Ölçme ve toprak erozyon ve toprak karbonat konsantrasyonları tarım Yönetimi'nin altında ilgili ifade eşleme
Summary
Toprak erozyonu ve ifade kayma desen uygun zaman aralığı olarak kullandığınız eşlenen zemin yükseklik farklılıkları değişkenden. Böyle değişiklikler yükseltmesi yüzey yakınındaki toprak karbonatı değişimler ilgilidir. Bu miktarlar ve veri analiz yöntemleri alan ve laboratuar ölçümleri için tekrarlanabilir yöntemleri burada açıklanmıştır.
Abstract
Toprak erozyonu ve ifade kayma desen uygun zaman aralığı olarak kullandığınız eşlenen zemin yükseklik farklılıkları değişkenden. Böyle değişiklikler yükseltmesi yüzey yakınındaki toprak karbonat (CaCO3) profilleri değişimler ilgilidir. Amaç basit kavramsal model ve tekrarlanabilir alan ve bu miktarlar laboratuar ölçümleri için detaylı Protokolü tarif etmektir. Burada, doğru yükselme yer temelli fark küresel konumlandırma sistemi (GPS); kullanma ölçülür diğer veri toplama yöntemleri temel yöntemin için uygulanabilir. Toprak örnekleri derinlik aralıkları reçete ve inorganik karbon konsantrasyonu nicel analiz için bir verimli ve hassas değiştirilmiş basınç-calcimeter yöntemini kullanarak laboratuar analiz üzerinden toplanır. Veri noktası için standart istatistiksel yöntemler uygulanır ve temsilcisi sonuçları önemli korelasyon toprak yüzey katman CaCO3 değişiklikler ve değişiklikleri arasında yükseklik kavramsal model ile tutarlı gösterir; CaCO3 genellikle depositional alanlarda azalmış ve erosional alanlarında arttı. Haritalar bakış açısını ve toprak analizleri yardım için CaCO3 noktası ölçümleri türetilmiştir. Bir harita erosional ve depositional desen çalışma alanında, buğday-nadas şeritler, alternatif kırpılmış bir yağmur beslemeli kış buğday alan yönetimi ve topografya etkilenen su ve Rüzgar erozyonu etkileşen etkilerini gösterir. Alternatif örnekleme yöntemleri ve derinlik aralıkları tartışıldı ve CaCO3toprak için toprak erozyonu ve birikimi ile ilgili yapılacak çalışmalar için önerilir.
Introduction
Toprak erozyonu tarım arazileri sürdürülebilirliği tehdit ediyor. Yönetimi, geleneksel sürülüp kış buğday-nadas ürün rotasyonu gibi kırpma, nadas dönemlerde çıplak toprak, Rüzgar ve su Kuvvetleri1,2için, daha yatkındır gibi aşındırma ve biriktirme işlemleri hızlandırabilir 3 , 4 , 5 (şekil 1). Bu işlemler belirgin olabilir, onlar ölçmek zor olabilir.
Bu çalışmada miktarının ve erozyon kayma desenleri açıklayan için verimli bir yöntem sağlamak için ilk olduğunu ve ifade alanı, ölçek Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) teknoloji ve araçlar haritalama coğrafi bilgi sistemleri (CBS) kullanarak. Yüzey yakınındaki toprak karbonatlar (CaCO3) için bu desenleri ile ilgili basit bir kavramsal model ayrıca sundu ve öngörülen alan ve laboratuvar yöntemleri tarafından test edilmiştir. Bu ilişkiler aşındırma ve biriktirme GPS yöntemi sonuçları doğrulama sırasında dolaylı ölçüleri sağlamak. Mevcut kağıt Sherrod ve arkiçinde kullanılan yöntemleri vurgular. Böylece onlar, kısmen veya tamamen, diğer yerlerde6benzer araştırma için tekrar edilebilir.
Şekil 1. Erozyon (a) ve (b) ifade ağır yağış olay aşağıdaki çalışma sitesinde fotoğraflar. Fotoğraf (b) sağ alt köşesinde bir traktör lastiği parça ifade buğday/nadas şerit sınırında derinliğini gösterir.
Çeşitli toprak erozyonu ölçme yöntemleri Stroosnijder7tarafından incelendi doğrudan. Önerilen yöntemleri ölçüm amaç ve kullanılabilir kaynakları ile değişir, ancak bir “değişim yüzey yükseltmesi” yöntemi hillslope ölçekte önerilir ve aşındırma ve biriktirme ölçme avantajı sağlar. Bu yöntemi uygulamak için bir iğne toprakta yüklemek ve PIN7tepesine göre toprak yüksekliğini değişikliği izlemek için yoludur. Arazi Etüt teknoloji gelişmeler ile ancak, bu emek yoğun yaklaşım karasal lazer (TLS)8,9,10,11 tarama gibi diğer teknikleri tarafından değiştirilebilir , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, hava lazer (ALS)17,18,19,20,21tarama, GPS6,22, Gelişmiş Fotogrametri23 ,24veya bu teknikleri25,26,27birleşimleri. Lazer süre scanning, yaygın LiDAR (ışık algılama ve değişen), anılacaktır sağlar yoğun yüzey ayrıcalık veri kümeleri en hızlı edinimi, bitki örtüsü gibi duran nesneleri kaldırmak için düzeltmeler yapılmalıdır. Milimetre düzeyinde dikey hassas, en küçük yükseklik değişikliği, ancak TLS algılayabilir Perroy ve ark. gulley erozyon için TLS üzerinde önerilen ALS büyük tarama ayak izi ve derinden kazıma gullies28tarama için (daha az topografik gölgeleme) daha iyi araç yönlendirme nedeniyle tahmin ediyor. Gerçek zamanlı kinematik GPS (santimetre düzeyi hassas veri Post-işleme, olmadan sağlayan RTKGPS), bu çalışma için kullanılır. Uzaysal çözünürlük ve hassasiyet RTKGPS toplanan verilerin bir tarım alanı veya diğer ortamlarda önemli zemin örtüsü ile baskın erosional ve depositional özellikleri tespit için en iyi durumda.
CO sürümde kaynaklanan kapalı bir sistem içinde toprağın reaksiyon asit miktarının toprak CaCO3 baskı-calcimeter yöntemini dayanan2. Sabit bir ısıda tepki gemi içindeki basıncı artışı doğrusal olarak toprak CaCO329miktarı ile ilişkilidir. Değişiklikler Sherrod ve arktarafından açıklanan geleneksel baskı-calcimeter yöntemine., reaksiyon gemi serum şişeleri için değiştirme ve basınç değişiklikleri tespiti için dijital bir voltmetre kablolu bir basınç detektörler kullanarak içerir 30. bu değişiklikler daha düşük algılama sınırları için izin ve günlük toprak örneği için daha yüksek bir kapasite çalışır. Gravimetrik veya basit titrimetric yöntemleri toprak CaCO3 ölçüm için daha büyük hatalar üretilen ve algılama sınırları bundan daha basınç-calcimeter yöntemi30değiştirilebilir.
Kavramsal Model
Aşındırma ve biriktirme doğrudan önlemleri mümkün değildir, bu işlemlerden dolaylı göstergeleri kullanılabilir. Sherrod ve ark. toprak yüzey katman CaCO3 konsantrasyon yarı kurak iklim ters zemin yüzey Yükseklik (erozyon, olumsuz ifade ile korelasyon ile pozitif korelasyon) değişikliği ile ilişkili olan6. Hipotez geniş uygulamanız gerekir, ancak belirli ilişkiler sitenin durumu (toprak, bitki örtüsü, yönetimi ve İklim) bağlıdır. Toprak test sitesi (Tablo 1), genellikle ayrı bir kalkerli katman içeren toprak yüzeyinin altında 15-20 cm. Kavramsal olarak, erozyon toprak yüzeyinin yüksek CaCO3 daha yakın bu kalkerli tabakası bırakarak nispeten düşük CaCO3 konsantrasyon yüzey tabakası kaldırır. Düşük CaCO3 toprak sonra toprak yüzeyinin (Şekil 2) derin gömülmek kalkerli katman neden depositional bölgelere taşınır. Bu topraklar üzerinde uygun derinlik aralıklarla örnekleme, erozyon veya ifade (veya ikisi de) bu modele göre CaCO3 konsantrasyon tarafından anlaşılmaktadır.
| Toprak serisi | Yamaç | Taksonomik sınıflandırma | Derinlik | pH | EC | Toplam N | SOC | CaCO3 |
Tablo 1. Toprak Test sitesinde. Toprak haritalama birimleri ve ortalama toprak pH, elektriksel iletkenlik (EC), toplam N, toprak organik C (SOC) ve CaCO3 konsantrasyonlarda 0 15 – ve 15 – 30 cm derinlik artışlarla Scott için 2012 yılında alan ile taksonomik sınıflandırma (Sherrod gelen et Al.) 6.
Şekil 2. Kavramsal toprak profilleri. Kavramsal toprak profilleri (a) bir statik toprak matris CaCO3 için yüzey katmandan yıkanır ve çöktürülmüş bir daha derin tabaka, yüzey tabakasının (b) orta erozyon ve malzeme (c) orta birikimi içinde önceki yüzey tabaka üzerinde. Derinlik aralıkları (solda) site verilerden (Sherrod ve ark.) temel alan yaklaşık değerlerdir 6. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Site açıklaması ve Tarih
109-ha Scott alan kuzeydoğu Colorado (40.61oN, 104.84oW, şekil 3) Drake grupta bir parçasıdır ve 2001’den bu çalışma için 2012 için izlenen. Ortalama yıllık yağış evapotranspirasyon yaklaşık 350 ve 1200 mm, kısa süreli ve yüksek yoğunluklu konvektif yağmur neredeydin ortak yaz aylarında bu yarı kurak iklim idi. Yükselmeler ayrı yatay pozisyonları ile dalgalı bu arazide 1588 m 1559 aralığı: Zirvesi, sideslope kuzeye bakan (yan-NF), sideslope güneye bakan (yan-SF) ve toeslope (şekil 4b). Öyle ki her 24 aylık rotasyon döngüsü dışında yaklaşık 14 ay boyunca her diğer şerit nadas alternatif şeritler (~ 120 m genişliğinde) genellikle bu rainfed kış buğday-nadas rotasyon yönetilen. Sığ toprak işleme (~ 7 cm), genellikle v-bıçak temizleyicileri, 4’e yabancı ot kontrolü için nadas dönem boyunca 6 kez oluştu. Toprak sitesinde bir toprak kaybı hoşgörü, ya da T değeri, 11 Mg ha-1 yıl-1, nerede erozyon oranları bu T değerinin altında devam eden tarımsal üretim4 için kabul edilebilir olarak kabul edilir için sınıflandırılmış .
Şekil 3. Site konumu bir topografik kabartma resmin üzerinde (1011-4401 m) Colorado Eyaleti, ABD gösterilir. Site ortalama yükselmesine 1577 metredir.
Şekil 4. Toprakların harita ve arazi yüzeyi yükseklik Scott alanının. (a) topraklar harita noktası toprak örnek konumlarının ve ürün yönetimi gösterilen Scott alanının şeritler. Toprak birim kısaltmalar şunlardır: 1 Wagonwheel bereketli 0-%2 yamaç, 2 = Wagonwheel bereketli % 2-5 yamaç, 3 = Colby kerpiç % 5-9 yamaç, 4 = Kim ince kumlu kerpiç % 2-5 yamaç, 5 = Kim ince kumlu kerpiç % 5-9 eğim; = ve 2001 5-m kılavuz dijital ayrıcalık modelini (DEM), toprak örnek yerlerde arazi sınıflandırma (dan Sherrod ve ark.) tarafından gösterilen temel alan (b) arazi yüzey yükselmesine 6.
İlk zemin yüzey ayrıcalık anket sitesi için bir sayısal Yükseklik modeli (DEM) üretmek için 2001 yılında RTKGPS tarafından toplanmıştır. Birlikte McCutcheon ve ark., yoğun toprak örneği (şekil 4a) da 2001 yılında gerçekleştirildi, CaCO3 bir değiştirilmiş basınç-calcimeter yöntemi30‘,31 analiz hangi yüzeyden toprak . Görsel olarak belirgin erozyon ve sonraki on yıl içinde meydana gelen ifade rüzgar nedeniyle ağırlıklı olarak Kuzeybatı ve yağış-ikinci tur olaylar ikinci bir RTKGPS yükseklik anket (ile 2010 yılında tamamlanmıştır alanının bir bölümünü) 2009 yılında istenir. Karşılaştırma için bir fark DEM harita32 üzerinden orijinal 2001 DEM yeni dem önemli aşındırma ve biriktirme, birden fazla kontrol eden faktörler (şekil 5) bu işlemler için önerilen desenleri görüntüleme doğruladı. Site ve tarihsel toprak CaCO3 veri önemli yüzey toprağı yeniden dağıtım göz önüne alındığında, 2001 toprak örneği 2012 yılında hydropedological işlemleri6, kavramsal bir model test etmek için önceki bölümde açıklandığı gibi tekrarlandı.
Şekil 5. Değişiklikleri Haritası (2001-2009 *) arazi yüzeyi yükseltmesi (Δz) 5-m kılavuz Scott alan kuzeydoğu Colorado içinde. Ürün striptiz numaraları alternatif kış-buğday-nadas kırpma sistemi üzerinden, etiketlenir veBölüm A-A’ ( Şekil 11‘ de verilen ayrıntıları) gösterilir. * Şeritler 2, 4, 6, 8 2009 DEM (dan Sherrod ve ark.) tamamlamak için 2010 yılında araştırılmıştır 6. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yükseklik (şekil 5) eşlenen değişimler önemli aşındırma ve biriktirme bir tarım alanı ve kayma desenleri birden çok kontrol eden faktörlerin gösterge üzerinde birden fazla ölçekler göstermektedir. Alan ölçeği desen iyi ölçek dendritik desenler su akışı tarafından üretilen aşağı rüzgar ile ilgili işlemler için bu çalışmada ilgili discernable vardır. Tekrarlanan RTKGPS Zemin Araştırmaları tarafından sağlanan yükseklik değişikliği algılama düzeyi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Alan çalışma site David Drake tarafından yönetilen bir çiftlikte ve ona bu uzun vadeli araştırma sırasında işbirliği için teşekkür ederim. Biz de Mike Murphy onun uzun yıllar bu proje ve Robin Montenieri alan çalışmasının ona yardım için bu yazıda kullanılan grafik ile teşekkür ederim.
Materials
| Real-time kinematic GPS system | Trimble | Model 5800 | |
| GPS field data collector | Trimble | Model TSC2 | |
| GPS field software | Trimble | Trimble Access (Trimble Survey Controller used in 2001 for site calibration but this software is no longer supported) | |
| Hydraulic soil coring machine | Giddings Machine Company | ||
| Utility vehicle | John Deere | Gator 6×4 | |
| GIS software | ESRI | ArcGIS for Desktop with Spatial Analyst and Geostatistical Analyst Extensions | |
| Statistical software | SAS | SAS Institute Inc. | |
| Pressure transducer 0-105 kPa | Serta | Model 280E | Setra Systems, In., Boxborough, MA |
| Volt meter | WaveTek | 5XL | Digital meter set to read volts |
| Serum Bottles | Wheaton | 223747 | 100 ml |
| Serum Bottles | Wheaton | 223762 | 20 ml |
| Sealing Cap 20 mm Aluminum | Wheaton | 224183-01 | Case of 1000 |
| 20 mm gray butyl stopper (2-prong) | Wheaton | 224100-192 | Septum; Case of 1000 |
| Hand crimper | Wheaton | W225303 | 20 mm size |
| Hand Decapper | Wheaton | W225353 | 20 mm size |
| Acid vials | Wheaton | 224881 | 0.50 dram size (2-ml) |
| Power supply | SR Components | DDU240060 | Class 2 Transformer AC adaptor; Input 120VAC , Output 24VDC |
| Calcium carbonate | Fisher | 471-34-1 | 500 g of 100% w/w CaCO3 |
Referências
- Freebairn, D. M. Erosion control – some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).
- Garcia-Orenes, F., Roldan, A., Mataix-Solera, J., Cerda, A., Campoy, M., Arcenegui, V., Caravaca, F. Soil structural stability and erosion rates influenced by agricultural management practices in a semi-arid Mediterranean agro-ecosystem. Soil Use and Mgt. 28, 571-579 (2012).
- Hass, H. J., Willis, W. O., Bond, J. J. General relationships and conclusions. Summer Fallow in the Western United States. USDA-ARS Conserv. Res. Rpt. No. 17. , 149-160 (1974).
- Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).
- Skidmore, E. L., Layton, J. B., Armbrust, D. V., Hooker, M. L. Soil physical properties as influenced by cropping and residue management. Soil Sci. Soc. of Am. J. 50 (2), 415-419 (1986).
- Sherrod, L. A., Erskine, R. H., Green, T. R. Spatial patterns and cross-correlations of temporal changes in soil carbonates and surface elevation in a winter wheat-fallow cropping system. Soil Sci. Soc. of Am. J. 79 (2), 417-427 (2015).
- Stroosnijder, L. Measurement of erosion: Is it possible?. Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).
- Dąbek, P., Żmuda, R., Ćmielewski, B., Szczepański, J. Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning. Acta Geodynam. Et Geomat. 11 (1), 45-52 (2014).
- Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 1: terrestrial laser scanning methods for change detection. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1055-1067 (2013).
- Eltner, A., Baumgart, P. Accuracy constraints of terrestrial Lidar data for soil erosion measurement: Application to a Mediterranean field plot. Geomorph. 245, 243-254 (2015).
- Letortu, P., et al. Retreat rates, modalities and agents responsible for erosion along the coastal chalk cliffs of Upper Normandy: The contribution of terrestrial laser scanning. Geomorph. 245, 3-14 (2015).
- Longoni, L., et al. Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning. Rem. Sens. 8 (3), 241 (2016).
- Meijer, A. D., Heitman, J. L., White, J. G., Austin, R. E. Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar. Soil & Till. Res. 126, 1-10 (2013).
- Rengers, F. K., Tucker, G. E., Moody, J. A., Ebel, B. A. Illuminating wildfire erosion and deposition patterns with repeat terrestrial lidar. J. of Geophys. Res.-Earth Surf. 121 (3), 588-608 (2016).
- Schubert, J. E., Gallien, T. W., Majd, M. S., Sanders, B. E. Terrestrial Laser Scanning of Anthropogenic Beach Berm Erosion and Overtopping. J. of Coast. Res. 31 (1), 47-60 (2015).
- Stenberg, L., et al. Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning. Earth Surf. Proc. and Landforms. 41 (10), 1299-1311 (2016).
- Croke, J., Todd, P., Thompson, C., Watson, F., Denham, R., Khanal, G. The use of multi temporal LiDAR to assess basin-scale erosion and deposition following the catastrophic January 2011 Lockyer flood, SE Queensland, Australia. Geomorph. 184, 111-126 (2013).
- Earlie, C., Masselink, G., Russell, P., Shail, R. Sensitivity analysis of the methodology for quantifying cliff erosion using airborne LiDAR – examples from Cornwall, UK. J. of Coast. Res. Spec. Iss. 65, 470-475 (2013).
- Kessler, A. C., Gupta, S. C., Dolliver, H. A. S., Thoma, D. P. Lidar Quantification of Bank Erosion in Blue Earth County, Minnesota. J. of Env. Quality. 41 (1), 197-207 (2012).
- Pye, K., Blott, S. J. Assessment of beach and dune erosion and accretion using LiDAR: Impact of the stormy 2013-14 winter and longer term trends on the Sefton Coast, UK. Geomorph. 266, 146-167 (2016).
- Thoma, D. P., Gupta, S. C., Bauer, M. E., Kirchoff, C. E. Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment. Rem. Sens. of Env. 95 (4), 493-501 (2005).
- Zhang, C. L., Yang, S., Pan, X. H., Zhang, J. Q. Estimation of farmland soil wind erosion using RTK GPS measurements and the Cs-137 technique: A case study in Kangbao County, Hebei province, northern China. Soil & Till. Res. 112 (2), 140-148 (2011).
- Neugirg, F., et al. Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley, Southern Tuscany, Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR and UAV surveys. Geomorph. 269, 8-22 (2016).
- Pineux, N., et al. Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed?. Geomorph. 280, 122-136 (2017).
- Bremer, M., Sass, O. Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion and deposition by a debris flow event. Geomorph. 138 (1), 49-60 (2012).
- Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 2: pairing aerial photographs and terrestrial laser scanning to create a watershed scale sediment budget. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1068-1082 (2013).
- De Rose, R. C., Basher, L. R. Measurement of river bank and cliff erosion from sequential LIDAR and historical aerial photography. Geomorph. 126 (1-2), 132-147 (2011).
- Perroy, R. L., Bookhagen, B., Asner, G. P., Chadwick, O. A. Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based LiDAR on Santa Cruz Island, California. Geomorph. 118 (3-4), 288-300 (2010).
- Loeppert, R. H., Suarez, D. L., Sparks, D. L., et al. Carbonate and Gypsum. Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. , 437-474 (1996).
- Sherrod, L. A., Dunn, G., Peterson, G. A., Kilberg, R. L. Inorganic carbon analysis by modified pressure-calcimeter method. Soil Sci. Soc. of Am. J. 66 (1), 299-305 (2002).
- McCutcheon, M. C., Farahani, H. J., Stednick, J. D., Buchleiter, G. W., Green, T. R. Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field. Biosyst. Eng. 94 (1), 19-32 (2006).
- Wheaton, J. M., Brasington, J., Darby, S. E., Sear, D. A. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets. Earth Surf. Proc. and Landforms. 35 (2), 136-156 (2010).
- . Survey Marks and Datasheets Available from: https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/ (2017)
- Trimble Inc. . Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A. , (2011).
- Erskine, R. H., Green, T. R., Ramirez, J. A., MacDonald, L. H. Digital elevation accuracy and grid cell size: effects on estimated terrain attributes. Soil Sci. Soc. of Am. J. 71, 1371-1380 (2007).
