Summary
هنا، هذا البروتوكول للقياس في الموقع من الكربون في التربة باستخدام هذه التقنية النيوترون-غاما للقياسات نقطة واحدة (الوضع الثابت) أو حقل المتوسطات (وضع المسح). ونحن أيضا وصف نظام البناء، ووضع إجراءات معالجة البيانات.
Abstract
ويستند تطبيق هذه الوثيقة وصف النيوترون غير مرن نثر الأسلوب (INS) لتحليل الكربون في التربة على تسجيل وتحليل لأشعة جاما التي تم إنشاؤها عندما تتفاعل النيوترونات مع العناصر التربة. الأجزاء الرئيسية للنظام الإضافية مولد نيوترون نابض، NaI(Tl) للكشف عن أشعة غاما وتقسيم الإلكترونيات للفصل بين أطياف أشعة غاما نظراً للوظائف والعمليات الحرارية-النيوترون التقاط (الشركات)، والبرمجيات لاقتناء أطياف أشعة غاما، وتجهيز البيانات. هذا الأسلوب له العديد من المزايا عبر طرق أخرى في ذلك هو أسلوب غير مدمرة في الموقع الذي يقيس متوسط الكربون المحتوى بكميات كبيرة من التربة، هو تأثر ماما المحلية تغييرات حادة في الكربون في التربة، ويمكن أن تستخدم في القرطاسية أو وسائط المسح الضوئي. هو نتيجة للأسلوب وظائف محتوى الكربون من موقع مع بصمة ~2.5-3 م2 في نظام ثابت، أو محتوى الكربون متوسط لمنطقة يتم اجتيازها في نظام المسح الضوئي. يتم قياس نطاق النظام الحالي للوظائف > 1.5% وزن الكربون (الانحراف المعياري ± 0.3 w %) في طبقة التربة العليا 10 سم هميسوريمينت 1.
Introduction
مطلوب معرفة محتوى الكربون في التربة لتحسين إنتاجية التربة والربحية، وفهم تأثير ممارسات استخدام الأراضي الزراعية على موارد التربة، وتقييم الاستراتيجيات ل تنحية الكربون1، 23،،4. الكربون في التربة مؤشر عالمي ل جودة التربة5. وقد وضعت عدة أساليب لقياس الكربون في التربة. وكان الاحتراق الجافة (DC) الأسلوب الأكثر استخداماً لسنوات6؛ يستند هذا الأسلوب على قياس مدمرة، العمل المكثف، ومضيعة للوقت وتجهيز المختبرات وجمع العينات الميدانية. اثنين من الأساليب الأحدث مطيافية الانهيار المستحثة بالليزر، والقرب ومنتصف مطيافية الأشعة تحت الحمراء7. هذه الأساليب هي أيضا المدمرة وسوى تحليل طبقة جداً قرب سطح التربة (0.1-1 سم عمق التربة). وبالإضافة إلى ذلك، تؤدي هذه الطرق فقط نقطة قياس المحتوى الكربوني لأحجام عينة صغيرة (~ 60 سم3 للأسلوب DC، و 0.01-10 سم3 لأساليب مطيافية الأشعة تحت الحمراء). هذه القياسات نقطة تجعل من الصعب على استقراء النتائج بجداول الحقل أو المناظر الطبيعية. وبهذه الطرق المدمرة، أيضا من المستحيل القياسات المتكررة.
واقترح الباحثين السابقة في "مختبر بروكهافن الوطني" تطبيق تكنولوجيا الأشعة النيوترونية للتربة الكربون التحليل (أسلوب INS)7،،من89. هذا الجهد الأولى وضعت نظرية وممارسة استخدام نيوترون جاما تحليل لقياس الكربون في التربة. ابتداء من عام 2013، استمر هذا الجهد في وزارة الزراعة-جمعية الإغاثة اﻷرمنية الوطنية التربة ديناميات المختبرية (NSDL). التوسع في هذا التطبيق التكنولوجي على مدى السنوات العشر الماضية يرجع إلى عاملين رئيسيين: توفر مولدات النيوترون تجارية رخيصة نسبيا، والكشف عن أشعة غاما والإلكترونيات المقابلة مع البرمجيات؛ ومن أحدث نواة النيوترون التفاعل قواعد بيانات مرجعية. هذا الأسلوب له مزايا عديدة أكثر من الآخرين. يمكن هيا نظام وظائف، ووضع على منصة، على أي نوع من الحقول التي تتطلب قياس. ويمكن تحليل هذا الأسلوب غير المدمرة في الموقع كميات التربة الكبيرة (~ 300 كجم) التي يمكن محرف إلى حقل زراعية بأكملها باستخدام قياسات قليلة فقط. هذا النظام الإضافية أيضا قادرة على العمل في وضع المسح ضوئي التي تحدد محتوى الكربون متوسط مساحتها استناداً إلى المسح الضوئي عبر شبكة بريديتيرميني من الحقل أو المناظر الطبيعية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1-بناء نظام الوظائف
- استخدام هندسة نظام الوظائف العامة هو مبين في الشكل 1.
رقم 1. هندسة نظام INS. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
- استخدام وظائف تصميم النظام هو مبين في الشكل 2- 10
الرقم 2. نظرة عامة على نظام INS.
A) أول كتلة تحتوي على مولد النيوترون، وكاشف النيوترون، ونظام الطاقة؛ ب) كتلة الثاني يحتوي على ثلاثة أجهزة لكشف ناي (Tl)؛ ج) كتلة ثالثة تحتوي على معدات لتشغيل النظام؛ د) الرأي العام للكتلة الأولى عرض العناصر الفردية؛ و ه) قرب عرض للكشف عن أشعة غاما. 10 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
- استخدام ثلاث كتل في نظام الوظائف (انظر التذييل).
- للكتلة الأولى (A)، استخدام مولد النيوترون (الحرس الوطني) ونظام الطاقة ( الشكل 2A و 2D). وسيكون الناتج النيوتروني نابض لمولد هذا 10 7-10 n/s 8 مع طاقة النيوترون من 14 مليون إلكترون فولط. نظام الطاقة سوف تتألف من أربع بطاريات (12 ت، آه 105)، العاصمة-جيم "العاكس"، وشاحن. كما سيتضمن هذا الكتلة الحديد (10 سم × 20 سم × 30 سم) وحمض البوريك (5 سم × 20 سم × 30 سم) التدريع حماية الكشف عن أشعة غاما من التشعيع النيوتروني.
ملاحظة: يتم تضمين جهاز كشف نيوترون أيضا في هذه الكتلة للتحقق من أنه يعمل الحرس الوطني بشكل صحيح. - لكتلة الثاني (ب)، استخدام معدات قياس أشعة غاما ( الشكل 2B و 2E). ستحتوي هذه الكتلة الثلاثة 12.7 × 12.7 سم x 15.2 سم التﻷلؤ NaI(Tl) كاشفات مع الإلكترونيات المقابلة. سيتم قياس حجم الخارجي من كاشفات مع الإلكترونيات 15.2 سم × 15.2 سم × 46 سم.
- لكتلة ثالثة (ج)، استخدم جهاز كمبيوتر محمول الذي يتحكم في مولد النيوترون (مع الخارطة الملاحية الرقمية البرمجيات)، وكشف، ونظام حيازة البيانات ( الشكل 2).
- للكتلة الأولى (A)، استخدام مولد النيوترون (الحرس الوطني) ونظام الطاقة ( الشكل 2A و 2D). وسيكون الناتج النيوتروني نابض لمولد هذا 10 7-10 n/s 8 مع طاقة النيوترون من 14 مليون إلكترون فولط. نظام الطاقة سوف تتألف من أربع بطاريات (12 ت، آه 105)، العاصمة-جيم "العاكس"، وشاحن. كما سيتضمن هذا الكتلة الحديد (10 سم × 20 سم × 30 سم) وحمض البوريك (5 سم × 20 سم × 30 سم) التدريع حماية الكشف عن أشعة غاما من التشعيع النيوتروني.
2. توخي الحذر والاحتياجات الشخصية
- خاص لكل مستخدم من وظائف نظام تمرير الإشعاعية التدريب- شارة
- التأكد من أن كل شخص يعمل في الحرس الوطني يقوم رصد الإشعاع. خلال قياسات، حدود المنطقة المحظورة (> 20 µSv/h) حول الحرس الوطني سوف تحتوي على رمز الإشعاع بالعبارة " الحذر، الإشعاع المنطقة. " سوف تكون جميع حواف المنطقة المحظورة لا يقل عن 4 أمتار من الحرس الوطني.
- في حالات طوارئ، دفع فورا " "المقاطعة الطوارئ" " زر في الحرس الوطني وإزالة المفتاح من الحرس الوطني افصل نانوغرام من مصدر الطاقة.
3. إعداد وظائف النظام لقياس
- الاختيار بنظام الطاقة. مؤشر مستوى الطاقة على الشاحن سوف تكون خضراء، أو يجب أن تضيء المصابيح الحمراء أكثر من 3. إذا لم يكن كذلك، توصيل الشاحن بمأخذ طاقة والانتظار حتى تصبح البطاريات مشحونة بالكامل (سوف تضيء المصباح الأخضر) أو حتى يتم التوصل إلى مستوى طاقة مقبولة (≥ سوف تضيء المصابيح الحمراء 3)-
- تشغيل العاكس (ينير المصباح الأخضر) وكمبيوتر محمول-
- تشغيل برنامج اقتناء البيانات على الكمبيوتر المحمول لتشغيل الكشف عن أشعة غاما والتحقق من المعلمات المطلوبة لكل كاشف. وسيتم تعريف القيم لهذه المعلمات وسجلت سابقا في اختبار وظائف النظام.
- وضع مصدر عنصر تحكم Cs-137 (أي نوع) داخل 5-15 سم من كاشفات.
- بدء اكتساب الأطياف لمدة 1-3 دقيقة؛ والتحقق من سينترويدس 662 كيلوفولط ذروة Cs 137 لكشف جميع. يجب أن تكون في نفس القناة. إذا لم يكن كذلك، استخدام "مقياس معامل الطاقة" ثيداتا اقتناء البرنامج عن طريق تغيير القيمة لضبط سينترويدس ذروة كيلوفولط 662.
- بدوره على الحرس الوطني باستخدام المفتاح الخاص. مصباح مؤشر على الحرس الوطني سيتم تسليط الضوء الأخضر والأصفر-
4. معايرة نظام الوظائف
- 4 إعداد حفر الحجم 1.5 م × 1.5 م × 0.6 م مع مخاليط الرمال-كربون متجانسة ( الشكل 3). محتويات الكربون هو 0، 2، 5، 5 و 10 w %.
ملاحظة: يتم استخدام خلاط ملموسة لجعل التربة الاصطناعية يتألف من shell البناء الرمل وجوز الهند (100 ٪ الكربون المحتوى، متوسط قطرها الحبيبية < 0.5 مم). يتم تحديد التجانس هذه المخاليط بصريا.
الرقم 3. عرض حفرة بالرمل والحفرة مع الأسلحة الكيميائية 10% الكربون الرمل المخلوط. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
- أخذ القياسات على الحفر باستخدام الخطوات التالية.
- بوضع نظام الوظائف على الحفرة يدوياً أو بواسطة سحب مع أداة مناسبة. موقف النظام الإضافية مثل أن الإسقاط مصدر النيوترون يتركز على الحفرة.
- تشغيل البرنامج الخارطة الملاحية الرقمية على الكمبيوتر المحمول الذي يعمل على مولد نغ. في أخطاء العمود على الجانب الأيمن من الشاشة برنامج الخارطة الملاحية الرقمية، سوف تضيء جميع المصابيح الخضراء؛ إذا لم يكن الأمر كذلك، انقر فوق الزر مسح. أدخل المعلمات التالية: "معلمات نبض"-تردد 5 كيلوهرتز، واجب دورة 25%، تأخير 0 المايكروثانيه, المايكروثانيه الملحق 2؛ لشعاع-الجهد العالي 50 كيلوفولت، شعاع الحالي 50 µA (علما بأن هذه المعايير يمكن أن تكون مختلفة اعتماداً على إعداد النظام وظائف معينة ومهمة).
تنشيط رمز التبديل على شاشة برنامج الخارطة الملاحية الرقمية
- والانتظار للحرس الوطني للدخول في نظام العمل حيث سيأتي الجهد العالي وشعاع الحالية المستقرة القيم المطابقة للقيم التي تم إدخالها؛ سوف تأتي الخزان الحالي أيضا إلى قيمة ثابتة.
- تشغيل البرنامج الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول لتشغيل الكشف عن أشعة غاما. بدء اكتساب الأطياف عن طريق تشغيل برنامج اقتناء البيانات ح 1. عمليات اقتناء سبكترا اثنين (INS & الشركات عبر الوطنية والشركات عبر الوطنية) سوف تظهر على الشاشة.
- ح بعد 1، وقف حيازة الأطياف وإنقاذ الأطياف إلى محرك القرص الثابت (الملف | حفظ بيانات MCA | اختر المجلد وقم بإدخال اسم ملف.
ملاحظة: سيكون هناك اثنان أطياف المحفوظة (الشركات عبر الوطنية ووظائف) مع ملحقات اسم الملف.mca و _gated.mca، على التوالي).
حدد الثاني كاشف (انقر فوق السهم الموجود في الزاوية العليا اليسرى) - وحفظ الأطياف للكشف عن هذا. القيام بنفسه بالنسبة لكاشف الثالث- انقر فوق
- الملف | إنهاء لإغلاق البرامج.
- إيقاف البرنامج الخارطة الملاحية الرقمية عن طريق إيقاف تشغيل التبديل على شاشة برنامج الخارطة الملاحية الرقمية-
- كرر الخطوات 4.2.1-4.2.7 للحفر الأخرى.
- إيقاف نانوغرام باستخدام المفتاح الخاص. مصباح مؤشر على الحرس الوطني سوف dim.
- تحديد وظائف نظام الخلفية الأطياف برفع وظائف النظام برمته إلى مسافة أكبر من 4 متر فوق سطح الأرض وبعيدا عن أي كائنات كبيرة، وكرر الخطوات اقتناء البيانات 4.2.2-4.2.9.
- معالجة البيانات استخدم برنامج جدول بيانات لفتح ملفات البيانات التي تم حفظها في الخطوة 4-2-4. البحث عن قيم لإخراج وإدخال معدلات العد (التعرف الضوئي على الحروف والممثل المدني الدولي) والوقت الحقيقي (RT) في صفوف 28 و 27 و 30، على التوالي.
- حساب الوقت الحياة (الملازم) بالنسبة للوظائف & الشركات عبر الوطنية وأطياف الشركات عبر الوطنية لكافة القياسات ك
LT أنا = التعرف الضوئي على الحروف وأنا/الممثل المدني الدولي وأنا ·RT أنا (1)،
فيها التعرف الضوئي على الحروف وأنا والممثل المدني الدولي أنا هي أسعار عدد المخرجات والمدخلات لقياس ال i و RT أنا حقيقية الوقت لقياس ال i- - حساب أطياف أشعة غاما في التهم الموجهة إليه في الثانية (cps) بقسمة الأطياف (الصفوف 33-2080 في جدول البيانات) الملازم المطابق
- حساب أطياف الإضافية الصافية من القياسات المطابقة لكل حفرة ك
صافي الوظائف الطيف = (INS & الشركات عبر الوطنية-الشركات عبر الوطنية) حفرة--(INS & الشركات عبر الوطنية-الشركات عبر الوطنية) بكج (2) - البحث عن قمم غاما 1.78 مليون إلكترون فولط (28 Si) و 4.44 مليون إلكترون فولط (12 ج) في الطيف "الإضافية الصافية" لكل حفرة، وحساب المناطق الذروة (ذروة 4.44 مليون إلكترون فولط ج المنطقة، منطقة الذروة Si 1.78 مليون إلكترون فولط) باستخدام البرمجيات إيغور.
- فتح البرنامج بالنقر على أيقونة المزدوج. إدراج أول "الطيف الإضافية الصافية" في الجدول-
- انقر فوق Windows | رسم بياني جديد | من المستهدف | " اسم الملف " | افعلها. الطيف، يظهر في "نافذة الرسم البياني". انقر فوق الرسم البياني | وتظهر المعلومات. Windows مع أ وب علامات تظهر أسفل نافذة الرسم البياني- ضع مؤشر الماوس على علامة A
- والضغط على زر الماوس الأيسر واسحب المؤشر إلى الطيف على الجانب الأيسر من ذروة 1.78 مليون إلكترون فولط. ضع مؤشر الماوس على علامة ب والضغط على زر الماوس الأيسر واسحب المؤشر إلى الطيف على الجانب الأيمن من ذروة 1.78 مليون إلكترون فولط.
- انقر فوق تحليل | صالح الذروة متعددة | بدء تشغيل جديدة تناسب الذروة متعددة | من المستهدف | تستمر. في الإطار المنبثق تميز "استخدام الرسم البياني مؤشر" | الأساس الخطية | تحديد موقع السيارات قمم الآن | القيام بذلك | نتائج الذروة. تظهر منطقة الذروة في الإطار المنبثق.
- تكرار نفس العمليات لذروة 4.44 مليون إلكترون فولط.
- كرر جميع العمليات السابقة مع "الأطياف الإضافية الصافية" المتبقية.
- إيجاد الكربون الصافي مجالات الذروة لكل حفرة بالمعادلة
"ج صافي" الذروة المنطقة أنا = 4.44 مليون إلكترون فولط ج ذروة المجال أنا-0.058 · 1.78 مليون إلكترون فولط Si الذروة المنطقة أنا (3) - بناء الخط المعايرة للنظام الإضافية كدعامة مباشرة الاعتماد على أورشونال من منطقة ذروة الكربون الصافي مقابل تركيز الكربون التي أعرب عنها في المائة من الوزن.
- بفتح الجدول الجديد في البرمجيات إيجور: انقر فوق إطار | الجدول الجديد. قم بإدخال قيم تركيز الكربون حفرة في العمود الأول، ومنطقة ذروة "صافية ج" المناظرة في العمود الثاني-
- مؤامرة "ج صافي" الذروة مقابل منطقة حفرة تركيز الكربون: انقر فوق Windows | رسم بياني جديد. اختر منطقة ذروة "ج صافي" يواف، وتركيزات الكربون ك XWave. انقر فوق ذلك. النقاط التي تظهر في الرسم البياني-
- بناء الخط المعايرة: "انقر فوق تحليل" | المنحنى المناسب | تعمل--خط | من المستهدف | افعلها. الخط المعايرة ومعامل المعايرة (ك) سوف تظهر في النافذة-
5. إجراء "القياسات الميدانية التربة" في "وضع ثابت"
- تحضير النظام INS للقياس طبقاً للخطوة 3- ضع
- النظام على الموقع التي تتطلب تحليل محتوى الكربون في التربة يدوياً أو بواسطة السحب باستخدام أداة مناسبة. موقف النظام الإضافية مثل أن الإسقاط مصدر النيوترون يتركز على الموقع الذي يتم قياسه.
- تنفيذ الإجراءات التالية الخطوات 4.2.2-4.2.9 و 4.4.1-4.4.6 لتحديد المناطق ذروة "صافية ج" لمواقع الدراسة.
- حساب تركيز الكربون في % الوزن باستخدام معامل المعايرة ك
6-"إجراء القياسات الميدانية التربة" في "وضع المسح الضوئي"
- تقدير مسار النظام الإضافية سوف يسافر أكثر من المجال بينما المحاسبة لسرعة السفر (≤ 5 كم/ساعة)، وحقل حجم وظائف نظام البصمة (radius ~ 1 م)، وقياس الوقت (ح 1) أن مسار الانتقال في نهاية المطاف يغطي منطقة الحقل بالكامل. للراحة، تحويل الإشارات مكان في النقاط على امتداد محيط الحقل.
- إعداد نظام INS للقياس طبقاً للخطوة 3-
- تنفيذ الإجراءات التالية الخطوات 4-2-2-4-2-3-
- اتبع مسار السفر سلفا حاء – 1
- تنفيذ الإجراءات التالية الخطوات 4-2-4-4.2.9 و 4.4.1-4.4.6 لتحديد "صافي ج" ذروة المناطق لميدان الدراسة.
- حساب تركيز الكربون في % الوزن باستخدام معامل المعايرة بالمعادلة 4-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
التربة INS & الشركات عبر الوطنية والشركات عبر الوطنية أطياف أشعة غاما
ويرد في الشكل 4نظرة عامة من أطياف أشعة غاما التربة المقاسة. الأطياف يتألف من مجموعة من القمم على خلفية مستمرة. القمم الرئيسية للفائدة وقد سينترويدس الساعة 4.44 مليون إلكترون فولط و 1.78 مليون إلكترون فولط في دائرة الهجرة والتجنيس & الأطياف الشركات عبر الوطنية. الذروة الثانية يمكن أن يعزى إلى النوى سليكون الواردة في التربة، وذروة الأولى ذروة متداخلة من نوى الكربون والسليكون. الإجراءات المتعلقة باستخراج منطقة الذروة الكربون الصافية من هذه الأطياف يرد أعلاه. يجب استخدام هذا الإجراء في جميع الحالات لتحديد منطقة الذروة الكربون الصافية المستحقة إلى نويات الكربون فقط. 11
الشكل 4. أطياف أشعة غاما نموذجية للتربة تقاس بنظام الوظائف. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
وظائف نظام القياسات الخلفية
صافي الوظائف الأطياف يقاس على ارتفاعات ارتفاع نظام مختلف فوق سطح الأرض تظهر في الشكل 5. 11 تبعيات المناطق ذروتها مع سينترويدس على 1.78 مليون إلكترون فولط و 4.44 مليون إلكترون فولط و 6.13 مليون إلكترون فولط (ذروة الأكسجين) مع ارتفاع موضحة في الشكل 6. وكما هو مبين في هذا الشكل، لم يعد تغيير الأطياف على ارتفاعات أكبر من 4 متر فوق سطح الأرض. تبعاً لذلك، يمكن أن يعزى الأطياف على ارتفاعات أكبر من 4 متر إلى أطياف أشعة غاما التي تظهر نتيجة لتفاعل النيوترونات مع نظام مواد البناء. كنا واحداً من هذه الأطياف (في ح = م 6) كالطيف خلفية النظام في معالجة البيانات لدينا.
الشكل 5. ) أطياف الوظائف الإضافية الصافية في وظائف نظام ارتفاعات مختلفة فوق سطح الأرض؛ ب) جزء من أطياف الوظائف الإضافية الصافية حوالي 1.78 مليون إلكترون فولط؛ و ج) جزء من أطياف الوظائف الإضافية الصافية حوالي 4.44 مليون إلكترون فولط. يعين السهم الارتفاع المتزايد. 11 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الشكل 6. التبعيات لقمم المناطق مع سينترويدس في 1.78، و 4.44 مليون إلكترون فولط في "أطياف" الوظائف الإضافية الصافية لوظائف النظام مع "تغيير مرتفعات أعلاه جرون"دال الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
معايرة
أطياف الوظائف الصافية المتولدة أثناء معايرة نظام الوظائف مبينة في الشكل 7 ألف. بالقرب من شظايا 11 من أطياف الإضافية الصافية 1.78 مليون إلكترون فولط، وتظهر قمم 4.44 مليون إلكترون فولط على نطاق أوسع في 7b الأرقام ج 7، على التوالي. كما يمكن أن يرى، الذروة مع centroid من 4.44 مليون إلكترون فولط يزيد مع زيادة محتوى الكربون في الحفرة. في الوقت نفسه، الذروة مع centroid في 1.78 مليون إلكترون فولط يقلل قليلاً كالكربون في حفرة يزيد. تبعية منطقة ذروة الكربون الصافي (محسوبة من هذه الأطياف) مع محتوى الكربون في حفر (معبراً عنها بوزن ٪) ويرد في الشكل 8- 11 كما يمكن أن يرى، وهذا يمكن أن يمثله تبعية نسبية مباشر مرورا بالأصل (0، 0 نقطة) في حدود الخطأ التجريبي. واستخدمت هذه التبعية لمعايرة مزيد من القياسات.
الشكل 7. ) الأطياف "الإضافية الصافية" للحفر مع مخاليط الرمال من الكربون في 0، 2، 5، 5، والكربون 10% w (خليط موحد)؛ ب) جزء من أطياف الإضافية الصافية حوالي 1.78 مليون إلكترون فولط؛ ج) جزء من دائرة التجنيس والهجرة الصافية حوالي 4.44 مليون إلكترون فولط. 11 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 8. الاعتماد على منطقة صافي الكربون ذروتها مع تركيز الكربون في حفر (النقاط مع أشرطة الخطأ)، ووظائف نظام معايرة الخط (خط متصل). 11 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
القياسات الميدانية من محتوى الكربون في الوضع الثابت
وقد أجريت قياسات محتوى الكربون في وضع ثابت في العديد من المواقع الميدانية. وترد في الجدول 1النتائج من "ألاباما الزراعي محطة التجربة بيدمونت وحدة البحوث"، معسكر هيل، ال (110 م × 30 م). وأجريت قياسات ميدانية في تقاطعات شبكة 3 من 5 مع مسافات متساوية بين خطوط الشبكة (عدد المواقع 15). كما يتبين من الجدول، المحتوى الكربوني لنقاط التقاطع فردية تتراوح بين 1.4 إلى 3.1 في المائة w مع الانحراف المعياري لجميع القياسات ويجري ~0.3 w %. للمقارنة، كما أخذت عينات التربة المدمرة في كل موقع لتحديد محتوى الكربون في التربة باستخدام الأسلوب العاصمة الموحدة. يتم أيضا عرض هذه البيانات في الجدول 1. وأظهرت مقارنة بين مجموعتين من البيانات اتفاق جيد بين كلتا الطريقتين لكل موقع ومتوسط القيمة على الميدان كله.
| موقع | القياسات الإضافية | الجافة احتراق القياسات | |||||
| الموقع # | |||||||
| ج | |||||||
الجدول 1- متوسط الوزن في المئة في الطبقة العليا من التربة الاحتراق الجافة وأساليب الإضافية.
أنها مثيرة للاهتمام لمقارنة خرائط توزيع الكربون الحقل استناداً إلى أساليب الإضافية والعاصمة (الشكل 9 و 10). كل الخرائط تبدو مشابهة جداً، ولكن تجدر الإشارة إلى أن أيام 2 أنفق على التعيين في الوظائف، بينما المطلوب لنماذج عملية لإنشاء خريطة العاصمة ~ 2 أشهر.
الرقم 9. خريطة توزيع الكربون حقل هيل معسكر استناداً إلى أسلوب INS. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 10. خريطة توزيع الكربون حقل هيل معسكر استناداً إلى أسلوب DC. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
القياسات الميدانية من محتوى الكربون في وضع المسح
علماء التربة غالباً ما تكون المهتمة في تحديد محتوى الكربون لمناطق كبيرة (مثل، 100 م × 100 م). بدلاً من تحديد الكربون في المواقع 10 أمتار عن بعضها البعض (ح 1 التي تتطلب كل قياس استخدام الوظائف)، فمن الممكن لتحديد محتوى الكربون متوسط لحقل 100 × 100 متر باستخدام وظائف وضع المسح الضوئي. في وضع المسح، من الممكن أن تأخذ القياسات الإضافية أثناء مرورها عبر الحقل بأكمله. ويمكن إجراء هذا القياس المسح في نفس القدر من الوقت اللازم لقياس موقع واحد في وضع ثابت (ح 1). وأثبتت بالإثبات ومبدأ وضع وظائف المسح الضوئي في هذه المقالة.
تجدر الإشارة إلى أن أول محاولة لقياس الكربون في وضع المسح الضوئي أقل من مرضية. المكتسبة الأطياف المسح الضوئي مختلفتان واضح من دائرة الهجرة والتجنيس & الشركات عبر الوطنية والشركات عبر الوطنية الأطياف الوضع الثابت؛ قمم الفائدة كانت أقصر وأوسع مع ذروة المناطق يجري الكثير أقل من الملاحظة في الوضع الثابت. التحقيقات قرر أن هذا التشويه بسبب تأثير المجال المغناطيسي للأرض على غاما للكاشف ضوئي12. لحل هذه المشكلة، استخدم شاشة مغناطيسي (مو-المعادن) لدرع غاما-الكاشف. اختبار أظهر أن أطياف أشعة غاما من مصدر عنصر تحكم Co 60 متطابقة تقريبا بغض النظر عن التوجه للكشف عن أشعة غاما فرزهم ذروة (عمودي، أفقي، ميلا)، في حين عرض سينترويدس وقمم تتغير تبعاً للاتجاه كاشف الفوقيههي. هذه النتيجة أظهرت أن تأثير المجال المغناطيسي للأرض على ضوئي يمكن يمكن منعها باستخدام شاشة مغناطيسية. القضاء على توسيع ذروة الفرز المغناطيسي وأنتجت أطياف أشعة غاما مسح التي تبدو مشابهة جداً للاطياف الوضع الثابت.
لمقارنة أنماط ثابتة والمسح، أجريت قياسات ثابتة لمحتوى الكربون (1 ح في كل) في 5 مواقع عشوائية داخل حقل 15 م × 45 م وتم إجراء القياس في وضع (مجموع 1 ح) المسح على نفس الحقل الذي كان على محتوى الكربون موحدة إلى حد ما. ويتضح مخطط الحقل عرض مواقع القياس الفردية ومسار المسح الضوئي في الشكل 11. وترد في الشكل 12الأطياف الإضافية الصافية من 5 مواقع الوضع الثابت ومن وضع المسح الضوئي. كما هو مبين في الشكل 12، مشابهاً للوضع الثابت الأطياف الطيف وضع المسح الضوئي، ويقع في متوسطة المدى من جميع الأطياف ثابتة.
الرقم 11 . خريطة "عرض ثابت قياس المواقع الميدانية" (النجوم) و "مسار المسح الضوئي" (خطوط). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
الرقم 12 . الأطياف "الإضافية الصافية" للساكنة والمسح الضوئي وسائط؛ اقحم جزء من الأطياف الإضافية الصافية حوالي 4.44 مليون إلكترون فولط. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
نتائج حسابات المجال ذروة الكربون الصافي مبينة في الجدول 2. كما يتضح من البيانات المقدمة، وقيمة منطقة الذروة صافي الكربون المقاسة في وضع المسح يتفق مع قيمة متوسط الوضع الثابت في حدود الخطأ التجريبي. وتثبت هذه النتائج أن وظائف المسح وضع قياسات يمكن استخدامها لتحديد محتوى الكربون متوسط في حقل. من المهم ملاحظة أن ح 5 أنفقت تحديد محتوى الكربون متوسط في وضع ثابت، بينما كان المطلوب فقط 1 ح في وضع المسح.
| وضع | الموقع # | الكربون الصافي | الأمراض المنقولة جنسياً، | متوسط الميدان |
| منطقة الذروة، والنيابة العامة | النيابة العامة | ±STD، ومجلة الأحوال الشخصية | ||
| ثابت | 1 | 64.8 | 3.9 | 63.3±3.8 |
| 2 | 58.1 | 3.5 | ||
| 3 | 65.4 | 3.4 | ||
| 4 | 68.9 | 4.1 | ||
| 5 | 59.4 | 4.1 | ||
| المسح الضوئي | عبر الحقل | 64.4 |
الجدول 2- منطقة الذروة الكربون الصافي للساكنة والمسح الضوئي وسائط.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
بناء على الأساس الذي أنشأه الباحثين السابقة، تناولت الموظفين NSDL الأسئلة الحاسمة للاستخدام العملي والناجح لهذه التكنولوجيا في العالم الحقيقي إعدادات الحقل. في البداية، أظهر الباحثون NSDL ضرورة لمراعاة الإشارات الخلفية نظام الوظائف عند تحديد مجالات ذروة الكربون الصافي. 11 جهد آخر أظهر أن يميز منطقة ذروة صافية الكربون نسبة الكربون متوسط الوزن في طبقة التربة العليا 10 سم (بغض النظر عن شكل توزيع عمق الكربون) بالتبعية متناسب مباشرة. وباﻹضافة إلى ذلك، شيد من المعدات المطلوبة لوظائف نظام المعايرة (أي، 1.5 م × 1.5 م × 0.6 م حفر مع خليط مختلف من الرمال-الكربون) ووضعت إجراءات المعايرة اللازمة للتطبيقات في العالم الحقيقي وتنفيذها. الخط المعايرة الناتجة يجعلها ممكنة لتحديد محتوى الكربون في التربة من منطقة الذروة قياس الكربون الصافي. بينما الباحثين NSDL أدخلت تحسينات كثيرة في تصميم نظام الوظائف، يسمح إضافة الأخير حجب المجال المغناطيسي للكشف عن أشعة غاما للاستخدام العملي لنظام وظائف المسح وضع إجراء تحقيقات واسعة النطاق من الكربون في التربة.
الخبرة المكتسبة في تطبيق الأسلوب الإضافية لتحليل الكربون في التربة كشفت العديد من الخطوات الحاسمة البروتوكول. للحصول على نتائج القياس الصحيح، من الأهمية بمكان تحقق بعناية وضبط معايير للكشف عن استخدام المصادر المرجعية؛ وهذا مهم جداً لاستقرار النظام واستنساخ نتائج القياس. القياسات الأساسية ومعايرة النظام أيضا خطوات حاسمة لتحديد دقيق لمحتوى الكربون في التربة. لاحظ أنه يجب أن تكون معلمات الكاشف نفسه بالنسبة لكل القياسات الخلفية ومعايرة نظام. من المناسب إجراء قياسات المعايرة (الحفر وخلفية النظام) لعدة ساعات لزيادة دقة المعايرة معاملات. تركيب شاشات المغناطيسية على كاشفات بالغة الأهمية للقياس الدقيق في وضع المسح الضوئي حيث تنتج تغطية للكشف عن أخطاء كبيرة جداً نظراً لتأثير المجال المغناطيسي للأرض. وبالإضافة إلى ذلك، الكشف المغناطيسي يحسن النتائج في وضع ثابت.
أهمية استخدام الأسلوب وظائف مقابل الأسلوب DC "المعيار الذهبي" الذي تجلى خلال تعيين الحقل. وكان سرعة تحديد محتوى الكربون بواسطة الأسلوب وظائف ~ 30 مرات أكبر من الأسلوب DC. وقد نوقشت مزايا أخرى للأسلوب وظائف في المقطع مقدمة.
على الرغم من الاتفاق الواضحة بين الأساليب الإضافية والعاصمة ("معيار الذهب")، قد التعديل الحالي للوظائف التقنية واحد القيد الرئيسي الذي هو أدنى مستوى المزودة (1.5 w %). نظراً لمحتوى الكربون في التربة يمكن أن يكون أقل من ذلك، سوف تركز الجهود مستقبلا على تحسين حساسية النظام الإضافية بزيادة عدد أجهزة الكشف عن أشعة غاما، وتحسين تصميم النظام العام أو بتطبيق أساليب النيوترون المستهدفة. 13
على الرغم من هذا التحديد، يمكن التوصية تعديل نظام الوظائف الحالية للتربة الكربون تصميم المواقع الفردية والكربون توزيع خرائط لتضاريس الحقل. يمكن استكشاف الأعمال الممكنة في المستقبل باستخدام الأسلوب وظائف قياس عناصر التربة الأخرى مثل النيتروجين والحديد والهيدروجين.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
الكتاب المثقلة بالديون إلى درمان زاي باري، روبرت أ إيسينوجلي وخوان رودريغيز، موريس زاي ولش ومارلين سيجفورد للمساعدة التقنية في مجال القياسات التجريبية، وجيم كلارك ولاغراند دكستر للمساعدة في عمليات المحاكاة بالحاسوب. ونحن نشكر LLC شيا للسماح باستخدام الإلكترونيات وأجهزة الكشف في هذا المشروع. وأيد هذا العمل قبل NIFA علاء البحث العقد رقم ALA061-4-15014 "الدقة رسم الخرائط الجغرافية المكانية لمحتوى الكربون في التربة الزراعية الإنتاجية ودورة حياة إدارة".
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Neutron Generator | Thermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO DNC software |
MP320 | |
| Gamma-detector: | na | ||
| - NaI(Tl) crystal | Scionix USA, Orlando, FL | ||
| - Electronics | XIA LLC, Hayward, CA | ||
| - Software | ProSpect | ||
| Battery | Fullriver Battery USA, Camarillo, CA | DC105-12 | |
| Invertor | Nova Electric, Bergenfield, NJ | CGL 600W-series | |
| Charger | PRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TN | PS4 | |
| Block of Iron | Any | na | |
| Boric Acid | Any | na | |
| Laptop | Any | na | |
| mu-metal | Magnetic Shield Corp., Bensenville, IL | MU010-12 | |
| Construction sand | Any | na | |
| Coconut shell | General Carbon Corp., Patterson, NJ | GC 8 X 30S | |
| Reference Cs-137 source | Any | na |
References
- Potter, K. N., Daniel, J. A., Altom, W., Torbert, H. A. Stocking rate effect on soil carbon and nitrogen in degraded soils. J. Soil Water Conserv. 56, 233-236 (2001).
- Torbert, H. A., Prior, S. A., Runion, G. B. Impact of the return to cultivation on carbon (C) sequestration. J. Soil Water Conserv. 59 (1), 1-8 (2004).
- Stolbovoy, V., Montanarella, L., Filippi, N., Jones, A., Gallego, J., Grassi, G. Soil sampling protocol to certify the changes of organic carbon stock in mineral soil of the European Union. Version 2. , Office for Official Publications of the European Communities. Luxembourg. ISBN: 978-92-79-05379-5 (2007).
- Smith, K. E., Watts, D. B., Way, T. R., Torbert, H. A., Prior, S. A. Impact of tillage and fertilizer application method on gas emissions (CO2, CH4, N2O) in a corn cropping system. Pedosphere. 22 (5), 604-615 (2012).
- Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H. Quantification of soil quality. Soil processes and the carbon cycle. Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. , CRC Press. Boca Raton, FL. 387-404 (1997).
- Nelson, D. W., Sommers, L. E. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods. Sparks, D. L. , SSSA and ASA. Madison, WI. 961-1010 (1996).
- Wielopolski, L. Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil. Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice. Carayannis, E. , ISBN: 978-953-307-733-8 (2011).
- Wielopolski, L., Yanai, R. D., Levine , C. R., Mitra, S., Vadeboncoeur, M. A. Rapid, non-destructive carbon analysis of forest soils using neutron-induced gamma-ray spectroscopy. Forest Ecol. Manag. 260, 1132-1137 (2010).
- Mitra, S., Wielopolski, L., Tan, H., Fallu-Labruyere, A., Hennig, W., Warburton, W. K. Concurrent measurement of individual gamma-ray spectra during and between fast neutron pulses. Nucl. Sci. 54 (1), 192-196 (2007).
- Yakubova, G., Wielopolski, L., Kavetskiy, A., Torbert, H. A., Prior, S. A. Field testing a mobile inelastic neutron scattering system to measure soil carbon. Soil Sci. 179, 529-535 (2014).
- Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method. Vadose Zone J. 15 (2), (2016).
- Knoll, G. F. Radiation Detection and Measurement. , 3rd, Inc. John Willey & Sons. New York. (2000).
- Mitra, S., Dioszegi, I. Unexploded Ordnance identification - A gamma-ray spectral analysis method for Carbon, Nitrogen and Oxygen signals following tagged neutron interrogation. Nucl. Instrum. Meth. A. 693, 16-22 (2012).
