Измерение и сопоставление моделей осаждения, относящиеся к концентрации карбоната почвы под управление сельским хозяйством и эрозии почвы

Общие цели данного исследования заключаются, во-первых, в разработке эффективного метода количественной оценки и описания пространственных закономерностей эрозии и аккумуляции почвы в полевых масштабах и, во-вторых, в проверке концептуальной модели, связывающей эти закономерности с содержанием карбонатов в приповерхностном слое почвы. Эти методы позволяют лучше понять взаимосвязь между поверхностными почвенными карбонатами и процессами эрозии и аккумуляции на поверхности суши. Основными преимуществами данных подходов являются точное определение изменений высоты поверхности почвы с течением времени и экспресс-анализ содержания карбонатов в большом количестве почвенных проб.

Идея данного исследования впервые возникла у нас после обновления цифровых карт высот. Карта перепадов высот выявила четкие закономерности эрозии и аккумуляции, и мы захотели изучить, как это связано с концентрацией карбонатов. Для данного протокола используйте полевое программное обеспечение для записи данных позиционирования RTK GPS каждые пять минут на всей исследуемой области.

Начните с выполнения калибровки участка по локальным реперам для обеспечения максимально высокого уровня точности. Локальная калибровка участка в области обследования обеспечивает необходимый горизонтальный и вертикальный контроль для метода GPS. Это гарантирует сантиметровую точность, необходимую для обнаружения небольших перепадов высот.

Для эффективного сбора данных установите GPS-антенну ровера на транспортном средстве на фиксированной высоте над землей. Затем импортируйте точки трансекта в GPS-коллектор данных и перемещайтесь между ними во время движения, собирая данные с постоянной скоростью для картирования интервалов длиной 5 м. Кроме того, используйте установленную на транспортном средстве гидравлическую установку для отбора керна почвы с пробоотборной трубкой требуемого диаметра керна.

Для извлечения кернов в точках, определенных с помощью данных позиционирования RTK GPS. Отбор проб почвы осуществляется путем извлечения почвенного керна с помощью почвенного бура. Вытолкните керн из пробоотборной трубки и разрежьте его на отрезки соответствующей глубины.

Перенесите образцы почвы в предварительно промаркированные герметичные пластиковые пакеты. Затем поместите образцы в охладители для их транспортировки в лабораторию. При повторении этого анализа после событий значительной эрозии и аккумуляции почвы вернитесь к тем же местам отбора проб с помощью GPS и соберите новые керны почвы.

Подготовьте образцы почвы к анализу в лаборатории. Для начала высушите их в oven при температуре 60 °C в течение ночи. На следующий день просейте высушенные образцы почвы через сито с ячейками 2 mm, используя моторную измельчительную установку или измельчая вручную с помощью ступки и пестика.

Следующий этап требует подготовки модифицированной установки для анализа давления кальциметром. Сначала подключите датчик давления к источнику питания с помощью провода 14-го калибра. Подключите цифровой вольтметр для мониторинга выходного сигнала от датчика.

Установите фильтр для частиц с размером пор 0,6 мкм для обеспечения равномерного потока и защиты датчика давления. Затем прикрепите трубку к основанию фильтра для частиц и соедините трубку с гиподермической иглой с люэровским замком калибра 18 G. Далее определите, должны ли реакционные сосуды представлять собой флаконы для сыворотки объемом 20 или 100 мл.

Смочите металлическую столовую ложку водой и зачерпните примерно одну чайную ложку почвы, которая может иметь высокую концентрацию карбонатов. Пипеткой нанесите один миллилитр 0,5 бесводной серной кислоты на почву и пронаблюдайте за эффектом вскипания. Если вскипание интенсивное, примите допущение, что содержание карбоната кальция превышает 15%, и используйте сосуд объемом 100 миллилитров.

В противном случае используйте флакон для сыворотки объемом 20 миллилитров. Для определения концентрации карбонатов взвесьте один грамм подготовленного образца почвы в маркированном реакционном сосуде. Затем с помощью пипетки перенесите два миллилитра кислотного реагента в пробирку.

Осторожно поместите флакон в реакционный сосуд, чтобы содержимое не пролилось, затем плотно закройте сосуд серой бутилкаучуковой пробкой и закрепите ее алюминиевым обжимным кольцом. Теперь встряхните сосуд, чтобы излить кислоту на образец почвы, и дайте реакции протекать в течение как минимум двух часов. Во время ожидания приготовьте стандартный график с использованием стандартов в параллельной установке с теми же параметрами.

Приготовьте стандарты, смешивая 100% карбонат кальция со стеклянными шариками или песком, основываясь на массе, а не на объеме. При определении значения gar важно точно знать напряжение для образца с нулевым содержанием карбоната кальция, так как это определяет предел обнаружения метода. Обычно я измеряю холостую пробу трижды вместе с известными стандартными концентрациями для вывода gar.

После завершения реакции в пробе почвы проколите резиновую перегородку реакционного сосуда и зафиксируйте выходное напряжение датчика давления. Затем рассчитайте процент содержания карбоната кальция в пробе, используя стандартную кривую. Сопоставление различий ЦМР за 2001 и 2009 годы выявило процессы эрозии и аккумуляции за этот восьмилетний период.

С изменениями высоты рельефа на уровне дециметров на большинстве участков. В зонах топографической конвергенции были обнаружены масштабные эрозионные и аккумуляционные структуры, напоминающие пути потока воды. Образцы карбоната кальция были отобраны в 2001 и 2012 годах для сравнения с процессами эрозии и аккумуляции, происходившими на исследуемом участке, и для проверки концептуальной модели.

При сравнении образцов почвы восточного и западного блоков контрольных полос была выявлена обратная зависимость между изменением содержания карбоната кальция в поверхностном слое почвы и изменением высоты поверхности земли. Анализ дисперсии показывает, что на изменение высоты значимо влияют все побочные переменные. В то же время на изменения содержания карбоната кальция наиболее значимо влияли класс эрозии, единица почвенно-ландшафтного разграничения (EDU) или картированный почвенный комплекс.

Ранее в ходе почвенного обследования участка было определено пять типов почв. Интерполяция результатов точечного отбора проб показывает, что относительно небольшие локальные зоны с высоким и низким содержанием карбоната кальция, наблюдавшиеся в 2001 году, в 2012 году отсутствовали. Пространственная структура стала менее сложной.

Чувствительность определения изменений высоты, обеспечиваемая повторными наземными съемками с помощью RTK GPS, представляется оптимальной для количественной оценки и описания процессов эрозии и аккумуляции на полевом уровне. Модифицированный метод измерения давления сближения является эффективным способом определения содержания карбонатов, позволяющим обрабатывать большое количество образцов за короткий промежуток времени. Изменения высоты поверхности почвы обнаруживались легче, чем изменения содержания карбонатов в почве, что, вероятно, обусловлено шагом отбора проб из керна, который в 2001 году составлял 30 сантиметров.

Последующее увеличение частоты отбора проб с шагом 15 сантиметров должно улучшить выявление почвенных карбонатов. Описанная здесь концептуальная модель и методы могут быть применены и на других участках, где известковые слои залегают близко к поверхности почвы.