Pomiar i mapowanie wzorców erozji i depozycji gleby związanych ze stężeniami węglanów w glebie w ramach gospodarki rolnej

Podsumowanie

Przestrzenne wzorce erozji i osadzania się gleby można wywnioskować z różnic w wysokości gruntu odwzorowanych w odpowiednich przyrostach czasu. Takie zmiany wysokości są związane ze zmianami węglanów glebowych przy powierzchni. Opisano tutaj powtarzalne metody pomiarów terenowych i laboratoryjnych tych wielkości oraz metody analizy danych.

Streszczenie

Przestrzenne wzorce erozji i osadzania się gleby można wywnioskować z różnic w wysokości gruntu odwzorowanych w odpowiednich przyrostach czasu. Takie zmiany wysokości są związane ze zmianami przypowierzchniowych profili węglanowych gleb (CaCO₃ ). Celem jest opisanie prostego modelu koncepcyjnego i szczegółowego protokołu powtarzalnych pomiarów terenowych i laboratoryjnych tych wielkości. W tym przypadku dokładna wysokość jest mierzona za pomocą naziemnego systemu globalnego pozycjonowania różnicowego (GPS); Do tej samej metody podstawowej można zastosować inne metody pozyskiwania danych. Próbki gleby są pobierane z określonych odstępów głębokości i analizowane w laboratorium przy użyciu wydajnej i precyzyjnej metody zmodyfikowanego kalcymetru ciśnieniowego do ilościowej analizy stężenia węgla nieorganicznego. Do danych punktowych stosuje się standardowe metody statystyczne, a reprezentatywne wyniki wykazują istotne korelacje między zmianami powierzchni gleby_CaCO3 a zmianami wysokości zgodnymi z modelem koncepcyjnym; CaCO₃ ogólnie zmniejszał się w obszarach depozycji i wzrastał w obszarach erozyjnych. Mapy pochodzą z punktowych pomiarów wysokości i CaCO₃ gleby w celu ułatwienia analiz. Mapa wzorców erozji i depozycji w badanym miejscu, zasilanym deszczem polu pszenicy ozimej przyciętym naprzemiennie w pasy ugoru pszenicy, pokazuje oddziałujące na siebie skutki erozji wodnej i wietrznej, na którą wpływ ma zarządzanie i topografia. Omówiono alternatywne metody pobierania próbek i przedziały głębokości, które są zalecane dla przyszłych prac związanych z erozją gleby i osadzaniem się w glebie CaCO₃.

Wprowadzenie

Erozja gleby zagraża trwałości gruntów rolnych. Gospodarka uprawami, taka jak konwencjonalnie uprawiany płodozmian pszenicy ozimej i ugoru, może przyspieszać procesy erozji i depozycji, ponieważ gołe gleby w okresach ugorowania są bardziej podatne na działanie wiatru i wody^1,2,3,4,5 (Rysunek 1). Choć procesy te mogą być widoczne, ich ilościowe określenie może być trudne.

Celem niniejszego badania jest przede wszystkim przedstawienie wydajnej metody ilościowego określania i opisywania przestrzennych wzorców erozji i akumulacji w skali polowej przy użyciu technologii systemu pozycjonowania satelitarnego (GPS) oraz narzędzi mapowania w systemach informacji geograficznej (GIS). Przedstawiono również prosty model koncepcyjny wiążący te wzorce z zawartością węglanów glebowych (CaCO₃) w warstwie przypowierzchniowej, który został przetestowany za pomocą określonych metod polowych i laboratoryjnych. Relacje te stanowią pośrednie miary erozji i akumulacji, jednocześnie walidując wyniki uzyskane metodą GPS. Niniejsza praca kładzie nacisk na metody zastosowane przez Sherrod et al, aby mogły one zostać powtórzone, w całości lub w części, w podobnych badaniach w innych lokalizacjach⁶.

Rycina 1. Zdjęcia (a) erozji i (b) depozycji w miejscu badań po intensywnych opadach deszczu. Ślad opony traktora w prawym dolnym rogu zdjęcia (b) wskazuje głębokość depozycji na granicy pasa pszenicy i ugoru.

Różne bezpośrednie metody pomiaru erozji gleby zostały przejrzane przez Stroosnijdera⁷. Sugerowane metody różnią się w zależności od celu pomiaru i dostępnych zasobów, jednak w skali stoku wzgórza zaleca się metodę „zmiany wysokości powierzchni”, która daje korzyść w postaci jednoczesnego pomiaru erozji i depozycji. Jednym ze sposobów zastosowania tej metody jest wbicie w glebę prętów i monitorowanie zmiany wysokości gleby względem górnej krawędzi pręta⁷. Wraz z postępem w technologiach geodezyjnych to pracochłonne podejście można zastąpić innymi technikami, takimi jak naziemne skanowanie laserowe (TLS)^{8,9,10,11,12,13,14,15,16}, lotnicze skanowanie laserowe (ALS)^{17,18,19,20,21}, GPS^6,22, zaawansowana fotogrametria^23,24 lub kombinacje tych technik^25,26,27. Chociaż skanowanie laserowe, powszechnie nazywane LiDAR (Light Detection And Ranging), zapewnia najszybszą akwizycję gęstych zestawów danych o wysokości powierzchni, konieczne jest wprowadzenie korekt w celu usunięcia obiektów nadziemnych, takich jak roślinność. Dzięki milimetrowej precyzji w pionie TLS może wykryć najmniejsze zmiany wysokości, jednak Perroy et al. zalecili stosowanie ALS zamiast TLS do szacowania erozji wąwozowej ze względu na większy obszar skanowania i lepszą orientację instrumentu (mniejsze zacienienie topograficzne) podczas skanowania głęboko wciętych wąwozów²⁸. W niniejszym badaniu wykorzystano GPS w trybie czasu rzeczywistego (RTKGPS), który zapewnia centymetrową precyzję bez konieczności postprocessingu danych. Rozdzielczość przestrzenna i precyzja danych zebranych za pomocą RTKGPS są optymalne do wykrywania dominujących cech erozyjnych i depozycyjnych na polach uprawnych lub w innych środowiskach z istotną okrywą roślinną.

Metoda kalcymetrii ciśnieniowej służąca do ilościowego oznaczania CaCO₃ w glebie opiera się na reakcji gleby z kwasem w układzie zamkniętym, co prowadzi do wydzielenia CO₂. Wzrost ciśnienia w naczyniu reakcyjnym przy stałej temperaturze jest liniowo skorelowany z ilością CaCO₃ w glebie²⁹. Modyfikacje tradycyjnej metody kalcymetrii ciśnieniowej, opisane przez Sherrod et al., obejmują zastąpienie naczynia reakcyjnego butelkami serum oraz zastosowanie przetwornika ciśnienia podłączonego do cyfrowego woltomierza w celu wykrywania zmian ciśnienia³⁰. Modyfikacje te pozwalają na obniżenie granic wykrywalności oraz zwiększenie dziennej przepustowości analizy próbek gleby. Metody grawimetryczne lub proste metody miareczkowe oznaczania CaCO₃ w glebie generowały większe błędy i wyższe granice wykrywalności niż ta zmodyfikowana metoda kalcymetrii ciśnieniowej³⁰.

Model koncepcyjny

Gdy bezpośrednie pomiary erozji i depozycji nie są możliwe, można zastosować pośrednie wskaźniki tych procesów. Sherrod et al. postawili hipotezę, że stężenie CaCO₃ w powierzchniowej warstwie gleby w klimacie półpustynnym jest odwrotnie skorelowane ze zmianą wysokości powierzchni terenu (dodatnio skorelowane z erozją, ujemnie skorelowane z depozycją)⁶. Hipoteza ta powinna mieć szerokie zastosowanie, jednak konkretne zależności będą zależeć od warunków w danym miejscu (gleby, roślinności, gospodarki gruntami i klimatu). Gleby w miejscu badań (Tabela 1) zazwyczaj zawierają wyraźną warstwę wapienną 15-20 cm poniżej powierzchni gleby. Koncepcyjnie erozja usunie warstwę powierzchniową o stosunkowo niskim stężeniu CaCO₃ , pozostawiając tę wapienną warstwę o wysokim stężeniu CaCO₃ bliżej powierzchni gleby. Gleba o niskiej zawartości CaCO₃ jest następnie transportowana na obszary depozycyjne, co powoduje głębsze pogrzebanie warstwy wapiennej pod powierzchnią gleby (Rysunek 2). Pobierając próbki tych gleb w czasie w odpowiednich odstępach głębokości, można zgodnie z tym modelem wnioskować o wystąpieniu erozji lub depozycji (lub żadnego z tych procesów) na podstawie stężenia CaCO₃ .

Seria gleby	Nachylenie	Klasyfikacja taksonomiczna	Głębokość	pH	EC	N całkowity	SOC	CaCO3
	%		cm	1:2	dS m-1	g kg-1	g kg-1	g kg-1
Colby loam	5-9	fine-silty, mixed, superactive, calcareous, 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 sandy loam	2-5	fine-loamy, mixed, active, calcareous, 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	fine-loamy, mixed, active, calcareous, 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 loam	0-2	coarse-silty, mixed, 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	coarse-silty, mixed, 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

Tabela 1. Gleby w miejscu badań. Jednostki mapowania gleb i klasyfikacja taksonomiczna, wraz ze średnim pH gleby, przewodnością elektryczną (EC), całkowitą zawartością N, organicznym węglem glebowym (SOC) oraz stężeniami CaCO₃ w przedziałach głębokości 0-15 i 15-30 cm dla pola Scott w 2012 roku (według Sherrod et al.)⁶.

Rycina 2. Koncepcyjne profile glebowe. Koncepcyjne profile glebowe dla (a) statycznej macierzy glebowej z CaCO₃ wymywanym z warstwy powierzchniowej i wytrącającym się w warstwie głębszej, (b) umiarkowanej erozji warstwy powierzchniowej oraz (c) umiarkowanej depozycji materiału powyżej poprzedniej warstwy powierzchniowej. Przedziały głębokości (po lewej) są przybliżone na podstawie danych z terenu (wg Sherrod et al.)⁶. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Opis i historia stanowiska

Pole Scott o powierzchni 109 ha jest częścią gospodarstwa Drake Farm w północno-wschodnim Kolorado (40,61^oN, 104,84^oW, Rysunek 3) i było monitorowane na potrzeby niniejszego badania w latach 2001–2012. Średnie roczne opady i ewapotranspiracja w tym półpustynnym klimacie wynosiły odpowiednio około 350 i 1200 mm, przy czym latem powszechne były krótkotrwałe i intensywne opady konwekcyjne. Wysokość nad poziomem morza w tym pofalowanym terenie waha się od 1559 do 1588 m, z wyraźnymi położeniami krajobrazowymi: szczytem, zboczem północnym (side-NF), zboczem południowym (side-SF) oraz podnóżem stoku (Rysunek 4b). W ramach tego płodozmianu pszenicy ozimej i ugoru w warunkach naturalnych opadów zazwyczaj zarządzano naprzemiennymi pasami (o szerokości ok. 120 m) w taki sposób, aby co drugi pas pozostawał ugorem przez około 14 miesięcy w każdym 24-miesięcznym cyklu rotacyjnym. Spłycać uprawę (~7 cm), zazwyczaj za pomocą redlic w kształcie litery V, przeprowadzano od 4 do 6 razy w okresie ugorowania w celu zwalczania chwastów. Gleby na tym obszarze sklasyfikowano jako posiadające tolerancję utraty gleby, czyli wartość T, wynoszącą 11 Mg ha^-1 year^-1, gdzie tempo erozji poniżej tej wartości T uznaje się za dopuszczalne dla prowadzenia dalszej produkcji rolniczej⁴.

Rysunek 3. Lokalizacja miejsca badań przedstawiona na mapie ukształtowania terenu (1011 do 4401 m) stanu Kolorado, USA. Średnia wysokość miejsca badań wynosi 1577 m.

Rycina 4. Mapa gleb i wysokość powierzchni terenu na polu Scott Field. (a) Mapa gleb pola Scott Field przedstawiająca lokalizacje punktowych próbek gleby oraz pasy zarządzania uprawami. Skróty jednostek glebowych: 1 = gleba Wagonwheel loam, nachylenie 0-2%, 2 = gleba Wagonwheel loam, nachylenie 2-5%, 3 = gleba Colby loam, nachylenie 5-9%, 4 = gleba Kim fine sandy loam, nachylenie 2-5%, 5 = gleba Kim fine sandy loam, nachylenie 5-9%; oraz (b) wysokość powierzchni terenu pola na podstawie cyfrowego modelu wysokości (DEM) z 2001 r. w siatce 5-m, z lokalizacjami próbek gleby przedstawionymi według klasyfikacji gruntów (za Sherrod et al.)⁶.

Pierwszy pomiar wysokości powierzchni terenu został przeprowadzony za pomocą systemu RTKGPS w 2001 roku w celu stworzenia cyfrowego modelu wysokościowego (DEM) badanego obszaru. We współpracy z McCutcheon et al. w 2001 roku pobrano również intensywny zestaw próbek gleby (Rycina 4a), z których przeanalizowano zawartość CaCO₃ w glebie powierzchniowej przy użyciu zmodyfikowanej metody kalcymetru ciśnieniowego^30,31. Widoczna erozja i depozycja zachodzące w kolejnej dekadzie w wyniku działania wiatru, wiejącego głównie z północnego zachodu, oraz opadów i spływów powierzchniowych stały się przyczyną przeprowadzenia drugiego pomiaru wysokości RTKGPS w 2009 roku (część pomiarów na polu ukończono w 2010 roku). Porównanie nowego DEM z pierwotnym modelem z 2001 roku za pomocą mapy różnic DEM (DEM of Difference)³² potwierdziło znaczną erozję i depozycję, wykazując wzorce sugerujące istnienie wielu czynników kontrolujących te procesy (Rycina 5). Ze względu na znaczną redystrybucję gleby powierzchniowej w tym miejscu oraz historyczne dane dotyczące zawartości CaCO₃ w glebie, próbkowanie gleby z 2001 roku powtórzono w 2012 roku w celu przetestowania koncepcyjnego modelu procesów hydropedologicznych⁶, opisanego w poprzedniej sekcji.

Rysunek 5. Mapa zmian (2001-2009*) wysokości powierzchni terenu (Δz) w siatce 5-m w obrębie Scott Field w północno-wschodnim Kolorado. Numery pasów uprawy są oznaczone nad naprzemiennym systemem uprawy pszenicy ozimej i ugoru, pokazano sekcję A-A' (szczegóły podano na Rysunku 11). *Pasy 2, 4, 6, 8 przebadano w 2010 r., aby uzupełnić DEM z 2009 r. (z Sherrod et al.)⁶. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Protokół

1. Gromadzenie danych o wysokości powierzchni lądu

1. Kalibracja GPS dla terenu badań
   1. Zlokalizuj lub wyznacz stabilny punkt odniesienia w bezpiecznym miejscu na obszarze badań, aby służył on jako stacja bazowa GPS do zbierania danych RTKGPS.
   2. Ustaw stację bazową do zbierania danych RTKGPS w tym lokalnym punkcie odniesienia, stosując najlepsze przybliżenie współrzędnych lokalizacji stacji bazowej (tj. pozycję GPS skorygowaną za pomocą systemu WAAS).
   3. Za pomocą odbiornika GPS (rovera) odwiedź co najmniej trzy poziome i pionowe punkty kontrolne w zasięgu komunikacji radiowej RTKGPS (promień około 10 km) i zarejestruj ich pozycje.
      UWAGA: Punkty odniesienia opisane przez National Geodetic Survey można wyszukać online³³ i to one zostały tutaj wykorzystane.
   4. Biorąc pod uwagę zmierzone i opublikowane współrzędne punktów kontrolnych, użyj oprogramowania terenowego RTKGPS do przeprowadzenia kalibracji terenu³⁴, wyznaczając współrzędne lokalnego punktu odniesienia, który będzie służył jako stacja bazowa. Sprawdź, czy rezydua współrzędnych (poziome i pionowe) dla punktów kontrolnych mieszczą się w dopuszczalnych granicach (± 0.02 m dla tej kalibracji).
2. Zbieranie danych punktowych GPS
   1. Przy ustawionej stacji bazowej GPS na lokalnym punkcie odniesienia oraz z wykorzystaniem lokalnej kalibracji terenu i oprogramowania terenowego, zarejestruj dane pozycyjne RTKGPS w kolektorze danych GPS w odstępach poziomych około 5 m na całym obszarze badań.
      1. Zbieraj dane efektywnie, montując antenę GPS rovera na pojeździe na zmierzonej stałej wysokości nad powierzchnią gruntu i przejeżdżając transekty przez dany obszar (Rycina 6).
   2. W przypadku metody z użyciem pojazdu, zdefiniuj punkty końcowe transektów, aby stworzyć równoległe trasy w odstępach 5 m. Zaimportuj punkty końcowe transektów do kolektora danych GPS w celu nawigacji podczas jazdy. Zbieraj punkty za pomocą kolektora danych automatycznie raz na sekundę podczas przejazdu transektów z prędkością około 5 m s^-1, aby uzyskać dane punktowe co około 5 m.
   3. Powtórz zbieranie danych punktowych w terenie zgodnie z powyższym opisem w późniejszym czasie (w niniejszym badaniu od 8 do 9 lat później), aby móc przeanalizować zmiany wysokości powierzchni terenu; pierwotna kalibracja GPS terenu jest stosowana we wszystkich pomiarach i nie jest powtarzana.

Rysunek 6. Gromadzenie danych o powierzchni wysokości za pomocą RTKGPS. Dane o powierzchni wysokości RTKGPS są zbierane podczas przejazdu pojazdem użytkowym przez pole (a), podczas gdy korekcje GPS w czasie rzeczywistym są dostarczane przez stacjonarną stację bazową (b).

2. Tworzenie i przetwarzanie numerycznego modelu terenu (DEM)

1. Tworzenie DEM
   1. Zaimportuj dane pozycyjne do oprogramowania GIS i przeprowadź interpolację do siatki DEM o oczkach 5 m. Za pomocą oprogramowania GIS przeprowadź walidację krzyżową zmierzonych wysokości punktów względem interpolowanych wartości wysokości i wybierz metodę interpolacji, która minimalizuje błędy walidacji krzyżowej.
      UWAGA: Optymalną metodą interpolacji dla danych wysokościowych w tym miejscu był zwykły kriging z gaussowskim modelem semiwariogramu. Walidacja krzyżowa dostarcza również miary dokładności wysokości dla zastosowanej metody pomiarowej³⁵.
   2. Powtórz krok 2.1.1 dla drugiego zestawu danych pozycyjnych, aby utworzyć drugi DEM.
2. Mapowanie zmian DEM
   1. Używając narzędzia kalkulatora rastrowego w GIS, odejmij najnowszy DEM od pierwotnego DEM, aby utworzyć rastrową mapę zmian DEM (Rycina 5), gdzie ujemne wartości zmiany wysokości reprezentują erozję, a wartości dodatnie reprezentują akumulację.
3. Klasyfikacja terenu
   1. Oblicz topograficzne atrybuty powierzchni terenu (nachylenie, ekspozycja, obszar zasilający) z pierwszego DEM siatkowego, korzystając z oprogramowania do przetwarzania DEM.
   2. Sklasyfikuj obszary terenu jako szczyt, zbocze lub podnóże w oparciu o nachylenie i obszar zasilający każdej komórki siatki DEM.
      UWAGA: Szczyty charakteryzują się niskim nachyleniem i małym obszarem zasilającym. Zbocza charakteryzują się dużym nachyleniem i średnim obszarem zasilającym. Podnóża charakteryzują się niskim nachyleniem i dużym obszarem zasilającym. Wartości nachylenia i obszaru zasilającego definiujące te klasyfikacje zależą od topografii powierzchni terenu w danym miejscu i są dobierane jakościowo, aby uzyskać pożądaną reprezentację każdego obszaru klasyfikacji dla konkretnej lokalizacji.
   3. Podziel obszary zboczy według dwóch dominujących ekspozycji, w tym przypadku północnej i południowej.

3. Pobieranie próbek gleby

1. Planowanie pobierania próbek
   1. Skorzystaj z map referencyjnych w GIS, aby zaplanować lokalizacje poboru próbek gleby. Wybierz liczbę lokalizacji, która w sposób adekwatny reprezentuje wszystkie pozycje w krajobrazie.
   2. Wgraj współrzędne lokalizacji próbek do kolektora danych GPS, aby umożliwić zlokalizowanie punktów poboru w terenie.
   3. Wykorzystaj wcześniejszą wiedzę o glebach na danym obszarze, aby określić przyrosty głębokości pobierania próbek w celu uchwycenia zmienności CaCO₃ . Wstępnie opisz szczelne plastikowe worki, wskazując lokalizację próbki oraz przyrost głębokości.
2. Pobieranie próbek w terenie
   1. Dojedź do miejsc poboru próbek pojazdem użytkowym wyposażonym w hydrauliczną świdrową maszynę do pobierania rdzeni glebowych oraz antenę RTKGPS rover do nawigacji.
   2. Za pomocą maszyny do pobierania rdzeni i rurki pobierającej o pożądanej średnicy rdzenia glebowego (5,1 cm w niniejszym badaniu) pobierz rdzeń glebowy z każdej lokalizacji (Rysunek 7).
      UWAGA: Liczba pobranych rdzeni w każdej lokalizacji, a także głębokość rdzenia i przyrosty różniły się w niniejszym badaniu. W 2001 roku pobrano pojedynczy rdzeń do głębokości 90 cm i podzielono go na przyrosty po 30 cm. W 2012 roku pobrano dwa rdzenie glebowe (w odległości do 1 m od odpowiadającej im próbki z 2001 roku) do głębokości 30 cm i podzielono je na przyrosty po 15 cm, a następnie dwa rdzenie połączono do analiz. Zaleca się metodę z 2012 roku.
   3. Zapisz dane pozycyjne RTKGPS (x, y, z) dla każdej lokalizacji próbki.
   4. Podziel rdzeń glebowy na pożądane przyrosty głębokości, przełóż do wcześniej opisanych szczelnych plastikowych worków, a następnie umieść w chłodziarkach w celu transportu do laboratorium.
   5. Powtórz pobieranie próbek w terenie po wystąpieniu znacznej erozji i/lub depozycji (w niniejszym badaniu przerwa między próbkami wynosiła 11 lat).

Rysunek 7. Pobieranie próbek gleby. Do lokalizacji poboru próbek gleby dociera się za pomocą pojazdu użytkowego z nawigacją GPS, wyposażonego w hydrauliczną maszynę do pobierania rdzeni glebowych (a) , co umożliwia wydobycie rdzeni glebowych (b) i ich podział na pożądane przyrosty głębokości.

3. Przetwarzanie danych pozycyjnych
   1. Zmierz różnice w wysokościach zarejestrowanych w każdym miejscu poboru próbek gleby pomiędzy dwiema datami pobierania (w niniejszym badaniu pobrano próbki z 198 lokalizacji w 2001 i 2012 roku).
      UWAGA: Wysokości dla roku 2001 pobrano z DEM z 2001 roku, ponieważ w czasie pobierania próbek gleby nie rejestrowano wysokości punktowych. Pozytywne zmiany wysokości > 0.05 m są uznawane za miejsca akumulacji, natomiast negatywne zmiany wysokości < -0.05 m są uznawane za miejsca erozji.
   2. Zaklasyfikuj każdą lokalizację poboru próbek jako wierzchołek (summit), zbocze wystawione na północ (North-facing sideslope), zbocze wystawione na południe (South-facing sideslope) lub podnóże zbocza (toeslope) na podstawie przetwarzania DEM (patrz Protokół 2.3.2); klasyfikacja w pojedynczej lokalizacji, zdefiniowana przez kryteria nachylenia i obszaru zasilającego, może zostać zmieniona, aby odpowiadała dominującej klasyfikacji punktów sąsiednich.
   3. Użyj narzędzi do łączenia przestrzennego w oprogramowaniu GIS, aby przypisać lokalizacje próbek do innych warstw danych przestrzennych wykorzystywanych w analizach (pas zarządzania i jednostka mapowania gleb).

4. Analizy gleb

1. Przygotowanie próbek gleby
   1. Próbki gleby pobrane z terenu suszyć w piecu laboratoryjnym w temperaturze 60 °C przez noc.
   2. Wysuszone w piecu gleby zmielić tak, aby przeszły przez sito o oczkach 2 mm, używając młynka elektrycznego lub moździerza z tłuczkiem.
2. Konfiguracja zmodyfikowanego zestawu do ciśnieniowego kalcymetru
   1. Skonfigurować zmodyfikowany zestaw do ciśnieniowego kalcymetru (Rycina 8), podłączając przetwornik ciśnienia (zakres 0 - 105 kPa, wyjście 0,03 - 5 V DC) do zasilacza za pomocą przewodu o przekroju 14 gauge oraz szeregowo wpięty cyfrowy woltomierz w celu monitorowania sygnału wyjściowego z przetwornika.
      1. Do podstawy przetwornika ciśnienia podłączyć rurkę o średnicy wewnętrznej 9,5 mm, a następnie połączyć rurkę z igłą hipodermiczną typu Luer lock o rozmiarze 18 gauge, z zamontowanym w środku filtrem cząsteczkowym (0,6 µm), aby zapobiec przedostaniu się ewentualnego refluksu do przetwornika ciśnienia.
   2. W качестве naczyń reakcyjnych połączonych z przetwornikiem ciśnienia zastosować buteleczki serum (Rycina 9). Dobrać rozmiar buteleczki serum, zwilżając metalną łyżkę stołową wodą i dodając około 5 mL gleby, w której spodziewane jest wysokie stężenie CaCO₃. Do tej próbki gleby nanieść pipetą 1 mL 0,5 N H₂SO₄ i zaobserwować musowanie.
   3. W przypadku intensywnego musowania przyjąć, że stężenie CaCO₃ przekracza 15% i użyć buteleczki serum o pojemności 100 mL jako naczynia reakcyjnego; w przeciwnym razie użyć buteleczki serum o pojemności 20 mL.

Rysunek 8. Zmodyfikowany aparat do kalcymetrii ciśnieniowej. Zmodyfikowany aparat do kalcymetrii ciśnieniowej wykorzystuje butelkę na surowicę jako naczynie reakcyjne oraz przetwornik ciśnienia połączony z woltomierzem w celu wprowadzenia sygnału (za Sherrod et al.)³⁰.

Rycina 9. Naczynia reakcyjne dla zmodyfikowanej metody kalcymetrii ciśnieniowej. Naczynia reakcyjne dla zmodyfikowanej metody kalcymetrii ciśnieniowej to butelki po surowicy zawierające fiolkę o pojemności 0,5 dram z 2 mL odczynnika kwasowego i 1 g próbki gleby.

3. Oznaczanie węglanów
   1. Przenieś 1 g pobranej próbki przygotowanej gleby (patrz Protokół 4.1) do oznakowanego naczynia reakcyjnego. W przypadku gleb zawierających powyżej 50% CaCO₃, należy użyć tylko 0,5 g gleby.
   2. Odmierz pipetą 2 mL odczynnika kwasowego (6 N HCI zawierającego 3% FeCL₂O₄H₂O) do szklanej fiolki o pojemności 0,5 g. Umieść fiolkę ostrożnie w naczyniu reakcyjnym, przechylając naczynie prawie do pozycji poziomej, aby zawartość roztworu nie wylała się na zewnątrz.
   3. Utrzymując naczynie reakcyjne zawierające próbkę gleby i fiolkę z kwasem w pozycji przechylonej, zamknij je szarymi stoprami z gumy butylowej i zacisnąć aluminiowym pierścieniem uszczelniającym.
   4. Wstrząśnij naczyniem reakcyjnym ruchem obrotowym, aby zapewnić całkowite wymieszanie gleby z kwasem. Postaw naczynie reakcyjne na blacie laboratoryjnym i pozostaw do zajścia reakcji na co najmniej 2 hr.
   5. W czasie oczekiwania na zakończenie reakcji w naczyniach, wyznacz krzywą wzorcową, mierząc napięcia dla znanych stężeń CaCO₃, korzystając z takiego samego układu naczyń reakcyjnych jak w przypadku próbek gleby (Rycina 10). Wymieszaj 100% CaCO₃ z koralikami szklanymi lub piaskiem w stosunku wagowym, aby uzyskać znane stężenia CaCO₃. Uwzględnij próbkę ślepą bez CaCO₃.
   6. Po zakończeniu reakcji w próbkach gleby, przebij gumową septę naczynia reakcyjnego igłą hipodermiczną o rozmiarze 18 G i odczytaj napięcie wyjściowe z przetwornika ciśnienia.
   7. Oblicz procentową zawartość CaCO₃ na podstawie zmierzonego napięcia i równania wyznaczonego z krzywej wzorcowej (Rycina 10a).
      UWAGA: Wzrost ciśnienia spowodowany uwalnianiem CO₂ jest liniowo powiązany ze stężeniem CaCO₃ obecnym w glebie, zgodnie z zależnością: % CaCO₃ = (współczynnik regresji * zmiana ciśnienia w woltach) + wyraz wolny.

Rycina 10. Pomiar CaCO₃. (a) Krzywa wzorcowa dla CaCO₃ zostaje utworzona na podstawie odczytów napięcia z przetwornika ciśnienia dla znanych zawartości procentowych CaCO₃ (b) zmieszanego z proszkowymi kuleczkami szklanymi lub piaskiem.

5. Analizy statystyczne

1. Zdefiniuj dwie zmienne zależne jako zmianę wysokości powierzchni gruntu oraz stężenia CaCO₃ w wierzchniej warstwie gleby pomiędzy pierwszą a drugą datą pobrania próbek (w niniejszym badaniu od 2001 do 2012 roku). Zdefiniuj zmienne niezależne lub objaśniające jako sposób zagospodarowania (pas o numerze nieparzystym lub parzystym), poszczególne pasy, zachodni lub wschodni blok pasów, jednostkę mapowania gleby, klasyfikację krajobrazu oraz klasyfikację erozyjno-akumulacyjną.
2. Przeprowadź analizę korelacji oraz analizę wariancji, aby statystycznie określić zależności między zmiennymi. Analizy wykonaj w dowolnym preferowanym pakiecie statystycznym.

Wyniki

Mapowanie różnic w DEM z lat 2001 i 2009 ujawnia erozję (kolor czerwony) i depozycję (kolor zielony) w ciągu tego 8-letniego okresu, przy zmianach wysokości rzędu decymetrów w większości obszarów (Rycina 5). W skali pola erozja dominuje w części zachodniej i południowo-zachodniej, podczas gdy depozycję obserwuje się wzdłuż pasma przebiegającego po przekątnej z północnego zachodu na południowy wschód po wschodniej stronie pola. W skali zarządzania obszarami wi...

Dyskusja

Zmapowane zmiany wysokości (ryc. 5) ilustrują znaczną erozję i osadzanie się na polu rolnym oraz wzorce przestrzenne wskazujące na wiele czynników kontrolujących w wielu skalach. Od wzorców skali pola związanych z wiatrem, aż po drobne wzory dendrytyczne wytwarzane przez przepływ wody, procesy istotne dla tego badania są dostrzegalne. Poziom detekcji zmian wysokości zapewniany przez powtarzające się badania terenu RTKGPS wydaje się optymalny. Dokładniejsze poziomy wykrywania, takie jak TLS, ...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kinematyczny system GPS w czasie rzeczywistym	Kolektor	Trimble Model 5800
Oprogramowanie terenowe GPS	Trimble	Trimble Trimble Access (Trimble Survey Controller używany w 2001 roku do kalibracji witryny, ale to oprogramowanie nie jest już obsługiwane)
Pojazd użytkowy	John Deere	Gator 6x4
Oprogramowanie GIS	ESRI		ArcGIS for Desktop z rozszerzeniami Spatial Analyst i Geostatistical
Analyst Oprogramowanie statystyczne	SAS		SAS Institute Inc.
Przetwornik ciśnienia 0-105 kPa	Serta	Model 280E	Setra Systems, In., Boxborough, MA
Woltomierz	WaveTek	5XL	Cyfrowy miernik zestaw do odczytu woltów
Butelki z surowicą	Wheaton	223747	100 ml
Butelki z surowicą	Wheaton	223762	20 ml
Nasadka uszczelniająca 20 mm Aluminium	Wheaton	224183-01	Skrzynka 1,000
Korek butylowy szary 20 mm (2-bolcowy)	Wheaton	224100-192	Septum; Skrzynka 1,000
Zaciskarka ręczna	Wheaton	W225303	rozmiar 20 mm
Decapper	ręczny Wheaton	W225353	rozmiar 20 mm
Fiolki z kwasem	Wheaton	224881	rozmiar 0,50 dram (2 ml)
Zasilacz	SR Components	DDU240060	Transformator klasy 2 Zasilacz sieciowy; Wejście 120VAC , wyjście 24VDC
węglan wapnia	Fisher	471-34-1	500 g 100% w/w CaCO3

danych terenowych GPS Model TSC2 Hydrauliczna maszyna do wiercenia w glebie Giddings Machine Company szt.