Prøvetaking jord i en heterogen forskning Plot

Summary

Den tradisjonelle jord-prøve prosedyren angir antall jordprøver vilkårlig. Her gir vi en enkel men effektiv gruppert jord-prøve design å demonstrere jord romlige heterogenitet og kvantitativt bestemme antall jordprøver kreves og tilknyttede prøvetaking nøyaktigheten.

Abstract

Jordsmonnet er svært heterogen. Vanligvis antall jordprøver kreves for jord forskning har alltid blitt bestemt vilkårlig og tilknyttede nøyaktigheten er ukjent. Her presenterer vi en detaljert protokoll for effektiv og gruppert jord prøvetaking i et forskning plott, og stole på en pilot utvalg med dette motivet, for demonstrere jord romlige heterogenitet og informere rimelig utvalgene og tilknyttede nøyaktighet for fremtidige studie. Protokollen hovedsakelig består av fire trinn: prøvetaking design, feltet innsamling, analyse jord og geostatistical analyse. Fremgangsmåten er endret etter tidligere publikasjoner. To eksempler vil bli presentert for å demonstrere kontrasterende romlige distribusjoner av jord organisk karbon (SOC) og jord mikrobiell biomasse karbon (MBC) under forskjellige metoder. I tillegg presenterer vi en strategi for å bestemme prøven størrelsen kravet (SSR) gitt et visst nivå av nøyaktighet basert på den tomt nivå variasjonskoeffisienten (CV). Feltet prøvetaking protokollen og kvantitative fastsettelse av utvalgsstørrelsen vil assistere forskere i søker mulig utvalg strategier for å møte behov og ressursenes tilgjengelighet.

Introduction

Jordsmonnet er svært heterogen biologisk materiale^1,2. Jord prøvetaking er utført for å hente de mest representative utvalgene og prege næringsrike statusen for et felt så nøyaktig og billig som mulig. Variasjon i en jord ligger i jord romlige heterogenitet og nøyaktigheten for kvantifisering. Når romlige variasjon i jord ikke tas i betraktning, kan typisk jord prøvetaking medføre en betydelig avgang fra den sanne betyr verdien av en variabel som jord selv om jord analysen selv er svært nøyaktig³. For en heterogen forskning tomten er variasjon ofte viktigere enn betyr³; dvs blir en prøvetaking design som kan nøyaktig måler både variasjon og mener foretrukket.

Når jord romlige variant ytterligere endres på grunn av land management praksis^4,5,6, er det vanskeligere å gjennomføre jord prøvetaking på en nøyaktig måte. Likevel bekymringer også oppstå i forbindelse med store variasjoner i viktige jord variabler (f.eksSOC og MBC)⁷ som gjennomføres for å forårsake dårlig begrensninger av viktige modell parametere som er avgjørende for langsiktig global jord modell anslag under klima endre^8,9,10. Som kostnaden av jord prøvetaking å karakterisere feltet variasjon er et sentralt problem, er en enkel, pålitelig og effektiv jord prøvetaking strategi søkt.

Det er mange måter å samle representant jordprøver i en forskning plot sine fordeler og ulemper oppsummeres i tabell 1. I en tradisjonell jord prøvetaking (dvs.enkel og tilfeldig utvalg), en tilfeldig samling av noen få til mer enn 10 jordprøver utføres i en forskning plott. Spesielt antall prøver i tradisjonelle jord prøvetaking design er alltid bestemmes vilkårlig og tilknyttede utvalgsfeil (dvs., nøyaktighet) er fortsatt ukjent.

Prøvetaking design	Fordel	Ulempen
Enkel og tilfeldig utvalg	Kostnadseffektiv, rask og billig, vidt vedtatt, enkel operasjon, optimal homogen området	Lav nøyaktighet og høy variasjon, < 5 eksempler
Systematisk prøvetaking	Høy nøyaktighet og kjente varianten, optimale i storskala heterogene området	Koste ineffektiv, stort utvalg nummer
Lagdelt prøvetaking	Nøyaktig mener anslag, relativt enkel betjening, optimale for klynger og lagdelt	Koste ineffektiv, store utvalget antall (vanligvis mindre enn systematisk/rutenett utvalg)
Sammensetting	Kostnadseffektive, nøyaktig mener anslag, enkel betjening, optimal heterogene området	Ukjent felt variasjon, > 3 prøver for sammensatt

Tabell 1: fordeler og ulemper av store jord prøvetaking design i jord forskningen fellesskapet. Tabellen summert fra Tan et al. ³, Jones¹²og Swenson et al. ¹¹

Sammenlignet med enkel og tilfeldig prøvetaking eller sammensetting, kan systematisk og lagdelt prøvetaking design oppnå betyr med høy nøyaktighet med tilknyttede variasjon (tabell 1). De vil imidlertid kreve intensiv jord prøvetaking (f.eks, noen 100 prøver). Selv om nøyaktigheten av, og tillit til, en jord test øker med mer jordprøver samlet per tomten¹¹, er behovet for et stort antall jordprøver vanligvis bare gjelder for en omfattende studie^5,11 ; Det er godt utover overkommelighet av de fleste jord prosjekter utført på omfanget av feltet tomter på grunn av begrensninger i ressurser. En prøvetaking design foretrekkes å balansere avveininger av disse metoder.

En viktig sak for en jord prøvetaking design er å bestemme antall jordprøver kreves og tilknyttede nøyaktigheten problemstillinger og feltforhold. For eksempel, er en reduksjon i antall jordprøver mulig i mindre forstyrret nettsteder mens fortsatt oppnå samme grad av presisjon⁶, foreslår et behov for å eksplisitt kvantifisere den romlige heterogenitet (dvs., natur og forekomst av jord variasjon) før jord prøvetaking³. Faktisk anbefales ingen slik pilot prøvetaking i de fleste jord prøvetaking design. Feltet forskere unnlater ofte å anerkjenne viktigheten av å beregne statistisk styrke når de utformer eksperimenter.

For å forbedre den eksperimentelle fasthet i jord prøvetaking, er en enkel og effektiv sampling metoden presentert i denne studien. Ny design skal ikke bare aktiverer nøyaktig karakterisering av jord nivåer av næringsstoffer og variasjon, men gir også en kvantitativ måte å informere jordprøver og tilknyttede prøvetaking nøyaktigheten av regnskap for jord romlige heterogenitet, for fremtidig forskning. Den nye jord prøvetaking designen bør hjelpe forskerne identifisere valgfrie strategier som passer deres prøvetaking og forskning behov. Det overordnede målet med denne metoden er å gi jord biogeochemists og økologer med en kvantitativ og manipulerende tilnærming til optimalisere jord prøvetaking strategier i sammenheng med feltarbeid.

Protocol

1. gruppert prøvetaking Design i et plott

1. Identifisere prøvetaking soner i et forskning plott. Bestemme antall firkantet rutenett med lik lengde (dvs., figur 1; Figur 3). Basert på størrelsen og form av forskning tomten, målet antall firkantet rutenett er forventet å være seks til ti slik at antall jordprøver kontrolleres under 30 innenfor en tomt (se trinn 1.3).
2. Merke på midten av hver kvadratisk rutenett (dvs., centroid) og opprette en sirkulær utvalg område med en diameter lik siden lengden av kvadratiske rutenettet.
3. Stå på centroid i sonen sirkulær med lukkede øyne og kaste en liten stein (eller et annet objekt med vekt) i en tilfeldig retning og avstand fra centroid.
   1. Hvis steinen er falt utenfor sirkulær området, gjøre det igjen til den første prøvetaking plasseringen er funnet.
4. Gjenta trinn 1.3 til tre stikkprøvekontroll steder er oppnådd i sonen rundskriv.
5. Sette flagg på tre prøvetaking plasseringene og nummerere hvert flagg (dvs.1, 2 og 3).
6. Gjenta trinn 1.3-1.5 i øvrige sirkelformede prøvetaking soner til alle steder er bestemt og nummerert i sekvensiell rekkefølge (dvs., 4, 5, 6, etc.).

2. avstand mål og jord samling i et plott

1. Velg en hjørnepunkt og identifisere det utgangspunktet for Prøvetakingsområdet i plottet.
2. Måle vannrette og loddrette avstandene flaggede plassering i forhold til opprinnelsen og ta dem i feltet Notepad som x- og y -koordinatene.
3. Bruk en jord kvernen å ta en jord kjernen (0 - 15 cm) fra hver flagget plassering og etiketten posen basert på hvor flagg. Gjenta dette trinnet til jord kjerner er tatt på alle flaggede steder.
4. For å minimere påvirkning av prøvetaking (f.ekstråkk på planter og jord i plottet), sikre at poser med jordprøver i opphold med sine respektive flagget til montering alle poser i plottet samtidig på slutten av samlingen.
5. Transportere jordprøver i kjølere til laboratoriet og behandle hver jord kjernen på samme dag.
6. Fjerne røtter fra hver kjerne, sil det gjennom en 2 mm jord sil og grundig homogenize hver kjerne prøve før noen analyse.
7. Bestemme jord vanninnhold i hvert utvalg av ovnen-tørking underutvalg 24 h på 105 ° C og bakken Air-tørket jord underutvalg til et fint pulver for en total karbon (C) analyse bruker en elementær analyzer⁴. SOC hentes basert på fuktighet og C innholdet.
8. Veie friske jord underutvalg (av 10 g hver) og kvantifisere jord MBC med kloroform utgassing-K₂så₄ utvinning og kalium persulfate fordøyelsen metoder⁵.
9. Kombiner SOC og MBC datasett med x - og y -koordinater basert på flagget tall i plottet.

3. beskrivende og Geostatistical analyser i et plott

1. For hver variabel SOC og MBC, beregne minimum, maksimum, middelverdi, median, og standardavvik, samt variasjonskoeffisienten (CV).
2. For hver variabel, kan du utføre en rekke geospatial analyse (dvs., overflate trendanalyse, autokorrelasjon og kriging kart) å skildre primære overflaten mønsteret, fine skala variasjon og romlige fordelingen. Du finner detaljer om tilnærmingene geostatistical analyser i tidligere publikasjoner^4,5.

4. utforskning av SSR og tilknyttede prøvetaking nøyaktigheten i et plott

1. Tegn SSR og relativ feil (γ) basert på CV innhentet i et plott. Innen hver tomten har Logg-forvandlet SSR og relativ feil (γ) en negativ lineær sammenheng (ligninger 1-3). Basert på forholdet (formel 3), kan antall utdrag kreves for angitte nøyaktigheten bestemmes:
    
    
   
   Her, CI, , s, n, N, CV, og betegne konfidensintervall, tomt betyr, plot standardavvik, prøve nummer, koeffisient av variasjon, og relativ feil, henholdsvis; t _0.975 = 1.96. Logg-forvandlet prøven størrelsen kravet (N) har en negativ lineær sammenheng (dvs, skråningen = -2) med Logg-forvandlet relative feil (γ).
2. Bruke over forholdet for fremtidige prøvetaking i et plott ved å beregne N i Formel 3 under en ønsket nøyaktighet (f.eksrelative feil [γ]). Eller for et gitt antall jordprøver allerede samlet i et komplott, gjelder forholdet å utlede at den tilknyttede nøyaktigheten.

Representative Results

Over tilnærming har vært ansatt i to casestudier, ett i et landlig område i sørlige USA og en annen i midtre Tennessee.

I landlige sørlige Piedmont-regionen, arealbruk typer ble valgt, inkludert 1) ukultivert eik-hickory løvtre skoger, 2) dyrket felt der konvensjonelle jordarbeiding og gjødsling er brukt årlig å produsere hvete og Durra korn, og 3). Old-Field furuskog som hver ca 50 år gamle siden siste dyrking⁴. Tre uavhengig replikerte 30 x 30 m tomter ble identifisert fra området for hvert land bruk. I hver tomten, en klynge jord prøvetaking design ble brukt (figur 1). Hver runde sone hadde en 5 m radiell avstand fra hver centroid. Tjuesyv kjerner ble samlet fra hver av de ni tomtene, 81 kjerner per arealbruk og 243 kjerner totalt. SOC ble kvantifisert ved en CHN analysator. Store funn var at landbruket vesentlig homogenizes den romlige heterogeniteten SOC og andre variabler⁴. SSR skilte seg blant land bruker med et generelt stigende rekkefølge som old-field skog > regenerert furuskog > dyrket cropland (figur 2). Unntakene er at en hardvedgulv skogen handling hadde en SSR så liten som dyrket tomten, og en furu handling hadde en SSR så stor som løvtre handlingen (figur 2). Tar γ = 0,1 eller 10% eksempel SSR var 4, 10, og 30 (dyrket cropland), 80, 85 og 300 (furuskog), 25, 200 og 350 (løvtre). Hvis bare tre jord prøvene ble samlet i alle tomter, ville relativ feilen vært ~ 10% - 30% (dyrket cropland), ~ 50% - 80% (furuskog) og ~ 28% - 100% (løvtre).

Figur 1 : En illustrasjon av en gruppert stikkprøvekontroll design innen en 30 x 30 m forskning tomt på Calhoun Experimental skog, SC, USA⁴. Fylte sirkler representerer centroids (n = 9). Store stiplet sirkelen representerer Prøvetakingsområdet rundt én centroid (radius = 5 m). XS representerer eksempel steder bestemmes av tilfeldig valgte retninger og avstander fra en centroid. Dette tallet har blitt endret fra Li et al. ⁴. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2 : Plot eksempel størrelseskrav (SSR) og relativ feil (γ) for SOC løvtre skog, furuskog og dyrket cropland. Logg skalaen ble brukt på begge aksene. De prikkete linjene representerer dyrket jord, den grå linjer furuskog jord og den mørke linjer løvtre skog jord. Tre forskjellige linjer for hver arealbruk tilsvarer tre Repliker tomter. Dette tallet har blitt endret fra Li et al. ⁴ Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I Tennessee State University (TSU) Main Campus landbruk forskning og Extension Center (AREC) i Nashville, TN, USA (36.12° N, 36.98° V, høyde 127.6 m) i 2011 ble et felt switchgrass eksperiment etablert med tre nitrogen (N) befruktning behandlinger i en randomisert blokk design⁵. Avlingen er i "Highlander" rekke østlige "Alamo" switchgrass (Panicum virgatum L.). De tre N behandlingene inkludert ingen N gjødsel inngang (NN), lav N gjødsel inndata (LN: 84 kg N ha-1 i urea), og høy N gjødsel inngang (HN: 168 kg N ha-1 i urea). Innenfor hver tomten, var et rektangulært område av 2,75 x 5,5 m-sonen identifisert og videre inndelt i åtte firkantet rutenett 1.375 x 1.375 m. En centroid ble identifisert hver runde sone, og tre kjerner ble samlet med en tilfeldig retning og avstand i forhold til hver centroid (Figur 3). Totalt 24 kjerner ble dermed Hentet fra hver av 12 tomter, gir 288 jord kjerner. MBC i hver kjerne ble kvantifisert ved kloroform utgassing-K2SO4 utvinning og kalium persulfate fordøyelsen metoder. Store funn var at N befruktning generelt forbedret den romlige heterogeniteten MBC i switchgrass cropland. SSR var generelt større med befruktning (Figur 4). Eneste unntaket er at SSR en HN handlingen var lavere enn NN handlingen (Figur 4). Tar γ = 0,1 eller 10% eksempel SSR var 10 og 20 i to replikerte tomter (NN), 30 og 50 (LN), og 15 og 70 (HN). Hvis bare tre jord prøvene ble samlet i alle tomter, ville relativ feilen vært ~ 20% - 25% (NN), ~ 26% - 35% (LN) og ~ 20% - 40% (løvtre).

Figur 3 : Illustrasjon gruppert stikkprøvekontroll design innen en 2,75 x 5,5 m handlingen i et befruktning eksperimentell område ved Tennessee State University (TSU) Agricultural Research Center i Nashville, TN, USA. Fylte sirkler representerer centroids (n = 8) og hver tomt besto av åtte centroids i hver kvadrat rutenett (med 1.375 x 1.375 m). I hver figurs historie identifiserte et sirkulært område for jord prøvetaking. XS representerer eksempel steder bestemmes av tilfeldige retninger og avstander fra en centroid innenfor hver runde utvalg (stiplet sirkel). Dette tallet har blitt endret fra Li et al. ⁵ Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4 : Plot eksempel størrelseskrav (SSR) og relativ feil (γ) for MBC under tre befruktning behandlinger. Logg skalaen ble brukt på begge aksene. De prikkete linjene representerer dyrket jord, den grå linjer furuskog jord og den mørke linjer løvtre skog jord. NN = ingen N gjødsel input; LN = lav N gjødsel input; og HN = høy N gjødsel inndata. To forskjellige linjer for hver arealbruk tilsvarer to Repliker tomter. Dette tallet har blitt endret fra Li et al. ⁵. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Den tradisjonelle jord prøvetaking metoden manglet en kvantitativ basis og førte til ukjent nøyaktighet, mens de mer avanserte strategiene for prøvetaking involvert intensiv jord samlinger og indusert unaffordable kostnader for de fleste jord forskning på tomten Feltskalaen. En enkel, effektiv og pålitelig prøvetaking design bør være en nyttig verktøyet å balansere både nevnte metodene og, enda viktigere, informere en kvantitativ måte å fastslå hvor nødvendig under enkelte nøyaktighet for fremtidige prøvetaking behov. Slik prøvetaking utforming er imidlertid fremdeles mangler. Her en metode for å manipulere en gruppert prøvetaking prosedyre for å kvantifisere jord romlige heterogenitet ble presentert, og stole på denne design, å informere antall jordprøver kreves for fremtidige prøvetaking under bestemte nøyaktighet. Det er to avgjørende skritt i protokollen. Først er å avgjøre Prøvetakingsområdet og identifisere sonen prøvetaking i en gitt tegneområdet. Fordi dimensjon og formen på et bestemt forskning plott kan variere fra en studie til en annen, bør antall og lengde på kvadratiske rutenettet som representerer sonen prøvetaking endres passer tomten egenskapene og dekke tegneområdet som mulig. Generelt, bør antall firkantet rutenett begrenses til åtte til ti slik at 24-30 jordprøver samles i en gitt tomt. Dette mindre intensiv prøvetaking kravet er akseptabelt for en pilotstudie i et plott. Andre kritiske trinn er å bestemme hvor prøven nødvendig under bestemte nøyaktighet. Selv om antall jordprøver under en ønsket nøyaktighet kan utledes ved basert på pilot prøvetaking strategi, må andre tilgjengelige ressurser regnskapsføres (f.eks, arbeid, kostnader og personell). Hvis jordprøver kreves for en ønsket nøyaktighet overskrider kostnader, bør ønsket nøyaktigheten senkes slik at antall jordprøver kan beregnes. Omberegningene bør gjentas til beste tilpassing er oppnådd for å balansere ønsket nøyaktigheten og de tilgjengelige ressursene.

Protokollen kan enkelt endres for å passe bestemt form, området og plasseringen av et forskning plott. Selv innenfor en uregelmessig plot eller en veldig stor eller liten tegneområdet, kan prosedyren utføres ved å kontrollere størrelsen på Kvadrat nettet for å dekke mesteparten av tegneområdet. På den annen side, når jordprøver samles utenfor sonen sirkulær utvalg i plottet, regnskapsføres de fortsatt i beskrivende og geostatistical analysen. Fleksibiliteten av protokollen er i denne forbindelse en fordel som det kan, dermed redusere kostnaden for prøvetaking.

En viktig begrensning av denne metoden er at antall jordprøver nødvendig for visse nøyaktigheten vil avhenge av hvilket tomten CV bestemmes av en gruppe av 24-30 jordprøver i piloten jord prøvetaking. For en svært heterogen plott, 30 prøver eller mindre kan produsere en større CV enn basert på et større antall prøver (> 30). Som et resultat, blir antall jordprøver beregnet med samme nøyaktighet større. Det vil si vil antall jordprøver kreves for den samme nøyaktigheten overvurderes i plottet. For en svært homogen plott, vil et mindre antall eksempler produsere en plottet nivå CV lik 30 prøver, dermed resulterer i en overvurdering av behovet for ressursen. Derfor for disse svært heterogen eller homogen, kan jord eksempel nummeret (dvs.30 eller mindre) foreslått i piloten prøvetaking design forårsake unødvendig investering i piloten prøvetaking scenen eller fremtidige prøvetaking.

Vi viser betydelige fordeler av gruppert jord prøvetaking strategi. Det gir en pålitelig og rimelig jord prøvetaking strategi for å skaffe jord romlige heterogenitet og tilbyr en kvantitativ måte å utlede antall jordprøver kreves for en bestemt ønsket nøyaktighet. Selv om intensiv stripe eller lagdelt prøvetaking kan gi en bedre beskrivelse av romlige variasjon, er kostnaden for gjennomføre slike prøvetaking for høyt for de fleste jord studier. Tradisjonelle prøvetaking vilkårlig og mangler alle kvantitativt basis for prøvetaking nøyaktighet. Gjeldende protokollen er overlegen på grunn av dens mindre intensiv prøvetaking kravet, enkelt betjene det i feltet makt å avsløre romlige mønstre ved hjelp av strenge geostatistical analyseteknologi og kapasitet for å finne kvantitativt utvalgsstørrelsen gitt noen ønsket nøyaktighet. Kunnskap om utvalgsstørrelse nødvendig for et bestemt utvalg nøyaktighet kan forskere til strategi sine investeringer i jord prøvetaking innsats.

Ansette effektive gruppert prøvetaking prosedyren kan streng testing av jord romlige heterogenitet og forbedrer forskernes evne til å utføre jord prøvetaking med nøyaktighet. Natur mindre intensiv og kvantitativ jord prøvetaking strategien vil gjøre sin bredt program i jord forskningsmiljøene. Gitt den sannsynligvis forandret jord romlige heterogenitet under rask globale endringer, variere jord eksempel kravet for samme prøvetaking nøyaktigheten i en forskning plot over tid. Foreslåtte eksempel nummeret i piloten prøvetaking design kan variere med ulike jord og økosystemer. Fremtidige programmer som kan komme ut av dette arbeidet omfatter bestemme hvor prøven for spesifikke jord eller økosystemer. Dermed kreves ytterligere empirisk arbeid på programmet og identifikasjon av metoden i ulike jord og økosystemer. Langsiktig og bred programmer kan bidra til å identifisere et generisk prøven størrelseskrav for bestemte økosystemer, som kan anbefales for jord forskere.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Soil auger	AMS	350.05	For soil collection
Screwdriver	Fisher Scientific	19-313-447	For soil collection
Rope	Fisher Scientific	19-313-429	For delineating sampling zone
FatMax 35 ft. Tape Measure	Home Depot	#215880	For measuring distances
Marking flag	Fisher Scientific	S99537	For marking sampling locations
Plastic Zipper Seal Storage Bag	Fisher Scientific	09-800-16	For soil collection
Sharpie	Fisher Scientific	50-111-3135	For soil collection
Marking pencil	Fisher Scientific	50-294-45	For recording data in field
Lab notebook	Fisher Scientific	11-903	For recording data in field
ArcGis 10.3	ESRI		For producing kriging map
Sieve	Fisher Scientific	04-881G	For sieving soil sample