Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

מדידות של פחמן בקרקע על ידי ניתוח ניוטרון-גמא חשמל סטטי וסריקה מצבי

Published: August 24, 2017 doi: 10.3791/56270
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1National Soil Dynamics Laboratory, Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture

Summary

כאן, אנו מציגים את פרוטוקול בחיי עיר מדידה של פחמן בקרקע בטכניקה ניוטרון-גמא למדידות בנקודה אחת (מצב סטטי) או השדה הממוצע (מצב סריקה). אנחנו גם לתאר מערכת הבנייה ועיבוד נתונים הליכי הטיפול.

Abstract

יישום המתוארים בזאת וספקטרוסקופית פיזור שיטת (INS) עבור פחמן עכירות מבוססת על רישום וניתוח של קרני גמא נוצר בעת נייטרונים אינטראקציה עם אלמנטים בקרקע. החלקים העיקריים של המערכת הארצי הן גנרטור ניוטרון פעמו, גלאי גמא NaI(Tl), לפצל אלקטרוניקה כדי להפריד גמא ספקטרה בשל תוספות תהליכים תרמו-נייטרון הלכידה (TNC), ואת תוכנה עבור רכישת ספקטרה גמא ועיבוד נתונים. בשיטה זו יש כמה יתרונות על פני שיטות אחרות בכך שזה בשיטה גמישה בחיי עיר המודד את הפחמן הממוצע תוכן אדמה גדולים כרכים, מושפע החזרה המקומית שינויים חדים פחמן בקרקע, יכולים לשמש נייחים או מצבי סריקה. התוצאה של שיטת תוספות הוא פחמן מאתר עם טביעת של ~2.5 - 3 מ'2 במשטר נייח, או פחמן ממוצע של האזור שהועברה המשטר סריקה. טווח מדידה שיטת תוספות הנוכחית הוא > 1.5% משקל פחמן (± סטיית תקן 0.3 w %) לשכבת הקרקע העליון 10 ס מ עבור hmeasurement 1.

Introduction

הידע של אדמת בפחמן נדרש עבור אופטימיזציה של אדמה פריון ורווחיות, הבנת ההשפעה של קרקע חקלאית שימוש פרקטיקות משאבי הקרקע, והערכת אסטרטגיות עבור פחמן פחמיות1, 23,,4. פחמן בקרקע הוא מחוון אוניברסלי של איכות קרקע5. פותחו מספר שיטות למדידות פחמן בקרקע. יבש בעירה (DC) הייתה השיטה הנפוצה ביותר עבור שנים6; שיטה זו מבוססת על איסוף הדגימה השדה ואת מעבדה לעיבוד מידה היא הרסנית, עבודה אינטנסיבית ולאחר זמן רב. שתי שיטות חדשות יותר הן ספקטרוסקופית לייזר המושרה התמוטטות, ליד באמצע ספקטרוסקופית אינפרא אדום7. שיטות אלה גם הם הרסניים, רק לנתח את השכבה מאוד ליד-פני הקרקע (0.1 - 1 ס מ עומק הקרקע). בנוסף, שיטות אלה תשואות רק נקודת מדידות של פחמן תוכן עבור אמצעי אחסון מדגם קטן (~ 60 ס מ3 עבור שיטת DC ו- 0.01-10 ס מ3 עבור שיטות ספקטרוסקופית אינפרא אדום). מדידות כאלה נקודה להקשות לשחזר תוצאות שדה או נוף קשקשים. מאז שיטות אלה הם הרסניים, מדידות חוזרות הם גם בלתי אפשרי.

חוקרים קודמים כשהמטרה הציע החלת טכנולוגיה ניוטרון אדמה פחמן ניתוח (שיטת תוספות)7,8,9. המאמץ הראשוני הזה פיתח תאוריה ותרגול השימוש ניוטרון גמא ניתוח למדידה פחמן בקרקע. החל בשנת 2013, המאמץ הזה המשיך ב משרד החקלאות-ARS הלאומית אדמה Dynamics מעבדה (NSDL). הרחבת יישום טכנולוגי זה 10 השנים האחרונות היא בשל שני גורמים עיקריים: הזמינות של גנרטורים ניוטרון מסחרי זול יחסית, גלאי גמא ו אלקטרוניקה המתאימים בתוכנה; משוכללת ניוטרון-גרעינים אינטראקציה עם הפניה מסדי נתונים. בשיטה זו יש מספר יתרונות על פני אחרים. ניתן לתמרן מערכת תוספות, מניחים על משטח, מעל כל סוג שדה הדורש מידה. שיטה זו גמישה מקומיים ניתן לנתח אמצעי קרקעות גדול (~ 300 ק ג) יכול להיות אינטרפולציה על שדה חקלאי שלם באמצעות כמה מדידות. מערכת זו תוספות הוא גם מסוגל לפעול במצב סריקה הקובע פחמן ממוצע של אזור מבוסס על סריקה על רשת predetermine של השדה או נוף.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. בניית מערכת תוספות

  1. להשתמש הגיאומטריה כללי של מערכת תוספות המוצג באיור 1.

Figure 1
איור 1. הארצי מערכת גאומטריה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. להשתמש בעיצוב מערכת תוספות באיור 2. 10

Figure 2
באיור 2. סקירה כללית של מערכת INS.
A) בלוק הראשון מכיל מחולל ניוטרון, גלאי נייטרונים ומערכת החשמל; B) בלוק השני מכיל שלושה גלאי נאי (Tl); C) רחוב שלישי מכיל ציוד לפעולת המערכת; D) מבט כללי הרחוב הראשון מציג את הרכיבים הבודדים; E) תקריב תצוגה של שגלאי הגמא. 10 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. להשתמש שלושה רחובות במערכת תוספות (ראו נספח).
    1. לגוש הראשון (א), השתמש מחולל ניוטרון (NG) עם מערכת חשמל ( איור 2 א ו- 2D). נייטרון פעמו הפלט של זה מחולל יהיה 10 7 - 10 8 n/s עם ניוטרון האנרגיה של תהליך 14. מערכת החשמל יכלול ארבע סוללות (12 V, 105 Ah), מהפך DC-AC, ומטען. בלוק זה יכיל גם ברזל (10 ס"מ x 20 ס"מ x 30 ס מ), חומצה בורית (5 ס"מ x 20 ס"מ x 30 ס מ) כדי להגן גלאי הגמא של הקרנה ניוטרון.
      הערה: גלאי נייטרונים נכלל גם באגף הזה כדי לבדוק זה NG מתפקד כראוי.
    2. עבור בלוק השני (B), השימוש בציוד מדידה גמא ( איור 2B ו 2E). בלוק זה יכיל שלושה 12.7 ס"מ על 12.7 ס"מ x 15.2 ס"מ נצנוץ גלאי NaI(Tl) עם אלקטרוניקה המתאימים. גודל החיצוני גלאי עם אלקטרוניקה ימדוד 15.2 ס מ x 15.2 ס מ x 46 ס מ.
    3. עבור בלוק השלישי (C), להשתמש במחשב נישא השולטת על גנרטור ניוטרון (עם תוכנה הדמוקרטית הלאומית), גלאי ומערכת נתונים רכישה ( איור 2C).

2. התראה ודרישות אישי

  1. יש לכל משתמש של מערכת תוספות מעבר האימונים רדיולוגית.
  2. ודא כי כל אדם הפועלים NG את נושא ניטור קרינה, תג. במהלך המדידות, לגבול האזור המוגבל (> µSv 20/h) מסביב NG יהיה הסימן קרינה עם המילים " התראה, קרינה באזור. " מכל קצוות באזור הסגור יהיה לא פחות מ 4 מ מ NG.
  3. במקרה חירום, מיד לדחוף " להפריע חירום " על NG הלחצן הסר את המפתח NG, לנתק את NG ממקור החשמל.

3. הכנה של מערכת תוספות מדידה

  1. סימון מערכת החשמל. מחוון רמה החשמל במטען יהיה ירוק, או יותר מ 3 מנורות אדומות חייב להאיר. אם לא, יש לחבר את המטען לשקע חשמל ולחכות עד סוללות להיות טעונה במלואה (המנורה הירוקה דולקת) או עד רמת כוח מקובל (≥ 3 מנורות אדומה תדלק).
  2. הפעל את מהפך (אור נורה ירוקה) ואת המחשב הנייד.
  3. הפעל את התוכנית רכישת נתונים במחשב הנישא פועלים שגלאי הגמא ולבדוק את הפרמטרים הדרושים עבור כל גלאי. להיות מוגדרת והיא הקליט בעבר ב- INS לבדיקת מערכת הערכים של פרמטרים אלה.
    1. מקום מקור פקד Cs-137 (מכל סוג) תוך 5-15 ס מ גלאי.
    2. להתחיל ספקטרה רכישה עבור 1-3 דקות; לבדוק את centroids של 662 קוו Cs-137 שיא עבור כל גלאי. הם חייבים להיות בבית אותו ערוץ. אם לא, השתמש היקף מקדם אנרגיה כלום. המידע לא רכישת תוכנית על-ידי שינוי הערך כדי להתאים את centroids שיא קוו 662.
  4. להפעיל את NG באמצעות מפתח מיוחד. נורית מחוון על NG תדלק ירוק וצהוב -

4. כיול של מערכת תוספות

  1. להכין 4 בורות בגודל 1.5 מ' x 1.5 m x 0.6 מ' עם חול-פחמן הומוגנית תערובות ( איור 3). תוכן פחמן הוא 0, 2.5, 5 ו-10 w %.
    הערה: מערבל בטון היא נהגה להכין קרקע סינתטי מורכב קליפת קוקוס וחול בנייה (100% פחמן תוכן, ממוצע קוטר פרטנית < 0.5 מ מ). ההומוגניות של תערובות אלה נקבעת באופן חזותי.

Figure 3
איור 3. תצוגה של בור עם חול, בור עם תערובת של חול-פחמן % Cw 10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. לקחת מידות מעל בורות באמצעות השלבים הבאים.
    1. למקם את המערכת תוספות ייצלה באש באופן ידני או על-ידי גרירה עם הרכב המתאים. למקם את המערכת תוספות כך הקרנת המקור ניוטרון ממורכזת על הבור.
    2. להפעיל את התוכנה לדמוקרטים במחשב הנישא שמפעיל הגנרטור NG. בעמודה ' תקלות ' בצד ימין של המסך תוכנית הדמוקרטית הלאומית, וכל הנורות דולקת ירוק; אם לא, לחץ על הלחצן ' ניקוי '. הוסף את הפרמטרים הבאים: עבור פרמטרים של הדופק - תדירות 5 kHz, חובה מחזור 25%, לעכב µs 0, סיומת 2 µs; עבור Beam - מתח גבוה 50 kV, קרן 50 הנוכחי µA (שים לב כי הפרמטרים האלה יכולים להיות שונים בהתאם להגדרת המערכת תוספות מסוים פעילות).
      1. להפעיל את המתג במסך תוכנית לדמוקרטים ולחכות NG להזין המשטר עבודה שבו מתח גבוה של קרן הנוכחית יבוא יציב ערכים המייצגים הערכים שהוזנו; המאגר הנוכחי גם יגיע לערך יציב.
    3. להפעיל את התוכנה רכישת נתונים במחשב הנישא לפעול שגלאי הגמא. התחל ספקטרה רכישה באמצעות הפעלת התוכנית רכישת נתונים מאובטח. תהליכי רכישת שני ספקטרה (תוספות & TNC, TNC) תופיע על המסך.
    4. לאחר 1 h, להפסיק את רכישת ספקטרה ולשמור ספקטרה על הכונן הקשיח (קובץ | שמירת נתוני MCA | בחר את תיקיית והזן את שם קובץ.
      הערה: יהיו שני ספקטרה שנשמרו (TNC ו- INS) עם סיומות שם הקובץ .mca, _gated.mca, בהתאמה).
    5. לבחור השני גלאי (לחץ על החץ בפינה השמאלית העליונה) ולשמור את הספקטרום של גלאי זה. לעשות את אותו הדבר עבור גלאי השלישי.
    6. לחץ על קובץ | יציאה כדי לסגור את התוכנה-
    7. לכבות את התוכנה לדמוקרטים על-ידי ביטול הבורר במסך תוכנית לדמוקרטים.
    8. חזור על שלבים 4.2.1 - 4.2.7 לבורות אחרים.
    9. כבה NG באמצעות מפתח מיוחד. נורית מחוון על NG יהיה dim.
  2. לקבוע ספקטרום רקע מערכת תוספות להשביח ולהשיא את כל המערכת תוספות למרחק גדול מ- 4 מ' מעל פני הקרקע, והרחק חפצים גדולים, וחזור על הנתונים רכישת שלבים 4.2.2 - 4.2.9.
  3. עיבוד נתונים
    1. להשתמש תוכנית גיליון אלקטרוני כדי לפתוח קבצי נתונים השמורים בשלב 4.2.4. למצוא ערכים לפלט, קלט ספירת המחירים (OCR, ICR), בזמן אמת (RT) שורות 28, 27, 30, בהתאמה.
    2. לחשב את זמן החיים (LT) עבור IN & TNC TNC spectra עבור כל המדידות כמו
      זה אני = OCR אני / ICR אני ·RT אני (1),
      בהם OCR אני ו- ICR אני הרוזן, קלט פלט במחירים המדידה ה-i, RT אני הוא אמיתי זמן המדידה ה-i.
    3. לחשב את ספקטרום גאמא ב סעיפים לשניה (cps) על-ידי חלוקת הספקטרום (שורות 33-2080 בגיליון) על ידי סגן המתאימים
    4. לחשב ספקטרום תוספות נטו מ המידות המתאימות עבור כל בור כמו
      נטו תוספות ספקטרום = (תוספות & TNC - TNC) בור - (תוספות & TNC - TNC) Bkg (2)
    5. למצוא הגאמא פסגות 1.78 תהליך (28 Si) ואת תהליך 4.44 (12 C) בספקטרום תוספות נטו עבור כל בור, ולחשב את האזורים שיא (4.44 תהליך C שיא אזור, אזור פיק סי תהליך 1.78) באמצעות תוכנת איגור.
      1. פתח התוכנה על ידי לחיצה על הסמל כפול. הכנס הראשון ספקטרום תוספות נטו לתוך השולחן.
      2. לחץ על חלונות | גרף חדש | היעד | " קובץ " | תעשה את זה. הקשת מופיעה בחלון גרף. לחץ על גרף | הצג פרטי. החלונות עם A B סמני מופיע מתחת לחלון גרף-
      3. המקום מצביע העכבר על סימן א', לחצו על הכפתור השמאלי של העכבר, גרור את הסמן על הספקטרום בצד שמאל של הפסגה תהליך 1.78. מקם את מצביע העכבר על השלט B לחץ על הכפתור השמאלי של העכבר, גרור את הסמן על הספקטרום בצד הימני של הפסגה תהליך 1.78.
      4. לחץ על ניתוח | התאמה רב מגיעות לשיא | להתחיל התאמה רב מגיעות לשיא חדש | היעד | המשך. בחלון המוקפץ מסומן השימוש הסמן גרף | לינארית בסיסית | פסגות אוטומטי-לאתר עכשיו | את זה | התוצאות מגיעות לשיא. האזור של הפסגה מופיע בחלון המוקפץ.
      5. חזור על פעולות זהה עבור תהליך 4.44 שיא.
      6. לחזור על כל פעולות קודמות עם ספקטרום תוספות נטו הנותרים.
    6. למצוא הפחמן נטו אזורים שיא עבור כל בור באמצעות המשוואה
      C נטו שיא באזור אני = תהליך 4.44 C שיא באזור אני - 0.058 · תהליך 1.78 סי שיא באזור אני (3)
    7. לבנות קו כיול עבור מערכת INS בו כאביזר ישירה ortional התלות של השטח שיא פחמן נטו לעומת ריכוז פחמן מבוטא באחוזים משקל.
      1. פתח את הטבלה החדשה בתוכנה איגור: לחץ על חלון | הטבלה החדשה. הזן ערכים ריכוז פחמן בור העמודה הראשונה, לבין אזור שיא נטו C המתאימים בעמודה השניה.
      2. מגרש C נטו שיא באזור לעומת בור ריכוז פחמן: לחץ על חלונות | גרף חדש. בחר אזור C נטו שיא YWave ריכוזי פחמן כמו XWave. לחץ על לעשות את זה. הנקודות יופיעו בגרף.
      3. לבנות את הקו כיול: לחץ על ניתוח | עקומת התאמה | ושימושיות - קו | היעד | תעשה את זה. הקו כיול המקדם כיול (k) יופיעו בחלון.

5. ביצוע מדידות הקרקע במצב סטטי

  1. להכין את המערכת תוספות למדידה על פי שלב 3-
  2. למקם את המערכת מעל האתר הדורש ניתוח תוכן פחמן בקרקע באופן ידני או על-ידי גרירה באמצעות הרכב המתאים. למקם את המערכת תוספות כך הקרנת המקור ניוטרון ממורכזת על האתר הנמדדים.
  3. ליישם פעולות ביצוע השלבים 4.2.2 - 4.2.9 וגם 4.4.1 - 4.4.6 לקביעת נטו C אזורים שיא עבור האתרים המחקר.
  4. לחשב ריכוז פחמן % במשקל באמצעות המקדם כיול כמו
    Equation 1

6. ניצוח אדמה מדידות במצב סריקה

  1. מעריכים את הנתיב בו מערכת תוספות ייסעו מעל לשדה בזמן חשבונאות למהירות הנסיעה (≤ 5 קמ"ש), שדה גודל, תוספות למערכת (radius ~ 1 מ'), וטביעת זמן מדידה (1h) כך המסלול נע בסופו של דבר המכסה את השטח כל השדה. לנוחיותכם, במקום דגלים-להפוך נקודות לאורך למתחם שדה.
  2. להכין את המערכת תוספות למדידה על פי שלב 3-
  3. ליישם פעולות ביצוע השלבים 4.2.2 - 4.2.3.
  4. בצע את נתיב הנסיעה מראש עבור ה 1
  5. ליישם פעולות ביצוע השלבים 4.2.4 - 4.2.9 וגם 4.4.1 - 4.4.6 לקביעת נטו C אזורים שיא עבור השדה למדה.
  6. לחשב ריכוז פחמן % במשקל באמצעות המקדם כיול לפי משוואה 4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

אדמה תוספות & TNC, TNC גמא ספקטרה

מראה כללי של ספקטרום גמא האדמה שנמדד מוצג באיור4. הספקטרום מורכבות של קבוצת פסגות על רקע רציפה. הפסגות הראשי של עניין יש centroids 4.44 תהליך, תהליך 1.78 ה IN & TNC ספקטרה. הפסגה השנייה ניתן לייחס גרעינים סיליקון הכלול אדמה, השיא הראשון שיא חופפים מן הגרעינים פחמן וסיליקון. ההליך להפקת פחמן נטו שיא באזור מ ספקטרה אלה המתוארים לעיל. הליך זה אמור לשמש בכל המקרים לקביעת אזור הפסגה פחמן נטו אך ורק בשל פחמן גרעינים. 11

Figure 4

באיור 4. ספקטרה גאמה אופייני של קרקע נמדד על ידי מערכת INS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

תוספות למערכת רקע מדידות

נטו ספקטרה תוספות נמדדו בגבהים של העלאת רמת הרשאות מערכת שונים מעל פני הקרקע מוצגות באיור5. 11 יחסי תלות של האזורים שיא עם centroids-תהליך 1.78 4.44 תהליך, תהליך 6.13 (חמצן פיק) עם גובה מומחשים איור 6. כפי שמוצג באיור זה, הספקטרום שנה כבר לא בגבהים גדול מ- 4 מ' מעל פני הקרקע. בהתאם לכך, הספקטרום בגבהים גדול מ- 4 מ' ניתן לייחס ספקטרה גמא המופיעים עקב האינטראקציה של נייטרונים עם מערכת חומרי בנייה. השתמשנו באחד אלה ספקטרה (בגובה H = 6 מ') כמו הקשת רקע מערכת בעיבוד הנתונים שלנו.

Figure 5

איור 5. ) Net-IN ספקטרה בגבהים מערכת תוספות שונים מעל פני הקרקע; b) שבר של ספקטרום נטו-IN בסביבות 1.78 תהליך; c) שבר של ספקטרום נטו-IN בסביבות 4.44 תהליך. חץ מייעד הגדלת גובה. 11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6

איור 6. יחסי תלות של פסגות אזורים עם Centroids 1.78, ואת תהליך 4.44 ב ספקטרום נטו-IN עבור תוספות מערכת עם שינוי בגבהים מעל Grounד' אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

כיול

ספקטרום תוספות נטו שנוצרו במהלך ההגירה כיול המערכת מוצגים באיור 7 א. 11 קטעים של ספקטרום תוספות נטו ליד את תהליך 1.78, תהליך 4.44 פסגות מוצגים בקנה מידה גדול ב 7 דמויות ב ו- ג 7, בהתאמה. כפי שניתן לראות, הפסגה עם centroid של תהליך 4.44 עולה עם הגדלת בפחמן בבור. במקביל, הפסגה עם centroid-תהליך 1.78 מקטין מעט כמו פחמן מגביר הבור. התלות של פחמן נטו שיא באזור (שמחושבים אלה ספקטרה) בפחמן בבורות (המתבטא במשקל %) מוצג באיור8. 11 כפי שניתן לראות, זה יכול להיות מיוצג באמצעות יחס תלות ביחס ישיר עובר דרך ראשית הצירים (0, 0 נקודות) בגבולות שגיאה ניסיוני. תלות זו שימשה לכיול יותר מדידות.

Figure 7

איור 7. ) תוספות נטו spectra עבור בורות עם חול-פחמן תערובות 0, 2.5, 5, ופחמן 10% w (תערובת אחידה); b) שבר של ספקטרום תוספות נטו כ- 1.78 תהליך; c) שבר של ה net IN בסביבות 4.44 תהליך. 11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8

איור 8. התלות של השטח נטו פחמן שיא עם ריכוז פחמן, בורות (נקודות עם קווי שגיאה), וכן תוספות מערכת כיול (קו אחיד). 11 אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מדידות של תוכן פחמן במצב סטטי

מדידות תוכן פחמן במצב סטטי נערכו במספר אתרים שדה. תוצאות של אלבמה החקלאי ניסוי תחנת פיימונטה יחידת המחקר, מחנה היל, AL (110 מ' x 30 מ') מוצגים בטבלה 1. בתחום המדידות נערכו בצמתים של רשת 3 מאת 5 עם מרחקים שווים בין קווי רשת (סה כ 15 אתרים). כפי שניתן לראות מן השולחן, פחמן עבור נקודות צומת בודדים מגוונים בין 1.4 ל- 3.1% w עם סטיית תקן של כל המדידות להיות ~0.3 w %. לשם השוואה, דגימות. אדמה הרסנית נלקחו גם בכל מקום לקביעת תוכן פחמן בקרקע DC בשיטה הרגילה. נתונים אלה מוצגות בטבלה1. השוואה של שתי סדרות הנתונים הראה הסכם טוב בין שתי השיטות עבור כל מיקום ועל הערך הממוצע על כל השדה.

מיקום תוספות מדידות מדידות בעירה יבש
אתר #
C
arbon, w % STD, מגרש ממוצע פחמן, w % STD, מגרש ממוצע w % ±STD, w % w % ±STD, w % מחנה היל OF1 2.2 0.29 2.23±0.45 2.85 0.25 2.25±0.51 OF2 2.51 0.29 2.54 0.31 OF3 1.76 0.22 1.91 0.13 OF4 1.88 0.23 2.99 0.94 OF5 2.82 0.25 3.03 0.37 OF6 2.15 0.21 1.99 0.26 OF7 2.77 0.32 נקודות 1.92 0.41 OF8 2.52 0.25 2.44 0.15 OF9 2.06 0.26 1.79 0.27 OF10 2.17 0.27 2.25 0.45 OF11 2.39 0.22 2.23 0.3 OF12 3.11 0.31 2.91 0.47 OF13 1.44 0.25 1.49 0.42 OF14 1.93 0.29 1.8 0.19 OF15 1.86 0.27 1.67 0.25

טבלה 1- ממוצע אחוז משקל בשכבת הקרקע העליונה מאת בעירה יבש ושיטות INS.

. זה מעניין להשוות את מפות תפוצה פחמן של השדה המבוסס על שיטות תוספות ו- DC (איור 9 ו- 10). בשתי המפות נראה דומה מאוד, אך יצוין כי יומיים היו שהושקע המיפוי הארצי, בעוד ~ 2 חודשים נדרשו דגימות תהליך יצירת המפה DC.

Figure 9

איור 9. פחמן מפת תפוצה של השדה מחנה היל המבוסס על שיטת תוספות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10

איור 10. פחמן מפת תפוצה של השדה מחנה היל המבוסס על שיטת DC- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מדידות של תוכן פחמן במצב סריקה

מדענים קרקע מעוניינים לעיתים קרובות בקביעת בפחמן לשטחים גדולים (למשל, 100 מ' x 100 מ'). במקום קביעת פחמן במקומות 10 מ' אחד מהשני (דרישת 1h לכל מדידה באמצעות תוספות), זה אפשרי לקבוע פחמן ממוצע עבור שדה 100 מ' x 100 מ' באמצעות מצב סריקה הארצי. במצב סריקה, זה אפשרי לקחת תוספות מדידות תוך שהוא חולף על פני השדה כולו. מדידה זו סריקה יכול להתבצע באותו פרק הזמן הדרוש כדי למדוד את מיקום יחיד במצב סטטי (1h). הוכחה על עקרון מצב סריקה של תוספות מודגמות במאמר זה.

יצוין, כי הניסיון הראשון למדידת פחמן במצב סריקה היה פחות משביע רצון. ספקטרום סריקה שנרכשו היו שונים בעליל מכל ה IN & TNC, TNC ספקטרה במצב סטטי; הפסגות של עניין היו רחבים יותר ויותר קצרות עם אזורים שיא להיות הרבה פחות מ שנצפה במצב סטטי. נקבע כי זו העיוות היה בשל השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ על האופטיקה של גלאי הגמא12. כדי לפתור בעיה זו, השתמשו מסך מגנטי (mu-מתכת) מגן גלאי הגמא. בדיקות הראו ספקטרום גמא של מקור פקד Co-60 היה כמעט זהה ללא קשר הכיוון של גלאי הגמא מדוללת (אנכי, אופקי, נוטה), זמן שיא centroids ושל פסגות רוחב משתנה בהתאם הכיוון של גלאי unscreened. אלה התוצאות הראו כי ניתן לדכא את השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ על האופטיקה באמצעות מסך מגנטי. הקרנת מגנטית חיסלה שיא הרחבת והפיק ספקטרה גמא סריקה, שנראה דומה מאוד הספקטרום במצב סטטי.

כדי להשוות בין מצבי סריקה סטטי, מדידות סטטי של בפחמן בוצעו (1 h כל) במיקומים אקראיים 5 בתוך שדה 15 מ' x 45 מ', מדידה במצב (סה כ 1h) סריקה בוצעו באותו שדה שהיה בפחמן אחידה למדי. מפה של השדה מציג מיקומים מדידה בודדות והנתיב סריקה מודגם באיור11. ספקטרום תוספות נטו של המיקומים במצב סטטי 5 ושל מצב סריקה מוצגים באיור12. כפי שמוצג באיור 12, הספקטרום מצב סריקה דומה הספקטרום במצב סטטי והוא יורד בטווח אמצע של הספקטרום סטטי.

Figure 11

איור 11 . מפת שדה מציג סטטי מדידה המיקומים (כוכבים) ואת הנתיב סריקה (קווים). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 12

איור 12 . הארצי נטו spectra עבור סטטי סריקה מצבי; שיבוץ הוא קטע של ספקטרום תוספות נטו בסביבות 4.44 תהליך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

תוצאות החישובים באזור שיא פחמן נטו מוצגות בטבלה מס ' 2. כפי שניתן לראות מן הנתונים שהוצגו, הערך של אזור הפסגה פחמן נטו הנמדד במצב סריקה מסכים עם הערך הממוצע במצב סטטי בגבולות שגיאה ניסיוני. תוצאות אלה מוכיחים כי תוספות סריקת מצב מדידות ניתן להשתמש כדי להגדיר את התוכן פחמן ממוצע בשדה. חשוב לציין כי 5 שעות בילה קביעת בפחמן הממוצע במצב סטטי, ואילו רק 1 h נדרש במצב סריקה.

מצב אתר # פחמן נטו STD, השדה הממוצע
שיא באזור, cps cps ±STD, cps
חשמל סטטי 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
סריקה מעל שדה 64.4
d > 3.3 64.4±3.3

בטבלה 2. שטח נטו פחמן שיא עבור מצבי Static וסריקה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בונים על הקרן הוקמה על ידי חוקרים קודמים, הצוות NSDL התייחס שאלות קריטיות לשימוש מעשי ומוצלח של טכנולוגיה זו בהגדרות שדה בעולם האמיתי. בתחילה, חוקרים NSDL הפגינו את הצורך להביא בחשבון האות רקע מערכת תוספות בקביעת אזורי שיא פחמן נטו. 11 מאמץ נוסף הראה כי האזור שיא פחמן נטו המאפיינת את אחוז המשקל פחמן ממוצע לשכבת הקרקע העליונה 10 ס מ (ללא קשר פחמן עומק הפצה shape) על ידי התלות ביחס ישיר. בנוסף, ציוד נדרש לצורך כיול המערכת הארצי (דהיינו, כ- 1.5 מ' x 1.5 m x 0.6 מ' בורות עם תערובות שונות של חול-פחמן) נבנה, כיול ההליכים הדרושים ליישומים מהעולם האמיתי היו פיתח וביצע. הקו כיול הנובעת מעבד את זה אפשר לקבוע אדמה בפחמן מאזור השיא שנמדדה פחמן נטו. בעוד NSDL החוקרים שילבו שיפורי תכנון מערכת תוספות רבות, התוספת האחרונה של השדה המגנטי מיגון של גלאי גמא מאפשר שימוש מעשי של מערכת תוספות במצב לחקירות בקנה מידה גדול של אדמה פחמן סריקה.

ניסיון ביישום שיטת תוספות עבור ניתוח פחמן בקרקע גילה מספר שלבים קריטיים פרוטוקול. כדי להשיג תוצאות המדידה הנכונה, חשוב לבדוק בקפידה, להתאים את הפרמטרים גלאי באמצעות מקורות מידע לעיון; זה חשוב מאוד עבור יציבות המערכת, מתרבה תוצאות המדידה. מדידות רקע וכיול המערכת הם גם שלבים קריטיים עבור קביעה מדויקת של אדמת בפחמן. שימו לב כי הפרמטרים גלאי צריך להיות זהה עבור שתי מדידות רקע וכיול של מערכת. . זה מועיל לערוך מדידות כיול (בורות ורקע המערכת) למשך מספר שעות להעלות את רמת הדיוק של כיול מקדמים. התקנת מסכי מגנטי על גלאי הוא קריטי עבור מדידה מדויקת במצב סריקה מאחר גלאי unscreened לייצר שגיאות גדולות מאוד בשל השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ. בנוסף, הקרנת מגנטית משפר תוצאות במצב סטטי.

החשיבות של שימוש בשיטת תוספות לעומת השיטה DC "gold standard" הודגם במהלך מיפוי השדות. המהירות של הגדרת פחמן בשיטת הארצי היה ~ 30 פעמים יותר מאשר השיטה DC. יתרונות נוספים של שיטת תוספות נדונו בסעיף מבוא.

למרות ההסכם הפגינו בין השיטות ("תקן הזהב") DC והתבניות, השינוי הנוכחי של הטכניקה תוספות יש מגבלה אחת הראשי, אשר הוא הרמה detectible מינימלי (1.5 w %). מאז אדמה בפחמן יכול להיות פחות מזה, המאמצים העתידיים יתרכז שיפור הרגישות של מערכת תוספות על-ידי הגדלת מספר שגלאי הגמא ומיטוב התכנון הכולל של המערכת או על ידי יישום יעד ניוטרון שיטות. 13

למרות מגבלה זו, השינוי הנוכחי של מערכת תוספות יכול להיות מומלץ לקביעת פחמן בקרקע המיקומים בודדים למיפוי הפצה פחמן של שדה terrains. אפשרי עבודה עתידיות באמצעות שיטת תוספות יכול לחקור מדידת רכיבים קרקע אחרים כגון חנקן, ברזל ו מימן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים חבים בארי ג דורמן, רוברט א Icenogle, חואן רודריגז, מוריס ג ולש של מרלין Siegford לסיוע טכני במדידות ניסיוני, ג'ים קלארק, דקסטר LaGrand לקבלת סיוע עם סימולציות מחשב. אנו מודים שיה LLC להתרת השימוש שלהם אלקטרוניקה, גלאי בפרויקט זה. עבודה זו נתמכה על-ידי NIFA עלא מחקר החוזה לא ALA061-4-15014 "גאו-מרחביים דיוק המיפוי של אדמת בפחמן עבור פרודוקטיביות החקלאי וניהול מחזור החיים".

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method. Vadose Zone J. 15 (2), (2016).
  12. Knoll, G. F. Radiation Detection and Measurement. , 3rd, Inc. John Willey & Sons. New York. (2000).
  13. 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).

Tags

הנדסה גיליון 126 פחמן אדמה ניתוח מחולל ניוטרון פיזור וספקטרוסקופית לכידת נייטרון תרמי טכניקה ניוטרון-גמא
מדידות של פחמן בקרקע על ידי ניתוח ניוטרון-גמא חשמל סטטי וסריקה מצבי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior,… More

Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., Torbert, H. A. Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes. J. Vis. Exp. (126), e56270, doi:10.3791/56270 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter