JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
환경과학

Лаборатория и поле Протокол для оценки темпы эрозии лист от дендрогеоморфология

Published: January 07, 2019
doi:
10.3791/57987
, , ,
1University of Castilla-La Mancha (UCLM), 2Department of Earth Sciences,University of Geneva, 3Institute for Environmental Sciences,University of Geneva, 4Departamento de Sistemas y Recursos Naturales,Universidad Politécnica de Madrid, 5Departamento de Biodiversidad, Ecología y Evolución,Universidad Complutense de Madrid

Summary

Характеризующие эрозии от дендрогеоморфология обычно уделяется точно найти время начала корень экспозиции, изучая макроскопических или ячейки уровня изменений, вызванных воздействием. Здесь мы предлагаем подробное описание различных новых методов для получения более точных темпы эрозии от высокоточных microtopographic данных.

Abstract

Лист эрозия является одним из важнейших драйверов деградации почв. Эрозия контролируется факторов окружающей среды и человеческой деятельности, которые часто приводят к серьезным экологическим последствиям. Понимание лист эрозии является, следовательно, во всем мире проблема с последствиями для окружающей среды и экономики. Однако знания о как эрозия развивается в пространстве и времени все еще ограниченной, а также его воздействия на окружающую среду. Ниже мы объясняем, что новый протокол dendrogeomorphological для извлечения эрозии почвы толщиной (E-x), приобретая точные microtopographic данных с помощью наземного лазерного сканирования (TLS) и microtopographic профиль датчиков. Кроме того стандартные dendrogeomorphic процедур, зависит анатомические изменения в корень кольца, используются для установления сроков воздействия. TLS и microtopographic профиль, что датчики используются для получения поверхности земли профили, из которых Ex оценивается после того, как определяется пороговое расстояние (TD), т.е. расстояние между корнем и отложениях knickpoint, который позволяет ключевом опускание поверхности земли, вызванные эрозии листа. Для каждого профиля мы измерили высоту между верхней части корня и виртуальные плоскости, касательной к поверхности земли. Таким образом мы призваны избежать мелких влияния деформации почвы, которые могут быть из-за давления, оказываемого корневой системой, или по договоренности корни подвергаются. Это может вызвать небольшое количество оседания почвы или эрозии в зависимости от того, как они физически повлиять на поверхностного стока. Мы демонстрируем, что адекватные microtopographic характеристика подвергаются корни и их связанные поверхности является очень ценным для получения точных эрозии ставки. Этот вывод может быть использован для создания наилучшей практики управления, призванных в конечном итоге остановить или может быть, по крайней мере, уменьшить эрозию почвы, так что более устойчивой политики управления может осуществляться на практике.

Introduction

Экономические и экологические последствия производства листа эрозии делает эту тему в озабоченность во всем мире1. Несколько методов, от прямых методов физической основе и эмпирические подходы, используются для расчета темпов эрозии почвы на различных временных и пространственных масштабов. Прямые методы использования полевых измерений в естественных условиях и главным образом основаны на использовании Gerlach желобов2, вода коллекционеров3, эрозии булавки4 и профилемеры5. Кроме того модели эрозии почвы были все больше и больше сосредоточены на представляющие подробно реальные физические процессы, ответственные за эрозии6.

Дендрогеоморфология7 является подразделением дендрохронологии8 что она успешна в характеристике частота и масштабы геоморфологических процессов9,10,11,12, 13,14,,1516,17. Что касается листа эрозии дендрогеоморфология обычно используется для расширения или замены методологий, упомянутых выше, особенно в районах, где темпы эрозии, производные от прямых методов скудных или недоступен. Дендрогеоморфология это очень гибкий метод для оценки эрозии почвы и может быть использован для калибровки основанные на физической и эмпирических моделей, или возможно как данных источника для повышения надежности прямой оценки методов18, 19. дендрогеоморфология позволяет эрозии почвы устанавливается на больших площадях, где корни подвергаются доступны. Эти корни подвергаются должны показать пределы кольца ясно дерево и реагировать ежегодные шаблонов роста следует рассматривать как оптимальный применять методы dendrogeomorphological20. Кроме того, котор подвергли действию корни для выборки должны быть предпочтительно расположены в однородных единиц, на основании их реакция почвы Эрозия21.

Обычные dendrogeomorphical способ оценки эрозии лист основывается на измерения на месте эрозии почвы толщиной (E-x) со времени первых воздействия нынешних22,23, 24. Соотношение между этими двумя переменными используется для вычисления значения эрозии в mm∙yr1. Большая часть исследований, проведенных на сегодняшний день была сосредоточена исключительно на эффективно определить начальный год воздействия. Как результат анализируются изменения в корне вследствие воздействия на макроскопическом уровне25, или ткани и клеточном уровнях26,27,28. Основные анатомические изменения в выставленных корни хвойных растет толщина кольца роста, вследствие значительного числа клеток в Эрливуд (EW)26. Аналогичным образом было обнаружено сокращение в пределах района люмен EW tracheids наряду с толщина структуры увеличению клеточной стенки latewood (LW) tracheids24,27,29. Эти изменения были описаны и количественно как начало, когда эрозии понижает земной поверхности над корень примерно три см30. Меньше внимания было предоставлено надлежащее определение параметра Ex . Возраст корни подвергаются обычно было связано с высотой оси корневого центра роста над землей поверхности31,32. Поэтому оценка Ex была исправлена, учитывая продолжающийся рост вторичных30,33. Совсем недавно эти методологические подходы также интегрировали характеристика почвы микротопографии для получения надежных эрозии ставки34,35,36.

Мы представляем лабораторных и полевых протокол для оценки более точной и надежной лист темпы эрозии от дендрогеоморфология. В этот конкретный протокол осматриваем гипотеза, что выборка всех выставленных корни, независимо от ориентации относительно пути стока и в сочетании с microtopographical анализа, позволяет темпы эрозии точно быть реконструирована и количественно. Наша цель, поэтому, является предоставление протокол оценить темпы эрозии от увеличения размера выборки корни подвергаются, используя макроскопических и микроскопических информацию, найденную в серии деревьев кольца роста, а также топографических данных с высоким разрешением.

Protocol

1. отбор проб стратегия Геоморфологических процессов идентификации Реализуйте гидрологических единиц ответ подход (ГПЧ)21. С этой целью выявления однородных областей в рамках исследования сайта, включая литологии и поверхности отложений, полога, растительных ост…

Representative Results

Образцы подвергаются корни страдают камбиальных ухудшение объясняется последствиями воздействия (например, изменения температуры, количество света) плюс физического стресса, благодаря трамплинг туристов или животных выпаса и просматривая, корни проходят посл?…

Discussion

Протокол развертывания демонстрирует ценность подробных и надлежащего характеристики поверхности микротопографии земли, как это позволяет измерять темпы эрозии доверия лист от дендрогеоморфология. Наш методологический подход фокусируется на важность характеризующих микротопогра…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Исследовательские проекты, которые финансируются исследования были: Маркони (CGL2013-42728-R); Дендро Avenidas (CGL2007-62063); MAS дендро-Avenidas (CGL2010-19274) испанского министерства науки и техники и проекта идея-GESPPNN (OAPN 163/2010), которая финансировалась окружающей среды министерства Испании.

Materials

Topographic map, soil map, land cover map To be obtained from public institutions or generate at the first phase of research
Single ring infiltometer Turf-Tec International IN16-W http://www.turf-tec.com/IN16Lit.html
Handsaw There is noy any specific characteristics to be considered regarding the model
Measuring tape With accuracy of 1 mm
Terrestrial Laser Scanning (TLS) Leica-Geosystems Leica ScanStation P16 https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
Microtopographic Profile Gauge RS Online Facom, 19 https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
Sandpaper from 80 to 400 grit
Scanner EPSON Perfection V800 Photo https://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
Image analysis system Regent Instruments Inc. WinDENDRO http://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
Measuring table IML https://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
Sliding microtome Thermo Fisher SCIENTIFIC Microm HM 450-387760 http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
Optical microscope OLYMPUS MX63/MX63L https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
Digital camera for microscope OLYMPUS DP74 https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
Safranin Empirical Formula (Hill Notation) C20H19ClN4 
Astrablue Empirical Formula C47H52CuN14O6S3
Alcohol Alcohol by volume (50%, 75% and 100%)
Distilled water H2O
Citrus oil clearing agent https://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
Coated slides Thermo Fisher SCIENTIFIC https://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
Hardening epoxy MERCK https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es&region=ES
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proceedings of the National Academic of Sciences of the United States of America. 104 (33), 13268-13272 (2007).
  2. Novara, A., Gristina, L., Saladino, S. S., Santoro, A., Cerdà, A. Soil erosion assessment on tillage and alternative soil managements in a Sicilian vineyard. Soil & Tillage Research. 117, 140-147 (2011).
  3. Desir, G., Marín, C. Factors controlling the erosion rates in a semi-arid zone (Bardenas Reales, NE Spain). Catena. 71 (1), 31-40 (2007).
  4. Shi, Z., Wen, A., Zhang, X., Yan, D. Comparison of the soil losses from 7Be measurements and the monitoring data by erosion pins and runoff plots in the Three Gorges Reservoir region, China. Applied Radiation and Isotopes. 69 (10), 1343-1348 (2011).
  5. Sirvent, J., Desir, G., Gutierrez, M., Sancho, C., Benito, G. Erosion rates in badland areas recorded by collectors, erosion pins and profilometer techniques (Ebro Basin, NE-Spain). Geomorphology. 18 (2), 61-75 (1997).
  6. Flanagan, D., Ascough, J., Nearing, M., Laflen, J., Harmon, R. S., Doe, W. W. The Water Erosion Prediction Project (WEPP) model. Landscape Erosion and Evolution Modelling. , 145-199 (2001).
  7. Alestalo, J. Dendrochronological interpretation of geomorphic processes. Fennia -International Journal of Geography. 105, 1-139 (1971).
  8. Cook, E. R., Kalriukstis, L. A. Methods of Dendrochronology. Methods of Dendrochronology. , 97-104 (1990).
  9. Pelfini, M. Dendrogeomorphological study of glacier fluctuations in the Italian Alps during the Little Ice Age. Annals of Glaciology. 28 (1639), 123-128 (1999).
  10. Malik, I., Matyja, M. Bank erosion history of a mountain stream determined by means of anatomical changes in exposed tree roots over the last 100 years (Bílá Opava River – Czech Republic). Geomorphology. 98 (1-2), 126-142 (2008).
  11. Stoffel, M., Bollschweiler, M., Butler, D., Luckman, B. . Tree Rings and Natural Hazards: A State-of-the-art. , (2010).
  12. Ballesteros, J. A., Bodoque, J. M., Díez-Herrero, A., Sanchez-Silva, M., Stoffel, M. Calibration of floodplain roughness and estimation of flood discharge based on tree-ring evidence and hydraulic modelling. Journal of Hydrology. 403 (1-2), 103-115 (2011).
  13. Procter, E., Stoffel, M., Schneuwly-Bollschweiler, M., Neumann, M. Exploring debris-flow history and process dynamics using an integrative approach on a dolomitic cone in western Austria. Earth Surface Processes and Landforms. 37 (9), 913-922 (2012).
  14. Corona, C., Saez, J. L., Stoffel, M., Rovéra, G., Edouard, J. L., Berger, F. Seven centuries of avalanche activity at Echalp (Queyras massif, southern French Alps) as inferred from tree rings. Holocene. 23 (2), 292-304 (2013).
  15. Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Can tree tilting be used for paleoflood discharge estimations?. Journal of Hydrology. 529 (P2), 480-489 (2015).
  16. Šilhán, K. Dendrogeomorphic chronologies of landslides: Dating of true slide movements. Earth Surface Processes and Landforms. 42 (13), 2109-2118 (2017).
  17. Ballesteros Cánovas, J. A., et al. Gully evolution and geomorphic adjustments of badlands to reforestation. Scientific Reports. , (2017).
  18. Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Dendrogeomorphology in badlands: Methods, case studies and prospects. Catena. 106, 113-122 (2013).
  19. Stoffel, M., Corona, C., Ballesteros-Cánovas, J. A., Bodoque, J. M. Dating and quantification of erosion processes based on exposed roots. Earth-Science Reviews. 123, 18-34 (2013).
  20. Grissino-Mayer, H. D. An updated list of species used in tree-ring research. Tree-Ring Bulletin. 53, 17-43 (1993).
  21. Bodoque, J. M., Lucía, A., Ballesteros, J. A., Martín-Duque, J. F., Rubiales, J. M., Genova, M. Measuring medium-term sheet erosion in gullies from trees: A case study using dendrogeomorphological analysis of exposed pine roots in central Iberia. Geomorphology. 134 (3-4), 417-425 (2011).
  22. LaMarche, V. Rate of slope erosion in the White Mountains, California. Geological Scociety of America Bulletin. 72 (10), 1579-1580 (1961).
  23. LaMarche, V. C. Rates of Slope Degradation as Determined from Botanical Evidence White Mountains California Rates of Slope Degradation as Determined from Botanical Evidence White Mountains California. U.S. Geological Survey Professional Paper. 352 (1), 354-376 (1968).
  24. Bodoque, J. M., Dies-Herrero, A., Martin-Duque, J. F., Rubiales, J. M., Godfrey, A., Pedraza, J., Carrasco, R. M., Sanz, M. A. Sheet erosion rates determined by using dendrogeomorphological analysis of exposed tree roots: Two examples from Central Spain. Catena. 64 (1), 81-102 (2005).
  25. Carrara, P. E., Carroll, T. R. The determination of erosion rates from exposed tree roots in the piceance basin, colorado. Earth Surface Processes and Landforms. 4 (4), 307-317 (1979).
  26. Fayle, D. . Radial Growth in Tree Roots – Distribution, Timing, Anatomy. , (1968).
  27. Gärtner, H., Schweingruber, F., Dikau, R. Determination of erosion rates by analyzing structural changes in the growth pattern of ex- posed roots. Dendrochronologia. 19, 81-91 (2001).
  28. Hitz, O. M., Gärtner, H., Heinrich, I., Monbaron, M. Application of ash (Fraxinus excelsior L.) roots to determine erosion rates in mountain torrents. Catena. 72 (2), 248-258 (2008).
  29. Rubiales, J. M., Bodoque, J. M., Ballesteros, J. A., Diez-Herrero, A. Response of Pinus sylvestris roots to sheet-erosion exposure: An anatomical approach. Natural Hazards and Earth System Science. 8 (2), 223-231 (2008).
  30. Corona, C., Lopez Saez, J., Rovéra, G., Stoffel, M., Astrade, L., Berger, F. High resolution, quantitative reconstruction of erosion rates based on anatomical changes in exposed roots at Draix, Alpes de Haute-Provence – critical review of existing approaches and independent quality control of results. Geomorphology. 125 (3), 433-444 (2011).
  31. McAuliffe, J. R., Scuderi, L. A., McFadden, L. D. Tree-ring record of hillslope erosion and valley floor dynamics: Landscape responses to climate variation during the last 400 yr in the Colorado Plateau, northeastern Arizona. Global and Planetary Change. 50 (3-4), 184-201 (2006).
  32. Danzer, S., Dean, J., Meko, D. M., Sewtnam, T. W. Rates of slope erosion determined from exposedroots of ponderosa pine at Rose Canyon Lake, Arizona. Tree Rings, Environment, and Humanity. , 671-678 (1996).
  33. Gärtner, H. Tree roots – Methodological review and new development in dating and quantifying erosive processes. Geomorphology. 86 (3-4), 243-251 (2007).
  34. Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Lucía, A., Díez-Herrero, A., Martín-Duque, J. F. Source of error and uncertainty in sheet erosion rates estimated from dendrogeomorphology. Earth Surface Processes and Landforms. 40 (9), 1146-1157 (2015).
  35. Ballesteros-Cánovas, J. A., Corona, C., Stoffel, M., Lucia-Vela, A., Bodoque, J. M. Combining terrestrial laser scanning and root exposure to estimate erosion rates. Plant and Soil. 394 (1-2), 127-137 (2015).
  36. Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Rubiales, J. M., Perucha, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Nadal-Romero, E., Stoffel, M. Quantifying Soil Erosion from Hiking Trail in a Protected Natural Area in the Spanish Pyrenees. Land Degradation & Development. 28, 2255-2267 (2017).
  37. Misra, R., Dexter, A., Alston, A. Maximum axial and radial growth pressures of plant-roots. Plant and Soil. 95 (3), 315-326 (1996).
  38. Clark, L. J., Bengough, A. G., Whalley, W. R., Dexter, A. R., Barraclough, P. B. Maximum axial root growth pressure in pea seedlings: Effects of measurement techniques and cultivars. Plant and Soil. 209 (1), 101-109 (1999).
  39. Gärtner, H., Cherubini, P., Fonti, P., von Arx, G., Schneider, L., Nievergelt, D., Verstege, A., Bast, A., Schweingruber, F. H., Büntgen, U. A. A Technical Perspective in Modern Tree-ring Research – How to Overcome Dendroecological and Wood Anatomical Challenges. Journal of Visualized Experiments. (97), 1-10 (2015).
  40. Antonova, G., Stasova, V. Effects of environmental factors on wood formation in Scots pine stems. Trees. 7 (4), 214-219 (1993).
  41. Saez, J. L., Corona, C., Stoffe, M., Rovéra, G., Astrade, L., Berger, F. Mapping of erosion rates in marly badlands based on a coupling of anatomical changes in exposed roots with slope maps derived from LiDAR data. Earth Surface Processes and Landforms. 36 (9), 1162-1171 (2011).
  42. Zimmermann, M. . Xylem Structure and the Ascent of Sap. , (1983).
  43. Tyree, M., Sperry, J. Characterization and propagation of acoustic emission signals in woody plants: towards an improved acoustic emission counter. Plant, Cell and Environment. 12, 371-382 (1989).
  44. Zheng, M., Chen, X. Statistical determination of rainfall-runoff erosivity indices for single storms in the Chinese Loess Plateau. PLoS One. 10 (3), 1-18 (2015).
  45. Morgan, R. P., Quiton, J. N., Smith, R. E., Govers, G., Poesen, J. W., Auerswald, K., Chisci, G., Torri, D., Stycaen, M. E. The European Soil Erosion Model (Eurosem): a Dynamic Approach for Predicting Sediment Transport From. Earth Surface Processes and Landforms. 23, 527-544 (1998).
  46. Ciampalini, R., Follain, S., Le Bissonnais, Y. LandSoil: A model for analysing the impact of erosion on agricultural landscape evolution. Geomorphology. 175, 25-37 (2012).
  47. Hammitt, W., Cole, D. . Wildland recreation: ecology and management. , (1998).
  48. Marion, J. L., Leung, Y. F., Nepal, S. K. Monitoring trail conditions: new methodological considerations. George Wright Society Forum. 23 (2), 36-49 (2006).
  49. Tomczyk, A. M., Ewertowski, M. W. Recreational trails in Poprad Landscape Park , Poland the spatial pattern of trail impacts and use-related, environmental and managerial factors. Journal of Maps. 12, 1227-1235 (2015).
  50. Jewell, M. C., Hammitt, W. E., Cole, D. N., McCool, S. F., Borrie, W. T., O’Loughlin, J. Assessing soil erosion on trails: A comparison of techniques. Proceedings: Wilderness Science in a time of change Conference Volume 5: Wilderness Ecosystems, Threats, and Management (Proceedings RMRS-P-15-VOL-5). , 133-140 (2000).
  51. Krause, C., Eckstein, D. Dendrochronology of roots. Dendrochronologia. 11, 9-23 (1993).
  52. Krause, C., Morin, H. Root growth and absent rings in mature black spruce and balsam fir, Quebec, Canada. Dendrochronologia. 16, 21-35 (1999).
  53. Poesen, J. Gully erosion and environmental change: importance and research needs. Catena. 50 (2-4), 91-133 (2003).
  54. Favis-Mortlock, D., Boardman, J. Nonlinear responses of soil erosion to climate change: a modelling study on the UK South Downs. Catena. 25 (1-4), 365-387 (1995).
  55. Boardman, J., Favis-mortlock, D. Frequency-magnitude distributions for soil erosion, runoff and rainfall – a comparative analysis. Zeitschrift für Geomorphologie. 115, 51-70 (1999).
  56. Haubrock, S. N., Kuhnert, M., Chabrillat, S., Güntner, A., Kaufmann, H. Spatiotemporal variations of soil surface roughness from in situ laser scanning. Catena. 79 (2), 128-139 (2009).

Tags

DendrogeomorphologySheet Erosion RatesGround Microtopographic CharacterizationBio-indicatorsExposed RootsTerrestrial Laser ScanningMicrotopographic Profile GaugeErosion Rates

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Rubiales, J. M., Stoffel, M. Laboratory and Field Protocol for Estimating Sheet Erosion Rates from Dendrogeomorphology. J. Vis. Exp. (143), e57987, doi:10.3791/57987 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image