Laboratório e campo protocolo para estimar as taxas de erosão folha de Dendrogeomorphology

Impactos econômicos e ambientais produzidos pela erosão faz este tópico em uma preocupação em todo o mundo¹. Vários métodos, de técnicas diretas de abordagens baseadas em física e empíricas, são usados para calcular taxas de erosão do solo em uma variedade de escalas temporais e espaciais. Técnicas diretas usam medições de campo em condições naturais e baseiam-se principalmente o uso de Gerlach bebedouros², coletores de água³,⁴ e medidores⁵pinos de erosão. Além disso, modelos de erosão do solo têm sido cada vez mais focados representando detalhadamente os processos físicos real responsáveis pela erosão⁶.

Dendrogeomorphology⁷ é uma subdivisão da Dendrocronologia⁸ que é bem sucedido em caracterizar a frequência e a magnitude dos processos geomorfológicos^{9,10,11,12, 13,14,15,16,17}. Em relação a erosão superficial, dendrogeomorphology é normalmente utilizadas para reforçar ou substituir as metodologias acima mencionadas, particularmente em áreas onde as taxas de erosão derivadas diretas técnicas são escassos ou indisponível. Dendrogeomorphology é um método muito flexível para avaliar a erosão do solo e pode ser utilizada para calibrar modelos empíricos e baseados em física, ou talvez como um dados de origem para melhorar a confiabilidade da estimativa direta técnicas^{18, 19}. Dendrogeomorphology permite a erosão do solo a ser estabelecida em grandes áreas onde as raízes expostas estão disponíveis. Essas raízes expostas devem mostrar limites de anéis de árvore clara e responder aos padrões de crescimento anual deve ser considerado ideal para aplicar técnicas de dendrogeomorphological²⁰. Raízes expostas, mais a amostra devem estar localizadas de preferência em unidades homogêneas baseadas sua reação para o solo da erosão,²¹.

A maneira convencional de dendrogeomorphical de estimar a erosão superficial é aterrada na medição em situ a espessura do solo erodido (E_x) desde o tempo da primeira exposição ao presente^{22,23, 24}. A relação entre estas duas variáveis é utilizada para calcular um valor de erosão em mm∙yr¹. Grande parte da investigação realizada até à data inteiramente concentrou eficientemente, identificando o ano inicial de exposição. Como resultado, modificações na raiz devido à exposição são analisadas a nível macroscópico²⁵, ou para o tecido e níveis celulares de^27,26,28. A principal alteração anatômica presente nas raízes expostas de coníferas é aumentar a espessura do anel de crescimento, em consequência de um número significativo de células dentro do de madeira primaveril (EW)²⁶. Uma redução da mesma forma foi encontrada dentro da área do lúmen de Traqueidos EW juntamente com uma espessura de estrutura maior parede de célula de lenho tardio (LW) Traqueidos^24,,^27,29. Essas modificações foram descritas e quantificadas como início, quando a erosão reduz a superfície do solo sobre a raiz de 3 cm aproximadamente³⁰. Menos atenção foi concedida para a adequada determinação do parâmetro E_x . A idade das raízes expostas geralmente estava ligada com a altura do eixo de centro da raiz do crescimento sobre o solo de superfície^31,32. A estimativa da E_x foi corrigida, consequentemente, considerando o crescimento secundário em curso^30,33. Mais recentemente, essas abordagens metodológicas também integraram a caracterização do solo microtopography para obter taxas de erosão confiável^34,35,36.

Apresentamos um protocolo de laboratório e de campo para estimar mais precisas e confiáveis folha taxas de erosão da dendrogeomorphology. Este protocolo particular, examinamos a hipótese de que todas as raízes expostas, independentemente da orientação em relação ao caminho de escoamento e em conjunto com a análise de microtopographical, de amostragem permite taxas de erosão precisamente ser reconstruída e quantificado. Nosso objetivo, portanto, é fornecer um protocolo para estimar as taxas de erosão de maximizar o tamanho da amostra de raízes expostas, usando informações macroscópicas e microscópicas encontradas na série de anéis de crescimento e, também, dados topográficos de alta resolução.

1. estratégia de amostragem

1. Identificação de processo geomorfológicos
   1. Implemente as unidades de resposta hidrológica abordagem (HRU)²¹. Para o efeito, identifica áreas homogêneas dentro do local de estudo, constituído por depósitos de litologia e superfície, cobertura do dossel, resíduo vegetativo em contacto com a superfície do solo e inclinação. Selecione entre os HRUs todos aqueles em que o processo de erosão da folha é predominante.

Figura 1: exemplo de HRUs associada a uma ravina arenosa. Sobre o protocolo proposto aqui, a amostragem de raízes expostas deve ser conduzido em um HRU em que o processo erosivo eficaz é a erosão superficial (nesta lenda figura correspondente a areia exposta com inclinações moderadas). Esta figura foi modificada de Bodoque et al ²¹ . Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Amostragem de raízes expostas
   1. Localize as raízes do local exposto estudo correspondente ao útil para namorar (de preferência coníferas)²⁰anéis de árvores de espécies arbóreas.
   2. Fornece uma descrição detalhada das características espaciais e morfológicas do entorno das raízes expostas a amostrar. Coletar as seguintes informações: localização geográfica (coordenadas UTM); altitude; aspecto em graus sexagesimal, tanto para a encosta e para o local da raiz particular (aspecto local); distância da seção de raiz para o tronco de árvore; inclinação da encosta e inclinação do local específico de raiz (ambos expressaram em graus); orientação da raiz exposta no que se refere a caminho do segundo turno.
   3. Retira uma amostra de solo de cerca de 1 kg a área que circunda cada raiz exposta. Os parâmetros para caracterizar são a textura, a percentagem de estrutura de solo e matéria orgânica.
   4. Medir em situ condutividade hidráulica usando um único anel infiltrometer sob cabeça constante.
      Nota: Implementar as etapas 1.2.2 e 1.2.3 para caracterizar erodibility do solo.
   5. Localize as raízes expostas que estão mais longe do que 1,5 m do porta-malas. A uma distância menor a exposição pode estar relacionada com o crescimento da árvore.
   6. Corte com uma serra de mão pelo menos 30 raízes expostas, com um diâmetro maior que 5 cm, 15 cm de comprimento seções. Posteriormente, pegue duas fatias de aproximadamente 1,5 cm de espessura.
   7. Usando uma espátula de aferição, um serrote e uma trena, um subconjunto das raízes enterradas (pelo menos um terço das raízes expostas totais amostradas) da amostra em profundidades diferentes de solo (máximo de 20 cm) para estabelecer a espessura mínima do solo abaixo que raízes começam a ter um resposta anatômica devido à exposição.

Figura 2: exemplo de como realizar a amostragem de campo. Pelo menos 30 raízes expostas são selecionadas e, posteriormente, corte com um serrote. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Microtopographic caracterização da superfície do solo e raízes expostas em locais facilmente acessíveis

1. Usar um dispositivo de varredura a Laser terrestre que pode medir até 50.000 pontos por segundo com uma precisão de 1 mm a uma distância de varredura de < 120 m.
2. Considere pelo menos dois diferentes locais de TLS convencionais para evitar zonas de sombra.
3. Mescle diferentes locais usando um mínimo de quatro alta definição Agrimensura (HDS) alvos posicionados para cobrir toda a área.
4. A fim de obter dados topográficos altamente precisos, escanear uma área média de 300 cm² nos locais selecionados usando uma resolução espacial de 1 mm. incluir as raízes expostas e a área circundante é representante da superfície do chão.

3. Microtopographic caracterização da superfície do solo e raízes expostas, em locais com terreno difícil e íngreme (ambientes de montanha)

1. Coloque um medidor de perfil microtopographic perpendicular com a raiz exposta e, posteriormente, a nível horizontal para todas as medições de tal forma que diferentes conjuntos de dados podem ser comparados.
2. Desenhe o perfil obtido na etapa 3.1 no papel de gráfico para ser capaz de inferir a quantidade de solo erodido ao longo do perfil com precisão de milímetros sub.

Figura 3: exemplo de caracterização de solo microtopography usando um medidor de perfil microtopographic. (A) ilustração de raízes expostas como observado ao longo de uma pista de caminhada; (B) medições de microtopography solo usando um perfil microtopographic calibre; (C) estimativa de E_x através da aquisição de perfis microtopographic, desenhando-as em um papel milimetrado para permitir a inferência da quantidade de solo erodido ao longo o perfil e com precisão de milímetros sub. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. a determinação do tempo de exposição da raiz

1. Análise macroscópica
   1. Ar seco as seções obtidas na etapa 1.2.6 por 2 meses.
   2. Obter a partir as duas fatias seções iniciais que são cada uma com aproximadamente 2cm de espessura.
   3. Lixar e polir as fatias com lixa (grão até 400) para facilitar o reconhecimento dos anéis de crescimento.
   4. Digitalize as fatias com uma resolução mínima de 2.800 dpi para que pode ser com precisão analisaram mesmo quando os anéis são particularmente finos.
   5. Use o aumento da percentagem de lenho tardio e maiores larguras de anéis de crescimento como indicadores de estresse induzido pela exposição.
   6. Marca pelo menos 4-5 raios ao longo dos diâmetros das fatias que mostram a maior variabilidade em larguras de anéis de crescimento.
   7. Use um sistema de análise de imagem ou uma tabela de medição para medir a largura de anéis de árvores.
   8. Aplicar os procedimentos de cruz-namoro visuais, comparando a variabilidade em larguras de anéis de crescimento entre os raios diferentes, para ambos, melhorar a precisão namoro no primeiro ano de exposição à erosão do solo e corretamente data subsequentes anéis e reconhecer a presença de múltiplo ou anéis descontínuos.

Figura 4: exemplo de como preparar uma seção de uma raiz exposta para realizar encontros Dendrocronológicos da série de anéis de crescimento. Em cada seção, quatro ou cinco raios são marcados ao longo as direções que mostram a maior variabilidade em relação a largura de anéis de árvores. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Análise microscópica
   1. Para ambas as amostras de raiz exposta e não-expostos, use um micrótomo deslizante para obter cortes transversais radiais de aproximadamente 1 cm de largura e 20 microns de espessura.
   2. Mancha cortes transversais com safranina (ou seja, 1 g de safranina + 50 g de água + 50 g de etanol a 96%) e desidrata-se com solução de etanol-água cada vez mais rica até 96% de etanol (por exemplo, 50% e 96% de etanol) até o etanol é executado clara. Mergulhe as amostras em xilol ou um óleo cítrico (por exemplo, Histoclear) o agente de limpeza.
   3. Monte seções transversais em corrediças revestidas, deslizamento da tampa com um endurecimento da cola epoxy (por exemplo, bálsamo do Canadá, Eukitt e seco à temperatura ambiente (ou seja, cerca de 5-8 h para Eukitt, pelo menos 24 h para o bálsamo do Canadá).
   4. Fotografar a amostras com um sistema de imageamento digital sob microscopia óptica e observar (com ampliação de X 125).
   5. Compare sob microscópio óptico a pegada anatômica de ambos expostos e amostras de raiz não-expostos (passos 1.2.5 e 1.2.6).
   6. Tirar medidas microscópicas usando um analisador de imagem nas fotografias digitais dos parâmetros que se seguiu: um) largura do anel de crescimento; b) o número de células por anel; c) porcentagem de lenho tardio; e d) área de lúmen em madeira primaveril.
   7. Teste com o analisador de imagem (etapa 4.2.6) a ocorrência das condutas de resina e tomar medidas para cada anel de crescimento.
   8. Realizar uma análise de One-Way ANOVA com vários testes de gama (método: 95% LSD – menos diferença significativa) para as variáveis anatômicas consideradas (etapa 4.2.6) verificar a existência de diferenças estatisticamente significativas entre os dois grupos de medições (raízes previamente exposta vs expostos).

5. estimativa da espessura da camada do solo erodido desde exposição inicial (Ex)

1. Cenário 1: expostos raízes que funcionam a paralelas ao caminho de escoamento.
   1. Com base nos dados obtidos na etapa 2.4, use distância inversa ponderação como método de interpolação para obter modelos de elevação digital altamente precisos (DEMs) com uma resolução espacial de 3 mm.
   2. Use ferramentas de GIS para extrair os perfis DEM perpendiculares da raiz exposta com uma distância difícil de 150 cm.
   3. Execute as etapas 5.1.1 e 5.1.2 em locais facilmente acessíveis (etapa 2).
   4. Usar os perfis perpendiculares da raiz exposta obtido na etapa 3.2 quando o local de estudo situa-se em áreas onde o terreno é difícil e íngreme (ambientes de montanha) (passo 3).
   5. Nos perfis obtidos nas etapas 5.1.2 e 5.1.3 use interpretação visual para localizar a distância de limiar (TD), definida como a distância entre a raiz e o knickpoint na superfície da terra. Isto estabelece a redução da superfície do solo para os perfis devido à erosão.
   6. Estime a espessura da camada de solo erodida, medindo a altura entre o topo da raiz e o knickpoint na superfície da terra estimada em passo 5.1.5.
   7. Corrigi a medição obtida na etapa 5.1.6 subtraindo-o contínuo crescimento secundário (ou seja, crescimento da raiz desde o ano de exposição) e a espessura da casca no lado superior/inferior da raiz. Ver Corona et al ³⁰ para uma descrição detalhada.

Figura 5: Exemplo é ilustrar como colocar TD quando as raízes expostas amostradas são orientadas de acordo com o caminho de escoamento. Esta figura mostra um perfil transversal de microtopographic comuns de raiz descoberto e suas imediações. E_x1 é o local aplicado à abordagem tradicional de dendrogeomorphical para determinar a espessura do solo erodido; E_x2 pertence à posição onde este parâmetro deve ser avaliada. TD é tomado como uma posição de guia da qual a superfície da terra é alterada pela erosão apenas. Esta figura foi modificada de Bodoque et al ³⁴ Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Cenário 2: expostos raízes que corre perpendiculares ao percurso de escoamento
   1. Como afirmado em etapa 5.1, implemente etapas 5.1.1 a 5.1.4.
   2. Usando a calculadora raster disponível em qualquer software de sistema de informação geográfica (SIG), para cada medida de perfil perpendicular a altura entre o topo da raiz e a superfície do solo usando o knickpoint na superfície da terra como referência. Neste ponto as medições de E_x não são influenciadas por sedimentação e/ou vasculham a erosão e, portanto, é possível medir a erosão do solo.
   3. Corrigi a medição obtida na etapa 5.2.2 usando o procedimento na etapa 5.1.7.

Figura 6: exemplo de desenho como proceder quando as raízes expostas amostradas são orientadas de acordo com a perpendicular para o caminho de escoamento. Esta figura mostra uma vista esquemática de um perfil de superfície de terra relacionada com uma raiz perpendicular exposta sobre o caminho de escoamento. Espessura de solo erodido (E_x) é quantificada no knickpoint coincidindo a processos de erosão sedimentação e scour prevalecentes nas proximidades da raiz. Esta figura foi modificada de Ballesteros-Cánovas et al ³⁵ Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

6. estimativa de taxa de erosão folha

1. Dependendo das características de mecânico de solo da área de estudo, aplicar-se a equação 1 (ou seja, supõe que a pressão de crescimento radial aplicada pela raiz é menor do que a força de cisalhamento do solo), ou equação 2 (isto é, supõe a estabilidade da eixo de raiz através do tempo)³⁰:
   (1)
   (2)
   Onde:
   E_R (mm∙yr^-1), é a taxa de erosão de folha a ser estimado.
   E_X (mm), é a espessura da camada de solo erodida desde exposição inicial. Isto é obtido através da realização de etapas 5.1.1 para 5.2.3.
   G_r1 e G_r2(mm) representam o crescimento (subsequente) secundário na parte ascendente/descendente da raiz após a exposição. É obtido após a realização de etapa 5.1.7.
   B₁ e B₂ (mm) são a espessura da casca na parte superior/inferior da raiz. É obtido com o procedimento na etapa 5.1.7.
   Ε (mm), é definida como a profundidade mínima do solo abaixo qual raiz começar a mudar sua configuração anatômica.
   NR_ex (yr), é o número de anéis de árvores desenvolvido após o ano de exposição. É obtido usando etapas 4.1.1 a 4.2.8.

Amostras de raízes expostas sofrem grave deterioração cambial devido ao impacto da exposição (por exemplo, modificações na temperatura, incidência de luz) e mais o stress físico, devido ao pisoteio pelos caminhantes ou animais pastando e navegação que as raízes submeter-se depois que eles estão expostos. Determinar a existência de anéis descontínuos, bem como namoro precisamente o primeiro ano de resposta à exposição foi realizada no laboratório como no protocolo n º 4 (etapas 4.1.6 ao 4.1.8). Nós escolhemos o aumento da percentagem de lenho tardio e a presença de anéis de árvores significativamente maior do que a média como indicadores da exposição de primeira.

114 seções de expostos Pinus uncinata Ramond ex DC, Fagus sylvatica L., Pinus pinaster Ait. e raízes de Pinus sylvestris foram usadas para essa finalidade. Como resultado a morte do cambium na parte superior da raiz, encontramos graves alterações no padrão de crescimento de anéis de árvores, que passou de concêntrico excêntrico crescimento (Figura 7), bem como descontínuos de anéis de árvores ou até mesmo alguns que tinham sido completamente destruído nos árvore-anéis externos. Acima sugere que a abordagem que implementamos foi bem sucedida em determinar com suficiente precisão a idade de raízes e o ano em particular na qual foi formado o primeiro anel de exposição.

Figura 7: exemplos de anéis de árvores excêntrica padrão nas raízes devido à exposição. Esta figura mostra uma vista de uma seção polida de uma raiz exposta na ausência de cicatrizes (A) e com cicatrizes (B). Em ambos os casos, é possível observar o padrão de árvore-anéis excêntricos como uma reação clara a erosão do solo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Um experimento de laboratório foi realizado como no protocolo 4 (passos de 4.2.1 para 4.2.8) para determinar como raízes anatomicamente respondem à exposição. Para este fim, foi usada a mesma amostra de raízes expostas acima descrita. Amostras examinadas abaixo de microscopia óptica e fotografadas com um sistema de imageamento digital. Imagens microscópicas foram analisadas 50 × ampliação com uma precisão de 1 μm nas medições. A primeira vez da exposição pode ser vista nas alterações anatômicas características. Árvore-anéis mostram evidente aumento do crescimento (particularmente reconhecível em dois ou três anéis sucedendo), que é o resultado de um aumento no número de traqueides e seu tamanho. Um aumento no número de navios que também era visível. Dutos de resina geralmente aparecem em linhas tangenciais na madeira primaveril. Lenho tardio é facilmente observável, pois tem várias linhas de paredes espessas Traqueidos. Um declínio significativo no lúmen traqueides de madeira primaveril, uma vez que a raiz é exposta também ocorre. No que diz respeito a pegada anatômica das raízes enterradas dez amostradas, os resultados indicam que este grupo de amostra começa a reagir de acordo com o comportamento descrito acima quando a tampa edáfica cair abaixo de 3 cm (Figura 8).

Figura 8: exemplo de resposta anatômica das raízes para exposição. Anatomia de Pinus uncinata Ramond ex DC raízes de madeira: (A) anatomia das raízes enterradas (200 μm); (B) anatomia de madeira exposta (500 μm). Anatomia de raízes de Fagus sylvatica L. de madeira: (C) anatomia de uma raiz enterrada (500 μm); (D) anatomia de madeira exposta (500 μm). Esta figura foi modificada de Bodoque et al 36 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Caracterização da variabilidade de superfície microtopography desempenha um papel crítico na obtenção de taxas de erosão folha confiável, derivadas de dendrogeomorphology (Figura 9). Para este fim, nós projetamos um experimental e experimento de campo visando capturar perfis de superfície microtopographic altamente precisos para ser analisado usando o protocolo 5 em 114 amostras de raízes expostas. Utilizamos a distância entre a raiz e o knickpoint, do qual o perfil define o abaixamento da superfície do solo devido à erosão superficial como um critério para estimar a espessura da camada de solo erodida desde exposição inicial (Ex). Sobre raízes expostas amostra paralela ao caminho de escoamento, todos os perfis analisados mostraram uma configuração côncava em ambos os lados das raízes expostas que foram caracterizados. Este padrão morfológico termina a uma distância específica (TD), do qual superfície à terra só é moldada pela erosão, determinando, portanto, o local onde a Ex tem que ser medida. Sobre as raízes expostas que corre perpendicular ao percurso de escoamento, nosso procedimento tornou possível determinar sistematicamente a altura entre a superfície da raiz e um virtual plano tangente à superfície do solo. Ele também permitia localizar pequenos impactos de sedimentação e areas de erosão e, daí, garantindo que erosão é estimado com precisão.

Figura 9: exemplo de saídas de caracterização de superfície microtopography de solo obtidos de TLS e um perfil de microtopographic calibre. (A) Hillshade modelo alcançado usando perfis microtopographic e raster (B) das pistas, derivado do modelo hillshade; (C) hillshade modelo obtidos de TLS e (D) raster resultante das pistas. Pistas são expressas em graus sexagesimal. Em parcelas B e D, as linhas tracejadas indicam o TD em que deve ser medido Ex . Esta figura foi modificada de Bodoque et al 36 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Estimativas das taxas de erosão da folha foram obtidas de acordo com a equação incluída no protocolo 6 (Figura 10). No que se refere as 114 amostras analisadas, o ano da primeira exposição de raiz varia de 1900-2012, o que permite a caracterização de médio prazo (multidecadal) das taxas de erosão. Além disso, nós examinamos dez raízes enterradas, que ainda eram protegidas por uma cobertura de solo fino. Os resultados mostraram que raízes enterradas começaram anatomicamente responder aos efeitos da exposição, quando eram 2,3 1,1 cm abaixo da superfície do solo (Figura 11). Consideramos este nível de solo específico como um valor a ser adicionado à espessura da layereroded solo (Ex).

Figura 10: exemplo de taxas de erosão folha estimada a partir de dendrogeomorphology. Gráfico ligando taxas de erosão e anos de exposição das raízes expostas. Taxas de erosão dentro do quadrado são aqueles utilizados para fins de quantificação. Esta figura foi modificada de Bodoque et al 21 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 11: exemplo de resposta anatômica em seções de raiz enterrado. Visualizar círculos cinzas escuros enterrado raízes com evidência de exposição. O tamanho dos círculos mostra o diâmetro de raiz, Considerando que os números indicam profundidades de raiz. Esta figura foi modificada de Ballesteros-Cánovas et al 35 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os autores não têm nada para divulgar.