Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Medición y mapeo de patrones de erosión y deposición relacionadas las concentraciones de carbonato de suelo bajo manejo 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

Patrones espaciales de la erosión del suelo y deposición pueden ser deducidos de las diferencias en la elevación de la tierra asignada en incrementos de tiempo apropiado. Tales cambios de elevación están relacionados con cambios en carbonatos del suelo cerca de la superficie. Aquí se describen los métodos repetibles para mediciones de campo y de laboratorio de estos métodos de análisis de datos y cantidades.

Abstract

Patrones espaciales de la erosión del suelo y deposición pueden ser deducidos de las diferencias en la elevación de la tierra asignada en incrementos de tiempo apropiado. Tales cambios en elevación se relacionan con cambios en los perfiles de suelo cerca de la superficie carbonato (CaCO3). El objetivo es describir un modelo conceptual simple y un protocolo detallado para el campo repetible y mediciones de laboratorio de estas cantidades. Aquí, elevación exacta se mide utilizando un terrestre diferencial sistema de posicionamiento global (GPS); otros métodos de adquisición de datos se podrían aplicar al mismo método básico. Se recogieron muestras de suelo de prescribir intervalos de profundidad y analizadas en el laboratorio usando un método de presión-calcimeter modificado eficiente y precisa para el análisis cuantitativo de la concentración de carbono inorgánico. Se aplican métodos estadísticos estándar para apuntar datos y resultados representativos muestran correlaciones significativas entre los cambios en la capa superficial de suelo CaCO3 y cambios en elevación consistente con el modelo conceptual; CaCO3 generalmente disminuyó en áreas deposicionales y aumentó en las zonas de erosión. Mapas se derivan de las mediciones de punto de elevación y el suelo de CaCO3 para análisis. Mapa de patrones de erosión y deposición en el sitio de estudio, un campo de trigo de invierno de secano cosechado alternando tiras de barbecho de trigo, muestra los efectos de interacción de erosión hídrica y eólica, afectados por la gestión y la topografía. Métodos de muestreo alternativos y los intervalos de profundidad se discuten y se recomienda para futuros trabajos relacionados con la erosión del suelo y deposición del suelo CaCO3.

Introduction

La erosión del suelo amenaza la sostenibilidad de las tierras agrícolas. Gestión, tales como una rotación de cultivos de barbecho de trigo de invierno labranza convencional de los cultivos, puede acelerar los procesos de erosión y deposición como suelos desnudos durante periodos de descanso son más susceptibles al viento y el agua las fuerzas1,2, 3 , 4 , 5 (figura 1). Si bien estos procesos pueden ser evidentes, pueden ser difíciles de cuantificar.

El propósito de este estudio es primero proporcionar un método eficiente para cuantificar y describir los patrones espaciales de la erosión y deposición en el campo de escala utilizando la tecnología de sistema (GPS) de posicionamiento global y sistemas de información geográfica (SIG), herramientas de mapeo. Un modelo conceptual simple sobre estos patrones de carbonatos del suelo (CaCO3) cerca de la superficie también es presentado y probado por métodos de laboratorio y campo prescrito. Estas relaciones proporcionan medidas indirectas de la erosión y deposición, al validar los resultados del método GPS. El presente documento hace hincapié en los métodos utilizados en Sherrod et al. así que ellos pueden repetirse, total o parcial, para investigaciones similares en otros lugares6.

Figure 1
Figura 1. Fotos de erosión (a) y (b) la deposición en el sitio de estudio después de un evento de lluvias. Una pista de neumático de tractor en la esquina inferior derecha de la foto (b) indica la profundidad de deposición en la frontera de la franja de trigo/barbecho.

Varios dirigen métodos de medición de la erosión del suelo fueron revisados por Stroosnijder7. Los métodos sugeridos varían con el propósito de la medición y los recursos disponibles, pero un método de "cambio en la elevación de la superficie" en la escala de ladera se recomienda y ofrece la ventaja de medir erosión y deposición. Una forma de aplicar este método es instalar los pernos en el suelo y controlar el cambio de altura del suelo en relación con la parte superior del pin7. Con los avances en técnica de medición de la tierra, sin embargo, este enfoque requiere mano de obra puede ser sustituido por otras técnicas, tales como láser terrestre (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, láser aerotransportado (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, fotogrametría avanzada23 ,24, o combinaciones de estas técnicas25,26,27. Mientras láser exploración, comúnmente conocido como LiDAR (Light Detection And Ranging), proporciona la más rápida adquisición de conjuntos de datos de elevación de la superficie densa, deben hacerse correcciones para eliminar objetos de pie, como vegetación. Con precisión vertical del nivel del milímetro, TLS puede detectar el cambio más pequeño de la elevación, sin embargo Perroy et al. ALS recomendadas sobre TLS para la erosión de Barranco estima debido a la huella de exploración más grande y mejor orientación instrumento (menos sombreado topográfico) para exploración en barrancos profundamente incisas28. En tiempo real cinemático GPS (RTKGPS), proporcionando precisión nivel centímetro sin el post-procesado de datos, se utiliza para este estudio. La resolución espacial y precisión de los datos RTKGPS recogidos son óptimos para la detección de las características deposicionales y erosivos dominantes en un campo agrícolo o en otros ambientes con importante cobertura del suelo.

El método de presión calcimeter para la cuantificación de suelo CaCO3 se basa en la reacción del suelo al ácido en un sistema cerrado, lo que resulta en la liberación de CO2. El aumento en la presión dentro del recipiente de la reacción a temperatura constante está linealmente correlacionado con la cantidad de suelo CaCO329. Modificaciones en el método tradicional de presión-calcimeter, descrito por Sherrod et al., incluyen cambiar el recipiente de la reacción a las botellas de suero y el uso de un transductor de presión conectado a un voltímetro digital para la detección de cambios en la presión 30. estas modificaciones permiten límites de detección más bajos y una mayor capacidad para la muestra de suelo diaria funciona. Métodos volumétricos gravimétricos o simple para la medición de suelo CaCO3 producción mayores errores y límites de detección que este modificación método de presión-calcimeter30.

Modelo conceptual

Cuando las medidas directas de la erosión y deposición no son factibles, pueden utilizarse indicadores indirectos de estos procesos. Sherrod et al. la hipótesis de que la concentración de CaCO3 de la capa superficial de suelo en un clima semiárido está correlacionada inversamente con el cambio en la elevación de la superficie terrestre (correlacionada positivamente con la erosión, negativamente correlacionada con la deposición)6. La hipótesis debe aplicarse ampliamente, pero relaciones específicas dependerá de las condiciones del lugar (suelo, vegetación, gestión y clima). Suelos en el sitio de prueba (cuadro 1) normalmente contienen una capa calcárea distinta 15-20 cm por debajo de la superficie del suelo. Conceptualmente, la erosión Retire la capa superficial de la relativamente baja concentración de CaCO3 dejando esta capa calcárea de alta CaCO3 cerca a la superficie del suelo. El CaCO3 suelo bajo entonces es transportado a las zonas de deposición, provocando la capa calcárea enterrado más profundamente debajo de la superficie del suelo (figura 2). Muestreo de estos suelos con el tiempo a intervalos de profundidad adecuada, erosión o deposición (o ninguno) puede inferirse por la concentración de CaCO3 , según este modelo.

Serie de suelo Pendiente Clasificación taxonómica Profundidad pH CE N total SOC CaCO3
% cm 1:2 dS m-1 g kg-1 g kg-1 g kg-1 Marga de Colby 5-9 Limosa fina, mixta, superactive, calcáreo, mesic 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 Marga arenosa de Kim 2-5 margoso fino, mixto, activo, calcáreo, mesic 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 margoso fino, mixto, activo, calcáreo, mesic 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 Marga 0-2 Aridic Calciustept gruesa limosa, mezcla, superactive, mesic 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 Aridic Calciustept gruesa limosa, mezcla, superactive, mesic 0-15 8.3 0.23 0,8 6.6 52.0 15-30 8.4 0.26 0,7 5.4 118.3

Tabla 1. Suelos en el sitio de prueba. Del suelo unidades de mapeo y clasificación taxonómica, con pH promedio de suelo eléctrico conductividad (CE), N total, suelo C orgánico (COS), y campo de CaCO3 concentraciones en el 0 - 15 y en incrementos de 15 a 30 cm de profundidad para la Scott en 2012 (de Sherrod et al.) 6.

Figure 2
Figura 2. Perfiles de suelo conceptual. Perfiles de suelo conceptual para (a) una matriz de suelo estática con CaCO3 lixiviado de la capa superficial y precipitaron en una capa más profunda, erosión moderada (b) de la capa superficial y (c) moderada deposición de material por encima de la capa superficial anterior. Intervalos de profundidad (izquierda) son aproximados basados en datos del sitio (de Sherrod et al.) 6. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Historia y descripción del sitio

El 109-campo de Scott es parte de la granja de Drake en Colorado noreste (40.61oN, 104.84oW, figura 3) y fue supervisado desde 2001 a 2012 para este estudio. Evapotranspiración y precipitación anual promedio fueron aproximadamente 350 y 1200 mm, respectivamente, en este clima semiárido, donde la lluvia convectiva de corta duración y alta intensidad eran comunes durante el verano. Elevaciones van desde 1559 1588 m en este terreno ondulado con posiciones distintas de paisaje: Cumbre, talud orientada al norte (lado-NF), talud orientada al sur (lado-SF) y toeslope (Figura 4b). Alternando las tiras (~ 120 m de ancho) manejaron típicamente en esta rotación del barbecho de trigo de invierno de secano que cada tira del otro era barbecho durante unos 14 meses en cada ciclo de rotación de 24 meses. Labranza superficial (~ 7 cm), típicamente barridos de la lámina v, ocurrió de 4 a 6 veces durante el período de barbecho para control de malezas. Se clasifican los suelos en el sitio para tener una tolerancia de pérdida de suelo, o un valor T de 11 Mg ha-1 año-1, donde las tasas de erosión debajo de este valor de T se consideran aceptables para la producción agrícola continua4 .

Figure 3
Figura 3. Ubicación del sitio aparece en una imagen de relieve topográfico (1011 a 4401 m) del estado de Colorado, USA. Elevación media del sitio es m 1577.

Figure 4
Figura 4. Suelos con mapa y elevación de superficie de la tierra de Scott Field. (a) mapa de suelos del Scott Field mostrando punto suelo muestra lugares y el manejo del cultivo de las tiras. Abreviaturas de unidad de suelo son: 1 = Wagonwheel Marga 0-2% pendiente, 2 = Wagonwheel Marga pendiente 2-5%, 3 = Colby Marga pendiente 5-9%, 4 = Kim franco arenoso fino 2-5% pendiente, 5 = Kim pendiente de 5-9% franco arenoso fino; y elevación de la tierra (b) superficie del campo basado en el modelo de elevación digital de red de 5 m 2001 (DEM), con localizaciones de la muestra de suelo de clasificación de tierras (de Sherrod et al.) 6.

La primera encuesta de elevación de la superficie del suelo fue recogida por RTKGPS en 2001 para producir un modelo de elevación digital (DEM) para el sitio. En conjunto con McCutcheon et al., también se realizó una muestra de suelo intensivo (figura 4a) en el año 2001, de que superficie suelo CaCO3 se analizaron por un método de presión modificada-calcimeter30,31 . Visualmente evidente erosión y deposición que ocurre en la década posterior debido al viento, predominante desde el noroeste y la lluvia-escurrimiento eventos solicita una segunda encuesta de elevación RTKGPS en 2009 (con una parte del campo, terminado en 2010). Comparación de la nueva DEM a la DEM 2001 original a través de un mapa DEM de la diferencia de32 confirmó significativa erosión y deposición, mostrando patrones que sugieren múltiples factores de controladores para estos procesos (figura 5). Teniendo en cuenta la redistribución substancial del suelo superficial en el sitio y los datos de suelo histórico CaCO3 , la muestra de suelo de 2001 se repitió en 2012 para poner a prueba un modelo conceptual de procesos de hydropedological6, como se describe en la sección anterior.

Figure 5
Figura 5. Mapa de cambios (2001-2009 *) en la elevación de la superficie de la tierra (Δz) en una cuadrícula de 5 m en el Scott Field en el noreste de Colorado. Cultivo tira números están marcados sobre el sistema de cultivo de barbecho de trigo de invierno alternando, ysección A-A' se muestra (detalles dados en la figura 11). * Tiras de 2, 4, 6, 8 encuestados en 2010 para completar el DEM 2009 (de Sherrod et al.) 6. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. recopilación de datos de elevación de superficie de tierra

  1. calibración de GPS para el sitio
    1. Ubique o conjunto estable de referencia en un lugar seguro en el sitio de estudio para el uso como la estación base GPS para recopilación de datos RTKGPS.
    2. Configurar estación base RTKGPS recolección de datos en este punto de referencia local con mejor aproximación de coordenadas para la ubicación de la estación base (es decir, posición GPS WAAS corregido).
    3. Con el rover GPS, visitar al menos tres referencias de punto de control horizontal y vertical dentro de los límites de la comunicación de radio de la RTKGPS (radio de 10 km aproximadamente) y posiciones de registro.
      Nota: Puntos de referencia descritos por el estudio geodésico nacional puede ser buscado en línea 33 y se utilizaron aquí.
    4. Dadas las coordenadas de los puntos de control medidas y publicadas, utilizar software de RTKGPS de campo para realizar un sitio calibración 34, solución de coordenadas de referencia local ser utilizado como estación base. Compruebe que residuos coordenadas (horizontales y verticales) para los puntos de control están dentro de límites tolerables (± 0.02 m para esta calibración).
  2. GPS punto de recolección de datos
    1. con la estación base GPS en local de referencia y calibración de sitio local y software de campo, registrar RTKGPS Coloque datos en colector de datos GPS en aproximadamente un espaciamiento horizontal de 5 m a lo largo de la encuesta área.
      1. Recogemos datos eficientemente por montaje rover GPS antena a una altura fija sobre el suelo de la superficie de un vehículo y conducción transectos a través de la zona ( figura 6).
    2. Método de vehículo, definir transecto extremos para crear URL transectos separado 5 m de distancia. Importación de transectos extremos en colector de datos GPS para la navegación de los transectos durante la conducción. Acumula puntos con el recopilador de datos automáticamente una vez por segundo mientras que conducir transectos en aproximadamente 5 m s -1 para obtener datos de puntos sobre cada 5 m.
    3. Repetir punto de recolección de datos en el sitio como descrito en un tiempo más último (8 a 9 años más adelante en este estudio) para que los cambios de elevación de la superficie de la tierra pueden ser analizadas, la calibración de sitio original GPS se utiliza para todas las encuestas y no se repite.

Figure 6
figura 6. Colección de datos superficiales de elevación RTKGPS. Datos de superficie de elevación RTKGPS se recopilan mientras se conduce un vehículo utilitario por el campo (a), mientras que las correcciones en tiempo real de GPS son proporcionadas por la estación base en el sitio (b).

2. DEM creación y procesamiento de

  1. crear DEMs
    1. importación Coloque datos en software GIS e interpolar a una red de 5 m DEM. uso de sistemas informáticos, elevaciones de punto medido a elevación interpolada de validación cruzada valores y elegir un método de interpolación que minimiza los errores de validación cruzada.
      Nota: Kriging ordinario con un modelo de semivariograma gaussiano fue el método de interpolación óptima para los datos de elevación en este sitio. Validación cruzada también proporciona una medida de precisión de elevación para el método de encuesta 35.
    2. Repetir 2.1.1 para el segundo conjunto de datos de posición para crear el segundo DEM.
  2. Cambio de mapeo DEM
    1. utilizando una herramienta de calculadora de ráster en SIG, reste el DEM más reciente de la DEM original para crear un mapa raster de cambio DEM ( figura 5), donde los valores negativos de la elevación del cambian representa la erosión y los valores positivos representan deposición.
  3. Clasificación tierras
    1. cálculo de la tierra superficie atributos topográficos (pendiente, aspecto, área) de la primera red DEM utilizando software de procesamiento de DEM.
    2. Clasificar áreas de la tierra como Cumbre, talud o toeslope basado en pendiente y contribuyentes de cada cuadrícula DEM.
      Nota: Cumbres están representadas por laderas bajas y baja aportando áreas. Taludes están representadas por elevadas pendientes e intermedio aportando áreas. Toeslopes están representados por las pistas de bajo y alto áreas que contribuyen. Pendiente y aportando valores del área que definen estas clasificaciones dependerá de la topografía superficial de la tierra en el sitio y cualitativamente son elegidos para dar la representación deseada de cada área de clasificación de un sitio en particular.
    3. Zonas de talud se dividen por los dos aspectos dominantes, orientada al norte y orientada al sur en este sitio.

3. Muestreo de suelos

    1. referencia de planificación muestra mapas en SIG para planificar ubicaciones de muestra de suelo. Elegir un número de lugares para representar adecuadamente todas las posiciones de paisaje.
    2. Ubicación de muestra de carga coordina con el colector de datos GPS para que sitios de la muestra pueden colocarse en el campo.
    3. Conocimiento previo de uso de suelos en el sitio para guiar las decisiones de incrementos de profundidad de muestra para captar la variabilidad de CaCO 3. Etiqueta las bolsas de plástico sellables para indicar el incremento de posición y profundidad de la muestra.
  2. Muestreo de campo
    1. viaje a los sitios de muestreo con un vehículo utilitario, equipado con un suelo hidráulico la máquina y la antena de rover RTKGPS para la navegación de la base.
    2. Uso de suelo la máquina de perforación y muestreo tubo de diámetro de base de suelo deseada (5,1 cm en este estudio), extracto de la base del suelo de cada ubicación de la muestra ( figura 7).
      Nota: El número de núcleos extraídos en cada lugar, así como la profundidad de la base de suelo e incrementos variadas en este estudio. En 2001, un solo núcleo a una profundidad de 90 cm fue tomado y dividido en incrementos de 30 cm. En 2012, dos núcleos de suelo fueron tomadas (dentro de 1 m de la muestra correspondiente de 2001) a una profundidad de 30 cm y divididas en incrementos de 15 cm, con los dos núcleos se agregan para análisis. Se recomienda el método 2012.
    3. RTKGPS registro de posición de datos (x, y, z) en cada muestra.
    4. Cortar la base del suelo en incrementos de profundidad deseada y transferir etiquetadas bolsas de plástico con cierre hermético y coloque en refrigerantes para transporte hacia el laboratorio.
    5. Repetir el muestreo de campo tras la significativa erosión o deposición ha ocurrido (11 años entre muestras en este estudio).

Figure 7
figura 7. Muestreo del suelo. Localizaciones de muestra de suelo se navegaron usando un vehículo de utilidad de guiado por GPS equipado con un suelo hidráulico de perforación máquina (a) para que núcleos de suelo pueden ser extraído (b) y dividieron en incrementos de profundidad deseada.

  1. procesamiento de datos de posición
    1. medir diferencias en las elevaciones registran en cada lugar de la muestra de suelo entre las dos fechas de la muestra (198 lugares muestreados en 2001 y 2012 en este estudio).
      Nota: Elevaciones para 2001 fueron tomados de la DEM 2001 puesto que no se registraron elevaciones de punto en el tiempo de muestreo de suelo. Cambios positivos en la elevación > 0.05 m se consideran dsitios de epositional, mientras que cambios negativos en elevación < m-0,050 se consideran sitios erosional.
    2. Clasificar cada lugar muestra como Cumbre, talud orientada al norte, talud orientada al sur o toeslope basado en el proceso de DEM (ver protocolo 2.3.2); clasificación en una sola ubicación, puede ser definida por la pendiente y aportando criterios de área, reclasificadas para ajustarse a la clasificación dominante de los circundantes puntos.
    3. Unión espacial de uso herramientas de software SIG para asignar lugares muestra a otras capas de datos espaciales utilizados para los análisis (tira de gestión y unidad de mapeo de suelo).

4. Análisis de los suelos

  1. preparación de la muestra de suelo
    1. secar las muestras de suelo en el campo a 60 ° C en un horno de laboratorio durante la noche.
    2. Moler suelos secados al horno para pasar a través de un tamiz de 2 mm con un molino motorizado o un mortero y una maja.
  2. Configuración de aparato de presión-Calcimeter modificado
    1. configurar el aparato de presión-calcimeter modificado ( figura 8) conectando un transductor de presión (0 - 105 kPa rango, 0.03 - 5 V CC salida) a una fuente de alimentación con 14 calibrador de alambre y un voltímetro digital en línea para monitorear la salida del transductor.
      1. Fije el tubo de ID de 9,5 mm en la base del transductor de presión y conectar la tubería a una aguja hipodérmica de 18 calibre Luer lock con un filtro de partículas (0,6 μm) en el centro para recoger cualquier reflujo de alcanzar el transductor de presión.
    2. Uso botellas de suero como reactores conectado a transductor de presión ( figura 9). determinar el tamaño de la botella de suero a utilizar mojando una cucharada de metal con agua y añadir aproximadamente 5 mL de suelo que esperas tener alto CaCO 3 concentración. Pipetee 1 mL de 0,5 N H 2 para 4 a este suelo y observar efervescencia.
    3. Si la efervescencia es alta, entonces asumir mayor que 15% CaCO 3 y use una botella de suero de 100 mL como el recipiente de la reacción, utilizar una botella de suero 20 mL.

Figure 8
figura 8. Modificado el aparato de presión-calcimeter. El aparato de presión-calcimeter modificado utiliza una botella de suero como el recipiente de la reacción y un transductor de presión conectado a un medidor de voltaje a la salida de la señal (de Sherrod et al.) 30.

Figure 9
figura 9. Reactores para el método de presión modificada-calcimeter. Reactores para el método de presión-calcimeter modificados son botellas de suero conteniendo una copita 0,5 frasco ampolla con 2 mL de reactivo ácido y una muestra de suelo de 1 g.

  1. medida de carbonato
    1. Coloque una submuestra de 1 g de la preparación del suelo (ver protocolo 4.1) en un vaso de reacción con. Para suelos que contienen más de 50% CaCO 3, use sólo 0.5 g de suelo.
    2. Pipeta 2 mL de ácido reactivo (6 N HCl que contiene 3% FECLAS 2 O 4 H 2 O) en un frasco de vidrio de 0.5 g. Coloque un frasco recipiente de reacción suavemente para que el contenido de solución no derrame fuera inclinando el recipiente de la reacción casi a la posición de lado.
    3. Manteniendo el recipiente de reacción que contiene la muestra de suelo y ácido vial inclinado, sellar con tapones de goma butilo gris y empálmelo con anillo de cierre de aluminio.
      4. Buque de
    4. reacción agitar con un movimiento de remolino para asegurar la completa mezcla del suelo con ácido. Coloque el recipiente de la reacción en la mesa de laboratorio y dejar la reacción durante al menos 2 h.
    5. Espera de reactores completar, determinar una curva estándar mediante la medición de voltajes de concentraciones conocidas de CaCO 3 usando la misma configuración del recipiente de reacción como las muestras de suelo ( figura 10). 100% de la mezcla CaCO 3 con perlas de vidrio o arena sobre una base de porcentaje de peso para crear conocido CaCO 3 concentraciones. incluir una muestra en blanco sin CaCO 3.
    6. Después de las reacciones de muestra de suelos, perfore la membrana de goma del vaso de reacción con un 18 calibre aguja hipodérmica y registro de salida de voltaje por el transductor de presión.
    7. Resolver para CaCO 3 porcentaje dada la tensión medida y la ecuación de la curva estándar ( figura 10a).
      Nota: Aumento de la presión producida por la liberación de CO 2 está relacionada linealmente con la concentración de CaCO 3 presentes en el suelo tal que: % CaCO 3 = (coeficiente de regresión * cambio en la presión en voltios) + intercept.

Figure 10
figura 10. CaCO 3 medición. (a) una curva estándar de CaCO 3 es creada mediante las lecturas de voltaje del transductor de presión basado en porcentajes conocidos de CaCO 3 (b) mezclado con granos de cristal de polvo o arena.

5. Análisis estadístico

  1. Define dos variables dependientes como el cambio en la tierra la superficie elevaciones y suelo capa superficial CaCO 3 las concentraciones de las fechas de la muestra de primera a segunda (de 2001 a 2012 en este estudio). Definir las variables independientes o explicativas como gestión (impar o tira incluso numerada), tiras individuales, oeste o el este bloque de tiras, unidad de mapeo de suelo, clasificación de paisaje y clasificación erosión/deposición.
    2. Análisis de
  2. realizar correlación y análisis de varianza para cuantificar estadísticamente las relaciones entre variables. Realizar análisis en cualquier paquete estadístico recomendado:.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Mapeo de las diferencias de la DEM de 2001 y 2009 revela erosión (rojo) y la deposición (verde) durante ese período de 8 años, con cambios del nivel del decímetro en elevación sobre la mayoría de las áreas (figura 5). En la escala de campo, la erosión es dominante en el oeste y suroeste, mientras que la deposición se ve a lo largo de noroeste a banda sureste diagonal en el lado este del campo. Bandas alternas de erosión y deposición se observan en la escala de gestión, a menudo con cambios bruscos en los límites de la franja de manejo. Patrones relacionados con tipos de suelo (figura 4a) son menos pronunciados pero parecen coincidir con las características topográficas con el que suelo tipos están fuertemente relacionadas entre sí. Fino-escale los patrones erosivos y deposicionales se ven parecido a rutas de flujo de agua en zonas de convergencia topográfica. Tres distintas características lineares de la erosión, paralela a la gestión, se observan en tira de 6. Un transecto este-oeste (A-A' en la figura 5) se traza para examinar estas características únicas (figura 11), que fueron probablemente causadas por operaciones de labranza. No hay sitios de la muestra de suelo se encuentra dentro de estas características en la franja de 6.

Figure 11
Figura 11. Perfiles de elevación (2001 y 2009 * MDE) a lo largo de un oeste-este de transectos a través de la tira 6 (A-A' en figura 5). * Tira 6 elevación los datos recogidos en 2010.

Dividiendo las tiras de gestión occidental (bloque oeste, tiras 1 - 6, figura 5), donde la erosión era dominante, de la gestión del este (este bloque, tiras de 7 - 12, figura 5), donde predominaba la deposición, se muestra una relación inversa entre el cambio en la superficie del suelo de CaCO3 (ΔCaCO3) y el cambio en elevación de superficie de la tierra (Δz) en los sitios de muestra entre 2001 y 2012 (figura 12). En el bloque oeste erosivos, CaCO3 concentraciones aumentaron un promedio de aproximadamente 3 g kg-1 mientras que la elevación promedio disminuyó aproximadamente 2 cm. por el contrario, el bloque oriental deposicionales demostró un promedio > 4 g/kg disminución de concentraciones de CaCO3 mientras que la elevación promedio aumentó aproximadamente 5 cm. Esta relación inversa no está presente cuando la agrupación de todas las tiras juntas en todo el campo.

Figure 12
Figura 12. Cambio un promedio espacial de CaCO3 concentración (0-30 cm de profundidad) y elevación de la superficie de tierra afectados por bloques de oeste (tiras 1-6) y Oriente (tiras de 7-12) gerencias después de 11 años (2001-2012). Figura 5 muestra la tira números y límites. Barras de error son ±1 SEM (de Sherrod et al.) 6.

Separar lugares muestra erosión (Δz <-5 cm) de sitios deposicionales (Δz > 5 cm), todas las posiciones de paisaje revelan una relación inversa entre ΔCaCO3 y Δz, excepto (taludes) orientada al norte Figura 13). Promedio a través de los paisajes, esta relación inversa se mantiene en lugares erosivos; sin embargo, en sitios deposicionales, ΔCaCO3 es casi sin cambios. Para sitios deposicionales, deposición es mayor en las posiciones de toeslope, con un promedio de cerca de 13 cm. promedio disminuye en CaCO3 es también mayor (8,2 g/kg) en estas posiciones toeslope deposición. Para las localizaciones de muestra erosión, erosión media es mayor (17,4 cm) en taludes orientada al norte, sin embargo, esto no correspondió con un aumento de CaCO3 como se ve en las demás posiciones de paisaje erosivos. Asumiendo una densidad aparente del suelo de 1,4 g/cm3, una pérdida de suelo de 17,4 cm equivale a una tasa de erosión de 221 Mg/ha/año sobre el período de estudio, casi 20 veces el T valor para este sitio. Cálculo de la erosión neta sobre todo el campo requeriría un conocimiento detallado de la densidad aparente del suelo antes de la erosión y deposición. Puesto que hay una ganancia neta de elevación sobre el campo, una densidad constante indicaría una deposición neta, pero ya que suelos depositados son propensas a una densidad más baja que antes de ser transportados, se asume una pérdida neta de suelo.

Figure 13
Figura 13. Espacialmente un promedio de cambio (2001-2012) de CaCO3 concentración (0-30 cm de profundidad) y elevación de superficie de la tierra como afectados por la clasificación de paisaje Erosional y áreas deposicionales; Norte es hacia la NF y SF está orientada al sur (de Sherrod et al.) 6. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un análisis de correlación de Δz y ΔCaCO3 con las variables de sitio relacionados con la gestión (odd - o incluso - tira numerada), tiras individuales, oeste o este bloque de tiras, unidad de cartografía del suelo, y posición del paisaje se presenta en la tabla 2 . Las correlaciones más significativas (p < 0.0001) son vistos entre Δz y tiras de gestión individual o bloques de tira (oeste o este). Cambio de CaCO3 fue correlacionaron más significativamente (p = 0,016) a la unidad de mapeo de suelo, mientras que Δz no se correlacionó con suelos. Menos significativo (p = 0,036) la correlación entre ΔCaCO3 y los bloques de la tira, con que Δz se correlacionó también. Un análisis de varianza muestra Δz ser afectado significativamente (p < 0.06) por todas las variables de sitio (tabla 3). Clase de erosión (erosional, deposicional o sin cambios: EDU) más significativamente (p = 0.075) ΔCaCO3, seguido de la unidad de cartografía de suelo y tiras individuales, ambos importantes debajo de un nivel de significancia de 10% de afectados.

Coeficiente de correlación de Pearson
Variable Tiras de Bloque
g > suelo Paisaje ΔCaCO3 Δz Gestión 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 de - 0.868 (< 0.0001) 0.411 (< 0.0001) 0.077 (0.295) -0.120 (0.104) 0.425 (< 0.0001) Bloque - 0.414 (< 0.0001) 0,114 (0.124) -0.154 (0,036) 0.303 (< 0.0001) Suelo - 0.408 (< 0.0001) -0.177 (0.016) 0.025 (0.738) Paisaje - -0.101 (0.172) -0.083 (0.260) ΔCaCO3 - -0.001 (0.990) * Pr > r entre paréntesis.

Tabla 2. Análisis de correlación de Δz y ΔCaCO3 con Variables sitio. Matriz de correlación para las variables de sitio asociado con la elevación (z) y CaCO3 cambios después de 11 años como afectados por la gestión (tiras par o impares), los tiras, bloque oeste (tiras de 1 - 6) o este bloque (tiras de 7 - 12), unidad de cartografía del suelo, y posición (Cumbre, frente lado norte, lado sur frente a y toeslope) del paisaje (de Sherrod et al.) 6.

ΔElevation ΔCaCO3
Variable Valor de F PR > F Valor de F PR > F
Gestión 3.47 0.0643 0.07 0.7957
Tiras de 50.25 < 0.0001 2.84 0.0937
Bloque 7.48 0.0069 1.79 0.1824
Suelo 5.57 0.0193 3.16 0.0773
EDU NA * NA 3.21 0.0750
* NA, no es aplicable porque EDU se determina a partir ΔElevation.
EDU = erosión (E), deposición (D), sin cambios (U)

Tabla 3. Análisis de varianza para Variables dependientes del cambio en la elevación y el cambio en CaCO3 concentración. Análisis de varianza para variables dependientes del cambio en la elevación y el cambio en la concentración de CaCO3 en el incremento de 0 a 30 cm de profundidad después de 11 años como afectados por la administración (tiras par o impares), tiras individuales, bloque oeste (tiras de 1 - 6) o este bloque (tiras de 7-12), unidad de cartografía de suelo y erosión clase (EDU): erosión (Δz <-5 cm), deposición (Δz > 5 cm), o sin cambios (-5 cm < Δz < 5 cm) (de Sherrod et al.) 6.

Interpolación de las superficie CaCO3 muestras de punto en los resultados de 2001 y 2012 en los mapas que se muestran (figuras 14a, 14b) y un mapa de la diferencia nace de estos para mostrar ΔCaCO interpolados3 (figura 14 c). Áreas relativamente pequeñas, concentradas de alta y baja CaCO3 en el mapa de 2001 (figura 14a) ya no se ven en 2012 donde los patrones espaciales son menos complejo (figura 14b). Esta "atenuación" del 2001 mapa para el mapa de 2012 indica un aumento de CaCO3 en previamente bajo CaCO3 zonas y una disminución de CaCO3 donde CaCO3 fue alta. Patrones de ΔCaCO3 (figura 14 c) Mostrar más aumenta en el extremo oeste y algún tipo de relación a la topografía de la superficie de tierra.

Figure 14
Figura 14. Interpolados interpolación mapas de concentraciones de CaCO3 . Mapas de interpolación interpolados de CaCO3 concentraciones en el intervalo 0 a 30 cm de profundidad para (a) de 2001, (b) 2012 y (c) cambian de 2001 a 2012. Suelo muestra las ubicaciones se muestran círculos (a, b) y contornos de elevación con intervalos de 1 m se muestran en (c) (de Sherrod et al.) 6.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Asignada cambios en elevación (figura 5) ilustran la significativa erosión y deposición en un campo agrícolo y patrones espaciales de múltiples factores de controladores en múltiples escalas. De patrones de la escala del campo asociados con el viento, hasta patrones dendríticos de escala fina producida por flujo de agua, procesos relevantes para este estudio son discernibles. El nivel de detección de cambio de elevación proporcionada por repetidas RTKGPS tierra encuestas aparece óptima. Niveles de detección más finos, conforme a lo dispuesto por TLS, puede complica introduciendo microtopographic características, tales como cultivo de crestas y surcos, mientras que los niveles de detección más gruesos, como se han encontrado con aire encuestas, podría no ser suficiente para capturar a escala fina patrones. Realización de RTKGPS de tierra encuestas sobre un área de este tamaño (~ 100 ha) tarda unos días, sin embargo, debido a las limitaciones de la recogida de sólo un único punto por el segundo y el tiempo de viaje para cubrir el área. Avances en encuestas de aire pueden brindar mejores métodos alternativos en el futuro si pueden mejorar la encuesta exactitudes para que coincida con la precisión de tierra encuestas aquí.

Se observaron resultados mixtos en correlacionar cambios en el suelo superficie de CaCO3 con los cambios de elevación de superficie de la tierra, según lo predicho por el modelo conceptual. En 2001, las muestras de suelo superficial para concentraciones de CaCO3 sólo estaban disponibles en el incremento de una profundidad sobre los 30 cm superior. En 2012, las muestras de suelo fueron divididas en dos incrementos de 15 cm sobre los 30 cm superior. Un análisis de ΔCaCO3 en sólo la superior 15 cm probablemente cambiará estos resultados y puede llegar a ser más fuertemente relacionados con la erosión y deposición. El método de presión modificada-calcimeter30 continúa sirviendo como un método eficiente para el CaCO3 medición del suelo.

Este documento proporciona un enfoque detallado para la cuantificación de la escala de campo y descripción de los procesos erosivos y deposicionales en un campo agrícolo. Los métodos aquí descritos pueden aplicarse a otros sitios donde están presentes cerca de la superficie del suelo calcáreas capas. Trabajo futuro está previsto para que este sitio para calcular un nuevo usando DEM y para medir los cambios de elevación de la superficie desde 2009, cuando se realizó el último estudio de suelo completo de RTKGPS. También, se repetirá el esquema de muestreo de suelo de 2012 para la superficie del suelo de CaCO3 en incrementos de 15 cm de profundidad por lo que cambios en el top 15 cm pueden ser comparados entre la muestra futura y 2012.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

El sitio de estudio de campo está en una granja administrada por David Drake y le damos las gracias por su cooperación durante esta investigación a largo plazo. También agradecemos a Mike Murphy por sus muchos años de trabajo de campo en este proyecto y Robin Montenieri por su ayuda con los gráficos utilizados en este trabajo.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Freebairn, D. M. Erosion control - some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).
  2. Garcia-Orenes, F., Roldan, A., Mataix-Solera, J., Cerda, A., Campoy, M., Arcenegui, V., Caravaca, F. Soil structural stability and erosion rates influenced by agricultural management practices in a semi-arid Mediterranean agro-ecosystem. Soil Use and Mgt. 28, 571-579 (2012).
  3. Hass, H. J., Willis, W. O., Bond, J. J. General relationships and conclusions. Summer Fallow in the Western United States. USDA-ARS Conserv. Res. Rpt. No. 17. , U. S. Government Printing Office. Washington, D. C. 149-160 (1974).
  4. Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).
  5. Skidmore, E. L., Layton, J. B., Armbrust, D. V., Hooker, M. L. Soil physical properties as influenced by cropping and residue management. Soil Sci. Soc. of Am. J. 50 (2), 415-419 (1986).
  6. Sherrod, L. A., Erskine, R. H., Green, T. R. Spatial patterns and cross-correlations of temporal changes in soil carbonates and surface elevation in a winter wheat-fallow cropping system. Soil Sci. Soc. of Am. J. 79 (2), 417-427 (2015).
  7. Stroosnijder, L. Measurement of erosion: Is it possible? Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).
  8. Dąbek, P., Żmuda, R., Ćmielewski, B., Szczepański, J. Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning. Acta Geodynam. Et Geomat. 11 (1), 45-52 (2014).
  9. Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 1: terrestrial laser scanning methods for change detection. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1055-1067 (2013).
  10. Eltner, A., Baumgart, P. Accuracy constraints of terrestrial Lidar data for soil erosion measurement: Application to a Mediterranean field plot. Geomorph. 245, 243-254 (2015).
  11. Letortu, P., et al. Retreat rates, modalities and agents responsible for erosion along the coastal chalk cliffs of Upper Normandy: The contribution of terrestrial laser scanning. Geomorph. 245, 3-14 (2015).
  12. Longoni, L., et al. Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning. Rem. Sens. 8 (3), 241 (2016).
  13. Meijer, A. D., Heitman, J. L., White, J. G., Austin, R. E. Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar. Soil & Till. Res. 126, 1-10 (2013).
  14. Rengers, F. K., Tucker, G. E., Moody, J. A., Ebel, B. A. Illuminating wildfire erosion and deposition patterns with repeat terrestrial lidar. J. of Geophys. Res.-Earth Surf. 121 (3), 588-608 (2016).
  15. Schubert, J. E., Gallien, T. W., Majd, M. S., Sanders, B. E. Terrestrial Laser Scanning of Anthropogenic Beach Berm Erosion and Overtopping. J. of Coast. Res. 31 (1), 47-60 (2015).
  16. Stenberg, L., et al. Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning. Earth Surf. Proc. and Landforms. 41 (10), 1299-1311 (2016).
  17. Croke, J., Todd, P., Thompson, C., Watson, F., Denham, R., Khanal, G. The use of multi temporal LiDAR to assess basin-scale erosion and deposition following the catastrophic January 2011 Lockyer flood, SE Queensland, Australia. Geomorph. 184, 111-126 (2013).
  18. Earlie, C., Masselink, G., Russell, P., Shail, R. Sensitivity analysis of the methodology for quantifying cliff erosion using airborne LiDAR - examples from Cornwall, UK. J. of Coast. Res. Spec. Iss. 65, 470-475 (2013).
  19. Kessler, A. C., Gupta, S. C., Dolliver, H. A. S., Thoma, D. P. Lidar Quantification of Bank Erosion in Blue Earth County, Minnesota. J. of Env. Quality. 41 (1), 197-207 (2012).
  20. Pye, K., Blott, S. J. Assessment of beach and dune erosion and accretion using LiDAR: Impact of the stormy 2013-14 winter and longer term trends on the Sefton Coast, UK. Geomorph. 266, 146-167 (2016).
  21. Thoma, D. P., Gupta, S. C., Bauer, M. E., Kirchoff, C. E. Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment. Rem. Sens. of Env. 95 (4), 493-501 (2005).
  22. Zhang, C. L., Yang, S., Pan, X. H., Zhang, J. Q. Estimation of farmland soil wind erosion using RTK GPS measurements and the Cs-137 technique: A case study in Kangbao County, Hebei province, northern China. Soil & Till. Res. 112 (2), 140-148 (2011).
  23. Neugirg, F., et al. Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley, Southern Tuscany, Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR and UAV surveys. Geomorph. 269, 8-22 (2016).
  24. Pineux, N., et al. Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed? Geomorph. 280, 122-136 (2017).
  25. Bremer, M., Sass, O. Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion and deposition by a debris flow event. Geomorph. 138 (1), 49-60 (2012).
  26. Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 2: pairing aerial photographs and terrestrial laser scanning to create a watershed scale sediment budget. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1068-1082 (2013).
  27. De Rose, R. C., Basher, L. R. Measurement of river bank and cliff erosion from sequential LIDAR and historical aerial photography. Geomorph. 126 (1-2), 132-147 (2011).
  28. Perroy, R. L., Bookhagen, B., Asner, G. P., Chadwick, O. A. Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based LiDAR on Santa Cruz Island, California. Geomorph. 118 (3-4), 288-300 (2010).
  29. Loeppert, R. H., Suarez, D. L. Carbonate and Gypsum. Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. Sparks, D. L., et al. , 3rd ed, SSSA. Madison, WI. 437-474 (1996).
  30. Sherrod, L. A., Dunn, G., Peterson, G. A., Kilberg, R. L. Inorganic carbon analysis by modified pressure-calcimeter method. Soil Sci. Soc. of Am. J. 66 (1), 299-305 (2002).
  31. McCutcheon, M. C., Farahani, H. J., Stednick, J. D., Buchleiter, G. W., Green, T. R. Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field. Biosyst. Eng. 94 (1), 19-32 (2006).
  32. Wheaton, J. M., Brasington, J., Darby, S. E., Sear, D. A. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets. Earth Surf. Proc. and Landforms. 35 (2), 136-156 (2010).
  33. National Oceanic and Atmospheric Administration. Survey Marks and Datasheets. , Available from: https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/ (2017).
  34. Trimble Inc. Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A. , (2011).
  35. Erskine, R. H., Green, T. R., Ramirez, J. A., MacDonald, L. H. Digital elevation accuracy and grid cell size: effects on estimated terrain attributes. Soil Sci. Soc. of Am. J. 71, 1371-1380 (2007).

Tags

Carbono inorgánico sistema sistemas de información geográfica Edafología método modificado de calcimeter de presión erosión del suelo de posicionamiento global modelo digital de elevación ciencias ambientales número 127
Medición y mapeo de patrones de erosión y deposición relacionadas las concentraciones de carbonato de suelo bajo manejo agrícola
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Erskine, R. H., Sherrod, L. A.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter