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Mesure et cartographie des schémas d’érosion et de dépôt liées aux Concentrations de Carbonate du sol sous gestion agricole

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

Summary

Répartition spatiale d’érosion et de dépôt peut être déduite des différences dans l’élévation du terrain mappés à des intervalles de temps appropriés. Ces changements d’altitude sont liées aux changements dans les carbonates du sol près de la surface. Méthodes reproductibles pour les mesures de terrain et en laboratoire de ces méthodes d’analyse des données et les quantités sont décrites ici.

Abstract

Répartition spatiale d’érosion et de dépôt peut être déduite des différences dans l’élévation du terrain mappés à des intervalles de temps appropriés. Ces changements d’altitude sont liées aux changements dans les profils de carbonate (CaCO3) près de la surface du sol. L’objectif est de décrire un modèle conceptuel simple et un protocole détaillé pour champ répétable et mesures en laboratoire de ces quantités. Ici, altitude exacte est mesurée au moyen d’un terrestres différentiel système de positionnement global (GPS) ; autres méthodes d’acquisition de données pourraient être appliquées à la même méthode de base. Des échantillons de sol sont prélevés prescrit des intervalles de profondeur et analysés en laboratoire en utilisant une méthode de pression-calcimeter mis à jour le précis et efficace pour l’analyse quantitative de la concentration de carbone inorganique. Méthodes statistiques standards sont appliqués pour pointer les données et résultats représentatifs montrent des corrélations significatives entre les changements dans la couche superficielle du sol CaCO3 et les changements d’altitude conformes au modèle conceptuel ; CaCO3 a généralement diminué dans les zones de dépôt et a augmenté dans les zones d’érosion. Cartes sont tirées des mesures ponctuelles de l’altitude et le sol de CaCO3 à l’aide d’analyses. Une carte des schémas d’érosion et de dépôts sur le site de l’étude, un champ de blé d’hiver pluviale recadrée en alternant les bandes de blé-jachère, montre les effets combinés de l’érosion hydrique et éolienne, touchés par la gestion et de la topographie. Intervalles de profondeur et de méthodes alternatives d’échantillonnage sont discutés et recommandés pour les travaux futurs sur l’érosion des sols et des dépôts de CaCO3sur le sol.

Introduction

L’érosion des sols menace la viabilité des terres agricoles. Gestion, par exemple une rotation des cultures de blé d’hiver-jachère conventionnellement travaillé des cultures, peut accélérer les processus d’érosion et de dépôt que les sols nus pendant des périodes de jachère sont plus sensibles au vent et l’eau des forces1,2, 3 , 4 , 5 (figure 1). Tandis que ces processus peuvent être évidents, ils peuvent être difficiles à quantifier.

Le but de cette étude est d’abord de fournir une méthode efficace pour quantifier et décrire les variations spatiales de l’érosion et de dépôt sur le terrain à l’échelle à l’aide de la technologie de positionnement global (GPS) système et des systèmes d’information géographique (SIG) outils de cartographie. Un simple modèle conceptuel concernant ces modèles pour près de la surface carbonates du sol (CaCO3) est également présenté et testé par champ prescrite et de méthodes de laboratoire. Ces relations fournissent des mesures indirectes de l’érosion et de dépôt, tout en validant les résultats de la méthode GPS. Le présent document met l’accent sur les méthodes utilisées dans Sherrod et al. afin qu’ils peuvent être répétées, tout ou en partie, pour des recherches similaires dans d’autres endroits6.

Figure 1
Figure 1. Photos de l’érosion (a) et (b) le dépôt sur le Site d’étude suite à un événement de fortes pluies. Un morceau de pneu de tracteur dans le coin inférieur droit de la photo (b) indique la profondeur du dépôt à la frontière de la bande de blé/jachère.

Divers directement les méthodes de mesure de l’érosion des sols ont été examinées par Stroosnijder7. Méthodes proposées varient avec l’objectif de la mesure et les ressources disponibles, mais une méthode de « changement d’élévation de surface » est recommandée à l’échelle sur la pente et présente l’avantage de mesurer l’érosion et dépôt. Appliquez cette méthode consiste à installer des épingles dans le sol et surveiller le changement de hauteur du sol par rapport à la partie supérieure de la broche7. Avec les progrès de la technologie de mensuration, toutefois, cette approche fastidieuse peut être remplacée par d’autres techniques, telles que de laser terrestre (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, laser aéroporté (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, photogrammétrie avancée23 ,24, ou une combinaison de ces techniques25,26,,27. Tout en laser à balayage, communément appelé LiDAR (Light Detection And Ranging), prévoit l’acquisition plus rapide des séries de données d’élévation de la surface dense, les corrections doivent être apportées pour supprimer des objets de commandes, telles que la végétation. Avec une précision verticale au niveau du millimètre, TLS peut détecter le moindre changement d’altitude, cependant Perroy et al. ALS recommandée sur TLS pour l’érosion gulley estime en raison de la plus grande empreinte de balayage et de la meilleure orientation de l’instrument (moins l’occultation topographiques) pour la numérisation en ravins profondément incisé28. GPS cinématique en temps réel (RTKGPS), fournissant centimètre-niveau de précision sans post-traitement des données, est utilisé pour cette étude. La résolution spatiale et la précision des données recueillies RTKGPS sont optimales pour détecter les traits dominants de phénomènes d’érosion et sédimentation dans un champ agricole ou d’autres environnements avec couvre-sol substantielle.

La méthode de pression-calcimeter pour quantifier les sols CaCO3 repose sur la réaction du sol acide dans un système fermé, ce qui entraîne la libération de CO2. L’augmentation de pression dans la cuve de réaction à une température constante est linéairement corrélée à la quantité de sol CaCO329. Modifications à la méthode traditionnelle de pression-calcimeter, décrite par Sherrod et al., notamment en changeant le réacteur à flacons de sérum et à l’aide d’un transducteur de pression relié à un voltmètre numérique pour la détection des changements de pression 30. ces modifications permettent des limites de détection plus basses et une plus grande capacité pour l’échantillon de sol quotidienne s’exécute. Méthodes titrimétriques gravimétriques ou simples pour la mesure de sol CaCO3 produit des erreurs plus importantes et les limites de détection que cela modification pression-calcimeter méthode30.

Modèle conceptuel

Lorsque des mesures directes de l’érosion et de dépôt ne sont pas réalisables, les indicateurs indirects de ces processus peuvent être utilisés. Sherrod et al. l’hypothèse que la concentration de CaCO3 couche de surface du sol dans un climat semi-aride est inversement corrélée avec le changement de l’élévation de la surface au sol (en corrélation positive avec l’érosion, une corrélation négative avec les dépôts)6. L’hypothèse doit s’appliquer largement, mais des relations spéciales dépendra des conditions d’environnement (sol, végétation, gestion et le climat). Les sols sur le site de test (tableau 1) contiennent généralement une couche calcaire distincte 15-20 cm sous la surface du sol. D’un point de vue conceptuel, l’érosion va supprimer la couche de surface relativement faible concentration de3 CaCO, laissant cette couche calcaire de haute CaCO3 plus près de la surface du sol. Le faible CaCO3 sol est ensuite transporté vers les zones de sédimentation, causant la couche calcaire d’être enterré plus profondément sous la surface du sol (Figure 2). Échantillonnage de ces sols au fil du temps à des intervalles de profondeur appropriée, soit l’érosion ou de dépôt (soit ni) peut être déduite par CaCO3 concentration, selon ce modèle.

Série de sols Pente Classification taxinomique Profondeur pH EC N total SOC CaCO3
% cm 1:2 dS m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 Loam Colby 5-9 amende-silteux, mixte, superactifs, calcaires, mésique Aridic Ustorthent 0-15 8.2 0,24 0,7 6.1 69,8 15-30 8.3 0,24 0,5 4.0 84,3 Loam sableux Kim 2-5 amende-limoneux, mixte, actif, calcaires, mésique Ustic Torriorthent 0-15 7.8 0,26 0,8 7.0 29,8 15-30 8.0 0,27 0,6 5.0 51,5 5-9 amende-limoneux, mixte, actif, calcaires, mésique Ustic Torriorthent 0-15 8.1 0,22 0,6 5.4 26,7 15-30 8.1 0,19 0,5 4.1 25,8 Loam Wagonwheel 0-2 grossier-limoneux, mixte, superactifs mésiques Aridic Calciustept 0-15 8.2 0,23 0,7 5.9 66,2 15-30 8.2 0,23 0,6 3.7 98.1 2-5 grossier-limoneux, mixte, superactifs mésiques Aridic Calciustept 0-15 8.3 0,23 0,8 6.6 52,0 15-30 8.4 0,26 0,7 5.4 118.3

Tableau 1. Les sols sur le Site. Unités de cartographie et de la classification taxonomique, avec le pH du sol moyenne, électrique, conductivité (EC), azote total, soil C organique (SOC) et CaCO3 concentrations dans les 0 à 15 et par tranches de 15 à 30 cm de profondeur pour le Scott sur le terrain en 2012 sur le sol (de Sherrod et Al.) 6.

Figure 2
Figure 2. Profils de sols conceptuel. Profils de sols conceptuel pour (a) une matrice de sol statique avec CaCO3 lessivés de la couche superficielle et précipité dans une couche plus profonde, l’érosion modérée (b) de la couche superficielle et (c) modéré dépot de matériel au-dessus de la couche précédente. Intervalles de profondeur (à gauche) sont approximatives basées sur des données de site (à partir de Sherrod et al.) 6. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Histoire et Description du site

Le 109-ha terrain Scott fait partie de la ferme de Drake dans le nord-est du Colorado (40,61oN, 104.84oW, Figure 3) et a été suivie de 2001 à 2012 pour cette étude. L’évapotranspiration et la moyenne annuelle des précipitations étaient environ 350 et 1200 mm, respectivement, dans ce climat semi-aride, où pluie convective de courte durée et d’intensité élevée étaient fréquents pendant l’été. Altitudes comprises entre 1559 et 1 588 m dans ce terrain vallonné avec des positions de paysages distincts : sommet, sideslope vers le Nord (côté-NF), sideslope orientée plein sud (côté-SF) et toeslope (Figure 4 b). Bandes alternées (~ 120 m de large) étaient généralement gérés dans cette rotation de blé-jachère pluviale telle que chaque autre bande était en jachère depuis environ 14 mois hors de chaque cycle de rotation de 24 mois. Labours peu profonds (~ 7 cm), généralement des balayages de lame en v, a eu lieu 4 à 6 fois par le biais de la période de jachère contre les mauvaises herbes. Les sols sur le site ont été classés pour avoir une tolérance de perte de sol, ou une valeur de T , de 11 Mg ha-1 an-1, où les taux d’érosion au-dessous de cette valeur de T sont considérés comme acceptables pour la production agricole continue4 .

Figure 3
Figure 3. Emplacement du site apparaît sur une Image de Relief topographique (1011 à 4401 m) de l’état du Colorado, USA. L’altitude moyenne du site est 1577 m.

Figure 4
Figure 4. Sols de carte et l’élévation de Surface de terre de la Scott Field. (a) carte des sols de la Scott Field montrant les points point d’échantillonnage des sols et la gestion des cultures en bandes. Sol unité abréviations sont : 1 = pente de Wagonwheel loam 0-2 %, 2 = Wagonwheel loam pente de 2 à 5 %, 3 = Colby loam pente de 5 à 9 %, 4 = Kim fine sablo-limoneux pente de 2 à 5 %, 5 = Kim fine sablo-limoneux pente de 5 à 9 % ; et (b) terre surface élévation du champ basé sur le modèle d’élévation numérique 5 m grille 2001 (DEM), avec les points d’échantillonnage de sol témoignent de la classification des terres (à partir de Sherrod et al.) 6.

La première enquête d’élévation de la surface de sol ont été recueillie par RTKGPS en 2001 pour produire un modèle d’élévation numérique (DEM) pour le site. En conjonction avec McCutcheon et al., un échantillon de sol intensif (Figure 4 a) a également été effectué en 2001, de dont la surface du sol CaCO3 ont été analysés par la méthode d’une pression-calcimeter mis à jour le30,31 . Visuellement évidente érosion et dépôt qui se produisent au cours de la décennie suivante en raison du vent, principalement de l’Ouest et la pluie-débit événements incité une deuxième enquête d’élévation de RTKGPS en 2009 (avec une partie du champ terminé en 2010). Comparaison de la nouvelle DEM à l’origine DEM 2001 via un DEM de différence carte32 confirmé importante érosion et dépôt, affichant des patrons qui suggère les multiples facteurs de contrôle de ces processus (Figure 5). Compte tenu de la redistribution du sol de surface importante sur le site et les données historiques de sol de3 CaCO, l’échantillon de sol de 2001 a été répétée en 2012 pour tester un modèle conceptuel du processus de hydropédologiques6, tel que décrit dans la section précédente.

Figure 5
Figure 5. Carte des changements (2001-2009 *) l’altitude de Surface de la terre (Δz) sur une grille de 5 m dans le Scott Field dans le nord-est du Colorado. Crop bande de numéros sont marqués sur le système de culture hiver-blé-jachère alterné, etsection A-A' est montré (détails donnés à la Figure 11). * Bandes 2, 4, 6, 8, interrogés en 2010 pour compléter le DEM de 2009 (à partir de Sherrod et al.) 6. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

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Protocol

1. collecte de données d’élévation Land Surface

  1. étalonnage de GPS pour le site
    1. Locate ou un ensemble stable de référence dans un emplacement sécurisé sur le site de sondage pour servir de GPS, la station de base pour la collecte de données RTKGPS.
    2. Mis en place une station de base pour la collecte de données RTKGPS à ce point de repère local en utilisant la meilleure approximation des coordonnées pour l’emplacement de la station de base (c.-à-d., position GPS WAAS-corrigé).
    3. Avec le rover GPS, visitez au moins trois repères de point de contrôle horizontal et vertical dans les limites de communication radio de le RTKGPS (rayon de 10 km environ) et les postes Records.
      NOTE : Repères décrits par la mensuration nationale peuvent être recherchés en ligne 33 et servaient ici.
    4. Étant donné les coordonnées mesurées et publiées les points de contrôle, utilisez RTKGPS champ logiciel pour réaliser un site d’étalonnage 34, résoudre des coordonnées du point de repère local servir de station de base. Vérifier que des résidus coordonnées (horizontales et verticales) pour les points de contrôle dans les limites tolérables (± 0,02 m pour ce calibrage).
  2. GPS point de collecte de données
    1. avec socle GPS situé sur le point de repère local et à l’aide de calibrage de site local et le champ, enregistrer RTKGPS positionner les données dans le collecteur de données GPS à environ un espacement horizontal de 5 m tout au long de l’enquête zone.
      1. Collecter les données efficacement par montage rover GPS antenne à une hauteur fixe mesurée au-dessus du sol de surface sur un véhicule et de conduite des transects à travers la zone ( Figure 6).
    2. Pour méthode de véhicule, définir transect des points de terminaison pour créer des transects parallèles espacés à 5 m de distance. Importation du transect points de terminaison dans le collecteur de données GPS pour la navigation de transects pendant que vous conduisez. Cumulez des points avec le collecteur de données automatiquement une fois par seconde tandis que la conduite des transects à environ 5 m s -1 pour obtenir des données de point sur chaque m. 5
    3. Collecte de données de point de répéter au site comme décrit ci-dessus au ultérieurement (8 à 9 ans plus tard dans cette étude) afin que les changements d’élévation de la surface des terres peuvent être analysés ; l’étalonnage de site GPS original est utilisé pour toutes les enquêtes et ne se répète pas.

Figure 6
figure 6. RTKGPS élévation données de Surface Collection. RTKGPS élévation surfaces données sont collectées pendant que vous conduisez un véhicule utilitaire à travers le champ b, tandis que des corrections de GPS en temps réel sont fournies par la station de base sur place b.

2. DEM création et traitement

  1. créant les MNE
    1. importation placer des données dans des logiciels SIG et interpoler et une grille de 5 m Rép. à l’aide de SIG, effectuer une validation croisée des élévations point mesuré à élévation interpolée valeurs et choisissez une méthode d’interpolation qui minimise ces erreurs de validation croisée.
      Remarque : Le krigeage ordinaire avec un modèle gaussien semivariogram était la méthode d’interpolation optimale pour les données d’élévation à ce site. La validation croisée fournit également une mesure de précision d’altitude pour la méthode de sondage 35.
    2. Répétez 2.1.1 pour la deuxième série de données de position pour créer le deuxième DEM.
  2. Changement de cartographie DEM
    1. à l’aide d’un outil de calcul de raster en SIG, soustraire le DEM plus récent de la DEM original pour créer une carte raster du changement DEM ( Figure 5), où des valeurs négatives de l’élévation changent représentent l’érosion et les valeurs positives représentent les dépôts.
  3. Land Classification
    1. Compute land surfaces attributs topographiques (pente, aspect, contribuant zone) de la première grille DEM à l’aide de logiciels de traitement DEM.
    2. Classer les zones terrestres comme sommet, sideslope ou toeslope basé sur la pente et contributif de chaque cellule de grille DEM.
      NOTE : Les sommets sont représentés par des pentes faibles et contribuant de zones à faible. Talus sont représentés par des pentes élevées et intermédiaire contribuant zones. Toeslopes sont représentés par des pentes faibles et hautes terres qui contribuent. Pente et contribuant espace valeurs définissant ces classifications dépendra de la topographie de surface de terre sur le site et sont qualitativement choisis pour donner la représentation désirée de chaque zone de classification pour un site particulier.
    3. Diviser les zones sideslope par les deux aspects dominants, face au nord et sud-face à ce site.

3. Échantillonnage des sols

  1. échantillon planification
    1. référence des cartes SIG pour planifier les emplacements des échantillons du sol. Choisir un certain nombre d’endroits pour représenter adéquatement toutes les positions du paysage.
    2. Emplacement de téléchargement échantillon se coordonne pour le collecteur de données GPS afin que les stations d’échantillonnage peuvent être situées dans le domaine.
    3. Connaissance préalable d’utilisation des sols sur le site pour guider les décisions des incréments de profondeur d’échantillonnage afin de capturer le CaCO 3 variabilité. Les étiqueter des sacs de plastique refermables pour indiquer l’augmentation d’échelon de position et leur profondeur échantillon.
  2. Échantillonnage sur le terrain
    1. conduire vers les sites de l’échantillon avec un véhicule utilitaire équipé d’un sol hydraulique carottage machine et l’antenne de rover RTKGPS pour la navigation.
    2. Using sol carottage machine et échantillonnage pour tube de diamètre de noyau de sol souhaitée (5,1 cm dans cette étude), extrait de noyau de sol de chaque endroit de l’échantillon ( Figure 7).
      Remarque : Le nombre de carottes extraites à chaque emplacement, ainsi que la profondeur du sol core et incréments variés dans cette étude. En 2001, un seul cœur jusqu'à une profondeur de 90 cm a été pris et divisé en tranches de 30 cm. En 2012, deux carottes de sol ont été prises (moins de 1 m de l’échantillon correspondant de 2001) pour une profondeur de 30 cm et divisés en tranches de 15 cm, avec les deux noyaux sont agrégés à des analyses. La méthode de 2012 est recommandée.
    3. Enregistrement RTKGPS positionner les données (x, y, z) à chaque emplacement de l’échantillon.
    4. Couper le noyau de la terre en incréments de profondeur souhaitée et transférer dans des sacs de plastique scellables préétiquetés et ensuite placer dans des glacières pour le transport vers le laboratoire.
    5. Répéter l’échantillonnage sur le terrain après l’érosion importante et/ou des dépôts s’est produite (11 ans entre les échantillons dans cette étude).

Figure 7
figure 7. Échantillonnage des sols. Les emplacements des échantillons du sol sont cible de la navigation à l’aide d’un véhicule utilitaire guidée par GPS équipé d’un sol hydraulique carottage machine (un) afin que des carottes de sol peuvent être extraite (b) et divisé en tranches de la profondeur voulue.

  1. poste informatique
    1. mesure des différences dans les altitudes enregistrement à chaque emplacement d’échantillon de sol entre les deux dates de l’échantillon (198 emplacements échantillonnés en 2001 et 2012 dans cette étude).
      NOTE : Élévations pour 2001 sont tirées de la DEM 2001 puisque point élévations n’étaient pas enregistrées au moment de l’échantillonnage du sol. Des changements positifs dans l’élévation > 0,05 m sont considérés comme depositional sites, tandis que des changements négatifs en altitude < m-0,050 sont considérés comme des sites d’érosion.
    2. Classer chaque emplacement échantillon comme sommet, sideslope vers le Nord, orientée plein sud sideslope ou toeslope, compte tenu de l’utilisation de DEM (voir protocole 2.3.2) ; classification à un seul endroit, au sens de la pente et contributifs zone critères, peut être reclassés afin de correspondre à la classification dominante d’entourant points.
    3. Utilisation spatiale se joindre à des outils de logiciel SIG pour attribuer des points d’échantillonnage d’autres couches de données spatiales utilisées pour les analyses (bande de gestion et unité cartographique de sol).

4. Analyses des sols

    1. , préparation de l’échantillon du sol
    1. des échantillons de sol du champ à 60 ° C dans un four de laboratoire à sec du jour au lendemain.
    2. Moudre sols séché au four pour passer à travers un tamis de 2 mm à l’aide d’un broyeur motorisé ou un mortier et un pilon.
  2. Modifié le programme d’installation appareil pression-Calcimeter
    1. mis en place l’appareil de pression mis à jour le-calcimeter ( Figure 8) en vous connectant à un transducteur de pression (0 - 105 kPa gamme, 0,03 - sortie de 5 V DC) en courant avec 14 jauge de fil et un voltmètre numérique câblé en ligne pour surveiller la sortie du transducteur.
      1. Raccorder le tube d’ID de 9,5 mm à la base du transducteur de pression et raccordez le tuyau à une aiguille hypodermique de 18 calibre Luer lock avec un filtre à particules (0,6 µm) au milieu de recueillir tout reflux d’atteindre le capteur de pression.
    2. Utilisation des flacons de sérum comme récipients connecté vers le transducteur de pression ( Figure 9). déterminer la taille de la bouteille de sérum à utiliser en mouillant une cuillère à soupe métallique avec de l’eau et ajouter environ 5 mL de les sols que vous attendez d’avoir élevé CaCO 3 concentration. pipette 1 mL de 0,5 N H 2 SO 4 à ce sol et observer l’effervescence.
    3. Si l’effervescence est élevé, alors assumer supérieure à 15 % CaCO 3 concentration et utiliser un flacon de 100 mL sérum comme la cuve de réaction, sinon utilisez une bouteille de sérum de 20 mL.

Figure 8
figure 8. Modification des appareils de pression-calcimeter. L’appareil de pression-calcimeter mis à jour l’utilise une bouteille de sérum dans la cuve de réaction et un transducteur de pression relié à un compteur de tension à la sortie du signal (à partir de Sherrod et al.) 30.

Figure 9
figure 9. Cuves de réaction pour la méthode de pression mis à jour le-calcimeter. Cuves de réaction pour la méthode modifiée de pression-calcimeter sont des flacons de sérum contenant un flacon de 0,5 dram avec 2 mL de réactif acide et un échantillon de sol 1 g.

  1. mesure de carbonate
    1. placer un sous-échantillon de 1 g de la préparé le sol (voir protocole 4.1) dans une cuve de réaction marquée. Pour les sols contenant plus de 50 % de CaCO 3, utiliser seulement 0,5 g de sol.
    2. Pipette de 2 mL d’acide réactif (6 N HCI contenant 3 % FeCL 2 O 4 H 2 O) dans un flacon de verre de 0,5 g. Placer la fiole dans la cuve doucement afin que le contenu de la solution ne renversez pas dehors par l’inclinaison de la cuve de réaction presque à la position latérale.
    3. Tout en gardant la cuve contenant l’échantillon de sol acide flacon incliné, sceller avec bouchons en caoutchouc de butyle grise et sertir avec aluminium, bague d’étanchéité.
    4. Réaction de secouer le bateau avec un mouvement tourbillonnant pour assurer le mélange complet du sol avec de l’acide. Placer la cuve de réaction sur le banc de laboratoire et de laisser la réaction continuer pendant au moins 2 h
    5. En attendant que les cuves de réaction terminer, déterminer une courbe standard de mesure des tensions de connaître CaCO 3 concentrations utilisant la même configuration de navire de réaction comme des échantillons de sol ( Figure 10). Mélangez 100 % CaCO 3 avec perles de verre ou du sable sur une base de pourcentage de poids pour créer connu CaCO 3 concentrations. inclure un échantillon témoin sans CaCO 3.
    6. Après les réactions d’échantillon du sol sont terminées, pierce le septum en caoutchouc de la cuve de réaction avec un 18 jauge aiguille hypodermique et enregistrement tension produite par le transducteur de pression.
    7. Résoudre pour CaCO 3 pourcentage étant donné la tension mesurée et l’équation déterminée à partir de la courbe d’étalonnage ( Figure 10 a).
      NOTE : Augmentation de la pression produite par le dégagement de CO 2 est linéairement liée à la concentration de CaCO 3 présents dans le sol tels que : % de CaCO 3 = (coefficient de régression * changement de pression en volts) + intercept.

Figure 10
figure 10. CaCO 3 mesure. (a) une courbe standard de CaCO 3 est créée en utilisant les lectures de tension par le transducteur de pression selon des pourcentages connus de CaCO 3 (b) mélangé avec des billes de verre de poudre ou de sable.

5. Analyses statistiques

variables dépendantes
  1. définir deux comme le changement de terrain élévations de surface et du sol couche superficielle CaCO 3 concentrations provenant des première à la deuxième dates d’échantillonnage (2001 à 2012 dans la présente étude). Définir des variables indépendantes ou explicatives gestion (impair ou même bandes numérotées), bandes individuelles, bloc occidental ou oriental de bandes, unité cartographique de sol, le paysage classement et classification d’érosion/sédimentation.
  2. Corrélation effectuer analyse et analyse de variance pour quantifier statistiquement les relations entre les variables. Effectuer des analyses dans n’importe quel logiciel de statistique préféré.

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Representative Results

Cartographie des différences entre 2001 et 2009 DEM révèle l’érosion (rouge) et le dépôt (vert) au cours de cette période de 8 ans, avec des changements au niveau du décimètre d’altitude sur la plupart des régions (Figure 5). Sur le terrain-, l’érosion est dominante dans l’Ouest et le sud-ouest, tandis que le dépôt est vu le long d’un Nord-Ouest à bande diagonale au sud-est sur la côte orientale du champ. Bandes alternantes d’érosion et de dépôt sont observés à l’échelle de gestion, souvent avec des changements brutaux, aux limites de la bande de gestion. Modèles associés à des types de sols (Figure 4 a) sont moins prononcées, mais ne semblent pas coïncider avec des caractéristiques topographiques avec quel sol types sont fortement interdépendants. Petite échelle des schémas d’érosion et de sédimentation sont vu qui ressemble à l’eau chemins de débit dans les zones de convergence topographique. Trois caractéristiques linéaires distincts de l’érosion, parallèle à la direction, sont visibles dans la bande de 6. Un transect est-ouest (A-A' à la Figure 5) est tracée pour examiner ces caractéristiques uniques (Figure 11), qui ont été probables causée par les opérations de travail du sol. Aucun site d’échantillon de sol ne se trouvaient dans ces fonctionnalités dans la bande de 6.

Figure 11
Figure 11. Profils d’altitude (2001 et 2009 * MNE) le long d’un ouest-est du Transect par le biais de la bande de 6 (A-A' en Figure 5). * Bande 6 élévation données collectées en 2010.

Divisant les bandes de gestion Ouest (édifice de l’Ouest, bandes 1 - 6, Figure 5), où l’érosion a été dominante, de la gestion de l’est (East Block, bandes de 7 - 12, Figure 5), où le dépôt a été dominant, montre une relation inverse entre le changement de surface du sol CaCO3 (ΔCaCO3) et le changement d’altitude surface de la terre (Δz) sur les sites de l’échantillon entre 2001 et 2012 (Figure 12). Dans le bloc ouest d’érosion, CaCO3 concentrations a augmenté en moyenne d’environ 3 g kg-1 alors que l’élévation moyenne a diminué environ 2 cm. à l’inverse, l’édifice de la sédimentation a montré une moyenne > 4 g/kg diminution des concentrations CaCO3 tandis que l’élévation moyenne a augmenté d’environ 5 cm. Cette relation inverse n’est pas présente lorsque rassemblant toutes les bandes sur le corps entier.

Figure 12
La figure 12. En moyenne dans l’espace de changement en CaCO3 Concentration (0-30 cm de profondeur) et l’élévation de Surface de terres affectées par blocs de l’Ouest (bandes 1-6) et des zones de gestion de East (bandes de 7-12) après 11 ans (2001-2012). La figure 5 montre la bande numéros et limites. Barres d’erreur sont ± 1 SEM (à partir de Sherrod et al.) 6.

Séparant les emplacements des échantillons d’érosion (Δz <-5 cm) des sites sédimentaires (Δz > 5 cm), toutes les positions du paysage révèlent une relation inverse entre ΔCaCO3 et Δz, sauf (talus) vers le nord La figure 13). En moyenne dans l’ensemble de tous les paysages, cette relation inverse est maintenue dans les lieux d’érosion ; dans des endroits sédimentaires, toutefois, ΔCaCO3 sont pratiquement inchangées. Pour les emplacements de dépôts, dépôts sont plus grande dans des positions de toeslope, en moyenne près de 13 cm. moyenne diminue en CaCO3 est également plus grands (8,2 g/kg) dans ces positions toeslope sédimentaire. Pour les points d’échantillonnage d’érosion, érosion moyenne est plus grande (17,4 cm) à talus vers le Nord, toutefois, cela ne correspondait pas avec une augmentation de CaCO3 comme on le voit dans toutes les autres positions de paysage d’érosion. En supposant une densité apparente du sol de 1,4 g/cm3, une perte de sol 17,4 cm équivaut à un taux d’érosion de 221 Mg/ha/an au cours de la période d’étude, près de 20 fois le T valeur pour ce site. Calcul d’érosion nette sur toute la zone nécessiterait une connaissance détaillée de la densité apparente du sol avant l’érosion et après dépôt. Puisqu’il n’y a un gain net moyen en altitude sur le corps, une densité constante indiquerait un dépôt net, mais sols déposés étant probables à une masse volumique plus faible qu’avant d’être transportée, suppose une perte nette de sol.

Figure 13
La figure 13. Changement dans l’espace en moyenne (2001-2012) en CaCO3 Concentration (0-30 cm de profondeur) et l’élévation de Surface de terre as Affected by Classification de paysage à l’érosion et la sédimentation des secteurs de paysage; NF est vers le Nord et le SF est exposé plein sud (à partir de Sherrod et al.) 6. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Une analyse de corrélation de Δz et ΔCaCO3 avec variables des sites liés à la gestion (impair ou même bande numérotée), bandes individuelles, Ouest ou l’édifice des bandes, unité cartographique de sol, et en position paysage est présentée dans le tableau 2 . Les plupart des corrélations significatives (p < 0,0001) sont vus entre Δz et les bandes de gestion individuelle ou les blocs de bande (Ouest ou est). Changement de CaCO3 une corrélation plus significative (p = 0,016) à l’unité cartographique de sol, tandis que Δz n’était pas corrélée aux sols. Moins significatives (p = 0,036) était la corrélation entre les ΔCaCO3 et les blocs de bande, avec lequel Δz est en corrélation aussi bien. Une analyse de la variance montre Δz gravement affectés (p < 0,06) de toutes les variables de site (tableau 3). Classe d’érosion (érosion, sédimentation ou inchangée : EDU) plus significativement (p = 0,075) touchés ΔCaCO3, suivie par l’unité de cartographie des sols et des bandes individuelles, tous deux significatifs au-dessous d’un niveau de signification de 10 %.

Coefficient de corrélation de Pearson
Variable Bandes Bloc
g > sol Paysage ΔCaCO3 Δz Gestion 0,090 (0.222) * -0.027 (0,715) 0,028 (0.708) 0,004 (0,959) 0,019 (0,799) -0.115 (0,120) Bandes - 0,868 (< 0,0001) 0,411 (< 0,0001) 0,077 (0,295) -0.120 (0,104) 0,425 (< 0,0001) Bloc - 0,414 (< 0,0001) 0,114 (0,124) -0.154 (0,036) 0,303 (< 0,0001) Sol - 0,408 (< 0,0001) -0.177 (0,016) 0,025 (0,738) Paysage - -0.101 (0,172) -0.083 (0.260) ΔCaCO3 - -0,001 (0,990) * Pr > r entre parenthèses.

Le tableau 2. Analyse de corrélation de Δz et ΔCaCO3 avec Variables Site. Lanières de la matrice de corrélation des variables des sites associés d’altitude (z) et CaCO3 changements après 11 ans comme touchés par la direction (bandes pair ou impairs), individuelle, édifice de l’Ouest (bandes 1 - 6) ou le bloc de l’est (bandes de 7 - 12), unité cartographique de sol, et de paysage de position (sommet nord-côté face, côté-sud et toeslope) (à partir de Sherrod et al.) 6.

ΔElevation ΔCaCO3
Variable Valeur de F PR > F Valeur de F PR > F
Gestion 3.47 0.0643 0,07 0.7957
Bandes 50,25 < 0,0001 2,84 0,0937
Bloc 7.48 0,0069 1,79 0.1824
Sol 5.57 0.0193 3.16 0.0773
EDU NA * NA 3.21 0,0750 part
* NA, ne s’applique pas parce que EDU est déterminée à partir de ΔElevation.
EDU = (E) d’érosion, sédimentation (D), inchangée (U)

Tableau 3. Analyse de la Variance pour les Variables dépendantes du changement d’altitude et CaCO3 Concentration. Analyse de la variance pour les variables dépendantes du changement d’altitude et changement de CaCO3 concentration dans l’incrément de 0 à 30 cm de profondeur après 11 ans comme touchés par la direction (bandes pair ou impairs), bandes individuelles, bloc ouest (bandes 1 - 6) ou de l’est bloc (bandes de 7-12), unité cartographique de sol et classe d’érosion (EDU) : d’érosion (Δz <-5 cm), sédimentaire (Δz > 5 cm), ou inchangé (-5 cm < Δz < 5 cm) (à partir de Sherrod et al.) 6.

Interpolation de surface CaCO3 point échantillons dans les résultats de 2001 et 2012 dans les cartes illustrés (figure 14 a, 14 b) et une carte de la différence est créée à partir de ceux-ci pour montrer ΔCaCO interpolée3 (Figure 14C). Des secteurs relativement petits et concentrés de haute et basse de CaCO3 vu dans le plan 2001 (Figure 14 a) ne sont plus perçus en 2012 où les patrons spatiaux sont moins complexes (Figure 14 b). Ce « lissage » de la carte de 2001 à la carte 2012 indique une augmentation de CaCO3 dans précédemment CaCO3 zones et une diminution de CaCO3 où CaCO3 était élevé. Patrons de ΔCaCO3 (Figure 14C) émission augmente plus dans l’extrême ouest et une relation avec la topographie de la surface terrestre.

Figure 14
La figure 14. Cartes d’Interpolation krigées de CaCO3 Concentrations. Cartes d’interpolation krigées de CaCO3 concentrations dans l’intervalle 0 à 30 cm de profondeur pour (a) 2001 (b) 2012 et (c) changement de 2001 à 2012. Points d’échantillonnage de sol sont indiquées par des cercles (a, b) et l’élévation des contours avec des intervalles de 1 m figure dans (c) (à partir de Sherrod et al.) 6.

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Discussion

Mappé changements d’altitude (Figure 5) illustrent l’importante érosion et le dépôt sur une terre agricole et les patrons spatiaux indicatives de multiples facteurs de contrôle plusieurs échelles. Du champ échelle profils associés à vent, vers le bas pour modèles dendritiques échelle fine produite par l’écoulement de l’eau, procédés pertinents pour cette étude sont discernables. Le niveau de détection des changements d’altitude fournie par des enquêtes de terrain RTKGPS répétées semble optimal. Niveaux de détection plus fines, tel que prévu par TLS, peut compliquer résultats en introduisant microtopographique caractéristiques, telles que le recadrage des crêtes et sillons, tandis que les niveaux de détection plus grossières, comme trouvée levés aéroportés, pourrait ne pas suffire capturer l’échelle fine patrons. Tenue de RTKGPS au sol des enquêtes sur une superficie de cette taille (~ 100 ha) prend quelques jours, cependant, en raison des limitations de recueillir qu’un seul point par seconde et le temps de voyage pour couvrir la zone du site. Avances dans les levés aériens peuvent fournir meilleures méthodes alternatives à l’avenir si enquête exactitudes peuvent améliorer pour correspondre à l’exactitude des enquêtes de terrain utilisés ici.

Résultats mitigés ont été vus autocorrélation changements dans le sol superficiel de CaCO3 et avec les changements dans l’élévation de la surface terrestre, tel que prédit par le modèle conceptuel. En 2001, des échantillons de sol de surface pour les CaCO3 concentrations n’étaient disponibles dans l’accroissement de profondeur un seul pendant les 30 premiers centimètres. En 2012, les échantillons de sol ont été divisés en deux tranches de 15 cm sur les 30 premiers centimètres. Une analyse de ΔCaCO3 dans seulement les 15 premiers centimètres changera probablement ces résultats et peut s’avérer être plus fortement associés à l’érosion et de dépôt. La méthode de pression-calcimeter mis à jour le30 continue à servir comme une méthode efficace pour le sol CaCO3 mesure.

Ce document fournit une approche détaillée pour la quantification de grande échelle et la description des processus d’érosion et de sédimentation dans un champ agricole. Les méthodes décrites ici peuvent être appliqués à d’autres sites où les couches calcaires sont présents près de la surface du sol. Travaux futurs sont prévu pour ce site pour calculer un nouveau DEM à l’aide et à mesurer les variations de l’élévation de la surface depuis 2009, où le dernier relevé complet de sol RTKGPS est effectué. Aussi, le plan d’échantillonnage de sol de 2012 pour la surface du sol de CaCO3 sera répété par incréments de 15 cm de profondeur afin que les changements dans les 15 premiers centimètres peuvent être comparés entre l’échantillon futur et 2012.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Le site d’étude de terrain est dans une ferme gérée par David Drake et nous le remercions pour sa coopération durant cette recherche à long terme. Nous remercions également Mike Murphy pour ses nombreuses années de travail sur le terrain sur ce projet et Robin Montenieri pour son aide avec des graphismes utilisés dans cet article.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Real-time kinematic GPS system Trimble Model 5800
GPS field data collector Trimble Model TSC2
GPS field software Trimble Trimble Access (Trimble Survey Controller used in 2001 for site calibration but this software is no longer supported)
Hydraulic soil coring machine Giddings Machine Company
Utility vehicle John Deere Gator 6x4
GIS software ESRI ArcGIS for Desktop with Spatial Analyst and Geostatistical Analyst Extensions
Statistical software SAS SAS Institute Inc.
Pressure transducer 0-105 kPa Serta Model 280E Setra Systems, In., Boxborough, MA
Volt meter WaveTek 5XL Digital meter set to read volts
Serum Bottles Wheaton 223747 100 mL
Serum Bottles Wheaton 223762 20 mL
Sealing Cap 20 mm Aluminum Wheaton 224183-01 Case of 1,000
20 mm gray butyl stopper (2-prong) Wheaton 224100-192 Septum; Case of 1,000
Hand crimper Wheaton W225303 20 mm size
Hand Decapper Wheaton W225353 20 mm size
Acid vials Wheaton 224881 0.50 dram size (2-mL)
Power supply SR Components DDU240060 Class 2 Transformer AC adaptor; Input 120VAC , Output 24VDC
Calcium carbonate Fisher 471-34-1 500 g of 100% w/w CaCO3

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Erskine, R. H., Sherrod, L. A., Green, T. R. Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management. J. Vis. Exp. (127), e56064, doi:10.3791/56064 (2017).

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