测量与绘制农业管理下与土壤碳酸盐浓度相关的土壤侵蚀和沉积模式

摘要

土壤侵蚀和沉积的空间格局可通过在适当时间间隔内测绘的地表高程差异推断得出。这些高程变化与近地表土壤碳酸盐的变化相关。本文介绍了对这些参数进行野外和实验室重复测量以及数据分析的可重复方法。

摘要

土壤侵蚀与沉积的空间格局可通过在适当时间间隔内测绘的地表高程差异进行推断。这些高程变化与近地表土壤碳酸盐（CaCO₃）剖面的变化相关。本研究旨在描述一个简明的概念模型，并提供可重复的野外与实验室测量这些参数的详细操作规程。本文采用地面差分全球定位系统（GPS）精确测量高程；其他数据采集方法也可适用于相同的基本方法。土壤样品按预设深度间隔采集，并在实验室中采用一种高效且精确的改进压力气量法对无机碳浓度进行定量分析。对点位数据应用标准统计方法，代表性结果表明，土壤表层CaCO₃的变化与高程变化之间存在显著相关性，且与概念模型一致：在沉积区域CaCO₃通常减少，而在侵蚀区域则增加。通过高程和土壤CaCO₃的点位测量数据生成地图，以辅助分析。研究样地为一处雨养冬小麦田，采用冬小麦与休耕条带交替种植模式，其侵蚀与沉积格局图揭示了水蚀和风蚀在管理和地形影响下的交互作用。本文还讨论并推荐了未来将土壤侵蚀与沉积过程关联于土壤CaCO₃研究中可采用的替代采样方法和深度间隔设置。

引言

土壤侵蚀威胁着农业用地的可持续性。作物管理措施，例如传统翻耕的冬小麦-休闲轮作，会加速侵蚀和沉积过程，因为在休闲期间裸露的土壤更容易受到风力和水力的作用^1,2,3,4,5（图1）。尽管这些过程可能显而易见，但其量化却可能十分困难。

本研究的首要目的是提供一种高效的方法，利用全球定位系统（GPS）技术和地理信息系统（GIS）制图工具，在田间尺度上量化并描述侵蚀与沉积的空间分布模式。本文还提出并检验了一个将这些空间模式与近地表土壤碳酸盐（CaCO₃）关联的简单概念模型，所采用的方法包括规定的野外与实验室手段。这些关系可为侵蚀与沉积提供间接的度量指标，同时验证GPS方法的结果。本文重点阐述Sherrod et al. 所使用的方法，以便在其他地区开展类似研究时，能够部分或完整地重复该方法⁶。

<....

方案

1. 地表高程数据采集

1. 站点 GPS 校准
   1. 在测量现场的安全位置处寻找或设置一个稳定的基准点，用作RTKGPS数据采集的基站GPS。
   2. 使用该本地基准点，以基站位置坐标的最佳近似值设置 RTK GPS 数据采集的基站即，经WAAS校正的GPS位置）。
   3. 使用漫游器GPS，在RTKGPS无线电通信范围（约10 km半径）内至少访问三个水平和垂直控制点基准，并记录其位置。
      注：美国国家大地测量局（National Geodetic Survey）提供的基准点可在线查询³³ 并在此处使用。
   4. 根据已测量并公布的控制点坐标，使用 RTKGPS 现场软件进行站点校准³⁴，求解用作基准站的局部基准点坐标。检查控制点的坐标残差（水平和垂直）是否在容许限差范围内（本次校准为±0.02 m）。
2. GPS点数据采集
   1. 将基站GPS设置在本地基准点上，利用本地站点校准和现场软件，在整个测量区域内以约5米的水平间距将RTKGPS定位数据记录到GPS数据采集器中。
      1. 通过将巡视器GPS天线安装在车辆上，并使其距离地面保持已测量的固定高度，然后驾驶车辆沿样线穿越该区域，以高效地采集数据（图6

结果

通过对比2001年与2009年的数字高程模型（DEM）差异，可揭示该8年期间的地表侵蚀（红色）与沉积（绿色）现象，大部分区域的地表高程变化达到分米级（图5）。在田块尺度上，侵蚀主要发生在西部和西南部，而沉积则出现在田块东侧一条从西北向东南延伸的对角带状区域。在管理区尺度上，可见交替分布的侵蚀与沉积条带，且在管理条带边界处常出现突变。与土壤类型相关的分布模式（图4a）虽不十分显著，但仍与和土壤类型高度相关的地形特征相吻合。在地形汇聚区域，可观察到类似水流路径的细尺度侵蚀与沉积格局。在6号条带中可见三条与管理方向平行的线性侵蚀特征。为分析这些独特特征，沿西—东方向绘制了剖面线（A-A'，见图5），并进一步展示于图11，这些特征极有可能由耕作操作引起。在6号条带的这些特征区域内未设置土壤采样点。

讨论

高程变化图（图5）显示了农田上显著的侵蚀与沉积现象，以及在多个尺度上反映多种控制因素的空间格局。从与风力相关的田间尺度格局，到由水流形成的细小的树枝状格局，本研究涉及的各类过程均清晰可辨。重复进行RTKGPS地面测量所提供的高程变化检测精度显得最为适宜。较之更精细的检测水平（如地面激光扫描TLS所提供的）可能会因引入微地形特征（如作物垄和沟）而使结果复杂化；而较粗略的检测水平（如机载测量所获得的）则可能不足以捕捉细尺度的格局。对如此规模的区域（约100公顷）开展RTKGPS地面测量需耗时数天，这主要是由于每秒仅能采集一个数据点以及覆盖整个区域所需的移动时间所限。未来，若机载测量的精度能够提升至与本研究中所用地面测量相当的水平，则可能提供更优的替代方法。

根据概念模型预测，地表土壤CaCO₃ 的变化与地表高程变化之间的相关性呈现出混合结果。2001年，仅在0–30 cm土层中获得了一个深度层次的土壤样品用于CaCO₃ 浓度测定；而2012年，0–30 cm土层被划分为两个15 cm.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
实时动态GPS系统	Trimble	Model 5800
GPS野外数据采集器	Trimble	Model TSC2
GPS野外软件	Trimble		Trimble Access（2001年用于场地校准的Trimble Survey Controller软件，但该软件目前已不再支持）
液压土壤取芯机	Giddings Machine Company
多功能车辆	John Deere	Gator 6x4
GIS软件	ESRI		ArcGIS for Desktop，含Spatial Analyst和Geostatistical Analyst扩展模块
统计分析软件	SAS		SAS Institute Inc.
压力传感器 0-105 kPa	Serta	Model 280E	Setra Systems, In., Boxborough, MA
电压表	WaveTek	5XL	设置为读取电压的数字万用表
血清瓶	Wheaton	223747	100 mL
血清瓶	Wheaton	223762	20 mL
20 mm铝制密封盖	Wheaton	224183-01	每箱1,000个
20 mm灰色丁基橡胶塞（双孔）	Wheaton	224100-192	隔垫；每箱1,000个
手动压盖钳	Wheaton	W225303	20 mm规格
手动启封器	Wheaton	W225353	20 mm规格
酸化小瓶	Wheaton	224881	0.50 dram规格（2 mL）
电源	SR Components	DDU240060	Class 2变压器交流适配器；输入120VAC，输出24VDC
碳酸钙	Fisher	471-34-1	500 g，纯度100% w/w CaCO3