Summary
Rumlige mønstre af jorderosion og deposition kan udledes af forskelle i jorden elevation kortlagt på passende gang intervaller. Sådanne ændringer i elevation er relateret til ændringer i nær overfladen jord karbonater. Repeterbare metoderne til feltet og laboratorium målinger af disse mængder og data analysemetoder, der er beskrevet her.
Abstract
Rumlige mønstre af jorderosion og deposition kan udledes af forskelle i jorden elevation kortlagt på passende gang intervaller. Sådanne ændringer i elevation er relateret til ændringer i nærheden af overflade jord karbonat (CaCO3) profiler. Formålet er at beskrive en nemt konceptuel model og detaljeret protokol for gentagelig felt og laboratoriemålinger af disse mængder. Her, måles nøjagtige højde ved hjælp af en jordbaseret differential global positioning system (GPS); andre data erhvervelse metoder kunne anvendes på den samme grundlæggende metode. Jordprøver indsamles fra ordineret dybde intervaller og analyseret i laboratoriet ved hjælp af en effektiv og præcis modificerede pres-calcimeter metode til kvantitativ analyse af uorganisk kulstof koncentration. Standard statistiske metoder kan anvendes til datapunkter, og repræsentative resultater viser betydelig korrelationer mellem ændringer i jord overfladen lag CaCO3 og ændringer i elevation i overensstemmelse med den konceptuelle model; CaCO3 generelt faldet i depositional områder og steg i før områder. Maps er afledt fra punkt målinger af højde og jord CaCO3 støtte analyser. Et kort over før og depositional mønstre på webstedet undersøgelsen, et regn-fodret vinterhvede felt beskåret i vekslende hvede-braklægning strimler, viser de interagerende virkninger af vand og vind erosion påvirket af forvaltning og topografi. Alternative prøvetagningsmetoder og dybde intervaller er drøftet og anbefales til fremtidige arbejde vedrørende jorderosion og deposition til jord CaCO3.
Introduction
Jorderosion truer bæredygtigheden af landbrugsjord. Beskære management, såsom et konventionelt dyrket vinterhvede-braklægning sædskifte, kan fremskynde erosion og aflejring processer som nøgne jord i brak perioder er mere modtagelige for vind og vand styrker1,2, 3 , 4 , 5 (figur 1). Mens disse processer kan være indlysende, kan de være vanskelige at kvantificere.
Formålet med denne undersøgelse er først at give en effektiv metode til kvantificering og beskriver rumlige mønstre af erosion og aflejring i feltet skala ved hjælp af global positioning system (GPS) teknologi og geografiske informationssystemer (GIS) kortlægning værktøjer. En simpel konceptuel model vedrørende disse mønstre for at i nærheden-overflade jord karbonater (CaCO3) er også præsenteret og testet af foreskrevne felt og laboratoriemetoder. Disse relationer giver indirekte foranstaltninger af erosion og aflejring, mens validering af resultaterne af metoden GPS. Den nuværende papir understreger de metoder, der anvendes i Sherrod mfl. således at de kan gentages, og hele eller delvis for lignende forskning i andre steder6.
Figur 1. Fotos af a Erosion og aflejring (b) på webstedet undersøgelse efter en kraftig regn begivenhed. En traktor dæk track i nederste højre hjørne af billedet (b) viser dybden af depositionen på hvede/braklægning strip grænsen.
Forskellige direkte metoder til måling af jorderosion blev gennemgået af Stroosnijder7. Foreslåede metoder varierer med måling formål og de ressourcer, men en "ændring i overflade elevation" metode anbefales på hillslope skala og giver fordelen at måle både erosion og aflejring. En måde at anvende denne metode er at installere pins i jorden og overvåge ændring i højde af jord i forhold til toppen af pin7. Med fremskridt inden for jord landmåling teknologi, men kan denne arbejdskrævende tilgang erstattes af andre teknikker, såsom jordbaserede laser scanning (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scanning (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, avancerede fotogrammetri23 ,24, eller kombinationer af disse teknikker25,26,27. Mens laser scanning, almindeligvis benævnt LiDAR (Light Detection And Ranging), giver den mest hurtige erhvervelse af tætte overflade elevation datasæt, skal foretages korrektioner til at fjerne stående objekter, såsom vegetation. Med millimeter-niveau lodret præcision, TLS kan opdage den mindste højde ændring, men Perroy mfl. anbefalede ALS over TLS for kløften erosion anslår på grund af større scanning fodaftryk og bedre instrument orientering (mindre topografisk shadowing) til scanning i dybe indskæringer kløfter28. Real-time kinematiske GPS (RTKGPS), at give centimeter-plan præcision uden data efterbehandling, der bruges til denne undersøgelse. Den rumlige opløsning og præcision af RTKGPS-indsamlede data er optimal til påvisning af dominerende før og depositional funktioner i en mark eller andre miljøer med betydelige bunddække.
Pres-calcimeter metode til kvantificering af jord CaCO3 bygger på jordens reaktion på syre i et lukket system, hvilket resulterer i frigivelse af CO2. Stigning i trykket i reaktion fartøj ved en konstant temperatur er lineært korreleret til mængden af jord CaCO329. Ændringer til den traditionelle pres-calcimeter metode, beskrevet af Sherrod mfl., omfatter skiftende reaktion fartøj til serum flasker og ved hjælp af en tryktransduceren kablet til en digital voltmeter til påvisning af trykændringer 30. disse ændringer giver mulighed for lavere detektionsgrænser og en højere kapacitet for daglige jordprøve kører. Gravimetrisk eller simple titrimetric metoder til måling af jord CaCO3 produceret større fejl og påvisningsgrænserne end dette ændrede pres-calcimeter metode30.
Konceptuel Model
Når direkte foranstaltninger af erosion og aflejring ikke tandlægearbejdet er gennemførlige, kan indirekte indikatorer for disse processer anvendes. Sherrod mfl. den hypotese, at jordens overflade lag CaCO3 koncentration i en semi-aride klima omvendt korreleret med ændringen i jorden overflade elevation (positivt korreleret med erosion, negativt korreleret med deposition)6. Hypotesen skal gælde generelt, men specifikke relationer vil afhænge af voksestedsbetingelser (jord, vegetation, forvaltning og klima). Jord på målepladsen (tabel 1) indeholder typisk et adskilt kalkholdige lag 15-20 cm under jordoverfladen. Begrebsmæssigt, vil erosion fjerne overflade lag af relativt lav CaCO3 koncentration forlader denne kalkholdige lag af høj CaCO3 tættere på jordoverfladen. Lav CaCO3 jord er derefter transporteres til områderne depositional, forårsager det kalkholdige lag at blive begravet dybere under jordoverfladen (figur 2). Prøveudtagning disse jordtyper over tid med passende dybde mellemrum, kan enten erosion eller deposition (eller ingen) udledes af CaCO3 koncentration, i henhold til denne model.
| Jorden serie | Hældning | Taksonomiske klassifikation | Dybde | pH | EF | Total N | SOC | CaCO3 |
Tabel 1. Jord på målepladsen. Jord tilknytning enheder og taksonomiske klassifikation, med gennemsnitlige jord pH, elektriske ledningsevne (EF), total N, jord organisk C (SOC), og CaCO3 koncentrationer i de 0 - til 15- og 15 - 30 cm dybde intervaller for Scott feltet i 2012 (fra Sherrod et Al.) 6.
Figur 2. Konceptuelle jord profiler. Konceptuelle jord profiler for (a) en statisk jorden matrix med CaCO3 udvaskes fra slidlaget og udfældet i en dybere lag, (b) moderat erosion af overflade lag, og (c) moderat aflejring af materiale over den tidligere overflade lag. Dybde intervaller (til venstre) er omtrentlige baseret på site data (fra Sherrod mfl.) 6. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Site beskrivelse og historie
109-ha Scott feltet er en del af Drake gård i nordøstlige Colorado (40.61oN, 104.84oW, figur 3) og blev overvåget fra 2001-2012 for denne undersøgelse. Gennemsnitlige årlige nedbør og evapotranspiration var ca. 350 og 1200 mm, henholdsvis i denne semi-aride klima, hvor konvektive regn af kort varighed og høj intensitet var almindelige i løbet af sommeren. Stigninger spænder fra 1559 til 1588 m i denne kuperede terræn med særskilte landskab positioner: topmødet, sideslope nordvendte (side-NF), sideslope sydvendt (side-SF) og toeslope (figur 4b). Skiftende strimler (~ 120 m bred) var typisk lykkedes i denne rainfed vinterhvede-braklægning rotation sådan, at alle andre strip var brak i cirka 14 måneder ud af hver 24 måneders rotation cyklus. Overfladisk jordbearbejdning (~ 7 cm), typisk v-bladet fejer, opstod 4 til 6 gange gennem perioden brak til ukrudtsbekæmpelse. Jordbunden på stedet blev klassificeret for at have en jord-tab tolerance, eller T værdi, 11 mg ha-1 år-1, hvor erosion priser under denne værdi, T der betragtes som acceptabelt til fortsat landbrugsproduktion4 .
Figur 3. Site placering er vist på en topografisk Relief billede (1011 til 4401 m) i staten Colorado, USA. Gennemsnitlig højde af webstedet er 1577 m.
Figur 4. Jordbund kort og jord overflade Elevation af Scott Field. (en) jord kort af Scott Field viser punkt jord prøven steder og afgrødestyring strimler. Jord enhed forkortelser er: 1 = Wagonwheel loam 0-2% hældning, 2 = Wagonwheel loam 2-5% hældning, 3 = Colby loam 5-9% hældning, 4 = Kim fine sandet lerjord 2-5% hældning, 5 = Kim fine sandet lerjord 5-9% hældning; og (b) jord overflade elevation af feltet baseret på 2001 5-m gitter digital elevation model (DEM), med jord prøven steder vist af jord klassificering (fra Sherrod mfl.) 6.
Den første jord overflade elevation undersøgelse blev indsamlet af RTKGPS i 2001 til at producere en digital elevation model (DEM) for webstedet. Sammenholdt med McCutcheon mfl., en intensiv jordprøven (figur 4a) blev også udført i 2001, fra hvilken overflade jord CaCO3 blev analyseret af et modificeret pres-calcimeter metode30,31 . Visuelt tydeligt erosion og aflejring forekommer i det efterfølgende årti på grund af vinden, overvejende fra nordvest og nedbør-afstrømning begivenheder bliver bedt om en anden RTKGPS elevation undersøgelse i 2009 (med en del af feltet afsluttet i 2010). Sammenligning af den nye DEM til den oprindelige 2001 DEM via en DEM af forskellen kort32 bekræftet betydelig erosion og aflejring, vise mønstre som foreslået flere kontrollerende faktorer for disse processer (figur 5). I betragtning af den betydelige overflade jord omfordeling på webstedet og historiske jord CaCO3 data, blev jordprøve 2001 gentaget i 2012 for at afprøve en konceptuel model af hydropedological processer6, som beskrevet i forrige afsnit.
Figur 5. Kort over ændringer (2001-2009 *) i jordoverfladen højde (Δz) på en 5-m gitter i Scott Field i nordøstlige Colorado. Afgrøde strip numre er mærket over skiftende vinter-hvede-braklægning beskæring system, ogafsnit A-A' er vist (angivelserne i Figur 11). * Strimler 2, 4, 6, 8 adspurgte i 2010 at fuldføre 2009 DEM (fra Sherrod mfl.) 6. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. jord overfladen højde dataindsamling
- GPS kalibrering for websted
- Find eller sæt en stabil benchmark på en sikker placering på webstedet undersøgelsen til brug som basen GPS for indsamling af RTKGPS.
- Opsætning af base station for RTKGPS dataindsamling på denne lokale benchmark ved hjælp af bedste tilnærmelse af koordinater for lokationen base station (dvs., WAAS-korrigeret GPS-position).
- Med rover GPS, besøge mindst tre vandrette og lodrette kontrol punkt benchmarks inden radio kommunikation for RTKGPS (cirka 10 km radius) og optage positioner.
Bemærk: Benchmarks beskrevet af nationale Geodetic undersøgelsen kan være søgt online 33 og blev brugt her. - Givet de målte og offentliggjorte koordinater af kontrolpunkterne, brug RTKGPS feltet software til at udføre et websted kalibrering 34, løse for koordinater af lokale benchmark til at blive brugt som base station. Kontroller, at koordinere residualer (vandret og lodret) for kontrolpunkterne er inden for acceptable grænser (± 0,02 m for denne kalibrering).
- GPS punkt dataindsamling
- med basestationen GPS sat på lokale benchmark og ved hjælp af lokale site kalibrering og feltet software, registrere RTKGPS placere data i GPS dataindsamleren på ca en 5-m vandret afstand under hele undersøgelsen område.
- Indsamle data effektivt ved montering rover GPS antenne på en afmålt fast højde over jorden overflade på en bil og køre transekter gennem området ( figur 6).
- For køretøjet metode, definere Transekttællinger slutpunkter til at oprette parallelle transekter fordelt 5 m fra hinanden. Import Transekttællinger slutpunkter i GPS dataindsamler til navigation transekter under kørslen. Indsamle punkter med dataindsamleren automatisk én gang pr. sekund mens kørsel transekter på ca 5 m s -1 at få punktdata om hver 5 m.
- Gentag punkt dataindsamling på webstedet som ovenfor beskrevne på senere tidspunkt (8-9 år senere i denne undersøgelse) således at jord overflade elevation ændringer kan analyseres; den oprindelige GPS site kalibrering bruges til alle undersøgelser og gentages ikke.
- med basestationen GPS sat på lokale benchmark og ved hjælp af lokale site kalibrering og feltet software, registrere RTKGPS placere data i GPS dataindsamleren på ca en 5-m vandret afstand under hele undersøgelsen område.
figur 6. RTKGPS højde overflade dataindsamling. RTKGPS overfladen højdedata indsamles mens man kører en utility køretøj gennem det felt (a), mens real-time GPS korrektioner er leveret af hotellets base station (b).
2. DEM skabelse og forarbejdning
- at skabe Demokrater
- Import placere data i GIS-softwaren og interpolere til en 5-m gitter DEM. ved hjælp af GIS software, cross-validere målte punkt stigninger til interpoleret elevation værdier og vælge en interpolationsmetode, der minimerer disse cross-valideringsfejl.
Bemærk: Almindelig kriging med en Gaussisk semivariogram model var den optimale interpolationsmetode for højdedata på dette websted. Cross-validering giver også en foranstaltning af elevation nøjagtighed for undersøgelsen metode 35. - Gentag 2.1.1 for andet sæt af positionsdata oprette anden DEM.
- Import placere data i GIS-softwaren og interpolere til en 5-m gitter DEM. ved hjælp af GIS software, cross-validere målte punkt stigninger til interpoleret elevation værdier og vælge en interpolationsmetode, der minimerer disse cross-valideringsfejl.
- Kortlægning DEM ændring
- bruger et raster calculator værktøj i GIS, subtrahere de seneste DEM fra den oprindelige DEM til at oprette en raster kort over DEM ændring ( figur 5), hvor negative værdier for højde ændre repræsenterer erosion og positive værdier repræsenterer deposition.
- Jord klassificering
- Compute jord overfladen topografisk attributter (hældning, aspekt, bidrager område) fra den første gitter DEM bruger DEM forarbejdning software.
- Klassificere jord områder som topmødet, sideslope eller toeslope baseret på skråning og medvirkende område af hver DEM gittercelle.
Bemærk: Topmøder er repræsenteret af lave bakker og lav bidrager områder. Sideslopes er repræsenteret af høje skrænter og mellemliggende bidrager områder. Toeslopes er repræsenteret af lave bakker og høje medvirkende områder. Hældning og bidrager området værdier definerer disse klassificeringer vil afhænge af den jord overflade topografi på webstedet og er kvalitativt valgt at give den ønskede repræsentation af hver klassificering område for et bestemt websted. - Dele sideslope områder ved de to dominerende aspekter, nordvendt og sydvendt på dette websted.
3. Jord prøvetagning
- prøve planlægning
- Reference kort i GIS at planlægge jord prøven steder. Vælg en række lokationer til tilstrækkeligt repræsenterer alle landskab positioner.
- Upload prøve beliggenhed koordinater til GPS data collector så at prøve sites kan være placeret i feltet.
- Brug forudgående kendskab til jordbunden på stedet for at guide beslutninger på prøve dybde intervaller for at indfange CaCO 3 variabilitet. Pre label genlukkelig plastposer for at angive prøve placering og dybde increment.
- Felt prøvetagning
- køre til prøve sites med en utility køretøj udstyret med en hydraulisk jord coring maskine og RTKGPS rover antenne navigation.
- Brug af jord coring maskine og prøvetagning tube for ønskede jordens kerne diameter (5,1 cm i denne undersøgelse), uddrag jord kerne fra hver prøve placering ( figur 7).
Bemærk: Antallet af kerner udvundet på hver lokation, samt jordens kerne dybde og intervaller varierede i denne undersøgelse. I 2001, var en enkelt kerne til en dybde på 90 cm taget og opdelt i 30 cm intervaller. I 2012, blev to jord kerner taget (inden for 1 m af den tilsvarende 2001-prøve) i en dybde af 30 cm og opdelt i 15 cm intervaller, med de to kerner aggregeres for analyser. Metoden 2012 anbefales. - Post RTKGPS placere data (x, y, z) på hver prøve placering.
- Skæres jord kernen i ønskede dybde stigninger og overføre til forud mærket genlukkelig plastposer og derefter placere i kølere til transport tilbage til laboratoriet.
- Gentage felt prøveudtagning efter betydelig erosion og/eller deposition er opstået (11 år i denne undersøgelse mellem prøver).
figur 7. Jord prøveudtagning. Jord prøven steder er navigeret til ved hjælp af en GPS-styrede utility køretøj udstyret med en hydraulisk jord coring maskine (a), således at jorden kerner kan være udvundet (b) og opdelt i ønskede dybde stigninger.
- holdning databehandling
- foranstaltning forskelle i højder indspillet i hver jord prøve placering mellem de to prøve datoer (198 steder stikprøven i 2001 og 2012 i denne undersøgelse).
Bemærk: Stigninger for 2001 blev taget fra 2001 DEM da punkt stigninger ikke blev registreret på tidspunktet for jord prøveudtagning. Positive ændringer i højde > 0,05 m anses depositional websteder, mens negative ændringer i højde <-0.05 m betragtes før produktionssteder. - Klassificere hver prøve placering som topmødet, nordvendte sideslope, sydvendt sideslope eller toeslope på grundlag af DEM behandling (se protokollen 2.3.2) klassificering på en enkelt placering, som defineret af hældning og medvirkende område kriterier, kan være omplaceret til at matche den dominerende klassificering af omkringliggende punkter.
- Brug rumlige sammenføjning værktøj i GIS software til at tildele andre geodata lag anvendes til analyser (management strip og jord kortlægning enhed) prøven steder.
- foranstaltning forskelle i højder indspillet i hver jord prøve placering mellem de to prøve datoer (198 steder stikprøven i 2001 og 2012 i denne undersøgelse).
4. Jord analyser
- jord prøveforberedelse
- tørre jordprøver fra feltet på 60 ° C i et laboratorium ovn natten.
- Slibe ovn-tørret jord til at passere gennem en 2 mm sigte ved hjælp af en motoriseret kværn eller en morter og pistil.
- Modificeret pres-Calcimeter apparater Setup
- konfigurere apparatet modificerede pres-calcimeter ( figur 8) ved at tilslutte en tryktransduceren (0 - 105. kPa range, 0,03 - 5 V DC output) til en strømforsyning med 14 gauge ledning og en digital voltmeter wired i kø for at overvåge output fra transduceren.
- Lægger 9,5 mm ID slanger til bunden af tryktransduceren og Tilslut slangen til en 18 gauge Luer lock kanyle med et partikelfilter (0,6 µm) i midten for at indsamle enhver refluks fra at nå tryktransduceren.
- Brug serum flasker som reaktion fartøjer tilsluttet tryktransduceren ( figur 9). bestemme størrelsen af serum flaske til brug ved at fugte en metal spiseskefuld med vand og tilføje ca. 5 mL jord, som du forventer at have høj CaCO 3 koncentration. afpipetteres 1 mL 0,5 N H 2 så 4 til denne jord og observere luftudvikling.
- Hvis gasudviklingen er høj, så påtage sig større end 15% CaCO 3 koncentration og bruge en 100 mL serum flaske som reaktion fartøj, ellers kan du bruge en 20 mL serum flaske.
- konfigurere apparatet modificerede pres-calcimeter ( figur 8) ved at tilslutte en tryktransduceren (0 - 105. kPa range, 0,03 - 5 V DC output) til en strømforsyning med 14 gauge ledning og en digital voltmeter wired i kø for at overvåge output fra transduceren.
figur 8. Modificeret pres-calcimeter apparater. Den modificerede pres-calcimeter apparater bruger et serum flaske som reaktion fartøj og en tryktransduceren telegraferede til en spænding meter til output signal (fra Sherrod mfl.) 30.
figur 9. Reaktion fartøjer til metoden modificerede pres-calcimeter. Reaktion fartøjer for den modificerede pres-calcimeter metode er serum flasker der indeholder 0,5 dram hætteglas med 2 mL syre reagens og en 1 g jordprøve.
- karbonat måling
- placere en 1 g delprøve af den forberedte jord (se protokollen 4.1) i en mærket reaktion fartøj. For jord indeholdende mere end 50% CaCO 3, bruger kun 0,5 g jord.
- Syre afpipetteres 2 mL reagens (6 N HCI der indeholder 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) i en 0,5 g hætteglasset. Placer hætteglas i reaktion fartøj forsigtigt så løsning indholdet ikke spild ud ved at vippe reaktion fartøj næsten til side positionen.
- Samtidig med at den reaktion fartøj indeholdende jordprøve og syre hætteglas på skrå, forsegle med grå butyl gummipropper og krympe med aluminium tætningsring.
- Ryst reaktion fartøj med en hvirvlende bevægelse at sikre fuldstændig opblanding af jorden med syre. Placer reaktion fartøj på lab bænk og lad reaktionen fortsætte i mindst 2 time
- Mens vi venter reaktion fartøjer til at fuldføre, bestemme en standardkurve ved at måle spænding af kendte CaCO 3 koncentrationer bruge den samme reaktion fartøj setup som jordprøver ( figur 10). blandes 100% CaCO 3 med glaskugler eller sand vægt procent for at oprette kendte CaCO 3 koncentrationer. omfatter en blindprøve uden CaCO 3.
- Efter jord prøve reaktioner er komplet, pierce gummi septum reaktion fartøj med en 18 gauge kanyle og post spænding output af tryktransduceren.
- Løs for CaCO 3 procent givet den målte spænding og ligningen bestemmes ud fra standardkurven ( figur 10a).
Bemærk: Øgede produceret af frigivelse af CO 2 er lineært relateret til koncentrationen af CaCO 3 findes i jorden således, at: % CaCO 3 = (regression koefficient * ændre i pres i volt) + skæringspunkt.
figur 10. CaCO 3 måling. a en standardkurve for CaCO 3 er oprettet ved hjælp af spænding aflæsninger fra tryktransduceren baseret på kendte procenter af CaCO 3 (b) blandes med pulver glaskugler eller sand.
5. statistiske analyser
- Definer to afhængige variabler som ændringen i jorden overflade stigninger og jordens overflade lag CaCO 3 koncentrationer fra første til anden prøve datoer (2001-2012 i denne undersøgelse). Definere uafhængige eller forklarende variabler som management (OD- eller selv - nummererede strip), enkelte strimler, vest eller øst blok af strips, jord kortlægning enhed, landskab klassificering og før/depositional klassificering.
- Udføre korrelation analyse og variansanalyse til statistisk kvantificere relationer mellem variabler. Udføre analyser i enhver foretrukne Statistikpakken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Kortlægning DEM forskelle fra 2001 og 2009 afslører erosion (rød) og deposition (grøn) i den 8-årig periode, med decimeter-niveau ændringer i højde over de fleste områder (figur 5). På Feltskalaen er erosion dominerende i vest og sydvest, mens deposition ses langs en nordvest til sydøst diagonal band på den østlige side af feltet. Skiftevis bånd af erosion og aflejring er set på management-skala, ofte med bratte ændringer på management strip grænser. Mønstre relateret til jordtyper (figur 4a) er mindre udtalt, men synes at falde sammen med topografisk funktioner med hvilken jord typer hænger stærkt. Finskala-før og depositional mønstre ses der ligner vand flow stier i områder af topografisk konvergens. Tre forskellige lineære funktioner af erosion, parallelt med forvaltning, ses i Strip 6. En øst-vest-transect (A-A' i figur 5) er afbildet til at undersøge disse unikke funktioner (Figur 11), der var mest sandsynligt forårsaget af jordbearbejdning operationer. Ingen jord prøve sites var placeret inden for disse funktioner i Strip 6.
Figur 11. Højde profiler (2001 og 2009 * Demokrater) langs en øst-vest-Transekttællinger gennem Strip 6 (A-A' i figur 5). * Strip 6 højdedata indsamlet i 2010.
Dividere de vestlige management strimler (West blok, strimler 1 - 6, figur 5), hvor erosion var dominerende, fra den østlige management (øst blok, strimler 7 - 12, figur 5), hvor aflejring var dominerende, er et omvendt forhold vist mellem ændringen i overflade jord CaCO3 (ΔCaCO3) og ændringer i jord overfladen højde (Δz) på prøve sites mellem 2001 og 2012 (figur 12). I den før West blok, CaCO3 koncentrationer steget gennemsnitligt af ca 3 g kg-1 , mens den gennemsnitlige højde faldet ca 2 cm. omvendt, depositional øst blokken viste en gennemsnitlig > 4 g/kg fald i CaCO3 koncentrationer, mens den gennemsnitlige højde steg ca. 5 cm. Denne omvendt forhold er ikke til stede, når samle alle strimler sammen over hele feltet.
Figur 12. Rumligt gennemsnit ændring i CaCO3 koncentration (0-30-cm dybde) og jord overfladen højde som domme af blokke af West (strimler 1-6) og øst (strimler 7-12) forvaltningsområder efter 11 år (2001-2012). Figur 5 viser strip numre og grænser. Fejl barer er ± 1 SEM (fra Sherrod mfl.) 6.
Adskille før prøven steder (Δz <-5 cm) fra depositional placeringer (Δz > 5 cm), alle landskab positioner afsløre et omvendt forhold mellem ΔCaCO3 og Δz, undtagen nordvendte sideslopes () Figur 13). Gennemsnit på tværs af alle landskaber, opretholdes denne omvendt forhold før steder; depositional steder, men er ΔCaCO3 næsten uændret. For depositional lokationer, deposition er størst i toeslope positioner, gennemsnit nær 13 cm. gennemsnit falder i CaCO3 er også største (8,2 g/kg) i disse depositional toeslope positioner. For før prøven steder, gennemsnitlige erosion er størst (17.4 cm) på nordvendte sideslopes, men det svarede ikke med en stigning i CaCO3 som set i alle andre synspunkter, før landskabet. Antager en jord bulk-tæthed af 1.4 g/cm3, 17.4 cm jord tab er lig med en erosion sats af 221 Mg/ha/år over studieperioden, næsten 20 gange T værdi for dette websted. Beregning af netto erosion over hele feltet ville kræve detaljerede kendskab til jordbundens bulkmassefylde før erosion og efter deposition. Da der er en gennemsnitlig nettogevinst i højde over marken, en konstant bulkmassefylde tyder på en net aflejring, men da deponerede jord er sandsynligvis på en lavere bulk-tæthed end før de transporteres, en netto jord tabet antages.
Figur 13. Rumligt gennemsnit ændring (2001-2012) i CaCO3 koncentration (0-30-cm dybde) og jord overfladen højde som domme af landskab klassificering i Erosional og Depositional landskab områder; NF står nord og SF står syd (fra Sherrod mfl.) 6. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
En korrelation analyse af Δz og ΔCaCO3 med site variabler vedrørende forvaltning (OD- eller selv - nummererede strip), enkelte strimler, vest eller øst blok af strips, jord kortlægning enhed, og liggende position er præsenteret i tabel 2 . De mest betydningsfulde korrelationer (p < 0,0001) ses mellem Δz og individuelle management strimler eller strip blokke (vest eller øst). Ændring af CaCO3 var mest markant korreleret (p = 0.016) til jord kortlægning enhed, mens Δz ikke var korreleret til jord. Mindre signifikant (p = 0,036) var sammenhængen mellem ΔCaCO3 og strip blokke, med hvilke Δz var korreleret samt. En analyse af varians viser Δz blive væsentligt berørt (p < 0,06) af alle site variabler (tabel 3). Før klasse (før, depositional eller uændret: EDU) mest markant (p = 0.075) berørt ΔCaCO3, efterfulgt af jord kortlægning enhed og enkelte strimler, begge væsentlig under en 10% signifikansniveau.
| Pearson korrelationskoefficienten | ||||||
| Variabel | Strimler | Blok | ||||
Tabel 2. Korrelation analyse af Δz og ΔCaCO3 med Site variabler. Korrelationsmatrix for site variabler tilknyttet elevation (z) og CaCO3 ændringer efter 11 år som påvirket af ledelse (eller ulige strimler), enkelte strimler, west blok (strimler 1 - 6) eller øst blok (strimler 7 - 12), jord kortlægning enhed, og liggende stilling (topmødet, side-nord vender, side-sydvendt og toeslope) (fra Sherrod mfl.) 6.
| ΔElevation | ΔCaCO3 | |||
| Variabel | F-værdi | Pr > F | F-værdi | Pr > F |
| Management | 3.47 | 0.0643 | 0,07 | 0.7957 |
| Strimler | 50.25 | < 0,0001 | 2,84 | 0.0937 |
| Blok | 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, ikke relevant, fordi EDU bestemmes ud fra ΔElevation. | ||||
| EDU = før (E), Depositional (D), uændret (U) | ||||
Tabel 3. Analyse af varians for afhængige variabler af ændring i højde og ændring i CaCO3 koncentration. Analyse af varians for afhængige variabler af ændringen i højde og ændring af CaCO3 koncentration i 0 - 30 cm dybde tilvækst efter 11 år som berørt af ledelsen (eller ulige strimler), enkelte strimler, blokere vest (strimler 1 - 6) eller øst blok (strimler 7-12), jord kortlægning enhed, og før klasse (EDU): før (Δz <-5 cm), depositional (Δz > 5 cm), eller uændret (-5 cm < Δz < 5 cm) (fra Sherrod mfl.) 6.
Interpolation af overflade CaCO3 punkt prøverne i 2001 og 2012 resultater i kortene vist (tal 14a, artikel 14b) og en forskel kort er lavet fra disse at vise interpoleret ΔCaCO3 (Figur 14 c). Relativt små, koncentrerede områder af høj og lav CaCO3 set i 2001 kortet (figur 14a) ses ikke længere i 2012 hvor de rumlige mønstre er mindre kompleks (figur 14b). Denne "udglatning" af den 2001 kort til 2012 kort viser en stigning i CaCO3 på tidligere lavere CaCO3 områder og et fald i CaCO3 hvor CaCO3 var høj. Mønstre af ΔCaCO3 (Figur 14 c) Vis stiger mest i langt mod vest, og nogle forholdet jord overflade topografi.
Figur 14. Kriged Interpolation Maps af CaCO3 koncentrationer. Kriged interpolation maps af CaCO3 koncentrationer i dybde intervallet 0-30 cm for (a) 2001, (b) 2012, og (c) ændre fra 2001 til 2012. Jord prøve placeringer vises af cirkler (a, b) og højde konturer med 1-m intervaller er vist i (c) (fra Sherrod mfl.) 6.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Tilknyttede ændringer i højde (figur 5) illustrerer betydelig erosion og aflejring på en Mark og rumlige mønstre vejledende af flere kontrollerende faktorer over flere skalaer. Fra feltet skala mønstre forbundet med vind, ned til finskala dendritiske mønstre produceret af vandgennemstrømningen, er processer relevante for denne undersøgelse mærkbare. Elevation ændring påvisning af gentagne RTKGPS jorden undersøgelser vises optimalt. Finere påvisning niveauer, som leveres af TLS, kan komplicere resultaterne ved at indføre microtopographic funktioner, såsom beskæring højderygge og furer, mens grovere påvisning niveauer, som findes med luftbårne undersøgelser, ikke muligvis tilstrækkelige til at fange fine skala mønstre. Gennemføre RTKGPS jorden undersøgelser over et område af denne størrelse (~ 100 ha) tager et par dage, men på grund af begrænsninger af indsamler kun et enkelt punkt i sekundet og rejsetiden til at dække området site. Fremskridt inden for luftbårne undersøgelser kan give bedre alternative metoder i fremtiden hvis undersøgelsen nøjagtigheder kan forbedres for at matche nøjagtigheden af jorden undersøgelser anvendes her.
Blandede resultater blev set i korrelerende ændringer i overflade jord CaCO3 med ændringer i jord overfladen højde, som forudsagt af den konceptuelle model. I 2001 var overflade jordprøver til CaCO3 koncentrationer kun tilgængelig i én dybde increment over de øverste 30 cm. I 2012, var Jordprøverne opdelt i to 15 cm intervaller over de øverste 30 cm. En analyse af ΔCaCO3 i kun de øverste 15 cm vil sandsynligvis ændre disse resultater og kan vise sig at være mere stærkt relateret til erosion og aflejring. Modificerede pres-calcimeter metode30 fortsætter med at fungere som en effektiv metode til jord CaCO3 måling.
Dette papir giver en detaljeret strategi for markskala kvantificering og beskrivelse af før og depositional processer i en Mark. De metoder, der beskrives her kan anvendes på andre websteder, hvor kalkholdige lag er til stede i nærheden af jordoverfladen. Fremtidige arbejde er planlagt for dette websted for at beregne en ny DEM ved hjælp af og til at måle overflade elevation ændringer siden 2009, når den sidste komplette RTKGPS jorden undersøgelse blev gennemført. Også, jord prøveudtagningsprocedure 2012 for overflade jord CaCO3 gentages i 15 cm dybde intervaller, således at ændringer i de øverste 15 cm kan sammenlignes mellem den fremtidige prøve og 2012.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Felt undersøgelse site er på en gård forvaltes af David Drake og vi takker ham for hans samarbejde under denne langsigtet forskning. Vi takker også Mike Murphy for hans mange års arbejde i marken på dette projekt og Robin Montenieri for hendes hjælp med grafik i dette papir.
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).
