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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Gli autori sono indebitati per Barry G. Dorman, Robert A. Icenogle, Juan Rodriguez, Morris G. Welch e Siegford di Marlin per assistenza tecnica in misure sperimentali e per Jim Clark e Dexter LaGrand per assistenza con simulazioni al computer. Ringraziamo XIA LLC per consentire l'uso di rivelatori e loro elettronica in questo progetto. Questo lavoro è stato supportato da catino ALA ricerca contratto No ALA061-4-15014 "Mappatura di geospatial di precisione del contenuto di carbonio del suolo per la gestione della produttività e del ciclo di vita agricola".

1. costruzione del sistema INS <ol><li>utilizzare la geometria di sistema INS generale illustrata nella Figura 1.</li></ol>
 <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig1.jpg" /> Figura 1. INS sistema geometria. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig1large.jpg" target="_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="2"> <li>utilizzare la progettazione del sistema INS illustrata nella Figura 2. 10</li></ol> <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig2.jpg" /> Figura 2. Panoramica del sistema INS. 
A) primo blocco contiene generatore di neutroni, rilevatore di neutroni e sistema di alimentazione; B) secondo blocco contiene tre rivelatori NaI (Tl); C) terzo blocco contiene l'apparecchiatura per il funzionamento del sistema; D) vista generale del primo blocco risultati singoli componenti; e E) primi piani vista dei rivelatori gamma. 10 <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig2large.jpg" target="_blank"> fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="3"> <li>utilizzare tre blocchi nel sistema INS (Vedi appendice).
	<ol><li>Per il primo blocco (A), utilizzare un generatore di neutroni (NG) e sistema di alimentazione ( Figura 2A e 2D). Uscita di neutroni pulsati di questo generatore sarà 10 7 - 10 8 n/s con energia del neutrone di 14 MeV. Il sistema di potere sarà composto da quattro batterie (12 V, 105 Ah), un Inverter DC-AC e un caricabatterie. Questo blocco contiene anche ferro (10 x 20 cm x 30 cm) e acido borico (5 x 20 cm x 30 cm) schermatura per proteggere il rilevatore di gamma da irradiazione del neutrone. 
		Nota: Un rivelatore di neutroni è anche incluso in questo blocco per controllare che funzioni correttamente il NG.</li>
		<li>Per il secondo blocco (B), utilizzare strumenti di misura di raggi gamma ( Figura 2B e 2E). Questo blocco contiene rivelatori di tre 12,7 x 12,7 cm x 15,2 cm scintillazione Nai con elettronica corrispondente. La dimensione esterna dei rivelatori con elettronica misurerà 15,2 x 15,2 cm x 46 cm.</li>
		<li>Per il terzo blocco (C), utilizzare un computer portatile che controlla il generatore di neutroni (con software DNC), rivelatori e sistema di acquisizione dati ( Figura 2).</li>
	</ol></li></ol> 2. Attenzione ed esigenze personali <ol><li>che ogni utente della formazione radiologica INS sistema pass.</li>
	<li>Assicurarsi che ogni persona che opera il NG trasporta una distintivo di monitoraggio delle radiazioni. Durante le misurazioni, il confine di area riservata (&#62; 20 µSv/h) intorno il NG avrà il simbolo di radiazione con le parole &#34; attenzione, radiazioni zona. &#34; tutti i bordi dell'area riservata sarà non meno di 4 m dal NG.</li>
	<li>In caso di emergenza, premere immediatamente il &#34; Interrupt emergenza &#34; pulsante la ng, togliere la chiave dal NG e scollegare il NG dalla fonte di alimentazione.</li>
</ol> 3. Preparazione del sistema INS per la misura <ol><li>Controlla che il sistema di potere. L'indicatore del livello di potenza sul caricabatterie sarà verde, o più di 3 lampade rosse devono illuminare. Se non, collegare il caricabatterie a una presa di corrente e attendere che le batterie diventano completamente carica (la spia verde si illumina) o fino a quando non viene raggiunto un livello di potenza accettabile (&#8805; 3 lampade rossi si illumineranno).</li>
	<li>Accendere l'inverter (spia verde si accende) e computer portatile.</li>
	<li>Eseguire il programma di acquisizione di dati sul portatile per operare i rivelatori gamma e controllare i parametri necessari per ogni rivelatore. I valori di questi parametri saranno definiti e registrati in precedenza al test del sistema di INS.
	<ol><li>Mettere una fonte di controllo di Cs-137 (qualsiasi tipo) entro 5-15 cm dai rivelatori.</li>
		<li>Avvia acquisizione di spettri per 1-3 min; controllare i baricentri del 662 keV picco di Cs-137 per tutti i rivelatori. Esse devono corrispondere al canale stesso. Se non, utilizzare la scala di coefficiente energetico del programma di acquisizione di dati modificando il valore per regolare i centroidi di picco 662 keV.</li>
	</ol></li> <li>Accendere il NG utilizzando la chiave speciale. La spia il NG si illumina in verde e giallo.</li>
</ol> 4. Calibrazione del sistema INS <ol><li>preparare 4 pozzi di dimensioni 1,5 m x 1,5 m x 0,6 m con miscele sabbia-carbonio omogenee ( Figura 3). Contenuto di carbonio è 0, 2,5, 5 e 10% di w. 
	Nota: Una betoniera viene utilizzata per rendere terreno sintetico composto da costruzione rivestimento sabbia e cocco (100% carbonio contenuto, media diametro granulare &#60; 0,5 mm). Omogeneità di queste miscele è determinata visivamente.</li>
</ol> <img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56270/56270fig3.jpg" /> Figura 3. Vista del pozzo con sabbia e Pit con miscela di sabbia-carbonio % Cw 10. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56270/56270fig3large.jpg" target="_blank"> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<ol start="2"> <li>prendere misure sopra i pozzi attenendosi alla seguente procedura.
	<ol><li>Posizionare il sistema INS sopra il pozzo manualmente o da traino con un veicolo adatto. Posizionare il sistema INS, in modo tale che la proiezione della sorgente di neutroni è centrata sul pit.</li>
		<li>Eseguire il software DNC sul portatile che funziona il generatore di NG. Nella colonna errori sul lato destro della schermata del programma DNC, tutte le lampade si illumineranno di verde; in caso contrario, fare clic sul pulsante Cancella. Inserire i seguenti parametri: per i parametri di impulso - frequenza 5 kHz, duty cycle 25% ritardo 0 µs, estensione 2 µs; per il fascio - alta tensione 50 kV, fascio corrente 50 µA (Nota che questi parametri possono essere diversi a seconda della particolare configurazione del sistema INS e attività).
		<ol><li>Attivare l'interruttore sulla schermata del programma DNC e attendere che il NG entrare il regime di lavoro dove l'alta tensione e fascio attuale verrà a stabile valori corrispondenti ai valori inseriti; Serbatoio corrente verrà anche a un valore stabile.</li>
		</ol></li> <li>Eseguire il software di acquisizione dati sul portatile per operare i rivelatori gamma. Avvia acquisizione di spettri eseguendo il programma di acquisizione dati per 1 h. I processi di acquisizione di due spettri (INS &#38; TNC e TNC) apparirà sullo schermo.</li>
		<li>Dopo 1 h, fermare l'acquisizione di spettri e spettri di salvare sul disco rigido (File | Salvare i dati MCA | scegliere la cartella e immettere il nome del file. 
		Nota: Ci sarà due spettri salvati (TNC e INS) con il nome del file con estensione. MCA e _gated.mca, rispettivamente).</li>
		<li>Selezionare secondo rilevatore (fare clic sulla freccia nell'angolo superiore sinistro) e salvare gli spettri per questo rivelatore. Fare lo stesso per il terzo rivelatore.</li>
		<li>Fare clic su File | Exit per chiudere il software.</li>
		<li>Disattivare il software DNC disattivando l'interruttore sulla schermata del programma DNC.</li>
		<li>Ripetere i passaggi da 4.2.1 - 4.2.7 per altri box.</li>
		<li>Disabilita i NG utilizzando la chiave speciale. La spia il NG sarà Dim.</li>
	</ol></li> <li>Determinare gli spettri di sfondo del sistema INS elevando l'intero sistema di INS a una distanza maggiore di 4 m sopra la superficie del terreno e lontano da eventuali oggetti di grandi dimensioni e ripetere i passaggi da acquisizione dati 4.2.2 - 4.2.9.</li>
	<li>Elaborazione dati <ol><li>utilizzare un foglio di calcolo per aprire i file di dati salvati nel passaggio 4.2.4. Trovare i valori per l'output e input tariffe totali (OCR e ICR) e in tempo reale (RT) nelle righe 28, 27 e 30, rispettivamente.</li>
		<li>Calcolare il tempo di vita (LT) per INS &#38; TNC e spettri TNC per tutte le misurazioni come LT ho = OCR ho / ICR ho ·RT ho (1), dove OCR io e ICR io sono i tassi di conteggio di output e l'input per la misurazione i-esimo e RT è reale tempo di misura l'i-esimo.</li>
		<li>Calcolare gli spettri di gamma nei conteggi al secondo (cps), dividendo gli spettri (righe 33-2080 nel foglio di calcolo) per il corrispondente LT.</li>
		<li>Calcolare gli spettri di INS netti dalle misure corrispondenti per ogni pozzo come 
		NET INS spettro = (INS &#38; TNC - TNC) Pit - (INS &#38; TNC - TNC) Bkg (2)</li> <li>trovare la gamma picchi 1,78 MeV (28 Si) e 4,44 MeV (12 C) nello spettro INS netto per ogni buca e calcolare le aree dei picchi (4,44 MeV C picco area, area del picco Si 1,78 MeV) utilizzando software di IGOR.
		<ol><li>Apri il software facendo doppio clic sull'icona. Inserire il primo netto INS spettro nella tabella.</li>
			<li>Fare clic su Windows | Nuovo grafico | Da Target | &#34; nome del file &#34; | Fallo. Lo spettro viene visualizzato nella finestra del grafico. Fare clic su grafico | Visualizza Info. Le finestre con A e marcatori B viene visualizzato sotto la finestra del grafico.</li>
			<li>Posiziona il mouse sul segno A, premere il pulsante sinistro del mouse e trascinare il cursore per lo spettro sul lato sinistro del picco 1,78 MeV. Posizionare il puntatore del mouse sul segno B, premere il pulsante sinistro del mouse e trascinare il cursore per lo spettro sul lato destro del picco MeV 1,78.</li>
			<li>Fare clic su analisi | Multi-picco Fit | Avviare nuova Fit multi-picco | Da Target | Continuare. Nella finestra a comparsa contrassegnato uso grafico cursore | Linea di base lineare | Auto-individuare picchi ora | Farlo | Risultati di picco. L'area del picco appare nella finestra pop-up.</li>
			<li>Ripetere le stesse operazioni per picco 4,44 MeV.</li>
			<li>Ripetere tutte le operazioni precedenti con gli spettri netto rimanente di INS.</li>
		</ol></li> <li>Trovare il carbonio netto le aree dei picchi per ogni pozzo dall'equazione Net C picco zona ho = 4,44 MeV C picco zona ho - 0,058 · 1,78 MeV Si picco zona ho (3)</li> <li>costruire la linea di calibratura per il sistema INS come un puntello diretto ortional dipendenza delle aree dei picchi di carbonio netto vs concentrazione di carbonio espresso in percentuale di peso.
		<ol><li>Aprire la nuova tabella in software di IGOR: fare clic su finestra | Nuova tabella. Immettere i valori di concentrazione di carbonio pit nella prima colonna e l'area di picco C netto corrispondente nella seconda colonna.</li>
			<li>Trama il C netto picco zona vs concentrazione di carbonio del pozzo: fare clic su Windows | Nuovo grafico. Scegliere area di picco netto C come YWave e le concentrazioni di carbonio come XWave. Scegliere di farlo. I punti vengono visualizzati nel grafico.</li>
			<li>Costruire la linea di calibrazione: fare clic su analisi | Curva di raccordo | Funzione - linea | Da Target | Fallo. La linea di calibratura e il coefficiente di taratura (k) apparirà nella finestra.</li>
		</ol></li></ol></li></ol> 5. Misurazioni del terreno di campo in modalità statica <ol><li>preparare il sistema INS per misurazione secondo la fase 3.</li>
	<li>Posiziona il sistema del sito che richiedono analisi di contenuto di carbonio del suolo manualmente o da traino utilizzando il veicolo adatto. Posizionare il sistema INS in modo tale che la proiezione della sorgente di neutroni è centrata sopra il sito misurato.</li>
	<li>Implementare azioni come segue 4.2.2 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 per determinare le aree dei picchi C netto per i siti di studio.</li>
	<li>Calcolare la concentrazione di carbonio in peso % utilizzando il coefficiente di taratura come 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/56270/56270eq1.jpg" /></li></ol> 6. condurre misurazioni sul campo del suolo in modalità scansione <ol><li>stimare il percorso che il sistema di INS si recherà sul campo mentre contabilità per velocità di traslazione (&#8804; 5 km/h), campo size, footprint di sistema INS (raggio ~ 1 m) e tempo di misura (1 h) tale che la traiettoria di movimento alla fine copre l'area di tutto il campo. Per comodità, posto bandiere a trasformare punti lungo il perimetro del campo.</li>
	<li>Preparare il sistema INS per misurazione secondo la fase 3.</li>
	<li>Implementare azioni come segue 4.2.2 - 4.2.3.</li>
	<li>Seguire il percorso di viaggio predeterminato per 1 h.</li>
	<li>Implementare azioni come segue 4.2.4 - 4.2.9 e 4.4.1 - 4.4.6 per determinare zone di picco netto C per il campo studiato.</li>
	<li>Calcolare la concentrazione di carbonio in peso % utilizzando il coefficiente di taratura di equazione 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. 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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. 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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Sulla base la Fondazione creata da precedenti ricercatori, il personale NSDL rivolto domande critiche per l'uso pratico e di successo di questa tecnologia in impostazioni del campo di mondo reale. Inizialmente, i ricercatori NSDL ha dimostrato la necessità di rappresentare il segnale di fondo del sistema INS quando determinare zone di picco di carbonio netto. 11 un altro sforzo ha mostrato che l'area del picco di carbonio netto caratterizza la percentuale di peso medio carbonio nello strato super...

Conoscenza del contenuto di carbonio del suolo è necessaria per l'ottimizzazione della produttività del suolo e la redditività, comprendere l'impatto delle pratiche di utilizzo di terreni agricoli su risorse del suolo e la valutazione di strategie per il sequestro di carbonio1, 2,3,4. Carbonio nel suolo è un indicatore universale di terreno qualità5. Diversi metodi sono stati sviluppati per le misurazioni di carbonio del suolo. Combustione a secco (DC) è stato il metodo più diffuso per anni6; Questo metodo si basa sulla raccolta del campione di campo e laboratorio di lavorazione e misurazione che è distruttivo, manodopera intensiva e richiede tempo. Due nuovi metodi sono spettroscopia di ripartizione indotta da laser e vicino e metà spettroscopia infrarossa7. Questi metodi sono anche distruttivi e analizzare solo lo strato di terra molto vicino alla superficie (0,1 - 1 cm di profondità di suolo). Inoltre, questi metodi restituiscono solo punto misurazioni del contenuto di carbonio per volumi di campione piccolo (~ 60 cm3 per metodo di DC e 0.01-10 cm3 per i metodi di spettroscopia infrarossa). Tali misurazioni del punto rendono difficile estrapolare risultati alle scale di campo o paesaggio. Poiché questi metodi sono distruttivi, misure ricorrenti anche sono impossibili.
I ricercatori precedenti al Brookhaven National Laboratory ha suggerito applicando la tecnologia di neutroni per suolo carbonio analisi (metodo INS)7,8,9. Questo sforzo iniziale ha sviluppato la teoria e la pratica di usando l'analisi di gamma di neutroni per la misura di carbonio del suolo. A partire dal 2013, questo sforzo è stato continuato a USDA-ARS nazionale suolo Dynamics Laboratory (NSDL). L'espansione di questa applicazione tecnologica negli ultimi 10 anni è dovuta a due fattori principali: la disponibilità di generatori di neutroni commerciale relativamente poco costoso, rilevatori di gamma e corrispondente elettronica con software; e banche dati di riferimento all'avanguardia neutrone-nuclei interazione. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri. Un sistema di INS, posizionato su una piattaforma, potrebbe essere manovrato su qualsiasi tipo di campo che richiede la misura. Questo metodo non distruttivo in situ può analizzare i volumi di grandi terreni (~ 300 kg) che possono essere interpolati a un campo intero agricolo utilizzando solo alcune misurazioni. Questo sistema di INS è anche in grado di operare in una modalità di scansione che determina il contenuto di carbonio medio di un'area basata sulla scansione sopra una griglia prestabilito del campo o del paesaggio.

<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

L'applicazione qui descritto del neutrone anelastico Dispersione metodo (INS) per analisi di carbonio del suolo è basato sulla registrazione e l'analisi di raggi gamma creata quando neutroni interagiscono con gli elementi del terreno. Le parti principali del sistema INS sono un generatore di neutroni pulsati, rilevatori di gamma Nai, dividere elettronica per separare spettri gamma dovuto INS e termo-neutrone cattura (TNC) processi e software per l'acquisizione di spettri di gamma ed elaborazione dei dati. Questo metodo ha diversi vantaggi rispetto ad altri metodi, in quanto esso è un metodo non distruttivo in situ che misura il carbonio medio contenuto in volumi di grande terreno, risente in modo trascurabile locali forti cambiamenti in carbonio nel suolo e può essere utilizzato in stazionario o modalità di scansione. Il risultato del metodo INS è il contenuto di carbonio da un sito con un ingombro di ~2.5 - 3 m2 in regime stazionario, o il contenuto di carbonio medio dell'area attraversata in regime di scansione. Campo di misura del sistema INS attuale è &#62; 1,5% di peso di carbonio (deviazione standard ± 0.3% w) nello strato superiore 10 cm del suolo per un 1 hmeasurement.

Del suolo INS &#38; TNC e TNC spettri gamma
Una visione generale degli spettri gamma suolo misurata è illustrata nella Figura 4. Lo spettro consiste di una serie di picchi su uno sfondo continuo. Le vette principali di interesse sono centroidi 4,44 MeV e 1,78 MeV all'INS &#38; spettri TNC. Il secondo picco può essere attribuito ai nuclei di silicio contenuti nel suolo, e il primo picco è un picco sovrapposto dai...

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

Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione

Qui, presentiamo il protocollo per la misura in situ di carbonio nel suolo usando la tecnica di neutroni-gamma per singolo punto misure (modalità statica) o campo medie (modalità di scansione). Inoltre descriviamo la costruzione del sistema ed elaborare procedure di trattamento dei dati.

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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Research

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Engineering

7.3K Views.  Agricultural Research Service, United States Department of Agriculture. Qui, presentiamo il protocollo per la misura in situ di carbonio nel suolo usando la tecnica di neutroni-gamma per singolo punto misure (modalità statica) o campo medie (modalità di scansione). Inoltre descriviamo la costruzione del sistema ed elaborare procedure di trattamento dei dati.

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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.

Progettazione e funzionamento di un continuo<sup&gt; 13</sup&gt; C e<sup&gt; 15</sup&gt; N Etichettatura Camera di Uniform o differenziale, metaboliche e strutturali, Flora Isotope Labeling

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

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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.

Misura del flusso di gas serra da terreni agricoli Uso statici 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.

Misurazione di carbonio a base di contaminanti mineralizzazione Utilizzando combinata CO<sub&gt; 2</sub&gt; flusso e radiocarbonio analisi

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.

Valutazione della Labile carbonio organico nel suolo Uso delle procedure sequenziale fumigazione incubazione

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.

Misura e mappatura modelli di erosione e deposizione relazionati al suolo carbonato concentrazioni sotto gestione agricola

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.

La quantificazione delle concentrazioni di idrogeno in superficie e di interfaccia Livelli e materiale sfuso attraverso profili di profondità con l&#39;analisi reazione nucleare

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

Ingegneria

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.

Visualizzazione bidimensionale e quantificazione di labile, nutrienti vegetali inorganici e contaminanti nel suolo

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.

Monitoraggio dell'accumulo di carbonio inorganico pedogenico a causa dell'erosione dei minerali silicati modificati nei suoli agricoli.

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.

Utilizzo del frazionamento della densità del suolo per separare i pool di carbonio del suolo distinti

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 neutronica e tomografia computerizzata di sistemi biologici presso il reattore isotopico ad alto flusso dell'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 ...

Misure del carbonio nel suolo di neutroni-Gamma analisi statica e modalità di scansione

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Progettazione e funzionamento di un continuo