מדידה ומיפוי דפוסים של סחף אדמה ומשקעים הקשורים אדמה ריכוזים קרבונט תחת ניהול חקלאיים

המטרות הכוללות של מחקר זה הן ראשית, לספק שיטה יעילה לכימות ותיאור של דפוסי מרחביים של סחף קרקע והצטברות משקעים בקני מידה של שטח, ושנית, לבחון מודל מושגי הקושר דפוסים אלו לקרבונטים בקרקע השטוחה. שיטות אלו מעניקות לנו הבנה טובה יותר של הקשרים ההדדיים בין קרבונטים בקרקע השטוחה לבין תהליכי השטח של סחף והצטברות משקעים. היתרונות העיקריים של טכניקות אלו הם זיהוי מדויק של שינויים בגובה פני הקרקע לאורך זמן וניתוח מהיר של קרבונטים בקרקע על פני דגימות קרקע רבות.

הרעיון למחקר זה עלה תחילה לאחר עדכון מפות הגובה הדיגיטליות. מפה של הפרשי הגבהים הראתה דפוסים ברורים של שחיקה ושיקוע, ורצינו לבחון כיצד אלה קשורים לריכוזי קרבונטים. עבור פרוטוקול זה, השתמשו בתוכנה לשטח כדי להקליט נתוני מיקום RTK GPS בכל חמש דקות לאורך כל אזור הסקר.

התחילו בביצוע כיול של האתר ביחס לנקודות ייחוס מקומיות כדי להבטיח את רמת הדיוק הגבוהה ביותר. כיול אתר מקומי עבור האזור שנסקר מספק את הבקרה האופקית והאנכית הדרושה עבור שיטת ה-GPS. פעולה זו מבטיחה דיוק ברמה של סנטימטר, הדרוש לזיהוי שינויים קטנים בגובה.

לאיסוף נתונים יעיל, התקן אנטנת GPS של רובר בגובה קבוע מעל הקרקע על גבי רכב. לאחר מכן, ייבא את נקודות הנתיב (transect) לאסוף נתוני ה-GPS, ונווט ביניהן תוך כדי נסיעה ואיסוף נתונים במהירות קבועה כדי למפות מרווחים של חמישה מטרים. בנוסף, השתמש במכונה הידראולית לדגימת קרקע המותקנת על הרכב, ובצינור דגימה בקוטר הליבה הרצוי.

לחילוץ ליבות במיקומים שזוהו באמצעות נתוני מיקום RTK GPS. דגימת הקרקע מבוצעת על ידי שליפת ליבת קרקע באמצעות מכונת דגימת קרקע. דחפו את ליבת הקרקע מחוץ לשפופרת הדגימה וחלקו אותה למקטעי עומק רצויים.

העבירו את דגימות הקרקע לשקיות פלסטיק נסגרות שסומנו מראש. לאחר מכן, אחסנו את הדגימות בצידניות לצורך הובלתן למעבדה. בעת חזרה על ניתוחים אלו לאחר התרחשותם של אירועי סחף ושיקוע משמעותיים של קרקע, חזרו לאותם מיקומי דגימה באמצעות ה-GPS ואספו ליבות קרקע חדשות.

במעבדה, הכין את דגימות הקרקע לניתוח. לתחילת הפעולה, ייבש אותן בתנור בטמפרטורה של 60 °C למשך לילה. למחרת, גרס את דגימות הקרקע היבשות דרך נפה של 2 mm, באמצעות גורס ממונע או על ידי גריסה ידנית בעזרת מכתש ועלי.

השלב הבא דורש הקמה של מערך קלצימטר לחץ (pressure calcimeter) שונה. ראשית, חברו מתמר לחץ למקור מתח באמצעות חוט בבנאי 14. הוסיפו מד וולט דיגיטלי מחובר כדי לנטר את הפלט מהמתמר.

הוסיפו מסנן חלקיקים של 0.6 micron כדי להשיג זרימה אחידה ובכך להגן על חיישן הלחץ. לאחר מכן, חברו צינורית לבסיס מסנן החלקיקים וחברו את הצינורית למחט היפודרמית מסוג luer lock בכישור (gauge) 18. לאחר מכן, קבעו האם כלי התגובה צריכים להיות בקבוק סרום של 20 או 100 milliliter.

הרטיב כף מרק ממתכת במים ושאב ככפית אחת של קרקע שעשויה להכיל ריכוז גבוה של קרבונטים. טפטף בעזרת פיפטה 1 mL של חומצה גופרית ללא מים (anhydrous sulfuric acid) בריכוז 0.5 על הקרקע ועקוב אחר התהליכים של התססות (effervescence). אם התססות היא גבוהה, הנח כי ריכוז הסידן הפחמתי גבוה מ-15% והשתמש בכלי בנפח 100 mL.

לחלופין, השתמשו בבקבוק סרום של 20 milliliters. כדי לקבוע את ריכוז הפחמתיים, שקלו גרם אחד של דגימת קרקע מוכנה לתוך כלי תגובה מסומן. לאחר מכן, העבירו בפיפטה שני milliliters של ריאגנט חומצה לתוך מבחנה.

הנח בעדינות את הבקבוקון לתוך כלי התגובה, באופן שימנע שפיכה, ולאחר מכן אטום בזהירות את הכלי באמצעות פקק גומי בוטילי אפור והדק אותו עם טבעת איטום מאלומיניום. כעת, נער את הכלי כדי לשפוך את החומצה על דגימת הקרקע והשאר את התגובה להתקדם למשך שעתיים לפחות. בזמן ההמתנה, הכן גרף כיול סטנדרטי באמצעות תמיסות סטנדרט במערך מקבילי עם אותם פרמטרים.

הכינו תמיסות סטנדרט על ידי ערבוב של 100% calcium carbonate עם חרוזי זכוכית או חול על בסיס משקל, ולא על בסיס נפח. בעת קביעת gar של סטנדרט, חשוב לדעת במדויק את המתח של אפס calcium carbonate, שכן נתון זה מגדיר את גבול הגילוי של השיטה. בדרך כלל אני מודד את הדגימה הריקה שלוש פעמים, יחד עם ריכוזי סטנדרט ידועים, כדי לגזור את ה-gar.

לאחר השלמת התגובה של דגימת הקרקע, דקרו את ספטום הגומי של כלי התגובה ורשמו את פלט המתח שנקלט על ידי חיישן הלחץ. לאחר מכן, חשבו את אחוז סידן הפחמה (calcium carbonate) בדגימה באמצעות עקומת הכיול. מיפוי הבדלי DEM משנת 2001 ושנת 2009 חשף סחף והשקעה לאורך תקופה של שמונה שנים זו.

עם שינויים בגובה ברמה של דצימטרים ברוב השטחים. דפוסי סחף והשקעה בקנה מידה רחב, הדומים לנתיבי זרימת מים, נמצאו באזורים של התכנסות טופוגרפית. דגימות של סידן פחמתי נלקחו בשנים 2001 ו-2012, כדי להשוותן לסחף ולהשקעה שהתרחשו באזור המחקר וכדי לבחון את המודל המושגי.

בעת השוואה בין דגימות קרקע מהבלוק המזרחי והמערבי של רצועות הניהול, נמצא קשר הפוך בין השינוי בסידן פחמתי בקרקע השטחית לבין השינוי בגובה פני השטח. ניתוח שונות (ANOVA) מראה כי השינוי בגובה מושפע באופן מובהק מכל משתני הצד. לעומת זאת, שינויים בסידן פחמתי הושפעו באופן המובהק ביותר ממחלקת השחיקה (erosional class), מיחידת ה-EDU או מיחידת הקרקע הממופה.

חמש יחידות קרקע נקבעו בעבר על ידי סקר קרקע של האתר. אינטרפולציות של תוצאות דגימות הנקודה מראות כי האזורים המרוכזים והקטנים יחסית של ריכוזי סידן פחמתי גבוהים ונמוכים בשנת 2001 לא היו ניכרים בשנת 2012. התבנית המרחבית הפכה לפחות מורכבת.

נראה כי הרגישות של זיהוי שינויי גובה המסופקת על ידי סקרי קרקע חוזרים ב-RTK GPS היא אופטימלית לכימות ותיאור של תהליכי סחף והשקעה בקנה מידה שדה. שיטת קרבת הלחץ המעודכנת היא טכניקה מצוינת למדידת קרבונטים, והיא מאפשרת לנו לעבד דגימות רבות בפרק זמן קצר. גובה פני הקרקע זוהה בקלות רבה יותר מאשר שינויים בקרבונטים בקרקע, ככל הנראה בשל מרווח הדגימה של הליבה, שהיה 30 centimeters בשנת 2001.

דגימות עתידיות במרווחים של 15 סנטימטרים אמורות לשפר את הגילוי שלנו של קרבונטים בקרקע. ניתן להחיל את המודל המושגי ואת השיטות המתוארות כאן על אתרים אחרים שבהם קיימות שכבות גיריות בקרבת פני השטח של הקרקע.