Waiting
Login processing...

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

Environment

Лаборатория и поле Протокол для оценки темпы эрозии лист от дендрогеоморфология

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/57987
Automatic Translation
1, 2,3, 4,5, 2,3
1University of Castilla-La Mancha (UCLM), 2Department of Earth Sciences, University of Geneva, 3Institute for Environmental Sciences, University of Geneva, 4Departamento de Sistemas y Recursos Naturales, Universidad Politécnica de Madrid, 5Departamento de Biodiversidad, Ecología y Evolución, Universidad Complutense de Madrid

Summary

Характеризующие эрозии от дендрогеоморфология обычно уделяется точно найти время начала корень экспозиции, изучая макроскопических или ячейки уровня изменений, вызванных воздействием. Здесь мы предлагаем подробное описание различных новых методов для получения более точных темпы эрозии от высокоточных microtopographic данных.

Abstract

Лист эрозия является одним из важнейших драйверов деградации почв. Эрозия контролируется факторов окружающей среды и человеческой деятельности, которые часто приводят к серьезным экологическим последствиям. Понимание лист эрозии является, следовательно, во всем мире проблема с последствиями для окружающей среды и экономики. Однако знания о как эрозия развивается в пространстве и времени все еще ограниченной, а также его воздействия на окружающую среду. Ниже мы объясняем, что новый протокол dendrogeomorphological для извлечения эрозии почвы толщиной (E-x), приобретая точные microtopographic данных с помощью наземного лазерного сканирования (TLS) и microtopographic профиль датчиков. Кроме того стандартные dendrogeomorphic процедур, зависит анатомические изменения в корень кольца, используются для установления сроков воздействия. TLS и microtopographic профиль, что датчики используются для получения поверхности земли профили, из которых Ex оценивается после того, как определяется пороговое расстояние (TD), т.е. расстояние между корнем и отложениях knickpoint, который позволяет ключевом опускание поверхности земли, вызванные эрозии листа. Для каждого профиля мы измерили высоту между верхней части корня и виртуальные плоскости, касательной к поверхности земли. Таким образом мы призваны избежать мелких влияния деформации почвы, которые могут быть из-за давления, оказываемого корневой системой, или по договоренности корни подвергаются. Это может вызвать небольшое количество оседания почвы или эрозии в зависимости от того, как они физически повлиять на поверхностного стока. Мы демонстрируем, что адекватные microtopographic характеристика подвергаются корни и их связанные поверхности является очень ценным для получения точных эрозии ставки. Этот вывод может быть использован для создания наилучшей практики управления, призванных в конечном итоге остановить или может быть, по крайней мере, уменьшить эрозию почвы, так что более устойчивой политики управления может осуществляться на практике.

Introduction

Экономические и экологические последствия производства листа эрозии делает эту тему в озабоченность во всем мире1. Несколько методов, от прямых методов физической основе и эмпирические подходы, используются для расчета темпов эрозии почвы на различных временных и пространственных масштабов. Прямые методы использования полевых измерений в естественных условиях и главным образом основаны на использовании Gerlach желобов2, вода коллекционеров3, эрозии булавки4 и профилемеры5. Кроме того модели эрозии почвы были все больше и больше сосредоточены на представляющие подробно реальные физические процессы, ответственные за эрозии6.

Дендрогеоморфология7 является подразделением дендрохронологии8 что она успешна в характеристике частота и масштабы геоморфологических процессов9,10,11,12, 13,14,,1516,17. Что касается листа эрозии дендрогеоморфология обычно используется для расширения или замены методологий, упомянутых выше, особенно в районах, где темпы эрозии, производные от прямых методов скудных или недоступен. Дендрогеоморфология это очень гибкий метод для оценки эрозии почвы и может быть использован для калибровки основанные на физической и эмпирических моделей, или возможно как данных источника для повышения надежности прямой оценки методов18, 19. дендрогеоморфология позволяет эрозии почвы устанавливается на больших площадях, где корни подвергаются доступны. Эти корни подвергаются должны показать пределы кольца ясно дерево и реагировать ежегодные шаблонов роста следует рассматривать как оптимальный применять методы dendrogeomorphological20. Кроме того, котор подвергли действию корни для выборки должны быть предпочтительно расположены в однородных единиц, на основании их реакция почвы Эрозия21.

Обычные dendrogeomorphical способ оценки эрозии лист основывается на измерения на месте эрозии почвы толщиной (E-x) со времени первых воздействия нынешних22,23, 24. Соотношение между этими двумя переменными используется для вычисления значения эрозии в mm∙yr1. Большая часть исследований, проведенных на сегодняшний день была сосредоточена исключительно на эффективно определить начальный год воздействия. Как результат анализируются изменения в корне вследствие воздействия на макроскопическом уровне25, или ткани и клеточном уровнях26,27,28. Основные анатомические изменения в выставленных корни хвойных растет толщина кольца роста, вследствие значительного числа клеток в Эрливуд (EW)26. Аналогичным образом было обнаружено сокращение в пределах района люмен EW tracheids наряду с толщина структуры увеличению клеточной стенки latewood (LW) tracheids24,27,29. Эти изменения были описаны и количественно как начало, когда эрозии понижает земной поверхности над корень примерно три см30. Меньше внимания было предоставлено надлежащее определение параметра Ex . Возраст корни подвергаются обычно было связано с высотой оси корневого центра роста над землей поверхности31,32. Поэтому оценка Ex была исправлена, учитывая продолжающийся рост вторичных30,33. Совсем недавно эти методологические подходы также интегрировали характеристика почвы микротопографии для получения надежных эрозии ставки34,35,36.

Мы представляем лабораторных и полевых протокол для оценки более точной и надежной лист темпы эрозии от дендрогеоморфология. В этот конкретный протокол осматриваем гипотеза, что выборка всех выставленных корни, независимо от ориентации относительно пути стока и в сочетании с microtopographical анализа, позволяет темпы эрозии точно быть реконструирована и количественно. Наша цель, поэтому, является предоставление протокол оценить темпы эрозии от увеличения размера выборки корни подвергаются, используя макроскопических и микроскопических информацию, найденную в серии деревьев кольца роста, а также топографических данных с высоким разрешением.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. отбор проб стратегия

  1. Геоморфологических процессов идентификации
    1. Реализуйте гидрологических единиц ответ подход (ГПЧ)21. С этой целью выявления однородных областей в рамках исследования сайта, включая литологии и поверхности отложений, полога, растительных остатков при контакте с поверхности почвы и склон. Выберите среди всех HRUs те, в которых преобладает процесс эрозии листа.

Figure 1
Рисунок 1: пример HRUs связанные с песчаными Галли. Что касается протокола, предлагаемые здесь, выборки корни подвергаются должны проводиться в ГПЧ, в котором процесс эффективного эрозивный является лист эрозии (в этой легенде цифра соответствует подвергаются песка с умеренных склонах). Этот показатель был изменен с Bodoque и др. 21 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

  1. Отбор проб из выставленных корни
    1. Найдите в исследовании сайта подвергаются корни соответствующих видов деревьев, полезные для дерево кольцо знакомства (желательно хвойных)20.
    2. Предоставить подробное описание пространственных и морфологических характеристик окрестности корни подвергаются для выборки. Соберите следующую информацию: географическое положение (координат UTM); Высота над уровнем моря; аспект в шестидесятеричной степени, как на склоне холма, так и для конкретного корневого местоположения (местные аспект); Расстояние корневого раздела на стволе дерева; склон холма и наклон конкретных корневого местоположения (оба выражаются в градусах); ориентация подвергаются корня относительно пути стока.
    3. Возьмите один образец почвы около 1 кг из района вокруг каждый подвергается корень. Параметры, которые характеризуют являются текстуры, процент структуры органического вещества и почвы.
    4. Измерения на месте гидравлической проводимости с использованием одного кольца infiltrometer под постоянным голову.
      Примечание: Осуществить шаги 1.2.2 и 1.2.3 характеризовать эродируемости почвы.
    5. Найдите подвергаются корни, которые находятся дальше, чем 1,5 м от ствола. На меньшее расстояние воздействия может быть связано с ростом дерева.
    6. Нарежьте с Ножовка по меньшей мере 30 корни подвергаются, с больше чем 5 см, диаметром 15 см длины секций. Впоследствии принять два ломтика толщиной примерно 1,5 см.
    7. С помощью гидрометрических мастерок, ножовка и измерительная лента, образец подмножество похоронены корней (по крайней мере треть всего корни подвергаются пробы) на разных почвы глубинах (максимум 20 см) установить минимальный почвы толщиной ниже которой корни начинают иметь Анатомические ответ из-за воздействия.

Figure 2
Рисунок 2: пример того, как для проведения выборки поля. По крайней мере 30 корни подвергаются отбираются и, впоследствии, вырезать с ножовка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

2. Microtopographic характеристик поверхности земли и корни подвергаются в легко доступных местах

  1. Использовать устройство наземного лазерного сканирования, который может измерить до 50 000 точек в секунду с точностью 1 мм на расстоянии сканирования < 120 м.
  2. Рассмотрим по крайней мере два различных местах обычных TLS, чтобы избежать теневые зоны.
  3. Слияние различных местах с помощью как минимум четыре высокой четкости геодезия (HDS) целей позиционируется для покрытия всей области.
  4. Для того чтобы получить высокую точность топографических данных, сканирование средней площадью2 300 см из выбранных мест, с пространственным разрешением 1 мм в. включают корни подвергаются и его окрестностях, которая является представителем поверхности земли.

3. Microtopographic характеристик поверхности земли и корни подвергаются, в местах с трудным и крутой местности (горных сред)

  1. Место microtopographic профиль датчик перпендикулярно к воздействию корень и, впоследствии, уровня горизонтально для всех измерений, таким образом, что можно сравнить различные наборы данных.
  2. Нарисуйте профиль, полученный на шаге 3.1 на миллиметровой бумаге, чтобы иметь возможность вывести количество эрозии почвы вдоль профиля с суб-миллиметровой точностью.

Figure 3
Рисунок 3: пример характеристика микротопографии земли с помощью датчика профиля microtopographic. (A) Иллюстрация корни подвергаются как наблюдаемых вдоль тропа; (B) измерения микротопографии почвы, используя профиль microtopographic колеи; (C) Оценка Ex путем приобретения microtopographic профили путем их рисования на миллиметровой бумаге, чтобы разрешить вывод количества эрозии почвы вдоль профиль и с суб-миллиметровой точностью. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

4. Определение времени экспозиции корень

  1. Макроскопический анализ
    1. Воздух сухой разделы, полученного на шаге 1.2.6 на 2 месяца.
    2. Получите от начальной секции два кусочка, которые каждый примерно 2 см толщиной.
    3. Песок и польский срезы наждачной бумагой (до 400 зернистости) для облегчения распознавания годичных колец.
    4. Сканирования ломтики с минимальным разрешением 2800 dpi, так что они могут быть точно проанализированы, даже когда кольца особенно тонкой.
    5. Увеличение доли latewood и большего роста кольцо шириной используйте как показатели стресса, вызванного воздействием.
    6. Марк по крайней мере 4-5 радиусы вдоль диаметры фрагменты, которые показывают высокая изменчивость роста кольцо шириной.
    7. Использование системы анализа изображений или таблицей измерения для измерения ширины дерева кольцо.
    8. Применять визуальные процедуры кросс знакомства, сравнивая изменчивость роста кольцо шириной между различных радиусов, как улучшить знакомств точность за первый год воздействия эрозии почвы и правильно даты последующих кольца и признать наличие из нескольких или разрывными кольца.

Figure 4
Рисунок 4: пример того, как подготовить раздел подвергаются корня для выполнения Дендрохронологические знакомства роста кольцо серии. В каждом разделе четыре или пять радиусы отмечены в направлениях, которые показывают, высокая изменчивость относительно ширины дерева кольцо. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

  1. Микроскопический анализ
    1. Для обоих образцов подвергаются и не подвергаются корень используйте раздвижные микротом для получения радиального сечения примерно 1 см в ширину и 20 микрон.
    2. Пятно сечений с safranin (т.е. 1 g safranin + 50 г воды + 50 г, этанол 96%) и обезвоживания с все богаче этанола водный раствор до 96% этанола (например, 50% и 96% этиловом спирте) до этанола проходит ясно. Замочите образцы в ксилола или цитрусовые масла, очистка агент (например, Histoclear).
    3. Смонтировать разрезов на покрытые слайды, Обложка скольжения с затвердевания эпоксидной (например, Eukitt, канадский бальзам и высушить при температуре (т.е. около 5-8 ч для Eukitt, по крайней мере 24 часа для канадский бальзам).
    4. Соблюдать (при 125 кратном) и фотографии образцов с системой цифровых изображений под оптической микроскопии.
    5. Сравните под оптический микроскоп анатомические след как воздействию и не подвергаются корень образцы (шаги 1.2.5 и 1.2.6).
    6. Микроскопические измерения, с помощью анализатора изображения на цифровых фотографиях, последовавшей параметров:) Ширина кольца роста; b) количество ячеек на кольцо; c) процент latewood; и d) люмен района в Эрливуд.
    7. Тестирование с помощью анализатора изображения (шаг 4.2.6) возникновение смолы воздуховодов и принять измерений для каждого кольца роста.
    8. Выполнение одностороннего анализа ANOVA с несколько тестов выбор (метод: 95% ЛСД – наименее значимого различия) для анатомических переменных считается (шаг 4.2.6) проверить наличие статистически значимой разницы между двумя группами измерения (предварительно подвергается воздействию против корни).

5. Оценка толщины слоя почвы, эрозия после первоначального воздействия (Ex)

  1. Сценарий 1: подвергаются корни, которые идут параллельно пути стока.
    1. Основываясь на данных, полученных на шаге 2.4, используйте обратный расстояние весов как метод интерполяции для получения высокоточных цифровых моделей рельефа (DEM) с пространственным разрешением 3 мм.
    2. Используйте инструменты ГИС для извлечения из профилей перпендикулярно DEM подвергаются корня с грубой расстояние 150 см.
    3. Выполните шаги 5.1.1 и 5.1.2 в легко доступных местах (шаг 2).
    4. Используйте перпендикулярно профили подвергаются корня, полученное в шаге 3.2, когда исследование сайт расположен в районах, где местность является трудным и крутой (горной среды) (шаг 3).
    5. В профилях, полученное в 5.1.2 и 5.1.3 Используйте визуальную интерпретацию найти пороговое расстояние (TD), определяется как расстояние между корнем и knickpoint на поверхности земли. Это устанавливает, понижение земной поверхности для профилей из-за эрозии листа.
    6. Определить толщину слоя почвы, эрозии, путем измерения высоты между верхней части корня и knickpoint на поверхности земли, по оценкам, в шаге 5.1.5.
    7. Исправьте измерения, полученные на шаге 5.1.6 путем вычитания из текущих среднего роста (то есть, рост корня с года воздействия) и толщина коры на верхней/нижней стороне корня. Увидеть Corona и др. 30 для получения подробного описания.

Figure 5
Рисунок 5: Пример иллюстрирует как место TD , когда корни подвергаются проб ориентированы по пути стока. Эта цифра показывает общий microtopographic поперечный профиль открытые корня и его непосредственной близости. Ex1 — расположение применяется к традиционной dendrogeomorphical подход для определения толщины эрозии почвы; Ex2 относится к позиции, где этот параметр необходимо оценивать. ТД воспринимается как руководство позиции, из которой поверхность земли изменяется лист эрозии только. Этот показатель был изменен с Bodoque и др. 34 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

  1. Сценарий 2: подвергаются корни, которые выполняются перпендикулярной к пути стока
    1. Осуществить шаги 5.1.1 для 5.1.4, как указано в разделе Шаг 5.1.
    2. Использование Растровый калькулятор доступен в любом программном обеспечении географической информационной системы (ГИС), для каждой меры перпендикулярных профиля высоты между верхней части корня и поверхности земли, используя knickpoint на поверхности земли в качестве образца. На данный момент измерения Ex не влиянием седиментации и/или рыскать эрозии и, таким образом, это можно измерить эрозии почвы.
    3. Исправьте измерения, полученные на шаге 5.2.2, с помощью процедуры в шаге 5.1.7.

Figure 6
Рисунок 6: рисунок как поступить пример когда корни подвергаются пробы ориентированы согласно перпендикулярно path. стока Эта цифра показывает схематическое представление поверхности профиля грунта, относящиеся к воздействию перпендикулярно корень, относительно пути стока. В knickpoint, совпадая в преобладающих процессов эрозии седиментации и размыв поблизости корень количественно эрозии почвы толщиной (E-x). Эта цифра была изменена от Бальестерос-Cánovas и др. 35 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

6. лист эрозии ставка оценки

  1. В зависимости от характеристик почвы механик участка исследования, применить уравнение 1 (то есть, гипотез, что давление радиального роста на корень меньше прочность на сдвиг почвы), или уравнение 2 (то есть, предполагает стабильность оси корня через время)30:
    Equation 1(1)
    Equation 2(2)
    Где:
    ER (mm∙yr-1), является уровень эрозии листа оценивается.
    EX (мм) толщина слоя почвы эрозии после первоначального воздействия. Это достигается путем выполнения шагов 5.1.1 в 5.2.3.
    Gr1 и r2G(мм) представляют собой вторичный (последующих) рост на вверх/вниз часть корня после воздействия. Получено после выполнения шага 5.1.7.
    B1 и B2 (мм) толщина коры в верхней/нижней части корня. Это получается с процедурой в шаге 5.1.7.
    Ε (мм), определяется как минимальной глубины почвы, ниже которой корневые начать менять его анатомических конфигурации.
    NR. (год), является количество колец деревьев, после года воздействия. Получается, используя шаги 4.1.1 для 4.2.8.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Образцы подвергаются корни страдают камбиальных ухудшение объясняется последствиями воздействия (например, изменения температуры, количество света) плюс физического стресса, благодаря трамплинг туристов или животных выпаса и просматривая, корни проходят после того, как они подвергаются. Определение наличия разрывными колец, а так же точно знакомства первый год реакции на воздействия была выполнена в лаборатории как протокол 4 (шаги 4.1.6 для 4.1.8). Мы выбрали увеличение доли latewood и присутствие дерево кольцо значительно шире, чем в среднем, как показатели первой экспозиции.

114 разделы подвергаются Pinus uncinata ветвистый Экс DC, Fagus sylvatica L., Pinus pinaster МТА. и Pinus sylvestris корней были использованы для этой цели. В результате смерти камбия на верхней части корня мы нашли серьезные изменения в дерево кольцо модели роста, которая смещается из концентрических эксцентричный роста (рис. 7), а также разрывных дерево кольца или даже некоторые, которые были полностью в наружной кольца деревьев уничтожены. Выше свидетельствует о том, что подход, который мы выполнили успешно с достаточно точность определения возраста корни и конкретный год, в котором был сформирован первый кольцо воздействия.

Figure 7
Рисунок 7: примеры эксцентричный дерево кольцо картина в корни воздействием. Эта цифра показывает вид полированного часть корня в отсутствие рубцов (A) и с рубцы (B). В обоих случаях это возможно наблюдать картину эксцентричный дерево кольца как ясная реакция эрозии почвы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Лаборатории эксперимент был проведен как протокол 4 (шагах от 4.2.1 4.2.8) определить, как корни анатомически реагируют на воздействия. С этой целью был использован же корни подвергаются выборки, описанных выше. Образцы были рассмотрены ниже оптической микроскопии и сфотографироваться с цифровой системой обработки изображений. Микроскопических изображений были проанализированы на 50 × увеличения с точностью до 1 мкм в измерениях. В первый раз экспозиции можно увидеть характерные анатомические изменения. Годовые кольца деревьев Показать очевидным увеличение роста (особенно узнаваемым в два или три последующие кольца), который в результате увеличения числа Трахеиды и их размер. Также заметное увеличение числа судов. Смола протоки обычно появляются в касательной строк в Эрливуд. Latewood легко наблюдаемых, как это имеет несколько строк толстостенных tracheids. Также происходит значительное снижение просвета Трахеиды Эрливуд после корня подвергается. Отношении анатомические след десяти похоронены корни пробы, результаты показывают, что этот образец группа начинает реагировать согласно поведение, описанное выше когда крышку почвенные упасть ниже 3 см (рис. 8).

Figure 8
Рисунок 8: пример анатомические реакции на воздействия корней. Анатомия Pinus uncinata ветвистый Экс DC корни дерева: (A) Анатомия похоронены корней (200 мкм); (B) Анатомия подвергаются древесины (500 мкм). Вуд анатомии из корней Fagus sylvatica L.: анатомия (C) похоронили корня (500 мкм); (D) Анатомия подвергаются древесины (500 мкм). Этот показатель был изменен с Bodoque и др. 36 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Характеристика изменчивости поверхностного микротопографии играет решающую роль в получении надежной лист темпы эрозии, производный от дендрогеоморфология (рис. 9). С этой целью мы разработали экспериментальный и полевой эксперимент, направленных на захват высокоточную microtopographic поверхности профилей для анализа с использованием протокола 5 114 образцы подвергаются корни. Мы использовали расстояние между корнем и knickpoint, от которого профиль определяет снижение поверхности земли из-за эрозии лист как критерий для оценки толщины слоя почвы, эрозия после первоначального воздействия (E-x). Относительно пробы подвергаются корни параллельно пути стока проанализированы все профили показал вогнутой конфигурации с обеих сторон подвергаются корни, которые были охарактеризованы. Это морфологическая шаблон заканчивается на определенном расстоянии (TD), от которой поверхность земли только формируется лист эрозии, таким образом, определение местоположения, где Ex должна быть измерена. Относительно выставленных корни, что запуск перпендикулярной к пути стока, наша процедура стало возможным для систематического определения высоты между верхней части корня и виртуальные плоскости, касательной к поверхности земли. Она также позволила поиска небольших воздействия осаждения и размыв эрозии и, следовательно, обеспечивая, что лист эрозии точно оценить.

Figure 9
Рисунок 9: пример мероприятий характеристика поверхности микротопографии земли, полученные от TLS и microtopographic профиль манометрическое. (A) отмывка модели с помощью профилей microtopographic и (B) растровых склонов, производных от модели отмывка; (C) отмывка модели полученные от TLS и (D) полученный растровый склонов. Склоны выражаются в шестидесятеричной степени. В участки B и D пунктирные линии указывают TD , при которой должна измеряться Ex . Этот показатель был изменен с Bodoque и др. 36 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Согласно уравнению, включенных в протокол 6 (рис. 10) были получены оценки темпы эрозии листа. Что касается 114 проанализированных проб год первый корень воздействия колеблется от 1900-2012, который позволяет средне-(мультидекадной) Характеристика темпы эрозии. Кроме того мы рассмотрели десять похоронены корни, которые по-прежнему защищены под тонким слоем почвы. Результаты показали, что погребенные корни начал анатомически реагировать эффекты воздействия, когда они были 2.3 1,1 см ниже поверхности земли (Рисунок 11). Мы рассматривали этот уровень конкретных почвы как значение добавляется к толщине почвы layereroded (E-x).

Figure 10
Рисунок 10: пример листа темпы эрозии оценкам от дендрогеоморфология. Граф связей темпы эрозии и лет воздействия корни подвергаются. Темпы эрозии внутри квадрата, которые используются для целей количественной оценки. Этот показатель был изменен с Bodoque и др. 21 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 11
Рисунок 11: пример анатомические ответа в разделах похоронены корневом. Темно серый круги шоу похоронен корни с экспозиции доказательств. Размер кругов показывает корень диаметром, тогда как цифры указывают глубины корня. Эта цифра была изменена от Бальестерос-Cánovas и др. 35 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Протокол развертывания демонстрирует ценность подробных и надлежащего характеристики поверхности микротопографии земли, как это позволяет измерять темпы эрозии доверия лист от дендрогеоморфология. Наш методологический подход фокусируется на важность характеризующих микротопографии в окрестностях воздействия корней для улучшения оценки темпы эрозии. Этот фактор игнорируются в ходе предыдущих исследований, что приводит к неправильному толкованию темпы эрозии почвы, производный от дендрогеоморфология34. Включение микротопографии позволяет темпы эрозии оценивается независимо от ориентации корень, который способствует воспроизводимости методы35. Приобретение микротопографии может производиться с использованием различных методов. Таким образом мы признаем, что различия между DEM производится из microtopographic профилей (шаг 5.2.1) и TLS (шаги 5.1.1 в 5.1.2). Несмотря на эти различия, иногда даже в порядок до 50% дисперсии меры36, мы подчеркиваем, что надежность нашего протокола, основанный на microtopographic профилей (шаг 5.2.1) сопоставима с достигнутый с TLS (~ мм).

Это исследование также показывает, что протокол, размещены здесь может использоваться в горных районах как альтернативный подход к TLS. Использование TLS в этом конкретном географическом контексте нецелесообразно ввиду размер и вес устройства, препятствующих его транспорт через недоступных районах. Применение критериев TD как указанием расстояния в которой поверхность земли не изменяется в результате осевого и радиального давления, оказываемого в корень37,38, или там, где нет седиментации (расчищенной от корень) или также иллюстрируется размыв эрозии (склону корня)35 (шаги 5.1.5 и 5.2.2). Мы определили, что этот частности расстояния должны быть использованы в будущей работе, включая определение на точку, при которой должна измеряться Ex .

Макроскопический и микроскопические наблюдения (шаги 4.1 и 4.2) необходимо расшифровать экологических сигнал в дерево кольцо записей. Только использование измерения ширины дерева кольцо не может быть достаточно, чтобы определить момент воздействия, поскольку анатомические изменения являются более чувствительным39 и даже могут быть произведены когда корень еще похоронен слой тонкий почвы30. Таким образом, существующие исследования показывают, что пород хвойных деревьев, используемых в настоящем документе (т.е., Pinus uncinata ветвистый Экс DC, Pinus pinaster МТА. и Pinus sylvestris) реагируют на воздействия с эксцентричной рост и значительное развитие latewood tracheids, которые совпадают с бывшим выводы других хвойных пород21,27,29,30. Реакции начала происходит, когда почва освещение корня снижается ниже 2.3 1.1 cmand поэтому согласен с замечанием из марли Бедленд во Франции, в котором анализ было сосредоточено на Pinus sylvestris и Pinusnigra30.

Первая реакция экспозиции переводится как реакция на повышение изменчивости температуры, а также стресса, обусловленного засухой, которая будет происходить более быстро в верхней части обломочным уровня сыпучих отложениях вблизи почвы поверхности29,30, 40,41. Это анатомические изменения могут также рассматриваться как предсказуемый ответ корня, чтобы уменьшить вероятность неблагополучных tracheids вследствие кавитации, вызванные развитием кристаллов льда в sap42, или даже мобильный эмболии, связанные с водные стресса43. Наши наблюдения, следовательно, проверить гипотезу Corona и др. 30 и также предложить, что предыдущие оценки, которые не считают этот уклон может недооценен темпы эрозии. В случае Fagus sylvatica L. мы можем подтвердить сходство в шаблоны и реакции между этого конкретного вида и других лиственных пород, обсуждаются в литературе26,28,29 .

Дендрогеоморфология имеет конкурентные преимущества, по сравнению с другими методами прямой оценки. Таким образом анализ, основанный на корни подвергаются позволяет быть амбициозными с точки зрения характеризующие эрозии почвы даже в масштабе бассейна, обеспечивая темпы эрозии представительной последних десятилетий. Напротив использование прямых методов, как Gerlach желобов2, вода коллекционеров3 или гидрометрические станции44, обычно ограничены до нескольких лет и для использования в hillslope масштабе, из-за высокой стоимости технического обслуживания и эксплуатации этих устройства21. Аналогичные мысли может также применяться к модели, направленные на оценку эрозии почвы45, так как они требуют датчиков, расположенных в поле разрешить их проверки и калибровки46. Что касается анализа эрозии почвы в отдыха тропы наш протокол гораздо более легко прикладной, чем стандартные протоколы, т.е., площадь поперечного сечения (CSA), переменная CSA, максимальный разрез на след или Топографическая обследований47, 48,49, особенно если тропа находится в горных районах. В этом конкретном географическом контексте, это вызов для использования протоколов выше вследствие тяжелого оборудования, необходимого, который трудно двигаться в таких средах. Это ограничение можно ограничить количество трансекты собраны и поэтому может повлиять на пространственно-временных оценки эрозии почвы50. Кроме того это вызов точно определить горизонтальное положение и гарантировать, что считается такой же высоты выше фиксированных точек, как ползучесть почвы, как правило, играть определенную роль в таких средах49.

Ограничения темпы эрозии, производный от дендрогеоморфология связаны с тем, что возраст корни подвергаются обычно ограничивается несколько десятилетий. Тем не менее это время окно обычно больше, чем определяется темпы эрозии, полученные из прямых методов. Кросс знакомства, основной принцип дендрохронологии, также оказалось трудно быть реализованы в корни, даже несмотря на то, что они относятся к же дерево51,52. Кроме того вероятно, будут затронуты ограничения аналогичны отметил документальные источники или подходы, основанные на радиоизотопов53согласованности на основе корня оценки темпов эрозии. Относительно выше, эрозии почвы будет следствием нелинейных ответ на осадки. Средняя эрозии, показатели, полученные от дендрогеоморфология может быть, таким образом, менее надежными, чтобы характеризовать эрозии почвы в районах, где этот процесс главным образом из-за нескольких дожди события, поскольку под это обстоятельство темпы эрозии может быть искажены55 . Кроме того, выборки большого корни подвергаются может привести к недооценке темпы эрозии поскольку доказано, что эрозии ставки и корень толщина имеет перевернутую пропорциональное отношение19.

Результаты, полученные из протокола, размещены здесь предлагают полезную информацию о деградации почв. В этом смысле дендрогеоморфология может помочь директивным органам разрабатывать долгосрочные планы управления, благодаря пространственно-временных представительности темпы эрозии, производные от корни подвергаются.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Исследовательские проекты, которые финансируются исследования были: Маркони (CGL2013-42728-R); Дендро Avenidas (CGL2007-62063); MAS дендро-Avenidas (CGL2010-19274) испанского министерства науки и техники и проекта идея-GESPPNN (OAPN 163/2010), которая финансировалась окружающей среды министерства Испании.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Topographic map, soil map, land cover map To be obtained from public institutions or generate at the first phase of research
Single ring infiltometer Turf-Tec International IN16-W http://www.turf-tec.com/IN16Lit.html
Handsaw There is noy any specific characteristics to be considered regarding the model
Measuring tape With accuracy of 1 mm
Terrestrial Laser Scanning (TLS) Leica-Geosystems Leica ScanStation P16 https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
Microtopographic Profile Gauge RS Online Facom, 19 https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
Sandpaper from 80 to 400 grit
Scanner EPSON Perfection V800 Photo https://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
Image analysis system Regent Instruments Inc. WinDENDRO http://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
Measuring table IML https://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
Sliding microtome Thermo Fisher SCIENTIFIC Microm HM 450-387760 http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
Optical microscope OLYMPUS MX63/MX63L https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
Digital camera for microscope OLYMPUS DP74 https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
Safranin Empirical Formula (Hill Notation) C20H19ClN4 
Astrablue Empirical Formula C47H52CuN14O6S3
Alcohol Alcohol by volume (50%, 75% and 100%)
Distilled water H2O
Citrus oil clearing agent https://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
Coated slides Thermo Fisher SCIENTIFIC https://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
Hardening epoxy MERCK https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es&region=ES

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proceedings of the National Academic of Sciences of the United States of America. 104 (33), 13268-13272 (2007).
  2. Novara, A., Gristina, L., Saladino, S. S., Santoro, A., Cerdà, A. Soil erosion assessment on tillage and alternative soil managements in a Sicilian vineyard. Soil & Tillage Research. 117, 140-147 (2011).
  3. Desir, G., Marín, C. Factors controlling the erosion rates in a semi-arid zone (Bardenas Reales, NE Spain). Catena. 71 (1), 31-40 (2007).
  4. Shi, Z., Wen, A., Zhang, X., Yan, D. Comparison of the soil losses from 7Be measurements and the monitoring data by erosion pins and runoff plots in the Three Gorges Reservoir region, China. Applied Radiation and Isotopes. 69 (10), 1343-1348 (2011).
  5. Sirvent, J., Desir, G., Gutierrez, M., Sancho, C., Benito, G. Erosion rates in badland areas recorded by collectors, erosion pins and profilometer techniques (Ebro Basin, NE-Spain). Geomorphology. 18 (2), 61-75 (1997).
  6. Flanagan, D., Ascough, J., Nearing, M., Laflen, J. The Water Erosion Prediction Project (WEPP) model. Landscape Erosion and Evolution Modelling. Harmon, R. S., Doe, W. W. III , Kluwer Academic. New York. 145-199 (2001).
  7. Alestalo, J. Dendrochronological interpretation of geomorphic processes. Fennia -International Journal of Geography. 105, 1-139 (1971).
  8. Cook, E. R., Kalriukstis, L. A. Methods of Dendrochronology. Methods of Dendrochronology. , 97-104 (1990).
  9. Pelfini, M. Dendrogeomorphological study of glacier fluctuations in the Italian Alps during the Little Ice Age. Annals of Glaciology. 28 (1639), 123-128 (1999).
  10. Malik, I., Matyja, M. Bank erosion history of a mountain stream determined by means of anatomical changes in exposed tree roots over the last 100 years (Bílá Opava River - Czech Republic). Geomorphology. 98 (1-2), 126-142 (2008).
  11. Stoffel, M., Bollschweiler, M., Butler, D., Luckman, B. Tree Rings and Natural Hazards: A State-of-the-art. , Springer. Berlin. (2010).
  12. Ballesteros, J. A., Bodoque, J. M., Díez-Herrero, A., Sanchez-Silva, M., Stoffel, M. Calibration of floodplain roughness and estimation of flood discharge based on tree-ring evidence and hydraulic modelling. Journal of Hydrology. 403 (1-2), 103-115 (2011).
  13. Procter, E., Stoffel, M., Schneuwly-Bollschweiler, M., Neumann, M. Exploring debris-flow history and process dynamics using an integrative approach on a dolomitic cone in western Austria. Earth Surface Processes and Landforms. 37 (9), 913-922 (2012).
  14. Corona, C., Saez, J. L., Stoffel, M., Rovéra, G., Edouard, J. L., Berger, F. Seven centuries of avalanche activity at Echalp (Queyras massif, southern French Alps) as inferred from tree rings. Holocene. 23 (2), 292-304 (2013).
  15. Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Can tree tilting be used for paleoflood discharge estimations? Journal of Hydrology. 529 (P2), 480-489 (2015).
  16. Šilhán, K. Dendrogeomorphic chronologies of landslides: Dating of true slide movements. Earth Surface Processes and Landforms. 42 (13), 2109-2118 (2017).
  17. Ballesteros Cánovas, J. A., et al. Gully evolution and geomorphic adjustments of badlands to reforestation. Scientific Reports. , (2017).
  18. Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Dendrogeomorphology in badlands: Methods, case studies and prospects. Catena. 106, 113-122 (2013).
  19. Stoffel, M., Corona, C., Ballesteros-Cánovas, J. A., Bodoque, J. M. Dating and quantification of erosion processes based on exposed roots. Earth-Science Reviews. 123, 18-34 (2013).
  20. Grissino-Mayer, H. D. An updated list of species used in tree-ring research. Tree-Ring Bulletin. 53, 17-43 (1993).
  21. Bodoque, J. M., Lucía, A., Ballesteros, J. A., Martín-Duque, J. F., Rubiales, J. M., Genova, M. Measuring medium-term sheet erosion in gullies from trees: A case study using dendrogeomorphological analysis of exposed pine roots in central Iberia. Geomorphology. 134 (3-4), 417-425 (2011).
  22. LaMarche, V. Rate of slope erosion in the White Mountains, California. Geological Scociety of America Bulletin. 72 (10), 1579-1580 (1961).
  23. LaMarche, V. C. Rates of Slope Degradation as Determined from Botanical Evidence White Mountains California Rates of Slope Degradation as Determined from Botanical Evidence White Mountains California. U.S. Geological Survey Professional Paper. 352 (1), 354-376 (1968).
  24. Bodoque, J. M., Dies-Herrero, A., Martin-Duque, J. F., Rubiales, J. M., Godfrey, A., Pedraza, J., Carrasco, R. M., Sanz, M. A. Sheet erosion rates determined by using dendrogeomorphological analysis of exposed tree roots: Two examples from Central Spain. Catena. 64 (1), 81-102 (2005).
  25. Carrara, P. E., Carroll, T. R. The determination of erosion rates from exposed tree roots in the piceance basin, colorado. Earth Surface Processes and Landforms. 4 (4), 307-317 (1979).
  26. Fayle, D. Radial Growth in Tree Roots - Distribution, Timing, Anatomy. , Toronto. (1968).
  27. Gärtner, H., Schweingruber, F., Dikau, R. Determination of erosion rates by analyzing structural changes in the growth pattern of ex- posed roots. Dendrochronologia. 19, 81-91 (2001).
  28. Hitz, O. M., Gärtner, H., Heinrich, I., Monbaron, M. Application of ash (Fraxinus excelsior L.) roots to determine erosion rates in mountain torrents. Catena. 72 (2), 248-258 (2008).
  29. Rubiales, J. M., Bodoque, J. M., Ballesteros, J. A., Diez-Herrero, A. Response of Pinus sylvestris roots to sheet-erosion exposure: An anatomical approach. Natural Hazards and Earth System Science. 8 (2), 223-231 (2008).
  30. Corona, C., Lopez Saez, J., Rovéra, G., Stoffel, M., Astrade, L., Berger, F. High resolution, quantitative reconstruction of erosion rates based on anatomical changes in exposed roots at Draix, Alpes de Haute-Provence - critical review of existing approaches and independent quality control of results. Geomorphology. 125 (3), 433-444 (2011).
  31. McAuliffe, J. R., Scuderi, L. A., McFadden, L. D. Tree-ring record of hillslope erosion and valley floor dynamics: Landscape responses to climate variation during the last 400 yr in the Colorado Plateau, northeastern Arizona. Global and Planetary Change. 50 (3-4), 184-201 (2006).
  32. Danzer, S. Rates of slope erosion determined from exposedroots of ponderosa pine at Rose Canyon Lake, Arizona. Tree Rings, Environment, and Humanity. Dean, J., Meko, D. M., Sewtnam, T. W. , Department of Geosciences, The University of Arizona, Tucson. 671-678 (1996).
  33. Gärtner, H. Tree roots - Methodological review and new development in dating and quantifying erosive processes. Geomorphology. 86 (3-4), 243-251 (2007).
  34. Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Lucía, A., Díez-Herrero, A., Martín-Duque, J. F. Source of error and uncertainty in sheet erosion rates estimated from dendrogeomorphology. Earth Surface Processes and Landforms. 40 (9), 1146-1157 (2015).
  35. Ballesteros-Cánovas, J. A., Corona, C., Stoffel, M., Lucia-Vela, A., Bodoque, J. M. Combining terrestrial laser scanning and root exposure to estimate erosion rates. Plant and Soil. 394 (1-2), 127-137 (2015).
  36. Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Rubiales, J. M., Perucha, M. Á, Nadal-Romero, E., Stoffel, M. Quantifying Soil Erosion from Hiking Trail in a Protected Natural Area in the Spanish Pyrenees. Land Degradation & Development. 28, 2255-2267 (2017).
  37. Misra, R., Dexter, A., Alston, A. Maximum axial and radial growth pressures of plant-roots. Plant and Soil. 95 (3), 315-326 (1996).
  38. Clark, L. J., Bengough, A. G., Whalley, W. R., Dexter, A. R., Barraclough, P. B. Maximum axial root growth pressure in pea seedlings: Effects of measurement techniques and cultivars. Plant and Soil. 209 (1), 101-109 (1999).
  39. Gärtner, H., Cherubini, P., Fonti, P., von Arx, G., Schneider, L., Nievergelt, D., Verstege, A., Bast, A., Schweingruber, F. H., Büntgen, U. A. A Technical Perspective in Modern Tree-ring Research - How to Overcome Dendroecological and Wood Anatomical Challenges. Journal of Visualized Experiments. (97), 1-10 (2015).
  40. Antonova, G., Stasova, V. Effects of environmental factors on wood formation in Scots pine stems. Trees. 7 (4), 214-219 (1993).
  41. Saez, J. L., Corona, C., Stoffe, M., Rovéra, G., Astrade, L., Berger, F. Mapping of erosion rates in marly badlands based on a coupling of anatomical changes in exposed roots with slope maps derived from LiDAR data. Earth Surface Processes and Landforms. 36 (9), 1162-1171 (2011).
  42. Zimmermann, M. Xylem Structure and the Ascent of Sap. , Springer Verlag. New York. (1983).
  43. Tyree, M., Sperry, J. Characterization and propagation of acoustic emission signals in woody plants: towards an improved acoustic emission counter. Plant, Cell and Environment. 12, 371-382 (1989).
  44. Zheng, M., Chen, X. Statistical determination of rainfall-runoff erosivity indices for single storms in the Chinese Loess Plateau. PLoS One. 10 (3), 1-18 (2015).
  45. Morgan, R. P., Quiton, J. N., Smith, R. E., Govers, G., Poesen, J. W., Auerswald, K., Chisci, G., Torri, D., Stycaen, M. E. The European Soil Erosion Model (Eurosem): a Dynamic Approach for Predicting Sediment Transport From. Earth Surface Processes and Landforms. 23, 527-544 (1998).
  46. Ciampalini, R., Follain, S., Le Bissonnais, Y. LandSoil: A model for analysing the impact of erosion on agricultural landscape evolution. Geomorphology. 175, 25-37 (2012).
  47. Hammitt, W., Cole, D. Wildland recreation: ecology and management. , Wiley. New York. (1998).
  48. Marion, J. L., Leung, Y. F., Nepal, S. K. Monitoring trail conditions: new methodological considerations. George Wright Society Forum. 23 (2), 36-49 (2006).
  49. Tomczyk, A. M., Ewertowski, M. W. Recreational trails in Poprad Landscape Park , Poland the spatial pattern of trail impacts and use-related, environmental and managerial factors. Journal of Maps. 12, 1227-1235 (2015).
  50. Jewell, M. C., Hammitt, W. E. Assessing soil erosion on trails: A comparison of techniques. Proceedings: Wilderness Science in a time of change Conference Volume 5: Wilderness Ecosystems, Threats, and Management (Proceedings RMRS-P-15-VOL-5). Cole, D. N., McCool, S. F., Borrie, W. T., O'Loughlin, J. , USDA FS, Rocky Mountain Research Station. Ogden. 133-140 (2000).
  51. Krause, C., Eckstein, D. Dendrochronology of roots. Dendrochronologia. 11, 9-23 (1993).
  52. Krause, C., Morin, H. Root growth and absent rings in mature black spruce and balsam fir, Quebec, Canada. Dendrochronologia. 16, 21-35 (1999).
  53. Poesen, J. Gully erosion and environmental change: importance and research needs. Catena. 50 (2-4), 91-133 (2003).
  54. Favis-Mortlock, D., Boardman, J. Nonlinear responses of soil erosion to climate change: a modelling study on the UK South Downs. Catena. 25 (1-4), 365-387 (1995).
  55. Boardman, J., Favis-mortlock, D. Frequency-magnitude distributions for soil erosion, runoff and rainfall - a comparative analysis. Zeitschrift für Geomorphologie. 115, 51-70 (1999).
  56. Haubrock, S. N., Kuhnert, M., Chabrillat, S., Güntner, A., Kaufmann, H. Spatiotemporal variations of soil surface roughness from in situ laser scanning. Catena. 79 (2), 128-139 (2009).

Tags

Науки об окружающей среде выпуск 143 эрозии почвы дендрогеоморфология подвергаются корни дерево кольцо земли микротопографии дерево анатомии
Лаборатория и поле Протокол для оценки темпы эрозии лист от дендрогеоморфология
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bodoque, J. M.,… More

Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Rubiales, J. M., Stoffel, M. Laboratory and Field Protocol for Estimating Sheet Erosion Rates from Dendrogeomorphology. J. Vis. Exp. (143), e57987, doi:10.3791/57987 (2019).

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