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Medição e mapeamento de padrões de erosão e deposição relacionadas às concentrações de carbonato de solo sob gestão agrícola

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

Padrões espaciais de deposição e erosão do solo podem ser inferidos diferenças na elevação de terreno mapeado em incrementos de tempo apropriado. Tais mudanças na elevação estão relacionadas a alterações no solo perto da superfície de carbonatos. Métodos repetíveis para medições de campo e laboratório destes métodos de análise de dados e quantidades são descritos aqui.

Abstract

Padrões espaciais de deposição e erosão do solo podem ser inferidos diferenças na elevação de terreno mapeado em incrementos de tempo apropriado. Tais mudanças na elevação estão relacionadas a alterações nos perfis de carbonato (CaCO3) solo perto da superfície. O objetivo é descrever um modelo conceitual simples e Protocolo detalhado para campo repetível e medições laboratoriais dessas quantidades. Aqui, a elevação exata é medida usando um terrestre diferencial sistema de posicionamento global (GPS); outros métodos de aquisição de dados poderiam ser aplicados o mesmo método básico. Amostras de solo são coletadas prescrito intervalos de profundidade e analisadas no laboratório usando um método modificado de calcimeter de pressão, eficientes e precisos para análise quantitativa da concentração de carbono inorgânico. Métodos estatísticos padrão são aplicados para apontar dados e resultados representativos mostraram correlações significativas entre as alterações na camada superficial do solo de CaCO3 e alterações na elevação consistente com o modelo conceitual; CaCO3 geralmente diminuíram em áreas Deposicionais e aumentou em áreas erosivas. Mapas são derivados de medições de ponto de elevação e CaCO3 para auxiliar as análises de solo. Mapa de padrões erosivas e deposicionais no local de estudo, um campo de trigo de inverno pluvial cortado em alternando tiras de trigo-pousio, mostra os efeitos de interação de água e vento erosão afetados pela gestão e topografia. Métodos de amostragem alternativos e intervalos de profundidade são discutidos e recomendados para trabalhos futuros relacionados a erosão do solo e a deposição de CaCO3do solo.

Introduction

Erosão ameaça a sustentabilidade das terras agrícolas. Cultura de gestão, tais como rotação de colheita de trigo de inverno-pousio convencionalmente cultivadas, pode acelerar processos de erosão e deposição como solos nus durante os períodos de pousios são mais suscetíveis à água e vento forças1,2, 3 , 4 , 5 (Figura 1). Enquanto estes processos podem ser evidentes, eles podem ser difíceis de quantificar.

O objetivo deste estudo é a primeira a fornecer um método eficiente para quantificar e descrever os padrões espaciais de erosão e deposição no campo escala usando a tecnologia de posicionamento global (GPS) de sistema e sistemas de informação geográfica (GIS), ferramentas de mapeamento. Um modelo conceitual simples relativas a esses padrões para carbonatos de solo (CaCO3) perto da superfície também é apresentado e testado por métodos de laboratório e campo prescrito. Esses relacionamentos fornecem medidas indirectas de erosão e deposição, ao validar os resultados do método GPS. O presente trabalho enfatiza os métodos utilizados em Sherrod et al. para que eles podem ser repetidos, em parte ou no todo, para pesquisas semelhantes em outros locais6.

Figure 1
Figura 1. Fotos de erosão (a) e (b) a deposição no local de estudo, após um evento de chuvas. Um pneu de trator no canto inferior direito da foto (b) indica a profundidade de deposição na fronteira da faixa de trigo/pousio.

Vário direcionam, métodos de medição de erosão do solo foram analisados por Stroosnijder7. Métodos sugeridos variam de acordo com a finalidade de medição e os recursos disponíveis, mas um método de "mudança de elevação da superfície" recomenda-se a escala de hillslope e oferece a vantagem de medir tanto a erosão e a deposição. Uma maneira de aplicar este método é instalar os pinos no solo e monitorar a mudança de altura do solo em relação ao topo do pino7. Com os avanços na tecnologia de levantamento de terra, no entanto, esta abordagem intensiva pode ser substituída por outras técnicas, tais como laser terrestre digitalização (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, laser aerotransportado de varredura (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, fotogrametria avançada23 ,24, ou combinações destas técnicas25,26,27. Enquanto o laser digitalização, comumente referido como LiDAR (luz deteção e variando), fornece a mais rápida aquisição de conjuntos de dados de elevação da superfície densa, correções devem ser feitas para remover objetos de permanente, tais como a vegetação. Com precisão vertical milímetro-nível, TLS pode detectar a menor mudança de elevação, no entanto Perroy et al. ALS recomendada por TLS para erosão gulley estima devido a maior pegada de digitalização e a melhor orientação de instrumento (menos sombreamento topográfico) para digitalização em ravinas profundamente incisos28. Em tempo real cinemático GPS (RTKGPS), fornecendo centímetro-nível precisão sem pós-processamento de dados, é usado para este estudo. A resolução espacial e precisão dos dados coletados de RTKGPS são ótimos para detectar as características erosivas e deposicionais dominantes em um campo agrícola ou outros ambientes com tampa à terra substancial.

O método de pressão-calcimeter para quantificar o solo CaCO3 baseia-se na reação do solo ao ácido em um sistema fechado, resultando na liberação de CO2. O aumento da pressão dentro do recipiente de reação a uma temperatura constante é linearmente correlacionado com a quantidade de solo CaCO329. Modificações para o método de pressão tradicional-calcimeter, descrito por Sherrod et al., incluem alterando a embarcação da reação para frascos de soro e usando um transdutor de pressão ligado a um voltímetro digital para a detecção de mudanças de pressão 30. essas modificações permitem mais baixos limites de detecção e uma capacidade mais elevada para a amostra de solo diária é executado. Gravimétricos ou simples titrimetric métodos para medição de solo CaCO3 produziram maiores erros e limites de detecção que esta modificado método de pressão-calcimeter30.

Modelo conceitual

Quando medidas directas de erosão e deposição não são viáveis, indicadores indirectos destes processos podem ser usados. Sherrod et al. a hipótese de que concentração de CaCO3 a camada de superfície do solo em um clima semi-árido está inversamente correlacionada com a mudança de elevação da superfície solo (positivamente correlacionada com a erosão, negativamente com deposição)6. A hipótese deve aplicar-se amplamente, mas relacionamentos específicos vão depender de condições do local (solo, vegetação, gestão e clima). Solos no local de testes (tabela 1) normalmente contêm uma camada distinta de calcária de 15-20 cm abaixo da superfície do solo. Conceitualmente, a erosão irá remover a camada superficial da relativamente baixa concentração de3 CaCO deixando esta camada calcária de alta CaCO3 mais perto para a superfície do solo. CaCO3 solo baixo é então transportado para as áreas deposicionais, fazendo com que a camada de calcária a ser enterrado mais fundo abaixo da superfície do solo (Figura 2). Estes solos de amostragem ao longo do tempo em intervalos de profundidade adequada, erosão ou deposição (ou nenhum) pode ser inferida pela concentração de CaCO3 , de acordo com este modelo.

Série de solo Inclinação Classificação taxonomica Profundidade pH CE N total SOC CaCO3
% cm 1:2 dS m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 Colby barro 5-9 multa-siltosa, mista, superactive, calcários, mésicos 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 Barro arenoso Kim 2-5 multa-argiloso, misto, ativo, calcários, mésicos 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 multa-argiloso, misto, ativo, calcários, mésicos 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 de barro 0-2 mésicos grossa siltosa, misto, superactive 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 mésicos grossa siltosa, misto, superactive 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

Tabela 1. Solos no local de teste. Unidades de mapeamento e classificação taxonômica, com pH do solo médio, elétrica, condutividade (CE), N total, do solo orgânico C (SOC) e concentrações de CaCO3 a 0 - a 15 - e incrementos de 15 a 30 cm de profundidade para o Scott campo em 2012 do solo (de Sherrod et Al.) 6.

Figure 2
Figura 2. Perfis de solo conceitual. Perfis de solo conceitual para (a) matriz com CaCO3 estáticos solo lixiviado da camada superficial e precipitaram em uma camada mais profunda, (b) moderada erosão da camada superficial e (c) moderada deposição de material acima da camada de superfície anterior. Intervalos de profundidade (à esquerda) são aproximados com base em dados do site (de Sherrod et al.) 6. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

História e descrição do site

O 109-ha campo Scott faz parte da fazenda Drake no nordeste do Colorado (40.61óN, 104.84óW, Figura 3) e foi monitorado a partir de 2001 para 2012 para este estudo. Evapotranspiração e precipitação média anual foram cerca de 350 e 1200 mm, respectivamente, neste clima semiárido, onde a chuva convectiva de curta duração e alta intensidade eram comuns durante o verão. Altitudes variam de 1559 a 1588 m neste terreno ondulado com posições distintas da paisagem: Cimeira, escora virado para norte (lado-NF), escora virados para Sul (lado-SF) e toeslope (figura 4b). Tiras alternadas (~ 120 m de largura) normalmente eram geridas nesta rotação de trigo de inverno-pousio de sequeiro tal que todos os outra tira foi pousio há cerca de 14 meses fora de cada ciclo de rotação de 24 meses. Lavoura superficial (~ 7 cm), geralmente varreduras de v-blade, ocorreu de 4 a 6 vezes durante o período de pousio para controle de ervas daninhas. Solos no local foram classificados para ter uma tolerância de perda de solo, ou o valor de T , de 11 Mg ha-1 ano-1, onde as taxas de erosão abaixo deste valor de T são consideradas aceitáveis para produção agrícola4 .

Figure 3
Figura 3. Local do site é mostrado uma imagem de relevo topográfico (1011 para 4401 m) do estado do Colorado, EUA. Elevação média do site é 1577 m.

Figure 4
Figura 4. Solos mapa e elevação de superfície de terra do Scott Field. (a) mapa de solos do Scott Field mostrando locais de amostra de solo de ponto e a gestão das culturas de tiras. Abreviaturas de unidade de solo são: 1 = Wagonwheel % de declive barro 0-2, 2 = Wagonwheel barro 2-5% de declive, 3 = Colby barro 5-9% de declive, 4 = Kim arenoso fino 2-5% de declive, 5 = Kim bem arenoso 5-9% de declive; e (b) elevação da superfície terra do campo com base no modelo de 2001 5-m grade elevação digital (DEM), com locais de amostra de solo mostrados pela classificação de terra (de Sherrod et al.) 6.

O primeiro levantamento de elevação da superfície do solo foi coletado pelo RTKGPS em 2001 para produzir um modelo de elevação digital (DEM) para o site. Em conjunto com o McCutcheon et al., uma amostra de solo intensivo (figura 4a) também foi realizada em 2001, desde que a superfície do solo CaCO3 foram analisados por uma pressão modificada-calcimeter método30,31 . Visualmente evidente erosão e deposição ocorrendo na década posterior devido ao vento, predominantemente do noroeste e precipitação-escoamento eventos solicitado um segundo exame de elevação de RTKGPS em 2009 (com uma parte do campo concluído em 2010). Comparação entre o novo DEM para o DEM 2001 original através de um mapa de DEM de diferença32 confirmou significativa erosão e deposição, exibindo padrões que sugeriu vários fatores controladores para estes processos (Figura 5). Dada a redistribuição de solo de superfície substancial no site e os dados do histórico solo CaCO3 , a amostra de solo de 2001 foi repetida em 2012 para testar um modelo conceitual de processos de hydropedological6, conforme descrito na seção anterior.

Figure 5
Figura 5. Mapa de alterações (2001-2009 *) na elevação da superfície da terra (Δz) em uma grade de 5-m dentro do Scott Fieldem nordeste do Colorado. Números de faixa de colheita são rotulados sobre o sistema de cultivo de inverno-trigo-pousio alternado, eseção A-A' é mostrada (detalhes dados na Figura 11). * Tiras de 2, 4, 6, 8, pesquisadas em 2010 para completar o DEM 2009 (a partir de Sherrod et al.) 6. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Protocol

1. coleta de dados de elevação de superfície de terra

  1. calibração de GPS para o site
    1. Localizar ou conjunto estável de referência em um local seguro no local da pesquisa, para utilização como estação base de GPS para coleta de dados RTKGPS.
    2. Configurar a estação base para coleta de dados RTKGPS nesta referência local usando a melhor aproximação de coordenadas para a localização de estação rádio-base (ou seja, posição GPS WAAS-corrigido).
    3. Com o rover GPS, visite pelo menos três referências de ponto de controle horizontal e vertical dentro dos limites de comunicação de rádio do RTKGPS (aproximadamente 10 km de raio) e gravar posições.
      Nota: Benchmarks descritos por geodésico nacional podem ser pesquisados online 33 e foram utilizados aqui.
    4. Dado as medido e publicadas as coordenadas dos pontos de controle, use o software de campo RTKGPS para executar um site calibração 34, resolvendo para coordenadas de referência local ser utilizado como estação base. Verifique resíduos coordenados (horizontais e verticais) para os pontos de controle estão dentro dos limites toleráveis (± 0,02 m para essa calibração).
  2. GPS ponto de coleta de dados
    1. com estação base GPS definido na referência local e usando a calibração de site local e software de campo, gravar RTKGPS posição dados em coletor de dados GPS em aproximadamente um espaçamento horizontal 5-m ao longo da pesquisa área.
      1. Coletar dados eficientemente pela antena GPS de rover de montagem a uma altura fixa medida acima do solo de superfície em um veículo e condução transectos através da área ( Figura 6).
    2. Para o método do veículo, definir transecto para criar pontos de extremidade paralelo transectos espaçado 5m distante. Importação transecto pontos de extremidade em coletor de dados GPS para navegação de transectos durante a condução. Acumular pontos com o coletor de dados automaticamente uma vez por segundo, enquanto dirigindo transectos de aproximadamente 5 m s -1 para obter o ponto de dados sobre cada 5 m.
    3. Coleta de dados de ponto de repetição no site como descrito acima em momento posterior (8 a 9 anos mais tarde, no presente estudo) para que as mudanças de elevação da superfície de terra podem ser analisadas; a calibração de site original GPS é usada para todas as pesquisas e não se repita.

Figure 6
Figura 6. Coleta de dados de superfície de elevação RTKGPS. RTKGPS elevação superfície dados são coletados durante a condução de um veículo utilitário através do campo (a), enquanto as correções de GPS em tempo real são fornecidas pelo no local da estação base (b).

2. DEM criação e processamento de

  1. criando os DEMs
    1. importação posição dados no software de GIS e interpolar para uma grade de 5-m software GIS usando do DEM., validação cruzada de elevações de ponto medido para elevação interpolada valores e escolher um método de interpolação que minimiza esses erros de validação cruzada.
      Nota: Krigagem ordinária com um modelo Gaussian semivariogram foi o método de interpolação ideal para os dados de elevação neste site. A validação cruzada também fornece uma medida de precisão de elevação para o método de pesquisa 35.
    2. Repita 2.1.1 para o segundo conjunto de dados de posição para criar a segunda DEM.
  2. Mudança de mapeamento DEM
    1. usando uma ferramenta de calculadora raster em GIS, subtrair o DEM mais recente do DEM original para criar um mapa raster de mudança DEM ( Figura 5), onde alteram valores negativos de elevação representam erosão e valores positivos representam deposição.
  3. Terra classificação
    1. computação terra superfície topográficos atributos (inclinação, aspecto, contribuindo área) da primeira grade DEM usando software de processamento de DEM.
    2. Classificar aterrar áreas como cimeira, escora ou toeslope com base na inclinação e área de contribuição de cada célula da grade DEM.
      Nota: Cimeiras são representadas pelas encostas baixas e contribuindo com áreas de baixa. Taludes são representados por altas encostas e intermediário contribuindo áreas. Toeslopes são representados por encostas baixas e áreas de alta contribuição. Inclinação e contribuindo com valores de área definindo estas classificações vai depender da topografia de superfície de terra no local e qualitativamente são escolhidos para dar a desejada representação de cada área de classificação para um determinado site.
    3. Dividir áreas escora pelos dois aspectos dominantes, voltados para o norte e virado a sul neste site.

3. Amostragem do solo

    1. referência de planejamento de amostra mapas em GIS para planejar locais de amostra de solo. Escolha um número de locais para representar adequadamente todas as posições de paisagem.
    2. Localização de amostra de upload coordenadas para o coletor de dados GPS para que sites de amostra podem ser localizados no domínio.
    3. Conhecimento prévio do uso dos solos no local para orientar as decisões de incrementos de profundidade da amostra, a fim de capturar o CaCO 3 variabilidade. Pre-rotular os sacos de plástico seláveis para indicar o incremento de localização e profundidade de amostra.
  2. Amostragem de campo
    1. dirigir para os sites de amostra com um veículo equipado com um solo hidráulico dielétrico a máquina e a antena de rover RTKGPS para navegação.
    2. Usando solo dielétrico máquina e amostragem tubo de diâmetro de núcleo de solo desejado (5,1 cm neste estudo), extrair o núcleo de solo de cada local de amostra ( Figura 7).
      Nota: O número de núcleos extraídos em cada local, bem como a profundidade do núcleo de solo e incrementos variados neste estudo. Em 2001, um único núcleo a uma profundidade de 90 cm foi tomado e dividido em incrementos de 30 cm. Em 2012, duas amostras de solo foram tomadas (dentro de 1 m da amostra correspondente 2001) a uma profundidade de 30 cm e divididas em incrementos de 15 cm, com os dois núcleos sendo agregados para análises. Recomenda-se o método 2012.
    3. Registro RTKGPS posição dados (x, y, z) em cada local de amostra.
    4. Corte o núcleo de solo em incrementos de profundidade desejada e transferir em sacos de plástico seláveis pre-rotulados e coloque em refrigeradores para transporte para o laboratório.
    5. Repetir a amostragem de campo após erosão significativa e/ou deposição ocorreu (11 anos entre amostras neste estudo).

Figure 7
Figura 7. Amostragem do solo. Locais de amostra de solo são navegados para usando um GPS-guiada veículo equipado com um solo hidráulico dielétrico máquina (um) para que amostras de solo podem ser extraídos (b) e dividido em incrementos de profundidade desejada.

  1. processamento de dados de posição
    1. medida diferenças nas elevações registadas em cada local de amostra de solo entre as duas datas de amostra (198 locais amostrados em 2001 e 2012 neste estudo).
      Nota: As elevações para 2001 foram retiradas o DEM de 2001 desde elevações de ponto não foram registradas no momento da amostragem do solo. Mudanças positivas na elevação > 0,05 m são considerados depositional sites, enquanto mudanças negativas na elevação < m-0,050 são considerados sites erosivas.
    2. Classificar cada localização de amostra como cimeira, voltados para o norte escora, escora virados para Sul ou toeslope baseado no processamento do DEM (Veja o protocolo 2.3.2); classificação em um único local, conforme definido pela inclinação e critérios de área contribuinte, pode ser reclassificado para corresponder à classificação dominante da envolvente pontos.
    3. Uso espacial juntando ferramentas em software GIS para atribuir locais de amostra para outras camadas de dados espaciais utilizadas para análises (faixa de gestão e unidade de mapeamento de solo).

4. Análises de solos

  1. preparação da amostra de solo
    1. secar as amostras de solo de campo a 60 ° C em um forno de laboratório durante a noite.
    2. Moer solos secos ao forno, para passar por uma peneira de 2 mm, usando um moedor de motorizada ou um almofariz e um pilão.
  2. Modificado a instalação de aparelhos de pressão-Calcimeter
    1. configurar o aparelho de pressão-calcimeter modificado ( Figura 8) conectando-se um transdutor de pressão (0 - 105 kPa gama, 0,03 - 5 V DC de saída) para uma fonte de alimentação com 14 bitola de fio e um voltímetro digital com fio em linha para monitorar a saída do transdutor.
      1. Anexar tubos de ID de 9,5 mm na base do transdutor de pressão e conecte o tubo de uma agulha hipodérmica do 18 calibre Luer lock com um filtro de partículas (0,6 µm) no meio para coletar qualquer refluxo de alcançar o transdutor de pressão.
    2. Uso garrafas de soro como vasos de reação conectem ao transdutor de pressão ( Figura 9). determinar o tamanho da garrafa para usar molhando uma colher de sopa de metal com água e adicionar cerca de 5 mL de soro o solo que você espera ter alta CaCO 3 concentração. Pipetar 1 mL de 0,5 H N 2 então 4 para este solo e observar a efervescência.
    3. Se efervescência é alta, então assumir maior que 15% CaCO 3 concentração e usar um frasco de 100 mL soro como o recipiente de reação, caso contrário, use um frasco de soro de 20 mL.

Figure 8
Figura 8. Modificado o aparelho de pressão-calcimeter. O aparelho de pressão-calcimeter modificado usa um frasco de soro como o recipiente de reação e um transdutor de pressão conectado a um medidor de tensão de saída do sinal (a partir de Sherrod et al.) 30.

Figure 9
Figura 9. Vasos de reação para o método modificado de pressão-calcimeter. Vasos de reação para o método de pressão-calcimeter modificados são garrafas de soro contendo uma ampola de 0,5 dram com 2 mL de reagente de ácido e uma amostra de solo de 1 g.

  1. carbonato de medição
    1. Coloque uma subamostra de 1g do preparado (ver protocolo 4.1) do solo em um recipiente de reação rotulados. Para solos que contém maior que 50% CaCO 3, use somente 0,5 g de solo.
      2. Reagente de
    2. Pipetar 2 mL de ácido (6 N HCI contendo 3% FeCL 2 O 4 H 2 O) dentro de um frasco de vidro de 0,5 g. Coloque o frasco na embarcação da reação suavemente para que o conteúdo de solução não derrame fora inclinando o recipiente de reação quase para a posição de lado.
    3. , Mantendo o recipiente de reação contendo a amostra de solo e ácido frasco inclinado, selar com rolhas de borracha de butilo cinza e dobre com anel de vedação de alumínio.
      4. Navio de
    4. shake reação com um movimento turbilhão para assegurar uma mistura completa do solo com ácido. Coloque o recipiente de reação sobre a bancada de laboratório e deixar a reação prosseguir pelo menos 2 hr
    5. Enquanto aguarda a completar os vasos de reação, determinar uma curva padrão medindo tensões de concentrações conhecidas de CaCO 3 usando a mesma configuração de vaso de reação como amostras de solo ( Figura 10). Misture 100% CaCO 3 com esferas de vidro ou areia em uma base de percentagem de peso para criar conhecido CaCO 3 concentrações. incluir uma amostra em branco sem CaCO 3.
    6. Depois de reações de amostra de solo estão completas, pierce o septo de borracha da embarcação da reação com um 18 gauge agulha hipodérmica e registro de saída de tensão pelo transdutor de pressão.
    7. Solve para CaCO 3 porcentagem dada a tensão medida e a equação determinada a partir da curva de calibração ( Figura 10a).
      Nota: Aumento da pressão produzida pela liberação de CO 2 está relacionado linearmente com a concentração de CaCO 3 presentes no solo tal que: % CaCO 3 = (coeficiente de regressão * mudança na pressão em volts) + interceptação.

Figure 10
Figura 10. Medição de CaCO 3. (a) uma curva padrão para CaCO 3 é criada usando as leituras de tensão do transdutor de pressão baseado no conhecido percentagens de CaCO 3 (b) misturado com grânulos de vidro de pó ou areia.

5. análises estatísticas

  1. definir duas variáveis dependentes como a mudança na terra elevações de superfície e concentrações de 3 camada superficial CaCO nas datas de amostra de primeira para a segunda (2001-2012 neste estudo) do solo. Definir variáveis independentes ou explicativas como gestão (ímpar - ou mesmo - faixa numerada), tiras individuais, bloco ocidental ou Oriental, de tiras, unidade de mapeamento de solo, classificação de paisagem e classificação erosivas/deposicionais.
    2. Análise de
  2. realizar correlação e análise de variância estatisticamente quantificar as relações entre as variáveis. Realizar análises em qualquer pacote estatístico preferido.

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Representative Results

Mapear as diferenças do DEM de 2001 e 2009 revela a erosão (vermelho) e deposição (verde) durante esse período de 8 anos, com nível de decímetro mudanças de altitude sobre a maioria das áreas (Figura 5). Na escala de campo, erosão é dominante no oeste e sudoeste, enquanto a deposição é vista ao longo de um noroeste para sudeste diagonal banda no lado leste do campo. Bandas alternadas de erosão e deposição são vistas na gestão-escala, muitas vezes com mudanças abruptas nos limites de faixa de gestão. Padrões relacionados com tipos de solo (figura 4a) são menos pronunciados, mas parecem coincidir com características topográficas com qual solo tipos estão fortemente inter-relacionados. Numa escala erosivas e deposicionais padrões são vistos assemelhando-se a caminhos de fluxo de água em áreas de convergência topográfica. Três distintas características lineares de erosão, paralela à gestão, são vistas na faixa 6. Um transecto de leste-oeste (um ' na Figura 5) é plotada para examinar estas características únicas (Figura 11), que eram provavelmente causada por operações de plantio direto. Não há sites de amostra de solo foram localizados dentro desses recursos na faixa de 6.

Figure 11
Figura 11. Perfis de elevação (2001 e 2009 * DEMs) ao longo de um Oeste-Leste transecto através de tira 6 (uma ' em Figura 5). * Tira 6 dados de elevação, coletados em 2010.

Dividindo as tiras de gestão ocidental (bloco oeste, tiras de 1 - 6, Figura 5), onde a erosão foi dominante, da gestão da Borgonha (bloco leste, tiras de 7 - 12, Figura 5), onde a deposição foi dominante, uma relação inversa é mostrada entre a mudança na superfície solo CaCO3 (ΔCaCO3) e à mudança de altitude de superfície de terra (Δz) dos locais de amostra entre 2001 e 2012 (Figura 12). No bloco oeste erosivas, CaCO3 concentrações aumentaram uma média de aproximadamente 3 g kg-1 , enquanto a elevação média diminuiu aproximadamente 2 cm... por outro lado, o bloco de Leste deposicionais mostrou uma média > 4G/kg diminuição de CaCO3 concentrações enquanto a altitude média aumentou cerca de 5 cm. Essa relação inversa não estiver presente quando o pool de tiras todos juntos ao longo de todo o campo.

Figure 12
Figura 12. Em média a mudança espacialmente em CaCO3 concentração (0-30 cm de profundidade) e elevação de superfície de terra como afetado por blocos de West (faixas 1-6) e áreas de gerenciamento de Leste (tiras de 7-12) depois de 11 anos (2001-2012). A Figura 5 mostra tira números e limites. Barras de erro são ± 1 SEM (a partir de Sherrod et al.) 6.

Separando locais de amostra erosivas (Δz <-5 cm) de locais deposicionais (Δz > 5 cm), todas as posições de paisagem revelam uma relação inversa entre ΔCaCO3 e Δz, exceto virado para norte (de taludes Figura 13). Em média em todas as paisagens, essa relação inversa é mantida em locais erosivas; no entanto, em locais deposicionais, ΔCaCO3 é quase inalterado. Para locais deposicionais, deposição é maior nas posições toeslope, uma média de perto de 13 cm. média diminui em CaCO3 também é maiores (8,2 g/kg) nestas posições toeslope deposicionais. Para os locais de amostra erosivas, erosão média é maior (17,4 cm) em taludes de virada a norte, no entanto, isso não correspondia com um aumento de CaCO3 como pode ser visto em todas as outras posições de paisagem erosivas. Assumindo uma densidade de solo de 1,4 g/cm3, uma perda de solo de 17,4 cm é igual a uma taxa de erosão de 221 Mg/ha/ano durante o período de estudo, cerca de 20 vezes o T valor para este site. Cálculo do líquido erosão ao longo de todo o campo requer conhecimento detalhado de densidade de solo antes de erosão e, após a deposição. Desde que há um ganho líquido médio na elevação sobre o campo, uma densidade constante indicaria uma deposição líquida, mas desde que depositado solos são susceptíveis a uma densidade mais baixa do que antes de ser transportada, presume-se uma perda líquida de solo.

Figure 13
Figura 13. Espacialmente a média de mudança (2001-2012) em CaCO3 concentração (0-30 cm de profundidade) e elevação de superfície de terra como afetados pela classificação de paisagem em áreas de paisagem Deposicionais e Erosional; NF é virados ao norte e sul enfrenta SF (de Sherrod et al.) 6. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Uma análise de correlação dez e ΔCaCO Δ3 com variáveis local relacionados ao manejo (ímpar - ou mesmo - faixa numerada), tiras individuais, oeste ou leste bloco de tiras, unidade de mapeamento de solo, e posição de paisagem é apresentada na tabela 2 . As correlações mais significativas (p < 0,0001) são vistos entre Δz e tiras de gerenciamento individual ou blocos de strip-tease (oeste ou leste). Mudança no CaCO3 correlacionou-se significativamente mais (p = 0.016) à unidade de mapeamento de solo, enquanto Δz não foi correlacionado aos solos. Menos significativa (p = 0.036) foi a correlação entre ΔCaCO3 e os blocos de strip-tease, com que Δz correlacionou-se também. Análise de variância mostra Δz para ser afetado significativamente (p < 0,06) por todas as variáveis de local (tabela 3). Classe erosivas (erosivas, deposicionais ou inalterado: EDU) mais significativamente (p = 0,075) afetado ΔCaCO3, seguido por unidade de mapeamento de solo e tiras individuais, ambos significativa abaixo de um nível de significância de 10%.

Coeficiente de correlação de Pearson
Variável Tiras Bloco
g > solo Paisagem ΔCaCO3 Δz Gerenciamento de 0,090 (0.222) * -0.027 (0,715) 0,028 (0.708) 0,004 (0.959) 0,019 (0.799) -0.115 (0.120) Tiras - 0.868 (< 0,0001) 0.411 (< 0,0001) 0.077 (0,295) -0.120 (0,104) 0.425 (< 0,0001) Bloco - 0.414 (< 0,0001) 0.114 (0.124) -0.154 (0.036) 0.303 (< 0,0001) Solo - 0.408 (< 0,0001) -0.177 (0.016) 0,025 (0,738) Paisagem - -0.101 (0.172) -0.083 (0.260) ΔCaCO3 - -0.001 (0.990) * Pr > r entre parênteses.

Tabela 2. Análise de correlação de Δz e ΔCaCO3 com variáveis Site. Tiras de matriz de correlação para as variáveis de local associado com a elevação (z) e CaCO3 alterações depois de 11 anos como afetados pela gerência (tiras de par ou ímpares), individual, bloco oeste (tiras de 1 - 6) ou o bloco de Leste (tiras de 7 - 12), unidade de mapeamento de solo, e paisagem posição (cimeira, virados para o lado norte, lado-sul enfrentando e toeslope) (a partir de Sherrod et al.) 6.

ΔElevation ΔCaCO3
Variável Valor de F PR > F Valor de F PR > F
Gerenciamento de 3.47 0.0643 0.07 0.7957
Tiras 50.25 < 0,0001 2.84 0.0937
Bloco 7,48 0.0069 1.79 0.1824
Solo 5,57 0.0193 3.16. 0.0773
EDU NA * AT 3.21 0.0750
* ND, não se aplica porque EDU é determinado a partir de ΔElevation.
EDU = erosivas (E), (D), deposicional inalterado (U)

Tabela 3. Análise de variância para variáveis dependentes de mudança de altitude e mudança no CaCO3 concentração. Análise de variância para variáveis dependentes de mudança na elevação e alteração na concentração de CaCO3 no incremento de profundidade 0 - 30 cm após 11 anos como afetados pela gerência (tiras de par ou ímpares), tiras individuais, bloco oeste (tiras de 1 - 6) ou leste bloco (tiras de 7-12), unidade de mapeamento de solo e classe erosivas (EDU): erosivas (Δz <-5 cm), deposicionais (Δz > 5 cm), ou inalterado (cm-5 < Δz < 5cm) (a partir de Sherrod et al.) 6.

Interpolação de superfície CaCO3 ponto amostras em 2001 e 2012 resultados em mapas mostrados (figuras 14a, 14b) e um mapa de diferença é criada a partir estas para mostrar interpolados ΔCaCO3 (Figura 14c). Áreas relativamente pequenas e concentradas de alta e baixa CaCO3 visto no mapa de 2001 (Figura 14a) não são mais vistas em 2012 onde os padrões espaciais são menos complexo (Figura 14b). Este "suavização" do mapa para o mapa de 2012 2001 indica um aumento de CaCO3 zonas anteriormente inferior CaCO3 e uma diminuição no CaCO3 onde CaCO3 foi alta. Padrões de ΔCaCO3 (Figura 14C) Mostrar mais aumenta no extremo oeste e alguma relação com a topografia de superfície de terra.

Figure 14
Figura 14. Mapas de interpolação Kriged de CaCO3 concentrações. Mapas de interpolação Kriged de CaCO3 concentrações no intervalo 0 a 30 cm de profundidade para (a) 2001 (b) 2012 e (c) mudam de 2001 para 2012. Locais de amostra de solo são mostrados por círculos (a, b) e contornos de elevação com intervalos de 1-m são mostrados em (c) (a partir de Sherrod et al.) 6.

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Discussion

Mapeada mudanças de altitude (Figura 5) ilustram significativa erosão e deposição em um campo agrícola e padrões espaciais indicativos de múltiplos fatores de controle em várias escalas. De padrões de escala de campo associados com o vento, até padrões dendríticas de escala bem produzido pelo fluxo de água, processos relevantes para este estudo são perceptíveis. O nível de detecção de mudança de elevação fornecido por repetidas pesquisas de solo RTKGPS parece ideal. Melhores níveis de deteção, conforme fornecido por TLS, pode complicar introduzindo microtopographic características, tais como corte de cristas e sulcos, enquanto níveis de deteção mais grosseiros, como encontrados resultados com pesquisas no ar, pode não ser suficiente para capturar a escala bem padrões. Condução RTKGPS terra inquéritos sobre uma área deste tamanho (~ 100 ha) leva alguns dias, no entanto, devido às limitações de coletar apenas um único ponto por segundo e o tempo de viagem para cobrir a área do sítio. Avanços em pesquisas no ar podem fornecer melhores métodos alternativos no futuro se exatidões de pesquisa podem melhorar para coincidir com a precisão dos levantamentos de solo utilizado aqui.

Resultados mistos foram vistos em correlativa mudanças na superfície solo CaCO3 com mudanças na elevação de terra da superfície, como previsto pelo modelo conceitual. Em 2001, amostras de solo de superfície para CaCO3 concentrações só estavam disponíveis no incremento de uma profundidade sobre o top 30 cm. Em 2012, as amostras de solo foram divididas em dois incrementos de 15 cm sobre o top 30 cm. Uma análise das ΔCaCO3 em apenas o top 15 cm provavelmente vai mudar esses resultados e pode vir a ser mais fortemente relacionado à erosão e deposição. O método de pressão-calcimeter modificado30 continua a servir como um método eficiente para solo CaCO3 medição.

Este artigo fornece uma abordagem detalhada para quantificação de campo-escala e descrição de processos erosivas e deposicionais em um campo agrícola. Os métodos descritos aqui podem ser aplicados a outros sites onde camadas calcárias estão presentes na superfície do solo. Trabalho futuro está previsto para este site para calcular um novo DEM usando e para medir as mudanças de elevação da superfície desde 2009, quando realizou-se o último levantamento completo de terra RTKGPS. Também, o regime de amostragem de solo de 2012 para superfície solo CaCO3 será repetido em incrementos de 15 cm de profundidade para que as alterações no top 15 cm podem ser comparadas entre a amostra futura e 2012.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

O local de estudo de campo é em uma fazenda, gerenciada por David Drake e agradecemos-lhe pela sua cooperação durante esta investigação a longo prazo. Também agradecemos a Mike Murphy por tantos anos de trabalho de campo sobre este projeto e Robin Montenieri por sua ajuda com gráficos utilizados neste trabalho.

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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