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.
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.
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.
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, …
The authors have nothing to disclose.
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.
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 6×4 | |
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 1000 |
20 mm gray butyl stopper (2-prong) | Wheaton | 224100-192 | Septum; Case of 1000 |
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 |