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.
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.
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 <supp> 12 och manganoxider 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.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.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "1">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.
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. |