Summary
Пространственных структур осаждения и эрозии почвы может быть выведен из различий в местах высота сопоставлены в соответствующие временные интервалы. Такие изменения в высоте связаны с изменениями в карбонаты почвы вблизи поверхности. Повторяющиеся методы для полевых и лабораторных измерений этих количеств и данных методов анализа описаны здесь.
Abstract
Пространственных структур осаждения и эрозии почвы может быть выведен из различий в местах высота сопоставлены в соответствующие временные интервалы. Такие изменения в высоте связаны с изменениями в профилях карбонат (СаСО3) близко к поверхности почвы. Цель заключается в том, чтобы описать простой концептуальной модели и подробный протокол для повторяющихся полей и лабораторных измерений этих величин. Здесь Точная высота измеряется с помощью наземного базирования дифференциальной глобальной системы позиционирования (GPS); другие методы сбора данных могут применяться к такой же основной метод. Образцы почвы собраны из предписанные интервалы глубины и анализируются в лаборатории с использованием метода эффективной и точной изменение давления calcimeter для количественного анализа концентрации неорганического углерода. Стандартные статистические методы применяются для указания данных, и представитель результаты показывают значимые корреляции между изменениями в поверхностном слое почвы СаСО3 и изменения в высоте в соответствии с концептуальной модели; СаСО3 вообще сократились в районах осадконакопления и увеличение Электроэррозионная областях. Карты являются производными от точки измерения высоты и почвы СаСО3 для оказания помощи анализы. Карте моделей эрозионные и осадконакопления на объекте исследования, дождевого орошения озимой пшеницы поле обрезается в чередующиеся полосы пшеницы лань, показывает взаимодействующих эффекты водной и ветровой эрозии, пострадавших от управления и топографии. Обсуждаются и рекомендуется для будущей работы, касающиеся эрозии почвы и осаждения в почву СаСО3альтернативные методы и глубины интервалы.
Introduction
Эрозия почвы угрожает устойчивости сельскохозяйственных земель. Урожай управления, такие как условно подготовил вращение урожая озимой пшеницы лань, может ускорить процессы эрозии и осаждения как голой почвы во время парования более подвержены ветровой и водной сил1,2, 3 , 4 , 5 (рис. 1). Хотя эти процессы могут быть очевидными, они могут быть трудно подсчитать.
Целью данного исследования является сначала обеспечить эффективный метод для количественной оценки и описания пространственных структур эрозии и осаждения в поле Масштаб с помощью системы (GPS) технологии глобального позиционирования и географических информационных систем (ГИС) отображение инструментов. Простая концептуальная модель, касающиеся этих моделей с поверхности почвы карбонаты (СаСО3) также представлены и проверены предписанные поля и лабораторных методов. Эти отношения обеспечивают косвенные меры эрозии и осаждения, при проверке результаты метода GPS. Настоящий документ подчеркивает методы, используемые в Шеррод и др. Таким образом, что они могут повторяться, в части или в целом, для аналогичных исследований в других местах6.
Рисунок 1. Фотографии () эрозии и (b) осаждения на объекте исследования после события дождями. Трактор шины трек в правом нижнем углу фото (b) указывает глубину осаждения на границе полосы пшеницы/лани.
Различные прямые методы измерения эрозии почвы были рассмотрены Stroosnijder7. Предлагаемые методы изменяются с целью измерения и имеющихся ресурсов, но метод «изменения поверхности фасада» рекомендуется в hillslope масштабе и дает преимущество измерения эрозии и осаждения. Один из способов применения этого метода является установить контакты в почве и мониторинга изменений в высоту почвы по отношению к верхней части контактный7. С достижениями в технологии землемерие однако, этот трудоемкий подход могут быть заменены другими методами, например наземного лазерного сканирования (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, бортовых лазерного сканирования (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, передовые фотограмметрии23 ,24, или комбинации этих методов25,,2627. Хотя лазерное сканирование, обычно именуемых LiDAR (свет обнаружения и начиная), обеспечивает наиболее быстрое приобретение наборов данных плотной поверхности фасада, исправления должны быть произведены для удаления постоянных объектов, таких как растительность. С вертикальной точности миллиметр уровня, TLS может обнаружить малейшее изменение высоты, однако Perroy и др. Рекомендуемые ALS по протоколу TLS для овраг эрозии оценки из-за больших сканирования след и лучшей ориентации инструмента (менее Топографическая затенение) для сканирования в глубоко резаная овраги28. Реального времени Кинематические GPS (RTKGPS), обеспечивая точность сантиметр уровня без пост-обработки данных, используется для этого исследования. Пространственное разрешение и точность RTKGPS-собранные данные являются оптимальными для обнаружения доминанты эрозионные и осадконакопления в сельском хозяйстве или в других средах с существенной почвопокровные.
Давление calcimeter метод количественного определения почвы СаСО3 опирается на реакцию почвы кислоты в закрытой системе, что приводит к освобождению CO2. Увеличение давления в сосуде при постоянной температуре линейно коррелируют на количество почвы СаСО329. Изменения в традиционных давления calcimeter метод, описываемого Шеррод и др., включают изменение реакции судна в сыворотке бутылки и с помощью датчика давления, Проводной цифровой вольтметр для обнаружения изменений давления 30. Эти изменения позволяют ниже пределов обнаружения и большей емкости для ежедневных образца грунта выполняется. Гравиметрическая или простой титриметрические методы для почвы СаСО3 измерения производятся большие ошибки, и пределов обнаружения, чем это изменение давления calcimeter метод30.
Концептуальная модель
Когда не возможны прямые меры эрозии и осаждения, могут использоваться косвенные показатели этих процессов. Шеррод и др. предположили, что концентрация поверхностного слоя СаСО3 почвы в полузасушливых Климат обратно коррелирует с изменением в местах поверхности фасада (положительно коррелирует с эрозией, негативно коррелируется с осаждения)6. Следует широко применять гипотезы, но конкретных отношений будет зависеть от условий строительной площадки (почвы, растительность, управления и климата). Почвы на полигоне (Таблица 1), как правило, содержат различные известняковый слой 15-20 см ниже поверхности почвы. Концептуально эрозии удалит поверхностного слоя относительно низкой концентрации СаСО3 , оставляя это известняковый слой высокой СаСО3 ближе к поверхности почвы. Низкая СаСО3 почвы затем транспортируется в области осадконакопления, вызывая известняковый слой, чтобы быть похороненным глубже ниже поверхности почвы (рис. 2). Выборка данных эти почвы со временем соответствующей глубины интервалом, эрозии и осаждения (либо ни) могут быть вычленены СаСО3 концентрация, согласно этой модели.
| Серия почвы | Наклон | Таксономическая классификация | Глубина | pH | EC | Всего N | SOC | СаСО3 |
Таблицы 1. Почвы на полигоне. Сопоставления единиц и таксономической классификации, с средняя почвы рН, электрическая проводимость (EC), всего N, почвенных органических C (SOC), и СаСО3 концентрации в 0 - 15 - и глубиной 15 - 30 см с шагом для Скотт поля в 2012 году почвы (от Шеррод et Аль.) 6.
Рисунок 2. Концептуальные почвы профили. Концептуальные почвы профили для () статический почвенная матрица с СаСО3 выщелачиваться из поверхностного слоя и ускорили в глубокий слой, умеренные эрозии поверхностного слоя (b) и (c) умеренной осаждения материала выше предыдущего слоя. Глубина интервалы (слева) являются приблизительными, основанные на данных сайта (от Шеррод и др.) 6. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Описание и история
109-ха Скотт поле является частью фермы Дрейк в северо-восточном Колорадо (40,61oN, 104.84oW, рис. 3) и контролируется от 2001 до 2012 года для этого исследования. Среднее годовое количество осадков и эвапотранспирации были примерно 350 и 1200 мм, соответственно, в этом полупустыня, где конвективной дождь короткой продолжительности и высокой интенсивности были распространены в летнее время. Фасады диапазоне от 1559 до 1588 м в этой холмистой местности с позиций отдельных пейзаж: саммит, откоса северную сторону (сторона NF), откоса южную сторону (сторона SF) и toeslope (рис. 4В). Чередующиеся полосы (шириной ~ 120 м) обычно управлялись в этой ротации озимой пшеницы перелога богарного земледелия, таким образом, что каждая полоса была перелог около 14 месяцев из каждого вращения 24-месячного цикла. Неглубокой почвы (~ 7 см), обычно v лезвие зачисток, произошла 4-6 раз через перелог период для растений. Почвы на сайте были классифицированы иметь потери почвы терпимости, или значение T , 11 мг га-1 год-1, где темпы эрозии ниже этого значения T считается приемлемым для продолжения сельскохозяйственного производства4 .
Рисунок 3. Расположение сайта отображается на топографических рельефное изображение (1011 до 4401 м) из штата Колорадо, США. Средняя высота сайта составляет 1577 m.
Рисунок 4. Почв карта и рельефа поверхности поля, Скотт. полосы () карта почв области Скотт, показывая пример расположения точек почвы и управления растениеводства. Почвы единицы аббревиатуры являются: 1 = Wagonwheel суглинок 0-2% склон, 2 = Wagonwheel суглинок уклон 2-5%, 3 = Colby суглинок 5-9% склон, 4 = Ким тонкой Супесь 2-5% склон, 5 = Ким штраф песчаных суглинках наклона 5-9%; и (b) рельефа поверхности поля на основе 2001 5-м сетки цифровой модели рельефа (DEM), с места образец почвы показано классификации земель (от Шеррод и др.) 6.
Первое обследование поверхности рельефа земли была собрана путем RTKGPS в 2001 году производить цифровой модели рельефа (DEM) для сайта. В сочетании с Маккатчеон и др., интенсивный почвы образца (рис. 4a) также была исполнена в 2001 году, из которых поверхности почвы СаСО3 были проанализированы на изменение давления calcimeter метод30,31 . Визуально видно эрозии и осаждения, происходящих в течение последующего десятилетия из-за ветра, преимущественно от северо-запада и осадки сток события побудили второго обследования высоты RTKGPS в 2009 году (с частью поля завершено в 2010 году). Сравнение нового DEM к оригинальной 2001 DEM через DEM разница Карта32 подтвердил значительной эрозии и осаждения, отображение шаблонов, которые предложили несколько контроля факторов для этих процессов (рис. 5). Учитывая существенные поверхности почвы перераспределения на сайте и исторической почвы СаСО3 данных, образец грунта 2001 было повторено в 2012 тестирование концептуальной модели процессов hydropedological6, как описано в предыдущем разделе.
Рисунок 5. Карта изменений (2001-2009 *) в высоту (zΔ) поверхности земли на 5-м сетки в поле Scott в северо-восточном штате Колорадо. Урожая газа номера помечены над чередуя систем земледелия зима пшеница лань, ираздел A-A' показано (детали дано на рис. 11). * Полосы 2, 4, 6, 8, обследованных в 2010 году для завершения 2009 немецких марок (от Шеррод и др.) 6. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. сбор данных рельефа поверхности земли
- GPS калибровки для сайта
- локации или набор стабильной ориентиром в безопасном месте на месте обследования для использования в качестве базовой станции GPS для сбора данных RTKGPS.
- Настройка базовой станции для сбора данных RTKGPS на это местные ориентир, используя лучшее приближение координат для расположения базовой станции (т.е., WAAS-исправлены GPS позиция).
- С rover GPS, посещают по меньшей мере три горизонтальных и вертикальных управления точки критериев в пределах связи Радио Рекорд позиций в RTKGPS (около 10 км радиус) и.
Примечание: Критерии, описанные национальной геодезической может быть искали онлайн 33 и были использованы здесь. - С учетом измеренных и опубликованы координаты точек управления, программное обеспечение RTKGPS поля для выполнения сайт калибровки 34, решения для координат местных критериев для использования в качестве базовой станции. Проверьте, что координировать остатков (горизонтальные и вертикальные) для точек управления находятся в допустимых пределах (± 0,02 м для этой калибровки).
- GPS точки сбора данных
- с базовой станции GPS на местных критериев и с использованием локального сайта калибровки и области программного обеспечения, записи RTKGPS положение данных в сборщик данных GPS в приблизительно 5-м интервал по горизонтали на протяжении всего обследования площадь.
- Сбор данных эффективно путем монтажа Ровер GPS антенна на измеренных фиксированную высоту над поверхностью земли поверхности на транспортном средстве и вождения трансект через район ( рис. 6).
- Для метода транспортных средств, определять трансектных конечных точек для создания параллельных трансект интервалом 5 м друг от друга. Импорт трансектных конечные точки в сборщик данных GPS для навигации трансекты во время вождения. Набирайте очки со сборщиком данных автоматически один раз в секунду, в то время как вождение трансект на приблизительно 5 m s -1 для получения точки данных о каждые 5 м.
- Повторить точку сбора данных на сайте как описано выше в позднее время (8-9 лет спустя, в этом исследовании) таким образом, чтобы перепад высот поверхности земли могут быть проанализированы; оригинальный сайт калибровки GPS используется для всех обследований и не повторяется.
- с базовой станции GPS на местных критериев и с использованием локального сайта калибровки и области программного обеспечения, записи RTKGPS положение данных в сборщик данных GPS в приблизительно 5-м интервал по горизонтали на протяжении всего обследования площадь.
на рисунке 6. Сбор данных поверхности фасада RTKGPS. RTKGPS высота поверхности данные собираются во время вождения внедорожника через поле (), в то время как в реальном времени GPS исправления предоставляются на месте базовой станции (b).
2. DEM создание и обработка
- создание DEMs
- импорта позиции данных в программное обеспечение ГИС и интерполировать в 5-м сетку DEM. ГИС с использованием программного обеспечения, кросс проверить измеренных точек высот интерполяцией высоты значения и выберите метод интерполяции, который минимизирует эти перекрестной проверки ошибок.
Примечание: Обычные кригинга с моделью Гаусса семивариограммы был метод оптимальной интерполяции для фасада данных на этом сайте. Перекрестная проверка также обеспечивает измерение повышения точности для метода опроса 35. - Повторите 2.1.1 для второго набора данных позиции для создания второй DEM.
- импорта позиции данных в программное обеспечение ГИС и интерполировать в 5-м сетку DEM. ГИС с использованием программного обеспечения, кросс проверить измеренных точек высот интерполяцией высоты значения и выберите метод интерполяции, который минимизирует эти перекрестной проверки ошибок.
- Изменение сопоставления DEM
- с помощью инструмента калькулятор растров в ГИС, вычесть последний DEM от оригинального DEM для создания растровой карты DEM изменения ( рис. 5), где изменить отрицательные значения высоты представляют собой эрозию и положительные значения представляют осаждения.
- Классификации земель
- Compute участка поверхности Топографическая атрибуты (склон, аспект, войска район) из первой сетки DEM с помощью программного обеспечения для обработки DEM.
- Классификации районов суши как саммита, откоса или основанные на склоне и предоставляющих области каждой ячейки сетки DEM toeslope.
Примечание: Саммитов представлены низких склонах и низким войска областей. Sideslopes представлены на высоких склонах и промежуточных войска областей. Toeslopes представлены низких склонах и высокий вклад районов. Склон и войска области значений, определяющих эти классификации будет зависеть от топографии поверхности земли на сайте и качественно выбран, чтобы дать нужное представление каждой классификации области для определенного сайта. - Делят откоса областей двух доминирующей аспекты, выходящие на север и Юг на этом сайте.
3. Почвенных проб
- , пример планирования
- ссылки карты в ГИС для планирования расположения образцов почвы. Выбрать количество мест адекватно представлять все позиции пейзаж.
- Загрузить образец расположения координирует сборщику данных GPS, таким образом, чтобы образец сайты могут быть расположены в области.
- Использование предварительных знаний о почвах на сайте направлять решения образца depth увеличивается, чтобы вариативность СаСО 3. Предварительно ярлык герметичные пластиковые мешки для указания местоположения и глубины приращения образца.
- Поле выборки
- диск на примере сайты с новый автомобиль оснащен гидравлической почвы, сверлильные машины и RTKGPS Ровер антенны для навигации.
- Использование почвы сверлильные машины и выборки трубка для желаемого почвы Диаметр сердечника (5,1 см в этом исследовании), экстракт почвы ядро из местоположения каждого образца ( рис. 7).
Примечание: Количество ядер, извлечено на каждом месте, а также основные глубины почвы и шагом в этом исследовании. В 2001 году одноядерный на глубину до 90 см было принято и разделен на 30 см с шагом. В 2012 году два ядра почвы были приняты (в пределах 1 м соответствующего образца 2001) на глубину 30 см и разделить с шагом 15 см, с двумя ядрами, объединяются для анализа. Рекомендуется использовать метод 2012. - Запись RTKGPS позиции данных (x, y, z) в каждом месте образца.
- Нарезать желаемой глубины увеличивает основной почвы и переноса в предварительно помечены герметичные пластиковые мешки и поместить в охладители для транспорта обратно в лабораторию.
- Повторить выборки поля после значительной эрозии и/или осаждения произошла (11 лет между выборками в этом исследовании).
Рисунок 7. Почвенных проб. Расположения образцов почвы переход осуществляется с помощью GPS-руководствуясь внедорожник оснащен гидравлической почвы, сверлильные машины (), так что ядер почвы может быть добыто (b) и разделен на желаемую глубину с шагом.
- позицию обработки данных
- меру различия в высоте, записанная в каждом месте образец почвы между двумя датами образца (пробы в 2001 году и 2012 в этом исследовании 198 мест).
Примечание: Фасады за 2001 год были взяты из 2001 DEM, поскольку точка фасады не были записаны во время отбора проб почвы. Позитивные изменения в высоте > 0,05 м считаются depositional сайты, в то время как негативные изменения в высоте < Электроэррозионная сайты считаются -0,05 м. - Классификации каждого образца расположение как саммита, Северную сторону откоса, выходящий на южную сторону откоса или toeslope, основанный на обработке DEM (см. Протокол 2.3.2); классификация в одном месте, как определено в склон и предоставляющих область критериев, могут быть реклассифицирована в соответствии преобладающий окружающих точек.
- Использование пространственных присоединения инструменты в программное обеспечение ГИС назначить образец расположения других слоев пространственных данных используется для анализа (полосы управления и блок картирования почв).
- меру различия в высоте, записанная в каждом месте образец почвы между двумя датами образца (пробы в 2001 году и 2012 в этом исследовании 198 мест).
4. Анализ почвы
- почвы пробоподготовки
- сухие образцы почвы из поля при 60 ° C в лаборатории печь на ночь.
- Измельчить сушеные печь почвы пройти через сито 2 мм с помощью моторизованных мясорубку или ступку и пестик.
- Изменение установки давления-Calcimeter аппарат
- настроить изменение давления calcimeter аппарат ( рис. 8), подключение датчика давления (0 - 105 кПа Диапазон, 0,03 - 5 В постоянного тока выход) к источнику питания с 14 калибровочных проволоки и цифровой вольтметр проводной линии для контроля вывода от датчика.
- Придают 9,5 мм ID трубы к основанию датчика давления и подключение труб к 18 Luer lock подкожных иглы с фильтром частицы (0,6 мкм) в середине, чтобы собирать любые рефлюкс от достижения датчика давления.
- Использования сыворотки бутылки как реакционные сосуды соединен датчик давления ( рис. 9). определяют размер бутылки сыворотки использовать смачивания столовую металла с водой и добавляя около 5 мл почвы, что вы ожидаете иметь высокий СаСО 3 концентрации. Накапайте 1 мл 0,5 N H 2 так 4 на этой почве и наблюдать вскипания.
- Если вскипания является высоким, затем взять на себя больше, чем 15% СаСО 3 концентрации и использовать бутылки 100 мл сыворотки как реакционный сосуд, в противном случае используйте 20 мл сыворотки.
- настроить изменение давления calcimeter аппарат ( рис. 8), подключение датчика давления (0 - 105 кПа Диапазон, 0,03 - 5 В постоянного тока выход) к источнику питания с 14 калибровочных проволоки и цифровой вольтметр проводной линии для контроля вывода от датчика.
Рисунок 8. Изменение давления calcimeter аппарат. Изменение давления calcimeter аппарат использует бутылку сыворотки как реакционный сосуд и датчики давления, проводной метр напряжения выходного сигнала (от Шеррод и др.) 30.
Рисунок 9. Реакционные сосуды для метода изменение давления calcimeter. Реакционные сосуды для метода изменение давления calcimeter являются сыворотки бутылки, содержащие 0.5 dram флакон с 2 мл кислоты реагента и пробы почвы 1 g.
- измерения карбонатной
- место 1 g подвыборки подготовленной почвы (см. Протокол 4.1) в маркированных реакции судна. Для грунтов, содержащих более 50% СаСО 3, используйте только почвы 0,5 г. Реагент
- пипетки 2 мл кислоты (6 N HCI, содержащие 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) в стеклянный флакон 0,5 г. Место во флаконе в реакционный сосуд нежно так, что содержимое решения не проливайте, наклоняя реакционный сосуд почти к боковой позиции.
- Сохраняя реакционный сосуд, содержащий образец грунта и кислоты флакон наклонена, печать с серым бутилкаучука пробки и опрессовки с алюминиевым кольцо уплотнительное.
- Реакции трясти сосуд с закрученного движения для обеспечения полного смешивания почвы с кислотой. Место реакционный сосуд на стенде лаборатории и пусть реакции исходить по крайней мере 2 часа
- Время ожидания реакции сосудов для завершения, определить калибровочной кривой путем измерения напряжения известных СаСО 3 концентрации с использованием же установки судна реакции как образцы почвы ( Рисунок 10). Смешать 100% СаСО 3 с стеклянные бусы или песок на основе процент веса для создания известный СаСО 3 концентрации. включить пустой образец без СаСО 3.
- После завершения реакции образец почвы Пирс резиновые перегородки реакционный сосуд с 18 калибровочных подкожных игл и запись выходного напряжения, датчики давления.
- Решения для СаСО 3 процент с учетом измеренного напряжения и уравнение определяется из стандартной кривой ( Рисунок 10А).
Примечание: Увеличение давления, создаваемого выпуска CO 2 линейно связана с концентрации СаСО 3 присутствующих в почве такие что: % СаСО 3 = (коэффициент регрессии * изменения давления в вольт) + перехвата.
на рисунке 10. СаСО 3 измерений. (a) калибровочной кривой для СаСО 3 создается с использованием напряжения чтений от датчика давления, основанные на известной доли СаСО 3 (b) смешать с порошком стеклянные бусины или песок.
5. Статистический анализ
- определить два зависимые переменные как изменения в земле поверхности фасадов и почвы поверхностного слоя СаСО 3 концентрации от первой до второй пример даты (2001 для 2012 в этом исследовании). Определить независимыми или пояснительные переменные управления (нечетные - или даже - пронумерованных полосы), отдельных полос, Западного или Восточного блока полоски, блок почвы, пейзаж классификации и Электроэррозионная/осадконакопления классификации. Анализ
- выполнять корреляцию и дисперсионный анализ статистически количественной оценки зависимостей между переменными. Выполнение анализа в любой предпочтительный Статистический пакет.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Картирование DEM отличия от 2001 и 2009 показывает эрозии (красный) и осаждения (зеленый), 8-летний период, с дециметр уровневые изменения в высоте в большинстве районов (рис. 5). В поле масштабе эрозии является доминирующей на западе и юго-западе, в то время как осаждения рассматривается вдоль северо-запада на юго-восток диагональная полоса на восточной стороне поля. Чередующиеся полосы эрозии и осаждение часто встречаются в Управление масштабе, с резких изменений в границах полосы управления. Шаблоны, связанные с типами почв (рисунок 4a) менее выражены, но, как представляется, совпадает с топографические особенности, с которой почвы типы сильно взаимосвязаны. Мелкомасштабных моделей эрозионные и осадконакопления видны, напоминающие пути потока воды в топографических точек соприкосновения. Три отдельных элемента линейной эрозии, параллельно к управлению, видны полосы 6. Восток Запад разреза (A-A' на рис. 5) строится для изучения этих уникальных особенностей (рис. 11), которые, скорее всего, вызванные операциями обработки почвы. Не сайты образец почвы были расположены в пределах этих функций в полосы 6.
Рисунок 11. Высота профили (2001 и 2009 * DEMs) вдоль Восток Запад разрез через газа 6 (A-A' в Рисунок 5). * Полоса 6 высота данные, собранные в 2010 году.
Разделение Западного управления полосы (Западный блок, полоски 1 - 6, рис. 5), где доминировала эрозии, от Восточного управления (Восточный блок, полосы 7 - 12, рис. 5), где доминировала осаждения, показано обратная связь между изменение поверхности почвы СаСО3 (ΔCaCO3) и изменение рельефа (zΔ) поверхности на участках образца между 2001 и 2012 (Рисунок 12). В блоке Электроэррозионная Запад, СаСО3 концентрации увеличилась в среднем приблизительно 3 g кг-1 в то время как средняя высота снизилась примерно 2 см. наоборот, осадконакопления Восточного блока показал средний > 4 г/кг уменьшение концентрации СаСО3 , в то время как средняя высота увеличилась приблизительно на 5 см. Эта обратная связь отсутствует, когда объединения всех полос над всей области.
Рисунок 12. Пространственно усредненные изменения СаСО3 концентрация (0-30-см Глубина) и поверхность рельефа как пострадавших от блоков Запад (полоски 1-6) и Восток (полоски 7-12) областях управления после 11 лет (2001-2012). Рисунок 5 показывает стриптиз чисел и границ. Планки погрешностей, ±1 SEM (от Шеррод и др.) 6.
Разделение Электроэррозионная образец расположения (Δz <-5 см) от осадконакопления мест (Δz > 5 см), все позиции пейзаж свидетельствуют обратная связь между ΔCaCO3 и Δz, за исключением Северной стороне sideslopes ( Рисунок 13). В среднем во всех ландшафтов, эта обратная связь поддерживается в Электроэррозионная местах; Однако, в местах осадконакопления, ΔCaCO3 почти неизменным. Для осадконакопления мест, осаждения величайших в toeslope позиций, в среднем 13 см вблизи. среднее уменьшение СаСО3 являются также величайший (8.2 г/кг) в этих позициях осадконакопления toeslope. Электроэррозионная образца мест средний эрозии величайших (17,4 см) на северной стороне sideslopes, однако, это не соответствует увеличению СаСО3 как видно во всех других должностях Электроэррозионная пейзаж. Если почвы насыпной плотности 1,4 г/см3, потери почвы 17,4 см равен показатель эрозии 221 мг/га/год за период исследования, почти в 20 раз T значение для этого сайта. Расчет чистой эрозии над всей области потребует детального знания насыпной плотности почвы до эрозии и после осаждения. Так как средняя чистая прибыль в высоте над полем, постоянное насыпной плотности будет означать чистой осаждения, но поскольку хранение почвы, вероятно, на нижнем насыпной плотности, чем затем перевезены, потери чистой почвы предполагается.
Рисунок 13. Пространственно усредненные изменения (2001-2012) в СаСО3 концентрация (0-30-см Глубина) и поверхность рельефа как пострадавших от классификации пейзаж в Erosional и осадконакопления пейзаж областях; NF северных и SF Юг (от Шеррод и др.) 6. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Корреляционный анализ Δz и ΔCaCO3 с сайта переменные, относящиеся к управления (нечетные - или даже - пронумерованных полосы), отдельных полос, Запад или Восток блок полос, почвы блок, и ландшафт позиции представлены в таблице 2 . Наиболее значимые корреляции (p < 0.0001) наблюдаются между Δz и индивидуального управления полоски или полосы блоков (запад или Восток). Изменения в СаСО3 наиболее значительно коррелирует (p = 0,016) в группе сопоставление почвы, в то время как Δz не коррелируют с почвы. Менее значительными (p = 0,036) был корреляции между ΔCaCO3 и полосы блоков, с которой Δz коррелировалось также. Дисперсионный анализ показывает Δz , чтобы быть существенно затронуты (p < 0,06) на всех сайта переменных (Таблица 3). Электроэррозионная класс (эрозионные, осадконакопления или неизменным: EDU) наиболее значительно (p = 0.075) пострадавших ΔCaCO3, следуют почвы блоков и отдельных полос, оба значительного ниже 10% уровне значимости.
| Коэффициент корреляции Пирсона | ||||||
| Переменная | Полосы | Блок | ||||
В таблице 2. Корреляционный анализ Δz и ΔCaCO3 с сайта переменными. Матрицы корреляции для сайта переменные, связанные с высоты (z) и СаСО3 изменения после 11 лет как пострадавших от управления (четным или нечетным полосы), отдельные полосы, Запад (полоски 1 - 6) либо Восточный блок (полосы 7 - 12), блок почвы, и ландшафтные позиции (встречи на высшем уровне, стороны север облицовки, сторона Юг и toeslope) (от Шеррод и др.) 6.
| ΔElevation | ΔCaCO3 | |||
| Переменная | Значение F | PR > F | Значение F | PR > F |
| Управления | 3.47 | 0.0643 | 0,07 | 0.7957 |
| Полосы | 50.25 | < 0.0001 | 2.84 | 0.0937 |
| Блок | 7.48 | 0.0069 | 1.79 | 0.1824 |
| Почвы | 5.57 | 0.0193 | 3.16 | 0.0773 |
| EDU | NA * | NA | 3.21 | 0.0750 |
| * NA, не применимо, поскольку EDU определяется от ΔElevation. | ||||
| EDU = эрозионные (E), осадконакопления (D), без изменений (U) | ||||
В таблице 3. Дисперсионный анализ для зависимых переменных изменения в высоте и изменения в како3 концентрации. Дисперсионный анализ для зависимых переменных изменения в высоте и изменение концентрации СаСО3 0 - 30 см Глубина приращения после 11 лет в качестве пострадавших от управления (четным или нечетным полосы), отдельных полос, Западный блок (полоски 1 - 6) или Восток блок (полоски 7-12), подразделение картирования почв и Электроэррозионная класса (EDU): Электроэррозионная (Δz <-5 см), осадконакопления (Δz > 5 см), или неизменным (см-5 < Δz < 5 см) (от Шеррод и др.) 6.
Интерполяции поверхности образцов СаСО3 точки в 2001 году и 2012 результатов в карты, показано (цифры 14А, 14б) и разница карта создается из них Показать интерполированного ΔCaCO3 (Рисунок 14 c). Сравнительно небольшие, концентрированных областей высокого и низкого СаСО3 видел в 2001 году карте (рис. 14А) больше не видны в 2012, где пространственные модели являются менее комплекс (Рисунок 14b). Этот «сглаживание» 2001 карты карта 2012 указывает увеличение СаСО3 в ранее нижних областях СаСО3 и уменьшение СаСО3 где СаСО3 была высокой. Шаблоны ΔCaCO3 (Рисунок 14 c) показывают наиболее увеличивается в далеком западе и некоторые отношения к топографии поверхности земли.
Рисунок 14. Интерполяция кригинг-карты концентраций СаСО3 . Интерполяция кригинг-карты концентраций СаСО3 в интервале 0-30 см Глубина () 2001, 2012 (b) и (c) изменить от 2001 до 2012 года. Почвы образца места показаны в кругах (а, б) и высота контуры с интервалами 1-м приводятся в (c) (от Шеррод и др.) 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Сопоставленные изменения в высоте (рис. 5) иллюстрируют значительной эрозии и осаждения на сельскохозяйственные поля и пространственных структур свидетельствует о многочисленных факторов контроля над несколько шкал. От поля Масштаб шаблонов, связанных с ветром, вниз штраф масштаба дендритных шаблонов производится потоком воды процессы, имеющие отношение к настоящему исследованию заметной. Уровень обнаружения изменений рельефа, предоставляемые неоднократные наземные обследования RTKGPS появляется оптимальной. Тонкие уровни обнаружения, как это предусмотрено по TLS, может осложнить результаты путем введения microtopographic возможности, такие как обрезка хребтов и борозды, в то время как более грубые уровни обнаружения, как найти с бортовых обследований, не может быть достаточно, чтобы захватить штраф масштаба шаблоны. Проведение RTKGPS наземных обследований на площади этого размера (~ 100 га) занимает несколько дней, однако, из-за ограничения сбора лишь одну точку в секунду и время поездки для покрытия области сайта. Достижения в воздухе обследований может предоставлять лучше альтернативные методы в будущем если исследование точности может улучшить соответствует точности наземных обследований используется здесь.
Смешанные результаты были замечены в корреляции изменений в поверхности почвы СаСО3 с изменениями в поверхности рельефа, как предсказано в концептуальной модели. В 2001 году образцы поверхности почвы для СаСО3 концентрации были доступны в одной глубины приращения только над топ 30 см. В 2012 году образцы почвы были разделены на два 15 см с шагом топ 30 см. Анализ ΔCaCO3 в только топ 15 см скорее всего изменит эти результаты и может доказать быть более тесно связан с эрозией и осаждения. Изменение давления calcimeter метод30 продолжает служить эффективным методом для почвы СаСО3 измерений.
Этот документ предоставляет детальный подход для количественного определения области масштаб и описание процессов эрозионные и осадконакопления в сельскохозяйственной области. Описанные здесь методы могут применяться к другим сайтам, где известняковые слои находятся вблизи поверхности почвы. Будущая работа планируется для этого сайта для вычисления нового DEM, используя и измерить перепад высот поверхности с 2009 года, когда последний полный RTKGPS наземное обследование проводилось. Кроме того схемы выборки почв 2012 для поверхности почвы СаСО3 будет повторяться глубина 15 см с шагом так, что можно сравнить изменения в топ 15 см между будущим образцом и 2012.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Поле исследования сайт находится на ферме в ведении Дэвид Дрейк, и мы благодарим его за его сотрудничество в течение этого долгосрочные исследования. Мы также благодарим Mike Murphy за его много лет полевых работ по этому проекту и Робин Montenieri за ее помощь с графикой, используемые в этой бумаге.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Real-time kinematic GPS system | Trimble | Model 5800 | |
| GPS field data collector | Trimble | Model TSC2 | |
| GPS field software | Trimble | Trimble Access (Trimble Survey Controller used in 2001 for site calibration but this software is no longer supported) | |
| Hydraulic soil coring machine | Giddings Machine Company | ||
| Utility vehicle | John Deere | Gator 6x4 | |
| GIS software | ESRI | ArcGIS for Desktop with Spatial Analyst and Geostatistical Analyst Extensions | |
| Statistical software | SAS | SAS Institute Inc. | |
| Pressure transducer 0-105 kPa | Serta | Model 280E | Setra Systems, In., Boxborough, MA |
| Volt meter | WaveTek | 5XL | Digital meter set to read volts |
| Serum Bottles | Wheaton | 223747 | 100 mL |
| Serum Bottles | Wheaton | 223762 | 20 mL |
| Sealing Cap 20 mm Aluminum | Wheaton | 224183-01 | Case of 1,000 |
| 20 mm gray butyl stopper (2-prong) | Wheaton | 224100-192 | Septum; Case of 1,000 |
| Hand crimper | Wheaton | W225303 | 20 mm size |
| Hand Decapper | Wheaton | W225353 | 20 mm size |
| Acid vials | Wheaton | 224881 | 0.50 dram size (2-mL) |
| Power supply | SR Components | DDU240060 | Class 2 Transformer AC adaptor; Input 120VAC , Output 24VDC |
| Calcium carbonate | Fisher | 471-34-1 | 500 g of 100% w/w CaCO3 |
References
- Freebairn, D. M. Erosion control - some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).
- Garcia-Orenes, F., Roldan, A., Mataix-Solera, J., Cerda, A., Campoy, M., Arcenegui, V., Caravaca, F. Soil structural stability and erosion rates influenced by agricultural management practices in a semi-arid Mediterranean agro-ecosystem. Soil Use and Mgt. 28, 571-579 (2012).
- Hass, H. J., Willis, W. O., Bond, J. J. General relationships and conclusions. 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).
- Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).
- Skidmore, E. L., Layton, J. B., Armbrust, D. V., Hooker, M. L. Soil physical properties as influenced by cropping and residue management. Soil Sci. Soc. of Am. J. 50 (2), 415-419 (1986).
- Sherrod, L. A., Erskine, R. H., Green, T. R. Spatial patterns and cross-correlations of temporal changes in soil carbonates and surface elevation in a winter wheat-fallow cropping system. Soil Sci. Soc. of Am. J. 79 (2), 417-427 (2015).
- Stroosnijder, L. Measurement of erosion: Is it possible? Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).
- Dąbek, P., Żmuda, R., Ćmielewski, B., Szczepański, J. Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning. Acta Geodynam. Et Geomat. 11 (1), 45-52 (2014).
- Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 1: terrestrial laser scanning methods for change detection. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1055-1067 (2013).
- Eltner, A., Baumgart, P. Accuracy constraints of terrestrial Lidar data for soil erosion measurement: Application to a Mediterranean field plot. Geomorph. 245, 243-254 (2015).
- Letortu, P., et al. Retreat rates, modalities and agents responsible for erosion along the coastal chalk cliffs of Upper Normandy: The contribution of terrestrial laser scanning. Geomorph. 245, 3-14 (2015).
- Longoni, L., et al. Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning. Rem. Sens. 8 (3), 241 (2016).
- Meijer, A. D., Heitman, J. L., White, J. G., Austin, R. E. Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar. Soil & Till. Res. 126, 1-10 (2013).
- Rengers, F. K., Tucker, G. E., Moody, J. A., Ebel, B. A. Illuminating wildfire erosion and deposition patterns with repeat terrestrial lidar. J. of Geophys. Res.-Earth Surf. 121 (3), 588-608 (2016).
- Schubert, J. E., Gallien, T. W., Majd, M. S., Sanders, B. E. Terrestrial Laser Scanning of Anthropogenic Beach Berm Erosion and Overtopping. J. of Coast. Res. 31 (1), 47-60 (2015).
- Stenberg, L., et al. Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning. Earth Surf. Proc. and Landforms. 41 (10), 1299-1311 (2016).
- Croke, J., Todd, P., Thompson, C., Watson, F., Denham, R., Khanal, G. The use of multi temporal LiDAR to assess basin-scale erosion and deposition following the catastrophic January 2011 Lockyer flood, SE Queensland, Australia. Geomorph. 184, 111-126 (2013).
- Earlie, C., Masselink, G., Russell, P., Shail, R. Sensitivity analysis of the methodology for quantifying cliff erosion using airborne LiDAR - examples from Cornwall, UK. J. of Coast. Res. Spec. Iss. 65, 470-475 (2013).
- Kessler, A. C., Gupta, S. C., Dolliver, H. A. S., Thoma, D. P. Lidar Quantification of Bank Erosion in Blue Earth County, Minnesota. J. of Env. Quality. 41 (1), 197-207 (2012).
- Pye, K., Blott, S. J. 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. Geomorph. 266, 146-167 (2016).
- Thoma, D. P., Gupta, S. C., Bauer, M. E., Kirchoff, C. E. Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment. Rem. Sens. of Env. 95 (4), 493-501 (2005).
- Zhang, C. L., Yang, S., Pan, X. H., Zhang, J. Q. 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. Soil & Till. Res. 112 (2), 140-148 (2011).
- Neugirg, F., et al. Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley, Southern Tuscany, Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR and UAV surveys. Geomorph. 269, 8-22 (2016).
- Pineux, N., et al. Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed? Geomorph. 280, 122-136 (2017).
- Bremer, M., Sass, O. Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion and deposition by a debris flow event. Geomorph. 138 (1), 49-60 (2012).
- Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 2: pairing aerial photographs and terrestrial laser scanning to create a watershed scale sediment budget. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1068-1082 (2013).
- De Rose, R. C., Basher, L. R. Measurement of river bank and cliff erosion from sequential LIDAR and historical aerial photography. Geomorph. 126 (1-2), 132-147 (2011).
- Perroy, R. L., Bookhagen, B., Asner, G. P., Chadwick, O. A. Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based LiDAR on Santa Cruz Island, California. Geomorph. 118 (3-4), 288-300 (2010).
- Loeppert, R. H., Suarez, D. L. Carbonate and Gypsum. Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. Sparks, D. L., et al. , 3rd ed, SSSA. Madison, WI. 437-474 (1996).
- Sherrod, L. A., Dunn, G., Peterson, G. A., Kilberg, R. L. Inorganic carbon analysis by modified pressure-calcimeter method. Soil Sci. Soc. of Am. J. 66 (1), 299-305 (2002).
- McCutcheon, M. C., Farahani, H. J., Stednick, J. D., Buchleiter, G. W., Green, T. R. Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field. Biosyst. Eng. 94 (1), 19-32 (2006).
- Wheaton, J. M., Brasington, J., Darby, S. E., Sear, D. A. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets. Earth Surf. Proc. and Landforms. 35 (2), 136-156 (2010).
- National Oceanic and Atmospheric Administration. Survey Marks and Datasheets. , Available from: https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/ (2017).
- Trimble Inc. Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A. , (2011).
- Erskine, R. H., Green, T. R., Ramirez, J. A., MacDonald, L. H. Digital elevation accuracy and grid cell size: effects on estimated terrain attributes. Soil Sci. Soc. of Am. J. 71, 1371-1380 (2007).
