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Laboratorio y el protocolo de campo para estimar tasas de erosión de la hoja de Dendrogeomorphology

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/57987

Summary

Caracterización de la erosión de dendrogeomorphology se ha centrado generalmente en encontrar con precisión la hora de inicio de la exposición de la raíz, mediante el examen macroscópico o cambios en el nivel celular causaron por la exposición. Aquí, ofrecemos una descripción detallada de las diferentes técnicas novedosas para obtener tasas de erosión más precisas de datos de alta precisión microtopographic.

Abstract

Erosión laminar es uno de los conductores cruciales de la degradación del suelo. Erosión es controlada por factores ambientales y las actividades humanas, que a menudo conducen a graves impactos ambientales. La comprensión de la erosión laminar es, por consiguiente, un problema mundial con consecuencias para el medio ambiente y las economías. Sin embargo, el conocimiento sobre la evolución de la erosión en el espacio y el tiempo sigue siendo limitada, así como sus efectos sobre el medio ambiente. A continuación, explicamos que un nuevo protocolo dendrogeomorphological para derivar erosionado espesor de suelo (Ex) mediante la adquisición de datos precisa microtopographic con láser terrestre (TLS) y medidores de Perfil de microtopographic. Además, procedimientos estándar de dendrogeomorphic, dependientes de variaciones anatómicas en los anillos de la raíz, son utilizados para establecer el tiempo de exposición. Perfil TLS y microtopographic calibradores se utilizan para obtener crea superficie de tierra, de que Ex se calcula después la distancia umbral (TD), es decir, la distancia entre la raíz y el sedimento knickpoint, que permite delimitando el descenso de la superficie de la tierra causada por la erosión laminar. Para cada perfil, medimos la altura entre la parte superior de la raíz y un plano virtual tangencial a la superficie de la tierra. De esta forma, nos prepusimos evitar impactos en pequeña escala de la deformación del suelo, que puede ser debido a las presiones ejercidas por el sistema de raíz, o por el arreglo de las raíces expuestas. Esto puede provocar pequeñas cantidades de suelo sedimentación o erosión dependiendo de cómo físicamente afectan el escurrimiento superficial. Demostramos que una caracterización adecuada microtopographic de las raíces expuestas y su superficie asociada es muy valiosa para obtener tasas de erosión precisa. Este hallazgo podría utilizarse para desarrollar las mejores prácticas de gestión diseñadas para detener el tiempo o tal vez, al menos, disminuir la erosión del suelo, para que las políticas de gestión más sostenibles se pueden poner en práctica.

Introduction

Impactos económicos y ambientales producidos por la erosión laminar hace este tema en una preocupación mundial1. Varios métodos, de técnicas directas a los enfoques basados en el físico y empíricos, se utilizan para calcular las tasas de erosión de suelo en una variedad de escalas temporales y espaciales. Técnicas directas medidas de campo bajo condiciones naturales y se basan principalmente en el uso de Gerlach canales2, colectores de agua3, erosión de los pernos4 y rugosímetros5. Además, los modelos de erosión del suelo se han enfocado cada vez más en la representación en detalle de los procesos físicos reales responsables de la erosión6.

Dendrogeomorphology7 es una subdivisión de dendrocronología8 que tiene éxito en la caracterización de la frecuencia y magnitud de procesos geomorfológicos9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Con respecto a la erosión laminar, dendrogeomorphology se emplea generalmente para mejorar o reemplazar las metodologías mencionadas, particularmente en áreas donde las tasas de erosión derivadas de técnicas directas son escasos o de carácter. Dendrogeomorphology es un método muy flexible para la evaluación de la erosión del suelo y puede ser utilizado para calibrar los modelos empíricos y basados en la física, o tal vez como un dato de origen para mejorar la fiabilidad de la estimación directa técnicas18, 19. Dendrogeomorphology permite la erosión del suelo a establecerse en grandes áreas donde están disponibles las raíces expuestas. Estas raíces expuestas deben mostrar límites de anillos de árbol claro y responder a los patrones de crecimiento anual a ser considerado como óptimo para aplicar técnicas de dendrogeomorphological20. Raíces más, expuestas a ser muestreada deben estar ubicadas preferiblemente en unidades homogéneas basadas en su reacción al suelo erosión21.

La manera de dendrogeomorphical convencionales de estimación de la erosión laminar se basa en la medición en situ el espesor de suelo erosionado (Ex) desde el momento de la primera exposición a la actual de22,23, 24. La relación entre estas dos variables se utiliza para calcular un valor de erosión de mm∙yr1. Gran parte de las investigaciones realizadas hasta la fecha se ha centrado en identificar eficientemente el año inicial de la exposición. Como resultado, se analizan las modificaciones en la raíz debido a la exposición en el nivel macroscópico25o en el tejido y niveles celulares26,27,28. El principal cambio anatómico presente en las raíces expuestas de las coníferas es aumento de espesor de los anillos de crecimiento, como consecuencia de un número significativo de células dentro de la madera temprana (EW)26. Del mismo modo se ha encontrado un recorte dentro del área del lumen de traqueidas de EW con un espesor de pared de célula mayor estructura de madera tardía (LW) traqueidas24,27,29. Estas modificaciones han sido descritas y cuantificados como principio cuando la erosión disminuye la superficie del suelo sobre la raíz de aproximadamente tres cm30. Menos atención se concedió a la adecuada determinación del parámetro Ex . La edad de las raíces expuestas fue conectada típicamente con la altura del eje de centro de la raíz del crecimiento sobre el suelo superficial31,32. La estimación de Ex fue corregida en consecuencia considerando crecimiento secundario30,33. Más recientemente, estos enfoques metodológicos han integrado también la caracterización de la microtopografía del suelo para obtener las tasas de erosión confiable34,35,36.

Presentamos un protocolo de laboratorio y campo para la estimación más exacta y confiable hoja tasas de erosión de dendrogeomorphology. En este protocolo en particular, se examina la hipótesis de que todas las raíces expuestas, independientemente de la orientación con respecto a la ruta de la escorrentía y en combinación con el análisis de microtopographical, de muestreo permite tasas de erosión precisamente ser reconstruido y cuantificado. Por lo tanto, nuestro objetivo es proporcionar un protocolo para estimar las tasas de erosión de maximizar el tamaño de la muestra de las raíces expuestas, usando información macroscópica y microscópica encontrada en la serie de anillos de árboles de crecimiento y también datos topográficos de alta resolución.

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Protocol

1. estrategia de muestreo de

  1. Identificación de procesos geomorfológicos
    1. Implementar las unidades de respuesta hidrológica acercarse (HRU)21. Para ello, identificar áreas homogéneas dentro del sitio de estudio, que comprende depósitos de litología y superficie, cobertura del dosel, residuo vegetal en contacto con la superficie del suelo y pendiente. Seleccione entre las HRUs aquellos en los que predomina el proceso de erosión de la hoja.

Figure 1
Figura 1: ejemplo de HRUs asociada a una quebrada arena. En relación con el protocolo propuesto, el muestreo de raíces expuestas debe ser realizado en una dependencia en la que el proceso erosivo eficaz es erosión laminar (en esta leyenda de la figura correspondiente a la arena expuesta con pendientes moderadas). Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 21 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Muestreo de raíces expuestas
    1. Buscar en las raíces de sitio expuesto de estudio correspondientes a especies de árboles útiles para la datación (preferiblemente coníferas)20anillos de árboles.
    2. Proporcionar una descripción detallada de las características espaciales y morfológicas de los alrededores de las raíces expuestas a ser muestreado. Recopile la siguiente información: ubicación geográfica (coordenadas UTM); altitud; aspecto en grados sexagesimales, la ladera y la ubicación de la raíz en particular (aspectos locales); distancia de la sección de la raíz para el tronco del árbol; pendiente de la ladera y la pendiente de la ubicación de la raíz específica (ambas expresadas en grados); orientación de la raíz expuesta con respecto a la ruta de la escorrentía.
    3. Tomar una muestra de suelo de aproximadamente 1 kg de la zona que rodea cada raíz expuesta. Los parámetros que la caracterizan son textura, porcentaje de materia orgánica, estructura de suelo.
    4. Medir en situ conductividad hidráulica usando un infiltrómetro de anillo simple debajo de cabeza constante.
      Nota: Aplicar los pasos 1.2.2 y 1.2.3 para caracterizar la erosionabilidad del suelo.
    5. Localizar las raíces expuestas que son más de 1,5 m del tronco. A menor distancias podría relacionarse con la exposición al crecimiento del árbol.
    6. Cortar con un serrucho las raíces expuestas por lo menos 30, con un diámetro superior a 5 cm, 15 cm de largo secciones. Posteriormente, tomar dos rebanadas de aproximadamente 1,5 cm de espesor.
    7. Mediante el uso de una paleta de medición, un serrucho y una cinta métrica, muestra un subconjunto de las raíces enterradas (por lo menos un tercio de las raíces expuestas total muestreadas) a profundidades diferentes (máximo 20 cm) para establecer el espesor de suelo mínimo a continuación que las raíces comienzan a tener un respuesta anatómica debido a la exposición.

Figure 2
Figura 2: ejemplo de cómo llevar a cabo el muestreo de campo. Las raíces expuestas por lo menos 30 son seleccionadas y, posteriormente, cortar con una sierra de mano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Microtopographic caracterización de la superficie de la tierra y las raíces expuestas en lugares de fácil acceso

  1. Utilizar un dispositivo de escaneo láser terrestre que puede medir hasta 50.000 puntos por segundo con una precisión de 1 mm a una distancia de escaneo de < 120 m.
  2. Considerar al menos dos diferentes lugares convencionales de TLS para evitar zonas de sombra.
  3. Combinar las diferentes localidades utilizando un mínimo de cuatro alta definición topografía (HDS) objetivos para cubrir el área entera.
  4. Para obtener datos topográficos de alta precisión, escanear un área promedio de 300 cm2 de los lugares seleccionados con una resolución espacial de 1 mm. incluir las raíces expuestas y el área circundante que es representativa de la superficie de la tierra.

3. Microtopographic caracterización de la superficie de la tierra y las raíces expuestas, en lugares con terrenos difíciles y escarpados (entornos de montaña)

  1. Coloque un medidor de Perfil de microtopographic perpendicular a la raíz expuesta y, posteriormente, nivel horizontal para todas las mediciones de tal manera que se pueden comparar diferentes conjuntos de datos.
  2. Dibujar el perfil obtenido en el paso 3.1 en papel milimetrado para poder inferir la cantidad de suelo erosionado a lo largo del perfil con precisión submilimétrica.

Figure 3
Figura 3: ejemplo de caracterización de la microtopografía del suelo usando un medidor de Perfil de microtopographic. (A) ilustración de raíces expuestas como observados a lo largo de un sendero; (B) las mediciones de la microtopografía del suelo usando un perfil microtopographic de calibre; (C) estimación de Ex a través de la adquisición de microtopographic crea por el dibujo en un papel cuadriculado para permitir la inferencia de la cantidad de suelo erosionado a lo largo del perfil y con precisión submilimétrica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

4. determinación de los tiempos de exposición de la raíz

  1. Análisis macroscópico
    1. Secar las secciones obtenidas en el paso 1.2.6 durante 2 meses.
    2. Obtener de los dos sectores secciones iniciales que cada aproximadamente 2 cm de grosor.
    3. Lijar y pulir los trozos con papel de lija (grano hasta 400) para facilitar el reconocimiento de anillos de crecimiento.
    4. La exploración rebanadas en una resolución mínima de 2.800 dpi para que pueden ser analizados con precisión incluso cuando los anillos son particularmente finos.
    5. Utilizar el incremento en el porcentaje de madera tardía y mayor ancho de anillos de crecimiento como indicadores de estrés inducido por la exposición.
    6. Marcar al menos 4-5 radios a lo largo de los diámetros de los sectores que muestran mayor variabilidad en anchos de anillos de crecimiento.
    7. Utilice un sistema de análisis de imagen o una tabla de medición para medir el ancho de anillos de árboles.
    8. Aplicar procedimientos de datación cruzada visuales mediante la comparación de variabilidad en anchos de anillos de crecimiento entre los diferentes radios, tanto mejorar la precisión de la datación para el primer año de exposición a la erosión del suelo y a la fecha posterior anillos correctamente y reconocer la presencia múltiples o los anillos discontinuos.

Figure 4
Figura 4: ejemplo de cómo preparar una sección de una raíz expuesta para llevar a cabo la datación dendrocronológica de serie de anillos de crecimiento. En cada sección, cuatro o cinco radios están marcadas a lo largo de las direcciones que muestran la mayor variabilidad en cuanto a anchura de anillos de árboles. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Análisis microscópico
    1. Para ambas muestras de raíz expuesta y no expuesta, utilizar un micrótomo de deslizamiento para obtener secciones radiales de aproximadamente 1 cm de ancho y 20 micras de espesor.
    2. Secciones transversales con safranina (es decir, 1 g de safranina + 50 g de agua + 50 g de etanol al 96%) de la mancha y deshidrate con solución de etanol-agua cada vez más rico hasta 96% de etanol (por ejemplo, 50% y el 96% etanol) hasta el etanol salga limpia. Tomar las muestras en Xilol o un claro a agente (por ejemplo, Histoclear) de aceite de limón.
    3. Cortes transversales de montaje en portaobjetos recubiertos, cubierta antideslizante con un epoxi de endurecimiento (por ejemplo, utilizar Eukitt, Canadá bálsamo y seco a temperatura ambiente (es decir, unos 5-8 h para utilizar Eukitt, por lo menos 24 h en bálsamo de Canadá).
    4. Observar (bajo 125 aumentos) y fotografiar las muestras con un sistema de imagen digital en microscopía óptica.
    5. Comparar con un microscopio óptico la huella anatómica de ambas expuestos y no expuestos raíz muestras (pasos 1.2.5 y 1.2.6).
    6. Tomar medidas microscópicas usando un analizador de imagen en las fotografías digitales de los siguientes parámetros: a) ancho del anillo de crecimiento; b) número de células por anillo; c) porcentaje de madera tardía; y d) área de luz en madera temprana.
    7. Prueba con el analizador de imagen (paso 4.2.6) la ocurrencia de conductos de resina y tomar medidas para cada anillo de crecimiento.
    8. Realizar un análisis unidireccional ANOVA con las pruebas de rango múltiple (método: 95% LSD – menor diferencia significativa) para las variables anatómicas consideradas (paso 4.2.6) verificar la existencia de diferencias estadísticamente significativas entre los dos grupos de mediciones (raíces vs previamente expuestos expuestos).

5. estimación del espesor de la capa de suelo erosionado desde la exposición inicial (Ex)

  1. Escenario 1: expone las raíces que corren paralelas a la ruta de la escorrentía.
    1. Basándose en los datos obtenidos en el paso 2.4, usar inverso de la distancia de la carga como el método de interpolación para obtener modelos de alta precisión digital de elevación (DEMs) con una resolución espacial de 3 mm.
    2. Utilizar herramientas GIS para extraer de los perfiles perpendiculares del DEM de la raíz expuesta con una distancia aproximada de 150 cm.
    3. Realice los pasos 5.1.1 y 5.1.2 en lugares de fácil acceso (paso 2).
    4. Utilice los perfiles perpendiculares de la raíz expuesta obtenida en el paso 3.2 cuando el sitio de estudio se localiza en áreas donde el terreno es escarpado y difícil (entornos de montaña) (paso 3).
    5. En los perfiles obtenidos en los pasos 5.1.2 y 5.1.3 usa interpretación visual para situar la distancia umbral (TD), definida como la distancia entre la raíz y el knickpoint en la superficie de la tierra. Esto establece la reducción de la superficie de la tierra para los perfiles debido a la erosión laminar.
    6. Estimar el espesor de la capa de suelo erosionado, midiendo la altura entre la parte superior de la raíz y el knickpoint en la superficie del suelo estimada en el paso 5.1.5.
    7. Corregir la medición obtenida en el paso 5.1.6 restando el crecimiento secundario (es decir, crecimiento de la raíz desde el año de exposición) y el grosor de la corteza en la parte superior e inferior de la raíz. Véase Corona et al. 30 para una descripción detallada.

Figure 5
Figura 5: Ejemplo es ilustrar cómo hacer TD cuando las raíces expuestas muestreadas están orientadas según la vía de escurrimiento. Esta cifra muestra un perfil transversal común de microtopographic de raíz al descubierto y sus alrededores inmediatos. Ex1 es la ubicación aplicada al enfoque tradicional de dendrogeomorphical para determinar el espesor de suelo erosionado; Ex2 pertenece a la posición donde este parámetro debe evaluarse. TD es tomado como una posición de guía de que se cambia la superficie del terreno por erosión laminar sólo. Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 34 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Escenario 2: expone las raíces que corren perpendiculares a la trayectoria de escurrimiento
    1. Implementar pasos 5.1.1 a 5.1.4 fijados en el paso 5.1.
    2. Usando la calculadora raster disponible en cualquier software del sistema de información geográfica (SIG), para cada medida de perfil perpendicular la altura entre la parte superior de la raíz y la superficie del terreno haciendo referencia a la knickpoint en la superficie de la tierra. En este punto las medidas de Ex no están influenciadas por sedimentación o erosión del fregado y, por lo tanto, es posible medir la erosión del suelo.
    3. Corregir la medición obtenida en el paso 5.2.2 usando el procedimiento en el paso 5.1.7.

Figure 6
Figura 6: ejemplo dibujo cómo proceder cuando las raíces expuestas muestreadas están orientadas según la perpendicular en el reinado de escurrimiento Esta figura muestra una vista esquemática de un perfil de superficie de suelo relacionado con una raíz expuesta perpendicular sobre la vía de escurrimiento. Espesor de suelo erosionado (Ex) se cuantifica en el knickpoint coincidiendo a procesos de erosión sedimentación y socavación que prevalece cerca de la raíz. Esta figura ha sido modificada desde Ballesteros-Cánovas et al. 35 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

6. hoja estimación de tasa de erosión

  1. Dependiendo de las características mecánicas del suelo del sitio de estudio, se aplica la ecuación 1 (es decir, presume que la presión de crecimiento radial ejercida por la raíz es menor que la resistencia al corte del suelo), o ecuación 2 (es decir, supone la estabilidad de la eje de la raíz a través del tiempo)30:
    Equation 1(1)
    Equation 2(2)
    Donde:
    ER (mm∙yr-1), es la tasa de erosión de la hoja a estimar.
    EX (mm), es el espesor de la capa de suelo erosionado desde la exposición inicial. Esto se consigue realizando pasos 5.1.1 a 5.2.3.
    Gr1 y r2de la G(mm) representan el crecimiento secundario (posterior) en la parte de arriba-abajo de la raíz después de la exposición. Se obtiene después de realizar paso 5.1.7.
    B1 y B2 (mm) son el grosor de la corteza en la parte superior e inferior de la raíz. Se obtiene con el procedimiento en el paso 5.1.7.
    Ε (mm), se define como la profundidad mínima del suelo por debajo de la raíz que empieza a cambiar su configuración anatómica.
    Nº deex (año), es el número de anillos de árboles desarrollada después del año de la exposición. Se obtiene utilizando pasos 4.1.1 a 4.2.8.

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Representative Results

Muestras de raíces expuestas sufren grave deterioro cambial debido al impacto de la exposición (por ejemplo, modificaciones en la temperatura, la incidencia de la luz) y el estrés físico, debido al pisoteo por los excursionistas o animales de pastoreo y viendo que las raíces sufrir después de que se exponían. Determinar la existencia de anillos discontinuos, así como fechar exactamente el primer año de respuesta a la exposición se realizó en el laboratorio como en protocolo 4 (pasos 4.1.6 a 4.1.8). Elegimos el aumento del porcentaje de madera tardía y la presencia de anillos de árboles perceptiblemente más ancha que la media como indicadores de la primera exposición.

114 secciones de expusieron Pinus uncinata Ramond ex DC, Fagus sylvatica L., Pinus pinaster Ait. y para ello se utilizaron raíces de Pinus sylvestris . Como resultado de la muerte del cambium en la parte superior de la raíz, encontramos graves cambios en el patrón de crecimiento de anillos de árboles, que pasó de concéntrico a crecimiento excéntrico (figura 7), así como anillos discontinuos de los árboles o incluso algunos que habían sido completamente destruido en los aros exteriores de árbol. Lo anterior sugiere que el enfoque que hemos implementado logró determinar con bastante exactitud la edad de las raíces y el año en que se formó el primer anillo de la exposición.

Figure 7
Figura 7: ejemplos de anillo excéntrico del árbol patrón en raíces debido a la exposición. Esta figura muestra una vista de una sección pulida de una raíz en la ausencia de cicatrices (A) y con cicatrices (B). En ambos casos, es posible observar el patrón de anillos de árboles excéntricos como clara reacción a la erosión del suelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Se realizó un experimento de laboratorio como en el protocolo 4 (pasos de 4.2.1 a 4.2.8) para determinar cómo las raíces anatómicamente responden a la exposición. Para ello, se utilizó la misma muestra de las raíces expuestas se describe anteriormente. Las muestras fueron examinadas bajo microscopía óptica y fotografiadas con un sistema de imagen digital. Se analizaron imágenes microscópicas aumento × 50 con una exactitud de 1 μm en las mediciones. La primera vez de la exposición puede verse en los cambios anatómicos característicos. Anillos de los árboles muestran evidente crecimiento (particularmente reconocible en dos o tres anillos sucesivos), que es como consecuencia de un aumento en su tamaño y número de traqueaba. También fue notable un aumento en el número de buques. Conductos de resina generalmente aparecen en filas tangenciales de la madera temprana. Madera tardía es fácilmente observable ya que tiene varias filas de traqueidas de pared gruesa. También ocurre una disminución significativa en el lumen traqueaba de madera temprana una vez que se expone la raíz. Con respecto a la huella anatómica de las raíces enterradas diez muestreada, los resultados indican que este grupo muestra comienza a reaccionar según el comportamiento descrito anteriormente cuando la cubierta edáfica inferiores a 3 cm (figura 8).

Figure 8
Figura 8: ejemplo de respuesta anatómica de las raíces a la exposición. Anatomía de Pinus uncinata Ramond ex DC raíces de madera: (A) anatomía de raíces enterradas (200 μm); (B) anatomía de la madera expuesta (500 μm). Madera anatomía de raíces de Fagus sylvatica L.: Anatomía (C) de una raíz enterrada (500 μm); (D) anatomía de la madera expuesta (500 μm). Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 36 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Caracterización de la variabilidad de la microtopografía superficial juega un papel fundamental en la obtención de tasas de erosión confiable hoja derivadas de dendrogeomorphology (figura 9). Para ello, hemos diseñado un experimental y experimento de campo para capturar perfiles superficiales de alta precisión microtopographic a analizar utilizando protocolo 5 en 114 muestras de raíces expuestas. Se utilizó la distancia entre la raíz y el knickpoint, de los cuales el perfil define la reducción de la superficie de la tierra debido a la erosión de la hoja como un criterio para estimar el espesor de la capa de suelo erosionado desde la exposición inicial (Ex). En cuanto a las raíces expuestas muestras paralela a la ruta de salida, todos los perfiles analizados mostraron una configuración cóncava en ambos lados de las raíces expuestas que fueron caracterizadas. Este patrón morfológico se termina a una distancia específica (TD), de que superficie se forma sólo por erosión laminar, para determinar, por lo tanto, el lugar donde Ex tiene que ser medido. En cuanto a las raíces expuestas que perpendicular a la trayectoria de escurrimiento, nuestro procedimiento ha permitido determinar sistemáticamente la altura entre la parte superior de la raíz y un plano virtual tangencial a la superficie de la tierra. También permite localizar pequeños impactos de erosión sedimentación y socavación y, por lo tanto, garantizar que con precisión se estima la erosión laminar.

Figure 9
Figura 9: ejemplo de salidas de planta superficie microtopografía caracterización de TLS y un perfil de microtopographic calibre. (A) modelo sombreado conseguido utilizando perfiles de microtopographic y (B) raster de pendientes derivadas del modelo de sombreado; (C) sombreado modelo obtenido de TLS y (D) raster resultante de las pendientes. Pendientes se expresan en grados sexagesimales. En las parcelas B y D, las líneas punteadas indican el TD en la que se medirá Ex . Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 36 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Se han obtenido estimaciones de tasas de erosión de la hoja según la ecuación incluida en Protocolo 6 (figura 10). En cuanto a las 114 muestras analizadas, el año de la primera exposición de la raíz fluctúa desde 1900-2012, que permite la caracterización de mediano plazo (espacial) de las tasas de erosión. Además, se analizaron diez raíces enterradas, que aún estaban protegidas por una capa de suelo fino. Los resultados mostraron que las raíces enterradas comenzaron a responder anatómicamente a los efectos de la exposición cuando eran 2.3 1,1 cm por debajo de la superficie de la tierra (figura 11). Considera este nivel suelo específico como un valor agregado al grueso de la layereroded del suelo (Ex).

Figure 10
Figura 10: ejemplo de las tasas de erosión de la hoja de calcula de dendrogeomorphology. Ver enlace a tasas de erosión y años de exposición de las raíces expuestas. Tasas de erosión dentro de la plaza son los utilizados para propósitos de cuantificación. Esta figura ha sido modificada de Bodoque et al. 21 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 11
Figura 11: ejemplo de respuesta anatómica en secciones raíz enterrado. Mostrar círculos grises oscuros enterrados raíces con evidencia de exposición. El tamaño de los círculos indica diámetro de la raíz, mientras que los números indican la profundidad de la raíz. Esta figura ha sido modificada desde Ballesteros-Cánovas et al. 35 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El protocolo implementado demuestra el valor de caracterización detallada y adecuada de la microtopografía superficial de la tierra, ya que permite medir tasas de erosión de la confianza de hoja de dendrogeomorphology. Nuestro enfoque metodológico se centra en la importancia de caracterizar la microtopografía de los alrededores de las raíces de la exposición para mejorar la estimación de la tasa de erosión. Este factor ha sido ignorado en gran parte en estudios anteriores, lo que resulta en una mala interpretación de las tasas de erosión de suelo derivado de dendrogeomorphology34. La inclusión de microtopografía permite tasas de erosión a estimarse independientemente de la orientación de la raíz, que favorece la replicabilidad de métodos, de la35. La adquisición de microtopografía puede realizarse utilizando diferentes técnicas. Por lo tanto, reconocemos diferencias entre el DEM producido a partir de perfiles microtopographic (paso 5.2.1) y TLS (pasos 5.1.1 a 5.1.2). A pesar de estas diferencias que a veces incluso dentro del orden de hasta un 50% de la varianza de la medidas36, destacamos que la fiabilidad de nuestro protocolo en base a perfiles microtopographic (paso 5.2.1) es comparable a la conseguida con TLS (~ mm).

Este estudio también demuestra que el protocolo implementado aquí puede utilizarse en zonas montañosas como un enfoque alternativo para TLS. El uso de TLS en este contexto geográfico específico no es práctico debido al tamaño y peso del dispositivo, que dificultan su transporte a través de zonas inaccesibles. La aplicación de los criterios de la TD como una indicación de la distancia en que superficie de la tierra no está cambiando como resultado de presiones axiales y radiales la raíz37,38, o donde no hay ninguna sedimentación (ascendente de la raíz) o socavación erosión (inclinación hacia abajo de la raíz)35 se ilustra así (pasos 5.1.5 y 5.2.2). Se determinó que esta distancia particular debe ser utilizada en futuros trabajos que impliquen la definición en el punto en el que se medirá Ex .

Observaciones macroscópicas y microscópicas (pasos 4.1 y 4.2) son esenciales para descifrar la señal ambiental en los registros de anillos de árboles. El único uso de las medidas de ancho de anillos de árboles no sería suficiente para determinar el momento de la exposición, ya que cambios anatómicos son más sensibles39 y podrían producirse incluso cuando la raíz todavía están enterrados por un capa delgada suelo de30. Así, los estudios existentes sugieren que la especie de conífera utilizada en este trabajo (es decir, Pinus uncinata Ramond ex DC, Pinus pinaster Ait. y Pinus sylvestris) reaccionan a la exposición con crecimiento excéntrico y un importante desarrollo de traqueidas de la madera tardía, que es congruente con los resultados anteriores en otras coníferas especies21,27,29,30. Reacciones comienzo ocurre cuando la cobertura del suelo de la raíz disminuye por debajo de 2,3 1,1 cmand por lo tanto está de acuerdo con la observación de marly badlands en Francia en el que el análisis se centró en Pinus sylvestris y Pinusnigra30.

La primera reacción de exposición se traduce como una reacción al aumentar la variabilidad de la temperatura, así como estrés de sequía que va a ocurrir más rápidamente en la parte superior del nivel detrítico de sedimentos sueltos cerca de la tierra superficie29,30, 40,41. Esta modificación anatómica puede verse también como una respuesta predecible de la raíz para disminuir la posibilidad de traqueidas disfuncionales debido a la cavitación, provocado por el desarrollo de cristales de hielo en el sap42, o incluso debido a la embolia móvil asociado estrés de agua43. Nuestras observaciones, por lo tanto, verificar la hipótesis de Corona et al. 30 y también propone que las evaluaciones previas que no tuvo en cuenta este sesgo podrían han subvaluado tasas de erosión. En el caso de Fagus sylvatica L., podemos confirmar las similitudes en los patrones y las reacciones entre esta especie y otras especies caducifolias, discutidos en la literatura26,28,29 .

Dendrogeomorphology tiene ventajas competitivas en comparación con otros métodos de estimación directa. Por lo tanto, el análisis basado en las raíces expuestas permite para ser ambiciosos en cuanto a la caracterización de la erosión del suelo en la escala de la cuenca, proporcionando tasas de erosión representativos de las últimas décadas. En contraste, el uso de métodos directos, como canales2Gerlach, colectores de agua3 o estaciones hidrométricas44, se limita generalmente a un par de años y el uso a escala de ladera, debido a los altos costos de mantenimiento y operación de estos dispositivos21. Pensamiento similar podría aplicarse también a modelos de estimación de erosión de suelo45, ya que requieren indicadores ubicados en el campo para permitir su validación y calibración de46. En cuanto al análisis de la erosión del suelo en senderos de recreación, nuestro protocolo es mucho más fácil aplicada de protocolos estándar, es decir, área de sección transversal (CSA), variable de CSA, incisión máxima al sendero o topográfico47, 48,49, particularmente si el camino está situado en las zonas montañosas. En este contexto geográfico particular, es un desafío a usar los protocolos por encima de debido a la maquinaria pesada necesaria, que es difícil moverse en estos entornos. Esta limitación puede restringir el número de transectos recogidos y, en consecuencia, puede afectar estimaciones espaciotemporal de suelo erosión50. Además, es un desafío para determinar la posición horizontal y garantizar que se considera la misma altura por encima de los puntos fijos, como arrastramiento del suelo tiende a desempeñar un papel en tales ambientes49exactamente.

Las limitaciones de las tasas de erosión derivadas de dendrogeomorphology están relacionados con el hecho de que la edad de las raíces expuestas se limita generalmente a unas pocas décadas. Sin embargo, esta ventana de tiempo es generalmente más grande que el que está definido por las tasas de erosión obtenidas de técnicas directas. Cruz-citas, el principio básico de la dendrocronología, también ha probado difícil de implementarse en las raíces, aunque pertenecen al mismo árbol51,52. Además, la consistencia de la estimación basada en la raíz de las tasas de erosión es probable ser afectado por restricciones similares a las mencionadas fuentes documentales o aproximaciones basadas en radioisótopos53. Con respecto a lo anterior, la erosión del suelo es una consecuencia de una respuesta no lineal en las precipitaciones. Promedio de erosión tasas de dendrogeomorphology pueden ser, por lo tanto, menos confiables para caracterizar la erosión del suelo en áreas donde este proceso se debe principalmente a unos eventos de fuertes lluvias, puesto que bajo esta tasas de erosión de la circunstancia podría ser sesgada55 . Además, el muestreo de raíces expuestas grandes puede llevar a subestimar las tasas de erosión ya que se ha demostrado que la erosión tarifas y raíz grueso tiene una relación proporcional inversa19.

Los resultados del protocolo desplegado aquí ofrecen información útil sobre la degradación del suelo. En ese sentido, dendrogeomorphology puede ayudar a los tomadores de decisión para el diseño de planes de gestión a largo plazo, debido a la representatividad espacio-temporal de las tasas de erosión derivada de las raíces expuestas.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los proyectos de investigación que financió esta investigación fueron: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) del Ministerio de ciencia y tecnología y el proyecto IDEA-GESPPNN (OAPN 163/2010), que fue financiado por el Ministerio medio ambiente de España.

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

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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).

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Laboratorio y el protocolo de campo para estimar tasas de erosión de la hoja de Dendrogeomorphology
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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).

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