Summary

Laboratorium en veld Protocol voor het schatten van blad erosie vanaf Dendrogeomorphology

Published: January 07, 2019
doi:

Summary

Karakterisering van erosie van dendrogeomorphology is meestal gericht op nauwkeurig het vinden van de begintijd van de blootstelling van de wortel, door onderzoek van macroscopische of cel niveau veranderingen als gevolg van blootstelling. Hier bieden wij een gedetailleerde beschrijving van verschillende nieuwe technieken om zeer nauwkeurige microtopographic gegevens nauwkeuriger erosie tarieven te verkrijgen.

Abstract

Blad erosie is een van de cruciale bestuurders van aantasting van de bodem. Erosie wordt gecontroleerd door milieufactoren en menselijke activiteiten, die vaak tot ernstige milieu-effecten leiden. Het begrip van blad erosie is een wereldwijd probleem met gevolgen voor milieu en economie. De kennis over hoe erosie in ruimte en tijd evolueert is echter nog steeds beperkt, evenals de gevolgen ervan voor het milieu. Hieronder leggen wij uit dat een nieuw dendrogeomorphological-protocol voor het afleiden van uitgehold bodem dikte (Ex) door de verwerving van nauwkeurige microtopographic gegevens met behulp van zowel terrestrische laser scannen (TLS) en microtopographic profiel meters. Standaard dendrogeomorphic procedures, afhankelijk van de anatomische variaties in wortel ringen, worden bovendien gebruikt om vast te stellen van het tijdstip van blootstelling. Zowel TLS en microtopographic profiel meters worden gebruikt voor het verkrijgen van grond oppervlakte profiles, waaruit Ex wordt geschat nadat de drempel afstand (TD) is vastgesteld, dat wil zeggen, de afstand tussen het toegangspunt en het sediment knickpoint, waarmee defining de verlaging van het grondoppervlak veroorzaakt door erosie van het blad. Voor elk profiel meten we de hoogte tussen de bovenzijde van de wortel en een virtuele vlak dat raakt aan het grondoppervlak. Op deze manier willen we vermijden kleinschalige effecten van vervorming van de bodem, die als gevolg van druk uitgeoefend door de root systeem of door de indeling van de blootgestelde wortels wellicht. Dit kan kleine hoeveelheden bodem sedimentatie of erosie afhankelijk van hoe zij fysiek de oppervlakte afvoer beïnvloeden uitlokken. We laten zien dat een voldoende microtopographic karakterisering van de blootgestelde wortels en hun bijbehorende grondoppervlak zeer waardevol is voor het verkrijgen van nauwkeurige erosie tarieven. Deze bevinding kan worden gebruikt om de beste beheerpraktijken ontworpen om uiteindelijk stoppen of misschien, ten minste, het verminderen van bodemerosie, zodat meer duurzame beleidsregels voor informatiebeheer kunnen in praktijk worden gebracht.

Introduction

Zowel economische als ecologische effecten geproduceerd door erosie van het blad maakt dit onderwerp in een wereldwijde bezorgdheid1. Verschillende methoden, van directe technieken om fysieke gebaseerde en empirische benaderingen, worden gebruikt voor het berekenen van de bodemerosie tarieven op een verscheidenheid van temporele en ruimtelijke schalen. Directe technieken gebruiken veldmetingen onder natuurlijke omstandigheden en zijn vooral gebaseerd op het gebruik van Gerlach troggen2, water verzamelaars3, erosie pinnen4 en profilometers5. Bovendien hebben modellen van de bodemerosie steeds gericht geweest op vertegenwoordigen in detail de echte fysieke processen die verantwoordelijk zijn voor erosie6.

Dendrogeomorphology7 is een onderverdeling van de dendrochronologie8 dat er succesvol in het karakteriseren van de frequentie en omvang van de geomorfologische processen9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Met betrekking tot erosie van het blad, is de dendrogeomorphology meestal aangewend om te verbeteren of vervangen van de methoden die hierboven vermeld, met name in gebieden waar erosie tarieven afgeleid van directe technieken schaars of niet beschikbaar zijn. Dendrogeomorphology is een zeer flexibele methode voor de beoordeling van de bodemerosie en kan worden gebruikt als u wilt kalibreren op basis van fysieke en empirische modellen, of misschien als een data source ter verbetering van de betrouwbaarheid van directe schatting technieken18, 19. Dendrogeomorphology kunt bodemerosie vastgesteld over grote gebieden waar de blootgestelde wortels beschikbaar zijn. Deze blootgestelde wortels moeten tonen duidelijk boom ringen limiet en reageren op jaarlijkse groeipatronen toepassen van dendrogeomorphological technieken20als optimaal beschouwd. Verdere, blootgestelde wortels te bemonsteren moeten bij voorkeur worden gevestigd in homogene eenheden op basis van hun reactie aan erosie21in de bodem.

De conventionele dendrogeomorphical manier schatten blad erosie is gebaseerd op meting ter plaatse de dikte van de geërodeerde bodem (Ex) uit de tijd van de allereerste blootstelling aan de huidige22,23, 24. De verhouding tussen deze twee variabelen wordt gebruikt voor het berekenen van de waarde van een erosie in mm∙yr1. Veel van het onderzoek tot nu toe heeft zich volledig op het efficiënt identificeren van het eerste jaar van de blootstelling. Als resultaat, worden wijzigingen in de hoofdmap als gevolg van blootstelling bij de macroscopische niveau25, of bij de weefsel- en cellulaire niveaus26,27,28geanalyseerd. De belangrijkste anatomische veranderingen aanwezig zijn in de blootgestelde wortels van coniferen groeit groei ring dikte, als gevolg van een aanzienlijk aantal cellen binnen de earlywood (EW)26. Binnen het gebied van de lumen van EW tracheids samen met een verhoogde cel structuur wanddikte van latewood (LW) tracheids24,27,29is ook een vermindering gevonden. Deze wijzigingen zijn beschreven en gekwantificeerd als begin wanneer erosie het grondoppervlak over de wortel tot ongeveer drie cm30 verlaagt. Minder aandacht werd geschonken aan de passende bepaling van de parameter Ex . De leeftijd van blootgestelde wortels was het meestal verbonden met de hoogte van de root center as van groei boven de grond oppervlak31,32. De schatting van Ex werd derhalve gecorrigeerd gelet op aanhoudende secundaire groei30,33. Meer recentelijk hebben deze methodologische benaderingen ook de karakterisering van de bodem microtopography naar het verkrijgen van betrouwbare erosie tarieven34,35,,36geïntegreerd.

We presenteren een laboratorium en veld protocol voor het inschatten van meer accurate en betrouwbare blad erosie vanaf dendrogeomorphology. In dit protocol bepaalde onderzoeken we de hypothese dat bemonstering van alle blootgestelde wortels, ongeacht geaardheid ten opzichte van afvoer pad en in combinatie met microtopographical analyse, in staat stelt erosie tarieven worden nauwkeurig gereconstrueerd en gekwantificeerd. Onze doelstelling, daarom bieden een protocol voor het inschatten van de tarieven van de erosie van het maximaliseren van de grootte van de steekproef van blootgestelde wortels, met behulp van macroscopische en microscopische informatie gevonden in de boom-ring groeireeks en ook hoge resolutie topografische gegevens.

Protocol

1. de bemonsteringsstrategie Geomorfologische proces identificatie Uitvoering van de hydrologische reactie-eenheden aanpak (HRU)21. Te dien einde door de homogene gebieden binnen de studieplaats, bestaande uit de lithologie en oppervlakte deposito’s, luifel dekking, vegetatieve residu in contact met het bodemoppervlak en de helling te herkennen. Selecteer onder alle de HRUs die waarin het blad erosie proces overheersend is. <p class="jove_content" fo:keep-t…

Representative Results

Monsters van blootgestelde wortels lijden cambial verslechterd als gevolg van het effect van de blootstelling (bijvoorbeeld wijzigingen in temperatuur, incidentie van licht) plus de fysieke spanning, te wijten aan het vertrappen door wandelaars of dierlijke grazen en te bladeren die de wortels ondergaan nadat ze zijn blootgesteld. Om het bestaan van discontinue ringen kunnen vaststellen, evenals het juist dateert het eerste jaar van reactie op blootstelling werd bereikt in het la…

Discussion

Het protocol geïmplementeerd toont de waarde van gedetailleerde en juiste karakterisatie van grond oppervlakte microtopography, omdat het in staat stelt om te meten betrouwbaar blad erosie vanaf dendrogeomorphology. Onze methodologische benadering richt zich op het belang van het karakteriseren van de microtopography in de omgeving van blootstelling wortels om erosie tarief schatting. Deze factor heeft grotendeels genegeerd in eerdere studies, resulterend in een verkeerde interpretatie van grond erosie tarieven afgeleid…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De onderzoeksprojecten die gefinancierd van dit onderzoek waren: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) van het Spaanse ministerie van wetenschap en technologie en het project idee-GESPPNN (OAPN 163/2010), die werd gefinancierd door het ministerie van milieu van Spanje.

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

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).
check_url/kr/57987?article_type=t

Play Video

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).

View Video