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，其次为检验将这些格局与近地表土壤碳酸盐相关联的概念模型。这些方法有助于我们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。

我们在更新数字高程图后首次产生了这项研究的想法。高程差异图显示了明显的侵蚀和沉积模式，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，在整个调查区域内，每五分钟使用野外软件记录一次 RTK GPS 位置数据。

首先，通过与本地基准点进行站点校准，以确保最高精度。对测量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，从而确保达到检测微小高程变化所需的厘米级精度。

为高效采集数据，将巡视 GPS 天线安装在车辆上，距地面固定高度处。然后将样线的各点导入 GPS 数据采集器，驾驶时以恒定速度在各点之间行进并同步采集数据，以绘制每 5 米间隔的图谱。此外，应在车辆上配备液压土壤钻探机，并使用所需土壤样品直径的取样管。

利用RTK GPS定位数据确定的位置进行土芯采样。使用土壤取芯机采集土壤样本，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好的可密封塑料袋中，然后将样品放入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进行这些分析时，需使用GPS返回相同的采样地点，并采集新的土壤样品。

在实验室中，准备土壤样品以进行分析。首先，将样品置于60°C烘箱中过夜干燥。次日，使用电动研磨机或研钵与研杵，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进的压力测压计装置。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。接下来，将管路连接到颗粒过滤器的底部，并将管路连接至一支18号鲁尔锁型皮下注射针头。然后，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，舀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的无水硫酸酸液，滴加到土壤上，观察是否产生气泡。如果气泡反应剧烈，则认为碳酸钙含量高于15%，应使用100毫升的容器。

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，然后使用灰色丁基橡胶塞小心密封容器，并用铝制密封环固定。随后摇动容器，使酸液倒入土壤样品中，让反应至少进行两个小时。在等待期间，使用标准品在平行设置中以相同参数制备标准曲线。

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样品。在确定标准曲线时，准确了解零碳酸钙样品的电压值非常重要，因为这决定了该方法的检测限。我通常在测量已知浓度标准品的同时，对空白样品进行三次测量，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。

在大多数地区，地表高程变化达到分米级。发现大范围的侵蚀和沉积模式与地形汇聚区的水流路径相似。2001年和2012年采集了碳酸钙样品，用于与研究区域发生的侵蚀和沉积情况进行比较，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，高程变化受到所有协变量的显著影响；而碳酸钙含量的变化则主要受到侵蚀类型、EDU 或土壤图斑单元的显著影响。

先前通过该地点的土壤调查确定了五个土壤单元。对点样本结果的插值显示，2001年相对较小的高、低碳酸钙集中区域在2012年已不明显，空间格局变得不那么复杂。

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，我们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出能力。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。