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 odsłonięte 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 opisu przestrzennych wzorców erozji i akumulacji w skali polowej, przy użyciu technologii globalnego systemu pozycjonowania (GPS) oraz narzędzi mapowania systemów informacji geograficznej (GIS). Prosty model koncepcyjny wiążący te wzorce z węgielanami glebowymi w warstwie przypowierzchniowej (CaCO₃) zostaje również przedstawiony i przetestowany za pomocą określonych metod terenowych i laboratoryjnych. Relacje te stanowią pośrednie miary erozji i sedymentacji, jednocześnie walidując wyniki uzyskane metodą GPS. Niniejsza praca kładzie nacisk na metody zastosowane w Sherrod i wsp.aby mogli oni powtórzyć je, w części lub w całości, w ramach podobnych badań w innych ośrodkach⁶.

Rycina 1. Zdjęcia (a) erozji i (b) depozycji w miejscu badań po intensywnym opadzie 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 przeanalizowane przez Stroosnijdera⁷. Sugerowane metody różnią się w zależności od celu pomiaru i dostępnych zasobów, jednak w skali stoków wzgórz zaleca się metodę „zmiany wysokości powierzchni”, która daje korzyść w postaci pomiaru zarówno erozji, jak i akumulacji. Jednym ze sposobów zastosowania tej metody jest instalacja prętów w glebie i monitorowanie zmiany wysokości gleby względem górnej krawędzi pręta⁷. Dzięki postępowi w technologii geodezyjnej to pracochłonne podejście może zostać zastąpione 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. zarekomendowali ALS zamiast TLS do szacowania erozji wąwozowej ze względu na większy zasięg skanowania i lepszą orientację instrumentu (mniejsze zacienienie topograficzne) przy skanowaniu głęboko wciętych wąwozów²⁸. W niniejszym badaniu wykorzystano GPS w trybie kinematycznym w czasie rzeczywistym (RTKGPS), który zapewnia precyzję na poziomie centymetrów bez konieczności postprocesowania danych. Rozdzielczość przestrzenna i precyzja danych zebranych za pomocą RTKGPS są optymalne do wykrywania dominujących form erozyjnych i akumulacyjnych na polu uprawnym lub w innych środowiskach z istotną okrywą roślinną.

Metoda ciśnieniowego kalcymetru do ilościowego oznaczenia 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 ciśnieniowego kalcymetru, opisane przez Sherrod et al., obejmują zmianę naczynia reakcyjnego na fiolki typu serum oraz zastosowanie przetwornika ciśnienia podłączonego do cyfrowego woltomierza w celu wykrywania zmian ciśnienia³⁰. Modyfikacje te pozwalają na uzyskanie niższych granic wykrywalności oraz zwiększenie dziennej przepustowości analiz próbek gleby. Metody grawimetryczne lub proste metody miareczkowe do oznaczania CaCO₃ w glebie generowały większe błędy i wyższe granice wykrywalności niż ta zmodyfikowana metoda ciśnieniowego kalcymetru³⁰.

Model koncepcyjny

W sytuacjach, gdy bezpośrednie pomiary erozji i depozycji nie są możliwe, można zastosować pośrednie wskaźniki tych procesów. Sherrod et al. wysunęli hipotezę, że w klimacie półpustynnym stężenie CaCO₃ w powierzchniowej warstwie gleby jest odwrotnie skorelowane ze zmianą wysokości powierzchni gruntu (dodatnio skorelowane z erozją, ujemnie skorelowane z depozycją)⁶. Hipoteza ta powinna mieć szerokie zastosowanie, jednak konkretne zależności będą zależeć od warunków w danej lokalizacji (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 usuwa warstwę powierzchniową o stosunkowo niskim stężeniu CaCO₃ , przez co ta wapienna warstwa o wysokim stężeniu CaCO₃ znajduje się 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 na podstawie tego modelu wnioskować o wystąpieniu erozji, depozycji (lub braku obu tych procesów) na podstawie stężenia CaCO₃ .

Seria gleby	Nachylenie	Klasyfikacja taksonomiczna	Głębokość	pH	EC	Azot 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 od 0 do 15 i od 15 do 30 cm dla pola Scott w 2012 roku (na podstawie Sherrod et al.)⁶.

Rycina 2. Koncepcyjne profile glebowe. Koncepcyjne profile glebowe dla (a) statycznej macierzy glebowej z CaCO₃ wymytym z warstwy powierzchniowej i wytrąconym 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 (według Sherrod et al.)⁶. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Opis i historia obszaru

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. W tym półpustynnym klimacie, w którym latem powszechne były konwekcyjne opady deszczu o krótkim czasie trwania i wysokiej intensywności, średnie roczne opady i ewapotranspiracja wynosiły odpowiednio około 350 i 1200 mm. Wysokość nad poziomem morza w tym pofałdowanym terenie waha się od 1559 do 1588 m, z wyraźnymi położeniami krajobrazowymi: szczytem, zboczem północnym (side-NF), zboczem południowym (side-SF) oraz podnóżem zbocza (Rysunek 4b). W tym systemie rotacyjnym pszenicy ozimej i ugoru w warunkach nawadniania opadowego zarządzano zazwyczaj naprzemiennymi pasami (~120 m szerokości), tak aby co drugi pas pozostawał ugorem przez około 14 miesięcy z każdego 24-miesięcznego cyklu rotacyjnego. Płytka uprawa (~7 cm), zazwyczaj za pomocą płużków skrzydełkowych, była przeprowadzana od 4 do 6 razy w okresie ugorowania w celu zwalczania chwastów. Gleby na tym obszarze sklasyfikowano jako posiadające tolerancję na utratę gleby, czyli wartość T, wynoszącą 11 Mg ha^-1 year^-1, gdzie tempo erozji poniżej tej wartości T uznaje się za dopuszczalne dla dalszej produkcji rolniczej⁴.

Rysunek 3. Lokalizacja stanowiska przedstawiona na obrazie reliefu topograficznego (1011 do 4401 m) stanu Kolorado, USA. Średnia wysokość stanowiska wynosi 1577 m.

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

Pierwszy pomiar wysokości powierzchni terenu został przeprowadzony za pomocą RTKGPS w 2001 roku w celu stworzenia cyfrowego modelu wysokościowego (DEM) obszaru. We współpracy z McCutcheon et al. w 2001 roku pobrano również intensywną próbkę gleby (Rysunek 4a), z której przeanalizowano zawartość CaCO₃ w glebie powierzchniowej przy użyciu zmodyfikowanej metody kalcymetru ciśnieniowego^30,31. Wizualnie widoczna erozja i depozycja występujące w kolejnej dekadzie w wyniku działania wiatru, wiejącego głównie z północnego zachodu, oraz opadów i spływu powierzchniowego skłoniły do 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 (Rysunek 5). Biorąc pod uwagę znaczną redystrybucję gleby powierzchniowej na obszarze oraz historyczne dane dotyczące CaCO₃ w glebie, pobieranie próbek gleby z 2001 roku powtórzono w 2012 roku, aby przetestować koncepcyjny model procesów hydropedologicznych⁶, opisany w poprzedniej sekcji.

Rysunek 5. Mapa zmian (2001-2009*) wysokości powierzchni terenu (Δz) w siatce 5-m na obszarze Scott Field w północno-wschodnim Colorado. Numery pasów uprawnych zostały naniesione na naprzemienny system uprawy pszenicy ozimej i ugorowania, przedstawiono przekrój A-A' (szczegóły podano na Rysunku 11). *Pasy 2, 4, 6, 8 zostały zmierzone w 2010 roku w celu uzupełnienia DEM z 2009 roku (na podstawie Sherrod et al.)⁶. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną 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 korygowaną przez system 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 wykorzystywanego jako stacja bazowa. Sprawdź, czy residua współrzędnych (poziome i pionowe) dla punktów kontrolnych mieszczą się w dopuszczalnych granicach (± 0.02 m dla tej kalibracji).
2. Zbieranie punktowych danych GPS
   1. Przy ustawionej na lokalnym punkcie odniesienia stacji bazowej GPS, korzystając z lokalnej kalibracji terenu i oprogramowania terenowego, zarejestruj dane pozycyjne RTKGPS w kolektorze danych GPS z poziomym odstępem około 5 m na całym obszarze badań.
      1. Zbieraj dane efektywnie, montując antenę GPS rovera na zmierzonej, stałej wysokości nad powierzchnią gruntu na pojeździe i przejeżdżając transekty przez dany obszar (Rysunek 6).
   2. W przypadku metody z użyciem pojazdu, zdefiniuj punkty końcowe transektów, aby stworzyć równoległe transekty rozmieszczone co 5 m. Zaimportuj punkty końcowe transektów do kolektora danych GPS w celu nawigacji podczas przejazdu. Zbieraj punkty za pomocą kolektora automatycznie raz na sekundę podczas przejazdu transektami z prędkością około 5 m s^-1, aby uzyskać dane punktowe co około 5 m.
   3. Powtórz zbieranie punktowych danych w terenie zgodnie z powyższym opisem w późniejszym terminie (w tej studyjnie od 8 do 9 lat później), aby umożliwić analizę zmian wysokości powierzchni terenu; oryginalna kalibracja GPS terenu jest stosowana we wszystkich pomiarach i nie jest powtarzana.

Rysunek 6. Gromadzenie danych o powierzchni rzeźby terenu za pomocą RTKGPS. Dane o powierzchni rzeźby terenu RTKGPS są gromadzone podczas przejazdu pojazdem użytkowym przez pole (a), podczas gdy korekty GPS w czasie rzeczywistym są dostarczane przez stację bazową znajdującą się na miejscu (b).

2. Tworzenie i przetwarzanie NMPT

1. Tworzenie cyfrowych modeli wysokościowych (DEM)
   1. Importuj dane pozycyjne do oprogramowania GIS i wykonaj interpolację do DEM o siatce 5 m. Za pomocą oprogramowania GIS przeprowadź walidację krzyżową zmierzonych wysokości punktowych względem interpolowanych wartości wysokości i wybierz metodę interpolacji, która minimalizuje te błędy walidacji krzyżowej.
      UWAGA: Optymalną metodą interpolacji dla danych wysokościowych w tej lokalizacji okazał się zwykły kriging z gaussowskim modelem semiwariogramu. Walidacja krzyżowa pozwala również określić dokładność wysokościową zastosowanej metody pomiarowej³⁵.
   2. Powtórz krok 2.1.1 dla drugiego zestawu danych pozycyjnych w celu utworzenia drugiego DEM.
2. Mapowanie zmian DEM
   1. Używając narzędzia kalkulatora rastrowego w GIS, odejmij najnowszy DEM od DEM pierwotnego, aby utworzyć rastrową mapę zmian DEM (Rysunek 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 za pomocą oprogramowania do przetwarzania DEM.
   2. Zaklasyfikuj obszary terenu jako szczyty, zbocza lub podnóża zboczy na podstawie nachylenia i obszaru zasilającego każdej komórki siatki DEM.
      UWAGA: Szczyty charakteryzują się niskim nachyleniem i małym obszarem zasilającym. Zbocza charakteryzują się dużym nachyleniem i średnim obszarem zasilającym. Podnóża zboczy charakteryzują się niskim nachyleniem i dużym obszarem zasilającym. Wartości nachylenia i obszaru zasilającego definiujące te klasyfikacje zależą od topografii powierzchni terenu w danej lokalizacji i są dobierane jakościowo, aby uzyskać pożądane przedstawienie każdego obszaru klasyfikacyjnego dla konkretnego miejsca.
   3. Podziel obszary zboczy według dwóch dominujących ekspozycji, w tej lokalizacji są to ekspozycja północna i południowa.

3. Pobieranie próbek gleby

1. Planowanie próbek
   1. Skorzystaj z map referencyjnych w systemie GIS w celu zaplanowania lokalizacji próbek gleby. Wybierz taką liczbę lokalizacji, aby odpowiednio reprezentowały one wszystkie pozycje krajobrazowe.
   2. Prześlij współrzędne lokalizacji próbek do kolektora danych GPS, aby możliwe było zlokalizowanie punktów poboru w terenie.
   3. Wykorzystaj wcześniejszą wiedzę o glebach na danym terenie, aby zaplanować przyrosty głębokości pobierania próbek w celu uchwycenia zmienności CaCO₃ .
2. Pobieranie próbek w terenie
   1. Dojedź do miejsc poboru próbek pojazdem użytkowym wyposażonym w hydrauliczną świdrę rdzeniową oraz antenę rovera RTKGPS do nawigacji.
   2. Za pomocą świdry rdzeniowej i rurki do poboru próbek o pożądanej średnicy rdzenia glebowego (5,1 cm w niniejszym badaniu), pobierz rdzeń gleby z każdej lokalizacji (Rysunek 7).
      UWAGA: Liczba pobranych rdzeni w każdej lokalizacji, a także głębokość i przyrosty rdzenia glebowego 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 analizy. Zaleca się stosowanie metody z 2012 roku.
   3. Zapisz dane pozycyjne RTKGPS (x, y, z) dla każdej lokalizacji próbki.
   4. Podziel rdzeń glebowy na pożądane przyrosty głębokości, przenieś je do wcześniej oznaczonych zamykanych worków plastikowych, a następnie umieść w chłodniach w celu transportu do laboratorium.
   5. Powtórz pobieranie próbek w terenie po wystąpieniu znaczącej erozji i/lub depozycji (w niniejszym badaniu odstęp między próbkami wynosił 11 lat).

Rysunek 7. Pobieranie próbek gleby. Do lokalizacji miejsc poboru próbek gleby używany jest pojazd użytkowy z nawigacją GPS, wyposażony w hydrauliczną wycinarkę do rdzeni glebowych (a) , dzięki której można pobrać rdzenie gleby (b) i podzielić je na pożądane przyrosty głębokości.

3. Przetwarzanie danych pozycyjnych
   1. Zmierz różnice w wysokościach zarejestrowanych dla każdej lokalizacji pobrania próbek gleby pomiędzy dwiema datami pobierania próbek (w niniejszym badaniu pobrano próbki ze 198 lokalizacji w latach 2001 i 2012).
      UWAGA: Wysokości dla roku 2001 pobrano z numerycznego modelu terenu (DEM) z 2001 roku, ponieważ w czasie pobierania próbek gleby nie zapisano wysokości poszczególnych punktów. Pozytywne zmiany wysokości > 0,05 m uznaje się za miejsca akumulacji, natomiast ujemne zmiany wysokości < -0,05 m uznaje się za miejsca erozji.
   2. Zaklasyfikuj każdą lokalizację poboru próbek jako wierzchołek, zbocze wystawione na północ, zbocze wystawione na południe lub stopę zbocza na podstawie przetwarzania DEM (patrz Protokół 2.3.2); klasyfikacja w pojedynczej lokalizacji, zdefiniowana przez kryteria nachylenia i obszaru zlewni, może zostać zmieniona, aby odpowiadała dominującej klasyfikacji punktów sąsiednich.
   3. Użyj narzędzi do łączenia przestrzennego w oprogramowaniu GIS, aby przypisać lokalizacje poboru próbek do innych warstw danych przestrzennych wykorzystywanych w analizach (pas zarządzania i jednostka mapowania gleby).

4. Analizy gleb

1. Przygotowanie próbek gleby
   1. Suszyć próbki gleby pobrane z terenu przy 60 °C w suszarce laboratoryjnej przez noc.
   2. Rozetrzeć wysuszone w suszarce gleby tak, aby przeszły przez sito o oczkach 2 mm, używając elektrycznego rozcieracza lub moździerza z tłuczkiem.
2. Konfiguracja zmodyfikowanego zestawu do kalcymetrii ciśnieniowej
   1. Skonfigurować zmodyfikowany zestaw do kalcymetrii ciśnieniowej (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 cyfrowego woltomierza wpiętego szeregowo w celu monitorowania sygnału wyjściowego z przetwornika.
      1. Do podstawy przetwornika ciśnienia przytwierdzić rurkę o średnicy wewnętrznej 9,5 mm i połączyć ją z igłą hipodermiczną Luer lock o rozmiarze 18 gauge, umieszczając w środku filtr cząsteczkowy (0,6 µm), aby zapobiec przedostawaniu się ewentualnego refluksu do przetwornika ciśnienia.
   2. Jako naczynia reakcyjne połączone z przetwornikiem ciśnienia wykorzystać butelki serumowe (Rycina 9).  Dobrać rozmiar butelki serumowej, zwilżając metalną łyżkę stołową wodą i dodając około 5 mL gleby, w której spodziewane jest wysokie stężenie CaCO₃.  Do gleby pipetować 1 mL 0,5 N H₂SO₄ i obserwować musowanie.
   3. W przypadku silnego musowania przyjąć stężenie CaCO₃ powyżej 15% i jako naczynie reakcyjne zastosować butelkę serumową o pojemności 100 mL; w przeciwnym razie zastosować butelkę serumową o pojemności 20 mL.

Rycina 8. Zmodyfikowany aparat do pomiaru ciśnienia kalkimetrycznego. Zmodyfikowany aparat do pomiaru ciśnienia kalkimetrycznego wykorzystuje buteleczkę do surowicy jako naczynie reakcyjne oraz przetwornik ciśnienia podłączony do woltomierza w celu wyjścia sygnału (za Sherrod et al.)³⁰.

Rycina 9. Naczynia reakcyjne dla zmodyfikowanej metody kalcymetrycznej ciśnieniowej. Naczynia reakcyjne dla zmodyfikowanej metody kalcymetrycznej ciśnieniowej to butelki do serum zawierające fiolkę o pojemności 0,5 dram z 2 mL odczynnika kwasowego oraz 1 g próbki gleby.

3. Pomiar węglanów
   1. Umieść 1 g próbki przygotowanej gleby (patrz Protokół 4.1) w oznakowanym naczyniu reakcyjnym. W przypadku gleb zawierających powyżej 50% CaCO₃, użyj tylko 0,5 g gleby.
   2. Pipetuj 2 mL odczynnika kwasowego (6 N HCI zawierającego 3% FeCL₂O₄H₂O) do szklanej fiolki o pojemności 0,5 g. Delikatnie umieść fiolkę w naczyniu reakcyjnym, przechylając naczynie niemal do pozycji poziomej, aby zawartość roztworu nie wylała się na zewnątrz.
   3. Trzymając naczynie reakcyjne z próbką gleby i fiolką z kwasem w pozycji przechylonej, zamknij je szarymi korkami z gumy butylowej i zaciskaj za pomocą aluminiowego pierścienia uszczelniającego.
   4. Wstrząśnij naczyniem reakcyjnym kolistym ruchem, aby zapewnić całkowite wymieszanie gleby z kwasem. Postaw naczynie reakcyjne na blacie laboratoryjnym i pozostaw do zajścia reakcji na co najmniej 2 hr.
   5. Oczekując na zakończenie reakcji w naczyniach, wyznacz krzywą wzorcową, mierząc napięcia dla znanych stężeń CaCO₃, używając tego samego układu naczyń reakcyjnych, co w przypadku próbek gleby (Rysunek 10).  Wymieszaj 100% CaCO₃ z kuleczkami szklanymi lub piaskiem w stosunku procentowym wagowym, aby uzyskać znane stężenia CaCO₃.  Uwzględnij próbkę ślepą bez CaCO₃.
   6. Po zakończeniu reakcji próbek gleby przebij przegrodę gumową naczynia reakcyjnego igłą hipodermiczną o rozmiarze 18 G i zapisz wartość napięcia wyjściowego z przetwornika ciśnienia.
   7. Oblicz zawartość procentową CaCO₃ na podstawie zmierzonego napięcia i równania wyznaczonego z krzywej wzorcowej (Rysunek 10a).
      UWAGA: Wzrost ciśnienia wywołany uwalnianiem CO₂ jest liniowo powiązany ze stężeniem CaCO₃ obecnym w glebie w następujący sposób: % CaCO₃ = (współczynnik regresji * zmiana ciśnienia w woltach) + punkt przecięcia.

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

5. Analizy statystyczne

1. Zdefiniuj dwie zmienne zależne jako zmianę wysokości powierzchni gruntu oraz stężenia CaCO₃ w powierzchniowej warstwie gleby pomiędzy pierwszą a drugą datą poboru próbek (w niniejszym badaniu od 2001 do 2012 roku). Zdefiniuj zmienne niezależne lub objaśniające jako sposób zarządzania (pas o numerze nieparzystym lub parzystym), poszczególne pasy, zachodni lub wschodni blok pasów, jednostkę mapowania gleb, klasyfikację krajobrazu oraz klasyfikację erozyjną/akumulacyjną.
2. Przeprowadź analizę korelacji oraz analizę wariancji w celu statycznego określenia zależności między zmiennymi. Analizy wykonaj w dowolnym preferowanym pakiecie statystycznym.

Wyniki

Mapowanie różnic w cyfrowych modelach wysokościowych (DEM) z lat 2001 i 2009 ujawnia procesy erozji (kolor czerwony) i akumulacji (kolor zielony) w ciągu tego 8-letniego okresu, przy zmianach wysokości rzędu decymetrów w większości obszarów (Rysunek 5). W skali pola erozja dominuje w części zachodniej i południowo-zachodniej, natomiast akumulacja występuje wzdłuż pasma biegnącego diagonalnie od północnego zachodu do południowego wschodu po wschodniej stronie ...

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