Måle og kartlegge jorderosjon og deponering relatert til jord Carbonate konsentrasjoner Under landbruks forvaltningen

Summary

Romlige mønstre for jorderosjon og avsetning kan utledes fra forskjellene i bakkeelevasjonen kartlagt på riktig tidsintervaller. Slike endringer i havet er knyttet til endringer i nær overflaten jord karbonater. Repeterbare metoder for feltet og laboratoriet målinger av metodene mengder og data analyse er beskrevet her.

Abstract

Romlige mønstre for jorderosjon og avsetning kan utledes fra forskjellene i bakkeelevasjonen kartlagt på riktig tidsintervaller. Slike endringer i havet er knyttet til endringer i nær overflaten jord karbonat (CaCO₃) profiler. Målet er å beskrive en enkel begrepsmodell og detaljert protokoll for repeterbare feltet og laboratoriet målinger av disse antallene. Her, måles nøyaktig høyde med en bakke-baserte differensial globalt posisjoneringssystem (GPS); anskaffelsesmetoder andre data kan brukes på den samme grunnleggende metoden. Jordprøver er samlet inn fra foreskrevet dybde intervaller og analysert i laboratoriet ved hjelp av en effektiv og presis endret press-calcimeter metode for kvantitativ analyse av uorganiske co konsentrasjonen. Standard statistiske metoder brukes til punktdata, og representant resultatene viser betydelig sammenhenger mellom endringer i overflaten laget CaCO₃ og heving samsvarer med begrepsmessige modell; CaCO₃ generelt redusert i depositional områder og økte i farget områder. Kartene er avledet fra punkt målinger av havet og jorda CaCO₃ å hjelpe analyser. Kart over farget og depositional mønstre på webområdet studie, regn-innmatede vinter hvete feltet beskjæres i annenhver hvete-brakk strimler, viser samspill effektene av vann og vind erosjon av ledelse og topografi. Alternative Prøvetaking metoder og dybde intervaller er omtalt og anbefalt for fremtiden jorderosjon og deponering jord CaCO₃.

Introduction

Jorderosjon truer bærekraft jordbruksprodukter lander. Beskjære ledelse, som et konvensjonelt dyrket vinter hvete-brakk vekstskifte, kan akselerere erosjon og deponering prosesser som nakne jord brakk perioder er mer utsatt for vind og vann styrker^{1,2, 3 , 4 , 5} (figur 1). Mens disse prosessene kan være tydelig, kan de være vanskelig å kvantifisere.

Formålet med denne studien er først å gi effektiv metode for kvantifisering og beskrive romlige mønstre for erosjon og deponering på feltet skala ved hjelp av global positioning system (GPS) teknologien og geografiske informasjonssystemer (GIS) kartlegging verktøy. En enkel begrepsmodell knyttet disse mønstre å jord karbonater (CaCO₃) nær overflaten er også presentert og testet av foreskrevet feltet og laboratorium metoder. Disse relasjonene gir indirekte tiltak av erosjon og avsetning, mens validere resultatene av metoden GPS. Utredningen understreker metodene som brukes i Sherrod et al. slik at de kan gjentas, delvis eller helt, lignende forskning i andre steder⁶.

Figur 1. Bilder av (a) erosjon og (b) avsetning på studien nettsiden en kraftig regn hendelse. En traktor dekk spor i nedre høyre hjørne av bildet (b) angir dybden program på hvete/brakk bånd grensen.

Ulike direkte metoder for måling jorderosjon ble gjennomgått av Stroosnijder⁷. Foreslåtte metoder varierer med måling formål og tilgjengelige ressurser, men en “endre i høyde” metoden anbefales i hillslope skala og gir fordelen av å måle både erosjon og deponering. En måte å bruke denne metoden er å installere pinner i jord og overvåke endringen i høyden av jord i forhold til toppen av pin⁷. Med fremskritt innen land kartlegging teknologi, men kan denne arbeidskrevende erstattes av andre teknikker, for eksempel terrestriske laserskanning (TLS)^{8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}, luftbåren laser skanning (ALS),^17,,^18,,^19,,^20,,²¹, GPS^6,22, avansert fotogrammetri^{23 ,24}, eller kombinasjoner av disse teknikkene^25,26,27. Mens laser skanning, ofte referert til som LiDAR (lys gjenkjenning og alt), gir den mest raske oppkjøpet av tett høyde datasett, rettelser må gjøres for å fjerne stående objekter, for eksempel vegetasjon. Med millimeter nivå loddrett presisjon, TLS finner den minste høyde endringen, men Perroy et al. Anbefalte ALS over TLS for gulley erosjon anslår større skanningen fotavtrykk og bedre instrument orientering (mindre topografiske skygge) for skanning til dypt skåret raviner²⁸. Sanntid Kinematisk GPS (RTKGPS), gir centimeter nivå presisjon uten data etterbehandling, brukes denne studien. Romlig oppløsning og presisjonen i RTKGPS samlet er optimal for å oppdage den dominerende farget og depositional funksjoner i en landbrukssektoren eller andre miljøer med betydelig bunndekkende.

Trykk-calcimeter metoden for kvantifisere jord CaCO₃ avhengig av jord reaksjon på syre i et lukket system, som resulterer i utgivelsen av CO_2. Økningen i trykk i reaksjonen fartøyet på en konstant temperatur er lineært korrelert til mengden jord CaCO₃²⁹. Endringer i metoden tradisjonelle press-calcimeter beskrevet av Sherrod et al., endre reaksjonen fartøyet til serum flasker og bruker en trykktransduceren kablet til en digital voltmeter for påvisning av trykkendringer ³⁰. disse endringene tillate oppdagelsen grense og en høyere kapasitet for daglig jordprøve kjører. Gravimetric eller enkel titrimetric metoder for jord CaCO₃ måling produsert større feil og gjenkjenning grenser enn dette endret press-calcimeter metoden³⁰.

Begrepsmodell

Når direkte tiltak for erosjon og deponering ikke er gjennomførbart, kan indirekte indikatorer på disse prosessene brukes. Sherrod et al. hypotesen at jord overflatelaget CaCO₃ konsentrasjon i et halvtørre klima omvendt korrelert med endringen i bakken høyde (positivt korrelert med erosjon, negativt korrelert med deponering)⁶. Hypotesen bør bruke grovt, men bestemte relasjoner vil avhenge av forholdene på stedet (jord, vegetasjon, ledelse og klima). Jord på testområdet (tabell 1) inneholder vanligvis en distinkt kalkholdig lag 15-20 cm under overflaten. Konseptuelt, fjernes erosjon overflatelaget av relativt lav CaCO₃ konsentrasjon forlate dette kalkholdig laget av høy CaCO₃ nærmere til overflaten. Lav CaCO₃ jord er sendt til de depositional områdene, forårsaker kalkholdig laget å være begravd dypere under overflaten (figur 2). Prøvetaking disse jord over tid på riktig dybde intervaller, kan enten erosjon eller avsetning (eller ingen) utledes av CaCO₃ konsentrasjon, ifølge denne modellen.

Jord-serien

Skråningen

Taksonomisk klassifisering

Dybde

pH

EC

Totale N

SOC

CaCO3

% cm 1:2 dS m^-1 g kg^-1 g kg^-1 g kg^-1 Colby leirjord 5-9 fine-silty, blandet, superactive, kalkholdig, fuktige 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 Kim sandholdig leirjord 2-5 fine-loamy, blandet, aktive, kalkholdig, fuktige 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 fine-loamy, blandet, aktive, kalkholdig, fuktige 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 Wagonwheel leirjord 0-2 grov-silty, blandet, superactive, fuktige 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 grov-silty, blandet, superactive, fuktige 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

Tabell 1. Jord på testområdet. Jord kartlegging enheter og taksonomisk klassifisering, med gjennomsnittlig jord pH, elektrisk ledningsevne (EC), totalt N, jord organisk C (SOC) og CaCO₃ konsentrasjoner i den 0 – til 15- og 15 – 30 cm dybde intervaller for Scott feltet i 2012 (fra Sherrod et Al.) ⁶.

Figur 2. Konseptuelle jord profiler. Konseptuelle jord profiler for (a) en statisk jord matrise med CaCO₃ utvasket fra overflatelag og igangsatte dypere lag, (b) moderat erosjon av overflatelag og (c) moderat deponering materiale over tidligere overflatelag. Dybde intervaller (venstre) er omtrentlige basert på nettsteddata (fra Sherrod et al.) ⁶. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Beskrivelse og historie

109-ha Scott feltet er en del av Drake gården i nordøstlige Colorado (40.61^oN, 104.84^oW, Figur 3) og ble overvåket fra 2001 til 2012 for denne studere. Gjennomsnittlig årlig nedbør og fordampning var ca 350 og 1200 mm, henholdsvis i denne halvtørre klima, hvor konvektive regn av kort varighet og høy intensitet var vanlig om sommeren. Høyder varierer fra 1559 1588 m i denne kupert terreng med forskjellige landskapet posisjoner: summit, sideslope Nordvendt (side-NF), sideslope sørvendte (side-SF) og toeslope (figur 4b). Vekslende strimler (~ 120 m bredt) ble vanligvis håndteres i denne rainfed vinter hvete-brakk rotasjon slik at alle andre stripe var brakk i ca 14 måneder av hver 24 måneders rotasjon syklus. Grunne jordarbeiding (~ 7 cm), vanligvis v-blad feier, oppstod 4 til 6 ganger gjennom brakk perioden for Luke kontroll. Jord på stedet ble klassifisert har en jord-tap toleranse, eller verdien, 11 mg ha^-1 år^-1, hvor erosjon priser under denne T -verdien anses akseptabelt for fortsatt landbruksproduksjon⁴ .

Figur 3. Område sted er vist på en topografiske relieff bilde (1011 til 4401 m) av staten Colorado, USA. Betyr heving av området er 1577 m.

Figur 4. Jord kart og Land overflaten heving av Scott Field. (a) jord kart over Scott Field viser punkt jord prøve steder og beskjære ledelsen strimler. Jord enhetsforkortelser er: 1 = Wagonwheel leirjord 0-2% skråningen, 2 = Wagonwheel leirjord 2-5% skråningen, 3 = Colby leirjord 5-9% skråningen, 4 = Kim fine sandholdig leirjord 2-5% skråningen, 5 = Kim fine sandholdig leirjord 5-9% helling. og (b) land høyde i feltet basert på 2001 5-m rutenett digital høyde modell (DEM), med jord prøve steder vist av landet klassifisering (fra Sherrod et al.) ⁶.

Den første bakken høyde undersøkelsen ble samlet av RTKGPS i 2001 for å produsere en digital høyde modell (DEM) for området. I forbindelse med McCutcheon et al. en intensiv jordprøve (figur 4a) ble også fremført i 2001, fra hvilken overflate jord CaCO₃ ble analysert av en modifisert press-calcimeter metoden^30,31 . Visuelt tydelig erosjon og avsetning oppstår det etterfølgende tiåret på grunn av vinden, hovedsakelig fra nordvest og nedbør-avrenning hendelser bedt om en andre RTKGPS heving undersøkelse i 2009 (med en del av feltet fullført i 2010). Sammenligning av nye DEM til opprinnelige 2001 DEM via en DEM av forskjell kart³² bekreftet betydelig erosjon og avsetning, vise mønstre som foreslått flere kontrollere faktorer for prosessene (figur 5). Gitt betydelige overflaten jord omfordeling på området og historiske jord CaCO₃ dataene, ble jordprøve 2001 gjentatt i 2012 å teste en konseptuell modell av hydropedological prosesser⁶, som beskrevet i forrige avsnitt.

Figur 5. Kart over endringer (2001-2009 *) Land overflaten heving (Δz) på et 5-m rutenett i Scott Field i nordøstlige Colorado. Avling stripe tall er merket over vekslende vinter-hvete-brakk beskjæring systemet, ogSeksjon A-A’ vises (detaljer i Figur 11). * Strimler 2, 4, 6, 8 kartlagt i 2010 å fullføre 2009 DEM (fra Sherrod et al.) ⁶. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

1. Land overflate høyde innsamling GPS kalibrering for området finne eller sett et stabilt benchmark på et sikkert sted på undersøkelsen stedet for bruk som basestasjonen GPS for RTKGPS datainnsamling. Konfigurerer basestasjonen for RTKGPS datainnsamling på dette lokale målestokk bruker tilnærming til koordinatene for basestasjonen lokasjonen (dvs., WAAS-korrigert GPS-posisjon). Med rover GPS, besøke minst tre vannrette og loddrette kontroll punkt benchmarks inne…

Representative Results

Tilordne DEM forskjeller fra 2001 og 2009 avslører erosjon (rød) og avsetning (grønn) over den 8-års perioden, med decimeter-nivå endringer i høyde over de fleste områder (figur 5). I feltet-skalaen er erosjon dominerende i vest og sørvest, mens deponering er sett langs en nordvest til Sørøst diagonale band på østsiden av feltet. Vekslende band av erosjon og deponering blir sett på management-skalaen, ofte med plutselige forandringer på manageme…

Discussion

Tilordnede endringer i høyden (figur 5) illustrerer betydelig erosjon og avsetning på en landbrukssektoren og romlige mønstre indikativ av flere kontrollere faktorer over flere skalaer. Fra feltet skala mønstre forbundet med vinden, til fine skala dendrittiske mønstre produsert av vannstrømmen, er prosesser relevant for denne studien synlig. Nivået av høyde endre gjenkjenning av gjentatte RTKGPS bakken undersøkelser vises optimal. Finere oppdagelsen nivåer, som angitt av TLS, kan k…

Materials

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