Name: measurements of soil carbon by neutron-gamma analysis in static and scanning modes
Uploaded: 2017-08-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 51 s
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Die Autoren sind verpflichtet, Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch und Marlin Siegford für technische Unterstützung bei der experimentellen Messungen, und Jim Clark und Dexter LaGrand für Unterstützung mit Hilfe von Computersimulationen. Wir danken dafür, dass die Verwendung ihrer Elektronik und Detektoren in diesem Projekt XIA LLC. Diese Arbeit wurde unterstützt von NIFA ALA Forschung Vertrag Nr. ALA061-4-15014 "Präzision Geospatial Kartierung der Erde Kohlenstoffgehalt für landwirtschaftliche Produktivität und Lifecycle-Management".

1. Aufbau des Systems INS <ol><li>verwenden Sie die allgemeine INS Systemgeometrie in Abbildung 1 dargestellte.</li></ol>
 <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig1.jpg" /> Abbildung 1. INS System Geometrie. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56270/56270fig1large.jpg" target="_blank"> Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="2"> <li>verwenden, die INS System-Design in Abbildung 2 dargestellt. 10</li></ol> <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig2.jpg" /> Abbildung 2. Überblick über das System INS. 
A) erste Block enthält Neutronen-Generator, Neutronendetektor und Power-System; B) zweiter Block enthält drei Detektoren NaI (Tl); C) dritten Block enthält Geräte für den Betrieb; D) Gesamtansicht des ersten Blocks, einzelne Komponenten; und E) Nahaufnahme Blick auf die Gamma-Detektoren. 10 <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56270/56270fig2large.jpg" target="_blank"> Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="3"> <li>drei Blöcke im INS System verwenden (siehe Anhang).
	<ol><li>Für den ersten Block (A), verwenden Sie eine Neutronen-Generator (NG) und Power-System ( Abbildung 2A und 2D). Gepulste Neutron Ausgabe dieses Generators werden 10 7 - 10 8 n/s mit Neutronen Energie von 14 MeV. Das Antriebssystem besteht aus vier Batterien 12 V, 105 Ah, ein DC-AC Wechselrichter und Ladegerät. Dieser Block enthält auch Eisen (10 x 20 cm x 30 cm) und Borsäure (5 x 20 cm x 30 cm) Abschirmung um den Gamma-Detektor von Neutronen-Strahlung zu schützen. 
		Hinweis: Ein Neutronendetektor gehört auch in diesem Block für die Überprüfung, die das NG funktionsbereit ist.</li>
		<li>Für den zweiten Block (B), Gamma-Ray Messgeräte ( Abb. 2 b und 2E) verwenden. Dieser Block enthält drei 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm funkeln NaI(Tl) Detektoren mit entsprechender Elektronik. Die äußere Größe der Detektoren mit Elektronik misst 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.</li>
		<li>Für den dritten Block (C) verwenden Sie einen Laptop-Computer, die steuert, die Neutronen-Generator (mit DNC-Software), Detektoren und Datenerfassungssystem ( Abbildung 2).</li>
	</ol></li></ol> 2. Vorsicht und persönlichen Anforderungen <ol><li>Jeder Benutzer der INS System Pass radiologische Ausbildung haben.</li>
	<li>Stellen Sie sicher, dass jede Person, die das NG eine Strahlung Überwachung Abzeichen trägt. Während der Messung die eingeschränkte Flächenbegrenzung (&#62; 20 µSv/h) um die NG haben die Strahlung-Symbol mit den Worten &#34; Vorsicht, Strahlung Bereich. &#34; alle Kanten des eingeschränkten Bereichs werden nicht weniger als 4 m aus der NG.</li>
	<li>Im Notfall, drücken Sie sofort die &#34; Notfall unterbrechen &#34; Taste auf das NG und entfernen Sie den Schlüssel aus der NG NG von der Stromquelle trennen.</li>
</ol> 3. Vorbereitung des INS-Systems zur Messung <ol><li>Check das Stromsystem. Die Power-Level-Anzeige am Ladegerät wird grün sein, oder mehr als 3 rote Lampen beleuchten müssen. Wenn nicht, schließen Sie das Ladegerät an eine Steckdose, und warten Sie, bis die Akkus vollständig geladen werden (grüne Lampe leuchtet) oder bis eine akzeptable Leistungsstufe erreicht ist (&#8805; 3 rote Lampen leuchtet).</li>
	<li>Schalten Sie den Wechselrichter (grüne Lampe leuchtet) und Laptop.</li>
	<li>Führen die Daten-Übernahme-Programm auf dem Laptop zu bedienen die Gamma-Detektoren und überprüfen die erforderlichen Parameter für jeden Melder. Die Werte dieser Parameter werden definiert und zuvor aufgezeichnete INS System getestet.
	<ol><li>Legen Sie eine Cs-137 Steuerelementinhalt (jeder Art) innerhalb von 5-15 cm von den Detektoren.</li>
		<li>Starten Spektren Erwerb für 1-3 min.; Überprüfen der Zentroide die 662 keV Cs-137 Höhepunkt für alle Melder. Sie müssen auf dem gleichen Kanal sein. Wenn nicht, verwenden die Energie Koeffizient Skala von Daten Akquisition Programm durch Ändern des Werts 662 keV Spitze Zentroide anpassen.</li>
	</ol></li> <li>Schalten die NG mit dem Spezialschlüssel. Die Kontrollleuchte auf der NG leuchtet grün und gelb.</li>
</ol> 4. Kalibrierung des Systems INS <ol><li>bereiten 4 Gruben Größe 1,5 x 1,5 m x 0,6 m mit homogenen Mischungen in Sand-Kohlenstoff ( Abbildung 3). Kohlenstoffgehalte ist 0, 2,5, 5 und 10 w %. 
	Hinweis: Ein Betonmischer wird verwendet, um synthetische Boden besteht aus Sand und Kokospalmen Rohbau machen (100 % Kohlenstoffgehalt, durchschnittliche granulare Durchmesser &#60; 0,5 mm). Homogenität dieser Mischungen wird visuell ermittelt.</li>
</ol> <img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig3.jpg" /> Abbildung 3. Ansicht der Grube mit Sand und Pit mit 10 Cw % Sand-Carbon-Mischung. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56270/56270fig3large.jpg" target="_blank"> Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<ol start="2"> <li>nehmen Sie Messungen über die Box, die anhand der folgenden Schritte.
	<ol><li>INS System über die Grube zu positionieren, manuell oder mit einem geeigneten Fahrzeug abschleppen. INS System so positionieren, dass die Projektion der Neutronenquelle auf der Grube zentriert ist.</li>
		<li>Führen die DNC-Software auf dem Laptop, das NG-Generator arbeitet. In der Spalte auf der rechten Seite des Bildschirms DNC-Programm Fehler leuchten alle Lampen grün; ist dies nicht der Fall, klicken Sie auf "löschen". Fügen Sie die folgenden Parameter: für Pulsparameter - Frequenz 5 kHz, Duty Cycle 25 % Verzögerung 0 µs, Verlängerung 2 µs; für Strahl - Hochspannung 50 kV, Strahl aktuelle 50 µA (beachten Sie, dass diese Parameter je nach bestimmten INS System-Setup und Aufgabe unterschiedlich sein können).
		<ol><li>Aktivieren Sie den Schalter auf das DNC-Programm-Bildschirm und warten auf die NG arbeiten Regime eingeben wird die Hochspannung Strahlstrom kommen und um stabile Werte entsprechend den eingegebenen Werten; Aktuelle Reservoir kommen auch auf einen stabilen Wert.</li>
		</ol></li> <li>Führen die Datenerfassungs-Software auf dem Laptop die Gamma-Detektoren zu betreiben. Starten Sie Spektren Übernahme durch Ausführen des Daten-Übernahme-Programms für 1 h. Die beiden Spektren Akquisitionsprozesse (INS &#38; TNC und TNC) erscheint auf dem Bildschirm.</li>
		<li>Nach 1 h, stoppen die Spektren-Akquisition und Spektren auf die Festplatte speichern (Datei | MCA-Daten speichern | Wählen Sie den Ordner, und geben Sie den Namen der Datei. 
		Hinweis: Es werden zwei gespeicherte Spektren (TNC und INS) mit Dateinamen-Erweiterungen .mca und _gated.mca, beziehungsweise).</li>
		<li>Zweiten Detektor (Klicken Sie auf den Pfeil in der oberen linken Ecke) wählen und speichern die Spektren dieser Melder. Machen Sie dasselbe für Dritte Detektor.</li>
		<li>Klicken Sie auf Datei | Exit, um die Software zu beenden.</li>
		<li>Schalten Sie die DNC-Software durch Drehen Sie den Schalter auf dem DNC-Programm Bildschirm.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 4.2.1 - 4.2.7 für die anderen Gruben.</li>
		<li>Schalten Sie die NG mit dem Spezialschlüssel. Die Kontrollleuchte auf der NG wird dim.</li>
	</ol></li> <li>INS System Hintergrund Spektren durch erhebt das ganze INS System zu einer Entfernung von mehr als 4 m über der Geländeoberfläche und Weg von großen Gegenständen zu bestimmen, und wiederholen Sie Daten Akquisition Schritte 4.2.2 - 4.2.9.</li>
	<li>Datenverarbeitung <ol><li>verwenden ein Tabellenkalkulations-Programm im Schritt 4.2.4 gespeicherten Datendateien öffnen. Finden Sie Werte für die Ausgabe und Eingabe bzw. Zählraten (OCR und ICR) und Real-Time (RT) in den Zeilen 28, 27 und 30,.</li>
		<li>Berechnung der Lebensdauer (LT) für INS &#38; TNC und TNC-Spektren für alle Messungen als LT ich = OCR ich / ICR ich ·RT ich (1), wo OCR ich und ICR ich die Ausgabe und Eingabe Zählraten für die i-te-Messung und RT ich ist real der i-te-Messung Zeit.</li>
		<li>Berechnen Sie die Gamma-Spektren in zählt pro Sekunde (cps) durch Division die Spektren (Zeilen 33-2080 in der Tabellenkalkulation) durch die entsprechenden LT.</li>
		<li>Berechnen die net INS Spektren aus den entsprechenden Messungen für jede Grube als 
		NET INS Spektrum = (INS &#38; TNC - TNC) Pit - (INS &#38; TNC - TNC) Bkg (2)</li> <li>Find die Gamma peaks 1,78 MeV (28 Si) und 4,44 MeV (12 C) im Net INS Spektrum für jede Grube und Berechnung der Peakflächen (4,44 MeV C Spitze Bereich, 1,78 MeV Si Peakfläche) mit IGOR Software.
		<ol><li>Open Software durch Doppelklick auf das Symbol. Erste Net INS Spektrum in der Tabelle einfügen.</li>
			<li>Klicken Sie auf Windows | Neuer Graph | Vom Ziel | &#34; Dateiname &#34; | Tu es. Das Spektrum wird im Diagramm angezeigt. Klicken Sie auf Diagramm | Info zu zeigen. Die Fenster mit A und B Marker erscheint unter dem Diagrammfenster.</li>
			<li>Ort-Mauszeiger auf Zeichen A, drücken Sie die linke Maustaste gedrückt und ziehen Sie den Cursor auf das Spektrum auf linken Seite des Berges 1,78 MeV. Legen Sie mit dem Mauszeiger auf das Zeichen B, drücken Sie die linke Maustaste gedrückt und ziehen Sie den Cursor auf das Spektrum rechts der Spitze 1,78 MeV.</li>
			<li>Klicken Sie auf Analyse | Multi-Spitze Fit | Starten neuen Multi-Spitze Fit | Vom Ziel | Fahren Sie fort. Im Pop-up-Fenster markiert Verwendung Graph Cursor | Grundlinie Linear | -Suchen Sie Auto Gipfel jetzt | Tun Sie es | Spitze Ergebnisse. Der Bereich des Berges erscheint im Popup-Fenster.</li>
			<li>Wiederholen Sie dieselben Operationen für 4,44 MeV Peak.</li>
			<li>Wiederholen Sie alle vorhergehenden Vorgänge mit den restlichen Net INS Spektren.</li>
		</ol></li> <li>Finden Sie die Net Carbon Peakflächen für jede Grube durch die Gleichung Net C Peak Bereich ich = 4,44 MeV C Peak Bereich ich - 0.058 · 1,78 MeV Si Peak Bereich ich (3)</li> <li>Kalibrierungslinie für das INS System als direkte Stütze zu bauen Ortional Abhängigkeit von Netto Kohlenstoff Peak vs. ausgedrückt in Gewichtsprozent Kohlenstoffgehalt.
		<ol><li>In IGOR Software neue Tabelle öffnen: Klicken Sie auf Fenster | Neue Tabelle. Grube CO2 Konzentrationswerte in der ersten Spalte und die entsprechenden Netto C Peakfläche in der zweiten Spalte eingeben.</li>
			<li>Grundstück Netto C Peak Bereich Vs Grube Kohlenstoffgehalt: Klicken Sie auf Windows | Neuer Graph. Wählen Sie Net C Peakfläche als YWave und CO2-Konzentrationen als XWave. Klicken Sie auf, es zu tun. Die Punkte im Diagramm angezeigt werden.</li>
			<li>Bauen die Kalibrierungslinie: Klicken Sie auf Analyse | Curve Fitting | Funktion - Linie | Vom Ziel | Tu es. Die Kalibrierung und die Kalibrierung Koeffizienten (k) erscheint im Fenster "".</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 5. Durchführung von Feldmessungen Boden im statischen Modus <ol><li>Vorbereiten des INS-Systems für die Messung nach Schritt 3.</li>
	<li>Stellen Sie das System über die Website erfordern Boden Kohlenstoff Inhaltsanalyse, manuell oder durch geeignete Fahrzeug abschleppen. INS System so positionieren, dass die Projektion der Neutronenquelle über dem Aufstellungsort zu messenden zentriert ist.</li>
	<li>Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.2 - 4.2.9 und 4.4.1 - 4.4.6 zur Ermittlung Netto C Peakflächen für die Studienzentren.</li>
	<li>Berechnung der Kohlenstoffgehalt in Gewicht % mit der Kalibrierung-Koeffizient als 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56270/56270eq1.jpg" /></li></ol> 6. Durchführung von Boden Feldmessungen im Scan-Modus <ol><li>den Weg, der INS System wird über das Feld beim Reisen zu schätzen Bilanzierung von Fahrgeschwindigkeit (&#8804; 5 km/h), Feld Größe, INS System Footprint (~ 1 m Radius) und Messzeit (1 h), so dass die bewegliche Flugbahn schließlich deckt das ganze Gebiet. Der Einfachheit halber drehen statt Fahnen auf Punkte entlang des Umfangs Feld.</li>
	<li>Vorbereiten des INS-Systems für die Messung nach Schritt 3.</li>
	<li>Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.2 - 4.2.3.</li>
	<li>Folgen Sie dem vorgegebenen Verfahrweg für 1 h.</li>
	<li>Umsetzung von Maßnahmen, die folgenden Schritte 4.2.4 - 4.2.9 und 4.4.1 - 4.4.6 zur Ermittlung Netto C Peakflächen für den untersuchten Bereich.</li>
	<li>Berechnung der Kohlenstoffgehalt in Gewicht % mit der Kalibrierung-Koeffizient von Gleichung 4.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Potter, K. N., Daniel, J. A., Altom, W., Torbert, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stocking+rate+effect+on+soil+carbon+and+nitrogen+in+degraded+soils.">Stocking rate effect on soil carbon and nitrogen in degraded soils.</a> J. Soil Water Conserv. 56, 233-236 (2001).</li><li>Torbert, H. A., Prior, S. A., Runion, G. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+the+return+to+cultivation+on+carbon+(C)+sequestration.">Impact of the return to cultivation on carbon (C) sequestration.</a> J. 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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Auf der Grundlage von früheren Forschern gegründet NSDL Personal angesprochen Fragen entscheidend für die praktische und erfolgreiche Anwendung dieser Technologie in der realen Welt Feldeinstellungen. Zunächst zeigten NSDL Forscher die Notwendigkeit das Hintergrundsignal INS System berücksichtigt beim Netto Kohlenstoff Peakflächen bestimmen. 11 ein weiterer Versuch zeigte, dass die net Carbon Peakfläche der durchschnittliche CO2-Gewichtsprozent in der oberen 10 cm Bodenschicht (unabhängig ...

Kohlenstoffgehalt des Bodens sind Voraussetzung für die Optimierung der Bodenproduktivität und Rentabilität, Verständnis der Auswirkungen der landwirtschaftlichen Landnutzung auf Bodenressourcen und Bewertung von Strategien zur CO2-Sequestrierung1, 2,3,4. Kohlenstoff im Boden ist ein universal Indikator des Bodens Qualität5. Verschiedene Methoden wurden für Boden Kohlenstoff Messungen entwickelt. Trockene Verbrennung (DC) ist die am weitesten verbreitete Methode für Jahre6gewesen; Diese Methode basiert auf Feld Musterkollektion und Labor-Verarbeitung und Messung, die zerstörerisch, ist arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Zwei neuere Methoden sind Laser-induced Breakdown Spectroscopy, und in der Nähe von und mid-Infrarot-Spektroskopie7. Diese Methoden sind auch destruktiv und nur sehr oberflächennahen Bodenschicht (0,1 - 1 cm Bodentiefe) zu analysieren. Darüber hinaus liefern diese Methoden nur Punkt Messungen der Kohlenstoffgehalt für kleine Probenmengen (~ 60 cm3 für DC-Methode und 0,01-10 cm3 für Infrarot-Spektroskopie-Methoden). Diese Punktmessungen erschweren es, Ergebnisse zu Feld oder Landschaft Skalen zu extrapolieren. Da diese Methoden destruktiv sind, sind auch wiederkehrende Messungen unmöglich.
Forscher am Brookhaven National Laboratory vorgeschlagen Neutron-Technologie für Boden Kohlenstoff-Analyse (INS-Methode)7,8,9. Diese anfänglichen Bemühungen entwickelte die Theorie und Praxis der Verwendung von Neutron-Gamma-Analyse für Boden CO2-Messung. Ab 2013 wurde diese Bemühungen in USDA-ARS nationalen Boden Dynamics Laboratory (NSDL) fortgesetzt. Der Ausbau dieser technologische Anwendung in den letzten 10 Jahren ist durch zwei wesentliche Faktoren: die Verfügbarkeit von relativ preiswerte kommerzielle Neutron Generatoren, Gamma-Detektoren und entsprechende Elektronik mit Software; und State-Of-The-Art Neutron-Kerne Interaktion Referenzdatenbanken. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen. Eine INS System, platziert auf einer Plattform kann über jede Art von Feld manövriert werden, die Messung erfordert. Diese zerstörungsfreien in-Situ -Methode kann große Böden (~ 300 kg) analysieren, die zu einem gesamten landwirtschaftlichen Feld mit wenigen Messungen interpoliert werden können. Dieses INS System ist auch geeignet für den Betrieb in einem Scan-Modus, der den durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt eines Raums Abtastung über einen vorn Raster des Felds oder der Landschaft bestimmt.

<table><tbody><tr><td>Neutron Generator</td><td>Thermo Fisher Scientific, Colorado Springs, CO&lt;br/&gt; DNC software</td><td>MP320</td><td></td></tr><tr><td>Gamma-detector:</td><td></td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>- NaI(Tl) crystal</td><td>Scionix USA, Orlando, FL</td><td></td><td></td></tr><tr><td>- Electronics</td><td>XIA LLC, Hayward, CA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>- Software</td><td>ProSpect</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Battery</td><td>Fullriver Battery USA, Camarillo, CA</td><td>DC105-12</td><td></td></tr><tr><td>Invertor</td><td>Nova Electric, Bergenfield, NJ</td><td>CGL 600W-series</td><td></td></tr><tr><td>Charger</td><td>PRO Charging Systems, LLC, LaVergne, TN</td><td>PS4</td><td></td></tr><tr><td>Block of Iron</td><td>Any</td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>Boric Acid</td><td>Any</td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>Laptop</td><td>Any</td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>mu-metal</td><td>Magnetic Shield Corp., Bensenville, IL</td><td>&amp;nbsp;MU010-12</td><td></td></tr><tr><td>Construction sand</td><td>Any</td><td>na</td><td></td></tr><tr><td>Coconut shell</td><td>General Carbon Corp., Patterson, NJ</td><td>GC 8 X 30S</td><td></td></tr><tr><td>Reference Cs-137 source</td><td>Any</td><td>na</td><td></td></tr></tbody></table>

measurements of soil carbon by neutron-gamma analysis in static and scanning modes

Die hierin beschriebene Anwendung des inelastische Streuung (INS) Methode zur Bodenanalyse Kohlenstoff Neutrons basiert auf der Registrierung und Analyse von Gammastrahlen beim Neutronen mit Boden-Elementen interagieren erstellt. Die Hauptteile des INS-Systems sind eine gepulste Neutronen-Generator, Gammakamera Gamma-Detektoren, split Elektronik, Gamma-Spektren durch INS und Thermo-Neutron Capture (TNC) Prozesse und Software für Gamma-Spektren-Erfassung und Verarbeitung der Daten zu trennen. Diese Methode hat mehrere Vorteile gegenüber anderen Methoden, es ist eine zerstörungsfreie in Situ -Methode, die den durchschnittliche Kohlenstoff misst Inhalte in großen Boden Volumen, wird geringfügig von lokalen starken Veränderungen in Kohlenstoff im Boden beeinflusst, und stationär einsetzbar oder Scan-Modi. Das Ergebnis der INS-Methode ist der Kohlenstoffgehalt von einer Website mit einer Grundfläche von ~2.5 - 3 m2 in der stationären Regime oder der durchschnittlichen Kohlenstoffgehalt des durchlaufenen Bereichs in der Scan-Regime. Der Messbereich des derzeitigen Systems INS ist &#62; 1,5 Gew.% Kohlenstoff (Standardabweichung ± 0,3 w %) in der oberen 10 cm Bodenschicht für 1 Hmeasurement.

Boden INS &#38; TNC und TNC Gamma-Spektren
Ein Überblick über die gemessenen Boden-Gamma-Spektren ist in Abbildung 4dargestellt. Die Spektren bestehen aus einer Reihe von Gipfeln auf einem kontinuierlichen Hintergrund. Der Hauptgipfel des Interesses haben Zentroide 4,44 MeV und 1,78 MeV in die INS &#38; TNC Spektren. Der zweite Gipfel kann Silizium-Kerne, die im Boden enthaltenen zugeschrieben werden, und der ers...

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Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Messungen von Kohlenstoff im Boden durch Neutron-Gamma-Analyse in statische und Scan-Modi

Hier präsentieren wir Ihnen das Protokoll für in Situ Messung von Kohlenstoff im Boden mit der Neutron-Gamma-Technik für einzelne Punktmessungen (statischen Modus) oder Bereich im Durchschnitt (Scan-Modus). Wir beschreiben auch Systemaufbau und Daten Behandlungsverfahren zu erarbeiten.

The herein described application of the inelastic neutron scattering (INS) method for soil carbon analysis is based on the registration and analysis of ...

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7.3K Aufrufe.  Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture. Hier präsentieren wir Ihnen das Protokoll für in Situ Messung von Kohlenstoff im Boden mit der Neutron-Gamma-Technik für einzelne Punktmessungen (statischen Modus) oder Bereich im Durchschnitt (Scan-Modus). Wir beschreiben auch Systemaufbau und Daten Behandlungsverfahren zu erarbeiten.

Serie: Measurements of Soil Carbon by Neutron-Gamma Analysis in Static and Scanning Modes

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes and soil organic matter formation to small-scale stable-isotope biomarker probing. Coupling multiple stable isotopes such as 13C with 15N, 18O or&#160;2H has the potential to reveal even more information about complex stoichiometric relationships during biogeochemical transformations. Isotope labeled plant material has been used in various studies of litter decomposition and soil organic matter formation1-4. From these and other studies, however, it has become apparent that structural components of plant material behave differently than metabolic components (i.e. leachable low molecular weight compounds) in terms of microbial utilization and long-term carbon storage5-7. The ability to study structural and metabolic components separately provides a powerful new tool for advancing the forefront of ecosystem biogeochemical studies. Here we describe a method for producing 13C and 15N labeled plant material that is either uniformly labeled throughout the plant or differentially labeled in structural and metabolic plant components.
Here, we present the construction and operation of a continuous 13C and 15N labeling chamber that can be modified to meet various research needs. Uniformly labeled plant material is produced by continuous labeling from seedling to harvest, while differential labeling is achieved by removing the growing plants from the chamber weeks prior to harvest. Representative results from growing Andropogon gerardii Kaw demonstrate the system&#39;s ability to efficiently label plant material at the targeted levels. Through this method we have produced plant material with a 4.4 atom%13C and 6.7 atom%15N uniform plant label, or material that is differentially labeled by up to 1.29 atom%13C and 0.56 atom%15N in its metabolic and structural components (hot water extractable and hot water residual components, respectively). Challenges lie in maintaining proper temperature, humidity, CO2 concentration,&#160;and light levels in an airtight 13C-CO2 atmosphere for successful plant production. This chamber description represents a useful research tool to effectively produce uniformly or differentially multi-isotope labeled plant material for use in experiments on ecosystem biogeochemical cycling.

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

This method explains how to build and operate a continuous 13C and 15N isotope labeling chamber for uniform or differential plant tissue labeling. Representative results from metabolic and structural labeling of Andropogon gerardii are discussed.

Aufbau und Betrieb einer Dauer<sup&gt; 13</sup&gt; C und<sup&gt; 15</sup&gt; N Labeling Kammer für Uniform oder Differential, Stoffwechsel-und Struktur, Pflanze Isotope Labeling

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

Forschung

Umwelt

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the biogeochemical drivers of climate change and to the development and evaluation of GHG mitigation strategies based on modulation of landscape management practices. The static chamber-based method described here is based on trapping gases emitted from the soil surface within a chamber and collecting samples from the chamber headspace at regular intervals for analysis by gas chromatography. Change in gas concentration over time is used to calculate flux. This method can be utilized to measure landscape-based flux of carbon dioxide, nitrous oxide, and methane, and to estimate differences between treatments or explore system dynamics over seasons or years. Infrastructure requirements are modest, but a comprehensive experimental design is essential. This method is easily deployed in the field, conforms to established guidelines, and produces data suitable to large-scale GHG emissions studies.

This article showcases the static chamber-based method for measurement of greenhouse gas flux from soil systems. With relatively modest infrastructure investments, measurements may be obtained from multiple treatments/locations and over timeframes ranging from hours to years.

Messung der Treibhausgas-Flux aus landwirtschaftlichen Böden mit statischer Chambers

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the ...

Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses

A method is described which uses the absence of radiocarbon in industrial chemicals and fuels made from petroleum feedstocks which frequently contaminate the environment. This radiocarbon signal &#8212; or rather the absence of signal &#8212; is evenly distributed throughout a contaminant source pool (unlike an added tracer) and is not impacted by biological, chemical or physical processes (e.g., the 14C radioactive decay rate is immutable). If the fossil-derived contaminant is fully degraded to CO2, a harmless end-product, that CO2 will contain no radiocarbon. CO2 derived from natural organic matter (NOM) degradation will reflect the NOM radiocarbon content (usually &#60;30,000 years old). Given a known radiocarbon content for NOM (a site background), a two end-member mixing model can be used to determine the CO2 derived from a fossil source in a given soil gas or groundwater sample. Coupling the percent CO2 derived from the contaminant with the CO2 respiration rate provides an estimate for the total amount of contaminant degraded per unit time. Finally, determining a zone of influence (ZOI) representing the volume from which site CO2 is collected allows determining the contaminant degradation per unit time and volume. Along with estimates for total contaminant mass, this can ultimately be used to calculate time-to-remediate or otherwise used by site managers for decision-making.

Measuring Carbon-based Contaminant Mineralization Using Combined CO2 Flux and Radiocarbon Analyses

A protocol is described wherein CO2 mineralized from organic contaminant (derived from petroleum feedstocks) biodegradation is trapped, quantified, and analyzed for 14C content. A model is developed to determine CO2 capture zone's spatial extent. Spatial and temporal measurements allow integrating contaminant mineralization rates for predicting remediation extent and time.

Messen auf Kohlenstoffbasis Contaminant Mineralisation mit kombinierten CO<sub&gt; 2</sub&gt; Flux und Radiokarbon-Analysen

A method is described which uses the absence of radiocarbon in industrial chemicals and fuels made from petroleum feedstocks which frequently contaminate ...

Assessment of Labile Organic Carbon in Soil Using Sequential Fumigation Incubation Procedures

Management practices and environmental changes can alter soil nutrient and carbon cycling. Soil labile organic carbon, a readily decomposable C pool, is highly sensitive to disturbance. It is also the primary substrate for soil microorganisms, which is fundamental to nutrient cycling. Due to these attributes, labile organic carbon (LOC) has been identified as an indicator parameter for soil health. Quantifying the turnover rate of LOC also aids in understanding changes in soil nutrient cycling processes. A sequential fumigation incubation method has been developed to estimate soil LOC and potential C turnover rate. The method requires fumigating soil samples and quantifying CO2-C respired during a 10 day incubation period over a series of fumigation-incubation cycles. Labile organic C and potential C turnover rate are then extrapolated from accumulated CO2 with a negative exponential model. Procedures for conducting this method are described.

Labile organic carbon (LOC) and the potential carbon turnover rate are sensitive indicators of changes in soil nutrient cycling processes. Details are provided for a method based on fumigating and incubating soil in a series of cycles and using the CO2 accumulated during the incubation periods to estimate these parameters.

Bewertung von Labile organischer Kohlenstoff im Boden Mit Sequential Begasung Incubation Procedures

Management practices and environmental changes can alter soil nutrient and carbon cycling. Soil labile organic carbon, a readily decomposable C pool, is ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonate (CaCO3) profiles. The objective is to describe a simple conceptual model and detailed protocol for repeatable field and laboratory measurements of these quantities. Here, accurate elevation is measured using a ground-based differential global positioning system (GPS); other data acquisition methods could be applied to the same basic method. Soil samples are collected from prescribed depth intervals and analyzed in the lab using an efficient and precise modified pressure-calcimeter method for quantitative analysis of inorganic carbon concentration. Standard statistical methods are applied to point data, and representative results show significant correlations between changes in soil surface layer CaCO3 and changes in elevation consistent with the conceptual model; CaCO3 generally decreased in depositional areas and increased in erosional areas. Maps are derived from point measurements of elevation and soil CaCO3 to aid analyses. A map of erosional and depositional patterns at the study site, a rain-fed winter wheat field cropped in alternating wheat-fallow strips, shows the interacting effects of water and wind erosion affected by management and topography. Alternative sampling methods and depth intervals are discussed and recommended for future work relating soil erosion and deposition to soil CaCO3.

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonates. Repeatable methods for field and laboratory measurements of these quantities and data analysis methods are described here.

Messung und Mapping-Muster von Erosion und Ablagerung im Zusammenhang mit Boden-Karbonat-Konzentrationen unter Landbewirtschaftung

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and non-destructively reveals the hydrogen density distribution at surfaces, at interfaces, and in the volume of solid materials with high depth resolution. The technique applies a 15N ion beam of 6.385 MeV provided by an electrostatic accelerator and specifically detects the 1H isotope in depths up to about 2 &#956;m from the target surface. Surface H coverages are measured with a sensitivity in the order of ~1013 cm-2 (~1% of a typical atomic monolayer density) and H volume concentrations with a detection limit of ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). The near-surface depth resolution is 2-5 nm for surface-normal 15N ion incidence onto the target and can be enhanced to values below 1 nm for very flat targets by adopting a surface-grazing incidence geometry. The method is versatile and readily applied to any high vacuum compatible homogeneous material with a smooth surface (no pores). Electrically conductive targets usually tolerate the ion beam irradiation with negligible degradation. Hydrogen quantitation and correct depth analysis require knowledge of the elementary composition (besides hydrogen) and mass density of the target material. Especially in combination with ultra-high vacuum methods for in-situ target preparation and characterization, 1H(15N,&#945;&#947;)12C NRA is ideally suited for hydrogen analysis at atomically controlled surfaces and nanostructured interfaces. We exemplarily demonstrate here the application of 15N NRA at the MALT Tandem accelerator facility of the University of Tokyo to (1) quantitatively measure the surface coverage and the bulk concentration of hydrogen in the near-surface region of a H2 exposed Pd(110) single crystal, and (2) to determine the depth location and layer density of hydrogen near the interfaces of thin SiO2 films on Si(100).

We illustrate the application of 1H(15N,&#945;&#947;)12C resonant nuclear reaction analysis (NRA) to quantitatively evaluate the density of hydrogen atoms on the surface, in the volume, and at an interfacial layer of solid materials. The near-surface hydrogen depth profiling of a Pd(110) single crystal and of SiO2/Si(100) stacks is described.

Die Quantifizierung von Wasserstoffkonzentrationen in Oberflächen- und Grenzflächenschichten und Schüttgüter durch Tiefenprofilierung mit Kernreaktionsanalyse

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Ingenieurwesen

Two-Dimensional Visualization and Quantification of Labile, Inorganic Plant Nutrients and Contaminants in Soil

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic nutrient (e.g., P, Fe, Mn) and contaminant (e.g., As, Cd, Pb) solute species in the soil adjacent to plant roots (the &#8216;rhizosphere&#8217;) at sub-millimeter (~100 &#181;m) spatial resolution. The method combines sink-based solute sampling by the diffusive gradients in thin films (DGT) technique with spatially resolved chemical analysis by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). The DGT technique is based on thin hydrogels with homogeneously distributed analyte-selective binding phases. The variety of available binding phases allows for the preparation of different DGT gel types following simple gel fabrication procedures. For DGT gel deployment in the rhizosphere, plants are grown in flat, transparent growth containers (rhizotrons), which enable minimal invasive access to a soil-grown root system. After a pre-growth period, DGT gels are applied to selected regions of interest for in situ solute sampling in the rhizosphere. Afterwards, DGT gels are retrieved and prepared for subsequent chemical analysis of the bound solutes using LA-ICP-MS line-scan imaging. Application of internal normalization using 13C and external calibration using matrix-matched gel standards further allows for the quantification of the 2D solute fluxes. This method is unique in its capability to generate quantitative, sub-mm scale 2D images of multi-element solute fluxes in soil-plant environments, exceeding the achievable spatial resolution of other methods for measuring solute gradients in the rhizosphere substantially. We present the application and evaluation of the method for imaging multiple cationic and anionic solute species in the rhizosphere of terrestrial plants and highlight the possibility of combining this method with complementary solute imaging techniques.

This protocol presents a workflow for sub-mm 2D visualization of multiple labile inorganic nutrient and contaminant solute species using diffusive gradients in thin films (DGT) combined with mass spectrometry imaging. Solute sampling and high-resolution chemical analysis are described in detail for quantitative mapping of solutes in the rhizosphere of terrestrial plants.

Zweidimensionale Visualisierung und Quantifizierung von labilen, anorganischen Pflanzennährstoffen und Verunreinigungen im Boden

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic ...

Monitoring Pedogenic Inorganic Carbon Accumulation Due to Weathering of Amended Silicate Minerals in Agricultural Soils.

The present study aims to demonstrate a systematic procedure for monitoring inorganic carbon induced by enhanced weathering of comminuted rocks in agricultural soils. To this end, the core soil samples taken at different depth (including 0-15 cm, 15-30 cm, and 30-60 cm profiles) are collected from an agriculture field, the topsoil of which has already been enriched with an alkaline earth metal silicate containing mineral (such as wollastonite). After transporting to the laboratory, the soil samples are air-dried and sieved. Then, the inorganic carbon content of the samples is determined by a volumetric method called calcimetry. The representative results presented herein showed five folded increments of inorganic carbon content in the soils amended with the Ca-silicate compared to control soils. This compositional change was accompanied by more than 1 unit of pH increase in the amended soils, implying high dissolution of the silicate. Mineralogical and morphological analyses, as well as elemental composition, further corroborate the increase in the inorganic carbon content of silicate-amended soils. The sampling and analysis methods presented in this study can be adopted by researchers and professionals looking to trace pedogenic inorganic carbon changes in soils and subsoils, including those amended with other suitable silicate rocks such as basalt and olivine. These methods can also be exploited as tools for verifying soil inorganic carbon sequestration by private and governmental entities to certify and award carbon credits.

The verification method described here is adaptable for monitoring pedogenic inorganic carbon sequestration in various agricultural soils amended with alkaline earth metal silicate-containing rocks, such as wollastonite, basalt, and olivine. This type of validation is essential for carbon credit programs, which can benefit farmers that sequester carbon in their fields.

Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.

The present study aims to demonstrate a systematic procedure for monitoring inorganic carbon induced by enhanced weathering of comminuted rocks in ...

Utilizing Soil Density Fractionation to Separate Distinct Soil Carbon Pools

Soil organic matter (SOM) is a complicated mixture of different compounds that span the range from free, partially degraded plant components to more microbially altered compounds held in the soil aggregates to highly processed microbial by-products with strong associations with reactive soil minerals. Soil scientists have struggled to find ways to separate soil into fractions that are easily measurable and useful for soil carbon (C) modeling. Fractionating soil based on density is increasingly being used, and it is easy to perform and yields C pools based on the degree of association between the SOM and different minerals; thus, soil density fractionation can help to characterize the SOM and identify SOM stabilization mechanisms. However, the reported soil density fractionation protocols vary significantly, making the results from different studies and ecosystems hard to compare. Here, we describe a robust density fractionation procedure that separates particulate and mineral-associated organic matter and explain the benefits and drawbacks of separating soil into two, three, or more density fractions. Such fractions often differ in their chemical and mineral composition, turnover time, and degree of microbial processing, as well as the degree of mineral stabilization.

Soil density fractionation separates soil organic matter into distinct pools with differing stabilization mechanisms, chemistries, and turnover times. Sodium polytungstate solutions with specific densities allow the separation of free particulate organic matter and mineral-associated organic matter, resulting in organic matter fractions suitable for describing the soil response to management and climate change.

Nutzung der Bodendichtefraktionierung zur Trennung unterschiedlicher Bodenkohlenstoffspeicher

Soil organic matter (SOM) is a complicated mixture of different compounds that span the range from free, partially degraded plant components to more ...

Neutron Radiography and Computed Tomography of Biological Systems at the Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor

Neutrons have historically been used for a broad range of biological applications employing techniques such as small-angle neutron scattering, neutron spin echo, diffraction, and inelastic scattering. Unlike neutron scattering techniques that obtain information in reciprocal space, attenuation-based neutron imaging measures a signal in real space that is resolved on the order of tens of micrometers. The principle of neutron imaging follows the Beer-Lambert law and is based on the measurement of the bulk neutron attenuation through a sample. Greater attenuation is exhibited by some light elements (most notably, hydrogen), which are major components of biological samples. Contrast agents such as deuterium, gadolinium, or lithium compounds can be used to enhance contrast in a similar fashion as it is done in medical imaging, including techniques such as optical imaging, magnetic resonance imaging, X-ray, and positron emission tomography. For biological systems, neutron radiography and computed tomography have increasingly been used to investigate the complexity of the underground plant root network, its interaction with soils, and the dynamics of water flux in situ. Moreover, efforts to understand contrast details in animal samples, such as soft tissues and bones, have been explored. This manuscript focuses on the advances in neutron bioimaging such as sample preparation, instrumentation, data acquisition strategy, and data analysis using the High Flux Isotope Reactor CG-1D neutron imaging beamline. The aforementioned capabilities will be illustrated using a selection of examples in plant physiology&#160;(herbaceous plant/root/soil system)&#160;and biomedical applications&#160;(rat femur and mouse lung).

This manuscript describes a protocol for neutron radiography and computed tomography of biological samples using a High Flux Isotope Reactor (HFIR) CG-1D beamline to measure a metal implant in a rat femur, a mouse lung, and an herbaceous plant root/soil system.

Neutronenradiographie und Computertomographie biologischer Systeme am Hochflussisotopenreaktor des Oak Ridge National Laboratory

Neutrons have historically been used for a broad range of biological applications employing techniques such as small-angle neutron scattering, neutron ...

Messungen von Kohlenstoff im Boden durch Neutron-Gamma-Analyse in statische und Scan-Modi

Zusammenfassung

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Aufbau und Betrieb einer Dauer