Waiting
Login processing...

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

Environment

Laboratorium och fält-protokollet för att uppskatta ark Erosion priser från 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

Karaktärisera erosion från dendrogeomorphology har oftast fokuserat på exakt hitta starttiden för roten exponering, genom att undersöka makroskopiska eller cellförändringar orsakade av exponering. Här erbjuder vi en detaljerad beskrivning av olika nya tekniker för att erhålla mer exakt erosion priser från noggranna microtopographic data.

Abstract

Sheet erosion är bland de avgörande drivkrafterna för markförstöring. Erosion styrs av miljöfaktorer och mänsklig verksamhet, vilket ofta leder till allvarliga miljökonsekvenser. Förståelsen av ark erosion är följaktligen en global fråga med konsekvenser för både miljön och ekonomin. Kunskap om hur erosion utvecklas i tid och rum är dock fortfarande begränsad, samt dess effekter på miljön. Nedan förklarar vi ett nytt dendrogeomorphological-protokoll för att få fram eroderade jord tjocklek (Ex) genom att förvärva korrekt microtopographic data med hjälp av både marksänd laserscanning (TLS) och microtopographic profil mätare. Dessutom används standard dendrogeomorphic procedurer, beroende på anatomiska variationer i roten ringar, för att fastställa tidpunkten för exponeringen. Både TLS och microtopographic profil mätare används för att få marken yta profiler, varifrån Ex beräknas efter tröskel avståndet (TD) bestäms, dvs avståndet mellan roten och sediment knickpoint, vilket gör att definiera sänkningen av markytan orsakas av ark erosion. För varje profil mätte vi höjden mellan ovansidan av roten och ett virtuellt plan som tangerar till markytan. På detta sätt avsåg vi att förhindra småskaliga effekter av jord deformation, vilket kan bero på tryck som utövas av rotsystemet, eller av ordningen av exponerade rötter. Detta kan framkalla små mängder jord sedimentering eller erosion beroende på hur de fysiskt påverkar avrinningen. Vi visar att en adekvat microtopographic karakterisering av exponerade rötter och deras associerade markytan är mycket värdefullt att få korrekt erosion priser. Detta konstaterande skulle kunna utnyttjas för att utveckla förvaltningen metodtips för att så småningom stoppa eller kanske minst, minska jorderosion, så att mer hållbar hanteringsprinciper kan omsättas i praktiken.

Introduction

Både ekonomiska och miljömässiga konsekvenser som produceras av ark erosion gör detta ämne i en världsomspännande oro1. Flera metoder, från direkta tekniker till fysiska-baserade och empiriska metoder, används för att beräkna jord erosion priser på en mängd olika tidsliga och rumsliga skalor. Direkta tekniker använda fältmätningar under naturliga förhållanden och baseras huvudsakligen på användningen av Gerlach dalar2, vatten samlare3, erosion stift4 och ytfinhet5. Dessutom har modeller av jorderosion fokuserat alltmer på att företräda i detalj de verkliga fysiska processerna som är ansvarig för erosion6.

Dendrogeomorphology7 är en underindelning av dendrokronologi8 att det är framgångsrika i att karakterisera frekvens och magnitud av geomorphic processer9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Angående ark erosion, dendrogeomorphology används vanligen för att förbättra eller ersätta de metoder som nämns ovan, särskilt i områden där erosion priser härrör från direkta tekniker är antingen knappa eller saknas. Dendrogeomorphology är en mycket flexibel metod för att bedöma jorderosion och kan användas för att kalibrera fysiska-baserade och empiriska modeller, eller kanske som en data källa för att förbättra tillförlitligheten i direkt uppskattning tekniker18, 19. Dendrogeomorphology möjliggör jorderosion upprättas över stora områden där det finns exponerade rötter. Dessa exponerade rötter bör Visa tydliga trädet ringar gränser och svara på årliga tillväxtmönster betraktas som optimala att tillämpa dendrogeomorphological tekniker20. Ytterligare, exponerade rötter som skall provtas bör helst finnas i homogena enheter baserat på deras reaktion att smutsa erosion21.

Det konventionella dendrogeomorphical sättet att uppskatta ark erosion är jordad på mätning i situ eroderad jord tjocklek (Ex) från tiden av den första exponeringen till den nuvarande22,23, 24. Förhållandet mellan dessa två variabler används för att beräkna en erosion värde i mm∙yr1. Mycket av forskningen hittills har helt inriktat på att effektivt identifiera det första året av exponering. Som ett resultat analyseras ändringar i roten på grund av exponering på makroskopisk nivå25eller i vävnad och cellulära nivåer26,27,28. Huvudsakliga anatomiska förändringen i barrträd exponerade rötter ökar tillväxt ringen tjocklek, till följd av ett betydande antal celler inom den earlywood (EW)26. En nedskärning har heller hittats inom området lumen i EW Trakeider tillsammans med en ökad cell struktur väggtjocklek av latewood (LW) Trakeider24,27,29. Dessa ändringar har beskrivs och kvantifieras som början när erosion sänker markytan över roten till ungefär tre cm30. Mindre uppmärksamhet beviljades adekvat bestämning av Ex -parameter. Åldern av exponerade rötter var vanligen ansluten med höjden av rotens centrum axel tillväxt över marken yta31,32. Uppskattning av Ex korrigerades följaktligen med tanke på pågående sekundär tillväxt30,33. Mer nyligen, dessa metoder har också integrerat karakterisering av jord microtopography att erhålla tillförlitlig erosion priser34,35,36.

Vi presenterar ett laboratorie- och protokoll för att uppskatta mer korrekta och tillförlitliga blad erosion priser från dendrogeomorphology. I detta särskilda protokoll undersöker vi hypotesen att provtagning alla exponerade rötter, oavsett orientering i förhållande till avrinning och i samband med microtopographical analys, möjliggör erosion priser skall exakt rekonstruerade och kvantifieras. Vårt mål är därför att tillhandahåller ett protokoll för att uppskatta erosion priser från maximera urvalsstorlek exponerade rötter, med hjälp av makroskopiska och mikroskopiska informationen i tillväxt tree-ring serien och även högupplösta topografiska data.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. provtagningsstrategi

  1. Geomorphic processen identifiering
    1. Genomföra de hydrologiska svar enheter tillvägagångssätt (HRU)21. I detta syfte identifiera homogena områden inom webbplatsen studie bestående av bergarter och ytan insättningar, canopy lock, vegetativt rester i kontakt med jordytan och lutning. Välj bland alla HRUs de där blad erosion processen är dominerande.

Figure 1
Figur 1: exempel på HRUs är associerade till en sandig gully. Angående protokollet föreslås här, provtagning av exponerade rötter måste utföras i en HRU där effektiva erosiv processen är ark erosion (i denna figur legend motsvarar exponerade sand med måttliga backar). Denna siffra har ändrats från Bodoque et al. 21 . Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Provtagning av exponerade rötter
    1. Leta upp i studien webbplats exponerade rötter motsvarar trädslag som är användbar för tree-ring dating (helst barrträd)20.
    2. Ge en detaljerad beskrivning av närheten av exponerade rötter som skall provtas rumsliga och morfologiska egenskaper. Samla in följande information: geografiskt läge (UTM koordinater); höjd; aspekt i sexagesimala grader, såväl för sluttningen var särskilt roten (lokala aspekt); avstånd i avsnittet root att trädstammen; Hillside lutning och lutningen på specifika roten (både uttryckt i grader); läggning av exponerade roten när det gäller avrinning sökvägen.
    3. Ta ett jordprov ca 1 kg från området kring varje exponerade rot. Parametrar för att karakterisera är textur, andelen organisk materia och markens struktur.
    4. Mäta i situ hydraulisk konduktivitet använder en enda ring infiltrometer under konstant huvud.
      Obs: Genomföra steg 1.2.2 och 1.2.3 att karakterisera jord erodibility.
    5. Leta upp exponerade rötter som är längre än 1,5 m från stammen. Vid mindre avstånd kan exponeringen vara relaterad till Trädens tillväxt.
    6. Skär med en handsåg minst 30 exponerade rötter, med en diameter som är större än 5 cm, i 15 cm långa sektioner. Därefter ta två skivor ca 1,5 cm tjocka.
    7. Med hjälp av en mäta murslev, en handsåg och ett måttband, prova en delmängd av begravda rötter (minst en tredjedel av de totala exponerade rötter provtas) på olika jord djup (max 20 cm) för att fastställa minsta jord tjocklek nedan som rötterna börja har en anatomiska svar på grund av exponering.

Figure 2
Figur 2: exempel på hur man genomför fältprovtagning. Minst 30 exponerade rötter är markerad och därefter skära med en handsåg. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Microtopographic karakterisering av markytan och exponerade rötter på lättillgängliga platser

  1. Använda ett marksänd laserskanning enhet som kan mäta upp till 50.000 poäng per sekund med en precision på 1 mm på en scanning avstånd av < 120 m.
  2. Överväga att åtminstone två olika konventionella TLS platser att undvika skugga zoner.
  3. Sammanfoga olika platser med hjälp av ett minimum av fyra high-definition surveying (HDS) mål positionerade för att täcka hela området.
  4. För att erhålla noggranna topografiska data, skanna en genomsnittlig yta på 300 cm2 från de valda platser med en rumslig upplösning på 1 mm. inkludera exponerade rötter och det omgivande området som är representativ av markytan.

3. Microtopographic karakterisering av markytan och exponerade rötter, på platser med svåra och branta terräng (Mountain miljöer)

  1. Placera en microtopographic profil mätare vinkelrätt mot den exponerade roten och därefter nivå horisontellt för alla mätningar på ett sådant sätt att olika datamängder kan jämföras.
  2. Rita den profil som erhålls i steg 3.1 på rutat papper för att kunna härleda mängden eroderad jord längs profilen med sub millimeter precision.

Figure 3
Figur 3: exempel på karakterisering av marken microtopography använda en microtopographic profil mätare. (A) illustration av exponerade rötter som observerade längs en vandringsled; B mätningar av markens microtopography med en microtopographic profil mätare; (C) uppskattning av Ex genom förvärvet av microtopographic profiler genom att rita dem på ett rutat papper att tillåta inferens av mängden eroderad jord längs profil och med sub millimeter precision. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

4. bestämning av tidpunkten för Root exponering

  1. Makroskopisk analys
    1. Med luftbläster i avsnitt som erhölls i steg 1.2.6 i 2 månader.
    2. Erhålla från de inledande avsnitt två skivor som är vardera ca 2 cm tjock.
    3. Slipa och polera skivorna med sandpapper (upp till 400 grit) att underlätta erkännandet av årsringar.
    4. Skanna skivor med en minsta upplösning på 2 800 dpi så att de kan analyseras noggrant även när ringar är särskilt tunna.
    5. Använda ökat latewood procentsats och större tillväxt-ring bredder som indikatorer på stress induceras av exponering.
    6. Markera minst 4-5 radier längs diametrarna på de skivor som visar den högsta variabiliteten i tillväxt-ring bredder.
    7. Använd en bild analyssystem eller en mäta tabell för att mäta träd-ringens bredd.
    8. Tillämpa visuella cross-dating förfaranden genom att jämföra variabilitet i tillväxt-ring bredder mellan de olika radierna, att både förbättra dating precisionen för det första året av exponering att jorderosion och att korrekt datum efterföljande ringar och erkänna förekomsten av flera eller diskontinuerligt ringar.

Figure 4
Figur 4: exempel på hur man förbereder ett avsnitt av en exponerade roten att utföra Dendrokronologisk datering av tillväxt ringen serien. Fyra eller fem radier markeras i varje avsnitt längs de riktningar som visar den högsta variabiliteten avseende träd-ringens bredd. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Mikroskopisk analys
    1. För båda exponerade och icke exponerade roten prover, Använd en slädmikrotom för att få radiella tvärsnitt av ca 1 cm i bredd och 20 mikrometer tjock.
    2. Fläcken tvärsnitt med safranin (dvs. 1 g av safranin + 50 g vatten + 50 g 96% etanol) och torka med allt rikare etanol-vatten lösning upp till 96% etanol (t.ex. 50% och 96% etanol) tills etanolen är klart. Blötlägg proverna i xylol eller en citrus olja clearing agent (t.ex. Histoclear).
    3. Montera tvärsnitt på bestruket diabilder, cover-slip med en härdande epoxi (t.ex. Eukitt, Kanada balsam och torka vid rumstemperatur (dvs ca 5-8 h för Eukitt, minst 24 h för Kanada balsam).
    4. Observera (under 125 X förstoring) och fotografera prover med en digital imaging under optisk mikroskopi.
    5. Jämföra en optiska mikroskop anatomiska fotavtryck av både utsatta och icke-exponerade roten prover (steg 1.2.5 och 1.2.6).
    6. Ta mikroskopiska mätningar med en bild analyzer på digitala fotografier av de efterföljande parametrarna: en) bredd av tillväxt ringen; (b) antalet celler per ring; (c) andelen latewood; och d) lumen område i earlywood.
    7. Testa med bild analyzer (steg 4.2.6) förekomsten av harts kanaler och ta mått för varje tillväxt ring.
    8. Utföra en enkelriktad analys ANOVA med flera olika tester (metod: 95% LSD – minst signifikant skillnad) för anatomiska variabler betraktas (steg 4.2.6) att verifiera förekomsten av statistiskt signifikanta skillnader mellan de två grupperna av mätningar (före utsatt vs exponerade rötter).

5. skattning av tjockleken på som markskiktet urholkats sedan första exponeringen (Ex)

  1. Scenario 1: exponerade rötter som löper parallellt med avrinning sökvägen.
    1. Baserat på de data som erhölls i steg 2,4, använda omvänd avstånd viktning som den interpolationsmetod du skaffar mycket noggranna digitala höjdmodeller (DEMs) med en rumslig upplösning på 3 mm.
    2. Använda GIS-verktyg för att extrahera från Mark vinkelrätt profiler av exponerade roten med en grov bit av 150 cm.
    3. Utför steg 5.1.1 och 5.1.2 på lättillgängliga platser (steg 2).
    4. Använd vinkelrätt profilerna av exponerade roten erhållits i steg 3,2 när studien platsen ligger i områden där terrängen är svåra och branta (fjällmiljö) (steg 3).
    5. I de profiler som erhålls i steg 5.1.2 och 5.1.3 Använd visuell tolkning för att hitta tröskel avståndet (TD), definierad som avståndet mellan rot och knickpoint på markytan. Detta etablerar en sänkning av markytan för profilerna på grund av ark erosion.
    6. Uppskatta tjockleken av det jordlager som urholkas, genom att mäta höjden mellan toppen av roten och knickpoint på markytan beräknad i steg 5.1.5.
    7. Korrekt mätning erhålls i steg 5.1.6 genom att subtrahera det från den pågående sekundär tillväxten (dvs. tillväxt av roten sedan år av exponering) och bark tjockleken på övre/undre sida av roten. Se Corona o.a. 30 för en detaljerad beskrivning.

Figure 5
Figur 5: Exempel illustrerar hur du placerar TD när exponerade rötter provtas är orienterade enligt avrinning sökvägen. Denna figur visar en gemensam microtopographic övergripande profil av avtäckta rot och dess omedelbara närhet. Ex1 är den plats som tillämpas på den traditionella dendrogeomorphical metoden att bestämma tjockleken eroderad jord; Ex2 hör hemma till den position där denna parameter måste bedömas. TD tas som en guide position från vilken markytan ändras av ark erosion endast. Denna siffra har ändrats från Bodoque et al. 34 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Scenario 2: exponerade rötter som kör vinkelrät avrinning
    1. Genomföra steg 5.1.1 till 5.1.4 som anges under steg 5.1.
    2. Använda raster kalkylatorn finns i geografiska informationssystem (GIS) programvara, för varje vinkelrät profil åtgärd höjden mellan toppen av roten och markytan med knickpoint på markytan som referens. På denna punkt mätningar av Ex påverkas inte av sedimentering eller skura erosion och, därför, är det möjligt att mäta jorderosion.
    3. Korrekt mätning erhålls i steg 5.2.2 med hjälp av proceduren i steg 5.1.7.

Figure 6
Figur 6: exempel ritning hur du går tillväga när de exponerade rötter som provtas är orienterade enligt vinkelrät mot den avrinning sökvägen. Denna figur visar en schematisk bild av en marken ytprofil relaterade till en utsatt vinkelrätt rot om sökvägen avrinning. Eroderad jord tjocklek (Ex) kvantifieras på den knickpoint sammanfaller till rådande sedimentering och skura erosion processer i närheten roten. Denna siffra har ändrats från Ballesteros-Cánovas o.a. 35 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

6. ark Erosion Rate uppskattning

  1. Beroende på smutsa mekaniker egenskaper studie webbplatsen, gäller ekvation 1 (dvs hypothesizes att radiella tillväxt trycket tillämpas av roten är lägre än skjuvhållfasthet av smutsa), eller ekvation 2 (dvs förutsätter stabiliteten i det roten axel genom tiden)30:
    Equation 1(1)
    Equation 2(2)
    Var:
    ER (mm∙yr-1), är den ark erosion hastigheten uppskattas.
    EX (mm), är tjockleken på som markskiktet urholkats sedan första exponeringen. Detta erhålls genom att utföra steg 5.1.1 till 5.2.3.
    Gr1 och Gr2(mm) representerar den sekundära (senare) tillväxten på roten uppåt/nedåt del efter exponering. Det erhålls efter steg 5.1.7.
    B1 och B2 (mm) är bark tjockleken på den övre/nedre delen av roten. Det erhålls med proceduren i steg 5.1.7.
    Ε (mm), definieras som det minimala djupet jord nedanför rotåtkomst börja ändra sin anatomiska konfiguration.
    NRex (yr), är antalet träd-ringar utvecklats efter år av exponering. Det erhålls hjälp steg 4.1.1 till 4.2.8.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Prover av exponerade rötter lida allvarlig cambial försämring på grund av effekterna av exponering (t.ex. ändringar i temperatur, förekomsten av ljuset) plus den fysisk stressen, på grund av tramp av vandrare eller djurens betande och surfar som rötterna genomgå efter de utsätts. Av huruvida diskontinuerligt ringar, liksom just dating det första året som svar på exponering var fulländat i labbet som i protokoll 4 (steg 4.1.6 till 4.1.8). Vi valde förhöjningen av latewood andel och förekomsten av tree-ring betydligt bredare än genomsnittet som indikatorer på första exponeringen.

114 delar av exponerade Pinus uncinata Ramond ex DC, Fagus sylvatica L., Pinus pinaster Ait. och Pinus sylvestris rötter användes för detta ändamål. Till följd av döden av cambium på den övre delen av roten hittade vi allvarliga förändringar i mönstret tree-ring-tillväxt, som flyttats från koncentrisk till excentrisk tillväxt (figur 7), liksom diskontinuerligt träd-ringar eller ens några som hade varit helt förstördes i yttre träd-ringar. Ovanstående tyder på att den strategi som vi genomfört var framgångsrika i att bestämma med tillräcklig noggrannhet ålder rötterna och särskilt året som den första exponering ringen bildades.

Figure 7
Figur 7: exempel på excentrisk tree-ring mönster i rötter på grund av exponering. Denna figur visar en vy av ett polerat avsnitt av en rot som exponeras i avsaknad ärr (A) och med ärr (B). I båda fallen är det möjligt att följa mönstret av excentrisk träd-ringar som en klar reaktion jorderosion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ett labb experiment utfördes som i protokoll 4 (steg från 4.2.1 till 4.2.8) för att avgöra hur rötterna anatomiskt bemöta exponering. För detta ändamål användes samma exponerade rötter prov beskrivs ovan. Prover undersöktes under optisk mikroskopi och fotograferade med en digital imaging. Mikroskopiska bilder analyserades vid 50 × förstoring med en noggrannhet av 1 μm i mätningarna. Den första tiden av exponering kan ses i de karakteristiska anatomiska förändringarna. Träd-ringar visar tydligt ökad tillväxt (särskilt igenkännligt i två eller tre efterföljande ringar), som är ett resultat av en ökning av både tracheid antal och deras storlek. Det märktes också en ökning av antalet fartyg. Harts kanaler visas vanligtvis i tangentiell rader i earlywood. Latewood är enkelt observerbara eftersom det har flera rader av tjockväggiga Trakeider. En betydande nedgång i tracheid lumen av earlywood när roten utsätts också uppstår. Med avseende på anatomiska fotavtryck av tio begravda rötter provtas, resultat indikerar att denna urvalsgrupp börjar reagera enligt det beteende som beskrivs ovan när locket markdata understiga 3 cm (figur 8).

Figure 8
Figur 8: exempel på anatomiska svar av rötter på exponering. Wood anatomi av Pinus uncinata Ramond ex DC rötter: (A) anatomi av begravda rötter (200 μm). (B) anatomi av exponerade trä (500 μm). Wood anatomi från rötterna av Fagus sylvatica L.: (C) anatomi av en begravd rot (500 μm). (D) anatomi av exponerade trä (500 μm). Denna siffra har ändrats från Bodoque et al. 36 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Karakterisering av surface microtopography variabilitet spelar en avgörande roll i att erhålla tillförlitliga blad erosion priser härrör från dendrogeomorphology (figur 9). Därför utformade vi en experimentell och fältförsök som syftar till att fånga mycket noggranna microtopographic ytbehandlar profiler ska analyseras med protokoll 5 på 114 prover av exponerade rötter. Vi utnyttjade avståndet mellan roten och den knickpoint, som profilen definierar en sänkning av markytan på grund av ark erosionen som ett kriterium att uppskatta tjockleken på som markskiktet urholkats sedan första exponeringen (Ex). När det gäller urvalet exponerade rötter löper parallellt med avrinning sökvägen, visade alla profiler analyseras en konkav konfiguration på båda sidor av de exponerade rötter som karakteriserades. Detta morfologiska mönster slutar vid ett visst avstånd (TD), från vilken markytan endast formas av ark erosion, fastställande, därför platsen där Ex har skall mätas. Om exponerade rötter att köra vinkelrät avrinning, vårt förfarande gjort det möjligt att systematiskt bestämma höjden mellan ovansidan av roten och ett virtuellt plan som tangerar till markytan. Det är också tillåtet att lokalisera småskaliga effekter av sedimentering och skura erosion och, därmed, att säkerställa att ark erosion beräknas korrekt.

Figure 9
Figur 9: exempel på utgångar i marken yta microtopography karaktärisering erhållits från TLS och en microtopographic profil spårvidd. (A) Hillshade modell med hjälp av microtopographic profiler och (B) raster pister som härrör från den hillshade modellen. (C) hillshade-modellen erhålls från TLS och (D) resulterande raster pister. Backarna är uttryckta i sexagesimala grader. I tomter B och D visar streckade linjer TD som Ex måste mätas. Denna siffra har ändrats från Bodoque et al. 36 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Uppskattningar av ark erosion priser har erhållits enligt ekvation ingår i protokoll 6 (figur 10). När det gäller 114 proverna analyseras, varierar året av första roten exponering från 1900-2012, vilket möjliggör medellång sikt (multidecadal) karakterisering av erosion. Dessutom undersökte vi tio begravda rötter, som var fortfarande skyddas av ett tunt jordtäcket. Resultaten visade att begravda rötter började besvara anatomiskt exponeringseffekter när de var 2,3 1,1 cm under markytan (figur 11). Vi anses ett värde som ska läggas till tjockleken på den mark layereroded (Ex) denna särskilda mark nivå.

Figure 10
Figur 10: exempel på ark erosion priser beräknad från dendrogeomorphology. Diagram förbinder erosion priser och års exponering av exponerade rötter. Erosion priser inuti torget är de som används för kvantifiering ändamål. Denna siffra har ändrats från Bodoque et al. 21 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 11
Figur 11: exempel på anatomiska svar i begravda rot sektioner. Mörk grå cirklar Visa begravda rötter med exponering bevis. Storleken på cirklarna visar rot diameter, medan siffrorna anger rot djup. Denna siffra har ändrats från Ballesteros-Cánovas o.a. 35 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det protokoll som distribuerats visar värdet av detaljerad och korrekt karakterisering av marken yta microtopography, eftersom det gör det möjligt för att mäta pålitlig ark erosion priser från dendrogeomorphology. Med vårt metodiska tillvägagångssätt fokuserar på vikten av att karaktärisera microtopography i närheten av exponering rötter att förbättra erosion pris uppskattning. Denna faktor har till stor del ignorerats i tidigare studier, vilket resulterar i en felaktig tolkning av smutsa erosion priser härrör från dendrogeomorphology34. Införandet av microtopography tillåter erosion priser uppskattas oavsett root läggning, vilket gynnar replikerbarheten av metoder35. Förvärvet av microtopography kan utföras med olika tekniker. Därför förstår vi skillnaderna mellan mark som framställts av microtopographic profiler (steg 5.2.1) och TLS (steg 5.1.1 till 5.1.2). Trots dessa skillnader som ibland är även inom ordningen på upp till 50% av variansen åtgärder36, vi belysa att tillförlitligheten i våra protokoll som bygger på microtopographic profiler (steg 5.2.1) är jämförbart med att uppnås med TLS (~ mm).

Denna studie visar också att protokollet distribueras här kan användas i bergsområden som ett alternativ till TLS. Att använda TLS i detta geografiska sammanhang är inte praktiskt på grund av storlek och vikt för enheten, som hindra transport genom otillgängliga områden. Tillämpningen av kriterierna som TD som en indikation på avståndet på vilken markytan inte förändras till följd av axiella och radiella trycket som utövas av root37,38, eller där det finns ingen sedimentering (upslope av den root) eller skura erosion (downslope av roten)35 illustreras liksom (steg 5.1.5 och 5.2.2). Vi har fastställt att detta särskilt avstånd måste utnyttjas i framtida arbete som inbegriper definitionen på den punkt där Ex skall mätas.

Makroskopiska och mikroskopiska observationer (steg 4.1 och 4.2) är nödvändiga för att dechiffrera den miljömässiga signalen i tree-ring records. Den enda användningen av tree-ring breddmätning kanske inte är tillräckligt att fastställa tidpunkten för exponering, eftersom anatomiska förändringar är känsligare39 och kan även produceras när root är fortfarande begravda av en tunn jord lager30. Således, befintliga studier tyder på att de barrträd arterna används i detta dokument (dvs., Pinus uncinata Ramond ex DC, Pinus pinaster Ait. och Pinus sylvestris) reagerar på exponering med excentriska tillväxt och en betydande utveckling av latewood Trakeider, som är kongruent med tidigare fynd den andra barrträd arter21,27,29,30. Reaktioner start händer när mark täckning av roten avböjer nedan 2.3 1.1 cmand därför instämmer observationen från marly badlands i Frankrike där analysen var inriktad på Pinus sylvestris och Pinusnigra30.

Den första exponering-reaktionen är översatt som en reaktion på öka temperaturen variabilitet samt torkstress som kommer att hända mer snabbt i toppen av nivån av lösa sediment nära de jord ytbehandla29,30, 40,41. Denna anatomiska modifiering kan även ses som en förutsägbar reaktion av roten för att minska risken för dysfunktionella Trakeider som följd av kavitation, orsakas av utvecklingen av iskristaller i sap42, eller ens mobil embolism är associerad med vatten stress43. Våra observationer, följaktligen verifierar hypotesen om Corona o.a. 30 och föreslår också att tidigare bedömningar som inte ansåg denna bias kunde har undervärderat erosion priser. När det gäller Fagus sylvatica L., kan vi bekräfta likheter i mönster och reaktioner mellan denna särskilda arter och andra Lövfällande arter som diskuteras i litteraturen26,28,29 .

Dendrogeomorphology har konkurrensfördelar jämfört med andra metoder för direkt uppskattning. Så, den analys baserat på exponerade rötter kan vara ambitiösa när det gäller kännetecknar jorderosion även vid handfatet skalan, som tillhandahåller representativa erosion priser av de sista årtiondena. Däremot är användningen av direkta metoder, som Gerlach dalar2, vatten samlare3 eller mäta posterar44, vanligtvis begränsad till ett par år och användningen vid hillslope skalan, på grund av de höga kostnaderna för underhåll och drift av dessa enheter21. Liknande tankegångar skulle också kunna tillämpas på modeller som syftar till att uppskatta jord erosion45, eftersom de kräver mätare finns i fältet att tillåta deras validering och kalibrering46. När det gäller analysen av jorderosion i rekreation vandringsleder är våra protokoll mycket mer lättapplicerade än standardprotokoll, dvs tvärsnittsarea (CSA), variabel CSA, högsta snitt till leden eller topografiska undersökningar47, 48,49, särskilt om leden är placerad i bergiga områden. I detta särskilda geografiska sammanhang, det är en utmaning att använda protokollen ovan på grund av den tunga utrustning som krävs, vilket är svårt att flytta i sådana miljöer. Denna begränsning kan begränsa antalet sprickbildningsområde samlas in och kan följaktligen påverka spatiotemporal uppskattningar av smutsa erosion50. Dessutom är det en utmaning att exakt bestämma den horisontella positionen och garantera att samma höjd över fixad pekar är ansedd, som smutsa krypa tenderar att spela en roll i sådana miljöer49.

Begränsningarna av erosion priser härrör från dendrogeomorphology är relaterade till det faktum att den exponerade rötter är vanligtvis begränsad till ett par decennier. Trots är detta tidsfönster oftast större än den som definierats av erosion priser erhålls från direkta tekniker. Cross-dejting, den grundläggande principen av dendrokronologi, också visat sig svårt att genomföras i rötter, även om de avser samma träd51,52. Konsekvens av rot-baserade uppskattning av erosion priser är dessutom sannolikt att påverkas av begränsningar liknande de noterade för skriftliga källor eller metoder som bygger på radioisotoper53. Om ovanstående jorderosion blir en konsekvens av en icke-linjär respons till nederbörd. Genomsnittliga erosion priser som erhållits från dendrogeomorphology kan vara, därför, mindre tillförlitliga att karakterisera jorderosion i områden där denna process är främst på grund av några kraftiga regn händelser, sedan under denna omständighet erosion priser kan vara skev55 . Dessutom kan provtagning av stora exponerade rötter leda för att underskatta erosion priser eftersom det har visats att erosion och rota tjocklek har en inversed proportionella förhållandet19.

Resultat från protokollet distribueras här erbjuda användbar information om markförstöring. I det avseendet, kan dendrogeomorphology hjälpa beslutsfattare att utforma långsiktiga förvaltningsplaner, på grund av erosion priser härrör från exponerade rötter spatiotemporal representativitet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

De forskningsprojekt som finansieras denna forskning var: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) av det spanska ministeriet för vetenskap och teknik och projektet idé-GESPPNN (OAPN 163-2010), som finansierades av Spaniens Environmental Ministry.

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

Miljövetenskap fråga 143 jorderosion dendrogeomorphology exponerade rötter träd ring mark microtopography wood anatomi
Laboratorium och fält-protokollet för att uppskatta ark Erosion priser från 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