Laboratoryjny i terenowy protokół do szacowania szybkości erozji arkuszy na podstawie dendrogeomorfologii
7 stycznia 2019
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.
Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie dendrogeomorfologii dotyczące znaczenia charakterystyki mikrotopograficznej gruntu dla uzyskania wiarygodnych wskaźników erozji arkuszy. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na uzyskanie akceptowalnych szacunków erozji gleby na porównywalnych dużych obszarach w rozsądnym miejscu. Implikacje tych technik rozciągają się w kierunku poprawy powtarzalności i użyteczności dendrogeomorfologii poprzez poszerzenie typologii biowskaźników, które można wykorzystać do ilościowego określania wskaźników erozji.
Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają przygodę z tą techniką, będą w stanie łatwo ją odtworzyć ze względu na wszechstronność metodologii. Wizualna demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ opiera się na wykonaniu kilku kroków związanych z różnymi podejściami metodologicznymi. Zacznij od zlokalizowania odsłoniętych korzeni, które znajdują się dalej niż 1,5 metra od pnia.
I za pomocą piły ręcznej przeciąć co najmniej 30 odsłoniętych korzeni o średnicy większej niż pięć centymetrów na odcinki o długości 15 centymetrów. Wybierz dwie plastry o grubości około 1,5 centymetra i użyj kielni pomiarowej, piły ręcznej i taśmy mierniczej, aby pobrać próbki co najmniej 1/3 wszystkich odsłoniętych korzeni na różnych głębokościach gleby, maksymalnie do 20 centymetrów, aby ustalić minimalną grubość gleby, poniżej której korzenie zaczynają reagować anatomicznie w wyniku ekspozycji. Aby scharakteryzować mikrotopograficznie odsłonięte korzenie w łatwo dostępnym miejscu, należy użyć naziemnego urządzenia do skanowania laserowego, które może mierzyć do 50 000 punktów na sekundę z dokładnością do jednego milimetra w odległości skanowania mniejszej niż 120 metrów, aby uwzględnić co najmniej dwie różne konwencjonalne lokalizacje naziemnego skanowania laserowego bez stref cienia.
Użyj co najmniej czterech celów pomiarowych w wysokiej rozdzielczości rozmieszczonych tak, aby obejmowały cały obszar, aby połączyć te dwie lokalizacje. Skanowanie średniego obszaru 300 centymetrów kwadratowych od wybranych lokalizacji z rozdzielczością przestrzenną jednego milimetra. W celu scharakteryzowania mikrotopograficznego odsłoniętych korzeni w trudnym i stromym terenie, należy umieścić miernik profilu mikrotopograficznego prostopadle do odsłoniętego korzenia, a następnie wypoziomować miernik w poziomie dla wszystkich pomiarów w taki sposób, aby można było porównać różne zestawy danych.
Charakterystyka mikrotopograficzna powierzchni gruntu ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dokładnych wskaźników erozji i może być wykonana niedrogo przy użyciu miernika mikrotopograficznego, niezależnie od topografii badanego terenu. Następnie narysuj uzyskany profil na papierze milimetrowym, aby umożliwić oszacowanie ilości zerodowanej gleby wzdłuż profilu z dokładnością poniżej milimetra. Aby określić czas ekspozycji korzeni za pomocą analizy makroskopowej, należy użyć wzrostu procentu późnego drewna i większej szerokości słojów jako wskaźników naprężeń wywołanych ekspozycją.
I zaznacz co najmniej cztery do pięciu promieni wzdłuż średnicy plastrów, które wykazują największą zmienność szerokości słojów. Następnie użyj systemu analizy obrazu, aby zmierzyć szerokość słojów drzewa i porównać zmienność szerokości słojów między różnymi promieniami w celu wizualnego datowania krzyżowego, aby zarówno poprawić precyzję datowania w pierwszym roku narażenia na erozję gleby, jak i prawidłowo datować kolejne słoje. Aby określić czas ekspozycji korzeni za pomocą analizy mikroskopowej, zarówno dla odsłoniętych, jak i nienarażonych próbek korzeniowych, użyj przesuwanego mikrotomu, aby uzyskać promieniowe przekroje o szerokości około jednego centymetra i grubości 20 mikronów.
Zabarwić przekroje poprzeczne safraniną i odwodnić próbki za pomocą wstępującego etanolu zanurzonego w wodzie w ilości do 96% etanolu, aż woda będzie czysta. Zanurzyć próbki w odpowiednim środku czyszczącym i zamontować je na zakodowanych szkiełkach z szkiełkiem nakrywkowym z utwardzającej żywicy epoksydowej. Po pozostawieniu próbek do wyschnięcia w temperaturze pokojowej, zobrazuj skrawki w powiększeniu 125x, aby porównać anatomiczny ślad zarówno odsłoniętych, jak i nienaświetlonych próbek korzeni.
Następnie użyj odpowiedniego analizatora obrazu, aby uzyskać mikroskopowe pomiary szerokości słojów, liczby komórek w pierścieniu, procentowego udziału późnego drewna i powierzchni światła we wczesnym drewnie. W tej analizie makroskopowej zaobserwowano zmiany we wzorcu wzrostu słojów drzew spowodowane obumarciem kambium w górnej części korzenia. W tym przejście od wzrostu koncentrycznego do ekscentrycznego i obecność niektórych częściowo zniszczonych zewnętrznych słojów drzew.
W tej analizie mikroskopowej można zaobserwować pierwszy czas ekspozycji, gdy następuje dramatyczna zmiana szerokości pierścienia. Zauważalny jest również wzrost liczby naczyń krwionośnych, a w niektórych bliznowacących korzeniach pojawiają się traumatyczne kropki żywiczne. Późne drewno jest łatwo widoczne ze względu na wiele rzędów grubościennych tracheidów.
Ze znacznym spadkiem światła tchawicy wczesnego drewna obserwowanym po ekspozycji. Charakterystyka mikrotopografii powierzchni gruntu odgrywa kluczową rolę w uzyskaniu dokładnych wskaźników erozji arkuszy. Ten morfologiczny odsłonięty wzór korzeni kończy się w określonej odległości, od której powierzchnia gruntu jest kształtowana tylko przez erozję arkusza, wskazując miejsce, w którym erozja powinna być mierzona.
W tym miejscu przeanalizowano 114 odsłoniętych próbek korzeni. Umożliwienie wielodekadowej charakterystyki erozji arkuszy. Analiza 10 zakopanych korzeni wykazała, że zaczęły one anatomicznie reagować na ekspozycję, gdy znajdowały się około trzech centymetrów pod powierzchnią ziemi.
Jest to niezbędny wskaźnik poprawiający dokładność wskaźników erozji. Podejmując tę procedurę, należy pamiętać, że właściwa charakterystyka mikrotopograficzna korzeni i ich bezpośredniego otoczenia okazała się kluczowym czynnikiem w wiarygodnym oszacowaniu szybkości erozji arkuszy. Protokół można powielić na każdym obszarze geograficznym, pod warunkiem że dostępne gatunki drzew wykazują dobre zdolności do wykorzystania w badaniach nad korzeniami drzew, stosowanych do oceny erozji gleby.
Zgodnie z tą procedurą, dodanie innych metod, które wykorzystują zlewnie instrumentalne lub powierzchnie doświadczalne, może poprawić reprezentatywność przestrzenną analizy erozji. Technika ta może być wykorzystana do opracowania najlepszych praktyk zarządzania, które mogą ostatecznie zapobiec erozji gleby lub przynajmniej ją ograniczyć. Ułatwianie stosowania bardziej zrównoważonych praktyk zarządzania.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule omówiono nowoczesne techniki dendrogeomorfologiczne służące do precyzyjnego określania tempa erozji na podstawie danych mikrotopograficznych. Podkreślono znaczenie charakterystyki mikrotopografii terenu w celu uzyskania wiarygodnych szacunków erozji gleby.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Dendrogeomorfologia
- Erozja gleby
- Mikrotopografia
Wstęp
- Tradycyjne metody koncentrują się na czasie odsłaniania korzeni.
- W celu oceny erozji badane są zmiany makroskopowe i komórkowe.
- Mikrotopografia podłoża odgrywa kluczową rolę w badaniach nad erozją.
- Wiarygodne wskaźniki erozji są niezbędne do przeprowadzania ocen ekologicznych.
Cel badania
- W celu poprawy dokładności szacunków tempa erozji.
- W celu zwiększenia powtarzalności i użyteczności w dendrogeomorfologii.
- W celu rozszerzenia typologii bioindykatorów służących do ilościowego określania erozji.
Zastosowane metody
- Identyfikacja odsłoniętych korzeni w pewnej odległości od pnia.
- Wykorzystanie danych mikrotopograficznych do analizy.
- Zastosowanie różnych podejść metodologicznych w celu zapewnienia precyzji.
- Demonstracje wizualne ułatwiające powielenie metodologii.
Główne wyniki
- Techniki te pozwalają na uzyskanie akceptowalnych szacunków dla dużych obszarów.
- Metodologia jest wszechstronna i łatwa do powtórzenia przez osoby początkujące.
- Udoskonalone metody zwiększają wiarygodność oceny erozji.
- Rozszerzona typologia bioindykatorów zwiększa użyteczność badawczą.
Wnioski
- Charakterystyka mikrotopograficzna jest kluczowa dla dokładnego określania tempa erozji.
- Nowe techniki rozwijają dziedzinę dendrogeomorfologii.
- Pomoce wizualne są niezbędne do efektywnego przekazywania metodologii.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Dokładne określenie ilości erozji gleby ma kluczowe znaczenie dla oceny ryzyka środowiskowego w planowaniu rolnym i zagospodarowaniu terenu. Niniejszy protokół dendrogeomorfologiczny zwiększa wiarygodność prognoz poprzez integrację charakterystyki mikrotopograficznej z anatomicznymi odpowiedziami korzeni, co umożliwia szacowanie tempa erozji w skali wielodekadowej. Metoda ta wspiera mechanistyczne ograniczanie ryzyka w strategiach zarządzania gruntami, dostarczając powtarzalnych, zweryfikowanych w terenie danych niezbędnych do opracowania zrównoważonych praktyk.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia testowanie hipotez dotyczących wpływu stresorów środowiskowych na systemy biologiczne poprzez podłużną analizę anatomiczną korzeni.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalny schemat walidacji bioindykatorów w badaniach nad ekspozycją środowiskową.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Standaryzacja profilowania mikrotopograficznego w celu ilościowej oceny zmian powierzchni gruntu w czasie.
- Wartość operacyjna: Połączenie technologii TLS i profilomierza w celu zapewnienia powtarzalności pomiarów w zróżnicowanym terenie.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Powiązana została kwestia czasu ekspozycji korzeni z procesami erozji, co pozwoliło na stworzenie systemu istotnego z punktu widzenia patogenez chorób do modelowania wpływu środowiska.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ciągłość translacyjną od obserwacji terenowych do predykcyjnego modelowania degradacji gleby.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w przepływy pracy w ramach odkryć środowiskowych, od wstępnej oceny terenu po monitoring podłużny i modelowanie predykcyjne służące podejmowaniu decyzji dotyczących zagospodarowania gruntów.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących anatomicznych reakcji korzeni na ekspozycję gleby i postęp erozji.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzowane, ilościowe profilowanie mikrotopograficzne w celu wiarygodnej oceny tempa erozji w różnych lokalizacjach próbek.
- Analityka: Generuje mierzalne wyniki, w tym grubość erodowanej gleby (Ex), odległość progową (TD) oraz zmienność szerokości pierścieni do analizy porównawczej warunków.
- Badania translacyjne: Łączy ramy czasowe erozji uzyskane w terenie z modelami prognostycznymi w celu rozwoju zrównoważonego zarządzania gruntami.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia powtarzalną metodę wielodekadowej oceny erozji, możliwą do zastosowania w różnych regionach geograficznych z odpowiednimi gatunkami drzew.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Wiarygodność prognostyczna szacowania tempa erozji dzięki podwójnej walidacji mikrotopograficznej i anatomicznej.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja i skalowalność dzięki zastosowaniu TLS oraz niskokosztowych opcji profilometrii w zróżnicowanych warunkach terenowych.
- Wartość strategiczna: Podstawa do podejmowania decyzji w zakresie użytkowania gruntów z uwzględnieniem ryzyka oraz efektywności kapitałowej w planowaniu zarządzania środowiskiem.
- Wpływ na portfolio: Umożliwienie priorytetyzacji działań w zakresie ochrony gleb w oparciu o ryzyko, na podstawie podłużnych danych o erozji.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wiedza specjalistyczna z zakresu dendrogeomorfologii, pomiarów mikrotopograficznych oraz anatomii korzeni drzew.
- Dostęp do sprzętu do skanowania laserowego terenu lub mierników profilu mikrotopograficznego w celu charakterystyki powierzchni gruntu.
- Znormalizowane protokoły pobierania próbek korzeni, ich sekcjonowania oraz makroskopowej i mikroskopowej analizy anatomicznej.
- Uwzględnienie dostosowań do zmienności gatunkowej korzeni oraz dostępności terenu w zastosowaniach terenowych.
- Ograniczenie praktyczne: Wymagane są gatunki drzew wykazujące mierzalną odpowiedź anatomiczną na odsłonięcie, aby możliwe było wiarygodne wnioskowanie o czasie wystąpienia erozji.
