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Messung und Mapping-Muster von Erosion und Ablagerung im Zusammenhang mit Boden-Karbonat-Konzentrationen unter Landbewirtschaftung

Published: September 12, 2017 doi: 10.3791/56064
Automatic Translation
1, 1, 1
1Water Management and System Research Unit, Center for Agricultural Resources Research, USDA Agricultural Research Service (ARS)

Summary

Räumliche Muster von Erosion und Ablagerung Boden Höhenunterschiede abgebildet bei gegebener Zeit-Schritten entnehmen. Solche Änderungen in der Höhe beziehen sich auf Änderungen in oberflächennahen Böden Karbonate. Wiederholbare Methoden für Feld- und Laborversuche Messungen dieser Mengen und Daten-Analyse-Methoden werden hier beschrieben.

Abstract

Räumliche Muster von Erosion und Ablagerung Boden Höhenunterschiede abgebildet bei gegebener Zeit-Schritten entnehmen. Solche Änderungen in der Höhe beziehen sich auf Änderungen in oberflächennahen Bodenprofilen Calciumcarbonat (CaCO3). Ziel ist es, einen einfachen konzeptionellen Modell und ausführliches Protokoll für wiederholbare Feld- und Labormessungen dieser Mengen zu beschreiben. Hier wird genaue Höhe anhand ein bodengebundenen differential global positioning System (GPS); andere Daten Akquisemethoden konnte auf die gleiche grundlegende Methode angewendet werden. Bodenproben werden von gesammelt, Tiefe Intervalle vorgeschrieben und im Labor mit einer effizient und präzise veränderten Druck-Calcimeter-Methode für die Quantitative Analyse von anorganischen Kohlenstoff-Konzentration analysiert. Standard-statistische Methoden werden angewendet, um Datenpunkt und repräsentative Ergebnisse zeigen signifikante Korrelationen zwischen Änderungen in Boden Oberflächenschicht CaCO3 und in der Höhe mit dem konzeptionellen Modell konsistent; CaCO3 in der Regel in den Ablagerungsbedingungen Bereichen verringert und erosive Bereichen erhöht. Karten stammen aus Punktmessungen der Höhe und des Bodens CaCO3 um Analysen zu unterstützen. Eine Karte der Erosions- und Ablagerungsprozessen Muster im Untersuchungsgebiet, ein regen-fed Winter Weizenfeld in wechselnden Weizen-Brache Streifen, beschnitten zeigt die wechselwirkenden Effekte von Wasser und Wind-Erosion betroffen sind Management und Topographie. Alternative Probenahmeverfahren und Tiefe Intervalle sind diskutiert und für die künftige Arbeit im Zusammenhang mit Erosion und Ablagerung zu CaCO3Boden empfohlen.

Introduction

Bodenerosion droht die Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Flächen. Beschneiden Sie Management, z. B. einer konventionell bebaut Winterweizen-Brache Fruchtfolge zu, beschleunigen Sie Erosion und Ablagerung Prozesse kann, wie nackten Böden brach liegende Zeiten sind anfälliger für Wind und Wasser Kräfte1,2, 3 , 4 , 5 (Abbildung 1). Während dieser Prozesse sichtbar sein könnte, können sie nur schwer quantifizierbar sein.

Der Zweck dieser Studie soll zuerst eine effiziente Methode zur Quantifizierung und Beschreibung räumliche Muster der Erosion und Ablagerung im Feld skalieren mit global positioning (GPS) Systemtechnologie und geographische Informationssysteme (GIS) mapping-Tools. Ein einfaches konzeptionellen Modell im Zusammenhang mit diesen Mustern um oberflächennahen Böden Karbonate (CaCO3) ist auch vorgestellt und getestet von vorgeschriebenen Feld- und Labormethoden. Diese Beziehungen bieten indirekte Maßnahmen von Erosion und Ablagerung, während der Validierung der Ergebnisse der GPS-Methode. Der vorliegende Beitrag betont Sherrod Et al.verwendeten Methoden. damit sie, im großen und ganzen ganz oder teilweise für ähnliche Forschungen in anderen Orten6wiederholt werden können.

Figure 1
Abbildung 1: Fotos von Erosion (a) und (b) Abscheiden im Untersuchungsgebiet nach einer schweren Niederschlagsereignis. Eine Traktor-Reifen-Spur in der rechten unteren Ecke des Fotos (b) zeigt die Tiefe der Ablagerung an der Grenze zum Weizen/Brache.

Verschiedene direkte Methoden zur Messung der Bodenerosion durch Stroosnijder7überprüft wurden. Vorgeschlagene Methoden variieren mit der Messung Zweck und Mittel zur Verfügung, aber eine "Änderung der DGM-Höhe"-Methode wird empfohlen, in den Hang-Maßstab und bietet den Vorteil der Messung von Erosion und Ablagerung. Eine Möglichkeit, diese Methode anzuwenden ist Stifte im Boden installieren und überwachen die Änderung in der Höhe des Bodens relativ zum oberen Rand der Pin7. Mit Fortschritten in der Technologie der Landvermessung kann jedoch diese arbeitsintensive Vorgehensweise durch andere Techniken wie Terrestrisches Laserscanning (TLS)8,9,10,11 ersetzt werden , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne Laserscanning (ALS)17,18,19,20,21, GPS-6,22, erweiterte Photogrammetrie23 ,24, oder Kombinationen von diesen Techniken25,26,27. Während Laser scannen, gemeinhin als LiDAR (Light Detection And Ranging), die die schnelle Beschaffung von dichten Oberflächenhöhe Datensätze liefert, müssen Korrekturen, stehende Objekte, z. B. Vegetation zu entfernen. Mit Millimeter-Ebene vertikale Genauigkeit, TLS kann der kleinste Höhenänderung jedoch erkennen Perroy Et Al. empfohlen ALS über TLS Gulley Erosion Schätzungen aufgrund der größeren Scan Fußabdruck und bessere Instrument Orientierung (weniger Topographische shadowing) für das Scannen in tief eingeschnittenen Schluchten28. Echtzeit-kinematischen GPS (RTKGPS), mit Zentimeter-Ebene Präzision ohne Daten Nachbearbeitung ist für diese Studie verwendet. Die räumliche Auflösung und Präzision der RTKGPS erfassten Daten sind optimal für die Erkennung von Erosions- und Ablagerungsprozessen dominanten in einen landwirtschaftlichen Bereich oder in anderen Umgebungen mit erheblichen Bodendecker.

Die Druck-Calcimeter-Methode zur Quantifizierung der Boden CaCO3 stützt sich auf die Bodenreaktion, Säure in einem geschlossenen System, wodurch die Freisetzung von CO2. Der Anstieg des Drucks in den Reaktionsbehälter bei einer konstanten Temperatur ist linear auf die Höhe des Bodens CaCO329korreliert. Änderungen an der traditionellen Druck-Calcimeter-Methode von Sherrod Et al.beschrieben., enthalten Sie ändern den Reaktionsbehälter zu Serum-Flaschen und einem Druckaufnehmer mit einem digitalen Voltmeter zur Detektion von Druckänderungen verdrahtet 30. diese Modifikationen erlauben eine niedrigere Nachweisgrenzen und eine höhere Kapazität für tägliche Bodenprobe läuft. Gravimetrische oder einfache titrimetrische Methoden für Boden CaCO3 Messung produziert größere Fehler und Nachweisgrenzen als diese Druck-Calcimeter Methode30geändert.

Konzeptionelles Modell

Beim direkten Maßnahmen von Erosion und Ablagerung nicht machbar sind, können indirekte Indikatoren für diese Prozesse verwendet werden. Sherrod Et Al. die Hypothese, dass Boden Oberflächenschicht CaCO3 Konzentration in einem semi-ariden Klima invers mit der Höhenunterschied Boden Oberfläche korreliert ist (positiv korreliert mit Erosion, negativ korreliert mit Absetzung)6. Die Hypothese sollte im großen und ganzen gelten jedoch bestimmte Beziehungen hängt nach Standortbedingungen (Boden, Vegetation, Management und Klima). Böden auf dem Testgelände (Tabelle 1) enthalten in der Regel eine deutliche kalkhaltige Schicht 15-20 cm unterhalb der Bodenoberfläche. Konzeptionell wird Erosion die Oberflächenschicht des relativ niedrigen CaCO3 Konzentration verlassen diese kalkhaltigen Schicht von hohen CaCO3 näher an der Bodenoberfläche entfernt. Die niedrigen CaCO3 Boden wird dann zu den Ablagerungsbedingungen, verursacht die kalkhaltige Schicht tiefer unter der Bodenoberfläche (Abbildung 2) begraben werden transportiert. Sampling-diese Böden im Laufe der Zeit Abständen entsprechend tief, kann Erosion und Ablagerung (oder auch nicht) von CaCO3 -Konzentration nach diesem Modell abgeleitet werden.

Boden-Serie Steigung Taxonomische Klassifikation Tiefe pH EG Insgesamt N SOC CaCO3
% cm 1:2 dS-m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 Colby Lehm 5-9 fein-sandigen, gemischte, superaktiven, kalkhaltigen, mesic 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 Kim sandiger Lehm 2-5 fein-lehmige, gemischte, aktiv, kalkhaltigen, mesic 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 fein-lehmige, gemischte, aktiv, kalkhaltigen, mesic 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 Lehm 0-2 grobe schluffiger, gemischte, superaktiven mesic 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 grobe schluffiger, gemischte, superaktiven mesic 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

Tabelle 1. Böden auf dem Testgelände. Des Bodens Kartiereinheiten und taxonomische Klassifikation, mit durchschnittlichen Boden-pH, elektrische Leitfähigkeit (EC), insgesamt N Boden organische C (SOC) und CaCO3 -Konzentrationen in der 0-bis 15- und 15 - 30 cm Tiefe Schritten für die Scott Feld im Jahr 2012 (von Sherrod et Al.) 6.

Figure 2
Abbildung 2: Konzeptionelle Bodenprofilen. Konzeptionelle Bodenprofile für (a) eine statische Bodenmatrix mit CaCO3 filterte von der Oberflächenschicht und ausgefällt einer tieferen Schicht, (b) mäßiger Erosion der Oberflächenschicht und (c) moderate Ablagerung von material über die vorherigen Oberflächenschicht. Tiefe-Intervalle (links) sind ungefähre bezogen auf Standortdaten (von Sherrod Et Al) 6. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Site-Beschreibung und Geschichte

Die 109-ha Scott Feld ist Bestandteil der Drake-Farm im nordöstlichen Colorado (40.61oN, 104.84oW, Abbildung 3) und war von 2001 bis 2012 für diese Studie überwacht. Durchschnittliche jährliche Niederschlag und Evapotranspiration wurden ca. 350 bis 1200 mm, jeweils in diesem semi-ariden Klima, wo konvektive Regen von kurzer Dauer und hoher Intensität waren häufig während des Sommers. Höhenlagen reichen von 1559 bis 1588 m in dieser leicht hügeligen Gelände mit unterschiedlichen Landschaft Positionen: Gipfel, Böschungsverknüpfung Nordseite (Seite-NF), Böschungsverknüpfung Süd (Seite-SF) und Toeslope (Abbildung 4 b). Abwechselnde Streifen (~ 120 m breit) wurden in der Regel in dieser Rainfed Winterweizen-Brache Rotation verwaltet, so dass jeder andere Streifen für etwa 14 Monate aus jedem Zyklus 24 Monate Drehung Brache war. Flache Bodenbearbeitung (~ 7 cm), in der Regel V-Messer fegt, 4 bis 6 Mal durch die Brache Zeit zur Unkrautbekämpfung aufgetreten. Böden auf der Baustelle wurden um eine Bodenverlust Toleranz oder T -Wert von 11 Mg ha-1 Jahr-1, wo sind Erosionsraten unterhalb dieses Wertes T für weitere landwirtschaftliche Produktion4 als akzeptabel eingestuft .

Figure 3
Abbildung 3. Standort ist auf eine topographische Relief Bild (1011 bis 4401 m) des Staates Colorado, USA gezeigt. Mittlere Höhe des Standortes ist 1577 m.

Figure 4
Abbildung 4. Böden, Karte und Land-DGM-Höhe von Scott Field. (a) Bodenkarte von der Scott Field zeigt Punktpositionen Boden Probe und der Bestandesführung Streifen. Boden Einheit Abkürzungen sind: 1 = Wagonwheel Lehm 0-2 % Steigung, 2 = Wagonwheel Lehm 2-5 % Steigung, 3 = Colby Lehm 5-9 % Steigung, 4 = Kim feiner sandiger Lehm 2-5 % Steigung, 5 = Kim feiner sandiger Lehm 5-9 % Steigung; und (b) Land Oberflächenhöhe des Felds basierend auf der 2001 5 m Raster digitales Höhenmodell (DEM), mit Boden Probe Standorten gezeigt durch Land-Klassifikation (von Sherrod Et Al) 6.

Die erste Boden Oberflächenhöhe Umfrage wurde im Jahr 2001 auf ein digitales Höhenmodell (DEM) für den Standort produzieren von RTKGPS gesammelt. In Verbindung mit McCutcheon Et Al., eine intensive Bodenprobe (Abb. 4a) auch im Jahr 2001 durchgeführt wurde, von der Oberfläche des Bodens CaCO3 analysiert wurden, durch einen veränderten Druck-Calcimeter Methode30,31 . Optisch deutlich Erosion und Ablagerung in den folgenden zehn Jahren auftreten wegen des Windes, überwiegend aus dem Nordwesten und Niederschlag-Abfluss Ereignisse veranlasst eine zweite RTKGPS Höhe Befragung im Jahr 2009 (mit einem Teil des Feldes im Jahr 2010 abgeschlossen). Vergleich der neuen DM auf die ursprünglichen 2001 DM über DEM Unterschied Karte32 bestätigt signifikante Erosion und Ablagerung, Anzeige von Mustern, die mehrere steuernde Faktoren für diese Prozesse (Abbildung 5) vorgeschlagen. Angesichts der erheblichen Oberboden Umverteilung am Standort sowie die historischen CaCO3 Bodendaten, wurde der Bodenprobe 2001 im Jahr 2012 ein konzeptionelles Modell der Hydropedological Prozesse6, testen wiederholt, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.

Figure 5
Abbildung 5. Karte von Änderungen (2001-2009 *) in der Landoberfläche Höhe (ΔZ) auf einem Raster von 5 m innerhalb der Scott Field im nordöstlichen Colorado. Ernte Streifen Zahlen sind über das System abwechselnd Winter-Weizen-Brache zuschneiden, beschriftet undAbschnitt A-A "wird angezeigt (Angaben in Abbildung 11). * Streifen 2, 4, 6, 8 Befragten im Jahr 2010 auf DEM 2009 (von Sherrod Et Al) abgeschlossen 6. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Protocol

1. Land Oberfläche Höhe Datensammlung

  1. GPS Kalibrierung für Website
    1. suchen oder eine Gruppe, die eine stabile benchmark an einem sicheren Ort auf dem Gelände der Umfrage zur Verwendung als Basisstation GPS für RTKGPS Datenerhebung.
    2. Richten Sie Basisstation für RTKGPS Datenerhebung auf dieser lokalen Benchmark mit beste Annäherung der Koordinaten für die Basisstation Lage (d. h. WAAS-korrigierte GPS-Position).
    3. Mit der GPS-Rover, besuchen Sie mindestens drei horizontale und vertikale Steuerung Punkt Maßstäbe innerhalb der RTKGPS (ca. 10 km Radius) und Rekord Positionen Radio Kommunikation.
      Hinweis: Benchmarks beschrieben durch National Geodetic Survey kann durchsucht Online- 33 und dienten hier.
    4. Angesichts der gemessenen und veröffentlichten Koordinaten der Passpunkte, RTKGPS Feld-Software verwenden, um eine Website Kalibrierung 34, Lösung für Koordinaten der lokalen Maßstab als Basisstation verwendet werden durchzuführen. Überprüfen, dass Koordinate Residuen (horizontal und vertikal) für die Kontrollpunkte in erträglichen Grenzen (± 0,02 m für diese Kalibrierung).
  2. GPS-Punkt Datenerhebung
    1. mit Basisstation GPS auf lokalen Maßstab setzen und mit lokalen Standort Kalibrierung und Feld-Software aufzeichnen RTKGPS Positionsdaten in GPS-Datensammler im ca. 5 m horizontaler Abstand während der Umfrageergebnis Bereich.
      1. Oberfläche sammele Daten effizient durch Montage Rover GPS-Antenne auf einer gemessenen bestimmten Höhe über dem Boden an einem Fahrzeug und fahren durch die Gegend ( Abbildung 6) Transekte.
    2. Für Fahrzeug-Methode definieren Transekt Endpunkte erstellen Parallel Transekte Abstand 5 m voneinander entfernt. Import Transekt Endpunkte in GPS-Datensammler für Navigation von Transekten während der Fahrt. Sammeln Sie Punkte mit dem Datensammler automatisch einmal pro Sekunde, während der Fahrt bei ca. 5 m s -1 bis Punkt Daten über jeden 5 m. Transekte
    3. Wiederholen Sie Punkt Datenerhebung am Ort wie oben beschriebenen bei späteren Zeitpunkt (8 bis 9 Jahre später in dieser Studie) damit Land Oberflächenhöhe Veränderungen analysiert werden können, die original GPS-Standort Kalibrierung ist für alle Erhebungen verwendet und wird nicht wiederholt.

Figure 6
Abbildung 6. RTKGPS Höhe Oberflächendaten Sammlung. RTKGPS Höhe DGM-Daten werden gesammelt, während der Fahrt ein Nutzfahrzeug durch das Feld (a), während in Echtzeit GPS-Korrekturen durch die vor-Ort-Basisstation (b) zur Verfügung gestellt werden.

2. DM-Erstellung und Bearbeitung

  1. erstellen die DEMs
    1. Import Positionsdaten in GIS-Software und interpolieren auf einem Raster von 5 m DM. mittels GIS-Software, Kreuz-validate gemessenen Punkthöhen interpolierten Höhe Werte und wählen Sie eine Interpolationsmethode, die diese Kreuzvalidierung Fehler minimiert.
      Hinweis: Gewöhnliche Kriging mit einer Gaußschen Semivariogramm-Modell war die optimale Interpolationsmethode für die Höhendaten an diesem Standort. Kreuzvalidierung bietet auch ein Maß für die Genauigkeit der Erhebung für die Umfrage Methode 35.
    2. Wiederholen Sie die 2.1.1 für zweiten Satz von Positionsdaten erstelle ich zweite DM.
  2. Mapping DM Änderung
    1. mit einem Raster-Rechner-Tool in GIS, subtrahieren Sie die jüngsten DM aus DEM ursprünglichen erstelle ich eine Rasterkarte von DM ändern ( Abbildung 5), wo negative Werte der Höhe ändern Stellen Erosion und positive Werte repräsentieren Ablagerung.
  3. Land-Klassifikation
    1. Compute landen Oberfläche topographischen Attribute (Neigung, Aspekt, einen Beitrag Bereich) aus dem ersten Raster DM mit DEM Grafikanwendung.
    2. Klassifizieren landen Bereiche als Gipfel, Böschungsverknüpfung oder Toeslope basierend auf Piste und beitragenden Fläche der einzelnen Rasterzelle DM.
      Hinweis: Gipfeltreffen sind vertreten durch geringe Steigungen und niedrigen Bereichen beitragen. Böschungen sind vertreten durch hohe Steigungen und zwischenzeitliche Gebiete beitragen. Toeslopes sind durch geringe Steigungen und beitragenden Höhenlagen vertreten. Hang und Bereichswerte definieren diese Klassifizierungen Beitrag richtet sich nach dem Land Oberflächentopographie am Standort und sind qualitativ ausgewählt, um die gewünschte Darstellung der einzelnen Bereiche Klassifizierung für eine bestimmte Website zu geben.
    3. Böschungsverknüpfung Gebiete durch die beiden dominierenden Aspekte, nach Norden und Süden an dieser Stelle teilen.

3. Erde-Sampling

  1. Probe Planung
    1. Referenz Karten in GIS, Boden-Probe-Standorte zu planen. Wählen Sie eine Reihe von Standorten ausreichend alle Landschaft Positionen vertreten.
    2. Upload Beispielspeicherort Koordinaten zu den GPS-Datensammler damit Beispielsites im Bereich gefunden werden können.
    3. Nutzung Vorwissen des Bodens am Standort Entscheidungen des Sample-Tiefe-Schritten um CaCO 3 Variabilität zu erfassen. Pre-label verschließbaren Plastikbeutel um Probe Position und Tiefe Inkrement anzugeben.
  2. Bereich Probenahme
    1. fahren um die Beispiel-Websites mit einem Nutzfahrzeug, ausgestattet mit einem hydraulischen Boden entkernen Maschine und die RTKGPS Rover Antenne für Navigation.
    2. Mit Boden entkernen Maschine und sampling-Rohr für gewünschte Boden Kerndurchmesser (5,1 cm in dieser Studie), Auszug Boden Kern aus jeder Probe-Standort ( Abbildung 7).
      Hinweis: Die Anzahl der Kerne an jedem Standort sowie die Bodentiefe Kern extrahiert und Schritten, die in dieser Studie variiert. Im Jahr 2001 wurde eine single-Core bis zu einer Tiefe von 90 cm genommen und in 30 cm Schritten unterteilt. Im Jahr 2012 waren zwei Boden-Kerne (innerhalb von 1 m der entsprechenden 2001 Probe) bis zu einer Tiefe von 30 cm genommen und unterteilt in 15 cm Schritten, mit den beiden Kernen für Analysen zusammengefasst werden. Die 2012-Methode wird empfohlen,.
    3. Datensatz RTKGPS Positionsdaten (X, y, Z) an jedem Standort Probe.
    4. Gewünschte Tiefe Schritten den Boden Kern geschnitten und in bereits beschriftete verschließbaren Plastikbeutel und dann im Kühler für den Transport ins Labor.
    5. Wiederholen, Bereich Probenahme nach erheblichen Erosion bzw. Hinterlegung aufgetreten (11 Jahre zwischen Proben in dieser Studie).

Figure 7
Abbildung 7. Beschmutzen Sie Sampling. Boden-Probe-Standorte sind navigiert wird, mit einer GPS-geführte Nutzfahrzeug, ausgestattet mit einem hydraulischen Boden entkernen Maschine (a), so dass Boden Kerne können extrahierte (b) und in der gewünschten Tiefe-Schritten unterteilt.

  1. Position Datenverarbeitung
    1. Maßnahme in Erhebungen erfasst an jedem Boden-Probe-Standort zwischen den beiden Probe Datumsangaben (198 Standorte 2001 und 2012 in dieser Studie in der Stichprobe).
      Hinweis: Höhen für 2001 stammen aus DEM 2001 da Punkthöhen nicht, zum Zeitpunkt der Probenahme Boden aufgezeichnet wurden. Positive Veränderungen in der Höhe > 0,05 m gelten dEpositional Seiten, während negative Veränderungen in der Höhe <-0,050 m gelten als erosive Websites.
    2. Klassifizierung jeder Probe-Standort als Gipfel, nordseitigen Böschungsverknüpfung, Süd-Böschungsverknüpfung oder Toeslope basierend auf der DM-Verarbeitung (siehe Protokoll 2.3.2); Klassifizierung an einem Ort, definiert durch die Neigung und die Beitragenden Bereich Kriterien möglicherweise entsprechend die dominierende Klassifizierung der umgebenden Punkten umgegliedert.
    3. Nutzung räumlicher Beitritt Werkzeuge in GIS-Software andere räumliche Daten-Layer für Analysen (Management-Streifen und Boden Mapping Unit) verwendet Probe Standorte zuweisen.

4. Böden-Analysen

  1. Boden Probenvorbereitung
    1. Bodenproben aus dem Bereich bei 60 ° C in einem Labor-Ofen über Nacht trocken.
    2. Ofen getrocknet Böden passieren ein 2 mm Sieb mit einer motorisierten Schleifmaschine oder einen Mörser und Stößel zermahlen.
  2. Druck-Calcimeter Geräte-Setup geändert
    1. richten Sie den veränderten Druck-Calcimeter-Apparat ( Abbildung 8) durch die Verbindung von einem Drucksensor (0 - 105 kPa Reichweite, 0,03 - 5 V DC-Ausgang) an ein Netzteil mit 14 gauge Draht und einem digitalen Voltmeter verdrahtet in Linie, Ausgang aus dem Wandler zu überwachen.
      1. 9,5-mm ID Schlauch an der Basis der Drucksensor befestigen und ein 18-Gauge Luer Lock Injektionsnadel mit Partikelfilter (0,6 µm) in der Mitte jeder Reflux zu sammeln, vom Erreichen der Drucksensor Schlauch an.
    2. Verwendung Serum Flaschen als Reaktionsgefäße verbunden, der Drucksensor ( Abbildung 9). bestimmen Sie die Größe der Flasche zu verwenden, indem Sie einen Metall Esslöffel mit Wasser anfeuchten und das Hinzufügen von ca. 5 mL Serum Erde, die Sie erwarten, haben hohe CaCO Konzentration 3. Pipettieren 1 mL 0,5 N H 2 SO 4 auf dieser Erde und beobachten Aufbrausen.
    3. Wenn Aufbrausen hoch ist, dann übernehmen größer als 15 % CaCO 3-Konzentration und eine Flasche 100 mL Serum als Reaktionsgefäß verwenden, sonst verwenden eine Flasche 20 mL Serum.

Figure 8
Abbildung 8. Druck-Calcimeter Apparat geändert. Den veränderten Druck-Calcimeter-Apparat verwendet eine Serum-Flasche als den Reaktionsbehälter und ein Druckaufnehmer verdrahtet, um ein Spannungsmesser zur Ausgabe der Signale (von Sherrod Et Al) 30.

Figure 9
Abbildung 9. Reaktionsgefäße für die veränderten Druck-Calcimeter-Methode. Reaktionsgefäße für die veränderten Druck-Calcimeter-Methode sind Serum-Flaschen mit einem 0,5 DRAM-Fläschchen mit 2 mL saure Reagenzien und eine Bodenprobe 1G.

  1. Carbonat Messung
    1. legen Sie eine 1 g Teilstichprobe von den vorbereiteten Boden (siehe Protokoll 4.1) in ein Reaktionsgefäß gekennzeichnet. Für Böden, die größer als 50 % CaCO 3 enthält, verwenden Sie nur 0,5 g Boden.
    2. Säure Pipettieren 2 mL Reagenz (6 N HCI mit 3 % FeCL 2 O 4 H 2 O) in einer Glasflasche 0,5 g. Fläschchen in Reaktionsgefäß sanft platzieren, so dass die Lösung Inhalt nicht heraus zu verschütten durch Kippen den Reaktionsbehälter fast in der Seitenlage.
    3. Und dabei den Reaktionsbehälter mit der Bodenprobe und sauren Fläschchen gekippt, mit grauen Butyl-Gummistopfen verschließen und Crimpen mit Aluminium Dichtring.
    4. Shake Reaktion Behälter mit einer wirbelnden Bewegung, komplette Durchmischung des Bodens mit Säure zu versichern. Legen Sie den Reaktionsbehälter auf dem Labortisch und die Reaktion für mindestens 2 Std. gehen lassen
    5. Während des Wartens auf Reaktionsgefäßen abschließen, bestimmen eine Standardkurve von Messspannungen bekannte CaCO 3 Konzentrationen mit der gleichen Reaktion Behälter Setup als Bodenproben ( Abbildung 10). 100 % mischen CaCO 3 mit Glasperlen oder Sand Gewicht prozentual erstellen bekannt CaCO 3 Konzentrationen umfassen eine leere Probe ohne CaCO 3.
    6. Nach Abschluss Boden Probe Reaktionen Pierce Gummiseptum von den Reaktionsbehälter mit einem 18 Injektionsnadel und Datensatz Spannungsausgang durch der Drucksensor messen.
    7. Lösung für CaCO 3 Prozentsatz die gemessene Spannung gegeben und die Gleichung anhand der Standardkurve ( Abb. 10a).
      Hinweis: Anstieg des Drucks durch Freisetzung von CO 2 produziert linear bezieht sich auf die Konzentration von CaCO 3 im Boden so dass: % CaCO 3 = (Regressionskoeffizienten * Druckänderung in Volt) + abzufangen.

Figure 10
Abbildung 10. CaCO 3 Messung. (a) eine Standardkurve für CaCO 3 entsteht durch die Spannung Lesungen aus der Drucksensor basierend auf bekannten Prozentsätze von CaCO 3 (b) gemischt mit Pulver Glasperlen oder Sand.

5. statistische Auswertungen

  1. definieren zwei abhängige Variablen wie der Wandel im Boden Oberfläche lagen und Böden Oberflächenschicht CaCO 3 Konzentrationen von der ersten bis zweiten Probe Termine (2001 bis 2012 in dieser Studie). Unabhängige oder erklärende Variablen als Management (ungerade oder sogar - nummerierte Streifen), einzelne Streifen, West oder Ost Block Streifen, Boden Mapping Unit, Landschaft Klassifizierung und erosive/Ablagerungsbedingungen Klassifizierung definieren.
  2. Perform Korrelation Analyse und Analyse der Varianz, Beziehungen zwischen Variablen statistisch zu quantifizieren. Analysen in jede gewünschte Statistikpaket.

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Representative Results

Zuordnen von DEM Unterschiede zwischen 2001 und 2009 enthüllt (rot) Erosion und Ablagerung (grün) in diesem 8-Jahres-Zeitraum mit Dezimeter-Ebene Höhenunterschiede in den meisten Bereichen (Abbildung 5). Auf Feld-Ebene dominiert Erosion im Westen und Südwesten, während Ablagerung entlang eine Nordwest nach Südost Diagonalen Band auf der östlichen Seite des Feldes zu sehen ist. Wechselnde Bands von Erosion und Ablagerung sind auf Management-Ebene oft abrupte Änderungen an den Grenzen der Management-Streifen gesehen. Muster, die im Zusammenhang mit Bodenarten (Abbildung 4a) sind weniger ausgeprägt, aber mit topographischen Merkmalen zusammen mit dem Boden Arten stark miteinander verbunden sind, angezeigt. Feinskaligen Erosions- und Ablagerungsprozessen Muster gelten ähnlich Wasser Fließwege in Bereichen der topographischen Konvergenz. Drei verschiedene lineare Funktionen der Erosion, parallel zum Management, werden in Streifen 6 gesehen. Ein West-Ost-Transekt (A-A' in Abbildung 5) aufgetragen ist, um diese einzigartigen Eigenschaften (Abbildung 11), zu prüfen, die am ehesten durch Bodenbearbeitung Operationen verursacht wurden. Kein Boden Beispielsites befanden sich innerhalb dieser Funktionen im Strip 6.

Figure 11
Abbildung 11. Höhenprofile (2001 bis 2009 * DEMs) entlang einer West-Ost Transekt durch Streifen 6 (A-A' in Abbildung 5). * Streifen 6 Höhendaten in 2010 gesammelt.

Teilenden die westliche Management-Streifen (West Block, Streifen 1 - 6, Abb. 5), wo Erosion dominant, aus dem östlichen Management (East Block, Streifen 7 - 12, Abbildung 5), wo Ablagerung dominierend war war, ist eine inverse Beziehung zwischen gezeigt. die Veränderung der Oberfläche des Bodens CaCO3 (ΔCaCO3) und der Höhenunterschied Land Oberfläche (ΔZ) an den Standorten der Probe zwischen 2001 und 2012 (Abbildung 12). Im erosive West-Block CaCO3 Konzentrationen erhöht durchschnittlich etwa 3 g kg-1 sank die durchschnittliche Höhe ca. 2 cm. im Gegensatz dazu, die Erosionsprozesse Ostblock zeigte eine durchschnittliche > 4 g/kg Abnahme der CaCO3 Konzentrationen, während die durchschnittliche Höhe ca. 5 cm erhöht. Diese inverse Beziehung ist nicht vorhanden, wenn alle Streifen zusammen über den gesamten Bereich bündeln.

Figure 12
Abbildung 12. Räumlich gemittelte Veränderung CaCO3 Konzentration (0-30 cm Tiefe) und Land-DGM-Höhe als betroffene durch Blöcke von Westen (Streifen 1-6) und Osten (Streifen 7-12) Management-Bereichen nach 11 Jahren (2001-2012). Abbildung 5 zeigt Streifen Nummern und Grenzen. Fehlerbalken sind ±1 SEM (von Sherrod Et Al) 6.

Erosive Probe Standorten zu trennen (ΔZ <-5 cm) von Ablagerungsbedingungen Standorten (ΔZ > 5 cm), alle Positionen der Landschaft zeigen eine inverse Beziehung zwischen ΔCaCO3 und ΔZ, außer Nordseite Böschungen ( ( Abbildung 13). Im Durchschnitt über alle Landschaften, wird diese inverse Beziehung in erosive Standorte beibehalten; in Ablagerungsbedingungen lagen ist jedoch ΔCaCO3 nahezu unverändert. Für Erosionsprozesse Standorte Ablagerung ist am größten in Toeslope Positionen im Durchschnitt in der Nähe von 13 cm. durchschnittliche Rückgang der CaCO3 sind auch größte (8,2 g/kg) in diesen Positionen stark Toeslope. Für die Standorte erosive Probe durchschnittliche Erosion ist größte (17,4 cm) am nordseitigen Böschungen, doch dies entsprach nicht mit einem Anstieg der CaCO3 wie in allen anderen Positionen erosive Landschaft zu sehen. Angenommen, eine Boden-Schüttdichte 1,4 g/cm3, ein 17,4 cm Bodenverlust entspricht einem Erosionsrate 221 Mg/ha/Jahr über die Studiendauer, fast 20-Mal der T Wert für diese Website. Berechnung der Netto Erosion über das gesamte Feld müsste detaillierte Kenntnis der Schüttdichte Boden vor Erosion und nach Absetzung. Da gibt es ein durchschnittlicher Netto-Gewinn in der Höhe über das Feld, würde eine ständige Schüttdichte net Ablagerung bezeichnen, aber da abgelagerte Böden auf eine niedrigere Schüttdichte als dürften vor dem Transport, net Bodenverlust ausgegangen ist.

Figure 13
Abbildung 13. Räumlich gemittelte Veränderung (2001-2012) CaCO3 Konzentration (0-30 cm Tiefe) und Land-DGM-Höhe als betroffene von Landschaft Klassifizierung in Erosional und Ablagerungsprozessen Landschaftsräume; NF ist Norden ausgerichtet und SF ist nach Süden ausgerichtet (von Sherrod Et Al) 6. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Eine Korrelationsanalyse Δz und ΔCaCO3 mit Seite Variablen im Zusammenhang mit Management (ungerade oder sogar - nummerierte Streifen), einzelne Streifen, west oder Ostblock Streifen, Boden-Mapping-Einheit, und Querformat ist in Tabelle 2 dargestellt . Die meisten signifikanten Korrelationen (p < 0,0001) zwischen ΔZ und Einzelverwaltung Streifen oder Streifen Blöcke (West oder Ost) gesehen werden. Änderung der CaCO3 war am meisten signifikant korreliert (p = 0,016) am Boden Zuordnung Gerät, während ΔZ nicht mit Böden korreliert war. Weniger bedeutende (p = 0,036) war die Korrelation zwischen ΔCaCO3 und die Streifen Blöcke, mit welcher Δz sowie korrelierte. Eine Analyse der Varianz zeigt ΔZ erheblich beeinträchtigt werden (p < 0,06) durch alle Website-Variablen (Tabelle 3). Erosions-Klasse (erosive, Erosionsprozesse oder unverändert: EDU) erheblich (p = 0,075) ΔCaCO3, gefolgt von Boden-Mapping-Einheit und einzelne Streifen, beide bedeutende unter einem Signifikanzniveau von 10 % betroffen.

Pearson-Korrelationskoeffizient
Variable Streifen Block
g > Boden Landschaft ΔCaCO3 Δz Management 0.090 (0.222) * -0.027 (0.715) 0,028 (0.708) 0,004 (0.959) 0,019 (0.799) -0.115 (0,120) Streifen - 0,868 (< 0,0001) 0.411 (< 0,0001) 0.077 (0,295) -0.120 (0,104) 0.425 (< 0,0001) Block - 0.414 (< 0,0001) 0.114 (0.124) -0.154 (0,036) 0.303 (< 0,0001) Boden - 0.408 (< 0,0001) -0.177 (0,016) 0,025 (0.738) Landschaft - -0.101 (0.172) -0.083 (0.260) ΔCaCO3 - -0.001 (0.990) * Pr > r in Klammern.

Tabelle 2: Korrelationsanalyse von Δz und ΔCaCO3 mit Variablen Website. Korrelationsmatrix für Website-Variablen, die mit Höhe (Z) und CaCO3 Änderungen nach 11 Jahren als Management (gerade oder ungerade Streifen), individuelle betroffen Streifen, West oder Ostblock (Streifen 7 - 12), Boden Mapping Unit (Streifen 1 - 6), und landschaftliche Lage (Gipfel, Seite-Nord zugewandten Seite-Südlage und Toeslope) (von Sherrod Et Al) 6.

ΔElevation ΔCaCO3
Variable F-Wert PR > F F-Wert PR > F
Management 3.47 0.0643 0,07 0.7957
Streifen 50,25 < 0,0001 2,84 0.0937
Block 7.48 0.0069 1.79 0.1824
Boden 5.57 0.0193 3.16 0.0773
EDU NA * NA 3.21 0.0750
* NA, nicht zutreffend, da EDU aus ΔElevation ermittelt wird.
EDU = erosive (E), stark (D), unverändert (U)

Tabelle 3. Varianzanalyse für abhängige Variablen Höhenunterschied und Veränderung der CaCO3 Konzentration. Varianzanalyse für abhängige Variablen von Höhe und Veränderung der CaCO3 -Konzentration in der 0 - 30 cm Tiefe Schrittweite nach 11 Jahren als Management (gerade oder ungerade Streifen), einzelne Streifen betroffen block west (Streifen 1 - 6) oder Osten Block (Streifen 7-12), Boden-Mapping-Einheit und Erosions-Klasse (EDU): erosive (ΔZ <-5 cm), stark (ΔZ > 5 cm), oder unverändert (-5 cm < ΔZ < 5 cm) (von Sherrod Et Al) 6.

Interpolation der Oberfläche CaCO3 Punkt Proben in 2001 und 2012 führt die Karten gezeigt (Figuren 14a, 14 b) und ein Unterschied-Karte entsteht aus diesen interpolierte ΔCaCO3 (Abbildung 14 c) zeigen. Relativ kleine, konzentrierte Bereiche von hohen und niedrigen CaCO3 gesehen in der 2001 Karte (Bild 14a) sind nicht mehr gesehen in 2012, wo die räumlichen Muster weniger komplex (Abbildung 14). Diese "Glättung" der 2001 Karte zur 2012 Karte zeigt eine Zunahme der CaCO3 in zuvor tiefer CaCO3 Regionen und eine Abnahme der CaCO3 wo CaCO3 hoch war. Muster der ΔCaCO3 (Abbildung 14 c) zeigen die meisten erhöht sich im äußersten Westen und eine Beziehung zu dem Land Oberflächentopographie.

Figure 14
Abbildung 14. Kriged Interpolation Karten von CaCO3 Konzentrationen. Kriged Interpolation Karten von CaCO3 Konzentrationen im Intervall 0 bis 30 cm Tiefe für (a) 2001, (b) 2012 und (c) ändern von 2001 bis 2012. Boden-Probe-Standorte sind durch Kreise (a, b) und Höhe Konturen mit 1-Meter-Intervallen sind in (c) (von Sherrod Et Al) angezeigt 6.

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Discussion

Zugeordneten Höhenunterschiede (Abbildung 5) zeigen signifikante Erosion und Ablagerung auf einer landwirtschaftlichen Bereich und räumliche Muster bezeichnend für mehrere Steuerungsgrößen über mehrere Skalen. Vom Feld Skala Muster verbunden mit Wind bis zu feinen Skala dendritischen Muster produziert von Wasser-Strömung sind für diese Studie relevanten Prozesse erkennbar. Die Höhe der Höhe Änderungserkennung von wiederholten RTKGPS Boden Umfragen zur Verfügung gestellt wird optimal angezeigt. Feinere Erfassungsebenen, wie vorgesehen durch TLS, erschweren Ergebnisse durch die Einführung von Microtopographic Funktionen, z. B. Zuschneiden Rillen und Furchen, während gröbere Erfassungsebenen als finden Sie mit Luft Umfragen, möglicherweise nicht ausreichen, um feine Skala erfassen Muster. Durchführung von RTKGPS Boden Umfragen auf einer Fläche von dieser Größe (~ 100 ha) dauert ein paar Tage, aber aufgrund der Einschränkungen des Sammelns nur eines einzigen Punkt pro Sekunde und die Reisezeit um den Website-Bereich abdecken. Fortschritte in der Luft Umfragen können bessere alternative Methoden in Zukunft vorsehen, wenn Umfrage Genauigkeiten verbessern können, um die Genauigkeit der Boden Umfragen hier verwendeten übereinstimmen.

Gemischte Ergebnisse wurden in korrelierenden Veränderungen der Oberfläche des Bodens CaCO3 mit Veränderungen im Land Oberflächenhöhe, wie vorhergesagt durch das konzeptionelle Modell gesehen. Im Jahr 2001 gab es Oberfläche Bodenproben für CaCO3 Konzentrationen nur in eine tiefe Inkrement über den oberen 30 cm. Im Jahr 2012 wurden die Bodenproben in zwei 15-cm-Schritten in den oberen 30 cm eingeteilt. Eine Analyse der ΔCaCO3 in nur die obersten 15 cm wird sich wahrscheinlich ändern diese Ergebnisse und erweisen sich stärker gegen Erosion und Ablagerung bezogen werden. Die veränderten Druck-Calcimeter Methode30 weiterhin als eine effiziente Methode für Boden CaCO3 Messung dienen.

Dieses Dokument enthält einen detaillierten Ansatz zur Quantifizierung Skala und Beschreibung der Erosions- und Ablagerungsprozessen Prozesse in einen landwirtschaftlichen Bereich. Die hier beschriebenen Methoden können zu anderen Websites angewendet werden, wo kalkhaltige Schichten in der Nähe der Bodenoberfläche vorhanden sind. Zukünftige Arbeit ist geplant für diese Seite, um einen neuen DM mit zu berechnen und zur Messung Oberflächenhöhe Veränderungen seit 2009, als die letzten RTKGPS Boden Vollerhebung durchgeführt wurde. Auch, wird der Boden Stichprobenplan 2012 für die Oberfläche des Bodens CaCO3 in Schritten von 15 cm Tiefe wiederholt werden, damit Änderungen in den oberen 15 cm zwischen der künftigen Probe und 2012 verglichen werden können.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Studie Wiese ist auf einem Bauernhof von David Drake geleitet und wir danken ihm für seine Mitarbeit bei diesem Langzeitforschung. Wir danken auch Mike Murphy für seine langjährige Arbeit an diesem Projekt und Robin Montenieri für ihre Hilfe mit Grafiken, die in diesem Dokument verwendet.

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

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Anorganischen Kohlenstoff global positioning System geographische Informationssysteme Bodenkunde veränderten Druck-Calcimeter-Methode Bodenerosion digitales Höhenmodell Umweltwissenschaften Ausgabe 127
Messung und Mapping-Muster von Erosion und Ablagerung im Zusammenhang mit Boden-Karbonat-Konzentrationen unter Landbewirtschaftung
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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).

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