测量与绘制农业管理下与土壤碳酸盐浓度相关的土壤侵蚀和沉积模式

摘要

土壤侵蚀和沉积的空间格局可通过在适当时间间隔内测绘的地表高程差异推断得出。这些高程变化与近地表土壤碳酸盐的变化相关。本文介绍了对这些参数进行野外和实验室重复测量以及数据分析的可重复方法。

摘要

土壤侵蚀与沉积的空间格局可通过在适当时间间隔内测绘的地表高程差异进行推断。这些高程变化与近地表土壤碳酸盐（CaCO₃）剖面的变化相关。本研究旨在描述一个简明的概念模型，并提供可重复的野外与实验室测量这些参数的详细操作规程。本文采用地面差分全球定位系统（GPS）精确测量高程；其他数据采集方法也可适用于相同的基本方法。土壤样品按预设深度间隔采集，并在实验室中采用一种高效且精确的改进压力气量法对无机碳浓度进行定量分析。对点位数据应用标准统计方法，代表性结果表明，土壤表层CaCO₃的变化与高程变化之间存在显著相关性，且与概念模型一致：在沉积区域CaCO₃通常减少，而在侵蚀区域则增加。通过高程和土壤CaCO₃的点位测量数据生成地图，以辅助分析。研究样地为一处雨养冬小麦田，采用冬小麦与休耕条带交替种植模式，其侵蚀与沉积格局图揭示了水蚀和风蚀在管理和地形影响下的交互作用。本文还讨论并推荐了未来将土壤侵蚀与沉积过程关联于土壤CaCO₃研究中可采用的替代采样方法和深度间隔设置。

引言

土壤侵蚀威胁着农业用地的可持续性。作物管理措施，例如传统翻耕的冬小麦-休闲轮作，会加速侵蚀和沉积过程，因为在休闲期间裸露的土壤更容易受到风力和水力的作用^1,2,3,4,5（图1）。尽管这些过程可能显而易见，但其量化却较为困难。

本研究的首要目的是提供一种高效的方法，利用全球定位系统（GPS）技术和地理信息系统（GIS）制图工具，在田间尺度上量化并描述侵蚀与沉积的空间分布模式。本文还提出并检验了一个将这些空间模式与近地表土壤碳酸盐（CaCO₃）关联的简单概念模型，通过规定的野外与实验室方法验证该模型。这些关系可为侵蚀与沉积提供间接衡量指标，同时验证GPS方法的结果。本文重点阐述Sherrod et al. 所采用的方法，以便在其他地区开展类似研究时，能够部分或完整地重复其实验流程⁶。

方案

1. 陆地表面高程数据采集

1. 站点 GPS 校准
   1. 在测量现场的安全位置寻找或设置一个稳定的基准点，用作RTKGPS数据采集的基站GPS。
   2. 使用该本地基准点处基站位置坐标的最佳近似值，设置RTKGPS数据采集的基站即，经WAAS校正的GPS位置）。
   3. 使用漫游车GPS，在RTKGPS无线电通信范围（约10 km半径）内访问至少三个水平和垂直控制点基准，并记录其位置。
      注意：美国国家大地测量局（National Geodetic Survey）提供的基准点可通过在线方式查询³³ 并在此处使用。
   4. 根据已测得并公布的控制点坐标，使用 RTKGPS 现场软件进行站点校准³⁴，求解用作基准站的本地基准点坐标。检查控制点的坐标残差（水平和垂直）是否在可接受限差范围内（± 0.02 m 用于此校准）。
2. GPS点数据采集
   1. 使用基准站GPS设置于本地基准点，并结合本地场地校准及野外软件，在整个勘测区域内以约5米的水平间距将RTKGPS位置数据记录至GPS数据采集器中。
      1. 通过将巡视器GPS天线安装在车辆上，并使其距地面保持已测量的固定高度，驾驶车辆穿越区域进行样线调查，以高效采集数据（

结果

通过比对2001年与2009年的数字高程模型（DEM）差异，可揭示该8年期间的侵蚀（红色）与沉积（绿色）现象，大多数区域的高程变化达到分米级（图5）。在田块尺度上，西部和西南部以侵蚀为主，而东部区域则沿西北至东南对角带状分布出现沉积。在管理尺度上可见交替分布的侵蚀与沉积条带，常在管理条带边界处出现突变。与土壤类型（图4a）相关的分布模式虽不显著，但似乎与和土壤类型密切相关的地形特征相吻合。在地形汇聚区域，可观察到类似水流路径的细尺度侵蚀与沉积格局。在6号条带中可见三条与管理方向平行的明显线性侵蚀特征。为分析这些独特特征，绘制了一条自西向东的剖面线（A-A' ，图5）（图11），这些特征极有可能由耕作操作引起。在6号条带中，这些特征区域内未设置任何土壤采样点。

讨论

高程变化图（图5）显示了农田上显著的侵蚀与沉积现象，以及在多个尺度上反映多种控制因素的空间格局。从与风力相关的田间尺度格局，到由水流形成的细小的树枝状格局，本研究涉及的各类过程均清晰可辨。重复进行RTKGPS地面测量所提供的高程变化检测精度显得最为适宜。较之更精细的检测水平（如地面激光扫描TLS所提供的）可能会因引入微地形特征（如作物垄和沟）而使结果复杂化；而较粗略的检测水平（如机载测量所获得的）则可能不足以捕捉细尺度的格局。对如此规模的区域（约100公顷）开展RTKGPS地面测量需耗时数天，这主要是由于每秒仅能采集一个数据点以及覆盖整个区域所需的移动时间所限。未来，若机载测量的精度能够提升至与本研究中所用地面测量相当的水平，则可能提供更优的替代方法。

根据概念模型预测，地表土壤CaCO₃ 的变化与地表高程变化之间的相关性呈现出混合结果。2001年，仅在0–30 cm土层中获得了一个深度层次的土壤样品用于CaCO₃ 浓度测定；而2012年，0–30 cm土层被划分为两个15 cm.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
实时动态GPS系统	Trimble	Model 5800
GPS野外数据采集器	Trimble	Model TSC2
GPS野外软件	Trimble		Trimble Access（2001年用于场地校准的Trimble Survey Controller软件，但该软件目前已不再支持）
液压土壤取芯机	Giddings Machine Company
多功能车辆	John Deere	Gator 6x4
GIS软件	ESRI		ArcGIS for Desktop，含Spatial Analyst和Geostatistical Analyst扩展模块
统计分析软件	SAS		SAS Institute Inc.
压力传感器 0-105 kPa	Serta	Model 280E	Setra Systems, In., Boxborough, MA
电压表	WaveTek	5XL	设置为读取电压的数字万用表
血清瓶	Wheaton	223747	100 mL
血清瓶	Wheaton	223762	20 mL
20 mm铝制密封盖	Wheaton	224183-01	每箱1,000个
20 mm灰色丁基橡胶塞（双孔）	Wheaton	224100-192	隔垫；每箱1,000个
手动压盖钳	Wheaton	W225303	20 mm规格
手动启封器	Wheaton	W225353	20 mm规格
酸化小瓶	Wheaton	224881	0.50 dram规格（2 mL）
电源	SR Components	DDU240060	Class 2变压器交流适配器；输入120VAC，输出24VDC
碳酸钙	Fisher	471-34-1	500 g，纯度100% w/w CaCO3