы быть эффективными. Метод и материалы рекомендуется в этой статье, основаны на опыте кураторов музее штата Нью-Йорк, которые обнаружили, что это весьма пространственно-эффективная конструкция упаковки защищает образец в неразрывной, влагонепроницаемые, легко меченых материалов, которые являются стабильными в течение много десятилетий.
Защита архивных образцов почвы является ключевым этапом в процессе мониторинга почвы, поскольку он позволяет не только аналитическую согласованность между выборками, он также предоставляет возможность для дальнейшего анализа с методами, которые еще не были разработаны. Кроме того, архивные образцы могут предоставить информацию для решения новых вопросов, поскольку они, несомненно, возникнут в будущем. Если бы архивируются образцы почвы предшествовавшийчид дождь был доступен, последствия этого нарушения на почвах были бы определены в годы, а не десятилетия после его открытия. Вместо этого, предварительно кислоты химии дождя почва остается неопределенным, как мы теперь контролировать восстановление почв в результате снижения кислотных уровней дождя.
Мониторинг почв несколько ограничена временными рамками в течение которого изменения могут быть обнаружены (как правило, 5 лет и более), а также с опорой на деструктивной выборки, площадь выборки, необходимой для мониторинга увеличивается с течением времени. Тем не менее, без мониторинга почв, изменения почвы должны быть выведены из косвенных подходов, таких как chronosequences (пространство для замены времени), водораздел баланса массы, лесохимии, краткосрочных манипуляций и моделирования. Эти подходы обеспечивают грубые оценки изменений почвы, и все они требуют допущения, которые увеличивают неопределенность, которая может быть наилучшим образом ослаблен путем прямых измерений почвы во времени. Процедуры повторного отбора проб почвы могут быть также applied долгосрочных контролируемых экспериментов манипуляции, такие как водораздела Са-капельной эксперимента в Хаббард Брук экспериментальной лесу, NH, продолжительностью более 12 лет 16 и Калхун, SC, долгосрочный эксперимент почвы в течение более 50 лет 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. | |||
References
- Walker, T. W., Syers, J. K. The fate of phosphorus during pedogenesis. Geoderma. 15, 1-19 (1976).
- Lawrence, G. B., et al. Measuring environmental change in forest ecosystems by repeated soil sampling: a North American perspective. J. Environ. Qual. 42, 623-639 (2013).
- Lawrence, G. B., Bailey, S. W. Workshop establishes the Northeastern Soil Monitoring Cooperative. EOS. 23, 247 (2007).
- Desaules, A. Measurement instability and temporal bias in chemical soil monitoring: sources and control measures. Environ. Monit. Assess. 184, 487-502 (2012).
- Lawrence, G. B., et al. Declining acidic deposition begins reversal of forest-soil acidification in the Northeastern U.S. and Eastern Canada. Environ. Sci. Technol. 49, 13103-13111 (2015).
- Schoeneberger, P. J., Wysocki, D. A., Benham, E. C., Staff, S. S. Field book for describing and sampling soils, Version 3.0. , Natural Resources Conservation Service, National Soil Survey Center. Lincoln, NE. (2012).
- Soil Science Staff. Keys to Soil Taxonomy. , 12th, USDA Natural Resources Conservation Service. Washington, D.C. (2014).
- Ross, D. S., et al. Inter-laboratory variation in the chemical analysis of acidic forest soil reference samples from eastern North America. Ecosphere. 6, 73 (2015).
- Lawrence, G. B., et al. Early indications of soil recovery from acidic deposition in U.S. red spruce forests. Soil Sci. Soc. Am. J. 76, 1407-1417 (2012).
- Hazlett, P. W., Curry, J. M., Weldon, T. P. Assessing decadal change in mineral soil cation chemistry at the Turkey Lakes Watershed. Soil Sci. Soc. Am. J. 75, 287-305 (2011).
- Bailey, S. W., Horsley, S. B., Long, R. P. Thirty years of change in forest soils of the Allegheny Plateau, Pennsylvania. Soil Sci. Soc. Am. J. 69, 681-690 (2005).
- Johnson, A. H., Moyer, A. J., Bedison, J. E., Richter, S. L., Willig, S. A. Seven decades of calcium depletion in organic horizons of Adirondack forest soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 72, 1824-1830 (2008).
- Ross, D. S., Hales, H. C., Shea-McCarthy, G. C., Lanzirotti, A. Sensitivity of manganese oxides: dryng and storage cause reduction. Soil Sci. Soc. Am. J. 65, 736-743 (2001).
- Blume, L. J., et al. EPA/600/4-90/023. , Environmental Protection Agency. Washington, D.C. (1990).
- Thomas, G. W. Agronomy No. 9. Page, A. L. , ASA. 159-166 (1982).
- Johnson, C. E., Driscoll, C. T., Blum, J. D., Fahey, T. J., Battles, J. J. Soil chemical dynamics after calcium silicate addition to a northern hardwood forest. Soil Sci. Soc. Am. J. 78, 1458-1468 (2014).
