Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Robert H. Erskine; Lucretia A. Sherrod; Timothy R. Green

doi:10.3791/56064

JoVE Journal > Environment

Ambiente

Måling og kortlægning mønstre af jorderosion og Deposition relateret til jordbunden karbonat koncentrationer Under landbrugsdrift

Published: September 12, 2017

doi:

10.3791/56064

Robert H. Erskine, Lucretia A. Sherrod, Timothy R. Green

¹Water Management and System Research Unit, Center for Agricultural Resources Research,USDA Agricultural Research Service (ARS)

Summary

Rumlige mønstre af jorderosion og deposition kan udledes af forskelle i jorden elevation kortlagt på passende gang intervaller. Sådanne ændringer i elevation er relateret til ændringer i nær overfladen jord karbonater. Repeterbare metoderne til feltet og laboratorium målinger af disse mængder og data analysemetoder, der er beskrevet her.

Abstract

Rumlige mønstre af jorderosion og deposition kan udledes af forskelle i jorden elevation kortlagt på passende gang intervaller. Sådanne ændringer i elevation er relateret til ændringer i nærheden af overflade jord karbonat (CaCO₃) profiler. Formålet er at beskrive en nemt konceptuel model og detaljeret protokol for gentagelig felt og laboratoriemålinger af disse mængder. Her, måles nøjagtige højde ved hjælp af en jordbaseret differential global positioning system (GPS); andre data erhvervelse metoder kunne anvendes på den samme grundlæggende metode. Jordprøver indsamles fra ordineret dybde intervaller og analyseret i laboratoriet ved hjælp af en effektiv og præcis modificerede pres-calcimeter metode til kvantitativ analyse af uorganisk kulstof koncentration. Standard statistiske metoder kan anvendes til datapunkter, og repræsentative resultater viser betydelig korrelationer mellem ændringer i jord overfladen lag CaCO₃og ændringer i elevation i overensstemmelse med den konceptuelle model; CaCO₃generelt faldet i depositional områder og steg i før områder. Maps er afledt fra punkt målinger af højde og jord CaCO₃ støtte analyser. Et kort over før og depositional mønstre på webstedet undersøgelsen, et regn-fodret vinterhvede felt beskåret i vekslende hvede-braklægning strimler, viser de interagerende virkninger af vand og vind erosion påvirket af forvaltning og topografi. Alternative prøvetagningsmetoder og dybde intervaller er drøftet og anbefales til fremtidige arbejde vedrørende jorderosion og deposition til jord CaCO₃.

Introduction

Jorderosion truer bæredygtigheden af landbrugsjord. Beskære management, såsom et konventionelt dyrket vinterhvede-braklægning sædskifte, kan fremskynde erosion og aflejring processer som nøgne jord i brak perioder er mere modtagelige for vind og vand styrker¹^,²^, ³ ^, ⁴ ^, ⁵ (figur 1). Mens disse processer kan være indlysende, kan de være vanskelige at kvantificere.

Formålet med denne undersøgelse er først at give en effektiv metode til kvantificering og beskriver rumlige mønstre af erosion og aflejring i feltet skala ved hjælp af global positioning system (GPS) teknologi og geografiske informationssystemer (GIS) kortlægning værktøjer. En simpel konceptuel model vedrørende disse mønstre for at i nærheden-overflade jord karbonater (CaCO₃) er også præsenteret og testet af foreskrevne felt og laboratoriemetoder. Disse relationer giver indirekte foranstaltninger af erosion og aflejring, mens validering af resultaterne af metoden GPS. Den nuværende papir understreger de metoder, der anvendes i Sherrod mfl. således at de kan gentages, og hele eller delvis for lignende forskning i andre steder⁶.

Figur 1. Fotos af a Erosion og aflejring (b) på webstedet undersøgelse efter en kraftig regn begivenhed. En traktor dæk track i nederste højre hjørne af billedet (b) viser dybden af depositionen på hvede/braklægning strip grænsen.

Forskellige direkte metoder til måling af jorderosion blev gennemgået af Stroosnijder⁷. Foreslåede metoder varierer med måling formål og de ressourcer, men en “ændring i overflade elevation” metode anbefales på hillslope skala og giver fordelen at måle både erosion og aflejring. En måde at anvende denne metode er at installere pins i jorden og overvåge ændring i højde af jord i forhold til toppen af pin⁷. Med fremskridt inden for jord landmåling teknologi, men kan denne arbejdskrævende tilgang erstattes af andre teknikker, såsom jordbaserede laser scanning (TLS)⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶, airborne laser scanning (ALS)¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, GPS⁶^,²², avancerede fotogrammetri²³ ^,²⁴, eller kombinationer af disse teknikker²⁵^,²⁶^,²⁷. Mens laser scanning, almindeligvis benævnt LiDAR (Light Detection And Ranging), giver den mest hurtige erhvervelse af tætte overflade elevation datasæt, skal foretages korrektioner til at fjerne stående objekter, såsom vegetation. Med millimeter-niveau lodret præcision, TLS kan opdage den mindste højde ændring, men Perroy mfl. anbefalede ALS over TLS for kløften erosion anslår på grund af større scanning fodaftryk og bedre instrument orientering (mindre topografisk shadowing) til scanning i dybe indskæringer kløfter²⁸. Real-time kinematiske GPS (RTKGPS), at give centimeter-plan præcision uden data efterbehandling, der bruges til denne undersøgelse. Den rumlige opløsning og præcision af RTKGPS-indsamlede data er optimal til påvisning af dominerende før og depositional funktioner i en mark eller andre miljøer med betydelige bunddække.

Pres-calcimeter metode til kvantificering af jord CaCO₃ bygger på jordens reaktion på syre i et lukket system, hvilket resulterer i frigivelse af CO_2. Stigning i trykket i reaktion fartøj ved en konstant temperatur er lineært korreleret til mængden af jord CaCO₃²⁹. Ændringer til den traditionelle pres-calcimeter metode, beskrevet af Sherrod mfl., omfatter skiftende reaktion fartøj til serum flasker og ved hjælp af en tryktransduceren kablet til en digital voltmeter til påvisning af trykændringer³⁰. disse ændringer giver mulighed for lavere detektionsgrænser og en højere kapacitet for daglige jordprøve kører. Gravimetrisk eller simple titrimetric metoder til måling af jord CaCO₃ produceret større fejl og påvisningsgrænserne end dette ændrede pres-calcimeter metode³⁰.

Konceptuel Model

Når direkte foranstaltninger af erosion og aflejring ikke tandlægearbejdet er gennemførlige, kan indirekte indikatorer for disse processer anvendes. Sherrod mfl. den hypotese, at jordens overflade lag CaCO₃koncentration i en semi-aride klima omvendt korreleret med ændringen i jorden overflade elevation (positivt korreleret med erosion, negativt korreleret med deposition)⁶. Hypotesen skal gælde generelt, men specifikke relationer vil afhænge af voksestedsbetingelser (jord, vegetation, forvaltning og klima). Jord på målepladsen (tabel 1) indeholder typisk et adskilt kalkholdige lag 15-20 cm under jordoverfladen. Begrebsmæssigt, vil erosion fjerne overflade lag af relativt lav CaCO₃koncentration forlader denne kalkholdige lag af høj CaCO₃tættere på jordoverfladen. Lav CaCO₃jord er derefter transporteres til områderne depositional, forårsager det kalkholdige lag at blive begravet dybere under jordoverfladen (figur 2). Prøveudtagning disse jordtyper over tid med passende dybde mellemrum, kan enten erosion eller deposition (eller ingen) udledes af CaCO₃koncentration, i henhold til denne model.

Jorden serie

Hældning

Taksonomiske klassifikation

Dybde

pH

EF

Total N

SOC

CaCO₃

% cm 1:2 dS m^-1 g kg^-1 g kg^-1 g kg^-1 Colby lerjord 5-9 fine-mudrede, blandet, superactive, kalkholdig, mesic Aridic Ustorthent 0-15 8.2 0,24 0,7 6.1 69,8 15-30 8.3 0,24 0,5 4.0 84,3 Kim sandet lerjord 2-5 fine-lerede, blandet, aktiv, kalkholdig, mesic Ustic Torriorthent 0-15 7.8 0,26 0,8 7.0 29,8 15-30 8.0 0,27 0,6 5.0 51,5 5-9 fine-lerede, blandet, aktiv, kalkholdig, mesic Ustic Torriorthent 0-15 8.1 0,22 0,6 5.4 26,7 15-30 8.1 0,19 0,5 4.1 25,8 Wagonwheel ler 0-2 grove-mudrede, blandet, superactive, mesic Aridic Calciustept 0-15 8.2 0,23 0,7 5.9 66,2 15-30 8.2 0,23 0,6 3.7 98,1 2-5 grove-mudrede, blandet, superactive, mesic Aridic Calciustept 0-15 8.3 0,23 0,8 6.6 52.0 15-30 8.4 0,26 0,7 5.4 118.3

Tabel 1. Jord på målepladsen. Jord tilknytning enheder og taksonomiske klassifikation, med gennemsnitlige jord pH, elektriske ledningsevne (EF), total N, jord organisk C (SOC), og CaCO₃koncentrationer i de 0 – til 15- og 15 – 30 cm dybde intervaller for Scott feltet i 2012 (fra Sherrod et Al.) ⁶.

Figur 2. Konceptuelle jord profiler. Konceptuelle jord profiler for (a) en statisk jorden matrix med CaCO₃ udvaskes fra slidlaget og udfældet i en dybere lag, (b) moderat erosion af overflade lag, og (c) moderat aflejring af materiale over den tidligere overflade lag. Dybde intervaller (til venstre) er omtrentlige baseret på site data (fra Sherrod mfl.) ⁶. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Site beskrivelse og historie

109-ha Scott feltet er en del af Drake gård i nordøstlige Colorado (40.61^oN, 104.84^oW, figur 3) og blev overvåget fra 2001-2012 for denne undersøgelse. Gennemsnitlige årlige nedbør og evapotranspiration var ca. 350 og 1200 mm, henholdsvis i denne semi-aride klima, hvor konvektive regn af kort varighed og høj intensitet var almindelige i løbet af sommeren. Stigninger spænder fra 1559 til 1588 m i denne kuperede terræn med særskilte landskab positioner: topmødet, sideslope nordvendte (side-NF), sideslope sydvendt (side-SF) og toeslope (figur 4b). Skiftende strimler (~ 120 m bred) var typisk lykkedes i denne rainfed vinterhvede-braklægning rotation sådan, at alle andre strip var brak i cirka 14 måneder ud af hver 24 måneders rotation cyklus. Overfladisk jordbearbejdning (~ 7 cm), typisk v-bladet fejer, opstod 4 til 6 gange gennem perioden brak til ukrudtsbekæmpelse. Jordbunden på stedet blev klassificeret for at have en jord-tab tolerance, eller T værdi, 11 mg ha^-1år^-1, hvor erosion priser under denne værdi, T der betragtes som acceptabelt til fortsat landbrugsproduktion⁴ .

Figur 3. Site placering er vist på en topografisk Relief billede (1011 til 4401 m) i staten Colorado, USA. Gennemsnitlig højde af webstedet er 1577 m.

Figur 4. Jordbund kort og jord overflade Elevation af Scott Field. (en) jord kort af Scott Field viser punkt jord prøven steder og afgrødestyring strimler. Jord enhed forkortelser er: 1 = Wagonwheel loam 0-2% hældning, 2 = Wagonwheel loam 2-5% hældning, 3 = Colby loam 5-9% hældning, 4 = Kim fine sandet lerjord 2-5% hældning, 5 = Kim fine sandet lerjord 5-9% hældning; og (b) jord overflade elevation af feltet baseret på 2001 5-m gitter digital elevation model (DEM), med jord prøven steder vist af jord klassificering (fra Sherrod mfl.) ⁶.

Den første jord overflade elevation undersøgelse blev indsamlet af RTKGPS i 2001 til at producere en digital elevation model (DEM) for webstedet. Sammenholdt med McCutcheon mfl., en intensiv jordprøven (figur 4a) blev også udført i 2001, fra hvilken overflade jord CaCO₃ blev analyseret af et modificeret pres-calcimeter metode³⁰^,³¹. Visuelt tydeligt erosion og aflejring forekommer i det efterfølgende årti på grund af vinden, overvejende fra nordvest og nedbør-afstrømning begivenheder bliver bedt om en anden RTKGPS elevation undersøgelse i 2009 (med en del af feltet afsluttet i 2010). Sammenligning af den nye DEM til den oprindelige 2001 DEM via en DEM af forskellen kort³² bekræftet betydelig erosion og aflejring, vise mønstre som foreslået flere kontrollerende faktorer for disse processer (figur 5). I betragtning af den betydelige overflade jord omfordeling på webstedet og historiske jord CaCO₃ data, blev jordprøve 2001 gentaget i 2012 for at afprøve en konceptuel model af hydropedological processer⁶, som beskrevet i forrige afsnit.

Figur 5. Kort over ændringer (2001-2009 *) i jordoverfladen højde (Δz) på en 5-m gitter i Scott Field i nordøstlige Colorado. Afgrøde strip numre er mærket over skiftende vinter-hvede-braklægning beskæring system, ogafsnit A-A’ er vist (angivelserne i Figur 11). * Strimler 2, 4, 6, 8 adspurgte i 2010 at fuldføre 2009 DEM (fra Sherrod mfl.) ⁶. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

1. jord overfladen højde dataindsamling GPS kalibrering for websted Find eller sæt en stabil benchmark på en sikker placering på webstedet undersøgelsen til brug som basen GPS for indsamling af RTKGPS. Opsætning af base station for RTKGPS dataindsamling på denne lokale benchmark ved hjælp af bedste tilnærmelse af koordinater for lokationen base station (dvs., WAAS-korrigeret GPS-position). Med rover GPS, besøge mindst tre vandrette og lodrette kontrol punkt benc…

Representative Results

Kortlægning DEM forskelle fra 2001 og 2009 afslører erosion (rød) og deposition (grøn) i den 8-årig periode, med decimeter-niveau ændringer i højde over de fleste områder (figur 5). På Feltskalaen er erosion dominerende i vest og sydvest, mens deposition ses langs en nordvest til sydøst diagonal band på den østlige side af feltet. Skiftevis bånd af erosion og aflejring er set på management-skala, ofte med bratte ændringer på management strip g…

Discussion

Tilknyttede ændringer i højde (figur 5) illustrerer betydelig erosion og aflejring på en Mark og rumlige mønstre vejledende af flere kontrollerende faktorer over flere skalaer. Fra feltet skala mønstre forbundet med vind, ned til finskala dendritiske mønstre produceret af vandgennemstrømningen, er processer relevante for denne undersøgelse mærkbare. Elevation ændring påvisning af gentagne RTKGPS jorden undersøgelser vises optimalt. Finere påvisning niveauer, som leveres af TLS, …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Felt undersøgelse site er på en gård forvaltes af David Drake og vi takker ham for hans samarbejde under denne langsigtet forskning. Vi takker også Mike Murphy for hans mange års arbejde i marken på dette projekt og Robin Montenieri for hendes hjælp med grafik i dette papir.

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citar este artigo

Erskine, R. H., Sherrod, L. A., Green, T. R. Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management. J. Vis. Exp. (127), e56064, doi:10.3791/56064 (2017).