Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

測定と土壌侵食と堆積土炭酸濃度農業経営に関連のパターンのマッピング

Published: September 12, 2017 doi: 10.3791/56064

Summary

土壌侵食と堆積の空間パターンは、適切な時間刻みでマップされている地面の高低差から推測できます。標高でこのような変更は、表面近くの土の炭酸塩の変化に関連しています。これらの量及びデータ解析手法のフィールドと実験室の測定再現性のある方法は以下のとおりです。

Abstract

土壌侵食と堆積の空間パターンは、適切な時間刻みでマップされている地面の高低差から推測できます。標高でこのような変更は、炭酸塩 (炭酸カルシウム3) 表面近傍地盤の変化に関連しています。目的は、単純な概念モデルおよび繰り返し可能フィールドと実験室測定これらの量のための詳しいプロトコルについて説明することです。ここでは、正確な標高を用いて、地上ベース差分グローバル ポジショニング システム (GPS);その他のデータの収集方法は、同じ基本メソッドに適用でした。土壌試料は、深さ間隔を規定して無機炭素濃度の定量分析のための効率的で正確な変更された圧力 calcimeter メソッドを使用してラボで分析から収集されます。標準的な統計手法をポイント データに適用し、代表結果昇格で土壌表層 CaCO3の変更と変更の間の相関を示す、概念モデルと一致してCaCO3は一般的に堆積地域で減少し、侵食の分野で増加しました。マップは、標高や土壌分析を支援するために CaCO3の点の測定から得られます。小麦休閑ストリップを交互にトリミング天水冬麦畑研究サイトで侵食・堆積パターンのマップは、管理と地形の影響を受ける水や風の浸食の相互作用効果を示します。代替の採取方法と奥行間隔は論議され、CaCO3を土壌に土壌侵食・堆積に関する今後の作業をお勧めします。

Introduction

土壌浸食は、農地の持続可能性を脅かします。作物の耕作の従来の冬小麦休閑輪作などの管理、休耕期間中に裸の土壌は風と水の力1,2,になりやすい、侵食と堆積のプロセスを加速することが3,4,5 (図 1)。これらのプロセスは明白であることが、彼らを定量化することは困難することができます。

本研究の目的は最初を定量化し、侵食の空間パターンを記述する効率的な方法を提供するために、フィールドで付着スケール地球測位システム (GPS) 技術および地理情報システム (GIS) マッピング ツールを使用しています。表層土壌炭酸塩 (炭酸カルシウム3) へのこれらのパターンに関する簡単な概念モデルも提示、所定のフィールドと実験方法によってテストします。これらのリレーションシップは、侵食と堆積、GPS メソッドの結果を検証中の間接的な手段を提供します。本稿では、シェロッドで使用される方法を強調しています。彼らが、繰り返すことの一部または全体、他の場所6と同様の研究。

Figure 1
図 1。侵食 (a) と (b) 次の豪雨イベント研究サイトで堆積の写真。写真 (b) の右下隅のトラクターのタイヤの跡は、小麦/休耕ストリップのボーダーで蒸着の深さを示します。

様々 な直接土壌浸食を測定する方法は Stroosnijder7で検討しました。方法についての提案は測定目的と、利用可能なリソースによって異なりますが、「サーフェスの標高の変化」メソッド斜面スケールでお勧め侵食と堆積を測定利点を提供します。このメソッドを適用する 1 つの方法は、土にピンをインストールし、ピン7の上端を基準土の高さの変化を監視することです。土地の調査の技術の進化により、ただし、この手間のかかるアプローチ取替えることができる (TLS)8,9,10,11地上レーザーなどの他の技術,12,13,14,15,16、航空レーザ測量 (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, 高度な測量23 ,24、またはこれらの技術の25,26,27の組み合わせ。レーザーながらスキャン、通称 (光検出と測距)、LiDAR により高密度サーフェスの標高データセットの最も急速な獲得、植生などの永続的オブジェクトを削除する修正を行う必要があります。最小の標高変化をしかし TLS ミリ波レベル垂直精度で検出できる Perroy。沢下部の侵食の TLS 経由推奨 ALS スキャン領域が大きく、良い楽器の方向 (少ない地形シャド ウイング) に深く切り込んだ谷28スキャンのための見積もり。実時間キネマティック GPS (RTKGPS)、データ後処理なしセンチ レベルの精度を提供することは、本研究に使用されます。空間分解能と RTKGPS 収集データの精度は、農業分野や実質的なグランド カバーとその他の環境の支配的な侵食と堆積の機能を検出する最適です。

土壌 CaCO3を定量化するため圧力 calcimeter 方法は CO の解放に終って、クローズド システムで酸性土壌の反応に頼る2.一定の温度で反応容器内の圧力の増加直線的土壌 CaCO329の量に相関しています。シェロッドによって記述された伝統的な圧力 calcimeter メソッドへの変更、反応容器を血清ボトルに変更し、圧力の変化の検出のためのデジタル電圧計を有線圧力トランスデューサーを使用してが含まれます。30. 検出下限のこれらの変更により、毎日の土壌サンプルより高い容量を実行します。重量または単純な滴定法法土壌 CaCO3測定は大きいエラーを生成、これより検出限界変更圧力 calcimeter メソッド30

概念モデル

侵食と堆積の直接測定が可能でない場合、これらのプロセスの間接的な指標を使用することがあります。シェロッド。半乾燥気候で土壌表層 CaCO3濃度は (侵食、堆積と負の相関と正の相関) 地表面の変化に反比例することを仮定される6。仮説は広く、適用する必要がありますが、特定の関係 (土壌、植生、管理、および気候) サイトの条件によって異なります。土壌テスト サイト (表 1) で通常明確な石灰質の層が含まれて, 地表下 15-20 cm。概念的には、侵食は、土壌表面に高い CaCO3を近くのこの石灰質の層を残して比較的低い CaCO3濃度の表層が削除されます。低 CaCO3土後 (図 2) 地表面下深く埋められる石灰質の層を引き起こす堆積のエリアに転送します。時間をかけて適切な深さ間隔でこれらの土壌のサンプリング、このモデルによると、CaCO3濃度によって侵食や堆積 (またはどちらも) を推論可能性があります。

土シリーズ 斜面 分類学的分類 深さ pH EC 合計 N SOC CaCO3
% cm 1:2 dS m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 コルビー ローム 5-9 細かいシルト、混合、superactive、石灰質、中間子の Aridic Ustorthent 0-15 8.2 0.24 0.7 6.1 69.8 15-30 8.3 0.24 0.5 4.0 84.3 金の砂質ローム 2-5 罰金ローム、混合、アクティブ、石灰質、中間子の Ustic Torriorthent 0-15 7.8 0.26 0.8 7.0 29.8 15-30 8.0 0.27 0.6 5.0 51.5 5-9 罰金ローム、混合、アクティブ、石灰質、中間子の Ustic Torriorthent 0-15 8.1 0.22 0.6 5.4 26.7 15-30 8.1 0.19 0.5 4.1 25.8 Wagonwheel ローム 0-2 粗いシルト、混合、superactive、中間子の Aridic Calciustept 0-15 8.2 0.23 0.7 5.9 66.2 15-30 8.2 0.23 0.6 3.7 98.1 2-5 粗いシルト、混合、superactive、中間子の Aridic Calciustept 0-15 8.3 0.23 0.8 6.6 52.0 15-30 8.4 0.26 0.7 5.4 118.3

テーブル 1。土壌テスト サイトにします。土壌マップ単位と分類学的分類、土壌 pH、電気伝導度 (EC), 全 N, 土壌有機 C (SOC) および CaCO3濃度、0 15- と 15-30 cm 深さ増分でスコット フィールド 2012 年 (シェロッドから etアル.)6

Figure 2
図 2。概念的な土壌プロファイル(A) CaCO3静的土のマトリックスの概念地盤表面層からの溶出し、深い層、 (b)表面層の緩やかな侵食、 (c)適度な蒸着材料の沈殿以前の表面層の上。深さ間隔 (左) では (シェロッドet al.) からサイト データに基づく近似6.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

サイトの説明と歴史

109-ha スコット フィールド (40.61oN、104.84oW、図 3) 北東コロラド州のドレイク ファームの一部である、この研究のため 2012 年まで 2001 年から監視されました。平均降水量と蒸発散量、短時間・高強度の対流性降雨が夏の間に共通だった、この半乾燥気候で、約 350 1200 mm をそれぞれ、だった。1559 年からの独特の風景の位置とこの起伏のある地形で 1588 m まで標高: サミット、部谷北向き (側 NF)、部谷壁斜面南向き (側平方フィート)、および板状 (図 4 b)。交互ストリップ (〜 120 メートル幅) は、その他のすべてのストリップはすべて 24 ヶ月ローテーション サイクルから約 14 ヶ月間休耕通常この天水冬小麦休閑中回転で管理されました。浅耕 (〜 7 cm)、通常 v ブレード スイープ、雑草防除のための休耕期間を 6 回に 4 が発生しました。現場の土壌を持っている土壌損失の許容範囲、または 11 Mg のT-1-1、このT値を下回る侵食速度が継続的な農業生産4の許容と見なされます分類されました。.

Figure 3
図 3。サイトの場所は、米国コロラド州の地形レリーフ画像 (4401 に 1011 m) に表示されます。サイトの平均標高は 1577 m です。

Figure 4
図 4。地図とスコット フィールドの地形表面の土します。土壌マップ ポイントの土壌サンプルの場所と作物管理を示すスコット フィールドのストリップを(、) 。土の単位の略号は、: 1 = Wagonwheel ローム 0-2% 勾配、2 Wagonwheel ローム 2 5% 勾配、3 を = = コルビー ローム 5-9% 勾配、4 金微細砂壌土 2 5% 勾配、5 を = = 金微細砂壌土 5-9% 勾配;(b)土地表面高度に基づいて 2001年 5 m メ ッ シュ デジタル標高モデル (DEM)、土壌サンプルの場所 (シェロッドet al.) から土地分類で示されているフィールドの6

最初の地盤サーフェスの標高調査 RTKGPS サイトのデジタル標高モデル (DEM) を生成する 2001 年に集めた。マカッチョンと一緒に、土壌サンプル (図 4 a) は、2001 年にも行った、どの面から3が変更された圧力 calcimeter メソッド30,31 によって分析された炭酸カルシウムの土壌。.視覚的に明白である侵食と堆積の 10 年間の発生風、主に北西部と降雨流出からイベントで求められた 2 番目の RTKGPS 標高調査 (2010 年に完了フィールドの部分) で、2009 年。DEM の違い地図32を介して元の 2001 DEM に新しい DEM の比較確認重要な侵食と堆積、これらのプロセス (図 5) の複数の要因が示唆されたパターンを表示します。サイトと歴史的土壌 CaCO3データで実質的な表層土壌再配布を考えると、2001年土壌サンプルは、前のセクションで説明するよう hydropedological プロセス6、概念モデルをテストするのには 2012 年に繰り返されました。

Figure 5
図 5。変更の地図 (2001-2009 *) 5 m グリッド北東コロラド州のスコット フィールド内に土地の表面の標高 (Δz)。交互休閑地冬小麦作付体系、上作物ストリップ番号が付き、セクション A A' が表示されます (図 11で指定された詳細)。* ストリップ 2、4、6、8 (シェロッドet al.) から 2009 DEM を完了、2010 年に調査されました。6.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1 です土地面標高データ コレクション

  1. サイト
      の GPS 校正
    1. 検索または安定したベンチマーク用の基地局 GPS RTKGPS データ コレクションの調査のサイトで安全な場所にセット。
    2. 基地局基地局の場所 (すなわち、WAAS 修正 GPS の位置) の座標の最良の近似を使用してこのローカル ベンチマークで RTKGPS データ コレクションを設定します
    3. 粗紡機、GPS RTKGPS (半径約 10 km) とレコード位置の無線通信範囲内で少なくとも 3 つの水平方向と垂直方向のコントロール ポイント ベンチマークを訪問
      。 注: 国立測地測量によって記述されているベンチマーク検索オンライン 33 をすることができます、ここで使用されたします
    4. 、サイト校正 34, 基地局として使用されるローカルのベンチマークの座標のための解決を実行する RTKGPS フィールド ソフトウェアを使用して制御点の座標測定と公開を与え。コントロール ポイントの座標の残差 (水平および垂直) が許容限度 (± この校正用 0.02 m) 以内であることを確認してください
  2. GPS ポイント データ コレクション
    1. 基地局 GPS のローカル ベンチマークの設定し、RTKGPS 現地校正およびフィールド ソフトウェアを使用する記録と位置データ調査を通して約水平間隔 5 m で GPS データ コレクターにエリア。
      1. 車両の表面の地面の上の高さの測定値固定で粗紡機 GPS アンテナを取付して効率的にデータを収集し、領域 ( 図 6) を介してトランセクト運転
    2. 車両メソッドの定義を作成するエンドポイントのトランセクト並列トランセクト間隔 5 m 離れて。インポートのナビゲーションのための GPS データ コレクターにエンドポイントのトランセクト運転中石狩海岸します。すべての 5 m. についてのポイント データを取得する 5 m s -1 約トランセクト運転中毎秒 1 回データ コレクターでポイントを自動的に収集
    3. リピート ポイント データ収集としてサイトで上記のあと (この研究で後で年 8 に 9) 土地サーフェス標高の変化を分析することができます; 元の GPS サイト校正すべて調査に使用され、繰り返しではありません

Figure 6
図 6。RTKGPS 標高サーフェス データ コレクション。によって敷地内の基地局 (b) リアルタイム GPS 修正が提供されて、フィールド (a) 実用的な車を運転している間 RTKGPS 標高サーフェス データを収集します

2 DEM の作成および処理

    1. インポート Dem を作成する GIS ソフトウェアにデータを配置と 5 m グリッド民主 GIS を用いたソフトウェア補間、補間された標高測定のポイントの標高をクロス検証。値し、これらのクロス検証エラーを最小にする補間方法を選択します
      。 注: ガウス セミバリオ グラム モデルと通常型クリギングは、このサイトで標高データの最適内挿法だった。クロス検証はまた調査法 35 標高精度の測定を提供します
    2. 2.1.1 第 2 民主を作成する位置データの 2 番目のセットを繰り返す
  1. DEM のマッピング変更
    1. DEM 変更 ( 図 5)、標高のマイナス値が変更のラスター マップを作成する元の DEM から作成された最新の DEM を引く gis ラスター電卓ツールを使用して表す侵食と正の値を表す沈着します
  2. 土地分類
    1. 計算 DEM の最初のグリッドからの土地の表面の地形属性 (斜面、側面、領域の貢献) DEM 処理ソフトウェアを使用しています
    2. 分類としてサミットや法面、斜面と DEM グリッドの各セルの貢献の領域に基づいて河畔のエリアの土地します
      。 注: サミット低い斜面によって表現され、低地域の貢献。法面高斜面によって表現され、中間地域の貢献。斜面は、低い斜面と高い貢献領域で表されます。斜面と貢献するこれらの分類を定義する領域の値は、サイトで土地の表面形状に依存し、特定のサイトの分類の各領域の目的表現を与える質的選ばれた
    3. このサイトで南向きと北向きの 2 つの支配的な側面によって部谷壁斜面領域を分割します

3。土壌サンプリング

土壌サンプルの場所を計画する GIS マップ
  1. サンプル計画
    1. 参照。十分にすべての景色の位置を表すための場所の数を選択します
    2. アップロード サンプル位置調整して GPS データ コレクターにようにフィールドにサンプル サイトを配置できます
    3. CaCO 3 変動を捕捉するためにサンプル深さ増分の決定を導くためのサイトにおける土壌に関する予備知識が使用。事前サンプル位置と深さの増加を示すため密閉式プラスチック袋にラベルします
  2. フィールド サンプリング
    1. 油圧土壌掘削機、ナビゲーションの RTKGPS ローバー アンテナ付けユーティリティ車ドライブのサンプル サイトにします
    2. による土壌掘削機と希望の土壌コア径 (本研究では 5.1 cm) のチューブをサンプリング ( 図 7)、各サンプリング位置から土壌コアを抽出します
      。 注: 土壌コアの深さと同様、それぞれの場所に抽出されたコアと本研究では様々 な単位の数。2001 年に 90 cm の深さにシングルコアは撮影され 30 cm ずつに分かれています。2012 2 つの土壌コアが 30 cm の深さに (対応する 2001年サンプルの 1 m) 以内に撮影し、分析のために集計される 2 つのコア、15 cm ずつに分かれています。2012 の方法をお勧めします
    3. レコード RTKGPS 各サンプル位置データ (x、y、z) を配置します
    4. 所望の深さに土壌コアをカットし事前ラベル付き密閉式ビニール袋に転送し、実験室に戻って輸送用クーラー
    5. 重要な侵食や堆積後フィールド サンプリングが (本研究ではサンプル間 11 年) に発生したを繰り返します

Figure 7
図 7。土壌サンプリング。土壌サンプルの場所は油圧土壌、土壌コア抽出 (b) し、所望の深さ単位に分かれてコアリング マシン (a) を搭載した GPS 誘導ユーティリティ車両を使用してナビゲートされた

  1. 位置データ処理
      各土壌サンプルの場所 2 つのサンプルの日付データ (2001 年と 2012 年に本研究でサンプリング 198 場所) との間で高度で
    1. メジャー差異が記録されます
      。 注: 土壌サンプリング時のポイントの標高が記録されていないので、2001 年の標高は 2001 DEM から撮影されました。標高の肯定的な変更 > 0.05 m である d標高マイナス変化中の epositional サイト <-0.050 m は侵食のサイトと見なされます
    2. 首脳会談、北向き法面、南向きの法面や DEM 処理に基づく板状として、各サンプリング位置を分類する (プロトコル 2.3.2 を参照) 単一の場所で分類傾斜と貢献の地域条件によって定義されている可能性があります。周囲のポイントの支配的な分類に合わせて分類し直されます
    3. サンプルの場所を割り当てる分析 (管理ストリップと土壌マップ単位) に使用他の空間データ レイヤー GIS ソフトウェア ツール使用空間に参加します

4。土壌分析

  1. 土壌試料
    1. 研究所オーブンで 60 ° C でフィールドから土壌サンプルを一晩乾かします
    2. 電動グラインダーまたは乳鉢と乳棒を使用して 2 mm ふるいを通過するオーブン乾燥土壌を挽く
  2. Calcimeter 圧力装置のセットアップの変更
    1. 圧力トランスデューサーを接続することによって変更された圧力 calcimeter 装置 ( 図 8) を設定 (0 - 105 kPa 範囲、0.03 - 5 V DC 出力) 電源に14 ゲージのワイヤと探触子からの出力を監視する線で有線デジタル電圧計。
      1. 圧力トランスデューサーのベースに 9.5 mm ID チューブを接続し、圧力トランスデューサーに達することからの逆流を収集するために中間の粒子フィルター (0.6 μ m) と 18 g ルアー ロックの注射針にチューブを接続します
    2. 圧力トランスデューサー ( 図 9) に接続されている反応容器として使用血清ボトル水で金属スプーンを濡れして約 5 mL を追加使用する血清ボトルのサイズを決定する。高炭酸カルシウム濃度 3. ピペット 1 mL 0.5 N H 2 これを使用する土壌 4 この土にし、泡立ちを確認します
    3. 泡立ちが高い場合 CaCO 3 濃度が 15% より大きいと仮定しますと 100 ml 血清を反応容器として使用、それ以外の場合 20 ml 血清を使用します

Figure 8
図 8。圧力 calcimeter 装置を変更します。変更された圧力 calcimeter 装置 (シェロッド et al.) から信号を出力する反応容器と電圧計に有線圧力トランスデューサーとして血清ボトルを使用します。 30.

Figure 9
図 9。変更された圧力 calcimeter メソッド用反応容器。変更された圧力 calcimeter メソッド用反応容器、0.5 dram バイアル 2 mL 酸試薬と 1 g の土のサンプルを含む血清ボトル

  1. 測定の炭酸塩
    1. 配置の準備 1 g サブサンプル標識反応容器に土壌の (プロトコル 4.1 を参照)。50% CaCO 3 より大きいを含む土壌、土壌のわずか 0.5 g を使用します
    2. 酸のピペット 2 mL 試薬 (6 N 塩酸 3% した FeCL 2 O 4 H 2 O を含む) 0.5 g バイアルに。ソリューション内容をこぼさないでアウト側の位置にほぼ反応容器を傾けることによって、優しく反応容器にバイアルを配置します
    3. 土壌サンプルと傾いている酸のバイアルを含む反作用の容器のまま、灰色のブチルゴム ストッパー シールし、アルミニウムのシーリング リング圧着します
    4. 。 酸土の完全な混合を保証するために旋回運動で
    5. 振る反応容器。研究室のベンチで反応容器を配置し、少なくとも 2 時間の進む反応
    6. 反応容器を完了するを待っている間土壌サンプル ( 図 10) として同じ反応容器セットアップを使って知られているカコ 3 濃度の電圧を測定することにより標準曲線を決定しますミックス 100%。CaCO 3 ガラス ビーズや砂を作成する重量パーセントに基づいて CaCO 3 知られている濃度が含まれて CaCO 3 なし空白サンプルには
    7. ピアス、18 の反応容器のゴムキャップ ゲージ圧力トランスデューサーによって注射針とレコードの電圧出力の土壌サンプルの反応が完了した後です
    8. 。 与えられた測定電圧 CaCO 3 割合と標準曲線 ( 図 10 a) から決定方程式の
    9. 解決します
      。 注: CO 2 のリリースによって生じる圧力増加は CaCO 3 土で現在の濃度に関連線形その: % CaCO 3 = (回帰係数 * ボルト内の圧力の変更) + インターセプト

Figure 10
図 10。CaCO 3 測定。(a) の CaCO 3 (b) パウダー ガラス ビーズや砂と混合知られている割合に基づいて圧力トランスデューサーから電圧の測定値を使用してカコ 3 の標準曲線を作成します

5。 統計解析

地面の変化として
  1. の 2 つの定義従属変数高さと土壌表層 CaCO 3 濃度 1-2 サンプルの日付データ (本研究では 2012 年に 2001) から。(奇数または偶数番号ストリップ) の管理、個々 のストリップ、ストリップ、土壌マップ単位、風景の分類、および侵食・堆積分類の西または東のブロックとして独立したまたは説明変数を定義します
  2. 実行相関分析と変数間の関係を統計的に数値化する分散分析。任意の最寄りの統計パッケージで解析を実行します

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

2001 年と 2009 から DEM 違いのマッピングは、侵食 (赤) とその 8 年間のほとんどの地域 (図 5) で標高デシメートル レベル変化と堆積 (緑) を明らかにします。フィールドの縮尺で腐食は西部と南西部の支配的なフィールドの東の側面の南東斜め帯に北西に沿って沈着を見る間。侵食と堆積の交互になるバンドはしばしば管理ストリップ界の急激な変化と経営規模で見られ。顕著ではない (図 4 a) 土壌の種類に関連するパターンが、土壌の種類、相互に強く地形に合わせて表示されます。地形の収束のエリアの水の流路に似た微細の侵食と堆積のパターンが見られます。侵食、管理、並列の 3 つの線形機能は、ストリップ 6 で見られています。西東沢 (-' 5) 耕起操作によって引き起こされる可能性が最も高いがこれらのユニークな機能を (図 11) を確認するプロットします。ストリップ 6 でこれらの機能の内で土壌サンプル サイトが見つかりませんでした。

Figure 11
図 11。高度プロファイル (2001 年と 2009 * Dem) ストリップ 6 を通じてトランセクトに沿って西東 (A A' で図 5).* ストリップ 6 標高データは、2010 年に収集されます。

逆の関係の間にある分割侵食がどこに堆積あった支配的な東の管理 (東ブロック、ストリップ 7 - 12、図 5) から支配的な西部管理ストリップ (西ブロック、ストリップ 1 - 6、図 5)表層土壌 CaCO3 (ΔCaCO3) の変更、2001 年と 2012 (図 12) 間サンプル サイトで土地サーフェス標高 (Δz) に変更。平均標高は約 2 cm 逆に減少に CaCO3濃度が増加した約 3 g kg-1の平均侵食の西ブロックで、堆積の東ブロックを示した平均 > 4 g/kg 。反面、平均標高は約 5 cm CaCO3濃度の減少します。この逆の関係は一緒に全体のフィールドにすべてのストリップをプールする場合は存在しません。

Figure 12
図 12。CaCO3の空間的平均変動濃度 (0 ~ 30 cm の深さ) と西ブロック (ストリップ 1-6) の影響を受け、11 年 (2001-2012) 後東 (ストリップ 7 12) 管理区域として土地サーフェス標高図 5に示しますは、数字と境界を削除します。誤差範囲は ± 1 SEM (シェロッドet al.) から6

侵食で形成されるサンプルの場所を分離する (Δz <-5 cm) 堆積場所から (Δz > 5 cm)、すべての景色の位置は、ΔCaCO3 Δz、北向き法面 (を除いて間逆の関係を明らかにします。図 13)。すべての風景の平均、この逆の関係、侵食の場所に保持されます。しかし、堆積場所では ΔCaCO3はほぼ変化ありません。堆積場所の沈着は最大河畔のポジションで平均に近い 13 cm。 平均 CaCO3の減少は最大 8.2 g/kg) 堆積河畔、これらのポジションにも。侵食のサンプルの場所の平均侵食は、北向きの法面の最大 (17.4 cm)、しかし、これでは無かった CaCO3の増加すべての他の侵食の景色の位置に見られるように。1.4 g/cm3の土壌密度を仮定して、17.4 cm 土壌損失に等しい 221 Mg/ha/年の侵食速度このサイトの約 20 倍のT値の研究期間にわたって。フィールド全体を損耗の計算は、密度土壌侵食、堆積前後の詳細な知識を必要があります。一定の密度は純沈着を示すフィールドの上に標高の平均純利益があるのでそれを純土の損失を想定まで運ばれて堆積土をより低い密度で可能性が高いので。

Figure 13
図 13。空間的平均の推移 (2001-2012) CaCO3濃度 (0 ~ 30 cm の深さ)、侵食と堆積の景色の区域における景観分類の影響として表面地形;NF は北向きと SF は (シェロッドet al.) から南に向かっています。6.この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Δzと ΔCaCO3サイトの変数との相関分析に関する管理 (奇数または偶数番号ストリップ) 個々 のストリップ、西または東ブロック ストリップ、土壌マップ単位の景色の位置は2 として記載.最も有意な相関 (p < 0.0001) Δzと個々 の管理ストリップ ストリップ ブロック (西または東) の見られています。CaCO3で変更された最も相関 (p = 0.016) Δzに土壌に相関はなく、土壌マップ単位に。少なく重要な (p = 0.036) ΔCaCO3およびストリップのブロックは、どの Δ とzは同様に相関相関を示した。分散分析は、Δzにかなり影響を示しています (p < 0.06) によってすべてのサイト変数 (表 3)。侵食クラス (侵食、堆積、または変わらず: EDU) 最も有意 (p = 0.075) ΔCaCO3、続いて土壌マップ単位と両方 10% 有意水準以下重要な個々 のストリップを影響を受けます。

ピアソンの相関係数
変数 ストリップ ブロック
g > 土壌 風景 ΔCaCO3 Δz 管理 0.090 (0.222) * -0.027 (0.715) 0.028 (0.708) 0.004 (0.959) 0.019 (0.799) -0.115 (0.120) ストリップ - 0.868 (< 0.0001) 0.411 (< 0.0001) 0.077 (0.295) -0.120 (0.104) 0.425 (< 0.0001) ブロック - 0.414 (< 0.0001) 0.114 (0.124) -0.154 (0.036) 0.303 (< 0.0001) 土壌 - 0.408 (< 0.0001) -0.177 (0.016) 0.025 (0.738) 風景 - -0.101 (0.172) -0.083 (0.260) ΔCaCO3 - -0.001 (0.990) * Pr > かっこで r。

表 2。相関分析 Δz と ΔCaCO3 サイト変数と。サイトを管理 (奇数または偶数ストリップ)、個々 の影響の 11 年後の標高 (z)、CaCO3変更に関連付けられている変数の相関行列のストリップ、西ブロック (ストリップ 1 - 6) または東ブロック (ストリップ 7 - 12)、土壌マップ単位(シェロッドet al.) から風景の位置 (サミット、側北向き、側南向き、板状) と6

ΔElevation ΔCaCO3
変数 F 値 Pr > F F 値 Pr > F
管理 3.47 0.0643 0.07 0.7957
ストリップ 50.25 < 0.0001 2.84 0.0937
ブロック 7.48 0.0069 1.79 0.1824
土壌 5.57 0.0193 3.16 0.0773
エドゥ QAU NA 3.21 0.0750
* NA、エドゥは ΔElevation から決定されるため該当しません。
エドゥ = 侵食 (E)、そのままの堆積 (D) (U)

表 3。標高の変化と炭酸カルシウムの変化の従属変数に対する分散分析3 濃度。標高と管理 (奇数または偶数ストリップ)、個々 のストリップによって影響を受けると 11 年後深さ 0-30 cm 刻みで CaCO3濃度変化の変化の従属変数の分散分析の西ブロック (ストリップ 1 - 6) または東ブロック (ストリップ 7-12)、土壌マップ単位と侵食クラス (EDU): 侵食 (Δz <-5 cm)、堆積 (Δz > 5 cm)、そのまま (-5 cm < Δz < 5 cm) (シェロッドet al.) から6

2001 年と 2012 結果 (図 14 a、14b)、地図と違いマップ表面 CaCO3ポイント サンプルの補間が補間 ΔCaCO3 (図 14 c) を見るにこれらから作成されます。2012 どこで空間パターンが少ない (図 14 a) 2001年マップに見られる高、低の CaCO3の比較的小さく、集中エリアはもはや見られません (図 14 b) 複合体。2001 マップ 2012 年地図のこの「スムージング」以前低い CaCO3エリアの CaCO3 CaCO3 CaCO3だった高の減少の増加を示します。ΔCaCO3 (図 14 c) ショーのパターンは最も遠い西、地形表面にいくつかの関係で増加します。

Figure 14
図 14。CaCO3濃度の Kriged 補間のマップ(A) 2001、 (b) 2012 年、 (c)の深さ間隔 0 に 30 cm の CaCO3濃度の Kriged 補間マップは、2001 年から 2012年に変更します。土壌サンプルの場所は円形 (a、b) で示される、(c) (シェロッドet al.) からで 1 m 間隔と標高の等高線が表示されます。6

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

標高 (図 5) にマップされた変更は、複数のスケールで重要な侵食と堆積農業分野で空間パターン複数要因の指標を示しています。風、水の流れによって生成された微細樹状パターンに関連付けられているフィールド スケール パターンから本研究に関連するプロセスが認識できます。最適な繰り返し RTKGPS 地盤調査によって提供される標高変化検出のレベルが表示されます。細かい検出レベル、TLS によって見つけることが複雑に結果として尾根と粗い検出レベルながら、しわをトリミングなどの微地形機能を導入することにより浮遊調査微細をキャプチャすることができない可能性がありますを提供パターン。このサイズの領域の上調査を地盤 RTKGPS を実施 (~ 100 ha) サイトの領域をカバーする 2 番目と移動時間につき一点のみを収集の制限のためただし、数日をかかります。調査精度がここで使用される地盤調査の精度に合わせて改善することができる場合空中調査の進歩は、将来より良い代替手段を提供可能性があります。

概念モデルによって予測された表層土壌 CaCO3土地サーフェス標高の変化との相関変化でまちまちな結果を見た。2001 年に CaCO3濃度の表層土壌サンプルが 1 つ深さ増分で入手トップ 30 cm 以上のみでした。2012 では、土壌サンプルはトップ 30 cm 以上 15 cm 単位の 2 つに分けられました。ΔCaCO3トップの 15 cm のみでの分析はこれらの結果が変わって、侵食と堆積により強く関連するかもしれない。変更された圧力 calcimeter メソッド30土 CaCO3測定のための効率的な方法として対応し続けます。

このペーパーは、フィールド スケール定量化及び農業分野における侵食・堆積プロセスの説明のための詳細なアプローチを提供します。ここで説明する方法は、石灰質の層が地表近くに存在する他のサイトに適用できます。今後の作業は、新しい DEM を使用して計算し、2009 年最後の完全な RTKGPS 地盤調査が実施されたからサーフェス標高の変化を測定すること、このサイトの予定です。また、将来のサンプルと 2012 のトップ 15 cm の変化を比較できるので、表層土壌 CaCO3 2012 年の土壌サンプリング方式を深さ 15 cm 単位で繰り返されます。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

研究現場はデヴィッド ・ ドレークによる管理農場で、この長期的な調査の間に彼の協力に感謝いたします。我々 も彼女の助けのこのプロジェクトとロビン Montenieri フィールド作業の彼の多くの年のため本稿で使用するグラフィックをマイク マーフィーに感謝します。

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Freebairn, D. M. Erosion control - some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Stroosnijder, L. Measurement of erosion: Is it possible? Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Longoni, L., et al. Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning. Rem. Sens. 8 (3), 241 (2016).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. National Oceanic and Atmospheric Administration. Survey Marks and Datasheets. , Available from: https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/ (2017).
  34. Trimble Inc. Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A. , (2011).
  35. 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).

Tags

環境科学、問題 127、デジタル標高モデル、無機炭素、グローバル ・ ポジショニング ・ システム、地理情報システム、児童、変更された圧力 calcimeter 法、土壌浸食
測定と土壌侵食と堆積土炭酸濃度農業経営に関連のパターンのマッピング
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Erskine, R. H., Sherrod, L. A.,More

Erskine, R. H., Sherrod, L. A., Green, T. R. Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management. J. Vis. Exp. (127), e56064, doi:10.3791/56064 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter