Methodenartikel

Meten en in kaart brengen van patronen van bodemerosie en afzetting aan de bodem carbonaat concentraties onder beheer van de landbouw gerelateerde

11.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/56064

⸱

12 september 2017

 ,  , 
1Water Management and System Research Unit, Center for Agricultural Resources Research, USDA Agricultural Research Service (ARS)

In dit artikel

Samenvatting

Ruimtelijke patronen van bodemerosie en depositie kunnen van verschillen in hoogte van de grond toegewezen op tijdig stappen worden afgeleid. Dergelijke wijzigingen in de hoogte hebben betrekking op wijzigingen in in de buurt van-oppervlakte bodem carbonaten. Herhaalbare methoden voor veld en laboratorium metingen van deze hoeveelheden en data analysemethoden worden hier beschreven.

Samenvatting

Ruimtelijke patronen van bodemerosie en depositie kunnen van verschillen in hoogte van de grond toegewezen op tijdig stappen worden afgeleid. Dergelijke wijzigingen in de hoogte hebben betrekking op wijzigingen in in de buurt van-oppervlakte bodem carbonaat (CaCO3) profielen. Het doel is om een eenvoudige conceptueel model en gedetailleerd protocol voor herhaalbare veld en laboratorium metingen van deze hoeveelheden te beschrijven. Hier, wordt nauwkeurige hoogte gemeten met behulp van een grond differentiële GPS global positioning system (); andere data acquisitie methoden kunnen worden toegepast op de dezelfde fundamentele methode. Bodemmonsters worden bijeengezocht uit voorgeschreven diepte intervallen en geanalyseerd in het laboratorium met behulp van een efficiënte en nauwkeurige gewijzigde druk-calcimeter methode voor de kwantitatieve analyse van de concentratie van de anorganische koolstof. Standaard statistische methoden worden toegepast om de gegevens, en representatieve resultaten tonen significante correlaties tussen wijzigingen in oppervlakte bodemlaag CaCO3 en wijzigingen in hoogte overeen met het conceptuele model; CaCO3 in het algemeen daalden op energetisch gebied en toegenomen in erosieachtige gebieden. Kaarten zijn afgeleid van punt metingen van hoogte en bodem CaCO3 op de steun van de analyses. Een kaart van geërodeerd en energetisch patronen op de site van de studie, een regen-gevoed wintertarwe veld bijgesneden in afwisselende stroken van tarwe-braak toont de interactie effecten van water- en winderosie beïnvloed door beheer en topografie. Alternatieve bemonsteringsmethoden en diepte intervallen zijn besproken en aanbevolen voor toekomstige werkzaamheden op het gebied van bodemerosie en afzetting bodememissies CaCO3.

Inleiding

Bodemerosie bedreigt de duurzaamheid van landbouwgronden. Gewas beheer, zoals een conventioneel bewerkte wintertarwe-braak vruchtwisseling, erosie en afzetting processen kunt versnellen, zoals naakte bodems braak perioden zijn gevoeliger voor wind en water krachten1,2, 3 , 4 , 5 (Figuur 1). Hoewel deze processen blijken kunnen, kunnen ze worden moeilijk te kwantificeren.

Het doel van deze studie eerst is bedoeld als een efficiënte methode voor het kwantificeren en beschrijven van de ruimtelijke patronen van erosie en afzetting in het veld schaal met behulp van global positioning system (GPS) technologie en geografische informatiesystemen (GIS) toewijzing van hulpmiddelen. Een eenvoudige conceptmodel betreffende deze patronen om te bodem carbonaten (CaCO3) in de buurt van de oppervlakte is ook gepresenteerd en getest door voorgeschreven veld en laboratoriumtechnieken. Deze relaties geven indirecte maatregelen van erosie en afzetting, terwijl het valideren van de resultaten van de GPS-methode. De huidige papier benadrukt de methoden die worden gebruikt in Sherrod et al. zodat ze kunnen worden herhaald, gedeeltelijk of geheel, voor soortgelijk onderzoek in andere locaties6.

figure-introduction-1
Figuur 1. Foto's van (a) erosie en afzetting (b) op de Site van de studie na een zware regenval gebeurtenis. Een trekker banden track in de rechterbenedenhoek van de foto (b) geeft de diepte van afzetting aan de grens van de strip tarwe/braak.

Diverse directe methoden voor het meten van bodemerosie door Stroosnijder7werden herzien. Voorgestelde methoden variëren met het doel van de meting en de beschikbare middelen, maar een "change in oppervlakte hoogte"-methode wordt aanbevolen op de schaal van de hillslope en biedt het voordeel van het meten van zowel erosie en afzetting. Unidirectioneel deze methode toe te passen is het installeren van de pinnen in de bodem en controleren van de verandering in de hoogte van de bodem ten opzichte van de bovenkant van de pin7. Met vooruitgang in het land surveying technologie, echter kan deze arbeidsintensieve aanpak worden vervangen door andere technieken, zoals terrestrische laser scannen (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scannen (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, geavanceerde fotogrammetrie23 ,24, of combinaties van deze technieken25,26,27. Terwijl laser scanning, kortweg LiDAR (licht detectie en variërend), biedt de meest snelle overname van dichte oppervlakte hoogte datasets, correcties moeten worden aangebracht om permanente objecten, zoals vegetatie te verwijderen. Met millimeter-verticale nauwkeurigheidsniveau, TLS kan detecteren de kleinste verandering van de hoogte, echter Perroy et al. Aanbevolen ALS over TLS voor gulley erosie schat als gevolg van de grotere scannen voetafdruk en betere instrument oriëntatie (minder topografische shadowing) voor het scannen in diep ingesneden geulen28. Real Time Kinematisch GPS (RTKGPS), centimeter-nauwkeurigheidsniveau zonder na verwerking van de gegevens, die wordt gebruikt voor deze studie. De ruimtelijke resolutie en de nauwkeurigheid van de RTKGPS-verzamelde gegevens zijn optimaal voor het opsporen van de dominante geërodeerd en energetisch functies in een landbouwgebied of andere omgevingen met aanzienlijke bodembedekker.

De druk-calcimeter methode voor de kwantificering van de bodem CaCO3 afhankelijk van de bodem reactie op zuur in een gesloten systeem, wat resulteert in het vrijkomen van CO2. De toename van de druk in het reactievat bij een constante temperatuur is lineair gecorreleerd aan de hoeveelheid bodem CaCO329. Wijzigingen aan de traditionele druk-calcimeter-methode, beschreven door Sherrod et al.., omvat het reactievat omzetten in serum flessen en het gebruik van een drukopnemer bedraad aan een digitale voltmeter voor de detectie van veranderingen van de druk 30. deze wijzigingen zorgen voor lagere detectiegrenzen en een hogere capaciteit voor dagelijkse bodemmonster wordt uitgevoerd. Gravimetrische of eenvoudige titrimetrische methoden voor de meting van de bodem CaCO3 geproduceerd grotere fouten en detectiegrenzen dan dit gewijzigd druk-calcimeter methode30.

Conceptueel Model

Als directe maatregelen van erosie en afzetting niet haalbaar, kunnen indirecte indicatoren van deze processen worden gebruikt. Sherrod et al. veronderstelde dat bodem toplaag CaCO3 concentratie in een semi-aride klimaat is omgekeerd gecorreleerd met de verandering in grond oppervlakte hoogte (positief gecorreleerd met erosie, negatief gecorreleerd met afzetting)6. De hypothese moet passen globaal, maar specifieke relaties zal afhangen van voorwaarden van de site (bodem, vegetatie, beheer en klimaat). Bodems op de testsite (tabel 1) bevatten doorgaans een aparte kalkhoudende laag 15-20 cm onder het bodemoppervlak. Conceptueel, erosie zal het verwijderen van de bovenlaag van de relatief lage CaCO3 concentratie waarbij deze kalkhoudende laag van hoge CaCO3 dichter aan het bodemoppervlak. De lage CaCO3 bodem is daarna getransporteerd naar de energetisch gebieden, waardoor de kalkhoudende laag te worden begraven dieper onder het bodemoppervlak (Figuur 2). Bemonstering van deze bodems na verloop van tijd op de juiste diepte intervallen, kan erosie of afzetting (of niet) worden afgeleid door CaCO3 concentratie, volgens dit model.

Bodem-serieHellingTaxonomische classificatieDieptepHEGTotale NSOCCaCO3
% cm 1:2 dS m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 Colby leem 5-9 boete-siltige gemengde, superactive, kalkrijke, mesic Aridic Ustorthent 0-15 8.2 0,24 0,7 6.1 69,8 15-30 8.3 0,24 0,5 4.0 84,3 Kim zandige leem 2-5 boete-Haspengouwse, gemengde actief, kalkrijke, mesic Ustic Torriorthent 0-15 7,8 0.26 0.8 7.0 29,8 15-30 8.0 0.27 0.6 5.0 51.5 5-9 boete-Haspengouwse, gemengde actief, kalkrijke, mesic Ustic Torriorthent 0-15 8.1 0.22 0.6 5.4 26,7 15-30 8.1 0.19 0,5 4.1 25,8 Wagonwheel leem 0-2 grof-siltige gemengde, superactive, mesic Aridic Calciustept 0-15 8.2 0.23 0,7 5.9 66,2 15-30 8.2 0.23 0.6 3.7 98,1 2-5 grof-siltige gemengde, superactive, mesic Aridic Calciustept 0-15 8.3 0.23 0.8 6.6 52.0 15-30 8.4 0.26 0,7 5.4 118.3

Tabel 1. Bodems op de testsite. Toewijzing eenheden en taxonomische classificatie, met de pH van de gemiddelde bodem, elektrische geleidbaarheid (EC), totale hoeveelheid N, organische C (SOC) van de bodem en CaCO3 concentraties in de 0 - tot 15- en 15 - tot 30-cm diepte stappen voor de Scott veld in 2012 in de bodem (uit Sherrod et al.) 6.

figure-introduction-2
Figuur 2. Conceptuele bodem profielen. Conceptuele bodem profielen voor (a) een statische bodem matrix met CaCO3 gespoeld uit de bovenlaag en neergeslagen in een diepere laag, (b) matig erosie van de bovenlaag, en (c) matig afzetting van materiaal boven de vorige bovenlaag. Diepte intervallen (links) zijn bij benadering gebaseerd op de gegevens van de site (van Sherrod et al.) 6. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Site beschrijving en geschiedenis

De 109-ha Scott veld deel uitmaakt van de Farm Drake in noordoostelijke Colorado (40.61oN, 104.84oW, Figuur 3) en van 2001 tot 2012 voor deze studie werd gecontroleerd. Gemiddelde jaarlijkse neerslaghoeveelheid en evapotranspiratie waren ongeveer 350 en 1200 mm, respectievelijk, in dit semi-aride klimaat, waar convectie regen van korte duur en hoge intensiteit zich tijdens de zomer voorkwamen. Waterstand variëren van 1559 tot 1588 m in dit heuvelachtig terrein met verschillende landschap posities: Top, sideslope Noord-gerichte (kant-NF), sideslope zuiden (kant-SF) en toeslope (figuur 4b). Afwisselende stroken (~ 120 m breed) werden meestal beheerd in deze neerslag wintertarwe-braak rotatie zodanig dat elke andere strip braak voor ongeveer 14 maanden uit elke cyclus van 24 maanden rotatie was. Ondiepe grondbewerking (~ 7 cm), meestal v-blade veegt, vond plaats van 4 tot 6 keer via de braak periode voor onkruidbestrijding. Bodems op de site werden geclassificeerd als u wilt dat een bodemverlies tolerantie, of T -waarde van 11 Mg ha-1 jaar-1, waar erosie tarieven hieronder deze T -waarde worden beschouwd als aanvaardbaar voor aanhoudende agrarische productie4 .

figure-introduction-3
Figuur 3. Sitelocatie wordt weergegeven op een topografische Relief-afbeelding (1011-4401 m) van de staat Colorado, USA. Gemiddelde hoogte van de site is 1577 m.

figure-introduction-4
Figuur 4. Bodems van de kaart en Land oppervlak elevatie van de Scott Field. (a) bodems kaart van het Scott Field tonen puntlocaties bodem monster en de Gewasmanagement stroken. Bodem eenheid afkortingen zijn: 1 = Wagonwheel leem 0-2% helling, 2 = Wagonwheel leem 2-5% helling, 3 = Colby leem 5-9% helling, 4 = Kim fijn zandstrand leem 2-5% helling, 5 = Kim fijn zandstrand leem 5-9% helling; en (b) land oppervlakte elevatie van het veld op basis van de 2001 5-m raster digital elevation model (DEM), met bodem monster locaties getoond door land classificatie (van Sherrod et al.) 6.

De eerste grond oppervlakte hoogte enquête werd verzameld door RTKGPS in 2001 voor de productie van een digitaal hoogtemodel (DEM) voor de site. In combinatie met McCutcheon et al.., een intensieve bodemmonster (figuur 4a) werd ook in 2001 uitgevoerd, uit welke oppervlakte bodem CaCO3 werden geanalyseerd door een gewijzigde druk-calcimeter methode30,31 . Visueel duidelijk erosie en afzetting die zich voordoen in het daaropvolgende decennium als gevolg van de wind, voornamelijk uit het noordwesten, en neerslag-afvoer gebeurtenissen gevraagd een tweede RTKGPS hoogte onderzoek in 2009 (met een gedeelte van het veld voltooid in 2010). Vergelijking van de nieuwe DEM naar de oorspronkelijke 2001 DEM via een DEM van verschil kaart32 bevestigd significante erosie en afzetting, weergeven van patronen die meerdere controlerende factoren voor deze processen (Figuur 5) voorgesteld. Gezien de aanzienlijke oppervlakte bodem herverdeling op de site en de gegevens over de historische bodem CaCO3 , werd het bodemmonster 2001 herhaald in 2012 voor het testen van een conceptueel model van hydropedological processen6, zoals beschreven in de vorige sectie.

figure-introduction-5
Figuur 5. Kaart van wijzigingen (2001-2009 *) in landoppervlak elevatie (Δz) op een 5-m Grid binnen de Scott Field in noordoostelijke Colorado. Gewas strip nummers worden aangeduid over het afwisselende winter-tarwe-braak bijsnijden systeem, ensectie A-A' wordt weergegeven (details gegeven in Figuur 11). * Strips 2, 4, 6, 8 ondervraagde in 2010 om te voltooien de DEM 2009 (van Sherrod et al.) 6. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. verzamelen van de gegevens van de verhevenheid van grond oppervlak

  1. GPS kalibratie voor site
    1. Locate of reeks een stabiele benchmark op een veilige locatie op de site van de enquête voor gebruik als het basisstation GPS voor het verzamelen van de gegevens van RTKGPS.
    2. Instellen van basisstation voor RTKGPS verzamelen van de gegevens op deze lokale benchmark met behulp van beste onderlinge aanpassing van de coördinaten voor de locatie van het basisstation (dat wil zeggen, WAAS-gecorrigeerde GPS-positie).
    3. Met de rover GPS, een bezoek aan ten minste drie horizontale en verticale controle punt benchmarks binnen de grenzen van de mededeling van de radio van de RTKGPS (ongeveer 10 km radius) en record posities.
      Opmerking: Benchmarks beschreven door de National Geodetic Survey kan gezochte online 33 en hier dienden.
    4. Gezien de gemeten en gepubliceerde coördinaten van de controlepunten, RTKGPS veld software gebruiken voor het uitvoeren van een site kalibratie 34, voor de coördinaten van lokale benchmark te worden gebruikt als basisstation op te lossen. Controleer of coördinaat storingswaarden (horizontaal en verticaal) voor de controlepunten binnen aanvaardbare grenzen (± 0,02 m voor deze kalibratie).
  2. GPS wijs gegevensverzameling
    1. met basisstation GPS instellen op lokale benchmark en RTKGPS met behulp van de lokale site kalibratie en veld software, opnemen plaatst u de gegevens in GPS gegevensverzamelaarset op ongeveer een 5-m horizontale afstand in de enquête gebied.
      1. Gegevens verzamelen efficiënt door montage rover GPS antenne op een gemeten vaste hoogte boven de grond oppervlak op een voertuig en door het gebied ( Figuur 6) rijden transecten.
    2. Definiëren voor voertuig methode, transect eindpunten maken parallel transecten verdeelde 5 m uit elkaar. Import transect eindpunten in de gegevensverzamelaarset GPS voor navigatie van transecten tijdens het rijden. Verzamel punten met de gegevensverzamelaarset automatisch één keer per seconde terwijl rijden op ongeveer 5 m s -1 transecten te verkrijgen van de gegevens over elke 5 m.
    3. Herhaal punt gegevensverzameling op site als hierboven beschreven op later tijdstip (8 tot en met 9 jaar later in deze studie) zodat de grond oppervlakte hoogteverschillen kunnen worden geanalyseerd; de originele GPS site kalibratie wordt gebruikt voor alle enquêtes en wordt niet herhaald.

figure-protocol-1
Figuur 6. RTKGPS hoogte oppervlakte gegevensverzameling. RTKGPS hoogte oppervlak gegevens worden verzameld tijdens het rijden te utility wagen via het veld (a), terwijl de real-time GPS correcties worden geleverd door de on-site basisstation (b).

2. DEM creatie en verwerking

  1. maken de DEMs
    1. Import positie van gegevens in GIS software en interpoleren op een 5-m raster DEM. met behulp van GIS software, kruis-valideren gemeten punt waterstand aan geïnterpoleerde hoogte waarden en kiest u een interpolatiemethode die deze cross-validatiefouten minimaliseert.
      Opmerking: Gewone kriging met een Gaussiaans semivariogram model was de optimale interpolatiemethode voor de gegevens van de hoogte op deze site. Cross-validatie biedt ook een zekere mate van nauwkeurigheid van de hoogte van de enquête methode 35.
    2. Herhaal 2.1.1 voor tweede set van gegevens over posities maken tweede DEM.
  2. Mapping DEM verandering
    1. de meest recente DEM uit de oorspronkelijke DEM Maak je een raster kaart van DEM verandering ( Figuur 5), waarin de negatieve waarden voor hoogte wijzigen met behulp van een raster calculator tool in GIS, aftrekken vertegenwoordigen erosie en positieve waarden vertegenwoordigen depositie.
  3. Land classificatie
    1. Compute land oppervlakte topografische kenmerken (helling, aspect, bijdragen van gebied) uit de eerste tabel DEM DEM verwerking softwarematig.
    2. Classify land gebieden als top, sideslope of toeslope op basis van de helling en bijdragende oppervlakte van elke DEM rastercel.
      Opmerking: Topontmoetingen worden vertegenwoordigd door lage hellingen en lage gebieden bij te dragen. Sideslopes worden vertegenwoordigd door hoge hellingen en tussentijdse gebieden bij te dragen. Toeslopes worden vertegenwoordigd door lage hellingen en hoge bijdragende gebieden. Helling en bij te dragen gebied waarden definiëren deze classificaties zal afhangen van de grond oppervlakte topografie op de site en kwalitatief worden gekozen om de gewenste vertegenwoordiging van elk gebied van de indeling voor een bepaalde site.
    3. Sideslope gebieden door de twee dominante aspecten, Noord-gerichte en zuiden op deze site verdelen.

3. Bemonstering van de bodem

  1. monster Planning
    1. referentie kaarten in GIS bodem monster locaties plannen. Kies een aantal locaties adequaat vertegenwoordigen alle landschap posities.
    2. Uploaden steekproef locatie coördinaten aan de GPS gegevensverzamelaar zodat monster sites kunnen worden gesitueerd in het veld.
    3. Voorkennis van het gebruik van de bodem op de site bij besluiten van monster diepte stappen om te vangen CaCO 3 variabiliteit. Vooraf label hersluitbaar plastic zakken om aan te geven locatie en diepte toename van monster.
  2. Veld bemonstering
    1. rijden naar de monster sites met een utility voertuig uitgerust met een hydraulische bodem ontkernen machine en de RTKGPS rover antenne voor navigatie.
    2. Met bodem ontkernen machine en bemonstering van de buis voor de gewenste bodem kerndiameter (5,1 cm in deze studie), uittreksel bodem kern van elke steekproef locatie ( Figuur 7).
      Opmerking: Het aantal kernen uitgepakt op elke locatie, evenals de diepte van de kern bodem en verhogingen varieerden in deze studie. In 2001, was één enkele kernpopulatie op een diepte van 90 cm genomen en verdeeld in stappen van 30 cm. In 2012 werden twee bodem cores gegrepen (binnen 1 m van het overeenkomstige 2001 monster) tot een diepte van 30 cm en onderverdeeld in stappen van 15 cm, met de twee cores worden samengevoegd voor analyses. De 2012-methode wordt eigenlijk aanbevolen.
    3. Record RTKGPS plaats gegevens (x, y, z) op de positie van elk monster.
    4. Snijd de kern van de bodem in de stappen van de gewenste diepte en Pipetteer in vooraf gelabelde hersluitbaar plastic zakken en plaats dan in de koelers voor vervoer terug naar het laboratorium.
    5. Herhaal veld bemonstering na significante erosie en/of afzetting opgetreden (11 jaar tussen de monsters in deze studie).

figure-protocol-2
Figuur 7. Bodem van bemonstering. Bodem monster locaties voor het gebruik van een GPS-geleide hulpprogramma voertuig uitgerust met een hydraulische bodem ontkernen machine (a) zodat de bodem cores kunnen worden geëxtraheerd (b) en gewenste diepte stappen verdeeld worden genavigeerd.

  1. verwerking van de gegevens van de positie
    1. maatregel verschillen in waterstand opgenomen op elke bodem monster locatie tussen de twee datums voor monster (198 plaatsen bemonsterd in 2001 en 2012 in deze studie).
      Opmerking: Waterstand voor 2001 werden genomen uit de 2001 DEM aangezien punt verhogingen niet op het moment van grondmonstername opgenomen werden. Positieve veranderingen in hoogte > 0,05 m worden beschouwd als depositional sites, terwijl negatieve veranderingen in hoogte <-0.05 m worden beschouwd als geërodeerd sites.
    2. Elke steekproef locatie als top, Noord-gerichte sideslope, zuiden sideslope of toeslope op basis van de verwerking van DEM classificeren (Zie Protocol 2.3.2); classificatie op één locatie, zoals gedefinieerd door de helling en bijdragende gebied criteria, kan worden heringedeeld zodat deze overeenkomen met de dominante classificatie van omringende punten.
    3. Gebruik ruimtelijke toetreden tools in GIS software monster vestigingen toewijzen aan andere lagen van de ruimtelijke gegevens gebruikt voor analyses (strip van beheer en toewijzing Bodemeenheid).

4. Bodems van Analyses

  1. bereiding van de monsters van de bodem
    1. bodemmonsters uit het veld bij 60 ° C in een laboratorium oven's nachts droog.
    2. Grind oven gedroogd bodems te geven met behulp van een gemotoriseerde molen of een mortier en een stamper zeef: 2 mm.
  2. Bewerkt druk-Calcimeter apparaat Setup
    1. de gewijzigde druk-calcimeter apparatuur ( Figuur 8) instellen door het aansluiten van een drukopnemer (0 - 105 kPa gamma, 0.03 - 5 V DC uitgang) op een stroomvoorziening met 14 gauge draad en een digitale voltmeter bedraad in lijn te volgen van de uitvoer van de transducer.
      1. Hechten van 9.5 mm ID buis aan de basis van de drukopnemer en buizen verbinden met een 18 gauge Luer lock hypodermische naald met een deeltjesfilter (0,6 µm) in het midden voor het verzamelen van de Terugvloeiing van het bereiken van de drukopnemer.
    2. Gebruik serum flessen als reactie vaartuigen verbonden met de drukopnemer ( Figuur 9). bepalen van de grootte van de serum-fles te gebruiken door een metalen eetlepel met water bevochtigen en het toevoegen van ongeveer 5 mL grond die u verwacht te hebben hoge CaCO 3 concentratie. Pipet 1 mL van 0,5 N H 2 dus 4 tot en met deze bodem en observeren bruisen.
    3. Als bruisen hoog is, dan nemen groter is dan 15% CaCO 3 concentratie en gebruiken van een fles van 100 mL serum als het reactievat, gebruik anders een flesje van 20 mL serum.

figure-protocol-3
Figuur 8. Druk-calcimeter apparaat gewijzigd. Het gewijzigde druk-calcimeter apparaat gebruikt een serum fles als het reactievat en een drukopnemer aangesloten op een spanning meter voor de uitvoer van het signaal (van Sherrod et al.) 30.

figure-protocol-4
Figuur 9. Reactie vaartuigen voor de gewijzigde druk-calcimeter methode. Reactie vaartuigen voor de gewijzigde druk-calcimeter methode zijn serum flessen met een 0.5 dram-flacon met 2 mL zure reagens en een 1 g bodemmonster.

  1. meting carbonaat
    1. plaats een deelmonster 1 g van het voorbereide bodem (Zie Protocol 4.1) in een gelabelde reactievat. Voor bodems met meer dan 50% CaCO 3, gebruiken slechts 0,5 g van bodem.
    2. Pipetteer 2 mL zuur reagens (6 N HCI met 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) in een flesje van 0,5 g glas. Flacon in reactievat voorzichtig plaatsen zodat de oplossing inhoud Mors geen uit door het kantelen van het reactievat bijna naar de kant positie.
    3. Terwijl het reactievat met het bodemmonster en de zure flacon gekanteld, verzegelen met grijze butyl rubber stoppen en krimp met aluminium afdichtingsring.
    4. Shake reactie vaartuig met een wervelende beweging te verzekeren van volledige menging van de bodem met zuur. Plaats van het reactievat op de lab-Bank en laat de reactie gaan voor ten minste 2 hr.
    5. Tijdens het wachten op reactie schepen om uit te voeren, een standaard curve te bepalen door het meten van spanningen van bekende CaCO 3 concentraties de dezelfde reactie vaartuig setup gebruiken als bodemmonsters ( Figuur 10). Meng 100% CaCO 3 met glasparels of zand op gewichtsbasis percentage maken bekend CaCO 3 concentraties. Neem een blancomonster zonder CaCO 3.
    6. Nadat bodem monster reacties zijn voltooid, pierce de rubber tussenschot van het reactievat met een 18 hypodermische naald en record uitgang van de spanning meten door de drukopnemer.
    7. Oplossen voor CaCO 3 percentage de gemeten spanning gegeven en de vergelijking bepaald op basis van de standaard curve ( figuur 10a).
      Opmerking: Toename van de druk geproduceerd door vrijkomen van CO 2 is lineair gerelateerd aan de concentratie van CaCO 3 aanwezig in de bodem zodat: % CaCO 3 = (regressie-coëfficiënt * wijzigen in druk in volt) + snijpunt.

figure-protocol-5
Figuur 10. CaCO 3 meting. (a) een standaard curve voor CaCO 3 is gemaakt met behulp van de lezingen van de spanning van de drukopnemer gebaseerd op bekende percentages van CaCO 3 (b) gemengd met poeder glasparels of zand.

5. statistische Analyses

  1. definiëren twee afhankelijke variabelen als de verandering in grond oppervlakte waterstand en bodem toplaag CaCO 3 concentraties vanaf de eerste naar de tweede voorbeeld data (2001-2012 in deze studie). Onafhankelijke of verklarende variabelen definiëren als management (oneven- of zelfs - genummerde strip), individuele strips, west of Oost-blok parkeerstroken, toewijzing Bodemeenheid, landschap classificatie en geërodeerd/energetisch classificatie.
  2. Uitvoeren correlatie analyse en variantie-analyse om de relaties tussen variabelen statistisch te kwantificeren. Analyses uitvoeren in elke gewenste statistisch pakket.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Toewijzen van DEM verschillen ten opzichte van 2001 en 2009 onthult erosie (rood) en de afzetting (groen) over die periode van 8 jaar, met decimeter-niveau veranderingen in hoogte over de meeste gebieden (Figuur 5). Op de veld-schaal is erosie dominant in het westen en zuidwesten, terwijl afzetting wordt gezien langs een noordwesten naar het zuidoosten diagonale band aan de oostelijke kant van de veld. Afwisselend bands van erosie en afzetting worden gezien o...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Toegewezen wijzigingen in de hoogte (Figuur 5) illustreren significante erosie en afzetting op een gebied van de landbouw en ruimtelijke patronen van meerdere controlerende factoren indicatieve over meerdere schalen. Vanuit veld schaal patronen die zijn gekoppeld aan de wind, tot fijne schaal dendritische patronen geproduceerd door waterstroming, zijn processen die relevant zijn voor deze studie waarneembaar. Het niveau van hoogte veranderingsdetectie geboden door herhaalde RTKGPS grond enqu...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Het veld studie site is op een boerderij beheerd door David Drake en wij danken hem voor zijn medewerking tijdens dit onderzoek op lange termijn. Wij danken ook Mike Murphy voor zijn jarenlange veldwerk op dit project en Robin Montenieri voor haar hulp met afbeeldingen die in dit document worden gebruikt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Real-time kinematic GPS systemTrimbleModel 5800
GPS field data collectorTrimbleModel TSC2
GPS field softwareTrimbleTrimble Access (Trimble Survey Controller gebruikt in 2001 voor site kalibratie maar deze software wordt niet langer ondersteund)
Hydraulic soil coring machineGiddings Machine Company
Utility vehicleJohn DeereGator 6x4
GIS softwareESRIArcGIS for Desktop met Spatial Analyst en Geostatistical Analyst Extensions
Statistical softwareSASSAS Institute Inc.
Pressure transducer 0-105 kPaSertaModel 280ESetra Systems, In., Boxborough, MA
Volt meterWaveTek5XLDigitaal meter ingesteld om volt te lezen
Serum BottlesWheaton223747100 mL
Serum BottlesWheaton22376220 mL
Sealing Cap 20 mm AluminumWheaton224183-01Doos met 1.000 stuks
20 mm gray butyl stopper (2-prong)Wheaton224100-192Septum; Doos met 1.000 stuks
Hand crimperWheatonW22530320 mm maat
Hand DecapperWheatonW22535320 mm maat
Acid vialsWheaton2248810,50 dram maat (2-mL)
Power supplySR ComponentsDDU240060Klasse 2 Transformator AC adapter; Invoer 120VAC, Uitvoer 24VDC
Calcium carbonateFisher471-34-1500 g van 100% w/w CaCO3

Referenties

  1. Freebairn, D. M. Erosion control - some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).
  2. Garcia-Orenes, F., Roldan, A., Mataix-Solera, J., Cerda, A., Campoy, M., Arcenegui, V., Caravaca, F. Soil structural stability and erosion rates influenced by agricultural management practices in a semi-arid Mediterranean agro-ecosystem. Soil Use and Mgt. 28, 571-579 (2012).
  3. Hass, H. J., Willis, W. O., Bond, J. J. General relationships and conclusions. Summer Fallow in the Western United States. USDA-ARS Conserv. Res. Rpt. No. 17. , U. S. Government Printing Office. Washington, D. C. 149-160 (1974).
  4. Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).
  5. Skidmore, E. L., Layton, J. B., Armbrust, D. V., Hooker, M. L. Soil physical properties as influenced by cropping and residue management. Soil Sci. Soc. of Am. J. 50 (2), 415-419 (1986).
  6. Sherrod, L. A., Erskine, R. H., Green, T. R. Spatial patterns and cross-correlations of temporal changes in soil carbonates and surface elevation in a winter wheat-fallow cropping system. Soil Sci. Soc. of Am. J. 79 (2), 417-427 (2015).
  7. Stroosnijder, L. Measurement of erosion: Is it possible? Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).
  8. Dąbek, P., Żmuda, R., Ćmielewski, B., Szczepański, J. Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning. Acta Geodynam. Et Geomat. 11 (1), 45-52 (2014).
  9. Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 1: terrestrial laser scanning methods for change detection. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1055-1067 (2013).
  10. Eltner, A., Baumgart, P. Accuracy constraints of terrestrial Lidar data for soil erosion measurement: Application to a Mediterranean field plot. Geomorph. 245, 243-254 (2015).
  11. Letortu, P., et al. Retreat rates, modalities and agents responsible for erosion along the coastal chalk cliffs of Upper Normandy: The contribution of terrestrial laser scanning. Geomorph. 245, 3-14 (2015).
  12. Longoni, L., et al. Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning. Rem. Sens. 8 (3), 241(2016).
  13. Meijer, A. D., Heitman, J. L., White, J. G., Austin, R. E. Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar. Soil & Till. Res. 126, 1-10 (2013).
  14. Rengers, F. K., Tucker, G. E., Moody, J. A., Ebel, B. A. Illuminating wildfire erosion and deposition patterns with repeat terrestrial lidar. J. of Geophys. Res.-Earth Surf. 121 (3), 588-608 (2016).
  15. Schubert, J. E., Gallien, T. W., Majd, M. S., Sanders, B. E. Terrestrial Laser Scanning of Anthropogenic Beach Berm Erosion and Overtopping. J. of Coast. Res. 31 (1), 47-60 (2015).
  16. Stenberg, L., et al. Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning. Earth Surf. Proc. and Landforms. 41 (10), 1299-1311 (2016).
  17. Croke, J., Todd, P., Thompson, C., Watson, F., Denham, R., Khanal, G. The use of multi temporal LiDAR to assess basin-scale erosion and deposition following the catastrophic January 2011 Lockyer flood, SE Queensland, Australia. Geomorph. 184, 111-126 (2013).
  18. Earlie, C., Masselink, G., Russell, P., Shail, R. Sensitivity analysis of the methodology for quantifying cliff erosion using airborne LiDAR - examples from Cornwall, UK. J. of Coast. Res. Spec. Iss. 65, 470-475 (2013).
  19. Kessler, A. C., Gupta, S. C., Dolliver, H. A. S., Thoma, D. P. Lidar Quantification of Bank Erosion in Blue Earth County, Minnesota. J. of Env. Quality. 41 (1), 197-207 (2012).
  20. Pye, K., Blott, S. J. Assessment of beach and dune erosion and accretion using LiDAR: Impact of the stormy 2013-14 winter and longer term trends on the Sefton Coast, UK. Geomorph. 266, 146-167 (2016).
  21. Thoma, D. P., Gupta, S. C., Bauer, M. E., Kirchoff, C. E. Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment. Rem. Sens. of Env. 95 (4), 493-501 (2005).
  22. Zhang, C. L., Yang, S., Pan, X. H., Zhang, J. Q. Estimation of farmland soil wind erosion using RTK GPS measurements and the Cs-137 technique: A case study in Kangbao County, Hebei province, northern China. Soil & Till. Res. 112 (2), 140-148 (2011).
  23. Neugirg, F., et al. Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley, Southern Tuscany, Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR and UAV surveys. Geomorph. 269, 8-22 (2016).
  24. Pineux, N., et al. Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed? Geomorph. 280, 122-136 (2017).
  25. Bremer, M., Sass, O. Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion and deposition by a debris flow event. Geomorph. 138 (1), 49-60 (2012).
  26. Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 2: pairing aerial photographs and terrestrial laser scanning to create a watershed scale sediment budget. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1068-1082 (2013).
  27. De Rose, R. C., Basher, L. R. Measurement of river bank and cliff erosion from sequential LIDAR and historical aerial photography. Geomorph. 126 (1-2), 132-147 (2011).
  28. Perroy, R. L., Bookhagen, B., Asner, G. P., Chadwick, O. A. Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based LiDAR on Santa Cruz Island, California. Geomorph. 118 (3-4), 288-300 (2010).
  29. Loeppert, R. H., Suarez, D. L. Carbonate and Gypsum. Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. Sparks, D. L., et al. , 3rd ed, SSSA. Madison, WI. 437-474 (1996).
  30. Sherrod, L. A., Dunn, G., Peterson, G. A., Kilberg, R. L. Inorganic carbon analysis by modified pressure-calcimeter method. Soil Sci. Soc. of Am. J. 66 (1), 299-305 (2002).
  31. McCutcheon, M. C., Farahani, H. J., Stednick, J. D., Buchleiter, G. W., Green, T. R. Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field. Biosyst. Eng. 94 (1), 19-32 (2006).
  32. Wheaton, J. M., Brasington, J., Darby, S. E., Sear, D. A. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets. Earth Surf. Proc. and Landforms. 35 (2), 136-156 (2010).
  33. National Oceanic and Atmospheric Administration. Survey Marks and Datasheets. , Available from: https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/ (2017).
  34. Trimble Inc. Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A. , (2011).
  35. Erskine, R. H., Green, T. R., Ramirez, J. A., MacDonald, L. H. Digital elevation accuracy and grid cell size: effects on estimated terrain attributes. Soil Sci. Soc. of Am. J. 71, 1371-1380 (2007).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Bodemerosie en depositiebodemcarbonaatanalyseRTK GPS landmetinggemodificeerde drukcalcimeterbodemmonsteringsprotocoldetectie van hoogteverschillencalciumcarbonaatmetingeffecten van landbouwmaterieelbeheerveldlaboratoriummethodenruimtelijke patroonmapping

Gerelateerde artikelen