Summary
Här presenterar vi protokollet för i situ mätning av kol i marken med hjälp av neutron-gamma tekniken för enda punkt mätningar (statiskt läge) eller fältet medelvärden (sökningsläge). Vi beskriver också Systemkonstruktion och utarbeta data behandling förfaranden.
Abstract
Häri beskrivs tillämpningen av oelastisk neutronen spridning (INS) metod för analys av jord carbon bygger på registrering och analys av gammastrålar som skapas när neutroner interagera med jord element. De viktigaste delarna av INS systemet är en pulsad neutron generator, NaI(Tl) gamma detektorer, split elektronik att separera gamma spectra på grund av INS och thermo-neutron capture (TNC) processer och programvara för gamma spectra förvärv och databehandling. Denna metod har flera fördelar jämfört med andra metoder i att det är en icke-förstörande i situ -metod som mäter den genomsnittliga kol innehåll i stora jord volymer, påverkas obetydligt av lokala skarpa ändringar i kol i marken och kan användas i stationära eller skanningslägen. Resultatet av metoden INS är kolhalten från en webbplats med ett fotavtryck av ~2.5 - 3 m2 i det stationära systemet eller genomsnittliga kolinnehållet i området genomkorsas i skanning regimen. Mätområdet för det nuvarande INS-systemet är > 1,5 kol vikt % (standardavvikelsen ± 0,3 w %) i det övre 10 cm jord lagret för en 1 hmeasurement.
Introduction
Kunskap om markens kolinnehåll krävs för optimering av markens produktivitet och lönsamhet, förstå effekterna av jordbruksmark användarpraxis på markresurserna och utvärdera strategier för kol kvarstad1, 2,3,4. Kol i marken är en universell indikator på markens kvalitet5. Flera metoder har utvecklats för jord carbon mätningar. Torr förbränning (DC) har varit den mest använda metoden för år6. Denna metod är baserad på fältet provsamling och laboratorium bearbetning och mätning som är destruktiv, labor intensiv och tidskrävande. Två nyare metoder är laserinducerad uppdelning spektroskopi och nära och mid infraröd spektroskopi7. Dessa metoder är också destruktiva och endast analysera den mycket ytnära jordlager (0.1 - 1 cm jord djup). Dessutom, dessa metoder endast ge punkt mätning av kolhalten för små provvolymer (~ 60 cm3 för DC metod och 0,01-10 cm3 för infraröd spektroskopi metoder). Sådan punkt mätningar gör det svårt att extrapolera resultat i fält eller liggande fjäll. Eftersom dessa metoder är destruktiva, är återkommande mätningar också omöjligt.
Tidigare forskare vid Brookhaven National Laboratory föreslog neutron-tekniken för jord kol analys (INS-metoden)7,8,9. Detta inledande arbete utvecklat teorin och övar av använda neutron gamma analys för jord carbon mätning. Från och med 2013, fortsatte denna ansträngning på den USDA-ARS nationella jord Dynamics laboratorium (NSDL). Utbyggnaden av detta tekniska program under de senaste 10 åren beror på två huvudfaktorer: tillgången till relativt billiga kommersiella neutron generatorer, gamma detektorer och motsvarande elektronik med programvaran; och toppmoderna neutron-kärnor interaktion referensdatabaser. Denna metod har flera fördelar över andra. Ett system för INS, placeras på en plattform, kunde manövreras över någon typ av fält som kräver mätning. Icke-förstörande in situ - metoden kan analysera stora jordar volymer (~ 300 kg) som kan interpoleras till en hela jordbruksområdet med bara några mätningar. Detta INS system är också kan arbeta i skanningsläge som bestämmer genomsnittliga kolinnehållet i ett område baserat på Skanna över ett predetermine rutnät i fältet eller landskap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. byggandet av INS systemet
- använda allmänna INS systemet geometrin visas i figur 1.
figur 1. INS systemet geometrin. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- använda INS systemets utformning visas i figur 2. 10
figur 2. Översikt över systemets INS.
A) första blocket innehåller neutron generator, neutron detektor och kraftsystem; B) andra blocket innehåller tre NaI (Tl) detektorer; C) tredje block innehåller utrustning för systemdrift; D) allmänna syn på det första blocket visar enskilda komponenter; och E) närbild bild av gamma detektorerna. 10 vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
- använda tre block i INS-systemet (se bilaga).
- För det första blocket (A), Använd en neutron generator (NG) och power system ( figur 2A och 2D). Pulsad neutron produktionen av denna generator kommer vara 10 7 - 10 8 n/s med neutronenergin med 14 MeV. Kraftsystemet kommer att bestå av fyra batterier (12 V, 105 Ah), en DC-AC Inverter, och en laddare. Detta block innehåller också järn (10 x 20 cm x 30 cm) och borsyra (5 x 20 cm x 30 cm) avskärmning för att skydda gamma detektorn från neutronbestrålning.
Obs: En neutron detektor ingår också i detta block för att kontrollera att NG fungerar. - För det andra blocket (B), använda utrustning för mätning av gamma-ray ( figur 2B och 2E). Detta block kommer att innehålla tre 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm scintillation NaI(Tl) detektorer med motsvarande elektronik. Utvändig storlek av detektorerna med elektronik kommer att mäta 15,2 cm x 15.2 cm x 46 cm.
- För tredje blocket (C), Använd en bärbar dator som kontrollerar neutron generator (med DNC programvara), detektorer och datainsamlingssystemet ( figur 2 c).
- För det första blocket (A), Använd en neutron generator (NG) och power system ( figur 2A och 2D). Pulsad neutron produktionen av denna generator kommer vara 10 7 - 10 8 n/s med neutronenergin med 14 MeV. Kraftsystemet kommer att bestå av fyra batterier (12 V, 105 Ah), en DC-AC Inverter, och en laddare. Detta block innehåller också järn (10 x 20 cm x 30 cm) och borsyra (5 x 20 cm x 30 cm) avskärmning för att skydda gamma detektorn från neutronbestrålning.
2. Försiktighet och personliga behov
- har varje användare av INS system pass radiologisk utbildning.
- Se till att varje person som driver NG bär en strålning badge. Vid mätningar av begränsade området gränsen (> 20 µSv/h) runt NG har symbolen strålning med orden " försiktighet, strålning området. " alla kanter av det begränsade området blir inte mindre än 4 m från NG.
- i en nödsituation, omedelbart skjuta den " akut avbryta " knappen på NG, ta bort nyckel från NG och koppla ur NG från strömkällan.
3. Beredning av INS systemet för mätning
- Kontrollera kraftsystemet. Nivå strömindikatorn på laddaren blir grön, eller mer än 3 röda lampor ska lysa upp. Om inte, Anslut laddaren till ett eluttag och vänta tills batterierna blivit fulladdade (grön lampa tänds) eller tills en acceptabel strömnivå nås (≥ 3 röda lampor tänds).
- Aktivera inverter (gröna lampan lyser) och laptop.
- Kör programmet data förvärv på den bärbara datorn att driva gamma detektorerna och kontrollera parametrarna som krävs för varje detektor. Värdena för dessa parametrar kommer att definieras och spelats in tidigare på INS systemtestning.
- Placera en Cs-137 Kontrollkälla (alla typer) inom 5-15 cm från detektorerna.
- Starta spectra förvärv för 1-3 min, kolla centroids av 662 keV Cs-137 topp för alla detektorer. De måste vara på samma kanal. Om inte, Använd energi koefficient omfattning resultaten förvärvet programmet genom att ändra värdet för att justera de 662 keV peak centroids.
- Slå på NG med hjälp av den speciella nyckeln. Indikatorlampan på NG kommer att lysa grönt och gult.
4. Kalibrering av systemet för INS
- förbereda 4 gropar storlek 1,5 x 1,5 m x 0,6 m med homogena sand-kol blandningar ( figur 3). Kolinnehåll är 0, 2,5, 5 och 10 w %.
Obs: En betongblandare används att göra syntetiska jord består av konstruktion sand och kokos skalet (100% kolhalt, genomsnittlig granulat diameter < 0,5 mm). Homogenitet av dessa blandningar bestäms visuellt.
figur 3. Vy av grop med Sand och grop med 10 FV % Sand-kol blandning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- ta mätningar över gropar med följande steg.
- Placera INS systemet över gropen manuellt eller genom bogsering med en lämplig vehikel. Placera INS systemet så att projektionen av neutronkällan är centrerad på gropen.
- Kör DNC programvaran på den bärbara datorn som driver den NG generatorn. I fel kolumn på höger sida av skärmen för DNC-programmet lyser alla lampor grönt; om inte, klicka på knappen Rensa. Infoga följande parametrar: för puls parametrar - frekvens 5 kHz, duty cycle 25%, fördröjning 0 µs, förlängning 2 µs; för balk - högspänning 50 kV, beam nuvarande 50 µA (Observera att dessa parametrar kan vara olika beroende på den särskilda INS systeminställningsprogrammet och uppgift).
- Aktivera switchen på skärmen DNC program och vänta på NG ange arbetande regimen där den högspänning och Beam nuvarande kommer till stabila värden som motsvarar de angivna värdena; Reservoaren nuvarande kommer också att komma till ett stabilt värde.
- Köra data förvärv programvaran på den bärbara datorn att fungera gamma detektorerna. Starta spectra förvärv genom att köra programmet data förvärv för 1 h. De två spectra förvärv processerna (INS & TNC och TNC) visas på skärmen.
- Efter 1 h, stoppa spectra förvärvet och spara spectra till hårddisken (fil | Spara MCA Data | Välj mappen och ange filnamnet.
Obs: Det kommer att finnas två sparade spectra (TNC och INS) med filnamnstillägg .mca och _gated.mca, respektive). - Välj andra detektor (klicka på pilen i det övre vänstra hörnet) och spara spektra för denna detektor. Gör samma sak för tredje detektor.
- Klicka på filen | Exit för att stänga programmet.
- Stäng av DNC mjukvaran genom att inaktivera växeln på skärmen DNC program.
- Upprepa steg 4.2.1 - 4.2.7 för andra groparna.
- Inaktivera NG med hjälp av den speciella nyckeln. Indikatorlampan på NG kommer mått
- Bestämma INS systemet bakgrund spektra genom att upphöja hela INS systemet till ett avstånd som är större än 4 m över markytan och från några stora föremål och upprepa data förvärv steg 4.2.2 - 4.2.9.
- Bearbetning
- använda ett kalkylprogram för att öppna datafiler sparade i steg 4.2.4. Hitta värden för utgång och ingång räkna priser (OCR och ICR) och realtid (RT) i rader 28, 27 och 30, respektive.
- Beräkna livslängden (LT) för INS & TNC och TNC spektra för alla mätningar som
LT jag = OCR jag / ICR jag ·RT jag (1),
där OCR jag och ICR jag är utgående och ingående räkna priser för stickprovets mätning och RT jag är verklig tid av stickprovets mätningen. - Beräkna gamma spektra i räknas per sekund (cps) genom att dividera spektra (rader 33-2080 i kalkylbladet) med den motsvarande LT.
- Beräkna netto INS spektra från motsvarande mätningarna för varje grop som
Netto INS Spectrum = (INS & TNC - TNC) grop - (INS & TNC - TNC) Bkg (2) - hitta gamma toppar 1.78 MeV (28 Si) och 4,44 MeV (12 C) i det netto INS spektrumet för varje grop, och beräkna områdena peak (4,44 MeV C topp område, 1.78 MeV Si topparea) med IGOR programvara.
- Öppna programvaran genom att dubbelklicka på ikonen. Infoga första Net INS spektrum i tabellen.
- Klicka på Windows | Nya diagram | Från mål | " filnamn " | Gör det. Skalan visas i fönstret diagram. Klicka på diagram | Visa Info. Fönstren med A och B markörer visas under fönstret graf.
- Placera muspekaren på koden A, tryck vänster musknapp och dra markören till spektrum på vänster sida av 1.78 MeV toppen. Placera muspekaren på tecknet B, tryck vänster musknapp och dra markören till spektrum höger 1.78 MeV toppens.
- Klicka på analys | Flera topp Fit | Starta nya multi topp Fit | Från mål | Fortsätta. I popup-fönstret markerade använda grafen markören | Baslinjen linjär | Auto-leta toppar nu | Göra det | Topp resultat. Området i toppen visas i popupfönstret.
- Upprepa samma åtgärder för 4,44 MeV peak.
- Upprepa alla tidigare operationer med resterande netto INS spektra.
- Hitta den nettobindning av koldioxid peak områden för varje grop av ekvationen
Net C peak område jag = 4,44 MeV C peak område jag - 0.058 · 1.78 MeV Si peak område jag (3) - bygga kalibreringskurvan för INS-systemet som en direkt prop ortional beroende av nettobindning av koldioxid toppens vs. kolhalten uttryckt i viktprocent.
- Öppna ny tabell i IGOR programvara: Klicka på fönster | Ny tabell. Ange grop kol koncentrationsvärden i första kolumnen och motsvarande netto C Toppens i den andra kolumnen.
- Tomt Net C peak området vs grop kolhalten: Klicka på Windows | Nya diagram. Välj Net C topparea som YWave och kol koncentrationer som XWave. Klicka på gör det. Punkterna som visas i diagrammet.
- Bygga kalibreringskurvan: Klicka på analys | Kurva montering | Funktion - line | Från mål | Gör det. Kalibreringskurvan och Kalibreringskoefficienten (k) visas i fönstret.
5. Bedriva jord fältmätningar i statiskt läge
- förbereda INS systemet för mätning enligt steg 3.
- Placera systemet över platsen för att kräva Jordanalys kol innehåll manuellt eller genom bogsering med lämplig vehikel. Placera INS systemet så att projektionen av neutronkällan är centrerad över webbplatsen mäts.
- Genomföra följande steg 4.2.2 - 4.2.9 och 4.4.1 - 4.4.6 för att avgöra Net C peak områden för studiecentra.
- Beräkna kolhalten i vikt % använder Kalibreringskoefficienten som
6. bedriva jord fältmätningar i Scanning Mode
- uppskatta den väg som INS systemet kommer att resa över fältet medan redovisning för hastighet (≤ 5 km/h), fält storlek, INS systemfotavtryck (radius ~ 1 m) och tid (1 h) sådana att flytta banan så småningom täcker området hela fältet. För enkelhetens skull slå plats flaggor på punkter längs fältet omkretsen.
- Förbereda INS systemet för mätning enligt steg 3.
- Genomföra följande steg 4.2.2 - 4.2.3.
- Följa den förutbestämda resor väg för 1 h.
- Genomföra följande steg 4.2.4 - 4.2.9 och 4.4.1 - 4.4.6 för att avgöra Net C peak områden för det studera fältet.
- Beräkna kolhalten i vikt % använder Kalibreringskoefficienten genom ekvation 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Jord INS & TNC och TNC gamma spectra
En allmän bild av uppmätta jord gamma spektra visas i figur 4. Spektra består av en uppsättning toppar på en kontinuerlig bakgrund. De huvudsakliga topparna av intresse har centroids 4,44 MeV och 1.78 MeV i modulerna & TNC spectra. Den andra toppen kan hänföras till kisel kärnor som finns i marken, och den första toppen är en överlappande topp från kol och kisel kärnor. Förfarandet för nettobindning av koldioxid peak området utvinning från dessa spektra beskrivs ovan. Detta förfarande bör användas i alla fall för att fastställa nettobindning av koldioxid toppens uteslutande beror på kol atomkärnor. 11
Figur 4. En typisk Gamma Spectra för jord mäts av systemet för INS. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
INS system bakgrundsmätningarna
Netto INS spectra mätt på olika system höjd höjder ovanför markytan visas i figur 5. 11 beroenden av peak områden med centroids på 1,78 MeV, 4,44 MeV och 6.13 MeV (syre peak) med höjd illustreras i figur 6. I denna figur visas spektra inte längre ändra på höjder högre än 4 m över markytan. Spektra på höjder högre än 4 m kan således tillskrivas gamma spectra som visas på grund av samspelet mellan neutroner med systemet byggmaterial. Vi använde en av dessa spektra (på H = 6 m) som systemet bakgrund spektrumet i vår databehandling.
Figur 5. en) Net-INS spectra på olika INS system höjd över marken. b) Fragment av net-INS spektra cirka 1,78 MeV. och c) Fragment av net-INS spektra runt 4,44 MeV. Pilen designerar ökande höjd. 11 vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 6. Beroenden av toppar områden med Centroids på 1,78, och 4,44 MeV i Net-INS spektra för INS System med ändra höjder ovanför the Ground. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Kalibrering
Netto INS spektra genererade under INS systemet kalibrering visas i figur 7a. 11 fragment av net INS spektra nära den 1,78 MeV och 4,44 MeV toppar visas i större skala i siffror 7b och 7 c, respektive. Som kan ses, ökar toppen med en centroiden av 4,44 MeV med ökande kolhalt i gropen. Samtidigt minskar toppen med en centroiden på 1,78 MeV något som kol i gropen ökar. Beroendet av nettobindning av koldioxid topparean (beräknas från dessa spektra) med kolhalt i gropar (uttryckt i viktprocent) visas i figur 8. 11 som kan ses, detta kan representeras av ett direkt proportionellt beroende passerar genom origo (0, 0 punkt) inom experimentella fel gränser. Detta beroende har använts för att kalibrera ytterligare mätningar.
Figur 7. en) Net INS spectra för gropar med sand-kol blandningar på 0, 2,5, 5 och 10 carbon w % (enhetlig blandning); b) Fragment av net INS spektra cirka 1,78 MeV. c) Fragment av de netto INS runt 4,44 MeV. 11 vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 8. Beroende av Net Carbon toppens med kolhalten i gropar (punkterna med felstaplar) och INS System kalibrering Line (heldragen linje). 11 vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Fältmätningar av kolhalten i statiskt läge
Kol innehåll mätningar i statiskt läge genomfördes på flera fält platser. Resultaten från Alabama Experiment Station Piemonte forskning jordbruksenheten, Camp Hill, AL (110 x 30 m) presenteras i tabell 1. Fältmätningar genomfördes i skärningspunkten för en 3 av 5 rutnät med lika avstånd mellan stödlinjer (totalt 15 platser). Som kan ses från tabellen, kolhalten för enskilda skärningspunkter varierade mellan 1,4 till 3,1 w % med standardavvikelsen för alla mätningar är ~0.3 w %. För jämförelse togs också destruktiva jordprover på varje plats för att fastställa markens kolinnehåll med metoden standard DC. Uppgifterna presenteras också i tabell 1. Jämförelse av de två datauppsättningarna visade bra avtal mellan båda metoderna för varje plats och det genomsnittliga värdet över hela fältet.
| Läge | INS mätningar | Torr förbränning mätningar | |||||
| Plats # | |||||||
| C | |||||||
Tabell 1. Genomsnittliga viktprocent i det övre markskiktet av torr förbränning och INS metoder.
Det är intressant att jämföra kol fördelning kartlägger av fältet baserat på metoderna INS och DC (figur 9 och 10). Både kartor ser väldigt lika, men det bör noteras att 2 dagar spenderades på INS kartläggning, medan ~ 2 månader var tvungna att processen prover att skapa DC kartan.
Figur 9. Carbon Distribution karta över fältet Camp Hill utifrån metoden INS. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10. Carbon Distribution karta över fältet Camp Hill utifrån metoden DC. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Fältmätningar av kolhalten i sökningsläge
Jord forskare är ofta intresserade att bestämma kolhalt för stora områden (e.g., 100 x 100 m). I stället för att fastställa kol i platser 10 m mellanrum (som kräver 1 h per mätning använder INS), är det möjligt att fastställa genomsnittliga kolhalten 100 x 100 m i fältet använder INS genomsökningsläget. I sökningsläge är det möjligt att ta INS mätningar medan passerar över hela fältet. Denna scanning mätning kan utföras i samma mängd tid som behövs för att mäta en enda plats i statiskt läge (1 h). De bevis och principen om INS genomsökningsläget demonstreras i den här artikeln.
Det bör noteras att det första försöket för att mäta koldioxid i genomsökningsläget var mindre än tillfredsställande. Förvärvade skanning spektra var synbart olika från INS & TNC och TNC statiskt läge spectra; topparna av intresse var bredare och kortare med peak områden är mycket mindre än vad som observerats i statiskt läge. Undersökningar fastställt att denna snedvridning på grund av påverkan av jordens magnetfält på gamma detektorns fotomultiplikatorn12. Lös problemet, användes en magnetisk skärm (mu-metal) för att skydda gamma-detektorn. Tester visade att gamma spektra av en Co-60 Kontrollkälla var nästan identiska oavsett orientering avskärmat gamma detektorn (vertikal, horisontell, lutande), medan topp centroids och toppar bredder ändras beroende på orienteringen för den oskärmade detektor. Dessa resultat visade att effekten av jordens magnetfält på fotomultiplikatorn kan dämpas med hjälp av en magnetisk skärm. Magnetiska screening elimineras toppbreddning och producerade en skanning gamma spectra som liknade mycket statiskt läge spektra.
För att jämföra statiska och scanning lägen, statiska mätningar av kolhalten utfördes (1 h varje) på 5 slumpmässiga platser inom en 15 x 45 m och mätning i sökningsläge (1 h totalt) utfördes på samma fält som hade en ganska enhetlig kolhalt. En karta över fältet visar enskilda mätpunkternas läge och skanning sökvägen illustreras i figur 11. Netto INS spektra av 5 statiskt läge platser och för genomsökningsläget visas i figur 12. I figur 12visas scanning mode spektrumet liknar statiskt läge spektra och faller i mellanklassen av alla statiska spektra.
Figur 11 . Karta över fältet visar statisk mätning platserna (stjärnor) och skanning sökvägen (linjer). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12 . Net INS spectra för statiska och skanning lägen; infälld är ett fragment av de netto INS spectrana runt 4,44 MeV. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Resultaten av nettobindning av koldioxid peak området beräkningarna redovisas i tabell 2. Som kan ses från presenterade uppgifter, instämmer värdet för topparean nettobindning av koldioxid mätt i sökningsläge värdet genomsnitt statiskt läge inom gränserna för experimentella fel. Dessa resultat visar att INS scanning mode mätningar kan användas för att definiera genomsnittliga kolhalten i ett fält. Det är viktigt att notera att 5 h spenderades fastställa genomsnittliga kolhalten i statiskt läge, medan endast 1 h krävdes i sökningsläge.
| Läge | Plats # | Nettobindning av koldioxid | STD, | Genomsnittet för fältet |
| Topparea, 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 | över fältet | 64,4 |
Tabell 2. Net Carbon topparea för statisk och Scanning lägen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bygga på den grund som fastställts av tidigare forskare, behandlas NSDL personalen frågor som är kritiska till praktiska och framgångsrik användning av denna teknik i verkliga världen Fältinställningar. Inledningsvis visat NSDL forskare nödvändigheten att ta hänsyn till INS systemet bakgrund signalen när fastställandet av nettobindning av koldioxid peak områden. 11 ett nytt försök visade att nettobindning av koldioxid toppens präglar de genomsnittliga koldioxidutsläpp viktprocent i övre 10 cm jord skiktet (oavsett kol djup fördelning form) av direkt proportionellt beroende. Dessutom utrustning krävs för INS systemet kalibrering (dvs, 1,5 x 1,5 m x 0,6 m gropar med olika sand-kol blandningar) konstruerades och kalibrering förfaranden som är nödvändiga för de verkliga praktiska tillämpningarna utvecklades och utförs. Den resulterande kalibrering linjen gör det möjligt att fastställa markens kolinnehåll från uppmätta nettobindning av koldioxid topparea. Medan NSDL forskare har införlivat många INS system designförbättringar, tillåter det senaste tillskottet av magnetfält skärmning av gamma detektorer för den praktiska användningen av INS systemet sökningsläge för storskaliga undersökningar av kol i marken.
Erfarenhet av tillämpning av INS för kol Jordanalys avslöjade flera kritiska protokollstegen. För att erhålla rätt mätresultat, är det viktigt att noggrant kontrollera och Justera detektorn parametrar med hjälp av referenskällor; Detta är mycket viktigt för systemets stabilitet och återger mätresultat. Systemet bakgrund och kalibrering mätningarna är också kritiska steg för noggrann bestämning av jord kolhalt. Observera att parametrarna detektor bör vara samma för båda system bakgrund och kalibrering mätningarna. Det är lämpligt att utföra kalibrering mätningar (gropar och systemets bakgrund) i flera timmar för att öka noggrannheten av kalibrering koefficienter. Installera magnetiska skärmar på detektorerna är avgörande för korrekt mätning i genomsökningsläget eftersom oskärmade detektorer producerar mycket stora fel på grund av påverkan av jordens magnetfält. Dessutom förbättrar magnetiska screening resultaten i statiskt läge.
Betydelsen av att använda metoden INS kontra metoden ”gold standard” DC visades under fältmappning. Hastigheten på definiera kolhalten genom metoden INS var ~ 30 gånger större än metoden DC. Andra fördelar med metoden INS diskuterades i avsnittet inledning.
Trots påvisade avtalet mellan metoderna INS och DC (”gold standard”) har den aktuella ändringen av INS tekniken en största begränsningen som är minimal spårbar nivå (1,5 w %). Eftersom jord kolhalt kan vara mindre än detta, koncentrerar framtida insatser på att förbättra känsligheten i INS systemet genom att öka antalet gamma detektorer och optimera utformningen av övergripande systemet eller genom att tillämpa mål neutron metoder. 13
Trots denna begränsning, kan den aktuella ändringen av INS systemet rekommenderas för jord kol bestämning av enskilda platser och kol distribution kartläggning av fältet terräng. Möjliga framtida arbete med metoden INS kan utforska mätelement andra jord såsom kväve, järn och väte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna är skuldsatta Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch och Marlin Siegford för tekniskt stöd i experimentella mätningar, och Jim Clark och Dexter LaGrand för hjälp med datorsimuleringar. Vi tackar XIA LLC för att tillåta användning av sin elektronik och detektorer i detta projekt. Detta arbete fick stöd av NIFA ALA forskning kontrakt nr ALA061-4-15014 ”Precision geospatial kartläggning av jord kolhalt för jordbrukets produktivitet och 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).
