Traditionelle jord-prøveudtagningsproceduren bestemmer antallet af jordprøver vilkårligt. Her, leverer vi en enkel men effektiv grupperet jord-prøvetagning design til at demonstrere jord rumlige heterogenitet og kvantitativt bestemme antallet af jordprøver kræves og tilknyttede prøveudtagning nøjagtighed.
Jord er meget heterogen. Generelt er antallet af jordprøver krævede til jordbunden forskning har altid været fastsættes skønsmæssigt og den tilknyttede nøjagtighed er ukendt. Vi præsenterer her, en detaljeret protokol for effektiv og grupperet jord prøveudtagning i et komplot for forskning og påberåbe sig en pilot prøvetagning ved hjælp af dette design, demonstrerer jord rumlige heterogenitet og informere rimelig stikprøvestørrelser og tilknyttede nøjagtighed for fremtidige undersøgelser. Protokollen hovedsageligt består af fire trin: prøvetagning design, feltsamlingen, jordbundsanalyser og geostatistical analyse. Den trinvise procedure er tilpasset tidligere publikationer. To eksempler vil blive præsenteret for at demonstrere kontrasterende rumlige distributioner af organisk kulstof i jorden (SOC) og jord mikrobielle biomassekulstof (MBC) under forskellige forvaltningsmetoder. Derudover præsenterer vi en strategi for at bestemme stikprøve størrelse krav (SSR) givet en vis grad af nøjagtighed baseret på den plot-niveau variationskoefficient (CV). Feltet prøvetagningsprotokol og kvantitativ bestemmelse af stikprøvestørrelse vil hjælpe forskere i søger muligt prøveudtagning strategier til at opfylde forskningsbehov og ressourcernes tilgængelighed.
Jord er meget heterogen biomaterialer1,2. Jord prøveudtagning er gennemført for at indsamle de mest repræsentative prøver og karakterisere næringsstof status for et felt, som præcist og billigt som muligt. Variation i en jord ligger i jord rumlige heterogenitet og nøjagtigheden af kvantificering. Når rumlige variation i jord ikke er taget i betragtning, kan typisk jord prøveudtagning resultere i en væsentlig afvigelse fra den sande middelværdien for en variabel, jord, selv om jordanalyse, selv meget nøjagtige3. For en heterogen forskning plot er variation ofte mere vigtigt end betyder3; det vil sige vil en prøveudtagning design, der præcist kan måle både variation og mener blive foretrukket.
Når jord rumlige variation ændres yderligere på grund af land management praksis4,5,6, er det vanskeligere at gennemføre jord prøvetagning på en præcis måde. Ikke desto mindre bekymringer også opstå med hensyn til de store variationer i centrale jorden variabler (fxSOC og MBC)7 , der overføres til at forårsage dårlig begrænsninger af centrale model parametre, der er afgørende for langsigtede globale jord model fremskrivninger under klima ændre8,9,10. Da omkostningerne ved jord prøvetagning til at karakterisere felt variabilitet er et hovedproblem, der en enkel, pålidelig og effektiv jord prøvetagningsmetode søges.
Der er mange forskellige tilgange til indsamling af repræsentative jordprøver i et komplot for forskning, og deres fordele og ulemper er opsummeret i tabel 1. I en traditionel jord prøveudtagning (dvs., enkel og tilfældig prøveudtagning), en tilfældig samling af et par til mere end 10 jordprøver er udført i et komplot for forskning. Især antallet af prøver i en traditionel jord prøveudtagning design fastsættes altid skønsmæssigt og tilknyttede fejlprocenten (dvs., nøjagtighed) er fortsat ukendt.
Prøveudtagning design | Fordel | Ulempe |
Enkel og tilfældige stikprøver | Omkostningseffektiv, hurtig og billig, bredt vedtaget, let operation, optimalt i homogen site | Lav nøjagtighed og høj variation, < 5 prøver |
Systematisk prøveudtagning | Høj nøjagtighed og kendt variation, optimalt i stor skala heterogene site | Koste ineffektive, store prøvenummer |
Stratificerede stikprøver | Præcis gennemsnitlige vurdering, relativt nem betjening, optimal for grupperet og stratificeret region | Koste ineffektive, store prøvenummer (normalt mindre end systematisk/gitter prøveudtagning) |
Komposition | Omkostningseffektiv, nøjagtig gennemsnitlige estimat, nem betjening, optimalt i heterogene site | Ukendt felt variation, > 3 prøver til composite |
Tabel 1: fordele og ulemper ved store jord prøveudtagning design vedtaget i jord forskning EF. Tabellen har summeret fra Tan et al. 3, Jones12og Swenson et al. 11
Forhold til enkel og tilfældige sampling eller komposition, kan systematisk og stratificerede stikprøver designs opnå midler med høj nøjagtighed sammen med tilhørende variation (tabel 1). Dog vil de kræve intensiv jord prøveudtagning (fx, et par 100 prøver). Selv om rigtigheden af, og tillid, en jord test niveau stiger med flere jordprøver indsamles pr. plot11, er kravet om et stort antal jordprøver generelt kun gælder for en storstilet undersøgelse5,11 ; Det er langt ud over prisoverkommelighed af de fleste jord forskningsprojekter gennemført på omfanget af feltet parceller på grund af begrænsninger i ressourcer. En prøveudtagning design er foretrukket at afbalancere kompromiser for disse forskellige metoder.
Et centralt spørgsmål for en jord prøveudtagning design er at bestemme antallet af jordprøver kræves og den tilknyttede nøjagtighed givet forskningsspørgsmål og markforhold. For eksempel, er en reduktion i antallet af jordprøver muligt i mindre forstyrret sites samtidig stadig opnå samme grad af præcision6, foreslår skal udtrykkeligt kvantificere den rumlige heterogenitet (dvs, natur og forekomst af jord variation) forud for jord prøveudtagning3. I virkeligheden, anbefales ingen sådan pilot prøveudtagning i de fleste jord prøveudtagning designs. Feltet forskere undlader ofte at erkende betydningen af estimering statistiske effekt, når de udformer eksperimenter.
For at forbedre den eksperimentelle stringens i jord prøveudtagning, præsenteres en enkel og effektiv prøveudtagningsmetode i denne undersøgelse. Det nye design skal ikke blot aktiverer den nøjagtige karakterisering af jorden næringsstoffer niveauer og variabilitet men tilbyder desuden en kvantitativ måde at oplyse antallet af jordprøver og tilknyttede prøveudtagning nøjagtighed af regnskab for jord rumlige heterogenitet, for fremtidig forskning. Den nye jord prøveudtagning design skal hjælpe forskerne med at identificere valgfri strategier, der passer til deres prøveudtagning og forskning behov. Det overordnede mål med denne metode er at give jord biogeochemists og økologer med en kvantitativ og manipulerende tilgang til at optimere jord prøveudtagning strategier i forbindelse med felt forskning.
Den traditionelle jord prøveudtagningsmetode manglede et kvantitativt grundlag og førte til ukendt nøjagtighed, mens de mere avancerede strategier, prøveudtagning involveret intensiv jord samlinger og induceret ubetalelige omkostninger for de fleste jord forskning på feltet plot skala. En enkel, effektiv og pålidelig prøveudtagning design bør være et nyttigt redskab til at balancere begge ovennævnte metoder og, endnu vigtigere, underrette en kvantitativ måde at bestemme det antal, der kræves i henhold til visse nøjagtighed af hensyn til fremtidige stikprøver behov. Men sådan en prøveudtagning design er stadig mangler. Her, en metode til at manipulere en grupperet prøveudtagningsprocedure for at kvantificere jord rumlige heterogenitet blev præsenteret, og under påberåbelse af dette design, at oplyse antallet af jordprøver kræves for fremtidige prøvetagning under specifikke nøjagtighed. Der er to kritiske trin i protokollen. Først er at bestemme området prøveudtagning og identificere prøvetagningsstedet i en given afbildningsområdet. Fordi den dimension og form af en specifik forskning plot kan variere fra et studie til en anden, bør antallet og længden af den firkantede gitter der repræsenterer prøvetagningsstedet ændres for at bedst passe plot karakteristika og dække området plot så meget som muligt. Generelt er bør antallet af kvadratisk net begrænses til otte til ti så at 24-30 jordprøver indsamles i en given plot. Dette mindre intensiv prøvetagning krav er acceptabelt, at en pilot-undersøgelse i et observationsområde. Det andet vigtige skridt er at bestemme prøvenummer kræves i henhold til specifikke nøjagtighed. Selv om antallet af Jordprøverne under en ønskede nøjagtighed kan udledes på baseret på pilot prøvetagningsmetode, skal andre disponible ressourcer regnskabsføres (f.eks., arbejdskraft, omkostning, og personale). Overstiger antallet af jordprøver, der kræves til en ønskede nøjagtighed prisoverkommelighed, bør den ønskede nøjagtighed sænkes, således at antallet af jordprøver kan genberegnes. Genberegningen skal gentages, indtil den passer bedste muligt er opnået for at balancere den ønskede nøjagtighed og de tilgængelige ressourcer.
Protokollen kan let modificeret til at passe bestemt figur, område og placeringen af en forskning plot. Selv inden for en uregelmæssig plot eller en meget stor eller lille afbildningsområdet, kan at proceduren udføres ved at kontrollere størrelsen af den firkantede gitter til at dække de fleste af afbildningsområdet. På den anden side når jordprøver indsamles ud over den cirkulære prøvetagningsstedet i plottet, kan de stadig regnskabsføres i den beskrivende og geostatistical analyse. Fleksibilitet i protokollen er i denne henseende fordelagtigt, da det kan, således reducere omkostningerne ved prøveudtagning.
En vigtig begrænsning af denne metode er, at antallet af jordprøver kræves for visse nøjagtighed vil afhænge af observationsområderne CV bestemmes af en gruppe af 24-30 jordprøver i pilot jord prøveudtagning. For en meget heterogen plot, 30 prøver eller mindre kan producere en større CV end, baseret på et større antal prøver (> 30). Som følge heraf vil antallet af jordprøver beregnet med samme nøjagtighed være større. Det vil sige, vil antallet af jordprøver kræves for samme nøjagtighed overvurderes i plottet. For en meget homogen plot, vil et mindre antal prøver producere en plot niveau CV svarende til 30 prøver, dermed, hvilket resulterer i en overvurdering af ressource behov. Derfor kan jord prøvenummer (dvs., 30 eller derunder) foreslog i pilot prøveudtagning design for disse yderst heterogene eller homogene parceller medføre unødvendige investeringer i pilot sampling scene eller i fremtidige prøveudtagning.
Vi påvise betydelige fordele af prøvetagningsmetode grupperet jord. Det giver en pålidelig og overkommelig jord prøvetagningsmetode for at få jord rumlige heterogenitet og tilbyder en kvantitativ måde at udlede antallet jordprøver, der kræves til en bestemt ønskede nøjagtighed. Selv om den intensive strip eller stratificerede stikprøver kan give en bedre beskrivelse af rumlige variation, er udgifterne til gennemførelse af disse proeveudtagninger for høj for de fleste jord undersøgelser. Den traditionelle prøveudtagning er vilkårlige og mangler enhver kvantitative grundlag for prøveudtagning nøjagtighed. Den nuværende protokol er overlegen på grund af sin mindre intensiv prøvetagning krav, lethed i at drive den i feltet, magt til at afsløre rumlige mønstre ved hjælp af strenge geostatistical analysemetoder og kapacitet til at bestemme kvantitativt stikprøvestørrelse angivet nogen ønskede nøjagtighed. Viden om prøvestørrelse kræves til en bestemt sampling nøjagtighed giver forskere til at strategize deres investeringer i jord prøveudtagning indsats.
Beskæftiger effektive grupperet prøveudtagningsproceduren tillader strenge test af jordbundens fysisk heterogenitet og forbedrer forskernes kapacitet til at gennemføre jord prøveudtagning med nøjagtighed. Prøvetagningsmetode jord mindre intensiv og kvantitativ karakter vil sætte dens brede anvendelse i jord forskningssamfund. Da sandsynligvis ændret jord rumlige heterogenitet under hurtige globale ændringer, kan jord prøve kravet om samme prøveudtagning nøjagtighed i et komplot for forskning variere over tid. Den foreslåede prøvenummer i pilot prøveudtagning design kan variere med forskellige jordtyper og økosystemer. Fremtidige programmer, der kunne komme ud af dette arbejde omfatter bestemmelse af prøvenummer til specifikke jord eller økosystemer. Således er yderligere empiriske arbejde nødvendig på ansøgning og identifikation af metoden i forskellige jordtyper og økosystemer. Langsigtet og bred programmer kan hjælpe med at identificere et generisk prøve størrelse krav om særlige økosystemer, som kan anbefales til jord forskere.
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev støttet af midler fra en US Department af landbrug Evans-Allen Grant (nr. 1005761). Forfatteren tak ansatte på TSU Main Campus AREC i Nashville, Tennessee for deres bistand. Maggie Syversen hjalp ved at læse den tidlige version af manuskriptet. Forfatteren værdsætter de anonyme korrekturlæsere for deres konstruktive kommentarer og forslag.
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 |