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

本研究的总体目标首先是提供一种高效的方法，用于量化和描述田间尺度上土壤侵蚀与沉积的空间格局；其次，检验一种将这些格局与近地表土壤碳酸盐相关的概念模型。这些方法使我们能够更好地理解表层土壤碳酸盐与地表侵蚀和沉积过程之间的相互关系。这些技术的主要优势在于能够准确检测土壤地表高程随时间的变化，并可对大量土壤样品中的碳酸盐进行快速分析。

我们最初是在更新数字高程图后产生了这项研究的想法。高程差异图显示了明显的侵蚀与沉积模式，我们希望探究这些模式与碳酸盐浓度之间的关系。在本实验方案中，应在整个调查区域每五分钟使用野外软件记录一次 RTK GPS 位置数据。

首先进行站点校准，以本地基准点为参照，确保最高精度。对拟测区域进行本地站点校准，可为GPS方法提供必要的平面和高程控制，从而实现厘米级精度，以检测微小的高程变化。

为高效采集数据，将巡视器GPS天线安装在车辆上，距地面固定高度处。然后将样线上的各点导入GPS数据采集器，驾驶车辆时沿这些点导航，并以恒定速度行驶，同时采集数据以绘制每5米间隔的图谱。此外，使用安装在车辆上的液压土壤取样钻机，并采用所需土壤芯直径的采样管进行取样。

利用 RTK GPS 定位数据确定的位置进行土芯采样。通过土壤采样器提取土壤芯样，将土芯从采样管中推出，并按所需深度分段切割。

将土壤样品转移至预先标记的可密封塑料袋中，随后将样品置于冷藏箱中运送到实验室。在发生显著的土壤侵蚀和沉积事件后重复上述分析时，利用GPS返回相同的采样地点，并采集新的土壤芯样。

在实验室中，准备用于分析的土壤样品。首先，在60°C的烘箱中将样品过夜烘干。第二天，使用电动研磨机或研钵和研杵，将干燥的土壤样品通过2毫米筛网进行研磨。

下一步需要搭建一个改良的压力测压计装置。首先，使用14号导线将压力传感器连接到电源。同时连接一个数字电压表，用于监测传感器的输出信号。

使用一个0.6微米的颗粒过滤器，以收集均匀的流速，从而保护压力传感器。然后，将管路连接到颗粒过滤器的底部，并将管路连接至一个18号鲁尔锁扣式皮下注射针头。接着，确定反应容器应使用20毫升还是100毫升的血清瓶。

用水润湿一个金属汤匙，取约一茶匙可能含有高浓度碳酸盐的土壤。用移液器吸取1毫升0.5 M无水硫酸酸液，滴加到土壤上，观察是否产生气泡。若气泡反应剧烈，则可认为碳酸钙含量高于15%，此时应使用100毫升容器。

否则，使用一个 20 毫升的血清瓶。为测定碳酸盐浓度，称取 1 克制备好的土壤样品，放入已标记的反应容器中。接着，用移液器将 2 毫升酸试剂加入小瓶中。

将小瓶轻轻放入反应容器中，避免洒出，然后用灰色丁基橡胶塞小心密封，并用铝制密封环固定。轻轻摇动容器，使酸液倒入土壤样品中，反应至少持续两小时。等待期间，使用相同参数在平行装置中配制标准曲线。

通过按重量（而非体积）将100%碳酸钙与玻璃珠或沙子混合来制备标准品。在确定标准曲线时，准确了解零碳酸钙的电压值至关重要，因为该值定义了该方法的检测限。我通常在测量已知标准浓度的同时，对空白样进行三次测量，以建立标准曲线。

土壤样品反应完成后，刺穿反应容器的橡胶隔膜，记录压力传感器输出的电压值。随后，利用标准曲线计算样品中碳酸钙的百分含量。通过对比2001年与2009年的数字高程模型（DEM）差异，揭示了这八年期间的侵蚀与沉积情况。

在大多数区域，地表高程变化达到分米级。在地形汇聚区域，发现大范围的侵蚀和沉积模式，其形态类似于水流路径。分别于2001年和2012年采集碳酸钙样品，用于与研究区域发生的侵蚀和沉积现象进行对比，并检验概念模型。

在比较管理条带东区与西区的土壤样品时，发现表层土壤碳酸钙含量变化与地表高程变化之间存在负相关关系。方差分析结果表明，高程变化受到所有侧向变量的显著影响；而碳酸钙含量的变化则主要受到侵蚀类型、EDU（侵蚀发育单元）或已绘制土壤单元的显著影响。

通过前期的土壤调查，已确定该地点存在五个土壤单元。点样本结果的插值显示，2001年相对较小且集中的高、低碳酸钙区域在2012年已不再明显，空间格局已变得不那么复杂。

通过重复的RTK GPS地面测量所提供的高程变化检测灵敏度，在量化和描述田间尺度的侵蚀与沉积过程方面表现出最佳效果。改进的压力 proximity 法是测量碳酸盐的优良技术，可在较短时间内处理大量样品。相较于土壤碳酸盐的变化，土壤表面高程的变化更容易被检测到，这可能是由于2001年采样时所用土芯的采样间隔为30厘米所致。

未来以15厘米为间隔的采样将有助于提高我们对土壤碳酸盐的检测能力。本文所述的概念模型和方法可应用于其他表层土壤附近存在钙质层的区域。