Waiting
Login processing...

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

Environment

Laboratory og felt protokollen for beregning ark erosjon priser fra Dendrogeomorphology

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

Karakterisere erosjon fra dendrogeomorphology har vanligvis fokusert på nøyaktig finne starttidspunktet for rot eksponering, ved å undersøke makroskopisk eller cellen endringer forårsaket av eksponering. Her tilbys en detaljert beskrivelse av forskjellige romanen teknikker for å få mer presise erosjon priser fra svært nøyaktig microtopographic data.

Abstract

Ark erosjon er blant viktige drivere av jordforringelse. Erosjon styres av miljømessige faktorer og menneskelige aktiviteter, som ofte fører til alvorlige miljøpåvirkninger. Forståelsen av ark erosjon er derfor et verdensomspennende problem med implikasjoner for både miljø og økonomi. Men er kunnskap om hvordan erosjon utvikler seg i tid og rom fortsatt begrenset, så vel som dens effekter på miljøet. Nedenfor forklarer vi en ny dendrogeomorphological-protokoll for deriving erodert jord tykkelse (Ex) av nøyaktig microtopographic henter hjelp terrestriske laserskanning (TLS) og microtopographic profil målere. I tillegg benyttes standard dendrogeomorphic prosedyrer, avhengig av anatomiske varianter i roten ringer, for å etablere tidspunktet for eksponering. Både TLS og microtopographic profil målere brukes til å få bakken overflate profiles, som anslås Ex etter terskelen avstanden (TD) bestemmes, dvs. avstanden mellom roten og sediment knickpoint, som lar defining senking av bakken overflaten skyldes ark erosjon. For hver profil målt vi høyden mellom dekket av roten og virtuelle flyet tangential til bakken overflaten. På denne måten skal vi unngå småskala virkningene av jord deformasjon, som kan skyldes presset som utøves rotsystem eller ordningen med synlige røtter. Dette kan provosere små mengder jord sedimentering eller erosjon avhengig av hvordan de påvirker fysisk overflaten avrenning. Viser vi at et tilstrekkelig microtopographic karakterisering av synlige røtter og deres tilhørende bakken overflate er svært verdifullt å få nøyaktig erosjon priser. Dette funnet kan benyttes for å utvikle de beste ledelse praksis utformet å til slutt stoppe eller kanskje, i det minste redusere jorderosjon, slik at mer bærekraftig policyer for informasjonsbehandling kan settes i praksis.

Introduction

Både økonomiske og miljømessige virkninger produsert av ark erosjon gjør dette emnet i en verdensomspennende bekymring1. Flere metoder, fra direkte teknikker til fysisk-basert og empiriske tilnærminger, brukes til å beregne jord erosjon priser på en rekke timelige og romlig skalaer. Direkte teknikker bruke feltet målinger under naturlige forhold og er hovedsakelig basert på bruk av Gerlach trau2, vann samlere3, erosjon pinnene4 og profilometers5. Videre har modeller av jorderosjon blitt stadig mer fokusert på representerer i detalj reelle fysiske prosessene ansvarlig for erosjon6.

Dendrogeomorphology7 er en dendrochronology8 at det er vellykket i karakteriserer frekvens og omfanget av geomorphic prosesser9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Om ark erosjon, dendrogeomorphology er vanligvis ansatt forbedre eller erstatte metodikkene som er nevnt ovenfor, særlig i områder hvor erosjon priser fra direkte teknikker er mangelvare eller utilgjengelig. Dendrogeomorphology er en svært fleksibel metode for å vurdere jorderosjon og kan benyttes for å kalibrere fysisk-basert og empirisk modeller, eller kanskje som en kilde for å forbedre påliteligheten av direkte estimering teknikker18, 19. Dendrogeomorphology gjør jorderosjon etableres over store områder der synlige røtter er tilgjengelige. Disse synlige røtter bør vise klare tre ringer grenser og svare på årlig vekst mønstrene skal anses som optimal gjelder dendrogeomorphological teknikker20. Videre, synlige røtter som skal avsøkes bør fortrinnsvis plasseres i homogene enheter basert på deres reaksjon jord erosjon21.

Den konvensjonelle dendrogeomorphical måten å estimere ark erosjon er jordet på måling i situ eroderte jord tykkelsen (Ex) fra tidspunktet for den nåværende22,23, første eksponering 24. Forholdet mellom disse to variabler benyttes for å beregne en verdi for erosjon i mm∙yr1. Mye av forskning utført hittil har fokusert utelukkende på effektivt identifisere første året for eksponering. Som et resultat analyseres endringer i roten på grunn av eksponering på makroskopisk nivå25eller vev og mobilnettet nivå26,27,28. Viktigste anatomiske endring i utsatt røttene av bartre øker veksten ringen tykkelse av et betydelig antall celler innenfor earlywood (EW)26. En nedskjæring er tilsvarende funnet innenfor den lumen EW tracheids sammen med en økt celleveggen struktur tykkelsen på latewood (LW) tracheids24,27,29. Disse endringene er beskrevet og kvantifisert som begynnelsen når erosjon senker bakken overflaten over roten til omtrent tre cm30. Mindre oppmerksomhet ble gitt til tilstrekkelig bestemmelse av parameteren Ex . I en alder av synlige røtter var vanligvis forbundet med høyden på rotens senteret på aksen av vekst over bakken overflaten31,32. Estimering av Ex ble følgelig rettet vurderer pågående sekundære vekst30,33. Flere nylig, disse metodologiske tilnærmingsmåter har også integrert karakterisering av jord microtopography å få pålitelig erosjon priser34,35,36.

Vi presenterer en laboratory og felt protokoll for å anslå mer nøyaktig og pålitelig ark erosjon priser fra dendrogeomorphology. I dette bestemte protokollen undersøker vi hypotesen at prøvetaking alle synlige røtter, uansett retning i forhold til avrenning banen og i forbindelse med microtopographical analyse, kan erosjon priser nettopp rekonstruert og kvantifisert. Vårt mål er derfor å gi en protokoll for å beregne erosjon priser fra maksimere for synlige røtter, bruker makroskopisk og mikroskopiske informasjonen i treet-ring vekstserie samt høy oppløsning topografiske data.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. prøvetaking strategi

  1. Geomorphic prosess-ID
    1. Implementere hydrologiske svar enheter tilnærming (HRU)21. Dette identifisere homogene områder studien området, bestående av lithology og overflaten, baldakin cover, vegetative rester i kontakt med overflaten og skråningen. Velg blant alle HRUs de som ark erosjon prosessen er dominerende.

Figure 1
Figur 1: eksempel på HRUs knyttet til en sandstrand gully. Om protokollen foreslått her, prøvetaking av synlige røtter må utføres i en HRU som effektivt erosive prosessen er ark erosjon (i denne figuren legende tilsvarer eksponert sand med moderat bakken). Dette tallet har blitt endret fra Bodoque et al. 21 . Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Utvalg av synlige røtter
    1. Finn i studien området utsatt røttene tilsvarer treslag nyttig for tre-ring dating (fortrinnsvis barskog)20.
    2. Gi en detaljert beskrivelse av romlige og morfologiske egenskaper over omgivelsene til de synlige røttene som skal avsøkes. Samle følgende informasjon: geografisk (UTM koordinater); høyde; aspekt i sexagesimal grader, både for åssiden og bestemt roten (lokale aspekt); avstand i delen roten til tømmerstokken; Lia stigningstallet og skråningen av bestemte roten (både uttrykt i grader); retning av utsatt rot med hensyn til avrenning banen.
    3. Ta en jordprøve av ca 1 kg fra området rundt hver utsatt rot. Parameterne som karakteriserer er tekstur, prosentandel av organisk saken og jord struktur.
    4. Mål i situ hydraulisk ledningsevne bruker en enkelt ringesignal infiltrometer under konstant hodet.
      Merk: Implementere trinn 1.2.2 og 1.2.3 å karakterisere jord erodibility.
    5. Finn synlige røtter som er lenger enn 1,5 m fra stammen. På mindre avstander kan eksponering være relatert til treet vekst.
    6. Skjær med en håndsag minst 30 synlige røtter, med en diameter større enn 5 cm, i 15 cm lang seksjoner. Deretter ta to skiver ca 1,5 cm tykk.
    7. Bruker en måle murskje, en håndsag og et målebånd, prøve et delsett av begravet røtter (minst en tredjedel av de totale synlige røttene samplet) på forskjellige jord dybder (maksimalt 20 cm) å etablere minimum jord tykkelsen nedenfor som røtter begynner å ha en Anatomisk svar på grunn av eksponering.

Figure 2
Figur 2: eksempel på hvordan å gjennomføre feltet prøvetaking. Minst 30 synlige røtter er valgt, og deretter klippe med en håndsag. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. Microtopographic karakteristikk av bakken overflate og synlige røtter på lett tilgjengelige plasser

  1. Bruker en terrestriske laserskanning enhet som kan måle opptil 50.000 poeng per sekund med en presisjon på 1 mm på skanning avstand < 120 meter.
  2. Vurdere minst to forskjellige konvensjonelle TLS steder for å unngå skygge soner.
  3. Flette de forskjellige stedene ved hjelp av minimum fire HD-kartlegging (HDS) mål posisjonert til å dekke hele området.
  4. For å få svært nøyaktige topografiske data, skanne en gjennomsnittstørrelse på 300 cm2 fra de valgte plasseringene bruker romlig oppløsning på 1 mm. Inkluder de synlige røttene og området rundt, som er representant for bakken overflaten.

3. Microtopographic karakteristikk av bakken overflate og synlige røtter, på steder med vanskelig og bratt terreng (fjellet miljøer)

  1. Plass en microtopographic profil måler vinkelrett utsatt rot, og deretter nivå for alle mål slik at forskjellige datasets kan sammenlignes.
  2. Tegne profilen oppnådd i trinn 3.1 på millimeterpapir kunne utlede mengden eroderte jord langs profilen med sub millimeter presisjon.

Figure 3
Figur 3: eksempel på karakterisering av bakken microtopography med en microtopographic profil gauge. (A) illustrasjon av synlige røtter som observert langs en tursti; (B) målinger av jord microtopography med en microtopographic profile måle; (C) estimering av Ex gjennom oppkjøp av microtopographic profiles ved å tegne dem på en millimeterpapir tillate slutning mengden av svekket jord langs profile og med sub millimeter presisjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

4. fastsettelse av tidspunktet for Root eksponering

  1. Makroskopisk analyse
    1. Luften tørr delene fikk i trinn 1.2.6 i 2 måneder.
    2. Hente de første deler to skivene som hvert lag 2 cm tykk.
    3. Sand og polsk skiver med sandpapir (opptil 400 grit) å lette anerkjennelse av vekst ringer.
    4. Skanne skiver med en minimum oppløsning på 2800 PPT slik at de kan bli nøyaktig analysert selv når ringene er spesielt tynne.
    5. Bruk økningen i latewood prosent og større vekst-ring bredder som indikatorer på stress indusert av eksponering.
    6. Merk minst 4-5 radier langs diameter sektorene som viser den høyeste variasjonen i vekst-ring bredder.
    7. Bruke et bilde analysesystem eller en måling tabell måle treet-ring bredde.
    8. Bruke visuell kryss-dating prosedyrer ved å sammenligne variasjonen i vekst-ring bredder mellom de ulike radier, både bedre dating presisjonen for det første året for eksponering til jorderosjon og for riktig dato påfølgende ringer og gjenkjenne tilstedeværelsen av flere eller usammenhengende ringer.

Figure 4
Figur 4: eksempel på hvordan å forberede en del av en utsatt rot å oppnå dendrochronological dateringen av veksten ringen serien. I hver del merket fire eller fem radier langs instruksjonene som viser høyeste variasjon om treet-ring bredde. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Mikroskopisk analyse
    1. For både synlige og ikke-utsatt rot prøver, kan du bruke en glidende mikrotom for å få radial tverrsnitt av ca 1 cm i bredde og 20 mikrometer tykke.
    2. Flekken tverrsnitt med safranin (dvs. 1 g safranin + 50 g vann + 50 g av 96% etanol) og tørke med stadig rikere etanol-vann løsning opptil 96% etanol (f.eks 50% og 96% etanol) til etanol går klart. Nyt eksemplene i xylol eller en sitrus olje fjerne agent (f.eks Histoclear).
    3. Montere tverrsnitt på bestrøket lysbilder, cover-slip med en herding epoxy (f.eks Eukitt, Canada balsam og tørr ved omgivelsestemperatur (dvs. ca 5-8 h for Eukitt, minst 24 timer for Canada balsam).
    4. Observere (under 125 X forstørrelse) og fotografere prøver med en digital tenkelig system under optisk mikroskopi.
    5. Sammenligne under en optisk mikroskop anatomiske fotavtrykk av både utsatt og ikke-utsatt rot prøver (trinn 1.2.5 og 1.2.6).
    6. Ta mikroskopiske mål med en bilde analyserer på digitale fotografier av påfølgende parameterne: en) bredde veksten ringen; b) antall celler per ring; c) prosentandel av latewood; og d) lumen området i earlywood.
    7. Test med bilde analyzer (trinn 4.2.6) forekomsten av harpiks kanaler og ta målinger for hver veksten ringen.
    8. Utføre en enveis analyse VARIANSANALYSE med flere utvalg tester (metode: 95% LSD-minst signifikant forskjell) for anatomiske variablene vurdert (trinn 4.2.6) å bekrefte eksistensen av statistisk betydelige forskjeller mellom de to gruppene av målinger (pre eksponert vs utsatt røtter).

5. estimering av tykkelsen på laget erodert siden første eksponeringen (Ex)

  1. Scenario 1: synlige røtter som går parallelt avrenning banen.
    1. Basert på dataene innhentet i trinn 2.4, bruk invers avstand veier som Interpolasjonsmetoden vil ha svært nøyaktig digital heving modeller (DEMs) med en romlig oppløsning på 3 mm.
    2. Bruk GIS til å trekke fra DEM vinkelrett profiler av utsatt rot med en grov avstand på 150 cm.
    3. Utfør trinn 5.1.1 og 5.1.2 på lett tilgjengelige plasser (trinn 2).
    4. Bruk vinkelrett profilene av utsatt rot fikk i trinn 3.2 når området studien er plassert i områder der terrenget er vanskelig og bratt (fjellet miljøer) (trinn 3).
    5. I profiler fikk i trinn 5.1.2 og 5.1.3 Bruk visuelle tolkning for å finne terskelen avstanden (TD), definert som avstanden mellom roten og knickpoint på bakken overflaten. Dette oppretter senking av bakken overflate for profiler ark erosjon.
    6. Beregne tykkelsen på laget erodert, ved å måle høyden mellom toppen av rot og knickpoint på bakken overflaten i trinn 5.1.5.
    7. Korrekt måling fikk i trinn 5.1.6 ved å trekke det fra den pågående sekundære veksten (dvs. vekst av roten siden året for eksponering) og bark tykkelsen på øvre/nedre side av roten. Se Corona et al. 30 for en detaljert beskrivelse.

Figure 5
Figur 5: Eksempel er illustrerer hvordan du plasserer TD når de synlige røttene samplet er orientert ifølge avrenning banen. Denne illustrasjonen viser en vanlig microtopographic tverrgående profil av avdekket roten og dens umiddelbare nærhet. Ex1 er brukt på den tradisjonelle dendrogeomorphical tilnærmingen til angi eroderte jord tykkelsen; Ex2 tilhører plasseringen der denne parameteren må vurderes. TD tas som en guide posisjon som endres bakken overflaten av arket erosjon bare. Dette tallet har blitt endret fra Bodoque et al. 34 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Scenario 2: synlige røtter som kjører vinkelrett avrenning banen
    1. Implementere trinnene 5.1.1 til 5.1.4 som nevnt under trinn 5.1.
    2. Bruker raster kalkulatoren tilgjengelig i geografisk informasjon System (GIS) programvare, for hver vinkelrett profil måle høyden mellom toppen av rot og bakken overflaten ved hjelp av knickpoint på bakken overflaten som referanse. På dette punktet målinger av Ex påvirkes ikke av sedimentering og/eller skuring erosjon og derfor er det mulig å måle jorderosjon.
    3. Korrekt måling fikk i trinn 5.2.2 bruke fremgangsmåten i trinn 5.1.7.

Figure 6
Figur 6: eksempel tegning hvordan du går frem når synlige røtter samplet er orientert ifølge vinkelrett avrenning søkesti. Denne illustrasjonen viser en skjematisk visning av en bakken overflaten profil knyttet til en utsatt vinkelrett rot om avrenning banen. Svekket jord tykkelse (Ex) er kvantifisert på knickpoint samtidig til rådende sedimentering og skuring erosjon prosesser i nærheten roten. Dette tallet har blitt endret fra Ballesteros-Cánovas et al. 35 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

6. ark erosjon Rate estimering

  1. Avhengig av jord mekaniker egenskaper av studien området, bruke Formel 1 (dvs. hypothesizes at radial vekst trykket av roten er lavere enn skjær styrken på jorden), eller formel 2 (dvs. antar stabilitet i den roten akse gjennom tid)30:
    Equation 1(1)
    Equation 2(2)
    Hvor:
    ER (mm∙yr-1), er arket erosjon fastsettes.
    EX (mm), er tykkelsen på laget svekket siden første eksponeringen. Dette oppnås ved å utføre trinn 5.1.1 til 5.2.3.
    Gr1 og Gr2(mm) representerer den sekundære (senere) veksten på oppover/nedover del av roten etter eksponering. Det oppnås etter grepet 5.1.7.
    B1 og B2 (mm) er bark tykkelsen på øvre/nedre del av roten. Det er oppnådd med fremgangsmåten i trinn 5.1.7.
    Ε (mm), er definert som minimal dybden av jord under hvilke rot begynner å endre sin anatomiske konfigurasjon.
    NRex (år), er antall årringer utviklet etter året for eksponering. Det oppnås ved hjelp av trinn 4.1.1 til 4.2.8.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Eksempler på synlige røtter lider alvorlig cambial forringelse på grunn av virkningen av eksponering (f.eks endringer i temperatur, forekomsten av lys) pluss fysisk stresset, på grunn av tråkk ved turgåere eller dyr beite og leser som røttene gjennomgå etter de utsatt. Bestemme eksistensen av usammenhengende ringer, samt dating nettopp det første året av svar på eksponering ble gjort i laboratoriet som Protocol 4 (trinn 4.1.6 til 4.1.8). Vi valgte økning på latewood prosent og tilstedeværelsen av treet-ring betydelig større enn gjennomsnittet som indikatorer på første eksponering.

114 deler av eksponert Pinus uncinata Ramond ex DC, bøk L., Pinus pinaster Ait. og furu røtter ble brukt til dette formålet. Som et resultat av at cambium på den øverste delen av rot fant vi alvorlige endringer i vekstmønster treet-ring, som flyttet fra konsentriske til eksentriske vekst (figur 7), samt usammenhengende årringer eller noen som hadde vært helt ødelagt i den ytre tre-ringer. Ovennevnte antyder at tilnærmingen vi implementert var vellykket i å bestemme med nok nøyaktighet røttene og bestemt året som første eksponering ring ble dannet.

Figure 7
Figur 7: eksempler på eksentrisk treet-ring mønster i røtter skyldes eksponering. Denne illustrasjonen viser en visning av en polert del av en rot i fravær arr (A) og med arr (B). I begge tilfeller er det mulig å observere mønster av eksentriske årringer som en klar reaksjon jorderosjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

En lab eksperimentet ble gjennomført i protokoll 4 (trinn fra 4.2.1 til 4.2.8) for å bestemme hvordan røtter anatomisk svare på eksponering. Dette ble samme synlige røtter prøven beskrevet ovenfor brukt. Prøver undersøkt under optisk mikroskopi og fotografert med en digital tenkelig system. Mikroskop-bildene ble analysert på 50 × forstørrelsen med en nøyaktighet på 1 μm i målinger. Første gang eksponering kan sees i de karakteristiske anatomiske endringene. Årringer viser tydelig økt vekst (spesielt gjenkjennelig i to eller tre etterfølgende ringer), som er resultat av en økning i både tracheid antall og størrelse. En økning i antall skip ble også merkbar. Harpiks kanaler vises vanligvis i tangentiell rader i earlywood. Latewood er lett observerbare som den har flere rader med tykke vegger tracheids. Det oppstår også en betydelig nedgang i tracheid lumen av earlywood når rot er utsatt. Med hensyn til den anatomiske fotavtrykket av ti begravet røttene samplet, resultatene indikerer at denne utvalgsgruppe begynner å reagere etter virkemåten som er beskrevet ovenfor når edaphic dekselet faller under 3 cm (Figur 8).

Figure 8
Figur 8: eksempel av anatomiske svar røtter eksponering. Tre anatomi av Pinus uncinata Ramond ex DC røtter: (A) anatomi av begravet røtter (200 μm); (B) anatomi av utsatt tre (500 μm). Tre anatomi fra røttene av bøk L.: (C) anatomi av en gravlagt rot (500 μm); (D) anatomi av utsatt tre (500 μm). Dette tallet har blitt endret fra Bodoque et al. 36 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Karakteristikk av overflaten microtopography variasjon spiller en avgjørende rolle i å få pålitelig ark erosjon priser fra dendrogeomorphology (figur 9). Dette vi designet en eksperimentell og feltforsøk rettet mot fange svært nøyaktig microtopographic overflate profiler å analyseres ved hjelp av protokollen 5 på 114 prøver av synlige røtter. Vi utnyttet avstanden mellom roten og knickpoint, hvorfra profilen definerer senking av bakken overflate ark erosjon som et kriterium beregne tykkelsen på laget erodert siden første eksponeringen (Ex). Om samplet synlige røtter parallelt avrenning banen, viste alle profiler analysert en konkav konfigurasjon på begge sider av de synlige røttene som var preget. Dette morfologiske mønsteret avsluttes på en bestemt avstand (TD), som bakken overflaten er bare formet av ark erosjon, bestemme, derfor plasseringen der Ex har skal måles. Om synlige røtter som kjører vinkelrett avrenning banen, vår prosedyre gjort det mulig å systematisk bestemme høyden mellom dekket av roten og virtuelle flyet tangential til bakken overflaten. Det tillot også finne småskala virkningene av sedimentering og skuring erosjon, og dermed sikre at ark erosjon anslås nøyaktig.

Figure 9
Figur 9: eksempel på resultatene av bakken overflate microtopography karakterisering TLS og en microtopographic profil måle. (A) Hillshade modellen ved hjelp av microtopographic profiler og (B) raster med bakker avledet fra hillshade modellen; (C) hillshade modell Hentet fra TLS og (D) resulterende raster med bakker. Bakkene uttrykkes i sexagesimal grader. Tomter B og D indikerer stiplede linjer TD som Ex må måles. Dette tallet har blitt endret fra Bodoque et al. 36 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Anslag over arket erosjon priser har vært innhentet etter ligningen i protokollen 6 (Figur 10). Når det gjelder de 114 analyserte prøvene, varierer året av første roten eksponering fra 1900-2012, som gjør mellomlang sikt (multidecadal) karakterisering av erosjon priser. I tillegg undersøkte vi ti begravet røtter, som fortsatt var beskyttet av en tynn jord cover. Resultatene viste at begravet røtter begynte anatomisk svare på eksponering effektene da de var 2.3 1.1 cm under bakken overflaten (Figur 11). Vi vurderte denne spesifikke jord nivå som en verdi legges til tykkelsen på jord layereroded (Ex).

Figure 10
Figur 10: eksempel på ark erosjon priser beregnet fra dendrogeomorphology. Graf knytte erosjon priser og års eksponering av de synlige røttene. Erosjon priser i plassen er de brukes for kvantifisering. Dette tallet har blitt endret fra Bodoque et al. 21 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 11
Figur 11: eksempel på anatomiske respons i begravet rot delene. Mørk grå sirkler Vis gravlagt røtter med eksponering bevis. Størrelsen på sirkler viser rot diameter, mens tallene rot dybder. Dette tallet har blitt endret fra Ballesteros-Cánovas et al. 35 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen distribuert demonstrerer verdien av detaljert og riktig karakterisering av bakken overflate microtopography, som gjør det mulig for å måle pålitelig ark erosjon priser fra dendrogeomorphology. Vår metodologiske tilnærming fokuserer på viktigheten av karakteriserer microtopography rundt eksponering røtter å forbedre erosjon prisen estimering. Denne faktoren har vært stor grad ignorert i tidligere studier som resulterer i en feiltolkning av jord erosjon priser fra dendrogeomorphology34. Inkludering av microtopography kan erosjon priser fastsettes uansett rot retning som favoriserer replicability metoder35. Oppkjøpet av microtopography kan utføres ved hjelp av forskjellige teknikker. Derfor gjenkjenne vi forskjellene mellom DEM produsert fra microtopographic profiler (trinn 5.2.1 Oppgi) og TLS (trinn 5.1.1 til 5.1.2). Til tross for ulikhetene noen ganger blir selv innenfor rekkefølgen på opp til 50% av variansen av tiltak36vi markere at påliteligheten av våre protokoll basert på microtopographic profiler (trinn 5.2.1 Oppgi) sammenlignes som oppnås med TLS (~ mm).

Denne studien viser også at protokollen distribuert her kan brukes i fjellområdene som en alternativ tilnærming til TLS. Bruk av TLS i denne konteksten geografiske er ikke praktisk på grunn av størrelsen og vekten på enheten, som hindrer sin transport gjennom utilgjengelige områder. Anvendelsen av TD kriteriene som en indikasjon på avstand på hvilken bakken overflate endre som følge av aksial og radial presset som utøves av root37,38, eller der det er ingen sedimentering (upslope av den rot) eller skuring erosjon (downslope av roten)35 illustreres også (trinn 5.1.5 og 5.2.2). Vi har funnet ut at denne bestemte avstanden må benyttes i fremtidige arbeid med definisjonen på punktet der Ex skal måles.

Makroskopisk og mikroskopiske observasjoner (trinn 4.1 og 4.2) er avgjørende å dechiffrere miljømessige signalet i treet-ring poster. Bare bruk av tre-ring bredden målinger kanskje ikke nok til å bestemme øyeblikket av eksponeringen, siden anatomiske endringer er mer følsomme39 og kan selv produseres når rot er fortsatt begravd av en tynn jord lag30. Således, eksisterende studier tyder på at bartre arten brukes i dette papiret (dvs. Pinus uncinata Ramond ex DC, Pinus pinaster Ait. og Pinus sylvestris) reagere på eksponering med eksentriske vekst og en betydelig utvikling av latewood tracheids, som er sammenfallende med tidligere funn på andre bartre arter21,27,29,30. Reaksjoner start skjer når jord dekningen av roten avviser under 2.3 1.1 cmand derfor enig med observasjon fra marly badlands i Frankrike som analysen var fokusert på furu og Pinusnigra30.

Den første eksponering reaksjonen oversettes som en reaksjon på øke temperatursvingninger samt tørke stress som vil skje raskere i toppen av detrital nivået på løs sediment nær jord overflaten29,30, 40,41. Anatomisk endringen kan også sees som en forutsigbar respons av rot å redusere sjansen for dysfunksjonelle tracheids kavitasjon, forårsaket av utviklingen av iskrystaller i sap42, eller selv på grunn av mobile embolism knyttet vann stress43. Våre observasjoner, derfor bekrefte hypotesen om Corona et al. 30 og også foreslå at tidligere vurderinger som ikke vurdere denne skjevhet kan ha undervurdert erosjon priser. I bøk L., kan vi bekrefte likheter i mønstre og reaksjoner mellom denne bestemt arter og andre løvfellende arter i den litteratur26,28,29 .

Dendrogeomorphology har konkurransefortrinn sammenlignet med andre metoder for direkte estimering. Så kan basert på synlige røtter analyse være ambisiøs i karakterisere jorderosjon selv i middelhavsbassenget, gir representant erosjon priser av de siste tiårene. I kontrast, er bruk av direkte metoder, som Gerlach trau2, vann samlere3 eller måle stasjoner44, vanligvis begrenset til et par år og bruk i hillslope skala, på grunn av de høye kostnadene ved vedlikehold og drift av disse enheter21. Lignende tenkning kan også brukes til modeller rettet mot beregning jord erosjon45, siden de krever målere i feltet tillate deres validering og kalibrering46. Om analyse av jorderosjon i rekreasjon løyper er våre protokollen mye mer enkelt brukes enn standard protokoller, dvs. tverrsnitt (CSA), variabel CSA, maksimal snitt til stien eller topografiske undersøkelser47, 48,49, spesielt hvis stien er plassert i fjellområdene. I denne spesielle geografiske sammenheng, er det en utfordring å bruke protokoller over på grunn av det tunge utstyret som er nødvendig, som er vanskelig å flytte i slike miljøer. Denne begrensningen kan begrense antall transects samlet og kan derfor påvirke spatiotemporal estimater for jord erosjon50. Videre er det en utfordring å nøyaktig bestemme den vannrette plasseringen og garanterer at anses i samme høyde på bestemte tidspunkter, som jord krype pleier å spille en rolle i slike miljøer49.

Begrensningene til erosjon priser fra dendrogeomorphology er knyttet til det faktum at den synlige røtter er vanligvis begrenset til et par tiår. Likevel, dette tidsvinduet er vanligvis større enn det som er definert av erosjon priser fra direkte teknikker. Cross-dating, for dendrochronology, også har vist seg vanskelig å implementeres i røtter, selv om de hører til den samme tre51,52. Dessuten er konsistensen av rot-baserte estimering av erosjon priser sannsynlig å være påvirket av begrensninger like de kjent for dokumentar kilder eller tilnærminger basert på radioisotopes53. Om ovenfor, jorderosjon vil være en konsekvens av en ikke-lineær respons på nedbør. Gjennomsnittlig erosjon priser fra dendrogeomorphology kan være, derfor, mindre pålitelig å karakterisere jorderosjon i områder der denne prosessen er hovedsakelig på grunn av noen kraftig regn hendelser, siden under denne omstendighet erosjon priser kan være skjev55 . I tillegg prøvetaking av store synlige røtter kan føre til undervurdere erosjon priser siden har det vært vist at erosjon priser og rot tykkelse har en inversed proporsjonale forholdet19.

Resultatene produsert protokollen til distribuert her tilbyr nyttig informasjon om jordforringelse. I den forstand, kan dendrogeomorphology hjelpe beslutningstakere å utforme langtidsplaner fra ledelse, på grunn av den spatiotemporal representativiteten av erosjon priser fra synlige røtter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forskningsprosjekter som finansiert denne forskningen er: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) det spanske departementet for vitenskap og teknologi og prosjektet idé-GESPPNN (OAPN 163/2010), som ble finansiert av den miljømessige departementet av Spania.

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

Miljøfag problemet 143 jorderosjon dendrogeomorphology utsatt røtter tre ring bakken microtopography tre anatomi
Laboratory og felt protokollen for beregning ark erosjon priser fra Dendrogeomorphology
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