Summary
Her præsenterer vi i protokollen for i situ måling af kulstof i jorden ved hjælp af neutron-gamma teknik til enkelt punkt målinger (statisk tilstand) eller felt gennemsnit (scannetilstand). Vi også beskrive systemet konstruktion og udarbejde data behandlingsprocedurer.
Abstract
Heri beskrives anvendelsen af uelastisk neutron spredning (INS) metode til jorden kulstof analyse er baseret på registrering og analyse af gamma stråler oprettes, når neutroner interagere med jord elementer. De vigtigste dele af INS system er en pulserende neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, opdele elektronik til at adskille gamma spectra på grund af INS og thermo-neutron capture (TNC) processer og software til gamma spectra erhvervelse og databehandling. Denne metode har flere fordele frem for andre metoder i, at det er en ikke-destruktiv i situ -metode, der måler den gennemsnitlige CO2 indhold i store jord bind, er negligibly påvirket af lokale skarpe ændringer i kulstof i jorden og kan bruges i stationære eller scanning tilstande. Resultatet af metoden INS er CO2 indhold fra et websted med et aftryk af ~2.5 - 3 m2 i den stationære regime, eller det gennemsnitlige kulstofindholdet i området føres i ordningen scanning. Måleområde i det nuværende INS er > 1,5 carbon vægt % (standardafvigelsen ± 0,3 w %) i de øverste 10 cm jordlag for en 1 hmeasurement.
Introduction
Kendskab til jord kulstofindhold er nødvendige for optimering af jordens produktivitet og rentabilitet, forstå virkningen af landbrugsjord brug praksis på jordens ressourcer, og evaluering af strategier for carbon sequestration1, 2,3,4. Kulstof i jorden er en universel indikator for jordbundens kvalitet5. Flere metoder er blevet udviklet til jord carbon målinger. Tør forbrænding (DC) har været den mest udbredte metode til år6; denne metode er baseret på feltet prøvetagning og laboratorium behandling og måling, der er ødelæggende, labor intensiv, og tidskrævende. To nyere metoder er laser-induceret opdeling spektroskopi, og i nærheden af og midten af infrarød spektroskopi7. Disse metoder er også destruktiv og kun analysere meget nær overfladen jordlag (0,1 - 1 cm jord dybde). Derudover disse metoder kun give punkt målinger af kulstofindhold til lille udsnit diskenheder (~ 60 cm3 for DC metode og 0,01-10 cm3 til infrarød spektroskopi metoder). Sådanne punkt målinger gøre det vanskeligt at ekstrapolere resultaterne til felt eller landskab skalaer. Da disse metoder er destruktiv, er tilbagevendende målinger også umuligt.
Tidligere forskere ved Brookhaven National Laboratory foreslog anvendelse af neutron teknologi til jord carbon analyse (INS metode)7,8,9. Denne indledende indsats udviklet teori og praksis med at bruge neutron gamma analyse for jord CO2 måling. Starter i 2013, blev denne indsats videreført på USDA-ARS nationale jord Dynamics Laboratory (NSDL). Udvidelsen af denne teknologisk anvendelse i de sidste 10 år er som følge af to hovedfaktorer: tilgængeligheden af relativt billige kommercielle neutron generatorer, gamma detektorer og tilsvarende elektronik med software; og topmoderne neutron-kerner interaktion reference databaser. Denne metode har flere fordele frem for andre. En INS system, placeres på en platform, kunne være manøvrerede over enhver form for felt, der kræver måling. Denne ikke-destruktiv in situ -metode kan analysere store jord diskenheder (~ 300 kg), der kan indskydes til en hele landbrugsområdet ved hjælp af kun få målinger. Denne INS system er også kan fungere i en scanningstilstand, der bestemmer det gennemsnitlige kulstofindholdet i et område baseret på scanning over et predetermine gitter felt eller landskab.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. opbygning af INS system
- bruge den generelle INS system geometri vist i figur 1.
fig. 1. INS System geometri. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- bruger den INS systemdesign er vist i figur 2. 10
figur 2. Oversigt over INS System.
A) første blok indeholder neutron generator, neutron detektor og elsystemet; B) anden blok indeholder tre NaI (Tl) detektorer; C) tredje blok indeholder udstyr til systemets drift; D) generelle opfattelse af den første blok viser individuelle komponenter; og E) tæt op visning af gamma-detektorer. 10 venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- bruger tre blokke i INS system (se tillæg).
- For den første blok (A) bruge en neutron generator (NG) og power system ( figur 2A og 2D). Pulserende neutron output af denne generator vil være 10 7 - 10 8 n/s med neutron energi 14 MeV. Elsystemet vil bestå af fire batterier (12 V, 105 Ah), en DC-AC Inverter og en oplader. Denne blok vil også indeholde jern (10 cm x 20 cm x 30 cm) og borsyre (5 cm x 20 cm x 30 cm) afskærmning for at beskytte gamma detektor fra neutronstråling.
Bemærk: En neutron detektor er også medtaget i denne blok for at kontrollere, at NG fungerer korrekt. - For den anden blok (B) bruge gamma-ray måleudstyr ( figur 2B og 2E). Denne blok indeholder tre 12,7 cm x 12,7 cm x 15.2 cm scintillation NaI(Tl) detektorer med tilsvarende elektronik. Udvendig størrelse af detektorer med elektronik vil måle 15,2 cm x 15.2 cm x 46 cm.
- For den tredje blok (C), bruge en bærbar computer, som styrer neutron generator (med DNC-software), detektorer og dataoptegningssystem ( figur 2 c).
- For den første blok (A) bruge en neutron generator (NG) og power system ( figur 2A og 2D). Pulserende neutron output af denne generator vil være 10 7 - 10 8 n/s med neutron energi 14 MeV. Elsystemet vil bestå af fire batterier (12 V, 105 Ah), en DC-AC Inverter og en oplader. Denne blok vil også indeholde jern (10 cm x 20 cm x 30 cm) og borsyre (5 cm x 20 cm x 30 cm) afskærmning for at beskytte gamma detektor fra neutronstråling.
2. Forsigtighed og personlige krav
- har hver bruger af INS system pass radiologisk uddannelse.
- Sikre, at hver person, der driver NG bærer en stråling overvågning badge. Under målingerne, begrænset område grænse (> 20 µSv/h) omkring NG vil have symbolet stråling med ordene " forsigtighed, stråling område. " alle kanter af området begrænset bliver ikke mindre end 4 m fra NG.
- i en nødsituation, straks skubbe den " nødstilfælde afbryder " knappen på NG, fjerne nøglen fra NG og afmonterer NG fra strømkilden.
3. Forberedelse af INS system til måling af
- Check elsystemet. Power indikator på opladeren vil være grøn, eller mere end 3 røde lamper skal belyse. Hvis ikke, sæt opladeren i en stikkontakt og vente, indtil batterier bliver fuldt opladet (grøn lampe lyser), eller indtil en acceptabel effekt er opnået (≥ 3 røde lamper lyser).
- Tænde inverteren (grøn lampe lyser) og laptop.
- Køre programmet erhvervelse på den bærbare computer at fungere gamma detektorer og kontrollere de nødvendige parametre for hver detektor. Værdierne for disse parametre vil defineret og indspillede tidligere INS systemtest.
- Placere en Cs-137 Kontrolelementkilde (alle typer) inden for 5-15 cm fra detektorerne.
- Start spectra anskaffelsessum for 1-3 min.; check centroids af 662 keV Cs-137 peak for alle detektorer. De skal være på den samme kanal. Hvis ikke, bruger energi koefficient omfanget af oplysningerne erhvervelse program ved at ændre værdien til at justere 662 keV peak centroids.
- Tænd NG ved hjælp af specialnøgle. Indikatorlampe på NG lyser grøn og gul.
4. Kalibrering af systemet til INS
- forberede 4 pitten størrelse 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m med homogene sand-carbon blandinger ( figur 3). Kulstofindholdet er 0, 2.5, 5 og 10 w %.
Bemærk: En betonblander bruges til at gøre syntetisk jord sammensat af byggeri sand og kokos shell (100% CO2 indhold, gennemsnitlig kornede diameter < 0,5 mm). Homogenitet af disse blandinger bestemmes visuelt.
figur 3. Visning af Pit med Sand og Pit med 10 Cw % Sand-carbon blanding. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- Tag målinger over pitten ved hjælp af følgende trin.
- Placer INS system over pit manuelt eller ved bugsering med et passende køretøj. Placer INS systemet sådan, at projektionen af neutron kilde er centreret om pit.
- Køre DNC-software på den bærbare computer, der kører NG generator. I kolonnen fejl på højre side af skærmbilledet DNC program lyser alle lamper grøn; Hvis ikke, skal du klikke på knappen Ryd. Indsæt følgende parametre: for puls parametre - frekvens 5 kHz, duty cycle 25%, forsinke 0 µs, udvidelse 2 µs; for stråle - høj spænding 50 kV, beam nuværende 50 µA (Bemærk at disse parametre kan være anderledes afhængigt af specielle INS systemopsætning og opgave).
- Aktivere parameteren på skærmbilledet DNC program og vente på NG at indtaste arbejde ordning hvor højspændings og strålen aktuelle kommer til stabile værdier svarende til de angivne værdier; Reservoir aktuelle også vil komme til en stabil værdi.
- Køre data erhvervelse softwaren på den bærbare computer til at betjene gamma detektorer. Start spectra erhvervelse ved at køre programmet data erhvervelse for 1 h. De to spektre erhvervelse processer (INS & TNC og TNC) vises på skærmen.
- Efter 1 h, stop spectra erhvervelse og gemme spectra til harddisken (fil | Gemme MCA Data | Vælg mappen, og Indtast navnet på fil.
Bemærk: Der vil være to gemte spektre (TNC og INS) med filnavn extensions .mca og _gated.mca, henholdsvis). - Vælg anden detektor (Klik på pilen i øverste venstre hjørne) og gemme spektre for denne detektor. Gøre det samme for tredje detektor.
- Klik på fil | Afslut for at lukke software.
- Slukke DNC-software ved at deaktivere parameteren på skærmbilledet DNC program.
- Gentag trin 4.2.1 - 4.2.7 for andre pitten.
- Slukke NG ved hjælp af specialnøgle. Indikatorlampe på NG vil dim.
- Bestemme INS system baggrund spectra ved at løfte hele INS systemet på en afstand større end 4 m over jordoverfladen og væk fra de store objekter, og Gentag data erhvervelse trin 4.2.2 - 4.2.9.
- Databehandling
- bruge et regnearksprogram til at åbne datafiler i gemte i trin 4.2.4. Find værdier for output og input tæller satser (OCR og ICR) og realtid (RT) i rækker 28, 27 og 30, hhv.
- Beregne levetid (LT) for INS & TNC og TNC spektre for alle målinger som
LT jeg = OCR, jeg / ICR jeg ·RT jeg (1),
hvor OCR, jeg og ICR, jeg er output og input tæller satser for den i'te måling og RT, jeg er virkeligt tidspunktet for den i'te måling. - Beregne gamma spektre i optællinger pr. sekund (cps) ved at dividere spektre (rækker 33-2080 i regnearket) med tilsvarende LT.
- Beregne netto INS spektre fra de tilsvarende målinger for hver pit som
Netto INS spektrum = (INS & TNC - TNC) Pit - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - Find gamma toppe 1,78 MeV (28 Si) og 4.44 MeV (12 C) i netto INS-spektrum for hver pit, og beregne toparealer (4.44 MeV C peak område, 1,78 MeV Si topareal) ved hjælp af IGOR software.
- Åben software ved at dobbeltklikke på ikonet. Indsæt første Net INS spektrum i tabellen.
- Klik på Windows | Ny Graf | Fra mål | " filnavn " | Gør det. Spektret vises i vinduet graf. Klik på grafen | Vis Info. Windows med A og B markører vises under vinduet graf.
- Sted musen markøren på tegn A, tryk på venstre museknap og trække markøren til spektrum på venstre side af 1,78 MeV peak. Placer musemarkøren på tegn B, Tryk venstre museknap og trække markøren til spektrum på højre side af 1,78 MeV peak.
- Klik på analyse | Multi peak Fit | Start nye multi peak Fit | Fra mål | Fortsætte. I pop-up-vinduet markeret brug Graph markøren | Baseline lineær | Auto-Find toppe nu | Gøre det | Peak resultater. Området i toppen vises i pop-up vinduet.
- Gentage de samme operationer for 4,44 MeV peak.
- Gentager alle tidligere operationer med de resterende netto INS spektre.
- Find de nettokulstofemission toparealer for hver pit af ligningen
netto C peak område jeg = 4,44 MeV C peak område jeg - 0.058 · 1,78 MeV Si peak område jeg (3) - bygge kalibreringskurve for INS system som en direkte prop ortional afhængighed af nettokulstofemission topareal vs CO2 koncentration udtrykt i vægt procent.
- Åbne den nye tabel i IGOR software: Klik på vindue | Nye tabel. Angiv pit CO2 koncentrationsværdier i første kolonne og tilsvarende Net C toparealet i anden kolonne.
- Plot i netto C peak område vs pit CO2 koncentration: Klik på Windows | Ny graf. Vælg netto C topareal som YWave, og kulstof koncentrationer som XWave. Klik gøre det. Punkterne, der vises på grafen.
- Bygge linjen kalibrering: Klik på analyse | Kurven montering | Fungere - line | Fra mål | Gør det. Linjen kalibrering og kalibrering koefficient (k) vises i vinduet.
5. Udfører jord feltmålinger i statisk tilstand
- forberede INS system for måling efter trin 3.
- Sted i systemet over webstedet kræver jordanalyse CO2 indhold manuelt eller ved bugsering ved hjælp af passende køretøj. Placer INS systemet sådan, at projektionen af neutron kilde er centreret over webstedet måles.
- Gennemføre handlinger følge trin 4.2.2 - 4.2.9 og 4.4.1 - 4.4.6 for fastlæggelse af Net C toparealer for undersøgelse sites.
- Beregne koncentrationen af CO2 i vægtprocent ved hjælp af kalibrering koefficient som
6. gennemføre felt jord målinger i tilstanden Scanning
- anslår den sti, som INS system vil rejse over feltet mens regnskab for rejsehastighed (≤ 5 km/h), feltet størrelse, INS systemressourcer (radius ~ 1 m) og måling tid (1 h) sådan, at den bevægelige bane til sidst dækker det hele felt område. For nemheds skyld, sted flag på slå punkter langs felt perimeter.
- Forberede INS system for måling efter trin 3.
- Gennemføre handlinger følge trin 4.2.2 - 4.2.3.
- Følg stien forudbestemt rejse for 1 h.
- Gennemføre handlinger følge trin 4.2.4 - 4.2.9 og 4.4.1 - 4.4.6 for fastlæggelse af Net C toparealer for feltet studerede.
- Beregne koncentrationen af CO2 i vægtprocent ved hjælp af kalibrering koefficient af ligning 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Jord INS & TNC og TNC gamma spektre
En generel opfattelse af de målte jord gamma spektre er vist i figur 4. Spektre består af et sæt af toppe på en kontinuerlig baggrund. De vigtigste toppe af interesse har centroids på 4,44 MeV og 1,78 MeV i INS & TNC spektre. Den anden top kan tilskrives silicium kerner indeholdt i jorden, og den første spidsbelastning er en overlappende peak fra carbon og silicium kerner. Proceduren for nettokulstofemission peak område udvinding fra disse spectra er beskrevet ovenfor. Denne procedure skal anvendes i alle tilfælde til bestemmelse af nettokulstofemission topareal udelukkende på grund af kulstof kerner. 11
Figur 4. En typisk Gamma spektre for jord målt ved INS System. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
INS system baggrundsmålinger
Netto INS spectra målt på forskellige system højde højder over jordoverfladen er vist i figur 5. 11 afhængigheder af toparealer med centroids på 1,78 MeV, 4,44 MeV og 6.13 MeV (ilt peak) med højde er illustreret i figur 6. Som vist i denne figur, ændre spektre ikke længere i højder over 4 m over jordoverfladen. Spektre i højder over 4 m kan derfor tilskrives gamma spectra, der vises på grund af interaktion mellem neutroner med system byggematerialer. Vi brugte en af disse spektre (på H = 6 m) som system baggrund spektrum i vores databehandling.
Figur 5. en) Net-INS spektre i forskellige INS system højder over jorden; b) Fragment af net-INS spectra omkring 1,78 MeV; og c) Fragment af net-INS spectra omkring 4,44 MeV. Pilen angiver stigende højde. 11 venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Afhængigheder af toppe områder med Centroids på 1,78, og 4.44 MeV i Net-INS Spectra INS ordning med skiftende højder over referencelederend. Klik her for at se en større version af dette tal.
Kalibrering
De netto INS spectra genereret under INS system kalibrering er vist i figur 7a. 11 fragmenter af de netto INS spectra nær 1,78 MeV og 4.44 MeV toppe er vist på en større skala i figurer 7b og 7 c, henholdsvis. Som det kan ses, stiger peak med en barycentrum 4,44 MeV med stigende kulstofindholdet i pit. På samme tid aftager peak med en barycentrum på 1,78 MeV lidt kulstof i pit stigninger. Afhængighed af nettokulstofemission topareal (beregnet ud fra disse spectra) med kulstofindholdet i pitten (udtrykt i vægtprocent) er vist i figur 8. 11 som kan ses, dette kan være repræsenteret af en direkte proportional afhængighed gennem oprindelse (0, 0 point) inden for eksperimentel fejl. Denne afhængighed blev brugt til at kalibrere yderligere målinger.
Figur 7. en) netto INS spektre for Gruber med sand-carbon blandinger på 0, 2.5, 5 og 10 carbon w % (ensartet blanding); b) Fragment af de netto INS spectra omkring 1,78 MeV; c) Fragment af den netto INS omkring 4,44 MeV. 11 venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8. Afhængighed af nettet Carbon topareal med CO2 koncentration i pitten (point med fejllinjer) og INS System kalibreringskurve (Solid Line). 11 venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Felt måling af kulstofindhold i statisk tilstand
CO2 indhold målinger i statisk tilstand blev gennemført på flere områder. Resultater fra Alabama landbrugs eksperiment Station Piemonte Forskningsenheden, Camp Hill, AL (110 m x 30 m) er præsenteret i tabel 1. Feltmålinger blev gennemført på kryds af 3 af 5 gitter med lige store afstande mellem gitterlinjer (samlede 15 steder). Som det fremgår af tabellen, kulstofindhold til individuelle skæringspunkter varierede mellem 1,4 til 3,1 w % med standardafvigelsen af alle målinger bliver ~0.3 w %. Til sammenligning, blev destruktive jordprøver også taget på hver lokalitet til bestemmelse af jordens kulstofindhold ved hjælp af metoden standard DC. Disse data er også præsenteret i tabel 1. Sammenligning af de to datasæt viste god aftale mellem begge metoder for hver lokation og for den gennemsnitlige værdi over hele området.
| Beliggenhed | INS målinger | Tør forbrænding målinger | |||||
| Site # | |||||||
| C | |||||||
Bord 1. Gennemsnitlig vægt procent i de øvre jordlag af tørre forbrænding og INS metoder.
Det er interessant at sammenligne CO2 distribution kort over feltet baseret på metoderne INS og DC (figur 9 og 10). Begge kort ser meget ens, men det skal bemærkes, at 2 dage blev brugt på INS kortlægning, mens ~ 2 måneder var forpligtet til at oparbejde prøver at skabe DC kort.
Figur 9. Carbon Distribution kort over feltet Camp Hill baseret på metoden INS. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10. Carbon Distribution kort over feltet Camp Hill baseret på metoden DC. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Felt måling af kulstofindhold i scannetilstand
Jordens videnskabsfolk er ofte interesseret i at bestemme kulstofindhold til store områder (f.eks., 100 x 100 meter). I stedet for bestemmelse af kulstof i steder 10 m fra hinanden (kræver 1 t pr. maaling ved hjælp af INS), er det muligt at bestemme den gennemsnitlige kulstofindhold til et 100 m x 100 m felt ved hjælp af INS scanningstilstand. I scannetilstand, er det muligt at tage INS målinger mens den passerer over hele feltet. Denne scanning måling kan foretages i den samme mængde tid til at måle et enkelt sted i statisk tilstand (1 h). Bevis og princippet om INS scanningstilstand er vist i denne artikel.
Det skal bemærkes, at den første forsøg til måling af kulstof i den scannetilstand var mindre end tilfredsstillende. De erhvervede scanning spectra var synligt forskelligt fra INS & TNC og TNC statisk tilstand spectra; toppene af interesse blev bredere og kortere med peak områder er meget mindre end observeret i statisk tilstand. Undersøgelser bestemmes, at denne forvridning skyldtes påvirkning af jordens magnetfelt gamma-detektor photomultiplier12. Du kan løse dette problem, blev en magnetisk skærm (mu-metal) brugt til at beskytte gamma-detektor. Test viste, at gamma spektre af en Co-60 Kontrolelementkilde var næsten identiske, uanset orientering af den screenede gamma detektor (lodrette, vandrette, skrå), mens peak centroids og toppe bredder ændres afhængigt af retningen af den screenede detektor. Disse resultatet viste, at effekten af jordens magnetfelt på photomultiplier kan undertrykkes ved hjælp af en magnetisk skærm. Magnetiske screening elimineret topforbredning og produceret en scanning gamma spectra, der så meget ligner statisk tilstand spektrene.
For at sammenligne statisk og scanning tilstande, statiske målinger af CO2 indhold blev udført (1 h) på 5 tilfældige steder inden for en 15 m x 45 m og måling i scannetilstand (1 h samlede) blev udført på det samme felt, som havde en ret ensartet kulstofindhold. Et kort over feltet viser individuelle målestederne og scanning stien er illustreret i Figur 11. De netto INS spektre af de 5 steder, statisk tilstand og af den scannetilstand er vist i figur 12. Som vist i figur 12, scanning mode spektrum ligner statisk tilstand spectra og falder i mid-range af alle statiske spektre.
Figur 11 . Kort over det felt viser statiske målestederne (stjerner) og stien Scanning (linjer). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 12 . Net INS spektre for statisk og scanning modes; indsatser er et fragment af de netto INS spectra omkring 4,44 MeV. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Resultaterne af nettokulstofemission peak område beregninger er vist i tabel 2. Som det kan ses fra den præsenteres data, værdien af nettokulstofemission topareal målt i scannetilstand er enig i den gennemsnitlige statiske tilstand værdi inden for eksperimentel fejl. Disse resultater viser sig, at INS scanning mode målinger kan bruges til at definere de gennemsnitlige CO2-indhold i et felt. Det er vigtigt at bemærke, at 5 h blev brugt bestemme gennemsnitlige CO2 indhold i statisk tilstand, mens kun 1 h var påkrævet i scannetilstand.
| Mode | Site # | Netto CO2 | STD, | Feltet gennemsnit |
| Topareal, cps | CPS | ±Std, cps | ||
| Statisk | 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 | ||
| Scanning | over området | 64,4 |
Tabel 2. Net Carbon topareal for statisk og Scanning Modes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bygger på det fundament af tidligere forskere, behandlet NSDL personale spørgsmål kritisk til praktiske og vellykket brug af denne teknologi i virkelige verden Feltindstillinger. I første omgang, påvist NSDL forskere nødvendigheden af at tage højde for INS system baggrund signal ved fastsættelsen af nettokulstofemission toparealer. 11 et andet forsøg viste at nettokulstofemission topareal karakteriserer de gennemsnitlige CO2 vægt procent i de øverste 10 cm jordlag (uanset carbon dybde distribution form) af direkte proportional afhængighed. Derudover udstyr, der kræves til INS system kalibrering (dvs., 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m Gruber med forskellige sand-carbon blandinger) blev bygget og kalibrering procedurer for virkelige verden applikationer var udviklet og udført. Den resulterende kalibreringskurve gør det muligt at bestemme jordens kulstofindhold fra målte nettokulstofemission topareal. Mens NSDL forskere har indarbejdet mange INS system design forbedringer, den seneste tilføjelse af magnetiske felt afskærmning af gamma detektorer giver mulighed for den praktiske brug af INS system scanning mode for stor skala undersøgelser af kulstof i jorden.
Erfaring med at anvende metoden INS for carbon jordanalyse afsløret flere kritiske protokol trin. For at opnå korrekt målingsresultater, er det kritisk at omhyggeligt kontrollere og justere detektor parametre ved hjælp af referencekilder; Dette er meget vigtigt for systemets stabilitet og reproducere måleresultater. System baggrund og kalibrering målinger er også kritiske trin til nøjagtig bestemmelse af jord kulstofindhold. Bemærk, at parametrene detektor bør være den samme for begge system baggrund og kalibrering målinger. Det er formålstjenligt at foretage kalibrering målinger (gruber og system baggrund) i flere timer til at øge nøjagtigheden af kalibrering koefficienter. Installation af magnetiske skærme på detektorer er kritisk for nøjagtig måling i den scannetilstand, da screenede detektorer producerer meget store fejl på grund af påvirkning af jordens magnetfelt. Desuden forbedrer magnetisk screening resultater i statisk tilstand.
Betydningen af at anvende metoden INS versus "gold standard" DC metode blev påvist under felttilknytning. Hastigheden af definere kulstofindholdet ved metoden INS var ~ 30 gange større end DC metoden. Andre fordele ved metoden INS blev diskuteret i afsnittet Introduktion.
Trods den påviste aftale mellem metoderne INS og DC ("gold standard") har den aktuelle ændring af INS teknik én vigtigste begrænsning, som er den minimale detectible niveau (1,5 w %). Da jord kulstofindhold kan være mindre end dette, vil fremtidige indsats fokusere på at forbedre følsomheden af INS system ved at øge antallet af gamma detektorer og optimere det samlede systemdesign eller ved at anvende target neutron metoder. 13
Trods denne begrænsning, kan den aktuelle ændring af INS systemet anbefales til jord carbon bestemmelse af individuelle placeringer og for carbon distribution tilknytningen af feltet terræner. Mulige fremtidige arbejde ved hjælp af metoden INS kan udforske måling andre jord elementer som kvælstof, jern og brint.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne står i gæld til Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch og Marlin Siegford for teknisk bistand i eksperimentelle målinger, og Jim Clark og Dexter LaGrand for bistand med computer-simuleringer. Vi takker XIA LLC for at tillade brugen af deres elektronik og detektorer i dette projekt. Dette arbejde blev støttet af NIFA ALA forskning kontrakt nr ALA061-4-15014 "Præcision geospatiale kortlægning af jordens kulstofindhold til landbrugets produktivitet og lifecycle management".
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).
