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Misura e mappatura modelli di erosione e deposizione relazionati al suolo carbonato concentrazioni sotto gestione agricola

doi: 10.3791/56064 Published: September 12, 2017

Summary

Modelli spaziali di erosione e deposizione possono essere dedotte dalle differenze in elevazione di terreno mappato a incrementi di tempo appropriato. Tali cambiamenti in elevazione sono correlati ai cambiamenti in carbonati vicino alla superficie del suolo. Qui vengono descritti metodi ripetibile per misure in campo e in laboratorio di questi metodi di analisi quantitativi e dati.

Abstract

Modelli spaziali di erosione e deposizione possono essere dedotte dalle differenze in elevazione di terreno mappato a incrementi di tempo appropriato. Tali cambiamenti in elevazione sono correlati ai cambiamenti nei profili di carbonato (CaCO3) vicino alla superficie del suolo. L'obiettivo è quello di descrivere un semplice modello concettuale e il protocollo dettagliato per campo ripetibile e misurazioni di laboratorio di tali quantitativi. Qui, quota accurati è misurata usando un terrestri differenziale sistema di posizionamento globale (GPS); altri metodi di acquisizione di dati potrebbero essere applicati allo stesso metodo di base. Campioni di terreno vengono raccolti da prescritto intervalli di profondità e analizzato in laboratorio utilizzando un metodo di pressione-CALCIMETRO modificate efficiente e preciso per l'analisi quantitativa della concentrazione di carbonio inorganico. Metodi statistici standard vengono applicati al punto dati e risultati rappresentativi mostrano correlazioni significative tra cambiamenti nello strato superficiale del terreno CaCO3 e cambiamenti in elevazione coerente con il modello concettuale; CaCO3 generalmente diminuito nelle aree deposizionali e aumentato nelle aree di erosione. Mappe sono derivate da misure puntuali di elevazione e suolo CaCO3 per facilitare l'analisi. Mappa di modelli erosiva e deposizionale presso il sito di studio, un campo di grano di inverno pluviale ritagliato in alternanza di strisce grano-aratura, Mostra gli effetti interagenti di erosione di vento e acqua influenzata dalla gestione e topografia. Metodi di campionamento alternativi e intervalli di profondità sono discussi e consigliati per i futuri lavori riguardanti l'erosione del suolo e deposizione al suolo CaCO3.

Introduction

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L'erosione del suolo minaccia la sostenibilità dei terreni agricoli. Ritagliare la gestione, ad esempio una rotazione delle colture di frumento invernale-aratura convenzionalmente dissodato, può accelerare i processi di erosione e deposizione come suoli nudi durante periodi di riposo sono più suscettibili di vento e acqua forze1,2, 3 , 4 , 5 (Figura 1). Mentre questi processi potrebbero essere evidenti, possono essere difficili da quantificare.

Lo scopo di questo studio è innanzitutto possibile fornire un metodo efficiente per quantificare e descrivere modelli spaziali di erosione e deposizione al campo scala utilizzando la tecnologia di posizionamento globale (GPS) sistema e sistemi informativi geografici (GIS) strumenti di mappatura. Un semplice modello concettuale concernente questi modelli per carbonati del terreno (CaCO3) vicino alla superficie è anche presentato e testato dai metodi di laboratorio e di campo previste. Queste relazioni forniscono misure indirette di erosione e di deposizione, durante la convalida dei risultati del metodo GPS. Il presente libro enfatizza i metodi utilizzati a Sherrod et al. modo che possano essere ripetuti, in parte o per intero, per ricerche simili in altre posizioni6.

Figure 1
Figura 1. Foto di erosione (a) e (b) deposizione presso il sito di studio segue un evento di pioggia pesante. Una traccia di pneumatico del trattore in basso a destra della foto (b) indica la profondità di deposizione presso il bordo della striscia di grano/aratura.

Vari direttamente metodi per misurare l'erosione del suolo sono stati esaminati da Stroosnijder7. Metodi suggeriti variano con lo scopo di misurazione e le risorse disponibili, ma un metodo di "cambio di quota altimetrica della superficie" è consigliato a scala di versante e offre il vantaggio di misura sia di erosione e di deposizione. Un modo per applicare questo metodo è quello di installare i perni nel terreno e monitorare il cambiamento di altezza del suolo rispetto alla parte superiore del perno7. Con gli avanzamenti nella tecnologia di indagine della terra, tuttavia, questo approccio di lavoro ad alta intensità possa essere sostituito da altre tecniche, come ad esempio laser terrestre scansione (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scanning (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, fotogrammetria avanzata23 ,24, o combinazioni di queste tecniche25,26,27. Mentre laser scanning, comunemente indicato come LiDAR (Light Detection And Ranging), fornisce la più rapida acquisizione di insiemi di dati di quota altimetrica della superficie densa, devono essere apportate correzioni per rimuovere gli oggetti in piedi, quali la vegetazione. Con precisione verticale di millimetro-livello, TLS in grado di rilevare il più piccolo cambiamento di altitudine, tuttavia Perroy et al. ALS consigliati su TLS per erosione ribbattezzata stima a causa dell'impronta di scansione maggiore e migliore orientamento dello strumento (meno topografica shadowing) per la scansione in gole profondamente incise28. In tempo reale cinematica GPS (RTKGPS), fornendo centimetro-livello di precisione senza post-trattamento dei dati, viene utilizzato per questo studio. La risoluzione spaziale e la precisione dei dati raccolti da RTKGPS sono ottimali per la rilevazione le caratteristiche dominanti di erosiva e deposizionale in un campo agricolo o altri ambienti con notevole copertura del terreno.

Il metodo di pressione-CALCIMETRO per quantificare suolo CaCO3 si basa sulla reazione del suolo acido in un sistema chiuso, con conseguente rilascio di CO2. L'aumento della pressione all'interno del recipiente di reazione a temperatura costante è linearmente correlata alla quantità di suolo CaCO329. Modifiche al metodo tradizionale pressione-CALCIMETRO, descritto da Sherrod et al., includono cambiando il recipiente di reazione alle bottiglie di siero e l'utilizzo di un trasduttore di pressione collegato a un voltmetro digitale per la rilevazione delle variazioni di pressione 30. queste modifiche consentono per basse soglie e una maggiore capacità per quotidiano campione di terreno viene eseguito. Metodi di titolazione gravimetrici o semplice per la misura di terreno CaCO3 prodotto più grandi errori e limiti di rilevazione di questo modifica pressione-CALCIMETRO metodo30.

Modello concettuale

Quando misure dirette di erosione e di deposizione non sono fattibili, indicatori indiretti di questi processi possono essere usati. Sherrod et al. supposto che la concentrazione di strato superficiale CaCO3 di terreno in un clima semi-arido è inversamente correlato con il cambiamento di quota altimetrica della superficie terra (correlato positivamente con erosione, correlato negativamente con deposizione)6. L'ipotesi dovrebbe applicare estensivamente, ma relazioni specifiche dipenderà dalle condizioni del sito (suolo, vegetazione, gestione e clima). Terreni presso il sito di test (tabella 1) in genere contengono uno strato calcareo distinto 15-20 cm sotto la superficie del terreno. Concettualmente, l'erosione rimuove lo strato superficiale della concentrazione relativamente bassa di3 CaCO lasciando questo strato calcareo di alta CaCO3 più vicino alla superficie del suolo. Il basso CaCO3 terreno viene poi trasportato alle aree deposizionali, causando lo strato calcareo di essere sepolto più in profondità sotto la superficie del terreno (Figura 2). Questi terreni di campionamento nel tempo ad intervalli di profondità appropriata, erosione o deposizione (o nessuno) può essere dedotta da CaCO3 concentrazione, secondo questo modello.

Serie di suolo Pendio Classificazione tassonomica Profondità pH CE Totale N SOC CaCO3
% cm 1:2 dS m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 Colby terriccio 5-9 belle-limoso, misto, superactive, calcareo, 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 Terriccio sabbioso Kim 2-5 belle-argillosi, misto, attivo, calcareo, 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 belle-argillosi, misto, attivo, calcareo, 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 Terriccio Wagonwheel 0-2 franco-grossolano, misto, superactive, 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 franco-grossolano, misto, superactive, 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

Tabella 1. Suoli al Test Site. Del suolo unità di mappatura e classificazione tassonomica, con pH del suolo medio, elettrico conducibilità (EC), N totale, del suolo organico C (SOC) e CaCO3 concentrazioni nel 0 - a 15 - e incrementi di 15 - 30 cm di profondità per la Scott campo nel 2012 (da Sherrod et al.) 6.

Figure 2
Figura 2. Profili di suolo concettuale. Profili di suolo concettuale per (a) una matrice statica del suolo con CaCO3 lisciviato nello strato superficiale e precipitato in un strato più profondo, (b) moderato erosione dello strato superficiale e (c) moderata deposizione di materiale sopra lo strato di superficie precedente. Intervalli di profondità (a sinistra) sono approssimativi sulla base dei dati del sito (da Sherrod et al.) 6. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Storia e descrizione del sito

Il 109-ha campo Scott fa parte della fattoria Drake in Colorado nord-orientale (40.61oN, 104,84oW, Figura 3) ed è stato monitorato dal 2001 al 2012 per questo studio. Evapotraspirazione e precipitazioni medie annuali sono stati circa 350 e 1200 mm, rispettivamente, in questo clima semi-arido, dove la pioggia convettiva di breve durata e ad alta intensità erano comuni durante l'estate. Le elevazioni vanno dal 1559 al 1588 m in questo terreno ondulato con posizioni di paesaggio distinto: vertice, fosso verso nord (lato-NF), fosso a sud (lato-SF) e LowSlope (Figura 4b). Strisce alternate (~ 120 m di larghezza) in genere sono stati gestiti in questa rotazione di frumento invernale-aratura rainfed tale che ogni altra striscia era maggese per circa 14 mesi fuori di ogni ciclo di rotazione di 24 mesi. Aratura superficiale (~ 7 cm), in genere v-lama spazza, si è verificato da 4 a 6 volte attraverso il periodo dell'aratura per controllo delle infestanti. Terreni presso il sito sono stati classificati per avere una tolleranza di perdita di suolo, o un valore di T , di 11 Mg ha-1 anno-1, dove i tassi di erosione inferiore a questo valore di T sono considerati accettabili per la prosecuzione della produzione agricola4 .

Figure 3
Figura 3. Sito posizione viene mostrata su un'immagine di rilievo topografico (1011-4401 m) dello stato del Colorado, Stati Uniti d'America. Altezza media del sito è 1577 m.

Figure 4
Figura 4. Suoli mappa ed elevazione di superficie di terra della Scott Field. (a) strisce di mappa di suoli del Field di Scott mostrando punti di campione di suolo e la gestione delle colture. Abbreviazioni di unità di suolo sono: 1 = pendenza del Wagonwheel del terriccio 0-2%, 2 = pendenza del Wagonwheel del terriccio 2-5%, 3 = pendenza di 5-9% del terriccio di Colby, 4 = Kim terriccio sabbioso bene 2-5% pendenza, 5 = Kim terriccio sabbioso bene 5-9% di pendenza; e (b) quota altimetrica della superficie terreno del campo basato sul modello 2001-5m griglia elevazione digitale (DEM), con posizioni di esempio terreno mostrate tramite la classificazione di terreno (da Sherrod et al.) 6.

La prima indagine di quota altimetrica della superficie di terra è stato raccolto da RTKGPS nel 2001 per produrre un modello di elevazione digitale (DEM) per il sito. In combinazione con McCutcheon et al., un campione di terreno intensivo (Figura 4a) inoltre è stato effettuato nel 2001, da quale superficie di suolo CaCO3 sono stati analizzati da una pressione modificate-CALCIMETRO metodo30,31 . Visivamente evidente erosione e deposizione che si verificano nel corso del decennio successivo a causa del vento, principalmente dal nord-ovest e afflussi-deflussi eventi richiesto una seconda indagine di elevazione di RTKGPS nel 2009 (con una parte del campo completato nel 2010). Confronto tra il nuovo DEM per il DEM 2001 originale tramite un DEM di differenza mappa32 confermato significativa erosione e deposizione, visualizzazione di modelli che hanno suggerito di più fattori di controllo per questi processi (Figura 5). Dato la ridistribuzione di notevole superficie terreno presso il sito e i dati di terreno storico CaCO3 , il campione di terreno del 2001 è stato ripetuto nel 2012 per testare un modello concettuale di hydropedological processi6, come descritto nella sezione precedente.

Figure 5
Figura 5. Mappa delle modifiche (2001-2009 *) in elevazione di superficie della terra (Δz) su una griglia di 5 m all'interno della Scott Field in Colorado nord-orientale. Raccolto striscia numeri sono etichettati sopra sistema colturale alternativo inverno-grano-aratura, esezione A-A' è mostrato (dettagli riportati nella Figura 11). * Strisce 2, 4, 6, 8 intervistati nel 2010 per completare il DEM 2009 (da Sherrod et al.) 6. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Protocol

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1. raccolta di dati di terreno superficie elevazione

  1. calibrazione GPS per sito
    1. Locate o insieme una stabile punto di riferimento in un percorso sicuro presso il sito di indagine per l'uso come stazione base GPS per la raccolta di dati RTKGPS.
    2. Impostare la stazione base per la raccolta di dati RTKGPS a questo punto di riferimento locale utilizzando la migliore approssimazione delle coordinate per l'ubicazione della stazione base (cioè, posizione GPS WAAS-rettificato).
    3. Con il rover GPS, visitare almeno tre benchmark di punto di controllo orizzontali e verticali entro i limiti di comunicazione radio dei RTKGPS (circa 10 km di raggio) e registrare delle posizioni.
      Nota: Benchmark descritto da indagine Geodetic nazionale possono essere cercati online 33 e sono stati utilizzati qui.
    4. Dato le coordinate misurate e pubblicate i punti di controllo, utilizzare RTKGPS campo software per eseguire un sito calibrazione 34, risolvendo per le coordinate del punto di riferimento locale essere utilizzato come stazione base. Verifica che i residui delle coordinate (orizzontale e verticale) per i punti di controllo sono entro limiti tollerabili (± 0,02 m per la calibrazione).
  2. Punto GPS raccolta dati
    1. con stazione base GPS impostare il punto di riferimento locale e utilizzando calibrazione sito locale e campo software, registrare RTKGPS dati di posizione in GPS data collector presso circa una spaziatura orizzontale di 5 m in tutta l'indagine zona.
      1. Raccogliere dati in modo efficiente di antenna GPS rover montaggio ad un'altezza fissa misurata dal suolo in superficie su un veicolo e guida transetti attraverso l'area ( Figura 6).
    2. Per veicolo metodo, definisce transetto endpoint per creare parallelo transetti distanziati ad una distanza di 5 m. Importazione transetto endpoint in agente di raccolta dati GPS per la navigazione dei transetti durante la guida. Raccogliere punti con l'agente di raccolta dati automaticamente una volta al secondo, mentre guidando transetti a circa 5 m s -1 per ottenere il punto di dati relativi a ogni 5 m.
    3. Ripetere punto di raccolta dei dati al sito come descritto sopra al secondo tempo (8-9 anni più successivamente in questo studio) modo che cambiamenti di quota altimetrica della superficie di terra possono essere analizzati; la taratura originale del sito GPS viene utilizzata per tutte le indagini e non si ripete.

Figure 6
Figura 6. Collezione di dati di superficie Elevation RTKGPS. I dati di superficie di elevazione RTKGPS raccolti mentre si guida un veicolo attraverso il campo (a), mentre le correzioni GPS in tempo reale vengono fornite dalla stazione base in loco (b).

2. elaborazione e creazione di DEM

  1. creando la DEMs
    1. importazione dati di posizione in software GIS e interpolare a una griglia di 5 m software GIS utilizzando DEM., Croce-convalidare le quote altimetriche dei punti misurati all'elevazione interpolati valori e scegliere un metodo di interpolazione che riduce al minimo questi errori di convalida incrociata.
      Nota: Kriging ordinario con un modello di semivariogramma gaussiana è stato il metodo di interpolazione ottimale per i dati di elevazione in questo sito. Cross-validazione inoltre fornisce una misura della precisione di elevazione per il metodo di indagine 35.
    2. Ripetere 2.1.1 per la seconda serie di dati di posizione per creare la seconda DEM.
  2. Modifica mapping DEM
    1. utilizzando uno strumento di calcolatore raster in GIS, sottrarre il DEM più recente dal DEM originale per creare una mappa raster di cambiamento DEM ( Figura 5), dove cambiano i valori negativi di elevazione rappresentano l'erosione e i valori positivi rappresentano deposizione.
  3. Terra classificazione
    1. calcolo della terra superfici topografici attributi (pendenza, esposizione, contribuendo zona) dalla prima griglia DEM utilizzando software di elaborazione di DEM.
    2. Classificazione aree territoriali come vertice, fosso o Lowslope basato su pista e settore di ogni cella della griglia DEM.
      Nota: Vertici sono rappresentati da basse pendenze e contribuendo aree a basso. Scarpate sono rappresentati da alte pendici e intermedio contribuendo aree. Toeslopes sono rappresentati da basse pendenze e alta che contribuisce. Pendenza e contribuendo i valori di area definizione di queste classificazioni dipenderà la topografia di superficie di terra presso il sito e qualitativamente sono scelti per dare la rappresentazione desiderata di ogni area di classificazione per un determinato sito.
    3. Dividere fosso aree per i due aspetti dominanti, rivolte a nord e a sud presso questo sito.

3. Campionamento di suolo

    1. riferimento di pianificazione del campione mappe in GIS per pianificare percorsi di esempio del suolo. Scegliere un numero di posizioni per rappresentare adeguatamente tutte le posizioni di paesaggio.
    2. Upload campione posizione coordinate per la raccolta di dati GPS affinché i siti di esempio possono essere situate nel campo.
    3. Conoscenza di uso dei suoli nel sito per guidare le decisioni di incrementi di profondità del campione al fine di acquisire CaCO 3 variabilità. Pre-etichette sacchetti di plastica sigillabili per indicare l'incremento di posizione e profondità campione.
  1. Campo campionamento
    1. con un veicolo dotato di un terreno idraulico carotaggio macchina e l'antenna di rover RTKGPS per la navigazione in auto per i siti di esempio.
    2. Uso del compost da macchina di carotaggio e campionamento tubo per diametro filo terreno desiderato (5,1 cm in questo studio), estrarre il nucleo di suolo da ogni punto di campionamento ( Figura 7).
      Nota: Il numero di core estratti a ogni posizione, così come la profondità del nucleo del suolo e incrementi variati in questo studio. Nel 2001, un singolo core ad una profondità di 90 cm è stato preso e suddiviso in incrementi di 30 cm. Nel 2012, due core di terreno furono portati (all'interno di 1 m del corrispondente campione 2001) a una profondità di 30 cm e diviso in incrementi di 15 cm, con i due nuclei che verranno aggregati per le analisi. È consigliato il metodo 2012.
    3. Record RTKGPS posizionare dati (x, y, z) ogni punto campione.
    4. Tagliare il nucleo di suolo in incrementi di profondità desiderata e trasferire in sacchetti di plastica sigillabili pre-etichettate e poi posto in dispositivi di raffreddamento per il trasporto verso il laboratorio.
    5. Ripetere il campionamento in campo dopo l'erosione significativa e/o deposizione si è verificato (11 anni tra i campioni in questo studio).

Figure 7
Figura 7. Campionamento di suolo. Posizioni del campione di terreno ci si sposta utilizzando una guida GPS utility veicolo dotato di un terreno idraulico carotaggio macchina (a) affinché suolo core possono essere estratti (b) e suddiviso in incrementi di profondità desiderata.

  1. l'elaborazione di dati di posizione
    1. misura differenze nelle altezze registrate in ogni posizione del campione di terreno tra le due date di campione (198 località campionate nel 2001 e nel 2012 in questo studio).
      Nota: Le altezze per il 2001 sono stati presi dal DEM 2001 poiché quote altimetriche dei punti non sono stati registrati al momento del campionamento del suolo. Cambiamenti positivi in elevazione > 0,05 m sono considerati dsiti di epositional, mentre variazioni negative in elevazione <-0,050 m sono considerati siti erosiva.
    2. Classificare ogni posizione di campione come vertice, fosso rivolta a nord, Sud fosso o Lowslope basato sul trattamento DEM (Vedi protocollo 2.3.2); classificazione in un unico luogo, come definito dal pendio e che contribuisce ai criteri di zona, può essere riclassificati in modo da corrispondere alla classificazione dominante dei punti circostanti.
    3. Uso spaziale unendo strumenti software GIS per assegnare le posizioni di esempio ad altri livelli di dati spaziali utilizzati per analisi (gestione striscia e unità di mappatura del suolo).

4. Analisi di terreni

  1. preparazione del campione di suolo
    1. asciugare durante la notte campioni di terreno da campo a 60 ° C in un forno laboratorio.
    2. Macinare Olive secche al forno suoli di passare attraverso un setaccio di 2 mm utilizzando una smerigliatrice motorizzata o un mortaio e un pestello.
  2. Per volta pressione-CALCIMETRO apparato Setup
    1. impostare l'apparecchio di pressione-CALCIMETRO modificate ( Figura 8) collegando un trasduttore di pressione (0 - 105 kPa gamma, 0,03 - 5 V DC uscita) alla rete di alimentazione con 14 calibro filo e un voltmetro digitale via cavo in linea per monitorare l'output dal trasduttore.
      1. Collegare il 9,5 mm ID tubo alla base del trasduttore di pressione e collegare un ago ipodermico di 18 calibro Luer lock con un filtro antiparticolato (0,6 µm) in mezzo a raccogliere qualsiasi riflusso di raggiungere il trasduttore di pressione.
    2. Uso bottiglie di siero come recipienti di reazione collegato al trasduttore di pressione ( Figura 9). determinare le dimensioni della bottiglia da utilizzare un cucchiaio di metallo con l'acqua di bagnatura e l'aggiunta di circa 5 mL di siero terreno che si aspetta di avere alta CaCO 3 concentrazione. Pipettare 1 mL di 0,5 N H 2 così 4 a questo terreno e osservare effervescenza.
    3. Se effervescenza è alta, quindi assumere maggiore di 15% CaCO 3 concentrazione e utilizzare una bottiglia da 100 mL del siero come il recipiente di reazione, altrimenti utilizzare un flacone da 20 mL siero.

Figure 8
Figura 8. Per volta di apparecchi a pressione-CALCIMETRO. L'apparato di pressione-CALCIMETRO modificate utilizza una bottiglia del siero come il recipiente di reazione e un trasduttore di pressione collegato a un tester di tensione di uscita del segnale (da Sherrod et al.) 30.

Figure 9
Figura 9. Recipienti di reazione per il metodo di pressione modificate-CALCIMETRO. Recipienti di reazione per il metodo di pressione-CALCIMETRO modificate sono bottiglie di siero contenente un flaconcino 0,5 dram con 2 mL reagente acido e un campione di terreno di 1 g.

  1. misura carbonato
    1. posto un sottocampione di 1g del preparato del suolo (Vedi protocollo 4.1) in un recipiente di reazione etichettati. Per i terreni contenenti maggiore di 50% CaCO 3, utilizzare solo 0,5 g di terreno.
    2. Pipettare 2 mL di acido
    3. reagente (6 N HCI contenente 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) in un flaconcino di vetro di 0,5 g. Posizionare la cuvetta nel recipiente di reazione delicatamente affinché il contenuto di soluzione non versare fuori inclinando il recipiente di reazione quasi alla posizione lato.
    4. , Mantenendo il recipiente di reazione contenente il campione di terreno e la fiala acido inclinato, sigillare con tappo in gomma butilica grigia e con anello di tenuta in alluminio a crimpare.
    5. Shake reazione vaso con un movimento rotatorio per assicurare una miscelazione completa del suolo con l'acido. Posizionare il recipiente di reazione sul banco di laboratorio e lasciare che la reazione procedere per almeno 2 h
    6. Durante l'attesa per recipienti di reazione completare, determinare una curva standard misurando tensioni di noto CaCO 3 concentrazioni utilizzando la stessa impostazione di vaso di reazione come campioni di terreno ( Figura 10). Mix 100% CaCO 3 con perle di vetro o sabbia su una base di percentuale di peso per creare noto CaCO 3 concentrazioni. includere un campione in bianco senza CaCO 3.
    7. Dopo aver complete le reazioni del campione di suolo, pierce il setto di gomma del recipiente di reazione con un 18 gauge ago ipodermico e record di tensione in uscita dal trasduttore di pressione.
    8. Solve per CaCO 3 percentuale dato la tensione misurata e l'equazione determinata dalla curva standard ( Figura 10a).
      Nota: Aumento della pressione prodotta dal rilascio di CO 2 è linearmente correlato alla concentrazione di CaCO 3 presenti nel terreno tale da: % CaCO 3 = (coefficiente di regressione * cambiamento di pressione in volt) + intercetta.

Figure 10
Figura 10. CaCO 3 misura. (a) una curva standard per CaCO 3 viene creata utilizzando le letture di tensione dal trasduttore di pressione sulla base di percentuali note di CaCO 3 (b) miscelato con perle di vetro in polvere o sabbia.

5. analisi statistiche

  1. definire due variabili dipendenti come la variazione di terra le elevazioni in superficie e suolo strato superficiale CaCO 3 le concentrazioni da date di esempio la prima alla seconda (2001-2012 in questo studio). Definire le variabili indipendenti o esplicative come gestione (dispari - o addirittura - numerato striscia), singole strisce, blocco ovest o est di strisce, unità di mappatura del terreno, paesaggio classificazione e classificazione erosiva/deposizionali.
  2. Correlazione di eseguire analisi e analisi della varianza per quantificare statisticamente le relazioni tra variabili. Eseguire analisi in qualsiasi pacchetto statistico preferito.

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Representative Results

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Mapping di differenze DEM dal 2001 al 2009 rivela (rosso) di erosione e deposizione (verde) su quel periodo di 8 anni, con modifiche a livello di decimetro in elevazione sopra la maggior parte delle aree (Figura 5). A scala di campo, l'erosione è dominante nell'ovest e nel sud-ovest, mentre il deposito è veduto lungo un nord-ovest a sud-est diagonale band sul lato orientale del campo. Alternanza di fasce di erosione e di deposizione è visti spesso la gestione-scala, con bruschi cambiamenti ai confini della striscia di gestione. Modelli relazionati a tipi di terreno (Figura 4a) sono meno pronunciati, ma sembrano coincidere con caratteristiche topografiche con quale terreno tipi sono fortemente interdipendenti. Modelli di scala fine erosiva e deposizionale sono visti percorsi di flusso di acqua nelle aree di convergenza topografica di somiglianza. Tre distinte caratteristiche lineari di erosione, parallela alla gestione, sono visti in Strip 6. Un transetto ovest-est (A-A' in Figura 5) viene tracciata per esaminare queste caratteristiche uniche (Figura 11), che molto probabilmente sono stati causati da operazioni di lavorazione. No siti di campione di suolo erano situati all'interno di queste caratteristiche in Strip 6.

Figure 11
Figura 11. Profili altimetrici (2001 e 2009 * DEMs) lungo un ovest-est transetto attraverso striscia 6 (A-A' in Figura 5). * Strip 6 elevazione dati raccolti nel 2010.

Dividendo le strisce di gestione occidentale (West Block, strisce 1 - 6, Figura 5), dove l'erosione è stato dominante, da parte della direzione orientale (East Block, strisce di 7 - 12, Figura 5), dove la deposizione era dominante, è mostrata di una relazione inversa tra il cambiamento di terreno di superficie CaCO3 (ΔCaCO3) e la variazione di quota altimetrica terreno superficiale (Δz) presso i siti di esempio tra il 2001 e il 2012 (Figura 12). Nel blocco ovest erosiva, CaCO3 concentrazioni aumentate mediamente di circa 3 g kg-1 mentre l'altitudine media è diminuito circa 2 cm. al contrario, il blocco est deposizionali ha mostrato una media > 4G/kg diminuire in CaCO3 concentrazioni, mentre l'altitudine media è aumentato circa 5 cm. Questa relazione inversa non è presente quando pool insieme tutte le strisce sopra l'intero campo.

Figure 12
Nella figura 12. Variazione media spazialmente CaCO3 concentrazione (0-30 cm di profondità) e l'elevazione di superficie di terra come interessato da blocchi di West (strisce 1-6) e zone di gestione orientali (strisce di 7-12) dopo 11 anni (2001-2012). Figura 5 spettacoli strip numeri e confini. Barre di errore sono ± 1 SEM (da Sherrod et al.) 6.

Posizioni di erosione esempio di separazione (Δz <-5 cm) da posizioni deposizionali (Δz > 5 cm), tutte le posizioni di paesaggio rivelano una relazione inversa fra ΔCaCO3 e Δz, tranne verso nord scarpate ( Figura 13). Una media tra tutti i paesaggi, questa relazione inversa è mantenuta in percorsi di erosione; in località deposizionali, tuttavia, ΔCaCO3 è quasi invariato. Per ambienti deposizionali, deposizione è più grande in Lowslope posizioni, con una media vicino a 13 cm. Media diminuisce in CaCO3 sono anche più grandi (8,2 g/kg) in queste posizioni Lowslope deposizionali. Per le posizioni di erosione del campione, erosione medio è più grande (17,4 cm) alle scarpate rivolte a nord, tuttavia, questo non corrispondeva con un aumento in CaCO3 come si vede in tutte le altre posizioni di paesaggio erosiva. Assumendo una densità di massa di terreno di 1,4 g/cm3, una perdita di suolo 17,4 cm equivale a un tasso di erosione del 221 Mg/ha/anno durante il periodo di studio, quasi 20 volte il T valore per questo sito. Calcolo di erosione netto sopra l'intero campo richiederebbe una conoscenza dettagliata della densità apparente del suolo prima di erosione e dopo la deposizione. Poiché esiste un guadagno netto medio in elevazione sopra il campo, una densità di massa costante indicherebbe una deposizione netta, ma poiché terreni depositati sono suscettibili ad una densità di massa inferiore rispetto a prima di essere trasportati, una perdita netta del suolo è presupposto.

Figure 13
Figura 13. Cambiamento nello spazio una media (2001-2012) in CaCO3 concentrazione (0-30 cm di profondità) e l'elevazione di superficie di terra come interessato dalla classificazione di paesaggio in Erosional e deposizionali zone di paesaggio; NF è esposto a nord e SF è esposto a sud (da Sherrod et al.) 6. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Un'analisi di correlazione di Δz e ΔCaCO3 con variabili sito legate alla gestione (dispari - o addirittura - numerato striscia), singole strisce, ovest o est blocco delle strisce, unità di mappatura del terreno, e posizione paesaggistica è presentato nella tabella 2 . Le correlazioni più significative (p < 0,0001) sono visti tra Δz e gestione individuale strisce o blocchi di striscia (ovest o est). Cambiamento in CaCO3 è stata correlata più significativamente (p = 0,016) all'unità di mappatura del terreno, mentre Δz non è stata correlata ai terreni. Meno significativo (p = 0,036) è stata la correlazione tra ΔCaCO3 e i blocchi di striscia, con cui Δz è stata correlata anche. L'analisi della varianza Mostra Δz essere interessato significativamente (p < 0,06) di tutte le variabili di sito (tabella 3). Classe erosiva (erosione, deposizionali o invariato: EDU) più significativamente (p = 0,075) influenzato ΔCaCO3, seguita dalla unità di mappatura del suolo e singole strisce, entrambe significative sotto un livello di significatività del 10%.

Coefficiente di correlazione di Pearson
Variabile Strisce Blocco
g > suolo Paesaggio ΔCaCO3 Δz Gestione 0.090 (0,222) * -0.027 (0.715) 0,028 (0.708) 0,004 (0.959) 0,019 (0.799) -0.115 (0.120) Strisce - 0,868 (< 0,0001) 0.411 (< 0,0001) 0,077 (0.295) -0.120 (0,104) 0.425 (< 0,0001) Blocco - 0.414 (< 0,0001) 0,114 (0.124) -0.154 (0,036) 0.303 (< 0,0001) Terreno - 0.408 (< 0,0001) -0.177 (0,016) 0.025 (0.738) Paesaggio - -0.101 (0,172) -0.083 (0.260) ΔCaCO3 - -0.001 (0.990) * Pr > r tra parentesi.

Tabella 2. Analisi di correlazione di Δz e ΔCaCO3 con variabili sito. Matrice di correlazione per le variabili di sito associati di elevazione (z) e CaCO3 modifiche dopo 11 anni come affetti da gestione (strisce di pari o dispari), singole strisce, blocco ad ovest (strisce 1 - 6) o blocco est (strisce di 7 - 12), unità di mappatura del terreno, e posizione (vertice, rivolto a lato nord, lato sud e LowSlope) di paesaggio (da Sherrod et al.) 6.

ΔElevation ΔCaCO3
Variabile Valore di F PR > F Valore di F PR > F
Gestione 3.47 0.0643 0.07 0.7957
Strisce 50,25 < 0,0001 2,84 0.0937
Blocco 7,48 0.0069 1.79 0.1824
Terreno 5,57 0.0193 3.16 0.0773
EDU NA * NA 3.21 0.0750
* NA, non applicabile perché EDU è determinato da ΔElevation.
EDU = erosiva (E), deposizionali (D), invariato (U)

Tabella 3. Analisi della varianza per le variabili dipendenti di variazione di quota altimetrica e cambiamento in CaCO3 concentrazione. Analisi della varianza per le variabili dipendenti di cambiamento in elevazione e cambiamento nella concentrazione di CaCO3 nell'incremento 0 - 30 cm di profondità dopo 11 anni come colpite dalla gestione (strisce di pari o dispari), singole strisce, blocco ovest (strisce 1 - 6) o est blocco (strisce di 7-12), unità di mappatura del suolo e classe erosiva (EDU): erosiva (Δz <-5 cm), deposizionali (Δz > 5 cm), o invariato (-5 cm < Δz < 5cm) (da Sherrod et al.) 6.

Interpolazione degli esempi di superficie3 punto di CaCO in 2001 e 2012 risultati nelle mappe mostrate (figure 14a, 14b) e una mappa di differenza viene creata da questi per mostrare interpolati ΔCaCO3 (Figura 14C). Aree relativamente piccole, concentrati di alta e bassa CaCO3 visto nella mappa del 2001 (Figura 14a) non sono visibili nel 2012 dove i modelli spaziali sono meno complesso (Figura 14b). Questo "smoothing" della mappa 2001 alla mappa 2012 indica un aumento di CaCO3 in precedenza inferiore CaCO3 zone e una diminuzione nel CaCO3 dove CaCO3 era alto. Modelli di ΔCaCO3 (Figura 14C) Vedi più aumenta nel far west e qualche relazione con la topografia di superficie di terra.

Figure 14
Figura 14. Kriged mappe di interpolazione delle concentrazioni di CaCO3 . Mappe di interpolazione Kriged di CaCO3 concentrazioni nell'intervallo da 0 a 30 cm di profondità per (a) 2001 (b) 2012 e (c) modificare dal 2001 al 2012. Posizioni del campione di terreno sono indicati da cerchi (a, b) e contorni di elevazione con intervalli di 1 m sono mostrati in (c) (da Sherrod et al.) 6.

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Discussion

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Modifiche mappate in elevazione (Figura 5) illustrano significativa erosione e deposizione su un campo agricolo e modelli spaziali indicativi di multipli fattori di controllo sopra scale multiple. Da campo scala modelli connessi con vento, fino a modelli dendritiche scala fine prodotta dal flusso d'acqua, processi rilevanti per questo studio sono individuabili. Il livello di rilevamento delle modifiche di elevazione fornito da ripetuti rilievi a terra RTKGPS risulta ottimo. Rilevamento dei livelli più sottili, come previsto da TLS, può complicati risultati introducendo microtopographic caratteristiche, quali il ritaglio di creste e solchi, mentre i livelli di rilevamento più grossolani, come trovati con sondaggi disperso nell'aria, potrebbe non essere sufficiente per acquisire scala fine modelli. Lo svolgimento di RTKGPS terra sondaggi su un'area di queste dimensioni (~ 100 ettari) prende un paio di giorni, tuttavia, a causa delle limitazioni di raccogliere un solo punto al secondo e il tempo di viaggio per coprire l'area del sito. Progressi nelle indagini nell'aria possono fornire migliori metodi alternativi in futuro se esattezze di indagine possono migliorare per abbinare la precisione dei rilievi a terra usato qui.

Risultati contrastanti sono stati veduti in correlazione cambi in suolo superficiale CaCO3 con modifiche in elevazione di superficie di terra, come predetto dal modello concettuale. Nel 2001, campioni di terreno superficiale per CaCO3 concentrazioni erano disponibili solo in incremento di una profondità oltre i 30 cm alto. Nel 2012, i campioni di suolo sono stati divisi in due incrementi di 15 cm sopra il piano cm 30. Un'analisi di ΔCaCO3 in solo i primi 15 cm probabilmente cambierà questi risultati e può dimostrare di essere più fortemente legate all'erosione e deposizione. Il metodo di pressione modificate-CALCIMETRO30 continua a servire come un metodo efficace per suolo CaCO3 misura.

Questo documento fornisce un approccio dettagliato per campo scala quantificazione e descrizione dei processi di erosione e deposizionali in un campo agricolo. I metodi descritti qui possono essere applicati ad altri siti dove strati calcarei sono presenti vicino alla superficie del suolo. Futuro è previsto per questo sito per calcolare un nuovo DEM utilizzando e per misurare i cambiamenti di quota altimetrica della superficie dal 2009, quando è stato condotto l'ultima indagine di terra RTKGPS completa. Inoltre, lo schema di campionamento del suolo del 2012 per la superficie del terreno CaCO3 si ripeterà in incrementi di 15 cm profondità affinché le modifiche nei primi 15 cm possono essere confrontate tra il futuro campione e 2012.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Il sito di studio di campo è in una fattoria gestita da David Drake e lo ringraziamo per la sua collaborazione durante questa ricerca a lungo termine. Ringraziamo anche Mike Murphy per i suoi molti anni di lavoro sul campo su questo progetto e Robin Montenieri per il suo aiuto con la grafica utilizzati in questa carta.

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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References

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Misura e mappatura modelli di erosione e deposizione relazionati al suolo carbonato concentrazioni sotto gestione agricola
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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).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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