Os autores estão endividados, Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch e Siegford de Marlin para assistência técnica em medições experimentais e Jim Clark e Dexter LaGrand para obter assistência com simulações de computador. Agradecemos XIA LLC permitindo o uso de sua eletrônica e detectores de neste projeto. Este trabalho foi apoiado por NIFA ALA pesquisa contrato n ALA061-4-15014 "Mapeamento geoespacial de precisão do teor de carbono do solo para gestão agrícola, produtividade e ciclo de vida".

1. construção do sistema de INS <ol><li>usar a geometria de sistema geral INS mostrada na Figura 1.</li></ol>
 <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig1.jpg" /> Figura 1. Geometria sistema INS. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56270/56270fig1large.jpg" target="_blank"> clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<ol start="2"> <li>usar o design de sistema de INS mostrado na Figura 2. 10</li></ol> <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig2.jpg" /> Figura 2. Visão geral do sistema de INS. 
A) primeiro bloco contém gerador de nêutrons, detector de nêutrons e sistema de energia; B) segundo bloco contém três detectores de NaI (Tl); C) terceiro bloco contém equipamento para operação do sistema; D) visão geral do primeiro bloco mostrando os componentes individuais; e E) close-up vista dos detectores de gama. 10 <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56270/56270fig2large.jpg" target="_blank">, por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<ol start="3"> <li>use três blocos no sistema INS (ver apêndice).
	<ol><li>Para o primeiro bloco (A), use um gerador de nêutrons (NG) e o sistema de alimentação ( Figura 2A e 2D). Nêutron pulsado de saída deste gerador será 10 7 - 10 8 n/s com energia de nêutrons de 14 MeV. O sistema de energia será composto de quatro baterias (12 V, 105 Ah), um Inversor DC-AC e um carregador. Este bloco também irá conter ferro (10 x 20 cm x 30 cm) e ácido bórico (5 x 20 cm x 30 cm) blindagem para proteger o detector gama de irradiação do neutron. 
		Nota: Um detector de nêutrons também está incluído neste bloco para verificar que o NG está funcionando corretamente.</li>
		<li>Para o segundo bloco (B), usar equipamento de medição de raios gama ( Figura 2B e 2E). Este bloco conterá detectores de NaI(Tl) de cintilação de três 12,7 cm x 12,7 cm x 15,2 cm com eletrônica correspondente. O tamanho exterior dos detectores com eletrônica medirá 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.</li>
		<li>Para o terceiro bloco, (C), usar um computador portátil que controla o gerador de nêutrons (com software DNC), detectores e sistema de aquisição de dados ( Figura 2).</li>
	</ol></li></ol> 2. Cautela e exigências pessoais <ol><li>ter cada usuário da formação INS sistema pass radiológica.</li>
	<li>, Certifique-se de que cada pessoa que opera o NG carrega uma distintivo de monitoramento de radiação. Durante as medições, o limite de área restrita (&#62; 20 µSv/h) em torno do NG terá o símbolo de radiação com as palavras &#34; cuidado, radiação área. &#34; todas as bordas da área restrita será nada menos do que 4 m do NG.</li>
	<li>Em caso de emergência, pressione imediatamente o &#34; de emergência interromper &#34; botão sobre o NG, remova a chave do NG e desconecte o NG da fonte de energia.</li>
</ol> 3. Preparação do sistema INS para medição <ol><li>verificar o sistema de poder. O indicador de nível de energia do carregador ficará verde, ou mais de 3 lâmpadas vermelhas devem iluminar. Se não, ligue o carregador a uma tomada elétrica e espere até que as pilhas tornam-se totalmente carregadas (lâmpada verde acende) ou até que seja atingido um nível de energia aceitável (&#8805; 3 lâmpadas vermelhas acende).</li>
	<li>Ligar o inversor (lâmpada verde acende-se) e laptop.</li>
	<li>Executar o programa de aquisição de dados no laptop para operar os detectores gama e verifique os parâmetros necessários para cada detector. Os valores desses parâmetros serão definidos e gravados anteriormente no INS teste do sistema.
	<ol><li>Colocar uma fonte de controle de Cs-137 (qualquer tipo) dentro de 5 a 15 cm de detectores de.</li>
		<li>Iniciar a aquisição de espectros para 1-3 min; Verifique os centroides da 662 keV pico de Cs-137 para todos os detectores. Devem estar no mesmo canal. Se não, use a escala de coeficiente de energia do programa de aquisição de aoAssistente, alterando o valor para ajustar as 662 keV centroides de pico.</li>
	</ol></li> <li>Ativar o NG usando a chave especial. A lâmpada indicadora do ng acende verde e amarelo.</li>
</ol> 4. Calibração do sistema de INS <ol><li>preparar 4 boxes tamanho 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m com misturas homogéneas de areia-carbono ( Figura 3). Conteúdo de carbono é 0, 2,5, 5 e 10% de w. 
	Nota: Um misturador de concreto é usado para fazer o solo sintético composto de casca de coco e areia de construção (conteúdo, 100% de carbono médio diâmetro granular &#60; 0,5 mm). Homogeneidade dessas misturas é determinada visualmente.</li>
</ol> <img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig3.jpg" /> Figura 3. Vista do poço com areia e poço com 10 Cw % mistura de areia-carbono. <a href="//ecsource-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/56270/56270fig3large.jpg" target="_blank"> clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<ol start="2"> <li>tomar medidas sobre as covas, usando as seguintes etapas.
	<ol><li>Posicione o sistema INS sobre o poço, manualmente ou por reboque com um veículo adequado. Posicionar o sistema INS-como a projeção da fonte de neutrões é centralizada no poço.</li>
		<li>Executar o software DNC no laptop que opera o gerador de NG. Na coluna do lado direito da tela programa DNC falhas, todas as lâmpadas acende verde; Se não, clique no botão limpar. Insira os seguintes parâmetros: para parâmetros de pulso - frequência de 5 kHz, ciclo de trabalho 25%, atrasar 0 µs, extensão 2 µs; para feixe - alta tensão de 50 kV, feixe atual 50 µA (Observe que esses parâmetros podem ser diferentes dependendo da configuração específica do sistema do INS e tarefas).
		<ol><li>Ativar o interruptor na tela do programa DNC e esperar que o NG introduzir o regime de trabalho onde a alta tensão e corrente de feixe virá a estável de valores correspondentes a valores inseridos; Reservatório atual também virá com um valor estável.</li>
		</ol></li> <li>Executar o software de aquisição de dados no laptop para operar os detectores de gama. Inicie a aquisição de espectros executando o programa de aquisição de dados por 1h. Os processos de aquisição de dois espectros (INS &#38; TNC e TNC) aparecerá na tela.</li>
		<li>Depois de 1 h, parar a aquisição de espectros e espectros de salvar no disco rígido (arquivo | Salvar dados MCA | escolha a pasta e digite o nome do arquivo. 
		Nota: Haverá dois espectros salvos (TNC e INS) com o nome do arquivo extensões .mca e _gated.mca, respectivamente).</li>
		<li>Selecione o segundo detector (clique na seta no canto superior esquerdo) e salvar os espectros para este detector. Faça o mesmo para o terceiro detector.</li>
		<li>Clique em arquivo | Sair para fechar o software.</li>
		<li>Desativar o software DNC, desligando o interruptor na tela do programa DNC.</li>
		<li>Repita etapas 4.2.1 - 4.2.7 para outras boxes.</li>
		<li>Desativar o NG usando a chave especial. A lâmpada indicadora do ng será escurecerá</li>
	</ol></li> <li>Determinar o espectro de fundo do sistema INS elevando todo o sistema do INS para uma distância superior a 4 m acima da superfície do terreno e longe de quaisquer objetos grandes e repita os passos de aquisição de dados 4.2.2 - 4.2.9.</li>
	<li>Processamento de dados <ol><li>usa um programa de planilha eletrônica para abrir os arquivos de dados salvos no passo 4.2.4. Encontrar valores para saída e entrada taxas de contagem (OCR e ICR) e em tempo real (RT) em linhas 28, 27 e 30, respectivamente.</li>
		<li>Calcular o tempo de vida (LT) para INS &#38; TNC e espectros TNC para todas as medições como LT eu OCR eu = / ICR eu ·RT eu (1), onde OCR eu e ICR, são as taxas de saída e entrada de contagem para a medição do i-ésimo e RT, é real hora da medição i-th.</li>
		<li>Calcular os espectros gama em contagens por segundo (cps) dividindo os espectros (linhas na planilha de 33-2080) pela Tenente correspondente.</li>
		<li>Calcular os líquido espectros INS de medições correspondentes para cada poço como 
		NET INS espectro = (INS &#38; TNC - TNC) Pit - (INS &#38; TNC - TNC) Bkg (2)</li> <li>encontrar os raios gama picos 1,78 MeV (28 Si) e 4,44 MeV (12 C) no espectro Net INS para cada poço e calcular as áreas de pico (pico de 4,44 MeV C área, a área do pico Si 1,78 MeV) usando software de IGOR.
		<ol><li>Abrir o software por duplo clique no ícone. Inserir o primeiro líquido INS espectro na tabela.</li>
			<li>Clique em Windows | Novo gráfico | De alvo | &#34; FileName &#34; | Faça isso. O espectro aparece na janela do gráfico. Clique em gráfico | Mostre informação. O windows com o A e marcadores B aparece sob a janela do gráfico.</li>
			<li>Ponteiro de mouse de lugar no sinal A, aperte o botão esquerdo do mouse e arraste o cursor para o espectro do lado esquerdo do pico do MeV 1,78. Coloque o ponteiro do mouse sobre o símbolo B, pressione o botão esquerdo do mouse e arraste o cursor para o espectro no lado direito do pico do MeV 1,78.</li>
			<li>Clique em análise | Multi-pico Fit | Iniciar novo multi-pico Fit | De alvo | Continue. Na janela pop-up marcada Cursor gráfico de uso | Linha de base Linear | Autolocalizar picos agora | Fazê-lo | Resultados-picos. A área do pico aparece na janela pop-up.</li>
			<li>Repetir as mesmas operações para o pico de 4,44 MeV.</li>
			<li>Repetir todas as operações anteriores com os espectros restantes de INS Net.</li>
		</ol></li> <li>Encontrar o carbono líquido áreas de pico para cada poço pela equação Net C pico área eu = 4,44 MeV C pico área eu - 0.058 · MeV 1,78 Si pico área eu (3)</li> <li>construir a linha de calibração para o sistema de INS como apoio directo ortional dependência da área de pico de carbono líquido vs. concentração de carbono, expressada em percentagem de peso.
		<ol><li>Abrir a nova tabela no software de IGOR: clique janela | Nova tabela. Insira valores de concentração de carbono poço na primeira coluna e a área do Pico C Net correspondente na segunda coluna.</li>
			Concentração de carbono do poço <li>enredo da Net C pico área vs: clique em Windows | Novo gráfico. Escolha a área do Pico C Net como YWave e as concentrações de carbono como XWave. Clique em fazê-lo. Os pontos aparecem no gráfico.</li>
			<li>Construir a linha de calibração: análise clique | Encaixe de curva | Função - linha | De alvo | Faça isso. A linha de calibração e o coeficiente de calibração (k) aparecerá na janela.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 5. Realização de medições de solo de campo no modo estático <ol><li>preparar o sistema de INS para medição de acordo com o passo 3.</li>
	<li>Colocar o sistema no local que exigem análise de conteúdo de carbono do solo, manualmente ou por reboque utilizando veículo adequado. Posicionar o sistema INS-como a projeção da fonte de neutrões é centralizada sobre o local que está sendo medido.</li>
	<li>Implementar ações seguindo passos 4.2.2 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 para determinar áreas de pico C líquidos para os locais de estudo.</li>
	<li>Calcular a concentração de carbono em peso, usando o coeficiente de calibração como % 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56270/56270eq1.jpg" /></li></ol> 6. realização de medições de solo de campo no modo de digitalização <ol><li>estimar o caminho que o sistema de INS vai viajar para o campo enquanto contabilização de velocidade de viagem (&#8804; 5 km/h), campo do tamanho, INS sistema pegada (~ 1 m de raio) e o tempo de medição (1 h) tal que a trajetória movendo eventualmente abrange a área de campo. Para sua conveniência, sinalizadores de lugar para transformar pontos ao longo do perímetro do campo.</li>
	<li>Preparar o sistema de INS para medição de acordo com o passo 3.</li>
	<li>Implementar ações seguindo passos 4.2.2 - 4.2.3.</li>
	<li>Siga o caminho predeterminado viagens por 1 h.</li>
	<li>Implementar ações seguindo passos 4.2.4 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 para determinar áreas de pico C líquido para o campo estudado.</li>
	<li>Calcular a concentração de carbono em peso % usando o coeficiente de calibração pela equação 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. Soil Water Conserv. 59 (1), 1-8 (2004).</li><li>Stolbovoy, V., Montanarella, L., Filippi, N., Jones, A., Gallego, J., Grassi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Soil sampling protocol to certify the changes of organic carbon stock in mineral soil of the European Union. Version 2. , (2007).</li><li>Smith, K. E., Watts, D. B., Way, T. R., Torbert, H. A., Prior, S. A. <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+tillage+and+fertilizer+application+method+on+gas+emissions+(CO2,+CH4,+N2O)+in+a+corn+cropping+system.">Impact of tillage and fertilizer application method on gas emissions (CO2, CH4, N2O) in a corn cropping system.</a> Pedosphere. 22 (5), 604-615 (2012).</li><li>Seybold, C. A., Mausbach, M. J., Karlen, D. L., Rogers, H. H., Lal, R., Kimble, J., Stewart, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantification+of+soil+quality.">Quantification of soil quality.</a> Soil processes and the carbon cycle. , 387-404 (1997).</li><li>Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Total+carbon,+organic+carbon,+and+organic+matter.">Total carbon, organic carbon, and organic matter.</a> Methods of Soil Analysis., Part 3, Chemical Methods. , 961-1010 (1996).</li><li>Wielopolski, L., Carayannis, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nuclear+methodology+for+non-destructive+multi-elemental+analysis+of+large+volumes+of+soil.">Nuclear methodology for non-destructive multi-elemental analysis of large volumes of soil.</a> Planet Earth: Global Warming Challenges and Opportunities for Policy and Practice. , (2011).</li><li>Wielopolski, L., Yanai, R. D., Levine , C. R., Mitra, S., Vadeboncoeur, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid,+non-destructive+carbon+analysis+of+forest+soils+using+neutron-induced+gamma-ray+spectroscopy.">Rapid, non-destructive carbon analysis of forest soils using neutron-induced gamma-ray spectroscopy.</a> Forest Ecol. Manag. 260, 1132-1137 (2010).</li><li>Mitra, S., Wielopolski, L., Tan, H., Fallu-Labruyere, A., Hennig, W., Warburton, W. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Concurrent+measurement+of+individual+gamma-ray+spectra+during+and+between+fast+neutron+pulses.">Concurrent measurement of individual gamma-ray spectra during and between fast neutron pulses.</a> Nucl. Sci. 54 (1), 192-196 (2007).</li><li>Yakubova, G., Wielopolski, L., Kavetskiy, A., Torbert, H. A., Prior, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field+testing+a+mobile+inelastic+neutron+scattering+system+to+measure+soil+carbon.">Field testing a mobile inelastic neutron scattering system to measure soil carbon.</a> Soil Sci. 179, 529-535 (2014).</li><li>Yakubova, G., Kavetskiy, A., Prior, S. A., 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=Benchmarking+the+inelastic+neutron+scattering+soil+carbon+method.">Benchmarking the inelastic neutron scattering soil carbon method.</a> Vadose Zone J. 15 (2), (2016).</li><li>Knoll, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Radiation Detection and Measurement. , (2000).</li><li>Mitra, S., Dioszegi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unexploded+Ordnance+identification+-+A+gamma-ray+spectral+analysis+method+for+Carbon,+Nitrogen+and+Oxygen+signals+following+tagged+neutron+interrogation.">Unexploded Ordnance identification - A gamma-ray spectral analysis method for Carbon, Nitrogen and Oxygen signals following tagged neutron interrogation.</a> Nucl. Instrum. Meth. A. 693, 16-22 (2012).</li></ol>

Os autores não têm nada para divulgar.

Construindo sobre a Fundação criada por pesquisadores anteriores, o pessoal NSDL abordou questões críticas para o uso prático e bem sucedido desta tecnologia em configurações de campo do mundo real. Inicialmente, NSDL pesquisadores demonstraram a necessidade de contabilizar o sinal de fundo do sistema INS ao determinar as áreas de picos de carbono líquido. 11 outro esforço mostrou que a área do pico de carbono líquido caracteriza a porcentagem de peso médio de carbono na camada do sol...

Conhecimento do teor de carbono do solo é necessário para a otimização da produtividade do solo e da rentabilidade, compreender o impacto das práticas de uso de terras agrícolas sobre os recursos do solo e avaliar estratégias para sequestro de carbono1, 2,3,4. Carbono no solo é um indicador universal de solo qualidade5. Vários métodos foram desenvolvidos para medições de carbono do solo. Combustão seca (DC) tem sido o método mais utilizado para anos6; Este método baseia-se na coleta de amostra de campo e processamento de laboratório e medição que é destrutiva, mão de obra intensiva e demorado. Dois novos métodos são espectroscopia induzida por laser de avaria e perto e meados de espectroscopia de infravermelho7. Esses métodos também são destrutivos e analisar apenas a camada de solo muito perto da superfície (0.1 - 1 cm de profundidade de solo). Além disso, esses métodos apenas produzem ponto medições do teor de carbono para os volumes de amostra pequeno (~ 60 cm3 para o método de DC e 0,01-10 cm3 para métodos de espectroscopia de infravermelho). Tais medições ponto tornam difícil extrapolar os resultados para balanças de campo ou paisagem. Desde que estes métodos são destrutivos, medições recorrentes também são impossíveis.
Pesquisadores anteriores no Brookhaven National Laboratory sugeriram aplicar a tecnologia de nêutrons para solo carbono análise (método de INS)7,8,9. Este esforço inicial desenvolveu a teoria e a prática de utilizar a análise de gama de nêutrons para medição de carbono do solo. A partir de 2013, este esforço foi continuado no USDA-ARS nacional solo Dynamics Laboratory (NSDL). A expansão desta aplicação tecnológica nos últimos 10 anos é devido a dois fatores principais: a disponibilidade de geradores do nêutron comercial relativamente barato, detectores de gama e correspondente eletrônica com software; e bancos de dados de referência da interação do nêutron-núcleos de estado da arte. Este método tem várias vantagens sobre os outros. Um sistema de INS, colocado sobre uma plataforma, poderia ser manobrado sobre qualquer tipo de campo que requer a medição. Este método não-destrutivo in situ pode analisar volumes de solos grandes (~ 300 kg) que podem ser interpolados para um campo inteiro agrícola usando apenas algumas medições. Este sistema de INS também é capaz de operar em um modo de digitalização que determina o teor de carbono médio de uma área com base na verificação sobre uma grade de predeterminados do campo ou da paisagem.

<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

O aplicativo descrito neste documento do neutrão inelástico dispersando método (INS) para análise de carbono do solo baseia-se no registo e análise de raios gama criado quando nêutrons interagirem com elementos do solo. As peças principais do sistema INS são um gerador de nêutron pulsado, detectores de gama NaI(Tl), dividir eletrônica para separar espectros gama devido a INS e thermo-nêutrons captura (TNC) processos e software para aquisição de espectros de gama e processamento de dados. Este método tem várias vantagens sobre outros métodos em que é um método não-destrutivo em situ que mede o carbono médio conteúdo em volumes grandes do solo, insignificante é afetado por mudanças bruscas locais em carbono no solo e pode ser usado em estacionária ou modos de digitalização. O resultado do método INS é o teor de carbono de um site com uma pegada de ~2.5 - 3 m2 no regime estacionário, ou o teor de carbono médio da área de atravessado no regime de verificação. É a faixa de medição do sistema atual de INS &#62; 1,5% de peso de carbono (desvio padrão ± 0.3 w %) na camada do solo superior 10 cm para um 1 hmeasurement.

Do solo INS &#38; TNC e TNC espectros gama
Uma visão geral dos espectros de gama de solo medido é mostrada na Figura 4. Os espectros consistem de um conjunto de picos em um fundo contínuo. Os principais picos de interesse têm centroides 4,44 MeV e 1,78 MeV no INS &#38; espectros TNC. O segundo pico pode ser atribuído aos núcleos de silício contidos no solo, e o primeiro pico é um pico de sobreposição de n...

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

Medições de carbono no solo por nêutrons-Gamma análise estática e modos de digitalização

Aqui, apresentamos o protocolo para medição em situ de carbono no solo usando a técnica de nêutron-gama para medições de ponto único (modo estático) ou campo médias (modo de digitalização). Também descrevemos a construção do sistema e elaborar procedimentos de tratamento de dados.

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

measurements-soil-carbon-neutron-gamma-analysis-static-scanning

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

7.3K visualizações.  Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture. Aqui, apresentamos o protocolo para medição em situ de carbono no solo usando a técnica de nêutron-gama para medições de ponto único (modo estático) ou campo médias (modo de digitalização). Também descrevemos a construção do sistema e elaborar procedimentos de tratamento de dados.

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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.

Projeto e operação de uma contínua<sup&gt; 13</sup&gt; C e<sup&gt; 15</sup&gt; N Labeling Câmara de uniforme ou Diferencial, metabólica e estrutural, Fábrica de Marcação por Isótopo

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

Ambiente

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.

Medição do fluxo de gases com efeito de Solos Agrícolas Usando Chambers estáticos

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.

Medindo-carbono com base Contaminant Mineralização Usando Combinada CO<sub&gt; 2</sub&gt; fluxo e de radiocarbono Análises

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.

Avaliação da lábil carbono orgânico no solo usando procedimentos seqüenciais Fumigação de incubação

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.

Medição e mapeamento de padrões de erosão e deposição relacionadas às concentrações de carbonato de solo sob gestão agrícola

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.

Quantificação de concentrações de hidrogénio nas camadas superficiais e interface e materiais a granel através de perfis de profundidade com Análise reação nuclear

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

Engenharia

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.

Visualização bidimensional e quantificação de labile, nutrientes vegetais inorgânicos e contaminantes no solo

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.

Monitoramento do acúmulo de carbono inorgânico pedogênico devido ao intemperismo de minerais de silicato alterados em solos agrícolas.

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.

Utilizando o Fracionamento da Densidade do Solo para Separar Pools de Carbono do Solo Distintos

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.

Radiografia de Nêutrons e Tomografia Computadorizada de Sistemas Biológicos no Reator de Isótopos de Alto Fluxo do 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 ...

Medições de carbono no solo por nêutrons-Gamma análise estática e modos de digitalização

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