Традиционная процедура отбора проб почвы определяет количество проб почвы произвольно. Здесь мы предоставляем простой, но эффективных кластерных почвы-выборки для демонстрации пространственная неоднородность почвы и количественно определить количество необходимых проб почвы и точность связанных выборки.
Почвы являются весьма разнородными. В общем количество проб почвы, необходимых для исследования почвы всегда были определены произвольно и связанные точности неизвестна. Здесь мы представляем подробный протокол для эффективной и кластерных почвы выборки в участке исследования и, опираясь на экспериментальной выборки с помощью этой конструкции, для демонстрации пространственная неоднородность почвы и информирование разумные выборки и связанные точность для будущие исследования. Протокол главным образом включает четыре этапа: выборки дизайн, коллекцию полей, анализ почвы и геостатистического анализа. Пошаговая процедура изменяется согласно бывшей публикаций. Продемонстрировать контрастные пространственных распределений почвы органического углерода (SOC) и углерода в почве микробной биомассы (МБК) под различные практики будут представлены два примера. Кроме того мы представляем стратегию для определения образца требования к размеру (РСБ) учитывая определенного уровня точности, основанный на участок уровень коэффициент вариации (кв). Протокол выборки поля и количественного определения размера выборки, которое будет оказывать помощь исследователей в поисках возможности выборки стратегии для удовлетворения исследовательских потребностей и наличия ресурсов.
Почвы являются весьма разнородными биоматериалов1,2. Отбор проб почвы проводится для сбора наиболее репрезентативных выборок и характеризуют питательных веществ статус поля точно и недорого, как можно скорее. Изменчивость в почве находится в пространственная неоднородность почвы и точность количественной оценки. Когда пространственные вариации в почве не принимается во внимание, типичный почвы выборки может привести к существенный отход от истинной среднее значение переменной почвы, даже если сам анализ почвы является весьма точные3. Для гетерогенных исследования участка изменчивость часто имеет более важное значение, чем означает3; то есть выборки, что можно точно измерить обе изменчивости и означает будет предпочтительным.
Когда почва пространственные колебания далее изменяется из-за земель управления практики4,5,6, это более трудным для проведения выборки на основе точных почвы. Тем не менее, проблемы возникают также в отношении большого различия в ключевых почвы переменных (например, SOC и МБК)7 , которые передаются вызвать бедных ограничений параметров ключевых моделей, которые имеют решающее значение для долгосрочной глобальной почвы модели прогнозы по климата изменений8,9,10. Как стоимость проб почвы для характеристики поля изменчивости является ключевой проблемой, испрашивается стратегия отбора проб почвы простой, надежной и эффективной.
Существует множество различных подходов к сбору образцы представительной почвы на участке исследований, и их преимущества и недостатки кратко излагаются в таблице 1. В традиционной почвы выборки (т.е., простой и случайной выборки), случайный набор нескольких до более чем 10 проб почвы производится в участке исследования. В частности количество сэмплов в традиционной почвы выборки всегда определяется произвольно, и ошибки связанные выборки (т.е., точность) остается неизвестным.
Дизайн выборки | Преимущества | Недостаток |
Простой и случайной выборки | Экономически эффективной, быстрой и недорогой, широко принимается, легко операция, оптимальным в однородных сайта | Низкая точность и высокая вариация, < 5 образцов |
Систематическая выборка | Высокая точность и известных вариации, оптимальным в больших масштабах неоднородной сайт | Экономически неэффективными, большой выборки |
Стратифицированная выборка | Точная оценка означает, относительно легко операции, оптимальный для кластерных и стратифицированной региона | Экономически неэффективными, большой выборки (обычно меньше, чем систематической/сетки выборки) |
Композиции | Экономически эффективные, точные средняя смета, простота эксплуатации, оптимальным в гетерогенных сайт | Неизвестное поле вариации, > 3 образцов для композита |
Таблица 1: преимущества и недостатки основных почвы, отбор образцов, принятых в сообществе исследования почвы. Таблице подведены от Tan et al. 3, Джонс12и Swenson и др. 11
По сравнению с простой и случайной выборки или композиции систематической и стратифицированной выборки можно добиться средства с высокой точностью, а также ассоциированных изменчивости (Таблица 1). Однако они потребуют интенсивного почвы выборки (например, несколько 100 образцов). Хотя точность и уверенность в, повышает уровень тест почвы с более образцов почвы, собранных за участок11, требование для большого числа проб почвы применяется как правило только для крупномасштабного исследования5,11 ; Это далеко за рамки доступности большинство почв научно-исследовательских проектов, проведенных в масштабе области участков из-за ограничений в ресурсах. Дизайн выборки предпочел бы сбалансировать компромиссные решения этих различных методов.
Ключевым вопросом для выборки почв необходимо определить количество необходимых проб почвы и связанные точности, учитывая вопросы исследований и полевых условиях. Например сокращение числа образцов почвы возможна в менее нарушенных сайтов пока еще достижения такой же уровень точности6, предлагая необходимо явно определить пространственная неоднородность (то есть, природа и возникновение изменчивость почвы) перед почвенных проб3. В самом деле такой экспериментальный выборка не рекомендуется в большинстве конструкций проб почвы. Поле ученые часто не признают важность оценки статистической мощности, когда они дизайн экспериментов.
Чтобы улучшить экспериментальные строгости в проб почвы, выборки простой и эффективный метод представлен в настоящем исследовании. Новый дизайн не только включить Точная характеристика питательных веществ почвы и изменчивости, но Кроме того, путем учета пространственная неоднородность почвы, обеспечить количественный способ сообщить количество проб почвы и точность связанных выборки для будущих исследований. Новый дизайн проб почвы должно помочь определить дополнительные стратегии, которые подходят их выборки и исследовательских потребностей исследователей. Общая цель этого метода заключается в том, предоставить количественные и манипулятивной подход к оптимизации стратегий выборки почв в контексте полевых исследований почвы biogeochemists и экологов.
Метод выборки традиционной почвы не хватает количественной основе и привело к неизвестным точность, тогда как более продвинутых стратегий выборки участие интенсивного почвы коллекций и индуцированных недоступным расходы для большинства исследований почвы в поле Масштаб печати. Простой, эффективный и надежный выборки должно быть полезным инструментом, чтобы сбалансировать оба вышеупомянутых методов и, что более важно, информировать количественный способ для определения числа предусмотренных определенной точности ради будущего выборки потребностей. Однако до сих пор отсутствует такой выборки. Здесь был представлен метод для манипулирования кластерного выборки процедура для количественного определения пространственная неоднородность почвы и, опираясь на этот дизайн, сообщить количество проб почвы, необходимых для будущих выборки под конкретные точности. Существует два важных шага в рамках протокола. Первый заключается в области выборки и определить зоны выборки в данный участок. Потому, что измерение и форму конкретных исследований участка может варьироваться от одного исследования в другую, число и длина квадратной сетки, представляющих в зоне отбора проб должны быть изменены лучше всего подходят характеристики участка и охватывают участок как можно больше. В общем количество квадратных сетки должна быть ограничена восьми до десяти, чтобы собирать образцы почвы 24-30 в данный сюжет. Это менее интенсивно, выборки требование приемлемо для экспериментального исследования в заговоре. Вторым важным шагом является определить номер образца, предусмотренные конкретным точности. Хотя количество проб почвы под желаемой точности могут быть получены на основе экспериментальной выборки стратегии, другие имеющиеся ресурсы необходимо учитывать (например, труда, расходов и персонала). Если количество проб почвы, необходимые для желаемой точности превышает доступности, желаемой точности должна быть снижена таким образом, чтобы количество проб почвы могут быть пересчитаны. Пересчеты следует повторять до достижения наилучшего баланса желаемой точности и имеющихся ресурсов.
Протокол могут быть легко изменены в соответствии с определенной формы, площадь и местоположение участка исследований. Даже в рамках нерегулярных сюжет или очень большой или маленький участок процедура может быть выполнена путем контроля размера квадратной сетки для покрытия большей части области построения. С другой стороны когда за пределами зоны круговой выборки на участке собраны образцы почвы, они могут быть по-прежнему приходилось описательный и геостатистического анализа. В этой связи гибкость протокола выгодно как он может таким образом, уменьшить стоимость выборки.
Важное ограничение этого метода является, что количество проб почвы, необходимых для некоторых точность будет зависеть от уровня участок CV, определяется группа 24-30 образцов почвы в экспериментальной почвы выборки. Для весьма разнородных участок 30 образцов или менее могут производить больше CV, чем основанные на большее количество образцов (> 30). В результате количество проб почвы, рассчитанные с такой же точностью будет больше. То есть количество проб почвы, необходимых для такой же точности будет переоценить в заговоре. Для очень однородный участок меньшее количество образцов будет производить участок уровня CV похож на 30 образцов, таким образом, что приводит к переоценке потребностей в ресурсах. Таким образом для этих чрезвычайно разнородных или однородных участков почвы образца число (то есть, 30 или меньше) предложил в экспериментальной выборки может привести к ненужных инвестиций в стадии экспериментальной выборки или в будущем выборки.
Мы продемонстрировать значительные преимущества стратегии выборки кластерного почвы. Это обеспечивает надежный и доступный почвы выборки стратегию для получения пространственная неоднородность почвы и предлагает количественный способ вывести количество проб почвы, необходимых для некоторых желаемой точности. Хотя интенсивные полосы или стратифицированной выборки может предоставить лучшее описание пространственной вариации, стоимость проведения таких проб слишком высока для большинства исследований почвы. Традиционные отбор проб является произвольным и не имеет каких-либо количественной основой для выборки точность. Текущий протокол Улучшенный за счет его менее интенсивных выборки требование, легкость в эксплуатации его в поле, мощность выявить пространственные закономерности с помощью строгого геостатистических методов анализа и возможности количественно определить размер выборки, при любой желаемой точности. Знание размера выборки, необходимых для конкретной выборки точность позволит исследователям стратегию их инвестиций в усилиях проб почвы.
Процедура отбора эффективных кластерных позволяет тщательное тестирование пространственная неоднородность почвы и улучшает возможности ученых проводить отбор проб почвы с точностью. Менее интенсивные и количественный характер стратегии отбора проб почвы позволит его широкое применение в почве научно-исследовательских учреждений. Учитывая пространственная неоднородность вероятно изменены почвы под быстрые глобальные изменения, требование образцов почвы для же точность выборки в участке исследования могут меняться с течением времени. Предлагаемый пример номер в экспериментальной выборки может варьироваться с различных почв и экосистем. Будущих приложений, которые могут возникнуть из этой работы включают в себя определение выборки для конкретных почвы или экосистемы. Таким образом дальнейшее эмпирическая работа необходима на приложения и определение метода в различных почв и экосистем. Долгосрочный и широкий приложений может помочь определить универсальный образца размер требование для конкретных экосистем, которые могут быть рекомендованы для исследователей почвы.
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было поддержано финансирование от нас Департамента из сельского хозяйства Эванс-Аллен Грант (№ 1005761). Автор благодарит сотрудников в ТГУ главный кампус ВВЦ в Нэшвилле, штат Теннесси за их помощь. Мэгги Syversen помог, читая ранней версии рукописи. Автор оценивает анонимные отзывы за их конструктивные замечания и предложения.
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 |