Name: Pomiar i mapowanie wzorców erozji i depozycji gleby związanych ze stężeniami węglanów w glebie w ramach gospodarki rolnej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 9 s
Description: Poznaj metody pomiaru erozji i depozycji gleby oraz ich związek z węglanami w warstwie powierzchniowej. Techniki RTK GPS i modyfikowanego kalcymetru ciśnieniowego umożliwiają precyzyjną analizę zmian rzeźby terenu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Teren badań terenowych znajduje się na farmie zarządzanej przez Davida Drake'a i dziękujemy mu za współpracę podczas tych długoterminowych badań. Dziękujemy również Mike'owi Murphy'emu za jego wieloletnią pracę terenową nad tym projektem oraz Robin Montenieri za pomoc w tworzeniu grafik wykorzystanych w tym artykule.

1. Gromadzenie danych o wysokości powierzchni lądu
<ol>
	<li>Kalibracja GPS dla terenu badań
	<ol>
		<li>Zlokalizuj lub wyznacz stabilny punkt odniesienia w bezpiecznym miejscu na obszarze badań, aby służył on jako stacja bazowa GPS do zbierania danych RTKGPS.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zbieranie danych punktowych GPS
	<ol>
		<li>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.
		<ol>
			<li>Zbieraj dane efektywnie, montując antenę GPS rovera na pojeździe na zmierzonej stałej wysokości nad powierzchnią gruntu i przejeżdżając transekty przez dany obszar (Rycina 6).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Analiza gleby rolniczej przy użyciu czujników polowych; obejmuje mobilną jednostkę pobierania próbek i konfigurację teledetekcyjną." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 6"> 
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)
<ol>
	<li>Tworzenie DEM
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Powtórz krok 2.1.1 dla drugiego zestawu danych pozycyjnych, aby utworzyć drugi DEM.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mapowanie zmian DEM
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Klasyfikacja terenu
	<ol>
		<li>Oblicz topograficzne atrybuty powierzchni terenu (nachylenie, ekspozycja, obszar zasilający) z pierwszego DEM siatkowego, korzystając z oprogramowania do przetwarzania DEM.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Podziel obszary zboczy według dwóch dominujących ekspozycji, w tym przypadku północnej i południowej.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Pobieranie próbek gleby
<ol>
	<li>Planowanie pobierania próbek
	<ol>
		<li>Skorzystaj z map referencyjnych w GIS, aby zaplanować lokalizacje poboru próbek gleby. Wybierz liczbę lokalizacji, która w sposób adekwatny reprezentuje wszystkie pozycje w krajobrazie.</li>
		<li>Wgraj współrzędne lokalizacji próbek do kolektora danych GPS, aby umożliwić zlokalizowanie punktów poboru w terenie.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pobieranie próbek w terenie
	<ol>
		<li>Dojedź do miejsc poboru próbek pojazdem użytkowym wyposażonym w hydrauliczną świdrową maszynę do pobierania rdzeni glebowych oraz antenę RTKGPS rover do nawigacji.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zapisz dane pozycyjne RTKGPS (x, y, z) dla każdej lokalizacji próbki.</li>
		<li>Podziel rdzeń glebowy na pożądane przyrosty głębokości, przełóż do wcześniej opisanych szczelnych plastikowych worków, a następnie umieść w chłodziarkach w celu transportu do laboratorium.</li>
		<li>Powtórz pobieranie próbek w terenie po wystąpieniu znacznej erozji i/lub depozycji (w niniejszym badaniu przerwa między próbkami wynosiła 11 lat).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Metoda pobierania próbek gleby w terenie; obejmuje wydobywanie rdzeni glebowych; przygotowanie do analizy tekstury i składu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
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.
<ol start="3">
	<li>Przetwarzanie danych pozycyjnych
	<ol>
		<li>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 &gt; 0.05 m są uznawane za miejsca akumulacji, natomiast negatywne zmiany wysokości &lt; -0.05 m są uznawane za miejsca erozji.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Analizy gleb
<ol>
	<li>Przygotowanie próbek gleby
	<ol>
		<li>Próbki gleby pobrane z terenu suszyć w piecu laboratoryjnym w temperaturze 60 °C przez noc.</li>
		<li>Wysuszone w piecu gleby zmielić tak, aby przeszły przez sito o oczkach 2 mm, używając młynka elektrycznego lub moździerza z tłuczkiem.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konfiguracja zmodyfikowanego zestawu do ciśnieniowego kalcymetru
	<ol>
		<li>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.
		<ol>
			<li>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.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Układ przetwornika ciśnienia, źródło zasilania, woltomierz, używane do pomiaru płynów, schemat analizy." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 8"> 
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.
<img alt="Pięć butelek chemicznych z etykietami CANI, S-FRI 15, GAR, SUN, SRS-NFL; użytych w układzie eksperymentalnym." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 9"> 
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.
<ol start="3">
	<li>Oznaczanie węglanów
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Po zakończeniu reakcji w próbkach gleby, przebij gumową septę naczynia reakcyjnego igłą hipodermiczną o rozmiarze 18 G i odczytaj napięcie wyjściowe z przetwornika ciśnienia.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Wykres ciśnienie-napięcie kalibracji CaCO3 oraz butelki z próbkami do eksperymentu analizy ilościowej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 10"> 
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
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Przeprowadź analizę korelacji oraz analizę wariancji, aby statystycznie określić zależności między zmiennymi. Analizy wykonaj w dowolnym preferowanym pakiecie statystycznym.</li>
</ol>

<ol><li>Freebairn, D. M. Erosion control - some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).</li>
<li>Garcia-Orenes, F., Roldan, A., Mataix-Solera, J., Cerda, A., Campoy, M., Arcenegui, V., Caravaca, F. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1475-2743.2012.00451.x/abstract">Soil structural stability and erosion rates influenced by agricultural management practices in a semi-arid Mediterranean agro-ecosystem.</a> Soil Use and Mgt. 28, 571-579 (2012).</li>
<li>Hass, H. J., Willis, W. O., Bond, J. J. <a target="_blank" href="https://archive.org/details/summerfallowinwe17unit">General relationships and conclusions.</a> 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).</li>
<li>Montgomery, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soil+erosion+and+agricultural+sustainability%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+of+the+Nat.+Acad.+of+Sci.+of+the+USA%22%5BJournal%5D)">Soil erosion and agricultural sustainability.</a> Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).</li>
<li>Skidmore, E. L., Layton, J. B., Armbrust, D. V., Hooker, M. L. <a target="_blank" href="https://www.ars.usda.gov/ARSUserFiles/30200525/85-99-J%20Soil%20physical%20properties%20as%20influenced%20by%20cropping%20and%20residue%20management.pdf">Soil physical properties as influenced by cropping and residue management.</a> Soil Sci. Soc. of Am. J. 50 (2), 415-419 (1986).</li>
<li>Sherrod, L. A., Erskine, R. H., Green, T. R. <a target="_blank" href="https://dl.sciencesocieties.org/publications/sssaj/abstracts/79/2/417">Spatial patterns and cross-correlations of temporal changes in soil carbonates and surface elevation in a winter wheat-fallow cropping system.</a> Soil Sci. Soc. of Am. J. 79 (2), 417-427 (2015).</li>
<li>Stroosnijder, L. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816205001268">Measurement of erosion: Is it possible?</a> Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).</li>
<li>Dąbek, P., Żmuda, R., Ćmielewski, B., Szczepański, J. <a target="_blank" href="https://www.irsm.cas.cz/materialy/acta_content/2013_doi/Dabek_AGG_2013_0054.pdf">Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning.</a> Acta Geodynam. Et Geomat. 11 (1), 45-52 (2014).</li>
<li>Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. <a target="_blank" href="http://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/31585395/Measuring_Bluff_Erosion_Part_1.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1494277784&Signature=QmvoYs3C0SUA%2BjtnIgSj937GJhk%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DMeasuring_bluff_erosion_part_1_terrestri.pdf">Measuring bluff erosion part 1: terrestrial laser scanning methods for change detection.</a> Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1055-1067 (2013).</li>
<li>Eltner, A., Baumgart, P. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X15300258">Accuracy constraints of terrestrial Lidar data for soil erosion measurement: Application to a Mediterranean field plot.</a> Geomorph. 245, 243-254 (2015).</li>
<li>Letortu, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X15002615">Retreat rates, modalities and agents responsible for erosion along the coastal chalk cliffs of Upper Normandy: The contribution of terrestrial laser scanning.</a> Geomorph. 245, 3-14 (2015).</li>
<li>Longoni, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.mdpi.com/2072-4292/8/3/241">Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning.</a> Rem. Sens. 8 (3), 241(2016).</li>
<li>Meijer, A. D., Heitman, J. L., White, J. G., Austin, R. E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167198712001432">Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar.</a> Soil & Till. Res. 126, 1-10 (2013).</li>
<li>Rengers, F. K., Tucker, G. E., Moody, J. A., Ebel, B. A. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JF003600/full">Illuminating wildfire erosion and deposition patterns with repeat terrestrial lidar.</a> J. of Geophys. Res.-Earth Surf. 121 (3), 588-608 (2016).</li>
<li>Schubert, J. E., Gallien, T. W., Majd, M. S., Sanders, B. E. <a target="_blank" href="http://www.jcronline.org/doi/abs/10.2112/JCOASTRES-D-14-00037.1">Terrestrial Laser Scanning of Anthropogenic Beach Berm Erosion and Overtopping.</a> J. of Coast. Res. 31 (1), 47-60 (2015).</li>
<li>Stenberg, L., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/esp.3897/abstract">Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning.</a> Earth Surf. Proc. and Landforms. 41 (10), 1299-1311 (2016).</li>
<li>Croke, J., Todd, P., Thompson, C., Watson, F., Denham, R., Khanal, G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X12005430">The use of multi temporal LiDAR to assess basin-scale erosion and deposition following the catastrophic January 2011 Lockyer flood, SE Queensland, Australia.</a> Geomorph. 184, 111-126 (2013).</li>
<li>Earlie, C., Masselink, G., Russell, P., Shail, R. <a target="_blank" href="http://www.jcronline.org/doi/abs/10.2112/SI65-080.1">Sensitivity analysis of the methodology for quantifying cliff erosion using airborne LiDAR - examples from Cornwall, UK.</a> J. of Coast. Res. Spec. Iss. 65, 470-475 (2013).</li>
<li>Kessler, A. C., Gupta, S. C., Dolliver, H. A. S., Thoma, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lidar+Quantification+of+Bank+Erosion+in+Blue+Earth+County%2C+Minnesota%5BTitle%5D)+AND+%22J.+of+Env.+Quality%22%5BJournal%5D)">Lidar Quantification of Bank Erosion in Blue Earth County, Minnesota.</a> J. of Env. Quality. 41 (1), 197-207 (2012).</li>
<li>Pye, K., Blott, S. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X1630318X">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.</a> Geomorph. 266, 146-167 (2016).</li>
<li>Thoma, D. P., Gupta, S. C., Bauer, M. E., Kirchoff, C. E. <a target="_blank" href="https://pubag.nal.usda.gov/pubag/downloadPDF.xhtml?id=6780&content=PDF">Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment.</a> Rem. Sens. of Env. 95 (4), 493-501 (2005).</li>
<li>Zhang, C. L., Yang, S., Pan, X. H., Zhang, J. Q. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/251515466_Estimation_of_farmland_soil_wind_erosion_using_RTK_GPS_measurements_and_the_137Cs_technique_A_case_study_in_Kangbao_County_Hebei_province_northern_China">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.</a> Soil & Till. Res. 112 (2), 140-148 (2011).</li>
<li>Neugirg, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X16304949">Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley, Southern Tuscany, Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR and UAV surveys.</a> Geomorph. 269, 8-22 (2016).</li>
<li>Pineux, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X16311680">Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed?</a> Geomorph. 280, 122-136 (2017).</li>
<li>Bremer, M., Sass, O. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X11004454">Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion and deposition by a debris flow event.</a> Geomorph. 138 (1), 49-60 (2012).</li>
<li>Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/esp.3359/abstract">Measuring bluff erosion part 2: pairing aerial photographs and terrestrial laser scanning to create a watershed scale sediment budget.</a> Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1068-1082 (2013).</li>
<li>De Rose, R. C., Basher, L. R. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X10004861">Measurement of river bank and cliff erosion from sequential LIDAR and historical aerial photography.</a> Geomorph. 126 (1-2), 132-147 (2011).</li>
<li>Perroy, R. L., Bookhagen, B., Asner, G. P., Chadwick, O. A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169555X10000358">Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based LiDAR on Santa Cruz Island, California.</a> Geomorph. 118 (3-4), 288-300 (2010).</li>
<li>Loeppert, R. H., Suarez, D. L. Carbonate and Gypsum. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLoeppert%2C+RH+%22Methods+of+Soil+Analysis.+Part+3.+Chemical+Methods%22">Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods</a>. Sparks, D. L., et al. , 3rd ed, SSSA. Madison, WI. 437-474 (1996).</li>
<li>Sherrod, L. A., Dunn, G., Peterson, G. A., Kilberg, R. L. <a target="_blank" href="https://naldc.nal.usda.gov/download/13017/PDF">Inorganic carbon analysis by modified pressure-calcimeter method.</a> Soil Sci. Soc. of Am. J. 66 (1), 299-305 (2002).</li>
<li>McCutcheon, M. C., Farahani, H. J., Stednick, J. D., Buchleiter, G. W., Green, T. R. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1537511006000201">Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field.</a> Biosyst. Eng. 94 (1), 19-32 (2006).</li>
<li>Wheaton, J. M., Brasington, J., Darby, S. E., Sear, D. A. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/profile/Joseph_Wheaton/publication/227747150_Accounting_for_uncertainty_in_DEMs_from_repeat_topographic_surveys_Improved_sediment_budgets/links/0912f5093ef6801bce000000.pdf">Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets.</a> Earth Surf. Proc. and Landforms. 35 (2), 136-156 (2010).</li>
<li>National Oceanic and Atmospheric Administration. Survey Marks and Datasheets. , Available from:
 <a target="_blank" href="https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/">https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/</a> (2017).</li>
<li>Trimble Inc. <a target="_blank" href="https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_006044.pdf">Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A</a>. , (2011).</li>
<li>Erskine, R. H., Green, T. R., Ramirez, J. A., MacDonald, L. H. <a target="_blank" href="https://pubag.nal.usda.gov/pubag/downloadPDF.xhtml?id=2265&content=PDF">Digital elevation accuracy and grid cell size: effects on estimated terrain attributes.</a> Soil Sci. Soc. of Am. J. 71, 1371-1380 (2007).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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, ...

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 wody1,2,3,4,5 (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.
<img alt="Porównanie skutków erozji gleby w rolnictwie; obraz przedstawia teren erodowany (a) oraz zdrowe pole (b)." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
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, GPS6,22, zaawansowana fotogrametria23,24 lub kombinacje tych technik25,26,27. 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 .
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody >
		<tr>
			<td>Seria gleby</td>
			<td>Nachylenie</td>
			<td>Klasyfikacja taksonomiczna</td>
			<td>Głębokość</td>
			<td>pH</td>
			<td>EC</td>
			<td>N całkowity</td>
			<td>SOC</td>
			<td>CaCO3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>%</td>
			<td></td>
			<td>cm</td>
			<td>1:2</td>
			<td>dS m-1</td >
			<td>g kg-1</td >
			<td>g kg-1</td >
			<td>g kg-1</td >
		</tr>
		<tr>
			<td>Colby loam</td>
			<td>5-9</td>
			<td>fine-silty, mixed, superactive, calcareous, mesic Aridic Ustorthent</td>
			<td>0-15</td>
			<td>8.2</td>
			<td>0.24</td>
			<td>0.7</td>
			<td>6.1</td>
			<td>69.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>15-30</td>
			<td>8.3</td>
			<td>0.24</td>
			<td>0.5</td>
			<td>4.0</td>
			<td>84.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kim sandy loam</td>
			<td>2-5</td>
			<td>fine-loamy, mixed, active, calcareous, mesic Ustic Torriorthent</td>
			<td>0-15</td>
			<td>7.8</td>
			<td>0.26</td>
			<td>0.8</td>
			<td>7.0</td>
			<td>29.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>15-30</td>
			<td>8.0</td>
			<td>0.27</td>
			<td>0.6</td>
			<td>5.0</td>
			<td>51.5</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>5-9</td>
			<td>fine-loamy, mixed, active, calcareous, mesic Ustic Torriorthent</td>
			<td>0-15</td>
			<td>8.1</td>
			<td>0.22</td>
			<td>0.6</td>
			<td>5.4</td>
			<td>26.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>15-30</td>
			<td>8.1</td>
			<td>0.19</td>
			<td>0.5</td>
			<td>4.1</td>
			<td>25.8</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wagonwheel loam</td>
			<td>0-2</td>
			<td>coarse-silty, mixed, superactive, mesic Aridic Calciustept</td>
			<td>0-15</td>
			<td>8.2</td>
			<td>0.23</td>
			<td>0.7</td>
			<td>5.9</td>
			<td>66.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>15-30</td>
			<td>8.2</td>
			<td>0.23</td>
			<td>0.6</td>
			<td>3.7</td>
			<td>98.1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2-5</td>
			<td>coarse-silty, mixed, superactive, mesic Aridic Calciustept</td>
			<td>0-15</td>
			<td>8.3</td>
			<td>0.23</td>
			<td>0.8</td>
			<td>6.6</td>
			<td>52.0</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>15-30</td>
			<td>8.4</td>
			<td>0.26</td>
			<td>0.7</td>
			<td>5.4</td>
			<td>118.3</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
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.
<img alt="Schemat profilu glebowego pokazujący infiltrację, erozję, depozycję; warstwy: Ap, Bt, Bk; parowanie." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
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. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56064/56064fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
Opis i historia stanowiska
Pole Scott o powierzchni 109 ha jest częścią gospodarstwa Drake Farm w północno-wschodnim Kolorado (40,61oN, 104,84oW, 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.
<img alt="Mapa topograficzna Kolorado; zaznaczona lokalizacja miejsca badań; skala; róża wiatrów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Lokalizacja miejsca badań przedstawiona na mapie ukształtowania terenu (1011 do 4401 m) stanu Kolorado, USA. Średnia wysokość miejsca badań wynosi 1577 m.
<img alt="Mapa topograficzna i DEM; izohipsy, klasyfikacja gruntów i analiza nachylenia terenu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
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 ciśnieniowego30,31. 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.
<img alt="Diagram zmiany wysokości, Δz (cm), z kodowaną kolorystycznie zmiennością topograficzną w obrębie 12 sekcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56064/56064fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 5"> 
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. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56064/56064fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Kinematyczny system GPS w czasie rzeczywistym</td><td>Kolektor</td> danych terenowych GPS <td>Trimble Model 5800</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie terenowe GPS</td><td>Trimble</td> Model TSC2 <td>Trimble Trimble Access (Trimble Survey Controller używany w 2001 roku do kalibracji witryny, ale to oprogramowanie nie jest już obsługiwane)</td> Hydrauliczna maszyna do wiercenia w glebie Giddings Machine Company <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pojazd użytkowy</td><td>John Deere</td><td>Gator 6x4</td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie GIS</td><td>ESRI</td><td></td><td>ArcGIS for Desktop z rozszerzeniami Spatial Analyst i Geostatistical</td></tr><tr><td>Analyst Oprogramowanie statystyczne</td><td>SAS</td><td></td><td>SAS Institute Inc.</td></tr><tr><td>Przetwornik ciśnienia 0-105 kPa</td><td>Serta</td><td>Model 280E</td><td>Setra Systems, In., Boxborough, MA</td></tr><tr><td>Woltomierz</td><td>WaveTek</td><td>5XL</td><td>Cyfrowy miernik zestaw do odczytu woltów</td></tr><tr><td>Butelki z surowicą</td><td>Wheaton</td><td>223747</td><td>100 ml</td></tr><tr><td>Butelki z surowicą</td><td>Wheaton</td><td>223762</td><td>20 ml</td></tr><tr><td>Nasadka uszczelniająca 20 mm Aluminium</td><td>Wheaton</td><td>224183-01</td><td>Skrzynka 1,000</td></tr> szt.<tr><td>Korek butylowy szary 20 mm (2-bolcowy)</td><td>Wheaton</td><td>224100-192</td><td>Septum; Skrzynka 1,000</td></tr><tr><td>Zaciskarka ręczna</td><td>Wheaton</td><td>W225303</td><td>rozmiar 20 mm</td></tr><tr><td>Decapper</td><td>ręczny Wheaton</td><td>W225353</td><td>rozmiar 20 mm</td></tr><tr><td>Fiolki z kwasem</td><td>Wheaton</td><td>224881</td><td>rozmiar 0,50 dram (2 ml)</td></tr><tr><td>Zasilacz</td><td>SR Components</td><td>DDU240060</td><td>Transformator klasy 2 Zasilacz sieciowy; Wejście 120VAC , wyjście 24VDC</td></tr><tr><td>węglan wapnia</td><td>Fisher</td><td>471-34-1</td><td>500 g 100% w/w CaCO3</td></tr></tbody></table>

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

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

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 glebyCaCO3 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.

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...

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.

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

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Ogólnymi celami niniejszego badania są po pierwsze: dostarczenie wydajnej metody ilościowego określania i opisywania przestrzennych wzorców erozji i akumulacji gleby w skalach polowych, a po drugie: przetestowanie modelu koncepcyjnego wiążącego te wzorce z węglanami glebowymi w warstwie przypowierzchniowej. Metody te pozwalają na lepsze zrozumienie wzajemnych zależności między węglanami w wierzchniej warstwie gleby a procesami powierzchniowymi erozji i akumulacji. Głównymi zaletami tych technik są precyzyjna detekcja zmian wysokości powierzchni gleby w czasie oraz szybka analiza węglanów glebowych w wielu próbkach gleby.Pomysł na to badanie pojawił się u nas po aktualizacji cyfrowych map wysokościowych. Mapa różnic wysokości wykazała wyraźne wzorce erozji i sedymentacji, w związku z czym chcieliśmy zbadać, jak wiążą się one ze stężeniami węglanów. W ramach niniejszego protokołu należy użyć oprogramowania terenowego do rejestracji danych pozycyjnych RTK GPS co pięć minut na całym obszarze badań.Zacznij od przeprowadzenia kalibracji terenu względem lokalnych punktów odniesienia, aby zapewnić najwyższy poziom dokładności. Lokalna kalibracja terenu dla obszaru poddanego pomiarom zapewnia niezbędną kontrolę poziomą i pionową dla metody GPS. Gwarantuje to dokładność na poziomie centymetrów, która jest wymagana do wykrycia niewielkich zmian wysokości.W celu efektywnego gromadzenia danych zamocuj antenę GPS rovera na stałej wysokości nad ziemią na pojeździe. Następnie zaimportuj transekt w punktach do kolektora danych GPS i nawiguj między nimi podczas jazdy, zbierając dane ze stałą prędkością w celu zmapowania odstępów co pięć metrów. Dodatkowo wykorzystaj zamontowaną na pojeździe hydrauliczną wycinarkę do rdzeni glebowych i użyj rurki pobieracza o pożądanym średnicy rdzenia glebowego.W celu pobrania rdzeni w lokalizacjach wyznaczonych za pomocą danych pozycyjnych RTK GPS. Pobieranie próbek gleby odbywa się poprzez wyciągnięcie rdzenia glebowego za pomocą maszyny do pobierania rdzeni. Wypchnij rdzeń glebowy z rurki pobieracza i podziel go na wymagane przyrosty głębokości.Przenieś próbki gleby do wcześniej oznakowanych, szczelnych plastikowych woreczków. Następnie przechowuj próbki w chłodniach w celu ich transportu do laboratorium. W przypadku powtarzania tych analiz po wystąpieniu znacznych zjawisk erozji i depozycji gleby, wróć do tych samych miejsc poboru próbek, korzystając z GPS, i pobierz nowe rdzenie glebowe.W laboratorium należy przygotować próbki gleby do analizy. W pierwszej kolejności należy wysuszyć je w piecu w temperaturze 60 °C przez noc. Następnego dnia wysuszone próbki gleby należy przesiać przez sito o oczkach 2 mm, używając młynka mechanicznego lub rozcierając je ręcznie w moździerzu z tłuczkiem.Kolejny krok wymaga przygotowania zmodyfikowanego urządzenia do pomiaru ciśnienia w kalkimetrze. Najpierw należy podłączyć przetwornik ciśnienia do zasilacza za pomocą przewodu o przekroju 14 gauge. Należy dołączyć cyfrowy woltmer do monitorowania sygnału wyjściowego z przetwornika.Należy zastosować filtr cząsteczkowy 0,6 mikrona, aby uzyskać równomierny przepływ, a tym samym chronić przetwornik ciśnienia. Następnie należy przymocować rurkę do podstawy filtra cząsteczkowego i połączyć ją z igłą hipodermiczną Luer Lock o rozmiarze 18 G. Następnie należy określić, czy naczynia reakcyjne powinny być w postaci butelek na surowicę o pojemności 20 czy 100 mililitrów.Zmocz metalową łyżkę stołową wodą i nabierz około jednej łyżeczki gleby, która może mieć wysoką koncentrację węglanów. Pipetą nanieś jeden mililitr 0,5 bezwodnego kwasu siarkowego na glebę i zaobserwuj pienienie. Jeśli pienienie jest silne, należy przyjąć, że zawartość węglanu wapnia przekracza 15% i użyć naczynia o pojemności 100 mililitrów.W przeciwnym razie należy użyć butelki na surowicę o pojemności 20 milliliters. Aby oznaczyć stężenie węglanów, odważ jeden gram przygotowanej próbki gleby do oznakowanego naczynia reakcyjnego. Następnie pipetuj dwa milliliters odczynnika kwasowego do fiolki.Delikatnie umieść fiolkę w naczyniu reakcyjnym w taki sposób, aby nie rozlać zawartości, a następnie ostrożnie zamknij naczynie za pomocą szarego stopra z butylowego kauczuku i zabezpiecz je aluminiowym pierścieniem uszczelniającym. Teraz wstrząśnij naczyniem, aby wylać kwas na próbkę gleby, i pozwól reakcji przebiegać przez co najmniej dwie godziny. W czasie oczekiwania przygotuj standardową próbkę w równoległym układzie z tymi samymi parametrami, korzystając ze wzorców.Przygotuj wzorce poprzez mieszanie 100% węglanu wapnia z kuleczkami szklanymi lub piaskiem w oparciu o wagę, a nie objętość. Podczas wyznaczania współczynnika gar, ważne jest dokładne określenie napięcia dla próbki bez węglanu wapnia, ponieważ definiuje ono granicę wykrywalności metody. Zazwyczaj mierzę próbę ślepą trzykrotnie wraz z wykorzystaniem znanych stężeń wzorca, aby wyznaczyć gar.Po zakończeniu reakcji próbki gleby przebij gumową przegrodę naczynia reakcyjnego i zarejestruj napięcie wyjściowe z przetwornika ciśnienia. Następnie wyznacz procentową zawartość węglanu wapnia w próbce, korzystając z krzywej wzorcowej. Mapowanie różnic w numerycznym modelu terenu (DEM) z lat 2001 i 2009 ujawniło procesy erozji i depozycji w ciągu tego ośmioletniego okresu.W większości obszarów zmiany wysokości sięgały poziomu decymetrów. W strefach konwergencji topograficznej stwierdzono występowanie skalarnych wzorców erozyjnych i akumulacyjnych, przypominających ścieżki przepływu wody. W latach 2001 i 2012 pobrano próbki węglanu wapnia, aby porównać je z procesami erozji i akumulacji zachodzącymi na obszarze badań oraz w celu zweryfikowania modelu koncepcyjnego.Podczas porównania próbek gleby z wschodniego i zachodniego bloku pasów zarządzania stwierdzono odwrotną zależność między zmianą zawartości węglanu wapnia w glebie powierzchniowej a zmianą wysokości powierzchni terenu. Analiza wariancji wykazała, że na zmianę wysokości znaczący wpływ mają wszystkie zmienne boczne. Natomiast na zmiany zawartości węglanu wapnia największy wpływ miała klasa erozyjna, EDU lub zmapowana jednostka glebowa.Pięć jednostek glebowych określono wcześniej podczas badania glebowego terenu. Interpolacje wyników próbek punktowych wykazują, że stosunkowo niewielkie, skoncentrowane obszary wysokiej i niskiej zawartości węglanu wapnia z 2001 roku nie były widoczne w 2012 roku. Wzór przestrzenny stał się mniej złożony.Czułość wykrywania zmian wysokości terenu zapewniona przez powtarzalne pomiary naziemne za pomocą RTK GPS wydaje się optymalna w ilościowym i opisowym ujęciu procesów erozji i depozycji w skali polowej. Zmodyfikowana metoda bliskości ciśnienia jest doskonałą techniką do pomiaru węglanów, umożliwiającą analizę wielu próbek w krótkim czasie. Zmiany wysokości powierzchni gleby były łatwiej wykrywalne niż zmiany zawartości węglanów w glebie, co prawdopodobnie wynikało z zastosowanego w 2001 roku 30-centymetrowego przyrostu próbkowania rdzenia.Przyszłe przyrosty próbkowania co 15 centymetrów powinny poprawić wykrywalność węglanów glebowych. Opisany tutaj model koncepcyjny i metody mogą zostać zastosowane w innych lokalizacjach, w których warstwy wapienne występują w pobliżu powierzchni gleby.

measuring-mapping-patterns-soil-erosion-deposition-related-to-soil

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Lizymetr Gradientu Dwutlenku Węgla tworzy liniowy gradient dwutlenku węgla L-1 o objętości od 250 do 500 μl w komorach o kontrolowanej temperaturze, w których znajdują się zbiorowiska roślinne na monolitach gliniastych, pylastych i piaszczystych. Obiekt służy do określenia, w jaki sposób przeszły i przyszły poziom dwutlenku węgla wpływa na obieg węgla na użytkach zielonych.

Instalacja do pomiaru gradientu stężenia CO2 do badania wzbogacenia w CO2 i wpływu gleby na funkcjonowanie ekosystemu użytków zielonych

Opisano protokół, w którym biodegradacja CO2 zmineralizowanego z zanieczyszczeń organicznych (pochodzących z surowców ropopochodnych) jest wychwytywana, oznaczana ilościowo i analizowana pod kątem zawartości 14C. Opracowano model w celu określenia zasięgu przestrzennego strefy wychwytywania CO2 . Pomiary przestrzenne i czasowe pozwalają na integrację wskaźników mineralizacji zanieczyszczeń w celu przewidywania zakresu i czasu remediacji.

Pomiar mineralizacji zanieczyszczeń na bazie węgla przy użyciu połączonych analiz strumienia CO2 i radiowęgla

Ostatnio wykazano, że wielokrotne pobieranie próbek gleby jest skutecznym sposobem monitorowania zmian w glebie leśnej na przestrzeni lat i dekad. Aby wesprzeć jego stosowanie, przedstawiono protokół, który syntetyzuje najnowsze informacje na temat metod ponownego próbkowania gleby, aby pomóc w projektowaniu i wdrażaniu skutecznych programów monitorowania gleby.

Metody pobierania próbek gleby w celu monitorowania zmian stężeń chemicznych w glebach leśnych

Charakteryzacja erozji na podstawie dendrogeomorfologii zazwyczaj skupiała się na dokładnym znalezieniu początkowego czasu ekspozycji korzeni, poprzez badanie makroskopowych lub zmian na poziomie komórki spowodowanych ekspozycją. W tym miejscu przedstawiamy szczegółowy opis różnych nowatorskich technik uzyskiwania bardziej precyzyjnych wskaźników erozji na podstawie bardzo dokładnych danych mikrotopograficznych.

Laboratoryjny i terenowy protokół do szacowania szybkości erozji arkuszy na podstawie dendrogeomorfologii

Procesy krajobrazowe są kluczowymi składnikami formowania gleby i odgrywają ważną rolę w określaniu właściwości gleby i struktury przestrzennej w krajobrazach. Proponujemy nowe podejście wykorzystujące krokową regresję głównych składowych do przewidywania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie w różnych skalach przestrzennych.

Wykorzystanie głównych komponentów do skalowania modeli topograficznych w celu mapowania redystrybucji gleby i węgla organicznego w glebie

Opisana tutaj metoda weryfikacji jest przystosowana do monitorowania pedogenicznej sekwestracji węgla nieorganicznego w różnych glebach rolnych wzbogaconych skałami zawierającymi krzemian metali ziem alkalicznych, takich jak wollastonit, bazalt i oliwin. Ten rodzaj walidacji jest niezbędny dla programów kredytów węglowych, które mogą przynieść korzyści rolnikom, którzy sekwestrują dwutlenek węgla na swoich polach.

Monitorowanie pedogennej akumulacji węgla nieorganicznego spowodowanej wietrzeniem zmodyfikowanych minerałów krzemianowych w glebach rolnych.

Ten artykuł przedstawia prosty eksperyment z parowaniem przy użyciu przyrządu do właściwości hydraulicznych dla próbki gleby. Dzięki wydajnym metodom pomiary mogą być wykonywane w ciągu kilku dni w celu wygenerowania wysokiej jakości danych.

Pomiary potencjału wodnego i przewodności gleby w oparciu o prosty eksperyment parowania przy użyciu analizatora właściwości hydraulicznych

Ta metoda wyjaśnia, jak zbudować i obsługiwać ciągłą komorę do znakowania izotopów 13C i 15N do jednolitego lub zróżnicowanego etykietowania tkanek roślinnych. Omówiono reprezentatywne wyniki znakowania metabolicznego i strukturalnego Andropogon gerardii.

Konstrukcja i działanie komory do ciągłego znakowania izotopami 13C i 15N do jednorodnego lub różnicowego, metabolicznego i strukturalnego znakowania izotopów roślinnych

Symulator opadów deszczu został użyty do zastosowania stałego wskaźnika równomiernych opadów do upakowanych skrzynek z ziemią w badaniu losu i transportu mocznika, niepunktowego źródła zanieczyszczenia środowiska. W jednolitych warunkach glebowych i opadowych poprzednia wilgotność gleby wywierała silną kontrolę nad utratą mocznika w spływie powierzchniowym.

Protokół przeprowadzania symulacji opadów deszczu w celu zbadania spływu gleby

Ten artykuł przedstawia metodę statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Przy stosunkowo niewielkich inwestycjach w infrastrukturę, pomiary można uzyskać z wielu zabiegów/lokalizacji i w ramach czasowych od godzin do lat.

Pomiar strumienia gazów cieplarnianych z gleb rolniczych za pomocą komór statycznych

Poznaj metody pomiaru erozji i depozycji gleby oraz ich związek z węglanami w warstwie powierzchniowej. Techniki RTK GPS i modyfikowanego kalcymetru ciśnieniowego umożliwiają precyzyjną analizę zmian rzeźby terenu.

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

Przeglądaj więcej filmów