Повторные отбора проб почвы в последнее время было показано, что эффективным способом мониторинга изменений почвы лесов в течение многих лет и десятилетий. Для того, чтобы поддержать его использование, протокол представляется, что синтезирует самую последнюю информацию о методах почвы передискретизации для оказания помощи в разработке и реализации успешных программ мониторинга почвы.
Recent soils research has shown that important chemical soil characteristics can change in less than a decade, often the result of broad environmental changes. Repeated sampling to monitor these changes in forest soils is a relatively new practice that is not well documented in the literature and has only recently been broadly embraced by the scientific community. The objective of this protocol is therefore to synthesize the latest information on methods of soil resampling in a format that can be used to design and implement a soil monitoring program. Successful monitoring of forest soils requires that a study unit be defined within an area of forested land that can be characterized with replicate sampling locations. A resampling interval of 5 years is recommended, but if monitoring is done to evaluate a specific environmental driver, the rate of change expected in that driver should be taken into consideration. Here, we show that the sampling of the profile can be done by horizon where boundaries can be clearly identified and horizons are sufficiently thick to remove soil without contamination from horizons above or below. Otherwise, sampling can be done by depth interval. Archiving of sample for future reanalysis is a key step in avoiding analytical bias and providing the opportunity for additional analyses as new questions arise.
Развитие почвы традиционно рассматривается с точки зрения процессов , которые имеют место в течение столетию в тысячелетних временных масштабах 1. Мониторинг почв, которые не были возмущенных интенсивного использования таких, как сельское хозяйство не было, как правило, считаются важными для политики или управления проблемами на временной шкале нескольких лет до десятилетий. Однако недавние исследования почвы показали , что важные химические характеристики почвы может изменяться в менее чем за десятилетие, часто является результатом широких экологических изменений , управляемых последствий человеческой деятельности , таких как загрязнение воздуха и изменение климата 2. В восточной части Северной Америки, повторный отбор почвы обеспечивает ценную информацию о воздействии кислотного осаждения путем записи изменения почвы в лесных условиях. В целях поддержки и координации этой работы, Северо – Восточного почвы мониторинга Cooperative (NESMC) была образована в 2007 году 3. Эта статья является частью продолжающихся усилий по NESMC к проСмотри также информацию, которая продвигает использование повторного отбора проб почвы лесных почв в качестве ценного инструмента для мониторинга изменений окружающей среды.
Повторная выборка была использована для оценки изменений по сравнению с экспериментальных манипуляций, но долгосрочный мониторинг лесных почв в ответ на экологических факторов является относительно новой практикой, которая не очень хорошо описаны в литературе и только недавно был широко охвачено научным сообществом. Прошлое скептицизма было обусловлено в значительной степени к мнению о том, что скорость изменения почвы была слишком медленной, чтобы обнаружить в присутствии высокой пространственной изменчивости (горизонтальной и вертикальной) типичных лесных почв. Поскольку сбор почвы является деструктивным, передискретизации может быть сделано только вблизи исходного места отбора проб. Таким образом, пространственная изменчивость в пределах 3-х мерном пространстве, из которого собраны образцы должны быть надлежащим образом количественно для выявления реальных изменений и избежать результатов, которые являются артефактом метода сбора, Кроме того, процесс отбора проб почвы и химического анализа создает потенциальные источники нестабильности измерений , которые могут маскировать изменения или результаты , смещение 4. Неустойчивость измерение не может быть полностью удалена, но может быть в достаточной степени контролировать с помощью надлежащих протоколов для получения результатов с минимальной неопределенностью.
Проектирование мониторингового исследования почвы
Мониторинг почв требует, чтобы образцы почвы собраны неоднократно в течение интервала времени, определяемого исследователем. Более короткие интервалы времени уменьшить продолжительность времени , необходимого для статистически обнаружить изменения, но более длительные интервалы обеспечивают более широкие возможности для изменения почвы происходят 4. Смены частоты дискретизации интервал 5 лет , рекомендуется , чтобы сбалансировать эти два фактора, но если мониторинг делается для оценки конкретного драйвера, интервал должен быть установлен на основании скорости изменения , ожидаемого в этом диффузоре 2. Успешный мониторинг лесных почв также требуютS, что исследование единица определяется в пределах площади покрытых лесом земель, который был выбран для мониторинга почв. Повторный отбор в нескольких местах в пределах исследуемого блока используется для определения того, если почва этого конкретного блока исследование изменилось с течением времени. Дополнительные блоки исследования могут быть выбраны, но каждый из них по отдельности проведен статистический анализ, чтобы оценить, если произошли изменения почвы. Статистические результаты нескольких единиц исследуемых затем могут быть сгруппированы для целей регионального анализа, как было показано в Лоуренса и др. 5. Тип и размер исследуемого блока будет зависеть от вопросов мониторинга и которые просят следующих соображений дизайна исследования. Отбор проб почвы в пределах исследуемого блока может быть сделано в случайных местах или на сетке , чтобы получить образцы дублирующие тех пор , пока отбор проб производится при достаточно места , чтобы охарактеризовать Поверхностную изменчивость исследуемого блока без смещения 4. Исследование, проведенное подразделение, расположенное в пределах одного типа ландшафта в отношении особенности SUCч, как наклон, положение hillslope, аспект, растительности, исходный материал и дренаж будет, как правило, имеют меньший площадной изменчивости, чем исследования единицы, которая охватывает более одного типа ландшафта. Как избежать смещения выборки в каждой коллекции необходимо для того, чтобы значения из ям, отобранных в какой-либо одной коллекции, чтобы быть статистически по сравнению со значениями, полученными в предыдущих и будущих коллекций. Поскольку размер блока увеличивается исследования, поверхностна изменчивость в пределах исследуемого устройства может также увеличиться с такими факторами, как растительность или наклонными изменения. Если потенциальные причины изменчивости, такие как они становятся охвачены в рамках исследования единицы, дополнительные места для отбора проб будут необходимы, чтобы характеризовать возможную изменчивость в почвах, которые могут произойти. Таким образом, размер исследуемого блока должен быть определен исследователем на основе изменчивости рассматриваемой площади и ресурсов проекта, доступных для отбора проб и передискретизации усилий.
Ключевым критерием следует рассмотретье изд в поиске учебного блока потенциал для будущих нежелательных возмущений сайта. Там должен быть какой-то уровень уверенности, что местные условия будут оставаться подходящими для определенных целей мониторинга в течение нескольких десятилетий или больше. Например, исследование блок с единственной целью воздействия изменения климата мониторинг должен быть расположен в районе, где регистрация не произойдет в обозримом будущем.
Методология, описанная здесь, охватывает выборку отдельной единицы исследования. Учебные блоки могут быть воспроизведены в пределах ландшафтного типа или изучения единиц могут быть добавлены дополнительные характеристики типы ландшафтов, в зависимости от целей и сферы охвата исследования, в том числе предполагает ли исследование экспериментальной манипуляции. Пример схемы мониторинга почвы показана на рисунке 1. В зоне интереса (западная Адирондак область), шесть учебных единиц были расположены. В этом случае каждое исследование блок Сетчатая в 25 одинакового размераучастки. Каждый участок должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить место, подходящий для пит котлована. В лесистой местности нагорных на северо-востоке США и восточной части Канады, подходящее место, чтобы выкопать яму на глубину 1,2 м, как правило, можно найти в пределах 10 м на 10 м площади. Таким образом, в нашем примере, общая площадь исследуемого блока составляет 1,0 га. Каждый раз, когда исследование блок оцифровывается, избранный количество участков случайным образом выбирается для отбора проб. Если пять повторных участков выбираются случайным образом для взятия проб на интервале пяти лет, исследование блок можно было наблюдать в течение 25 лет. Площадь, необходимая для выемки и образец одну яму будет меняться в зависимости от ландшафтов и должны быть приняты во внимание при проектировании выборки.
Степень репликации внутри исследуемого блока и частота повторных проб будет меняться в зависимости от исследования единичных характеристик, задаваемых вопросов и характер нарушений, которые ожидаются. На основе исследований почвы передискретизации, которые имеютобнаружены изменения с помощью измерений, обычно используемых в лесных почвах, которые рекомендуется ресэмплинг интервал 5 лет и минимум 5 мест отбора проб дублированных в пределах каждого исследуемого устройства. Уменьшение частоты передискретизации и увеличения выборки репликации позволит расширить возможности для обнаружения изменений.
Рисунок 1: Пример дизайн исследования Обобщенный дизайн ресэмплинг исследование.. Следует отметить , что исследование блок расположен , чтобы избежать прибрежные районы двух русел. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Сбор образцов почвы – Общая информация
Сбор образцов почвы должно быть сделано в течение сезона, когда почвы, как правило, сухой, который чаще всего встречается впоследняя часть вегетационного периода. По передискретизации в это время, последовательность также достигается в отношении фенологии растений, возможное влияние на химические почвы условиях. Отбор проб следует избегать во время или сразу же после сильных дождей или когда почвы чрезвычайно влажный. По крайней мере , в одном месте в пределах исследуемого блока должны быть описаны и задокументированы после службы USDA природных ресурсов охраны природы (NRCS) полевой книге для описания почв 6 или других соответствующих протоколов , если следующая система классификации почв используется за пределами США Протокол поле представлено здесь следует система классификации и США требует копию поля Книга NRCS для описания Почвы в полевых условиях. Пробоотборник должен иметь подготовку и опыт описания и отбора проб типа почвы проводится мониторинг до реализации протоколов мониторинга почв.
Сбор почвы может быть осуществлено различными способами, но использование повторяемым техники имеет решающее значениедля мониторинга изменений почвы. Методология поля должна быть записана в стандартной операционной процедуры (СОП). Изменения в процедурах сбора между выборками следует избегать, но если это невозможно, все детали должны быть документально подтверждены.
Испытания также должно быть сделано, чтобы оценить потенциал для смещения, вызванного процедурных изменений. Отбор проб может быть сделано горизонтом, где (1) границы могут быть четко определены в поле и (2) горизонты имеют достаточную толщину, чтобы удалить почву без загрязнения от горизонтов выше или ниже. Там, где эти критерии не выполняются, отбор проб на интервале глубин может быть сделано. В любой выборке, особенно необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать смешивания почвы с поверхности богатой органическими горизонта (обычно O или A) с верхней минеральной горизонта (как правило, В или Е). В некоторых почвах, изменение текстуры и цвета хорошо видны через органо-минерального интерфейса, в то время как в других почвах изменение цвета может быть минимальным, так текстурные изменения, которые отражают диfferences в органической углерода концентрации (С) следует полагаться на, чтобы определить местоположение интерфейса. Определение этого интерфейса из текстурных изменений может быть трудно, даже для опытных ученых почвы. Проверка органо-минерального интерфейса можно сделать с помощью лабораторного анализа концентрации углерода (органического горизонта определяется органической концентрацией углерода> 20% 7). В некоторых почвах, горизонт вывода может иметь толщину менее 1 см и может быть слишком тонким, чтобы образец. Отбор проб обоими горизонта и глубины в пределах того же почвенного профиля могут быть эффективными в решении изменения в отчетливостью толщин горизонтов в пределах этого профиля. Горизонты или глубины должны быть взяты пробы будут также зависеть от целей программы мониторинга. Изменения почвы, в слоях, расположенных ближе к поверхности, были более часто упоминаемой, чем в более глубоких слоях, но в том числе более глубоких горизонтов или интервалах глубин может предоставить информацию, которая полезна для снижения неопределенности результатов, Например, в начальной взятия образцов, ледниками почвы, сильно выщелоченные кислотным осаждением, показало, насыщенность основаниями быть минимум в верхний горизонт Б затем возрастают с глубиной. В повторной выборки, эта модель также должна иметь место, даже если концентрации отдельных слоев изменяются. Если другая картина наблюдается в выборке повтора, существует большая вероятность того, что два выборках не были сделаны в сопоставимом почве. В идеале, выборка должна быть собрана по всей толщине горизонта. Тем не менее, в чрезмерно толстые горизонты вертикально интегрирующих сбор образцов может быть затруднено по всей толщине. В этой ситуации, образцы равного объема могут быть собраны через равные промежутки времени от дна до верхней части горизонта. Если выборка не делается по всей толщине горизонта, записывать интервал глубины выборки в пределах этого горизонта.
Почва проб Обработка и анализ – Общая информация
рrocess удаления образец почвы из профиля изменяет этот образец путем разъединять корни, и вызывая изменения таких факторов, как температура, влажность, кислорода и других концентраций газов. Таким образом, некоторые измерения должно быть сделано быстро, без возможности сохранения образца, что делает их трудно использовать в долгосрочных программах мониторинга. Тем не менее, для большинства обычных физических и химических измерений, таких как текстура, объемная плотность, общая C и азота (N), а концентрации общего и обмениваемые металлов, сушку на воздухе образца после сбора обеспечивает относительно последовательный метод стабилизации химии перед проведением анализа , Почти во всех случаях измерения почвы в оперативном определены, что отражает как условия почвы на месте, а также последствия сбора проб, подготовки и анализа используемого. Артефакты сведены к минимуму путем выбора лучших методов для целей программы и согласованности в методологии с течением времени. После высыхания, далее C hanges в образце почвы сведены к минимуму, и большая часть влаги удаляется, образец может быть просеивают, чтобы разбить комки и удалить камень и корневых фрагментов. Эти шаги позволяют образец необходимо гомогенизировать до подвыборки для химического анализа. Так же, как последовательность методов сбора и обработки образцов необходимо поддерживать в течение долгого времени, потенциал смещения от химического анализа также необходимо контролировать. Документация стандартной операционной процедуры (СОП) для химического анализа используется каждый раз, когда образцы собирали и анализировали имеет важное значение, и в идеале, то же СОП используется для всех образцов коллекций. Успех химического анализа должен быть проверен с программой обеспечения качества, которая предполагает использование внутренних эталонных образцов и образцов обмена межлабораторных, а также стандартных процедур внутреннего контроля качества. Для получения информации о сопоставимости наиболее часто используемых методов химического анализа см Ross и др. 8.
ntent "> Когда ресэмпинга делается в течение пяти с интервалом десятилетних, некоторые изменения, которые могут произойти в одном или нескольких аспектов химического анализа, такие как СОП, лабораторного оборудования, персонала лаборатории или лаборатории делают анализ. Эти факторы создают возможность аналитического смещения между коллекциями. для контроля аналитического смещения, неиспользованные части образцов из каждой коллекции должны быть заархивированы для дальнейшего использования. образцы из предыдущей коллекции могут быть проанализированы с вновь собранных образцов, а также путем сравнения данных, в возможность аналитического смещения может быть решена. Этот подход основан на предположении, что химические изменения не происходят в архивной пробы в течение периода хранения. Потеря-на-зажиганием и концентрации обменных оснований, обмениваемые Al, общий C, и общее N было показано , что быть стабильными в различных исследований, продлен до 30 лет , 9-11. Тем не менее, хранение высушенных на воздухе почвах было показано ниже рН почвы <sдо> 12 и оксиды марганца 13. Масса почвы, собранных из каждого горизонта или интервале глубин должно быть достаточно, чтобы завершить один полный набор запланированных химических анализов плюс дополнительную массу, по крайней мере, четыре комплекта анализов в будущем. Различные методы были использованы для архивирования образцов почвы. Описанный здесь способ соответствует процедурам хранения, используемые в музее штата Нью-Йорк.Выбор которых горизонтов или приращения глубины к образцу руководствуется целями мониторинга, но в конечном счете зависит от характеристик почвы. Поэтому решение о том, где и как образец профиля является важным шагом в процессе мониторинга почвы. Например, Spodosol показано на рисунке 12 имеет пол леса с границей между Ое (умеренно разлагают органические вещества) и Оа (черный гумифицируются органическое вещество) , что является резким и два горизонта имеют достаточную толщину , чтобы они могли быть выбраны отдельно , Этот профиль также имеет четко определенный E горизонт с резкой границей, отделяющей органический Оа горизонт из минеральной Е горизонта. Эти красочные горизонты с резкими границами позволяют коллекции того же горизонта материала последовательно повторяют, что делает этих горизонтов превосходных кандидатов для контроля за состоянием почвы. Если граница между минеральными и органическими слоями четко не видно, или является постепенное RELATив толщине горизонта, повторный отбор слоев непосредственно выше и ниже этого интерфейса, вероятно, включать различные количества почвы из соседних слоев. Эта особенность добавляет неконтролируемого изменения и, следовательно, сделать эти горизонты менее желательными для повторного отбора проб.
В некоторых случаях, выборка данных по глубине интервала может обеспечить последовательный подход к выборке почвах, где определенные горизонты смешаны или перемешаны, если это смешивание является последовательным особенностью почв контролируется. На рисунке 12, верхние 10 см Б горизонт имеет резкую границу с горизонта Е, но изменение цвета указывает на наличие Bh и BHS горизонтов, которые перемешаны. В этой ситуации, отбор проб верхние 10 см Б горизонта будет наиболее повторяемый метод сбора. Такой подход оказался успешным в Spodosols таких , как показано на рисунке 12 7.
<p class="jove_content" fo:keep-together.within-страница = "1">Полные описания профиля чрезвычайно полезны для снижения вероятности смещения выборки и интерпретации данных, но сбор этой информации отнимает много времени и может ограничить время, доступное для доступной репликации выборки, в зависимости от проектных ресурсов и доступного времени поля. Альтернатива полного описания профиля каждой ямы было бы сделать полное описание первичного яму (с фотографией), а затем ограничить описание для повторных колодцах для измерения толщины горизонта вдоль шIth профиль фотографии. Эта информация будет достаточно, чтобы убедиться, что передискретизации было сделано в той же почве в соответствии с предварительного отбора проб. Изображения высокого качества чрезвычайно важны для поддержания согласованности дискретизации при передискретизации профилей для определения химических изменений с течением времени.
Оценка потенциального смещения от несогласованности выборки можно оценить путем сравнения измерений между горизонтами. Например, наблюдались более низкие концентрации органического углерода в горизонте Оа во второй выборки , чем в исходной выборке , проведенной 10-12 лет тому назад 9. Это могло быть результатом выборки диагонально более лежащего в основе минеральной Е горизонта, возможно, были собраны во втором обследовании, чем в первой выборке. Это приведет к снижению органического концентрации углерода, и, вероятно, снизить концентрацию обмениваемого Ca, так как концентрации Е горизонта Са в почве изучается по крайней мере порядка Магнитаудэ ниже, чем в горизонте Оа. Отсутствие снижения в E-горизонта концентрации Са, наблюдаемые в этом исследовании свидетельствует о том, чтобы поддержать интерпретацию, что более низкие концентрации органического углерода во второй выборке не были результатом смещения выборки. Этот тип сравнения между горизонтами дает ценную информацию для оценки согласованности выборки. Поэтому выборки дополнительные горизонты конкретно не нужны для целей проекта является оправданным, чтобы помочь уменьшить нерешительности в результатах.
Повторный анализ архивных образцов почвы является одним из ключевых в практике снижения неопределенности. Тем не менее, архивирование почв требует ресурсов для управления архива, а также место для хранения, которое может быть трудно приобрести на постоянной основе. Таким образом, масса архивной грунта необходимо использовать благоразумно. Повторный анализ все имеющиеся образцы почвы для конкретного исследования передискретизации, как правило, наиболее эффективным подходом для уменьшения химического анализа неопределенности, но селективный переанализ ое архивируются образцы, где это возможно, поможет сохранить незаменимую почву для будущего использования. Повторный анализ всех архивных образцов не должно быть сделано, если это необходимо. Разнообразие методов архивирования почвы используются в настоящее время, и было показано, чтобы быть эффективными. Метод и материалы рекомендуется в этой статье, основаны на опыте кураторов музее штата Нью-Йорк, которые обнаружили, что это весьма пространственно-эффективная конструкция упаковки защищает образец в неразрывной, влагонепроницаемые, легко меченых материалов, которые являются стабильными в течение много десятилетий.
Защита архивных образцов почвы является ключевым этапом в процессе мониторинга почвы, поскольку он позволяет не только аналитическую согласованность между выборками, он также предоставляет возможность для дальнейшего анализа с методами, которые еще не были разработаны. Кроме того, архивные образцы могут предоставить информацию для решения новых вопросов, поскольку они, несомненно, возникнут в будущем. Если бы архивируются образцы почвы предшествовавшийчид дождь был доступен, последствия этого нарушения на почвах были бы определены в годы, а не десятилетия после его открытия. Вместо этого, предварительно кислоты химии дождя почва остается неопределенным, как мы теперь контролировать восстановление почв в результате снижения кислотных уровней дождя.
Мониторинг почв несколько ограничена временными рамками в течение которого изменения могут быть обнаружены (как правило, 5 лет и более), а также с опорой на деструктивной выборки, площадь выборки, необходимой для мониторинга увеличивается с течением времени. Тем не менее, без мониторинга почв, изменения почвы должны быть выведены из косвенных подходов, таких как chronosequences (пространство для замены времени), водораздел баланса массы, лесохимии, краткосрочных манипуляций и моделирования. Эти подходы обеспечивают грубые оценки изменений почвы, и все они требуют допущения, которые увеличивают неопределенность, которая может быть наилучшим образом ослаблен путем прямых измерений почвы во времени. Процедуры повторного отбора проб почвы могут быть также applied долгосрочных контролируемых экспериментов манипуляции, такие как водораздела Са-капельной эксперимента в Хаббард Брук экспериментальной лесу, NH, продолжительностью более 12 лет 16 и Калхун, SC, долгосрочный эксперимент почвы в течение более 50 лет 2.
The authors have nothing to disclose.
The authors have nothing to disclose.
Equipment Required in the Field | |||
global positioning system | outdoor suppliers such as Forestry Suppliers | A wide variety of makes and models of GPS systems would be suitable. | |
water-proof paper | Forestry Suppliers | 49450 | Available through any outdoor supplier |
iron rod (approximately 3 ft length) | Available at any hardware store | ||
vinyl flagging | Available through any outdoor supplier | ||
clinometer | outdoor suppliers such as Forestry Suppliers | A wide variety of makes and models of clinometers would be suitable. | |
plastic tarp | Available at any hardware store | ||
round-pointed shovel or sharpshooter shovel for digging | Available at any hardware store | ||
hand pruner for cutting small roots | Available at any hardware store | ||
Lesche digging tool | Forestry Suppliers | 33488 | |
gardening trowel | A variety of hand trowels available at hardware and gardening stores would be suitable. | ||
T-pins | Forestry Suppliers | 53851 | |
a copy of "Field Book for Describing Soils" | Currently available only online at: http://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_052523.pdf; Reprinting by the National Resource Conservation Service is expected in October 2026. | ||
Munsell Soil Color Book | Forestry Suppliers | 77321 | |
digital camera | Widely available | With flash and minimum resolution 8 megapixels | |
metric tape with 3 to 5 meter length | Available through any outdoor supplier such as Forestry Suppliers | ||
sealable plastic bags with a non-clear panel for labeling | Available at any grocery store | ||
Indelible felt markers for bag labeling and pencils for field recording forms | Widely available | ||
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Materials Needed to Process and Archive Samples in the Laboratory | |||
testing sieves | Duel Manufacturing Co., Inc. | 2 mm: 200MM-2MM 4 mm: 200MM-4MM 6 mm: 200MM-6.3MM | |
National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) approved N95 Particulate Filtering Facepiece Respirator | MSA Safety Works, model number 10102483 | available through multiple suppliers | |
kraft tin tie bags with poly liner | Papermart | 7410100 | |
2 ml gussetted poly bag | Associated Bag | 64-4-53 | |
200-lb kraft literature mailers | Uline | s-2517 | |
*Note, several of the authors are government scientists and are therefore not allowed to endorse the products of private companies. |