JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Environment

Laboratory og felt protokollen for beregning ark erosjon priser fra Dendrogeomorphology

Published: January 07, 2019
doi:
10.3791/57987
, , ,
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.

Protocol

1. prøvetaking strategi Geomorphic prosess-ID 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. <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/579…

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 …

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 dendrogeomorphology…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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., Harmon, R. S., Doe, W. W. The Water Erosion Prediction Project (WEPP) model. Landscape Erosion and Evolution Modelling. , 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. , (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. , (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., Dean, J., Meko, D. M., Sewtnam, T. W. Rates of slope erosion determined from exposedroots of ponderosa pine at Rose Canyon Lake, Arizona. Tree Rings, Environment, and Humanity. , 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. &. #. 1. 9. 3. ;., 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. , (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. , (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., Cole, D. N., McCool, S. F., Borrie, W. T., O’Loughlin, J. 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). , 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

Keywords: DendrogeomorphologySheet Erosion RatesGround Microtopographic CharacterizationBio-indicatorsExposed RootsTerrestrial Laser ScanningMicrotopographic Profile GaugeErosion Rates
check_url/57987?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image