Summary
Romlige mønstre for jorderosjon og avsetning kan utledes fra forskjellene i bakkeelevasjonen kartlagt på riktig tidsintervaller. Slike endringer i havet er knyttet til endringer i nær overflaten jord karbonater. Repeterbare metoder for feltet og laboratoriet målinger av metodene mengder og data analyse er beskrevet her.
Abstract
Romlige mønstre for jorderosjon og avsetning kan utledes fra forskjellene i bakkeelevasjonen kartlagt på riktig tidsintervaller. Slike endringer i havet er knyttet til endringer i nær overflaten jord karbonat (CaCO3) profiler. Målet er å beskrive en enkel begrepsmodell og detaljert protokoll for repeterbare feltet og laboratoriet målinger av disse antallene. Her, måles nøyaktig høyde med en bakke-baserte differensial globalt posisjoneringssystem (GPS); anskaffelsesmetoder andre data kan brukes på den samme grunnleggende metoden. Jordprøver er samlet inn fra foreskrevet dybde intervaller og analysert i laboratoriet ved hjelp av en effektiv og presis endret press-calcimeter metode for kvantitativ analyse av uorganiske co konsentrasjonen. Standard statistiske metoder brukes til punktdata, og representant resultatene viser betydelig sammenhenger mellom endringer i overflaten laget CaCO3 og heving samsvarer med begrepsmessige modell; CaCO3 generelt redusert i depositional områder og økte i farget områder. Kartene er avledet fra punkt målinger av havet og jorda CaCO3 å hjelpe analyser. Kart over farget og depositional mønstre på webområdet studie, regn-innmatede vinter hvete feltet beskjæres i annenhver hvete-brakk strimler, viser samspill effektene av vann og vind erosjon av ledelse og topografi. Alternative Prøvetaking metoder og dybde intervaller er omtalt og anbefalt for fremtiden jorderosjon og deponering jord CaCO3.
Introduction
Jorderosjon truer bærekraft jordbruksprodukter lander. Beskjære ledelse, som et konvensjonelt dyrket vinter hvete-brakk vekstskifte, kan akselerere erosjon og deponering prosesser som nakne jord brakk perioder er mer utsatt for vind og vann styrker1,2, 3 , 4 , 5 (figur 1). Mens disse prosessene kan være tydelig, kan de være vanskelig å kvantifisere.
Formålet med denne studien er først å gi effektiv metode for kvantifisering og beskrive romlige mønstre for erosjon og deponering på feltet skala ved hjelp av global positioning system (GPS) teknologien og geografiske informasjonssystemer (GIS) kartlegging verktøy. En enkel begrepsmodell knyttet disse mønstre å jord karbonater (CaCO3) nær overflaten er også presentert og testet av foreskrevet feltet og laboratorium metoder. Disse relasjonene gir indirekte tiltak av erosjon og avsetning, mens validere resultatene av metoden GPS. Utredningen understreker metodene som brukes i Sherrod et al. slik at de kan gjentas, delvis eller helt, lignende forskning i andre steder6.
Figur 1. Bilder av (a) erosjon og (b) avsetning på studien nettsiden en kraftig regn hendelse. En traktor dekk spor i nedre høyre hjørne av bildet (b) angir dybden program på hvete/brakk bånd grensen.
Ulike direkte metoder for måling jorderosjon ble gjennomgått av Stroosnijder7. Foreslåtte metoder varierer med måling formål og tilgjengelige ressurser, men en "endre i høyde" metoden anbefales i hillslope skala og gir fordelen av å måle både erosjon og deponering. En måte å bruke denne metoden er å installere pinner i jord og overvåke endringen i høyden av jord i forhold til toppen av pin7. Med fremskritt innen land kartlegging teknologi, men kan denne arbeidskrevende erstattes av andre teknikker, for eksempel terrestriske laserskanning (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, luftbåren laser skanning (ALS),17,,18,,19,,20,,21, GPS6,22, avansert fotogrammetri23 ,24, eller kombinasjoner av disse teknikkene25,26,27. Mens laser skanning, ofte referert til som LiDAR (lys gjenkjenning og alt), gir den mest raske oppkjøpet av tett høyde datasett, rettelser må gjøres for å fjerne stående objekter, for eksempel vegetasjon. Med millimeter nivå loddrett presisjon, TLS finner den minste høyde endringen, men Perroy et al. Anbefalte ALS over TLS for gulley erosjon anslår større skanningen fotavtrykk og bedre instrument orientering (mindre topografiske skygge) for skanning til dypt skåret raviner28. Sanntid Kinematisk GPS (RTKGPS), gir centimeter nivå presisjon uten data etterbehandling, brukes denne studien. Romlig oppløsning og presisjonen i RTKGPS samlet er optimal for å oppdage den dominerende farget og depositional funksjoner i en landbrukssektoren eller andre miljøer med betydelig bunndekkende.
Trykk-calcimeter metoden for kvantifisere jord CaCO3 avhengig av jord reaksjon på syre i et lukket system, som resulterer i utgivelsen av CO2. Økningen i trykk i reaksjonen fartøyet på en konstant temperatur er lineært korrelert til mengden jord CaCO329. Endringer i metoden tradisjonelle press-calcimeter beskrevet av Sherrod et al., endre reaksjonen fartøyet til serum flasker og bruker en trykktransduceren kablet til en digital voltmeter for påvisning av trykkendringer 30. disse endringene tillate oppdagelsen grense og en høyere kapasitet for daglig jordprøve kjører. Gravimetric eller enkel titrimetric metoder for jord CaCO3 måling produsert større feil og gjenkjenning grenser enn dette endret press-calcimeter metoden30.
Begrepsmodell
Når direkte tiltak for erosjon og deponering ikke er gjennomførbart, kan indirekte indikatorer på disse prosessene brukes. Sherrod et al. hypotesen at jord overflatelaget CaCO3 konsentrasjon i et halvtørre klima omvendt korrelert med endringen i bakken høyde (positivt korrelert med erosjon, negativt korrelert med deponering)6. Hypotesen bør bruke grovt, men bestemte relasjoner vil avhenge av forholdene på stedet (jord, vegetasjon, ledelse og klima). Jord på testområdet (tabell 1) inneholder vanligvis en distinkt kalkholdig lag 15-20 cm under overflaten. Konseptuelt, fjernes erosjon overflatelaget av relativt lav CaCO3 konsentrasjon forlate dette kalkholdig laget av høy CaCO3 nærmere til overflaten. Lav CaCO3 jord er sendt til de depositional områdene, forårsaker kalkholdig laget å være begravd dypere under overflaten (figur 2). Prøvetaking disse jord over tid på riktig dybde intervaller, kan enten erosjon eller avsetning (eller ingen) utledes av CaCO3 konsentrasjon, ifølge denne modellen.
| Jord-serien | Skråningen | Taksonomisk klassifisering | Dybde | pH | EC | Totale N | SOC | CaCO3 |
Tabell 1. Jord på testområdet. Jord kartlegging enheter og taksonomisk klassifisering, med gjennomsnittlig jord pH, elektrisk ledningsevne (EC), totalt N, jord organisk C (SOC) og CaCO3 konsentrasjoner i den 0 - til 15- og 15 - 30 cm dybde intervaller for Scott feltet i 2012 (fra Sherrod et Al.) 6.
Figur 2. Konseptuelle jord profiler. Konseptuelle jord profiler for (a) en statisk jord matrise med CaCO3 utvasket fra overflatelag og igangsatte dypere lag, (b) moderat erosjon av overflatelag og (c) moderat deponering materiale over tidligere overflatelag. Dybde intervaller (venstre) er omtrentlige basert på nettsteddata (fra Sherrod et al.) 6. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Beskrivelse og historie
109-ha Scott feltet er en del av Drake gården i nordøstlige Colorado (40.61oN, 104.84oW, Figur 3) og ble overvåket fra 2001 til 2012 for denne studere. Gjennomsnittlig årlig nedbør og fordampning var ca 350 og 1200 mm, henholdsvis i denne halvtørre klima, hvor konvektive regn av kort varighet og høy intensitet var vanlig om sommeren. Høyder varierer fra 1559 1588 m i denne kupert terreng med forskjellige landskapet posisjoner: summit, sideslope Nordvendt (side-NF), sideslope sørvendte (side-SF) og toeslope (figur 4b). Vekslende strimler (~ 120 m bredt) ble vanligvis håndteres i denne rainfed vinter hvete-brakk rotasjon slik at alle andre stripe var brakk i ca 14 måneder av hver 24 måneders rotasjon syklus. Grunne jordarbeiding (~ 7 cm), vanligvis v-blad feier, oppstod 4 til 6 ganger gjennom brakk perioden for Luke kontroll. Jord på stedet ble klassifisert har en jord-tap toleranse, eller verdien, 11 mg ha-1 år-1, hvor erosjon priser under denne T -verdien anses akseptabelt for fortsatt landbruksproduksjon4 .
Figur 3. Område sted er vist på en topografiske relieff bilde (1011 til 4401 m) av staten Colorado, USA. Betyr heving av området er 1577 m.
Figur 4. Jord kart og Land overflaten heving av Scott Field. (a) jord kart over Scott Field viser punkt jord prøve steder og beskjære ledelsen strimler. Jord enhetsforkortelser er: 1 = Wagonwheel leirjord 0-2% skråningen, 2 = Wagonwheel leirjord 2-5% skråningen, 3 = Colby leirjord 5-9% skråningen, 4 = Kim fine sandholdig leirjord 2-5% skråningen, 5 = Kim fine sandholdig leirjord 5-9% helling. og (b) land høyde i feltet basert på 2001 5-m rutenett digital høyde modell (DEM), med jord prøve steder vist av landet klassifisering (fra Sherrod et al.) 6.
Den første bakken høyde undersøkelsen ble samlet av RTKGPS i 2001 for å produsere en digital høyde modell (DEM) for området. I forbindelse med McCutcheon et al. en intensiv jordprøve (figur 4a) ble også fremført i 2001, fra hvilken overflate jord CaCO3 ble analysert av en modifisert press-calcimeter metoden30,31 . Visuelt tydelig erosjon og avsetning oppstår det etterfølgende tiåret på grunn av vinden, hovedsakelig fra nordvest og nedbør-avrenning hendelser bedt om en andre RTKGPS heving undersøkelse i 2009 (med en del av feltet fullført i 2010). Sammenligning av nye DEM til opprinnelige 2001 DEM via en DEM av forskjell kart32 bekreftet betydelig erosjon og avsetning, vise mønstre som foreslått flere kontrollere faktorer for prosessene (figur 5). Gitt betydelige overflaten jord omfordeling på området og historiske jord CaCO3 dataene, ble jordprøve 2001 gjentatt i 2012 å teste en konseptuell modell av hydropedological prosesser6, som beskrevet i forrige avsnitt.
Figur 5. Kart over endringer (2001-2009 *) Land overflaten heving (Δz) på et 5-m rutenett i Scott Field i nordøstlige Colorado. Avling stripe tall er merket over vekslende vinter-hvete-brakk beskjæring systemet, ogSeksjon A-A' vises (detaljer i Figur 11). * Strimler 2, 4, 6, 8 kartlagt i 2010 å fullføre 2009 DEM (fra Sherrod et al.) 6. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Land overflate høyde innsamling
- GPS kalibrering for området
- finne eller sett et stabilt benchmark på et sikkert sted på undersøkelsen stedet for bruk som basestasjonen GPS for RTKGPS datainnsamling.
- Konfigurerer basestasjonen for RTKGPS datainnsamling på dette lokale målestokk bruker tilnærming til koordinatene for basestasjonen lokasjonen (dvs., WAAS-korrigert GPS-posisjon).
- Med rover GPS, besøke minst tre vannrette og loddrette kontroll punkt benchmarks innenfor radio kommunikasjon RTKGPS (ca 10 km radius) og registrere posisjoner.
Merk: Benchmarks beskrevet av den nasjonale Geodetic undersøkelsen kan være søkte online 33 og ble brukt her. - Gitt målte og publiserte koordinatene til kontrollpunktene, bruk RTKGPS feltet programvare for å utføre en området kalibrering 34, løse for koordinatene til lokale benchmark som basestasjonen. Kontroller at koordinere resterende (vannrett og loddrett) for kontrollpunktene er innenfor tålelig grenser (± 0.02 m for denne kalibrering).
- GPS peker datainnsamling
- basestasjonen GPS satt på lokale benchmark og lokale området kalibrering og feltet programvare, registrere RTKGPS plasser dataene i GPS data collector på lag en 5-m vannrett avstand i hele undersøkelsen området.
- Samle data effektivt ved montering rover GPS-antennen på en målt fast høyde over bakken overflaten på en bil og kjører transects gjennom området ( figur 6).
- For kjøretøy metoden, definere mudderbunn endepunktene opprette parallell transects linjeavstand 5 m fra hverandre. Importer mudderbunn endepunktene til GPS datainnsamling for navigering av transects mens du kjører. Samle poeng med datainnsamlingen automatisk én gang per sekund mens kjører transects på ca 5 m s -1 for å få poenget data om hver 5 m.
- Gjenta punkt datainnsamling på området som beskrevet ovenfor på senere (8 til 9 år senere i denne studien) slik at landet høyde endringer kan analyseres; opprinnelige GPS området kalibreringen brukes for alle undersøkelser og gjentas ikke.
- basestasjonen GPS satt på lokale benchmark og lokale området kalibrering og feltet programvare, registrere RTKGPS plasser dataene i GPS data collector på lag en 5-m vannrett avstand i hele undersøkelsen området.
figur 6. RTKGPS heving overflaten datainnsamling. RTKGPS overflate Høydedata samles mens du kjører en nyttekjøretøy gjennom det feltet (a), mens sanntids GPS rettelser tilbys av stedets basestasjon (b).
2. DEM opprettelse og behandling
- å opprette DEMs
- Import plassere data i GIS-programvare og interpolere til et 5-m neurosurgeons bruker GIS-programvare, kryssvalidere målte punkt høyder til interpolert heving verdier og velg en interpoleringsmetode som minimerer disse cross-valideringsfeil.
Merk: Vanlige kriging med variabelt semivariogram modell var den optimale interpoleringsmetoden for høyden på dette området. Cross-validering gir også et mål for høyde nøyaktighet for undersøkelsen metoden 35. - Gjenta 2.1.1 for andre sett med posisjonsdata opprette andre DEM.
- Import plassere data i GIS-programvare og interpolere til et 5-m neurosurgeons bruker GIS-programvare, kryssvalidere målte punkt høyder til interpolert heving verdier og velg en interpoleringsmetode som minimerer disse cross-valideringsfeil.
- Kartlegging DEM endre
- bruker en raster Kalkulator verktøyet i GIS, trekk fra siste DEM fra den opprinnelige DEM lage kart raster DEM endring ( figur 5), der negative verdier for høyde endres representerer erosjon og positive verdier representerer deponering.
- Land klassifisering
- Beregn land overflaten topografiske attributter (skråningen, aspektet, bidrar området) fra det første rutenettet DEM bruke DEM behandlingsprogramvaren.
- Klassifisere land områder som toppmøtet, sideslope eller toeslope basert på skråningen og bidrar på hver DEM rutenettcellen.
Merk: Topper er representert med lite bakker og lav bidrar områder. Sideslopes representeres av høy bakken og middels bidrar områder. Toeslopes representeres av lav bakkene og høy medvirkende områder. Skråningen og bidra området verdier definerer disse klassifiseringene avhengig av land form på stedet og er kvalitativt valgt å gi ønsket representasjon av hver klassifisering for et bestemt område. - Dele sideslope områder av de to dominerende aspektene, Nordvendt og sørvendte på dette området.
3. Jord prøvetaking
- eksempel planlegging
- Referanse kart i GIS planlegge jord prøve steder. Velg en rekke steder tilstrekkelig representerer alle landskap posisjoner.
- Laste eksempel sted koordinater til datainnsamlingen GPS slik at prøven nettstedene finnes innen.
- Bruk forkunnskaper i jord på området for å veilede beslutninger på prøven dybde intervaller for å fange CaCO 3 variasjon. Pre etiketten sealable plastposer for å angi eksempel beliggenhet og dybde tilvekst.
- Feltet prøvetaking
- kjøre til sample nettsteder med en nyttekjøretøy utstyrt med en hydraulisk jord prøvetaking maskin og RTKGPS rover antennen for navigering.
- Bruke jord prøvetaking maskin og prøvetaking rør for ønsket jord kjernen diameter (5.1 cm i denne studien), ekstra jord kjernen fra hvert eksempel sted ( figur 7).
Merk: Antall kjerner utdraget for hvert sted, i tillegg til jord kjernen dybden og intervaller variert i denne studien. I 2001 ble en enkelt kjerne til en dybde på 90 cm tatt og delt inn i 30 cm intervaller. I 2012, ble to kjerner som jord tatt (innen 1 m på tilsvarende 2001 eksemplet) til et dyp på 30 cm og delt inn i 15 cm intervaller med to kjerner som mengdesummeres for analyser. 2012 metoden anbefales. - Posten RTKGPS Plasser data (x, y, z) hver eksempel plassering.
- Skjær jord kjernen i ønsket dybde intervaller og overføre til pre merket sealable plastposer og plasser i kjølere for transport tilbake til laboratoriet.
- Gjenta feltet prøvetaking etter betydelig erosjon og/eller deponering har oppstått (11 år mellom prøvene i denne studien).
figur 7. Jord prøvetaking. Jord prøve steder er navigert til et GPS-guidede nytte kjøretøy utstyrt med en hydraulisk jord prøvetaking maskin (a) slik at jord kjerner kan være utdraget (b) og delt inn i ønsket dybde intervaller.
- posisjon databehandling
- mål forskjeller i elevations registrert på hvert jord eksempel sted mellom de to sample datoene (198 steder samplet i 2001 og 2012 i denne studien).
Merk: Høyder for 2001 ble tatt fra 2001 DEM siden punkt elevations ikke ble registrert ved jord prøvetaking. Positive endringer i høyde > 0,05 m anses depositional nettsteder, mens negative endringer heving <-0.05 m anses farget områder. - Klassifisere hver eksempel sted som toppmøtet, Nord-mot sideslope, sørvendt sideslope eller toeslope basert på DEM behandling (se protokollen 2.3.2); klassifisering på ett sted, som definert av skråningen og medvirkende området kriterier, kan være reklassifisert for å matche den dominerende klassifiseringen av omkringliggende punkter.
- Bruk romlige begynte verktøy i GIS-programvare skal tilordnes andre romlige data lag brukes til analyser (management stripe og jord kartlegging enhet) prøve steder.
- mål forskjeller i elevations registrert på hvert jord eksempel sted mellom de to sample datoene (198 steder samplet i 2001 og 2012 i denne studien).
4. Jord analyser
- eksempel jordforbedring
- tørr jord prøvene fra feltet på 60 ° C i laboratoriet ovn natten.
- Grind ovnen-tørket jord å passere gjennom en 2 mm sil bruker et motorisert jeksel eller morter og pistil.
- Endret press-Calcimeter apparat installasjon
- satt opp endrede press-calcimeter apparater ( Figur 8) ved å koble en trykktransduceren (0 - 105 kPa område, 0,03 - 5 V DC utgang) til en strømforsyning med 14 gauge wire og en digital voltmeter kablet i kø for å overvåke utdata fra svinger.
- Fest 9.5 mm ID rør til bunnen av trykktransduceren og koble slangen til en 18 gauge Luer lås sprøyte nål med en partikkel filter (0.6 µm) i midten for å samle alle reflux når trykktransduceren.
- Bruk serum flasker som reaksjon fartøy koblet til trykktransduceren ( figur 9). Angi serum flasken bruke ved wetting en metall spiseskje med vann og legge til ca 5 mL jord som du forventer å ha høy CaCO 3 konsentrasjon. Pipetter 1 mL av 0,5 N H 2 så 4 til denne jord og observere effervescence.
- Hvis effervescence er høy, da anta større enn 15% CaCO 3 konsentrasjon og bruke en 100 mL serum flaske som reaksjonen fartøyet, ellers bruker du en 20 mL serum flaske.
- satt opp endrede press-calcimeter apparater ( Figur 8) ved å koble en trykktransduceren (0 - 105 kPa område, 0,03 - 5 V DC utgang) til en strømforsyning med 14 gauge wire og en digital voltmeter kablet i kø for å overvåke utdata fra svinger.
Figur 8. Endret press-calcimeter apparater. Modifisert press-calcimeter apparatet bruker en serum flaske som reaksjonen fartøyet og en trykktransduceren kablet til en spenning meter for å sende signalet (fra Sherrod et al.) 30.
figur 9. Reaksjon fartøy for den endrede press-calcimeter. Reaksjon fartøy for den endrede press-calcimeter er serum flasker 0,5 dram ampuller med 2 mL syre reagens og en 1 g jordprøve.
- karbonat måling
- plasserer en 1 g subsample av tilberedes jord (se protokollen 4.1) i en merket reaksjonen fartøyet. Bruk bare 0,5 g jord for jord som inneholder større enn 50% CaCO 3,.
- Pipetter 2 mL av syre reagens (6 N HCI inneholder 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) i en 0,5 g hetteglass. Plasser ampullen i reaksjonen fartøyet forsiktig slik at løsningen innholdet ikke søler ut ved å vippe reaksjonen fartøyet nesten til side posisjon.
- Mens reaksjonen fartøyet inneholder jordprøve og syre medisinglass skrå, tetning med grå butylgummi stoppers og crimp med aluminium tetningsringen.
- Shake reaksjon fartøyet med en virvlende bevegelse å sikre komplett blanding av jord med syre. Plasser reaksjonen fartøyet på lab-benken og la reaksjonen gå for minst 2 hr.
- Mens du venter reaksjon fartøy å fullføre, bestemme en standard kurve ved å måle spenninger til kjente CaCO 3 konsentrasjoner bruker samme reaksjon fartøyet oppsett som jordprøver ( Figur 10). Bland 100% CaCO 3 med paljetter eller sand vekt prosent for å opprette kjent CaCO 3 konsentrasjoner. ta et tomt utvalg uten CaCO 3.
- Når jord eksempel reaksjoner er fullført, pierce den gummi septum på reaksjonen fartøyet med en 18 måle sprøyte nål og post spenning utdata ved trykktransduceren.
- Løs CaCO 3 prosent gitt den målte spenningen og ligningen bestemmes av standardkurven ( figur 10a).
Merk: Økning i press produsert av utgivelsen av CO 2 er lineært knyttet til konsentrasjonen av CaCO 3 i jorda slik at: % CaCO 3 = (regression koeffisient * endring i trykket i volt) + skjæringspunkt.
Figur 10. CaCO 3 mål. (a) en standardkurven for CaCO 3 opprettes med spenning målingene fra trykktransduceren basert på kjente prosentandeler av CaCO 3 (b) blandet med pulver glassperler eller sand.
5. statistiske analyser
- definere to avhengig av variabler som endring i bakken overflaten høyder og jord overflatelaget CaCO 3 konsentrasjoner fra første til andre eksempel datoene (2001 til 2012 i denne studien). Definere uavhengig eller forklarende variabler som management (odde- eller selv - nummerert stripen), personlige strimler, vest eller øst blokk med strimler, jord kartlegging enhet, landskap klassifisering og farget/depositional klassifisering.
- Utføre korrelasjon analyse og variansanalyse statistisk kvantifisere sammenhenger mellom variabler. Utføre analyser i et foretrukket statistikkpakke.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tilordne DEM forskjeller fra 2001 og 2009 avslører erosjon (rød) og avsetning (grønn) over den 8-års perioden, med decimeter-nivå endringer i høyde over de fleste områder (figur 5). I feltet-skalaen er erosjon dominerende i vest og sørvest, mens deponering er sett langs en nordvest til Sørøst diagonale band på østsiden av feltet. Vekslende band av erosjon og deponering blir sett på management-skalaen, ofte med plutselige forandringer på management stripe grensene. Mønstre knyttet til jord typer (figur 4a) er mindre uttalt, men ser ut til å falle sammen med topografiske særpreg med hvilke jord typer er sterkt beslektet. Fine skala farget og depositional mønstre vises ligner vann flyt baner i områder topografiske konvergens. Tre distinkte lineær egenskaper av erosjon, parallell til ledelse, er sett i stripen 6. En vest-øst transect (A-A' i figur 5) tegnes undersøke disse unike funksjoner (Figur 11), som var mest sannsynlig forårsaket av jordarbeiding operasjoner. Ingen jord prøven nettstedene var lokalisert innenfor disse funksjonene i stripen 6.
Figur 11. Høyde profiler (2001 og 2009 * DEMs) langs en vest-øst mudderbunn gjennom Strip 6 (AA ' i figur 5). * Strip 6 Høydedata samlet i 2010.
Dele vestlige management strimler (West blokk, strimler 1 - 6, figur 5) hvor erosjon var dominerende, fra øst ledelsen (Øst-blokk, strimler 7 - 12, figur 5) hvor deponering var dominerende, vises en invers sammenheng mellom endringen i overflaten jord CaCO3 (ΔCaCO3) og endring i landet høyde (Δz) på prøve steder mellom 2001 og 2012 (Figur 12). I farget West blokken, CaCO3 konsentrasjoner økte gjennomsnitt ca 3 g kg-1 mens gjennomsnittlig høyde redusert ca 2 cm. omvendt, depositional øst blokken viste en gjennomsnittlig > 4 g/kg nedgang i CaCO3 konsentrasjoner mens gjennomsnittlig høyde økte ca 5 cm. Denne invers sammenheng finnes ikke når samle alle strimler sammen over hele feltet.
Figur 12. Romlig gjennomsnitt endring i CaCO3 konsentrasjon (0-30-cm dybde) og Land overflate høyde som påvirket av blokker av West (strimler 1-6) og Øst (strimler 7-12) ledelse områder etter 11 år (2001-2012). Figur 5 viser stripe tall og grenser. Feilfelt er ±1 SEM (fra Sherrod et al.) 6.
Skille farget utvalg steder (Δz <-5 cm) fra depositional plasseringer (Δz > 5 cm), alle landskap stillinger avsløre en invers sammenheng mellom ΔCaCO3 og Δz, unntatt Nord-mot sideslopes ( Figur 13). Gjennomsnitt over alle landskap, opprettholdes omvendte relasjonen farget steder; depositional steder, men er ΔCaCO3 nesten uendret. Steder i depositional avsettelse er størst i toeslope posisjoner, gjennomsnitt nær 13 cm. gjennomsnitt nedgang i CaCO3 er også største (8.2 g/kg) i disse depositional toeslope posisjoner. For farget utvalg steder, gjennomsnittlig erosjon er største (17.4 cm) på Nord-mot sideslopes, men dette samsvarer ikke med en økning i CaCO3 sett alle andre farget landskapet posisjoner. Forutsatt en jord bulktetthet 1,4 g/cm3, 17.4 cm jord tap er lik en erosjon rate av 221 Mg/ha/år over studietiden, nesten 20 ganger T verdi for dette området. Beregning av netto erosjon over hele feltet vil kreve detaljert kunnskap om jord bulktetthet før erosjon og etter deponering. Siden det er en gjennomsnittlig netto gevinst heving over feltet, en konstant bulktetthet skulle tilsi en netto deponering, men siden avsatt jord er sannsynlig på lavere bulktetthet enn før de blir transportert, netto jord tap antas.
Figur 13. Romlig gjennomsnitt endring (2001-2012) i CaCO3 konsentrasjon (0-30-cm dybde) og Land overflate høyde som påvirket av landskapet klassifisering i Erosional og Depositional landskapsområder; NF står nord og SF er sydvendt (fra Sherrod et al.) 6. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
En korrelasjon analyse av Δz og ΔCaCO3 med nettstedet variabler knyttet til ledelse (odde- eller selv - nummerert stripen), personlige strimler, vest eller øst tekstblokken strimler, jord kartlegging enhet, og liggende posisjon er presentert i tabell 2 . Viktigste sammenhenger (p < 0,0001) er sett mellom Δz og individuell strimler eller stripe blokker (Øst eller vest). Endring i CaCO3 var mest signifikant korrelert (p = 0.016) til jord kartlegging enhet, mens Δz ikke var korrelert til jord. Mindre signifikant (p = 0.036) var sammenhengen mellom ΔCaCO3 og strip blokkene, med hvilke Δz ble korrelert også. En variansanalyse viser Δz påvirkes signifikant (p < 0,06) av alle området variabler (tabell 3). Farget klasse (farget, depositional eller uendret: EDU) mest signifikant (p = 0.075) påvirket ΔCaCO3, etterfulgt av jord kartlegging enhet og personlige strimler, både betydelig under en 10% signifikansnivå nivå.
| Pearson korrelasjonskoeffisient | ||||||
| Variabel | Strimler | Blokk | ||||
Tabell 2. Korrelasjon analyse av Δz og ΔCaCO3 nettstedet variabler. Korrelasjonsmatrise for området variabler forbundet med høyde (z) og CaCO3 endringer etter 11 år som påvirket av ledelse (oddetall eller partall strimler), personlige strimler, Vest blokk (strimler 1 - 6) eller øst blokker (strimler 7 - 12), jord kartlegging enhet, og liggende posisjon (toppmøtet, side-Nord mot, side-sørvendte og toeslope) (fra Sherrod et al.) 6.
| ΔElevation | ΔCaCO3 | |||
| Variabel | F-verdi | PR > F | F-verdi | PR > F |
| Ledelse | 3.47 | 0.0643 | 0.07 | 0.7957 |
| Strimler | 50.25 | < 0,0001 | 2.84 | 0.0937 |
| Blokk | 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, gjelder ikke fordi EDU bestemmes fra ΔElevation. | ||||
| EDU = farget (E), Depositional (D), uendret (U) | ||||
Tabell 3. Analyse av varians for avhengige variabler av endring i havet og endring i CaCO3 konsentrasjon. Analyse av varians for avhengig av variabler for endring i høyde og endring i CaCO3 konsentrasjon 0 - 30 cm dybde bud etter 11 år som berørt av ledelse (oddetall eller partall strimler), personlige strimler, Vest blokkere (strimler 1 - 6) eller øst blokk (strimler 7-12), jord kartlegging enhet og farget klasse (EDU): farget (Δz <-5 cm), depositional (Δz > 5 cm), eller uendret (-5 cm < Δz < 5 cm) (fra Sherrod et al.) 6.
Interpolering overflaten CaCO3 punkt prøvene i 2001 og 2012 resultater i kartene vises (tall 14a, 14b) og kart forskjellen opprettes fra disse vise interpolert ΔCaCO3 (figur 14 c). Relativt små, konsentrert områder av høye og lave CaCO3 sett i 2001 kartet (figur 14a) er ikke lenger sett i 2012 hvor romlige mønstre er mindre kompleks (figur 14b). Denne "utjevning" av 2001 kartet til 2012 kartet viser en økning i CaCO3 i tidligere lavere CaCO3 områder og en nedgang i CaCO3 hvor CaCO3 var høy. Mønstre for ΔCaCO3 (figur 14 c) viser mest øker i langt vest og knyttet til land overflaten topografi.
Figur 14. Kriged interpolering kart for CaCO3 . Kriged interpolering kart av CaCO3 konsentrasjoner i dybden intervallet 0 til 30 cm for (a) 2001 (b) 2012, og (c) endre fra 2001 til 2012. Jord prøve steder vises som sirkler (a, b) og høyden konturer med 1-m mellomrom vises i (c) (fra Sherrod et al.) 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tilordnede endringer i høyden (figur 5) illustrerer betydelig erosjon og avsetning på en landbrukssektoren og romlige mønstre indikativ av flere kontrollere faktorer over flere skalaer. Fra feltet skala mønstre forbundet med vinden, til fine skala dendrittiske mønstre produsert av vannstrømmen, er prosesser relevant for denne studien synlig. Nivået av høyde endre gjenkjenning av gjentatte RTKGPS bakken undersøkelser vises optimal. Finere oppdagelsen nivåer, som angitt av TLS, kan komplisere resultater ved å innføre microtopographic funksjoner, for eksempel beskjæring rygger og furer, mens grovere oppdagelsen nivåer, som fant med luftbårne undersøkelser, ikke kanskje nok til å fange fint skala mønstre. Gjennomføre RTKGPS bakken undersøkelser over et område på denne størrelsen (~ 100 ha) tar et par dager, men på grunn av begrensninger å samle bare ett punkt per sekund og reisetiden å området. Fremskritt innen luftbårne undersøkelser kan gi bedre alternative metoder i fremtiden om undersøkelsen beskrevne kan forbedre for å matche nøyaktigheten av bakken undersøkelser her.
Blandede resultater ble sett samkjøre endringer i overflaten jord CaCO3 med endringer i landet høyde, som spådd av den konseptuelle modellen. I 2001 var overflaten jordprøver for CaCO3 konsentrasjoner bare tilgjengelig i en dybde økning over topp 30 cm. I 2012, ble jord prøvene delt inn i to 15 cm trinn over topp 30 cm. En analyse av ΔCaCO3 i bare de øverste 15 cm vil trolig endre disse resultatene og kan vise seg å være sterkere relatert til erosjon og deponering. Modifisert press-calcimeter metoden30 fortsetter å tjene som en effektiv metode for jord CaCO3 måling.
Dette papiret gir en detaljert tilnærming for feltet skala kvantifisering og beskrivelse av farget og depositional prosesser i en landbrukssektoren. Metodene som er beskrevet her kan brukes på andre områder hvor kalkholdig lag er tilstede nær overflaten. Fremtidig arbeid er planlagt for dette området til å beregne en ny DEM ved hjelp av og måle høyde endringer siden 2009, når siste fullstendige RTKGPS bakken undersøkelsen ble gjennomført. Også vil jord prøvetaking ordningen i 2012 for overflate jord CaCO3 bli gjentatt i 15 cm dybde trinn slik at endringer i de øverste 15 cm kan sammenlignes med den fremtidige populasjonsutvalg og 2012.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Feltet studien området er på en gård av David Drake og vi takker ham for hans samarbeid i løpet av denne langsiktige forskning. Vi takker også Mike Murphy for sine mange år feltet arbeid på dette prosjektet og Robin Montenieri for hennes hjelp med grafikk brukt i dette dokumentet.
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).
