La tradizionale procedura di campionamento del suolo determina il numero di campioni di terreno arbitrariamente. Qui, forniamo un semplice ma efficiente cluster disegno di campionamento del suolo per dimostrare la eterogeneità spaziale del suolo e determinare quantitativamente il numero di campioni di terreno necessari e l’accuratezza del campionamento associato.
I terreni sono altamente eterogenei. In generale, il numero di campioni di terreno necessaria per ricerca del terreno è sempre stato determinato arbitrariamente e la precisione associata è sconosciuta. Qui, presentiamo un protocollo dettagliato per suolo efficiente e cluster di campionamento in un terreno di ricerca e, basandosi su un campione pilota utilizzando questo disegno, per dimostrare eterogeneità spaziale del suolo e per informare i campioni di ragionevoli dimensioni e precisione associato per studio futuro. Il protocollo è costituito principalmente da quattro fasi: progettazione, raccolta di campi, analisi del suolo e analisi geostatistica di campionamento. La procedura dettagliata viene modificata secondo le precedenti pubblicazioni. Saranno presentati due esempi per dimostrare a contrasto distribuzioni spaziali di carbonio organico del suolo (SOC) e carbonio della biomassa microbica del suolo (MBC) sotto le pratiche di gestione diversi. Inoltre, vi presentiamo una strategia per determinare il requisito della dimensione del campione (SSR) dato un certo livello di accuratezza in base al livello di trama coefficiente di variazione (CV). Il protocollo di campionamento di campo e la determinazione quantitativa della dimensione del campione aiuterà i ricercatori nella ricerca di strategie di campionamento fattibile per soddisfare le esigenze di ricerca e disponibilità delle risorse.
I terreni sono altamente eterogenei biomateriali1,2. Campionamento del suolo è condotto per raccogliere i campioni più rappresentativi e caratterizzare lo stato nutritivo di un campo nel modo più accurato ed economico possibile. Variabilità in un terreno si trova nella eterogeneità spaziale del suolo e la precisione di quantificazione. Quando variazione spaziale nel suolo non è presa in considerazione, campionamento del suolo tipico può provocare un notevole partenza dal vero valore medio di una variabile di suolo, anche se l’analisi del terreno stesso è altamente esatto3. Per un terreno di ricerca eterogeneo, variabilità è spesso più importante che significa3; cioè, un disegno di campionamento che può misurare entrambi variabilità e dire sarà comodo.
Quando la variazione spaziale del suolo è ulteriormente alterata a causa di terra gestione pratiche4,5,6, è più difficile da condurre in modo accurato di campionamento del suolo. Tuttavia, emergono anche preoccupazioni per quanto riguarda le grandi variazioni nelle variabili chiave del suolo (ad es., SOC e MBC)7 che vengono propagati per causare scarso vincoli dei parametri di modello chiave che sono fondamentali per il modello globale del suolo a lungo termine proiezioni sotto clima cambiano8,9,10. Come il costo del campionamento del suolo per caratterizzare la variabilità del campo è un problema chiave, si chiede una strategia di campionamento del terreno semplice, affidabile ed efficiente.
Ci sono molti approcci diversi per raccogliere campioni di terreno rappresentativi in un terreno di ricerca, e loro vantaggi e svantaggi sono riassunti nella tabella 1. In un campionamento del suolo tradizionale (cioè, campionamento semplice e casuale), una collezione casuale di alcuni di più di 10 campioni di terreno viene eseguita in un terreno di ricerca. In particolare, il numero di campioni in un disegno di campionamento di suolo tradizionale è sempre determinato arbitrariamente e l’errore di campionamento associato (cioè, precisione) rimane sconosciuto.
Disegno di campionamento | Vantaggio | Svantaggio |
Campionamento semplice e casuale | Conveniente, rapido e poco costoso, ampiamente adottato, facile funzionamento, ottimo nel sito omogeneo | Bassa precisione e alta variazione, < 5 campioni |
Campionamento sistematico | Elevata precisione e variazione conosciuta, ottimale nel sito eterogeneo su larga scala | Numero costo inefficace, grande campione |
Campionamento stratificato | Stima accurata media, operazione relativamente facile, ottimale per la regione di cluster e stratificata | Costo inefficace, grande campione numero (di solito meno di campionamento sistematico/griglia) |
Compositing | Costo effettivo, accurata stima media, funzionamento facile, ottima nel sito eterogeneo | Variazione di campo sconosciuto, > 3 campioni per composito |
Tabella 1: vantaggi e svantaggi del suolo principale campionamento disegni adottati nella comunità di ricerca terreno. La tabella è stata riassunta da Tan et al. 3, Jones12e Swenson et al. 11
Rispetto al campionamento semplice e casuale o compositing, disegni di campionamento sistematico e stratificato possono realizzare mezzi con elevata precisione insieme a variabilità associata (tabella 1). Tuttavia, richiederanno campionamento intensivo del suolo (ad es., alcuni 100 campioni). Anche se la precisione di e fiducia, un incremento dei livelli del suolo prova con più campioni di terreno raccolti per trama11, il requisito per un gran numero di campioni di terreno è generalmente applicabile solo per un studio su grande scala5,11 ; è ben oltre la convenienza della maggior parte dei progetti di ricerca terreno condotto presso la scala di trame di campo a causa di vincoli di risorse. Un disegno di campionamento è preferito per bilanciare i compromessi di questi metodi diversi.
Una questione chiave per un disegno di campionamento del suolo è quello di determinare il numero di campioni di terreno necessari e la precisione associata dato le domande di ricerca e le condizioni di campo. Per esempio, una riduzione del numero di campioni di terreno è possibile in meno siti disturbati mentre ancora raggiungere lo stesso grado di precisione6, suggerendo la necessità di quantificare in modo esplicito l’eterogeneità spaziale (cioè, natura e la presenza di prima della variabilità del suolo) campionamento3di suolo. In realtà, tali prelievi pilota non sono consigliato nella maggior parte dei disegni di campionamento del suolo. Gli scienziati campo spesso non riconoscono l’importanza di stimare la potenza statistica quando progettano esperimenti.
Per migliorare il rigore sperimentale nel campionamento del suolo, un metodo di campionamento semplice ed efficiente è presentato in questo studio. Il nuovo design devono non solo consentire la caratterizzazione accurata dei livelli di nutrienti del suolo e variabilità ma anche, dalla contabilità per eterogeneità spaziale del suolo, consentono di comunicare il numero di campioni di terreno e l’accuratezza del campionamento associato in modo quantitativo per la ricerca futura. Il nuovo disegno di campionamento di suolo dovrebbe aiutare i ricercatori a identificare opzionale strategie adatte alle loro esigenze di ricerca e di campionamento. L’obiettivo generale di questo metodo è quello di fornire terreno biochimici ed ecologisti con un approccio quantitativo e manipolativo per ottimizzare le strategie di campionamento del suolo nell’ambito della ricerca sul campo.
Il metodo di campionamento di suolo tradizionale mancava una base quantitativa e portato a precisione sconosciuta, considerando che le più avanzate strategie di campionamento coinvolto collezioni intensivo del suolo e indotto costi insostenibili per la maggior parte terreno di ricerca presso la scala di stampa del campo. Un design semplice, efficiente e affidabile di campionamento dovrebbe essere uno strumento utile per bilanciare entrambi i metodi di cui sopra e, soprattutto, informare un modo quantitativo per determinare il numero richiesto sotto certa esattezza per il bene di campionamento future esigenze. Tuttavia, tale un disegno di campionamento è ancora mancano. Qui, è stato presentato un metodo per la modifica di una procedura di campionamento in cluster per quantificare l’eterogeneità spaziale del suolo e, basandosi su questo disegno, comunicare il numero di campioni di terreno necessaria per futuro campionamento sotto specifici di precisione. Ci sono due passaggi critici all’interno del protocollo. Il primo è quello di determinare l’area di campionamento e identificare la zona di campionamento in una zona determinata trama. Perché la dimensione e la forma di un complotto di ricerca specifico può variare da uno studio a altro, il numero e la lunghezza della griglia quadrata che rappresenta la zona di campionamento dovrebbe essere modificati per adattarsi meglio le caratteristiche di trama e coprire l’area del tracciato per quanto possibile. In generale, il numero di quadrati griglie dovrebbe essere limitato a otto a dieci affinché 24-30 campioni di terreno saranno raccolti in un determinato terreno. Questo meno intensivo requisito di campionamento è accettabile per uno studio pilota in un complotto. Il secondo passaggio critico è quello di determinare il numero di campione richiesto sotto specifici di precisione. Sebbene il numero di campioni di terreno sotto una precisione desiderata può essere derivato sulla base della strategia di campionamento pilota, altre risorse disponibili devono essere contabilizzate (per esempio, manodopera, costo e personale). Se il numero di campioni di terreno necessaria per una precisione desiderata supera la convenienza, la precisione desiderata dovrebbe essere abbassata affinché il numero di campioni di terreno possa essere ricalcolato. I ricalcoli devono essere ripetuti fino a raggiungere la misura migliore per bilanciare l’accuratezza desiderata e le risorse disponibili.
Il protocollo può essere facilmente modificato per adattarsi alla forma specifica, zona e posizione di un terreno di ricerca. Anche all’interno di un terreno irregolare o una superficie di terreno molto grande o piccolo, la procedura può essere eseguita controllando la dimensione della griglia quadrata per coprire la maggior parte dell’area del tracciato. D’altra parte, quando i campioni di terreno vengono raccolte di là della zona di campionamento circolare nella trama, essi possono essere ancora contabilizzati nell’analisi descrittiva e geostatistica. La flessibilità del protocollo a questo proposito è vantaggiosa può, quindi, ridurre il costo del campionamento.
Una limitazione importante di questo metodo è che il numero di campioni di terreno necessaria per alcuni accuratezza dipenderà il livello di trama CV determinato da un gruppo di 24-30 campioni di terreno nel campionamento del suolo pilota. Per una trama molto eterogenea, 30 campioni o meno può produrre un CV più grande di quello basato su un numero maggiore di campioni (> 30). Di conseguenza, il numero di campioni di terreno, calcolata con la stessa precisione sarà più grande. Vale a dire il numero di campioni di terreno necessaria per la stessa precisione verrà essere sopravvalutato nella trama. Per un terreno altamente omogeneo, un minor numero di campioni produrrà un trama livello CV simile a 30 campioni, così, conseguente a una sovrastima della necessità delle risorse. Pertanto, per queste trame estremamente eterogenee o omogenee, il numero campione del terreno (vale a dire, 30 o meno) proposto nel disegno di campionamento pilota può causare inutili investimenti in fase di campionamento pilota o in futuro campionamento.
Dimostriamo significativi vantaggi della strategia di campionamento del suolo in cluster. Esso fornisce una strategia di campionamento del suolo affidabile e conveniente per ottenere eterogeneità spaziale del terreno e offre un modo quantitativo per ricavare il numero di campioni di terreno necessaria per una certa precisione desiderata. Sebbene la striscia intensivo o campionamento stratificato può fornire una migliore descrizione di variazione spaziale, il costo di condurre tale campionamento è troppo alto per la maggior parte degli studi del suolo. Il campionamento tradizionale è arbitrario e priva di qualsiasi base quantitativa per precisione di campionamento. Il protocollo attuale è superiore a causa della sua minore esigenza di campionamento intensivo, facilità in esso operanti nel settore, potere di rivelare modelli spaziali utilizzando metodi di analisi geostatistica rigoroso e capacità per determinare quantitativamente la dimensione del campione indicata qualsiasi precisione desiderata. La conoscenza della dimensione del campione necessaria per una precisione di campionamento specifico vi permetterà ai ricercatori di strategia del loro investimento in sforzi di campionamento di suolo.
Impiegando la procedura di campionamento cluster efficiente consente di rigorosi test di eterogeneità spaziale del suolo e migliora la capacità degli scienziati di condurre un campionamento di suolo con precisione. La natura meno intensiva e quantitativa della strategia di campionamento di suolo consentirà la sua ampia applicazione nella comunità di ricerca del suolo. Data l’eterogeneità spaziale probabilmente alterati terreno sotto rapidi cambiamenti globali, il requisito del campione di terreno per la stessa precisione di campionamento in un terreno di ricerca può variare nel tempo. Il numero di esempio proposto nella progettazione pilota campionamento può variare con ecosistemi e diversi terreni. Applicazioni future che potrebbero emergere da questo lavoro includono la determinazione del numero di campione per suoli specifici o ecosistemi. Quindi, è necessario ulteriore lavoro empirico sull’applicazione e l’identificazione del metodo in vari terreni e degli ecosistemi. Applicazioni a lungo termine e vasta possono contribuire ad identificare un requisito delle dimensioni campione generico per specifici ecosistemi, che può essere consigliato per i ricercatori del suolo.
The authors have nothing to disclose.
Questo studio è stato sostenuto da finanziamenti da un US Dipartimento di agricoltura Evans-Allen Grant (No. 1005761). L’autore ringrazia i membri del personale presso Main Campus AREC di TSU a Nashville, Tennessee per la loro assistenza. Maggie Syversen aiutato leggendo la versione iniziale del manoscritto. L’autore apprezza i revisori anonimi per i loro commenti e suggerimenti costruttivi.
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 |