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 og felt protokol til estimering ark Erosion 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

Kendetegner erosion fra dendrogeomorphology har normalt fokuserer på præcist at finde starttidspunktet for root eksponering, ved at undersøge makroskopisk eller celle niveau ændringer forårsaget af eksponering. Her tilbyder vi en detaljeret beskrivelse af forskellige nye teknikker til at opnå mere præcise erosion priser fra meget præcise microtopographic data.

Abstract

Ark erosion er blandt de afgørende drivkræfter bag jordbundsforringelse. Erosion er kontrolleret af miljømæssige faktorer og menneskelige aktiviteter, som ofte fører til alvorlige miljømæssige konsekvenser. Forståelsen af ark erosion er derfor et verdensomspændende problem med konsekvenser for både miljøet og økonomien. Men viden om hvordan erosion udvikler sig i tid og rum er stadig begrænset, såvel som dens virkninger på miljøet. Nedenfor forklarer vi en ny dendrogeomorphological protokol for der følger eroderet jord tykkelse (Ex) ved at erhverve præcise microtopographic data ved hjælp af både jordbaserede laser scanning (TLS) og microtopographic profil målere. Derudover er standard dendrogeomorphic procedurer, afhængig af anatomiske variationer i roden ringe, udnyttet til at fastsætte tidspunktet for eksponering. Både TLS og microtopographic profil målere der anvendes til at få jorden overflade profiles, hvorfra Ex er anslået efter tærskel afstand (TD) bestemmes, dvs afstanden mellem roden og sedimentet knickpoint, som giver mulighed for defining en sænkning af jordoverfladen forårsaget af ark erosion. For hver profil målte vi højde mellem inderlår af roden og en virtuel plan, der tangerer til jordoverfladen. På denne måde, vi har tænkt os at undgå små nedslag af jord deformation, som kan skyldes pres udøves af rodsystemet, eller arrangement af udsatte rødder. Dette kan provokere små mængder af jord bundfældning eller erosion afhængigt af hvordan de fysisk påvirker den overflade afstrømning. Vi demonstrere, at en passende microtopographic karakterisering af eksponerede rødder og deres tilknyttede jordoverfladen er meget værdifuldt at få nøjagtige erosion priser. Denne konstatering kan udnyttes til at udvikle de bedste forvaltningspraksis designet til i sidste ende standse eller måske, i det mindste mindske jorderosion, således at mere bæredygtig forvaltning politikker kan gennemføres i praksis.

Introduction

Både økonomiske og miljømæssige konsekvenser produceret af ark erosion gør dette emne i en verdensomspændende bekymring1. Flere metoder, fra direkte teknikker til fysisk-baseret og empiriske tilgange, der bruges til at beregne jordens erosion satser på en række forskellige tidsmæssige og rumlige skalaer. Direkte teknikker bruge feltmålinger under naturlige forhold og er hovedsageligt baseret på brug af Gerlach trug2, vand samlere3, erosion ben4 og profilometers5. Modeller af jorderosion har desuden været i stigende grad fokuseret på at repræsentere i detaljer de reelle fysiske processer, der er ansvarlig for erosion6.

Dendrogeomorphology7 er en underinddeling af dendrochronology8 at det er en succes i kendetegner hyppigheden og omfanget af geomorphic processer9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Vedrørende ark erosion, dendrogeomorphology er normalt ansat til at forbedre eller erstatte de metoder, der er nævnt ovenfor, navnlig i områder, hvor erosion satser afledt direkte teknikker er enten knappe eller utilgængelige. Dendrogeomorphology er en meget fleksibel metode til vurdering af jorderosion og kan udnyttes til at kalibrere fysisk-baseret og empiriske modeller, eller måske som en data kilde for at forbedre pålideligheden af direkte skøn teknikker18, 19. Dendrogeomorphology giver mulighed for jorderosion skal fastsættes over store områder hvor udsatte rødder er tilgængelige. Disse udsatte rødder skal vise klare træ ringe grænser og reagere på årlige vækstmønstre betragtes som optimal at anvende dendrogeomorphological teknikker20. Yderligere, eksponerede rødder skal udtages skal placeres fortrinsvis i homogene enheder baseret på deres reaktion til jordbunden erosion21.

Den konventionelle dendrogeomorphical måde at anslå ark erosion er funderet på måling i situ eroderet jord tykkelse (Ex) fra tidspunktet for den første eksponering for den nuværende22,23, 24. Forholdet mellem disse to variabler er udnyttet til at beregne en erosion værdi i mm∙yr1. Meget af den forskning, som udføres til dato har fokuseret udelukkende på effektivt at identificere de første år af eksponering. Som et resultat, er ændringer i roden på grund af eksponering analyseret ved den makroskopiske niveau25, eller væv og cellulære niveau26,27,28. Væsentligste anatomiske ændringen i de udsatte rødder af nåletræer er stigende vækst ringen tykkelse, som følge af et betydeligt antal celler inden for earlywood (EW)26. En nedskæring er ligeledes blevet fundet inden for området lumen af EW trakeiderne sammen med en øget cellevæg struktur tykkelse latewood (LW) trakeiderne24,27,,29. Disse ændringer er blevet beskrevet og kvantificeret som begyndelsen når erosion sænker jordoverfladen over roden til ca tre cm30. Mindre opmærksomhed blev givet til tilstrækkelig bestemmelse af parameteren Ex . Alder af udsatte rødder var typisk forbundet med højden af root's midterakse vækst over jorden overflade31,32. Estimering af Ex blev derfor korrigeret overvejer løbende sekundære vækst30,33. Disse metodiske tilgange har for nylig også integreret karakterisering af jorden microtopography at opnå pålidelige erosion satser34,35,36.

Vi præsenterer en laboratorie- og protokol for at vurdere mere nøjagtige og pålidelige ark erosion priser fra dendrogeomorphology. I denne særlige protokol undersøge vi den hypotese, at prøvetagning alle udsatte rødder, uanset orientering i forhold til afstrømning vej og sammenholdt med microtopographical analyse, muliggør erosion priser netop rekonstrueret og kvantificeret. Vores mål er derfor, at give en protokol for at vurdere erosion priser fra maksimering stikprøvestørrelse på udsatte rødder, ved hjælp af makroskopiske og mikroskopiske oplysninger fundet i træ-ring vækstserie og også høj opløsning topografiske data.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. prøvetagningsmetode

  1. Geomorphic procesidentifikationen
    1. Gennemføre hydrologiske svar enheder tilgang (HRU)21. Med henblik herpå, identificere homogene områder inden for undersøgelse site, bestående af litologi og overflade indskud, baldakin cover, vegetativ rester i kontakt med jordoverfladen og hældning. Vælg blandt alle HRUs dem som ark erosion proces er fremherskende.

Figure 1
Figur 1: eksempel på HRUs forbundet til en sandstrand hulvej. Med hensyn til protokollen foreslog her, prøveudtagning af udsatte rødder skal føres i en HRU hvor effektiv erosive processen er ark erosion (i denne figur legende svarende til udsatte sand med moderat skråninger). Dette tal er blevet ændret fra Bodoque et al. 21 . Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Prøvetagning af udsatte rødder
    1. Find i undersøgelsen site udsat rødderne svarende til træarter nyttigt for træ-ring dating (helst nåletræer)20.
    2. Give en detaljeret beskrivelse af omgivelserne omkring udsatte rødderne skal udtages rumlige og morfologiske karakteristika. Indsamle følgende oplysninger: geografiske placering (UTM koordinater); højde; aspekt i sexagesimal grader, både til bjergsiden og for en bestemt rodplacering (lokale aspekt); afstand i afsnittet rod at træstamme; Hillside hældning og hældningen af specifikke rodplaceringen (både udtrykt i grader); orientering af den udsatte rod med hensyn til stien afstrømning.
    3. Tage en jordprøve på omkring 1 kg fra området omkring hver udsat root. Parametrene, der kendetegner er tekstur, procentdel af organisk materiale og jord struktur.
    4. Måle i situ hydraulisk ledningsevne ved hjælp af en enkelt ring infiltrometer under konstant hoved.
      Bemærk: Gennemføre trin 1.2.2 og 1.2.3 at karakterisere jord erodibility.
    5. Find udsatte rødder, der er længere end 1,5 m fra stammen. Ved mindre afstande kunne eksponeringen relateres til trævækst.
    6. Skæres med en håndsav mindst 30 udsatte rødder, med en diameter større end 5 cm, i 15 cm lange sektioner. Derefter tage to skiver af ca 1,5 cm tyk.
    7. Ved hjælp af en måling murske, en håndsav og et målebånd, prøve en delmængde af begravet rødder (mindst en tredjedel af de samlede udsatte rødder stikprøven) på forskellige jord dybder (maksimalt 20 cm) til at etablere minimum jord tykkelsen nedenfor, som rødder begynder at have en anatomiske svar på grund af eksponering.

Figure 2
Figur 2: eksempel på hvordan man fører feltet prøveudtagning. Mindst 30 udsatte rødder vælges og, senere, skåret med en håndsav. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

2. Microtopographic karakterisering af jordoverfladen og udsatte rødder på let tilgængelige steder

  1. Bruge en jordbaseret Laser Scanning enhed, der kan måle op til 50.000 point pr. sekund med en præcision på 1 mm i en scanning afstand af < 120 m.
  2. Overveje mindst to forskellige konventionelle TLS steder at undgå skygge områder.
  3. Flette de forskellige steder ved hjælp af et minimum af fire high-definition opmåling (HDS) mål positioneret til at dække hele området.
  4. For at opnå meget præcise topografiske data, scanne et gennemsnitligt areal på 300 cm2 fra de valgte placeringer ved hjælp af en rumlig opløsning på 1 mm. Medtag de udsatte rødder og det omkringliggende område, der er repræsentativ for jordoverfladen.

3. Microtopographic karakterisering af jordoverfladen og udsatte rødder, på steder med svære og stejle terræn (Mountain miljøer)

  1. Placer en microtopographic profil gauge vinkelret på udsatte roden og efterfølgende niveau horisontalt for alle målinger på en sådan måde, at forskellige DataSet kan sammenlignes.
  2. Tegn profilen fremstillet i trin 3.1 på millimeterpapir at udlede størrelsen af eroderet jord langs profilen med sub millimeter præcision.

Figure 3
Figur 3: eksempel på karakterisering af jorden microtopography ved hjælp af en microtopographic profil gauge. (A) illustration af udsatte rødder som observerede langs en vandresti; B målinger af jordens microtopography ved hjælp af en microtopographic profil måle; C vurdering af Ex gennem erhvervelse af microtopographic profiles ved at trække dem på et millimeterpapir tillade afledningen af mængden af eroderet jord langs profil og med sub millimeter præcision. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

4. bestemmelse af timingen af roden eksponering

  1. Makroskopisk analyse
    1. Luft tørre dele fremstillet i trin 1.2.6 i 2 måneder.
    2. Få fra indledende afsnit to skiver, der er hver cirka 2 cm tyk.
    3. Slibe og polere skiver med sandpapir (op til 400 grus) for at lette anerkendelse af vækst ringe.
    4. Skan skiver på et minimum opløsning på 2800 dpi, således at de kan analyseres præcist, selv når ringene er særlig tynd.
    5. Bruge stigning i latewood procentdel og større vækst-ring bredder som indikatorer for stress induceret af eksponering.
    6. Markere mindst 4-5 radier langs diametre af skiver, der vise den højeste variation i vækst-ring bredder.
    7. Bruge et billede analysesystem eller en måling tabel til at måle træ-ring bredde.
    8. Anvende visuelle cross-dating procedurer ved at sammenligne variabilitet i vækst-ring bredde mellem de forskellige radier, både forbedre dating præcisionen for det første år af eksponering til jorderosion og for korrekt dato efterfølgende ringe og anerkende tilstedeværelsen af flere eller diskontinuert ringe.

Figure 4
Figur 4: eksempel på hvordan man forbereder en sektion af en udsat root at udføre dendrochronological datering af vækst ringen serien. I hvert afsnit markeres fire eller fem radier langs de retninger, der viser den højeste variation med hensyn til træ-ring bredde. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Mikroskopisk analyse
    1. For begge udsatte og ikke-eksponerede rod prøver, skal du bruge en glidende mikrotom for at opnå radial tværsnit på ca 1 cm i bredden og 20 mikron tyk.
    2. Pletten tværsnit med safranin (dvs. 1 g af safranin + 50 g vand + 50 g 96% ethanol) og dehydrere med stadig rigere ethanol-vand løsning op til 96% ethanol (fx 50% og 96% ethanol) indtil ethanol kører klar. Sættetid prøver i xylol eller en citrus olie clearing agent (f.eks. Histoclear).
    3. Montere tværsnit på bestrøget dias, cover-slip med en hærdende epoxy (f.eks. Eukitt, Canada balsam og tørt ved stuetemperatur (dvs. omkring 5-8 h til Eukitt, mindst 24 timer for Canada balsam).
    4. Observere (under 125 X forstørrelse) og fotografere prøver med en digital billedbehandling system under Optisk mikroskopi.
    5. Undersøg under et optisk mikroskop anatomiske fodaftryk af både udsættes og ikke-eksponerede rod prøver (trin 1.2.5 og 1.2.6).
    6. Tage mikroskopiske målinger ved hjælp af et billede analyserer på de digitale fotografier af de efterfølgende parametre: en) bredde af vækst ringen; b) antallet af celler pr. ring; c) procentdel af latewood; og d) lumen område i earlywood.
    7. Test med billede analyzer (trin 4.2.6) forekomsten af harpiks kanaler og tage målinger for hver vækst ringen.
    8. Udføre en envejs-analyse ANAVA med flere forskellige tests (metode: 95% LSD – mindst signifikant forskel) for de anatomiske variabler betragtes (trin 4.2.6) til at verificere eksistensen af statistisk signifikante forskelle mellem de to grupper af målinger (pre udsatte vs udsat rødder).

5. vurdering af tykkelsen af laget jord eroderet siden Initial eksponering (Ex)

  1. Scenario 1: udsat rødder, der kører parallelt med afstrømning sti.
    1. Baseret på oplysninger indhentet i trin 2.4, bruge inverse afstand vægtning som interpolationsmetode at opnå meget præcise digital elevation modeller (Demokrater) med en rumlig opløsning på 3 mm.
    2. Bruge GIS værktøjer til at udtrække fra DEM vinkelret profiler af udsatte roden med en ru afstand af 150 cm.
    3. Udfør trin 5.1.1 og 5.1.2 let tilgængelige steder (trin 2).
    4. Bruge de vinkelrette profiler af udsatte roden fremstillet i trin 3.2 når undersøgelse site er beliggende i områder, hvor terrænet er svære og stejle (mountain miljøer) (trin 3).
    5. Brug visuelle fortolkning for at finde tærskel afstand (TD), defineret som afstanden mellem roden og knickpoint på jordoverfladen i profiler fremstillet i trin 5.1.2 og 5.1.3. Dette etablerer en sænkning af jordoverfladen for profiler på grund af ark erosion.
    6. Skøn tykkelsen af laget jord eroderet ved at måle højden mellem toppen af roden og knickpoint på jordoverfladen anslået taktfast 5.1.5.
    7. Korrekt måling fremstillet i trin 5.1.6 ved at fratrække det fra den igangværende sekundære vækst (dvs. vækst af roden siden år af eksponering) og bark tykkelsen på den øvre/nedre side af roden. Se Corona et al. 30 for en detaljeret beskrivelse.

Figure 5
Figur 5: Eksempel illustrerer hvordan til at placere TD når udsatte rødderne stikprøven er orienteret efter stien afstrømning. Denne figur viser en fælles microtopographic tværgående profil af udækkede rod og dens umiddelbare nærhed. Ex1 er lokationen anvendes til den traditionelle dendrogeomorphical tilgang til at bestemme eroderet jord tykkelse; Ex2 hører til den position, hvor denne parameter skal vurderes. TD er taget som en guide som jordoverfladen er ændret af ark erosion kun. Dette tal er blevet ændret fra Bodoque et al. 34 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Scenarie 2: udsat rødder, der løber vinkelret på stien afstrømning
    1. Gennemføre trin 5.1.1 til 5.1.4, som anført under trin 5.1.
    2. Ved hjælp af raster regnemaskine findes i software, geografiske informationssystem (GIS), for hver vinkelrette profil foranstaltning højde mellem toppen af roden og jordoverfladen ved hjælp af knickpoint på jordoverfladen som reference. På dette tidspunkt målinger af Ex er ikke påvirket af bundfældning og/eller gennemsøge erosion og, derfor, er det muligt at måle jorderosion.
    3. Korrekt måling fremstillet i trin 5.2.2 anvendelse af proceduren i trin 5.1.7.

Figure 6
Figur 6: eksempel tegning hvordan vi kommer videre når udsatte rødderne stikprøven er orienteret efter vinkelret på afstrømning cmds Denne figur viser en skematisk oversigt over en jorden overflade profil relateret til en udsat vinkelrette rod vedrørende stien afstrømning. Eroderet jord tykkelse (Ex) er kvantificeret på knickpoint sammenfaldende fremherskende bundfældning og scour erosion processer i nærheden roden. Dette tal er blevet ændret fra Ballesteros-Canovas et al. 35 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

6. ark Erosion sats estimering

  1. Alt efter jordbundens mekaniker beskaffenhed af webstedet undersøgelsen, gælder ligning 1 (dvs. hypothesizes, radial vækst pres fra roden er lavere end shear styrken af jorden), eller ligning 2 (dvs. forudsætter stabilitet af den roden akse gennem tiden)30:
    Equation 1(1)
    Equation 2(2)
    Hvor:
    ER (mm∙yr-1), er ark erosion sats til estimeres.
    EX (mm), er tykkelsen af laget jord eroderet siden initial eksponering. Dette opnås ved at udføre trin 5.1.1 til 5.2.3.
    Gr1 og Gr2(mm) repræsenterer den sekundære (efterfølgende) vækst på den opadgående/nedadgående del af roden efter eksponering. Det er opnået efter udførelse af trin 5.1.7.
    B1 og B2 (mm) er bark tykkelsen på den øvre/nedre del af roden. Det er opnået ved metode i trin 5.1.7.
    Ε (mm), er defineret som minimal dybden af jord under hvilke rod begynder at ændre sin anatomiske konfiguration.
    NRex (yr), er antallet af træringe udviklet efter året for eksponering. Det er opnået ved hjælp af trin 4.1.1 til 4.2.8.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Prøver af udsatte rødder lider alvorlig cambial forværring på grund af virkningerne af eksponering (f.eks. ændringer i temperatur, forekomsten af lys) plus den fysiske stress, på grund af tramper af vandrere eller dyrs græsning og browsing, rødderne gennemgå efter de udsættes. Bestemmelse af eksistensen af diskontinuert ringe, samt netop dating det første år af reaktion på udsættelse blev gennemført i laboratoriet som i protokol 4 (trin 4.1.6 til 4.1.8). Vi valgte stigningen af latewood procentdel og træ-ring betydeligt bredere end gennemsnittet tilstedeværelse som indikatorer for første eksponering.

114 sektioner af udsat Pinus uncinata Ramond ex DC, Fagus sylvatica L., Pinus pinaster Ait. og Pinus sylvestris rødder blev brugt til dette formål. Som følge af død af cambium på den øverste del af roden fandt vi alvorlige ændringer i træ-ring vækstmønster, som skiftede fra koncentriske til excentriske vækst (figur 7), samt diskontinuert træringe eller endda nogle, der havde været helt ødelagt i de ydre træringe. Ovenstående tyder på, at den tilgang, vi gennemført var succes med fastsættelsen med tilstrækkelig nøjagtighed alder af rødderne og den særlige år, hvor den første eksponering ring blev dannet.

Figure 7
Figur 7: eksempler på excentrisk træ-ring mønster i rødder på grund af eksponering. Denne figur viser en visning af en poleret sektion af en rod udsat i mangel ar (A) og med ar (B). I begge tilfælde er det muligt at observere mønster af excentriske træringe som en klar reaktion på jorderosion. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

En lab eksperiment blev udført som i protokol 4 (skridt fra 4.2.1 til 4.2.8) for at bestemme, hvordan rødderne anatomisk reagere på eksponering. Med henblik herpå, blev den samme udsatte rødder prøve beskrevet ovenfor brugt. Prøver blev undersøgt under Optisk mikroskopi og fotograferet med en digital billedbehandling system. Mikroskopiske billeder blev analyseret på 50 × forstørrelse med en nøjagtighed på 1 μm i målingerne. Den første gang af eksponering kan ses i de karakteristiske anatomiske ændringer. Træringe viser tydeligt øget vækst (især genkendelige i to eller tre efterfølgende ringe), som skyldes en stigning i både tracheid nummer og deres størrelse. En stigning i antallet af fartøjer var også mærkbar. Harpiks kanaler vises normalt i tangential rækker i earlywood. Latewood er umiddelbart observerbare, da det har flere rækker af tykvæggede trakeiderne. Et betydeligt fald i tracheid lumen af earlywood når roden er udsat forekommer også. Med hensyn til den anatomiske fodaftryk af ti begravet rødderne stikprøven, resultaterne tyder på at denne testgruppen begynder at reagere i henhold til den funktionsmåde, som beskrives ovenfor når dækslet til edaphic falder under 3 cm (figur 8).

Figure 8
Figur 8: eksempel på anatomiske reaktion af rødder på eksponering. Træ anatomi af Pinus uncinata Ramond ex DC rødder: (A) anatomi af begravet rødder (200 μm); B anatomi af fritliggende træ (500 μm). Træ anatomi fra rødderne af Fagus sylvatica L.: (C) anatomi af en nedgravet rod (500 μm); (D) anatomi af fritliggende træ (500 μm). Dette tal er blevet ændret fra Bodoque et al. 36 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Karakterisering af overflade microtopography variation spiller en afgørende rolle i at få pålidelige ark erosion priser stammer fra dendrogeomorphology (figur 9). Med henblik herpå, vi designet en eksperimenterende og felt eksperiment sigter mod at indfange meget præcise microtopographic overflade profiler der skal analyseres ved hjælp af protokol 5 på 114 prøver af udsatte rødder. Vi udnyttede afstanden mellem roden og knickpoint, hvorfra profilen definerer en sænkning af jordoverfladen på grund af ark erosion som et kriterium at vurdere tykkelsen af laget jord eroderet siden initial eksponering (Ex). Angående stikprøven udsatte rødder kører parallelt med afstrømning sti, viste alle profiler analyseret en konkav konfiguration på begge sider af de udsatte rødder, der blev karakteriseret. Denne morfologiske mønster ender i en bestemt afstand (TD), hvorfra jordoverfladen er kun formet af ark erosion, fastlæggelse, derfor den placering, hvor Ex har skal måles. Hvad angår udsatte rødder at køre vinkelret på stien afstrømning, vores procedure gjort det muligt at systematisk bestemme højden mellem inderlår af roden og en virtuel plan, der tangerer til jordoverfladen. Det er også tilladt at finde små nedslag af bundfældning og scour erosion og dermed sikre at ark erosion anslås nøjagtigt.

Figure 9
Figur 9: eksempel på output af jorden overflade microtopography karakterisering fremstillet af TLS og en microtopographic profil gauge. (A) Hillshade model opnås ved hjælp af microtopographic profiler og (B) raster pister stammer fra hillshade modellen. (C) hillshade model fremstillet af TLS og (D) resulterende raster pister. Pisterne er udtrykt i sexagesimal grader. I parceller B og D angiver stiplede linjer TD hvor Ex skal måles. Dette tal er blevet ændret fra Bodoque et al. 36 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Skøn over ark erosion priser er opnået efter ligningen inkluderet i protokol 6 (figur 10). Med hensyn til 114 prøverne analyseres, svinger året for allerførste root eksponering fra 1900-2012, som gør det muligt for den mellemfristede (multidecadal) karakterisering af erosion priser. Derudover undersøgte vi ti begravet rødder, som blev stadig beskyttet af en tynd jorddække. Resultaterne viste, at begravet rødder begyndte at anatomisk reagere på effekterne eksponering, da de var 2.3 1,1 cm under jordoverfladen (Figur 11). Vi fandt denne særlige jord niveau som en værdi der skal føjes til tykkelsen af jord layereroded (Ex).

Figure 10
Figur 10: eksempel på ark erosion satser anslået fra dendrogeomorphology. Graf forbinder erosion priser og års udsættelse af de udsatte rødder. Erosion priser inde på pladsen er dem, der anvendes til kvantificeringen formål. Dette tal er blevet ændret fra Bodoque et al. 21 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 11
Figur 11: eksempel på anatomiske svar i begravet root sektioner. Mørk grå cirkler Vis begravet rødder med eksponering beviser. Størrelsen af cirkler viser root diameter, mens tallene angiver root dybder. Dette tal er blevet ændret fra Ballesteros-Canovas et al. 35 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen indsat viser værdien af detaljerede og korrekte karakterisering af jorden overflade microtopography, da det gør det muligt for at måle troværdig ark erosion priser fra dendrogeomorphology. Vores metodiske tilgang fokuserer på betydningen af kendetegner microtopography i omgivelser af eksponering rødder at forbedre erosion sats skøn. Denne faktor har været stort set ignoreret i tidligere undersøgelser, hvilket resulterer i en fejlfortolkning af jordbunden erosion priser stammer fra dendrogeomorphology34. Inddragelse af microtopography tillader erosion priser at være anslået uanset root orientering, som favoriserer replicability metoder35. Erhvervelsen af microtopography kan udføres ved hjælp af forskellige teknikker. Derfor anerkender vi forskellene mellem DEM fremstillet af microtopographic profiler (trin 5.2.1) og TLS (trin 5.1.1 til 5.1.2). Trods disse forskelle, nogle gange at være selv inden for rækkefølgen af op til 50% af variansen af foranstaltninger36, vi fremhæve, at pålideligheden af vores protokol baseret på microtopographic profiler (trin 5.2.1) kan sammenlignes med, der er opnået med TLS (~ mm).

Denne undersøgelse viser også, at protokollen indsat her kan bruges i bjergrige områder som en alternativ tilgang til TLS. Brug af TLS i denne specifikke geografiske kontekst er ikke praktisk på grund af størrelsen og vægten af enheden, som vanskeliggør dens transport gennem utilgængelige områder. Anvendelsen af TD kriterier som en angivelse af afstanden, som jordoverfladen ikke ændrer som følge af aksial og radial pres udøves af root37,38, eller hvor der er ingen sedimentering (toppens Forside af den root) eller scour erosion (bagside af roden)35 illustreres samt (trin 5.1.5 og 5.2.2). Vi har besluttet at dette bestemt afstand skal udnyttes i fremtidige arbejde i forbindelse med definitionen på det punkt, hvor Ex skal måles.

Makroskopisk og mikroskopisk observationer (trin 4.1 og 4.2) er afgørende for at dechifrere de miljømæssige signal i træ-ring records. Den eneste brug af træ-ring bredde målinger er muligvis ikke nok til at bestemme tidspunktet for eksponering, da anatomiske ændringer er mere følsomme39 og kan endda produceres når root er stadig begravet af en tynd jord lag30. Således eksisterende undersøgelser tyder på, at nåletræer træart anvendes i dette papir (dvs., Pinus uncinata Ramond ex DC, Pinus pinaster Ait. og Pinus sylvestris) reagere på eksponering med excentrisk vækst og en betydelig udvikling af latewood trakeiderne, som er sammenfaldende med tidligere resultater på andre nåletræ arter21,27,29,30. Reaktioner start sker når jorden dækning af roden falder under 2,3 1.1 cmand derfor enig i observation fra marly badlands i Frankrig, hvor analysen var fokuseret på Pinus sylvestris og Pinusnigra30.

Den første eksponering reaktion er oversat som reaktion på øget temperatur variation samt tørkestress, der vil ske hurtigere i toppen af detrital niveauet for løs sediment tæt på jordens overflade29,30, 40,41. Denne anatomiske ændringer kan også ses som en forudsigelig reaktion af roden til at mindske risikoen for dysfunktionelle trakeiderne fordi kavitation, forårsaget af udviklingen af iskrystaller i sap42, eller endog mobile emboli forbundet med vand stress43. Vores observationer, derfor bekræfte hypotesen om Corona et al. 30 og også foreslå at tidligere vurderinger, der ikke mente, at denne skævhed kunne har undervurderet erosion priser. I tilfælde af Fagus sylvatica L., kan vi bekræfte ligheder i mønstre og reaktioner mellem denne særlige arter og andre løvfældende drøftet i litteratur26,28,29 .

Dendrogeomorphology har konkurrencemæssige fordele i forhold til andre metoder til direkte vurdering. Så analysen baseret på udsatte rødder gør det muligt for at være ambitiøs med hensyn til kendetegner jorderosion selv ved bassinet skala, giver repræsentative erosion satser i de sidste årtier. I modsætning hertil er er brugen af direkte metoder, som Gerlach trug2, vand samlere3 eller måling stationer44, normalt begrænset til et par år og til brug på hillslope skala, på grund af de høje udgifter til vedligeholdelse og drift af disse enheder21. Lignende overvejelser kunne også anvendes til modeller med henblik på estimering jordbunden erosion45, da de kræver målere placeret i feltet for at tillade deres validering og kalibrering46. Hvad angår analysen af jorderosion i rekreative stier er vores protokol meget mere let anvendt end standardprotokoller, dvs tværsnitsareal (CSA), variabel CSA, maksimale indsnit til trail eller topografisk undersøgelser47, 48,49, især hvis sporet er placeret i bjergrige områder. I denne særlige geografiske kontekst, er det en udfordring at bruge protokoller over på grund af den tunge udstyr, der kræves, som er vanskelige at flytte i sådanne miljøer. Denne begrænsning kan begrænse antallet af transekter indsamlet og kan derfor påvirke spatiotemporelle skøn over jordbunden erosion50. Derudover er det en udfordring til præcist at bestemme den horisontale position og garantere, at anses for den samme højde over de faste punkter, som jorden krybe tendens til at spille en rolle i sådanne miljøer49.

Begrænsninger af erosion priser stammer fra dendrogeomorphology er relateret til det faktum, at en alder af udsatte rødder er normalt begrænset til et par årtier. Ikke desto mindre er dette tidsvindue normalt større end den, der er defineret af erosion satser opnås fra direkte teknikker. Cross-dating, det grundlæggende princip om dendrochronology, også har vist sig vanskeligt at blive gennemført i rødder, selv om de vedrører den samme træ51,52. Desuden er sammenhæng i root-baseret vurdering af erosion satser sandsynlig at blive berørt af restriktionerne ligner dem, kendt for dokumentarfilmen kilder eller strategier baseret på radioisotoper53. Vedrørende ovenstående jorderosion vil være en konsekvens af en ikke-lineær respons til nedbør. Gennemsnitlig erosion satser opnås fra dendrogeomorphology kunne være, derfor, mindre pålidelige til at karakterisere jorderosion i områder, hvor denne proces er hovedsagelig på grund af et par kraftige regnskyl begivenheder, siden under denne omstændighed erosion priser kunne være skæv55 . Derudover prøveudtagning af store synlige rødder kan føre til at undervurdere erosion priser da det er blevet påvist, at erosion satser og root tykkelse har en inversed proportional forholdet19.

Resultater fra protokollen indsat her tilbyder nyttige oplysninger om forringelsen af jordbunden. I forstand, kan dendrogeomorphology støtte beslutningstagerne til at designe langsigtede forvaltningsplaner, på grund af erosion satser afledt af udsatte rødder spatiotemporelle repræsentativitet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

De forskningsprojekter, der finansierede forskningen var: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) af det spanske ministerium for videnskab og teknologi og projekt idé-GESPPNN (OAPN 163/2010), som blev finansieret af miljø ministeriet i Spanien.

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

Miljøvidenskab spørgsmålet 143 jorderosion dendrogeomorphology udsat rødder træ ring jorden microtopography træ anatomi
Laboratorium og felt protokol til estimering ark Erosion 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