Summary
Rumsliga mönster jorderosion och nedfall kan härledas från marken höjdskillnader mappas på lämpliga tidssteg. Sådana förändringar i höjd är relaterade till förändringar i ytnära mark karbonater. Repeterbara metoderna för fält- och laboratorieaktiviteter mätningar av dessa kvantiteter och data analysmetoder beskrivs här.
Abstract
Rumsliga mönster jorderosion och nedfall kan härledas från marken höjdskillnader mappas på lämpliga tidssteg. Sådana förändringar i höjd är relaterade till förändringar i ytnära mark karbonat (CaCO3) profiler. Syftet är att beskriva en enkel konceptuell modell och detaljerade protokoll för repeterbara fält och laboratorium mätningar av dessa kvantiteter. Här, mäts exakt höjd med en markbaserade differential global positioning system (GPS); andra data förvärvsmetoder kan tillämpas på samma grundläggande metod. Jordprover samlas från föreskrivna djup intervaller och analyseras i labbet med en effektiv och exakt modifierade tryck-calcimeter metod för kvantitativ analys av oorganiska kolhalten. Statistiska standardmetoder tillämpas punkt data och representativa resultat visar signifikanta korrelationer mellan förändringar i markens ytskikt CaCO3 och förändringar i höjd överensstämmer med den konceptuella modellen; CaCO3 generellt minskade i depositional områden och ökade i erosional områden. Kartor härleds från punkt mätningar av höjd och jord CaCO3 stöd analyser. En karta av erosional och depositional mönster på webbplatsen studie, ett regnbevattnade höstvete fält beskurna i omväxlande vete-trädor remsor, visar de samverkande effekterna av vatten och vind erosion påverkas av management och topografi. Alternativa provtagningsmetoder och djup intervall diskuteras och rekommenderas för framtida arbete som rör jorderosion och nedfall att jord CaCO3.
Introduction
Jorderosion hotar hållbarheten i odlingslandskapet. Beskära förvaltning, såsom en konventionellt odlade höstvete-trädor växtföljd, kan påskynda erosion och nedfall processer som bare jordar under träda perioder är mer mottagliga för vind och vatten krafter1,2, 3 , 4 , 5 (figur 1). Medan dessa processer kan vara uppenbara, kan de vara svåra att kvantifiera.
Syftet med denna studie är först att tillhandahålla en effektiv metod för kvantifiering och beskriva spatiala mönster av erosion och nedfall på fältet skala använder global positioning system (GPS)-teknik och geografiska informationssystem (GIS) kartläggning verktyg. En enkel konceptuell modell avseende dessa mönster för att ytnära mark karbonater (CaCO3) presenteras också och testade av föreskrivna fältet och laboratoriemetoder. Dessa relationer ger indirekta åtgärder av erosion och nedfall, medan validera resultaten av metoden GPS. Detta dokument betonar de metoder som används i Sherrod et al. så att de kan upprepas, helt eller delvis, för liknande forskning i andra platser6.
Figur 1. Foton av a Erosion och (b) Deposition på webbplatsen studie efter ett regn händelse. Traktor däck spår i det nedre högra hörnet av foto (b) visar djupet av nedfall vid vete/dovhjort strip gränsen.
Olika direkta mätmetoder för jorderosion har granskats av Stroosnijder7. Föreslagna metoder varierar med mätning syfte och tillgängliga resurser, men en ”förändring i ytans höjd” metod rekommenderas i hillslope skala och ger fördelen av att mäta både erosion och nedfall. Ett sätt att tillämpa denna metod är att installera pins i marken och övervaka förändringen i höjd av mark i förhållande till toppen av stift7. Med framsteg inom teknik för Landgranskning, dock kan denna arbetsintensiva metod ersättas med andra tekniker, såsom markbundna laserscanning (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scanning (ALS)17,18,19,20,21, GPS-6,22, avancerade fotogrammetri23 ,24, eller kombinationer av dessa tekniker25,26,27. Samtidigt laser skanning, vanligen kallad LiDAR (ljus upptäckt och allt), ger snabbast förvärvet av tät yta höjd datauppsättningar, rättelser måste göras att ta bort stående objekt, till exempel vegetation. Med millimeter-nivå vertikal precision, TLS kan upptäcka de minsta höjdförändring, men Perroy et al. rekommenderade ALS över TLS för gulley erosion uppskattar på grund av den större skanning fotavtryck och bättre instrument orientering (mindre topografiska skuggning) för skanning i djupt anskäras raviner28. Real-Time kinematic GPS (RTKGPS), som tillhandahåller centimeter-nivå precision utan data efterbearbetning, används för denna studie. Rumslig upplösning och precision RTKGPS-insamlade data är optimala för att upptäcka de dominerande erosional och depositional funktionerna i en jordbruksområdet eller andra miljöer med betydande marktäckare.
Tryck-calcimeter metoden för att kvantifiera jord CaCO3 bygger på markens reaktion till syra i ett slutet system, vilket resulterar i utsläpp av CO2. Ökningen av trycket inom reaktionskärlet vid en konstant temperatur är linjärt korrelerade till mängden jord CaCO329. Ändringar av den traditionella tryck-calcimeter metod, som beskrivs av Sherrod et al., inkluderar ändra reaktion fartyget till serum flaskor och använda en tryckgivare som kopplas till en digital voltmeter för detektion av tryckförändringar 30. dessa ändringar möjliggör lägre detektionsgränser och högre kapacitet för daglig jordprov körs. Gravimetrisk eller enkel titrimetrisk metoder för mark CaCO3 mätning produceras större fel och detektionsgränser än detta modifierade tryck-calcimeter metod30.
Konceptuell modell
När direkta åtgärder av erosion och nedfall inte är genomförbara, kan indirekta indikatorer av dessa processer användas. Sherrod et al. hypotes om att markens ytskikt CaCO3 koncentration i ett halvtorrt klimat är omvänt korrelerad med förändringen i marken yta höjd (positivt korrelerade med erosion, negativt korrelerade med nedfall)6. Hypotesen ska gälla i stort sett, men specifika relationer kommer att bero på administreringsstället (mark, vegetation, hantering och klimat). Jordar vid mätplatsen (tabell 1) innehåller vanligtvis ett distinkt kalkrika skikt 15-20 cm under markytan. Begreppsmässigt, tar erosion bort ytskiktet av relativt låg CaCO3 koncentration lämnar detta kalkrika lager av hög CaCO3 närmare till jordytan. Den låga CaCO3 jorden transporteras sedan till de depositional områdena, orsakar det kalkrika lagret att begravas djupare under jordytan (figur 2). Provtagning dessa jordar med tiden lämpligt djup mellanrum, kan antingen erosion eller nedfall (eller ingen) härledas av CaCO3 koncentration, enligt denna modell.
| Jord-serien | Lutning | Taxonomiska klassificering | Djup | pH | EG | Totalkväve | SOC | CaCO3 |
Tabell 1. Jordar vid provplatsen. Enheter för texturmappning och taxonomiska klassificering, med genomsnittliga markens pH, elektrisk ledningsförmåga (EG), totalkväve, jord organiska C (SOC) och CaCO3 koncentrationer i den 0 15- och 15 - till 30-cm djup steg för Scott fältet 2012 (från Sherrod et Al.) 6.
Figur 2. Konceptuell jord profiler. Konceptuell jord profiler för (a) en statisk jord matris med CaCO3 lakas från ytskiktet och fälls ut i en djupare lager, (b) måttlig erosion av ytskiktet, och (c) måttlig nedfallet av material ovan tidigare ytskiktet. Djup intervall (vänster) är ungefärliga baserat på platsdata (från Sherrod et al.) 6. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Site Beskrivning och historik
109-ha Scott fältet är en del av gården Drake i nordöstra Colorado (40.61oN, 104.84oW, figur 3) och övervakades från 2001 till 2012 för denna studie. Genomsnittliga årliga nederbörden och evapotranspiration var cirka 350 och 1200 mm, respektive i denna halvtorra klimat, där konvektiv regn av kort varaktighet och hög intensitet var vanliga under sommaren. Förhöjningar sträcker sig från 1559 till 1588 m i denna böljande terräng med distinkta landskapet positioner: toppmötet, sideslope mot norr (side-NF), sideslope i söderläge (side-SF) och toeslope (figur 4b). Alternerande remsor (~ 120 m bred) sköttes vanligen i denna rainfed höstvete-trädor rotation så att varje andra band var träda för ca 14 månader av varje 24-månaders Rotationscykel. Grunt jordbearbetning (~ 7 cm), vanligtvis v-bladet sveper, inträffade 4 till 6 gånger genom träda period för ogräsbekämpning. Jordar vid platsen var klassad som har jord-förlust tolerans eller T -värde, av 11 Mg ha-1 år-1, där erosion priser under detta T värde anses godtagbara för fortsatta jordbruksproduktionen4 .
Figur 3. Plats visas på en topografisk Relief bild (1011 till 4401 m) i delstaten Colorado, USA. Genomsnittlig höjd av webbplatsen är 1577 m.
Figur 4. Jordar karta och landhöjningen ytan av Scott Field. (a) jordar karta över den Scott Field visar jord provet platser och grödan ledningen remsor. Jord enhet förkortningar är: 1 = Wagonwheel lerjord 0-2% lutning, 2 = Wagonwheel loam 2-5% lutning, 3 = Colby loam 5-9% lutning, 4 = Kim fina sandstranden loam 2-5% lutning, 5 = Kim fina sandiga lerjord 5-9% lutning, och (b) ytan landhöjningen i fältet baserat på den 2001 5-m rutnät digital höjdmodell (DEM), med jord provet platser visas av mark klassificering (från Sherrod et al.) 6.
Den första mark yta höjd undersökningen samlades in av RTKGPS i 2001 för att producera en digital höjdmodell (DEM) för webbplatsen. I samband med McCutcheon et al., en intensiv jordprov (figur 4a) utfördes också i 2001, från vilken yta jord CaCO3 analyserades av en modifierad tryck-calcimeter metod30,31 . Visuellt tydligt erosion och nedfall inträffar det efterföljande årtiondet på grund av vind, huvudsakligen från nordväst, och nederbörd-avrinning händelser föranledde en andra RTKGPS höjd undersökning 2009 (med en del av fältet färdig 2010). Jämförelse av den nya tyska mark till den ursprungliga 2001 mark via en mark av skillnaden karta32 bekräftade betydande erosion och nedfall, visar mönster som föreslog flera bestämmande faktorer för dessa processer (figur 5). Med tanke på betydande yta jord omfördelning på platsen och historiska mark CaCO3 data, upprepades den 2001 jordprov i 2012 att testa en konceptuell modell av hydropedological processer6, som beskrivs i föregående avsnitt.
Figur 5. Karta över förändringar (2001-2009 *) i markytan höjd (Δz) på en 5-m rutnät inom den Scott Field i nordöstra Colorado. Grödan strip nummer är märkta över alternerande vinter-vete-trädor beskärning systemet, ochavsnitt A-A' visas (detaljer ges i figur 11). * Remsor 2, 4, 6, 8 tillfrågade i 2010 att slutföra den 2009 mark (från Sherrod et al.) 6. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Mark yta höjd datainsamling
- GPS-kalibrering för webbplatsen
- lokalisera eller uppsättning en stabil riktmärke på en säker plats på webbplatsen undersökning för basstationen GPS för RTKGPS datainsamling.
- Ställa in basstationen för RTKGPS datainsamling på detta lokala riktmärke med bästa tillnärmning av koordinater för platsen basstation (dvs, WAAS-korrigerad GPS-position).
- Med rover GPS, besöka minst tre horisontella och vertikala kontroll punkt riktmärken inom radio kommunikation de RTKGPS (ca 10 km radie) och spela in positioner.
Obs: Riktmärken som beskrivs av den nationella Geodetic Survey kan vara sökte online 33 och användes här. - Med tanke på de uppmätta och publicerade koordinaterna av kontrollpunkterna, använda RTKGPS fältprogramvara för att utföra en webbplats kalibrering 34, lösa för koordinaterna för lokala riktmärke att användas som basstation. Kontrollera att samordna residualer (horisontellt och vertikalt) för kontrollpunkterna är inom acceptabla gränser (± 0,02 m för denna kalibrering).
- GPS peka datainsamling
- med basstation GPS på lokala riktmärke och med lokala platsen kalibrering och fältprogramvara, registrera RTKGPS placera data till GPS-data collector på cirka en 5-m vågrätt avstånd under hela undersökningen området.
- Samla in data effektivt av montering rover GPS-antenn på en uppmätt fast höjd över marken ytan på ett fordon och köra sprickbildningsområde genom området ( figur 6).
- För fordonet metod, definiera transekt slutpunkter att skapa parallella sprickbildningsområde avstånd 5 m ifrån varandra. Importera transekt slutpunkter till GPS-data collector för navigering av sprickbildningsområde under körning. Samla poäng med datainsamlaren automatiskt en gång per sekund medan körning sprickbildningsområde på cirka 5 m s -1 att få punktdata om varje 5 m.
- Upprepa punkt datainsamling på plats som beskrivs ovan på senare tid (8 till 9 år senare i denna studie) så att mark yta höjdskillnader kan analyseras; original GPS plats kalibrering används för alla undersökningar och upprepas inte.
- med basstation GPS på lokala riktmärke och med lokala platsen kalibrering och fältprogramvara, registrera RTKGPS placera data till GPS-data collector på cirka en 5-m vågrätt avstånd under hela undersökningen området.
figur 6. RTKGPS höjd ytan datainsamling. RTKGPS höjd surface data samlas in när du kör verktyget genom i fältet (a), medan Realtids GPS korrigeringar tillhandahålls av de Hotellets basstation (b).
2. Mark skapande och bearbetning
- skapa DEMs
- Import placera data in GIS-programvara och interpolera till ett 5-m rutnät DEM. med hjälp av GIS-programvara, cross-validera uppmätt punkt förhöjningar till interpolerade höjd värden och välj en interpolationsmetod som minimerar dessa cross-verifieringsfel.
Obs: Vanlig kriging med en Gaussian semivariogram modell var den optimala interpolationsmetod för elevation data på denna webbplats. Cross-validering ger också ett mått på höjd noggrannhet för undersökning metod 35. - Upprepa 2.1.1 för andra uppsättning positionsdata att skapa andra DEM.
- Import placera data in GIS-programvara och interpolera till ett 5-m rutnät DEM. med hjälp av GIS-programvara, cross-validera uppmätt punkt förhöjningar till interpolerade höjd värden och välj en interpolationsmetod som minimerar dessa cross-verifieringsfel.
- Mappning mark förändring
- med ett raster calculator verktyg i GIS, subtrahera den senaste mark från den ursprungliga mark för att skapa en rasterkarta förändringens mark ( figur 5), där negativa värden för höjd ändra representerar erosion och positiva värden representerar nedfall.
- Mark klassificering
- Compute landa ytan topografiska attribut (lutning, aspekt, bidrar område) från första rutnätet mark med mark bearbetning programvara.
- Klassificera mark områden som toppmötet, sideslope eller toeslope baserat på sluttningen och bidragande area av varje mark rutnätscell.
Obs: Toppmöten företräds av låga backar och låga bidrar områden. Sideslopes representeras av höga sluttningar och mellanliggande bidrar områden. Toeslopes representeras av låga backar och hög bidragande områden. Lutning och bidrar området värden definiera dessa klassificeringar beror på land yta topografin på platsen och kvalitativt är valda för att ge önskad representation av varje klassificering område för en viss webbplats. - Dela sideslope områden av de två dominerande aspekterna, mot norr och söderläge på den här webbplatsen.
3. Provtagning i jorden
- prov planering
- referens kartor i GIS att planera marken provet platser. Välja ett antal platser att adekvat representera alla liggande positioner.
- Uppladdning provtagningsplats koordinater till GPS-data collector så att platser kan finnas i fältet.
- Använd tidigare kunskap om jordar på plats för att vägleda beslut av provet djup steg för att fånga CaCO 3 variabilitet. Före etikett sealable plastpåsar för att indikera prov placering och djup increment.
- Fältprovtagning
- kör till provet platser med en utility fordon utrustat med en hydraulisk jord coring maskin och RTKGPS rover antennen för navigering.
- Med jord coring maskin och sampling tube för önskade markens core diameter (5,1 cm i denna studie), extrahera jord kärna från varje provtagningsplats ( figur 7).
Anmärkning: Antalet kärnor utvinns på varje plats, liksom jord kärnar ur djupet och steg omväxlande i denna studie. I 2001, en enda kärna till ett djup på 90 cm togs och indelad i steg om 30 cm. I 2012, två jord kärnor togs (inom 1 m av motsvarande 2001 provet) till ett djup av 30 cm och indelat i 15 cm steg, med två kärnor som aggregeras för analyser. Metoden 2012 rekommenderas. - Post RTKGPS placera data (x, y, z) vid varje provtagningsplats.
- Skär jord kärnan i önskat djup steg och överför till pre märkta sealable plastpåsar och sedan placera i kylare för transport tillbaka till laboratoriet.
- Upprepa fältprovtagning efter betydande erosion eller nedfall har inträffat (11 år mellan prover i denna studie).
figur 7. Jord provtagning. Jord provet platser är navigerat till med hjälp av en GPS-guidad utility fordon utrustat med en hydraulisk jord coring maskin (a) så att Jord kärnar ur kan vara extraherade (b) och indelad i önskat djup steg.
- position databehandling
- mäta skillnader i höjder registreras vid varje jord prov läge mellan de två prov datum (198 platser provtas i 2001 och 2012 i denna studie).
Obs: Förhöjningar för 2001 togs från den 2001 mark eftersom punkt förhöjningar inte registrerades vid tidpunkten för mark provtagning. Positiva förändringar i höjd > 0,05 m anses depositional platser, medan negativa förändringar i höjd < -0,05 m anses erosional platser. - Klassificera varje provtagningsplats som toppmötet, mot norr sideslope, söderläge sideslope eller toeslope baserat på mark behandling (se protokollet 2.3.2); klassificering på en enda plats, som definieras av lutningen och bidragande området kriterier, kan vara omklassificerats för att matcha den dominerande klassificeringen av omgivande punkter.
- Användning rumsliga förbinder verktyg i GIS-programvara att tilldela provet platser till andra rumsliga datalager används för analyser (markens kartläggning enheten och management strip).
- mäta skillnader i höjder registreras vid varje jord prov läge mellan de två prov datum (198 platser provtas i 2001 och 2012 i denna studie).
4. Jordar analyser
- jord provberedning
- torka jordprover från fältet vid 60 ° C i ett laboratorium ugn över natten.
- Mala ugnstorkad jordar passerar genom en 2 mm sikt med hjälp av en motordriven kvarn eller mortel och mortelstöt.
- Ändrad tryck-Calcimeter apparater Setup
- ställa in modifierade tryck-calcimeter apparaten ( figur 8) genom att ansluta en tryckgivare (0 - 105 kPa räckvidd, 0,03 - 5 V DC-utgång) till en strömkälla med 14 gauge tråd och en digital voltmeter trådbundna i linje att övervaka utdata från givaren.
- Fäst 9,5 mm ID slangar till basen på tryckgivaren och Anslut slangen till en 18 mätare Luer lock injektionsnål med partikelfilter (0,6 µm) i mitten för att samla in några reflux från att nå tryckgivaren.
- Använd serum flaskor som reaktionskärl ansluten till tryckgivaren ( figur 9). bestämma storleken på serum flaskan att använda genom att blöta en metall matsked med vatten och lägga cirka 5 mL jord som du räknar med att ha hög CaCO 3 koncentration. Pipettera 1 mL 0,5 N H 2 så 4 till denna jord och observera gasutveckling.
- Om gasutveckling är hög, då anta större än 15% CaCO 3 koncentration och Använd en flaska 100 mL serum som reaktionskärlet, annars Använd en 20 mL serum flaska.
- ställa in modifierade tryck-calcimeter apparaten ( figur 8) genom att ansluta en tryckgivare (0 - 105 kPa räckvidd, 0,03 - 5 V DC-utgång) till en strömkälla med 14 gauge tråd och en digital voltmeter trådbundna i linje att övervaka utdata från givaren.
figur 8. Den tryck-calcimeter apparater. Den modifierade tryck-calcimeter apparaten använder en serum flaska som reaktionskärlet och en tryckgivare som kabelansluten till en spänning mätare för att mata signalen (från Sherrod et al.) 30.
figur 9. Reaktionskärl för metoden modifierad tryck-calcimeter. Reaktionskärl för metoden modifierad tryck-calcimeter är serum flaskor innehållande en 0.5 dram injektionsflaska med 2 mL syra reagens och en 1 g jordprov.
- karbonat mätning
- Placera ett delprov 1 g av det beredda marken (se protokollet 4.1) in en märkt reaktionskärlet. Använd endast 0,5 g jord för jordar som innehåller mer än 50% CaCO 3,.
- Överför med pipett 2 mL av syra reagens (6 N HCI som innehåller 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) till en injektionsflaska med 0,5 g i glas. Placera injektionsflaskan i reaktionskärlet försiktigt så att lösningen innehållet inte spill ut genom att luta reaktionskärlet nästan på positionen sida.
- Samtidigt hålla reaktionskärlet som innehåller jordprov och sura injektionsflaskan lutas, försegla med grå butylgummi proppar och crimp med aluminium tätningsring.
- Shake reaktion fartyget med en virvlande rörelse att försäkra fullständig blandning av jord med syra. Placera reaktionskärlet på bänken lab och låt reaktionen fortsätter för minst 2 hr.
- Väntan på reaktionskärl att slutföra, fastställa en standardkurva genom att mäta spänningar av kända CaCO 3 koncentrationer med samma reaktion fartyget setup som jordprover ( figur 10). Blanda 100% CaCO 3 med glaspärlor eller sand på vikt procentuell basis att skapa känd CaCO 3 koncentrationer. inkludera ett blindprov utan CaCO 3.
- Efter jord prov reaktioner är komplett, pierce gummi septum av reaktionskärlet med en 18 gauge injektionsnål och posten spänningsutgång av tryckgivaren.
- Lösa för CaCO 3 procent gett den uppmätta spänningen och ekvationen bestäms från standardkurvan ( figur 10a).
Obs: Tryckökning som produceras av utsläpp av CO 2 är linjärt relaterad till koncentrationen av CaCO 3 finns i jorden så att: % CaCO 3 = (regressionskoefficienten * ändra tryck i volt) + intercept.
figur 10. CaCO 3 mätning. (a) en standardkurva för CaCO 3 skapas med de spänning avläsningarna från tryckgivaren baserat på kända procentandelar av CaCO 3 (b) blandas med pulver glaspärlor eller sand.
5. statistiska analyser
- definiera två beroende variabler som förändringen i marken ytbehandla förhöjningar och mark ytskiktet CaCO 3 koncentrationer från första till andra prov datum (2001 – 2012 i denna studie). Definiera oberoende eller förklarande variabler som management (udda eller jämn - numrerade remsa), enskilda remsor, västra eller östra block av remsor, markens kartläggning enhet, landskap klassificering och erosional/depositional klassificering.
- Utför korrelation analys och variansanalys statistiskt kvantifiera relationer mellan variabler. Utföra analyser i någon rekommenderad statistikpaketet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Mappning av mark skillnader från 2001 och 2009 avslöjar erosion (röd) och nedfall (grön) över att 8-år, med decimeter-nivå förändringar i höjd över de flesta områden (figur 5). I fältet-skala är erosion dominerande i det västra och southwesten, medan nedfall ses längs en northwest till southeast diagonalt band på östra sidan av fältet. Alternerande band av erosion och nedfall ses på management-skalan, ofta med tvära kast på management strip gränserna. Mönster relaterade till smutsa typer (figur 4a) uttalas mindre men verkar sammanfalla med topografiska funktioner med vilka smutsa typer hänger starkt ihop. Finskaliga erosional och depositional mönster ses som liknar vatten flöde sökvägar i områden av topografiska konvergens. Tre olika linjära funktioner av erosion, parallellt med management, ses i band 6. En väst-öst transekt (A-A' i figur 5) ritas att undersöka dessa unika funktioner (figur 11), som var mest sannolikt orsakas av jordbearbetning verksamhet. Ingen jord provet platser var belägna inom dessa funktioner i band 6.
Figur 11. Banprofiler (2001 och 2009 * DEMs) längs en väst-öst transekt genom remsa 6 (A-A' i figur 5). * Band 6 höjddata samlas i 2010.
Att dividera västra management remsorna (West Block, band 1 - 6, figur 5), där erosion var dominerande, från östra ledningen (East Block, remsor 7 - 12, figur 5), där nedfallet var dominerande, visas ett omvänt förhållande mellan förändringen i ytan jord CaCO3 (ΔCaCO3) och förändringen i ytan landhöjningen (Δz) på provet platser mellan 2001 och 2012 (figur 12). I erosional västra kvarteret, CaCO3 koncentrationer ökat genomsnitt cirka 3 g kg-1 medan den genomsnittliga höjden minskat ca 2 cm. omvänt, depositional öst blocket visade en genomsnittlig > 4 g/kg minskning av CaCO3 koncentrationer medan den genomsnittliga höjden ökat ca 5 cm. Detta omvända förhållandet är inte närvarande vid poolning alla remsor tillsammans över hela fältet.
Figur 12. Rumsligt i genomsnitt förändring i CaCO3 koncentration (0-30-cm djup) och ytan landhöjningen som påverkas av block av West (band 1-6) och öst (7-12 remsor) områden efter 11 år (2001-2012). Figur 5 visar band nummer och gränser. Felstaplar är ±1 SEM (från Sherrod et al.) 6.
Separera erosional provet platser (Δz <-5 cm) från depositional platser (Δz > 5 cm), alla liggande positioner avslöja ett omvänt förhållande mellan ΔCaCO3 och Δz, utom mot norr () sideslopes (Se figur 13). Genomsnitt över alla landskap, upprätthålls Detta omvänt förhållande på erosional platser. på depositional platser, dock är ΔCaCO3 nästan oförändrad. För depositional platser, nedfallet är störst i toeslope positioner, i genomsnitt nära 13 cm. genomsnittliga sänkningar av CaCO3 är också störst (8,2 g/kg) i dessa depositional toeslope positioner. För de erosional prov platserna, genomsnittliga erosion är störst (17,4 cm) på norrläge sideslopes, dock detta motsvarade inte med en ökning av CaCO3 som kan ses i alla andra erosional liggande positioner. Förutsatt att en jord bulkdensitet 1,4 g/cm3, 17,4 cm jord förlust är lika med en erosion andelen 221 Mg/ha/år under studieperioden, nästan 20 gånger T värde för den här webbplatsen. Beräkning av net erosion över hela fältet skulle kräva detaljerad kunskap om jord bulkdensitet före erosion och efter nedfall. Eftersom det finns en genomsnittliga nettovinst i höjd över fältet, en konstant skrymdensitet skulle indikera en netto nedfall, men eftersom deponerade jordar sannolikt på en lägre bulkdensitet än innan den transporteras, en netto marken-förlust antas.
Figur 13. Rumsligt i genomsnitt förändring (2001-2012) i CaCO3 koncentration (0-30-cm djup) och ytan landhöjningen som påverkas av landskapet klassificeringen i Erosional och Depositional landskap områden; NF norrläge och SF söderläge (från Sherrod et al.) 6. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
En korrelation analys av Δz och ΔCaCO3 med webbplatsen variabler relaterade till management (udda- eller ens - numrerade remsa), enskilda remsor, väst eller öst block av remsor, markens kartläggning enhet, och liggande ställning presenteras i tabell 2 . De mest signifikanta korrelationerna (p < 0,0001) ses mellan Δz och individuell förvaltning remsor eller strip block (väst eller öst). Förändring i CaCO3 mest signifikant korrelation mellan (p = 0,016) till markens kartläggning enheten, medan Δz inte var korrelerad till jordar. Mindre betydande (p = 0,036) var korrelationen mellan ΔCaCO3 och strip block, med vilken Δz korrelerade också. En variansanalys visar Δz påverkas signifikant (p < 0,06) av alla webbplats variabler (tabell 3). Erosional klass (erosional, depositional eller oförändrad: EDU) mest signifikant (p = 0,075) påverkas ΔCaCO3, följt av markens kartläggning enhet och enskilda remsor, båda betydande under en 10% signifikansnivå.
| Pearsons korrelationskoefficient | ||||||
| Variabel | Remsor | Blocket | ||||
Tabell 2. Korrelation analys av Δz och ΔCaCO3 med webbplatsen variabler. Korrelationsmatris för webbplatsen variabler associerade med höjd (z) och CaCO3 förändringar efter 11 år som påverkats av ledningen (udda eller jämna strips), individuella remsor, west block (band 1 - 6) eller öst blocket (remsor 7 - 12), markens kartläggning enhet, och liggande position (toppmötet, sida-norr vetter, sida-söderläge och toeslope) (från Sherrod et al.) 6.
| ΔElevation | ΔCaCO3 | |||
| Variabel | F-värde | PR > F | F-värde | PR > F |
| Förvaltning | 3,47 | 0.0643 | 0,07 | 0.7957 |
| Remsor | 50,25 | < 0,0001 | 2.84 | 0.0937 |
| Blocket | 7,48 | 0.0069 | 1,79 | 0.1824 |
| Jord | 5,57 | 0,0193 | 3.16 | 0.0773 |
| EDU | NA * | NA | 3.21 | 0.0750 |
| * NA, ej tillämpligt eftersom EDU bestäms från ΔElevation. | ||||
| EDU = Erosional (E), Depositional (D), oförändrad (U) | ||||
Tabell 3. Variansanalys för beroende variabler av årsförändring CaCO i höjd och3 koncentration. Variansanalys för beroende variabler av förändringen i höjd och ändring av CaCO3 koncentrationen i 0 - till 30-cm djup ökningsvärdet efter 11 år som berörs av ledningen (udda eller jämna strips), individuella remsor, blockera väst (band 1 - 6) eller öst block (7-12 remsor), markens kartläggning enhet och erosional klass (EDU): erosional (Δz <-5 cm), depositional (Δz > 5 cm), eller oförändrade (-5 cm < Δz < 5 cm) (från Sherrod et al.) 6.
Interpolering av surface CaCO3 punkt proverna i 2001 och 2012 resultat i kartorna visas (siffror 14a, 14b), och en skillnad karta skapas från dessa att Visa interpolerade ΔCaCO3 (figur 14 c). Relativt liten, koncentrerade områden av hög och låg CaCO3 sett i 2001 kartan (figur 14a) ses inte längre i 2012 där den rumsliga mönstren är mindre komplex (bild 14b). Denna ”utjämning” av 2001 kartan till 2012 kartan anger ökning CaCO3 i tidigare lägre CaCO3 områden och en minskning av CaCO3 där CaCO3 var hög. Mönster av ΔCaCO3 (figur 14 c) Visa ökar mest i långt västerut och vissa förhållande till mark yta topografin.
Figur 14. Kriged interpolering kartor av CaCO3 koncentrationer. Kriged interpolering kartor av CaCO3 koncentrationer i djup intervallet 0 till 30 cm för (a) 2001, (b) 2012 och (c) ändra från 2001 till 2012. Jord provet platser visas som cirklar (a, b) och höjd konturer med 1-m intervall visas i c (från Sherrod et al.) 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Mappade förändringar i höjd (figur 5) illustrerar betydande erosion och nedfall på en jordbruksområdet och rumsliga mönster tyder på flera kontrollerande faktorer över flera skalor. Från fältet skala mönster i samband med vind, ner till finskaliga dendritiska mönster produceras av vattenflödet, är processer som är relevanta för denna studie märkbara. Höjd förändring upptäckt som tillhandahålls av upprepade RTKGPS marken undersökningar förefaller optimal. Finare detektionsnivåer, som anges av TLS, kan komplicera resultat genom att införa microtopographic funktioner, till exempel beskära åsar och fåror, medan grövre detektionsnivåer, som funnit med luftburna undersökningar, inte kanske tillräckligt för att fånga fina skala mönster. Genomföra RTKGPS marken undersökningar över ett område av denna storlek (~ 100 hektar) tar ett par dagar, men på grund av begränsningar i samlar bara en enda punkt per sekund och restid för att täcka området webbplats. Framsteg inom luftburna undersökningar kan tillhandahålla bättre alternativa metoder i framtiden om undersökningen exaktheter kan förbättra för att matcha riktigheten av marken undersökningar används här.
Blandade resultat sågs i korrelerande förändringar i ytan jord CaCO3 med förändringar i ytan landhöjningen, som förutspådde av den konceptuella modellen. Under 2001 var ytan jordprover för CaCO3 koncentrationer endast tillgänglig i en djup increment över de översta 30 cm. I 2012 delades jordproverna in i två 15 cm steg över de översta 30 cm. En analys av ΔCaCO3 i endast topp 15 cm sannolikt ändrar dessa resultat och kan visa sig vara mer starkt relaterade till erosion och nedfall. De modifierade tryck-calcimeter metod30 fortsätter att fungera som en effektiv metod för jord CaCO3 mätning.
Detta dokument ger en detaljerad strategi för Fältskalan kvantifiering och beskrivning av erosional och depositional processer i en jordbruksområdet. Metoderna som beskrivs här kan tillämpas på andra platser där det finns kalkrika lager nära markytan. Framtida arbete planeras för denna webbplats att beräkna en ny mark använder och mäta ytan höjdförändringar sedan 2009, när sista komplett RTKGPS marken undersökningen genomfördes. Också, den jord stickprovsprogram 2012 för surface jord CaCO3 kommer att upprepas i steg om 15 cm djup så att förändringar i de översta 15 cm kan jämföras mellan framtida provet och 2012.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Fält studie webbplatsen är på en gård som förvaltas av David Drake och vi tackar honom för hans samarbete under detta långsiktig forskning. Vi tackar också Mike Murphy för hans många års fältarbete på detta projekt och Robin Montenieri för hennes hjälp med grafik som används i denna uppsats.
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).
