Mesure et cartographie des schémas d’érosion et de dépôt liées aux Concentrations de Carbonate du sol sous gestion agricole
Summary
Répartition spatiale d’érosion et de dépôt peut être déduite des différences dans l’élévation du terrain mappés à des intervalles de temps appropriés. Ces changements d’altitude sont liées aux changements dans les carbonates du sol près de la surface. Méthodes reproductibles pour les mesures de terrain et en laboratoire de ces méthodes d’analyse des données et les quantités sont décrites ici.
Abstract
Répartition spatiale d’érosion et de dépôt peut être déduite des différences dans l’élévation du terrain mappés à des intervalles de temps appropriés. Ces changements d’altitude sont liées aux changements dans les profils de carbonate (CaCO3) près de la surface du sol. L’objectif est de décrire un modèle conceptuel simple et un protocole détaillé pour champ répétable et mesures en laboratoire de ces quantités. Ici, altitude exacte est mesurée au moyen d’un terrestres différentiel système de positionnement global (GPS) ; autres méthodes d’acquisition de données pourraient être appliquées à la même méthode de base. Des échantillons de sol sont prélevés prescrit des intervalles de profondeur et analysés en laboratoire en utilisant une méthode de pression-calcimeter mis à jour le précis et efficace pour l’analyse quantitative de la concentration de carbone inorganique. Méthodes statistiques standards sont appliqués pour pointer les données et résultats représentatifs montrent des corrélations significatives entre les changements dans la couche superficielle du sol CaCO3 et les changements d’altitude conformes au modèle conceptuel ; CaCO3 a généralement diminué dans les zones de dépôt et a augmenté dans les zones d’érosion. Cartes sont tirées des mesures ponctuelles de l’altitude et le sol de CaCO3 à l’aide d’analyses. Une carte des schémas d’érosion et de dépôts sur le site de l’étude, un champ de blé d’hiver pluviale recadrée en alternant les bandes de blé-jachère, montre les effets combinés de l’érosion hydrique et éolienne, touchés par la gestion et de la topographie. Intervalles de profondeur et de méthodes alternatives d’échantillonnage sont discutés et recommandés pour les travaux futurs sur l’érosion des sols et des dépôts de CaCO3sur le sol.
Introduction
L’érosion des sols menace la viabilité des terres agricoles. Gestion, par exemple une rotation des cultures de blé d’hiver-jachère conventionnellement travaillé des cultures, peut accélérer les processus d’érosion et de dépôt que les sols nus pendant des périodes de jachère sont plus sensibles au vent et l’eau des forces1,2, 3 , 4 , 5 (figure 1). Tandis que ces processus peuvent être évidents, ils peuvent être difficiles à quantifier.
Le but de cette étude est d’abord de fournir une méthode efficace pour quantifier et décrire les variations spatiales de l’érosion et de dépôt sur le terrain à l’échelle à l’aide de la technologie de positionnement global (GPS) système et des systèmes d’information géographique (SIG) outils de cartographie. Un simple modèle conceptuel concernant ces modèles pour près de la surface carbonates du sol (CaCO3) est également présenté et testé par champ prescrite et de méthodes de laboratoire. Ces relations fournissent des mesures indirectes de l’érosion et de dépôt, tout en validant les résultats de la méthode GPS. Le présent document met l’accent sur les méthodes utilisées dans Sherrod et al. afin qu’ils peuvent être répétées, tout ou en partie, pour des recherches similaires dans d’autres endroits6.
Figure 1. Photos de l’érosion (a) et (b) le dépôt sur le Site d’étude suite à un événement de fortes pluies. Un morceau de pneu de tracteur dans le coin inférieur droit de la photo (b) indique la profondeur du dépôt à la frontière de la bande de blé/jachère.
Divers directement les méthodes de mesure de l’érosion des sols ont été examinées par Stroosnijder7. Méthodes proposées varient avec l’objectif de la mesure et les ressources disponibles, mais une méthode de « changement d’élévation de surface » est recommandée à l’échelle sur la pente et présente l’avantage de mesurer l’érosion et dépôt. Appliquez cette méthode consiste à installer des épingles dans le sol et surveiller le changement de hauteur du sol par rapport à la partie supérieure de la broche7. Avec les progrès de la technologie de mensuration, toutefois, cette approche fastidieuse peut être remplacée par d’autres techniques, telles que de laser terrestre (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, laser aéroporté (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, photogrammétrie avancée23 ,24, ou une combinaison de ces techniques25,26,,27. Tout en laser à balayage, communément appelé LiDAR (Light Detection And Ranging), prévoit l’acquisition plus rapide des séries de données d’élévation de la surface dense, les corrections doivent être apportées pour supprimer des objets de commandes, telles que la végétation. Avec une précision verticale au niveau du millimètre, TLS peut détecter le moindre changement d’altitude, cependant Perroy et al. ALS recommandée sur TLS pour l’érosion gulley estime en raison de la plus grande empreinte de balayage et de la meilleure orientation de l’instrument (moins l’occultation topographiques) pour la numérisation en ravins profondément incisé28. GPS cinématique en temps réel (RTKGPS), fournissant centimètre-niveau de précision sans post-traitement des données, est utilisé pour cette étude. La résolution spatiale et la précision des données recueillies RTKGPS sont optimales pour détecter les traits dominants de phénomènes d’érosion et sédimentation dans un champ agricole ou d’autres environnements avec couvre-sol substantielle.
La méthode de pression-calcimeter pour quantifier les sols CaCO3 repose sur la réaction du sol acide dans un système fermé, ce qui entraîne la libération de CO2. L’augmentation de pression dans la cuve de réaction à une température constante est linéairement corrélée à la quantité de sol CaCO329. Modifications à la méthode traditionnelle de pression-calcimeter, décrite par Sherrod et al., notamment en changeant le réacteur à flacons de sérum et à l’aide d’un transducteur de pression relié à un voltmètre numérique pour la détection des changements de pression 30. ces modifications permettent des limites de détection plus basses et une plus grande capacité pour l’échantillon de sol quotidienne s’exécute. Méthodes titrimétriques gravimétriques ou simples pour la mesure de sol CaCO3 produit des erreurs plus importantes et les limites de détection que cela modification pression-calcimeter méthode30.
Modèle conceptuel
Lorsque des mesures directes de l’érosion et de dépôt ne sont pas réalisables, les indicateurs indirects de ces processus peuvent être utilisés. Sherrod et al. l’hypothèse que la concentration de CaCO3 couche de surface du sol dans un climat semi-aride est inversement corrélée avec le changement de l’élévation de la surface au sol (en corrélation positive avec l’érosion, une corrélation négative avec les dépôts)6. L’hypothèse doit s’appliquer largement, mais des relations spéciales dépendra des conditions d’environnement (sol, végétation, gestion et le climat). Les sols sur le site de test (tableau 1) contiennent généralement une couche calcaire distincte 15-20 cm sous la surface du sol. D’un point de vue conceptuel, l’érosion va supprimer la couche de surface relativement faible concentration de3 CaCO, laissant cette couche calcaire de haute CaCO3 plus près de la surface du sol. Le faible CaCO3 sol est ensuite transporté vers les zones de sédimentation, causant la couche calcaire d’être enterré plus profondément sous la surface du sol (Figure 2). Échantillonnage de ces sols au fil du temps à des intervalles de profondeur appropriée, soit l’érosion ou de dépôt (soit ni) peut être déduite par CaCO3 concentration, selon ce modèle.
| Série de sols | Pente | Classification taxinomique | Profondeur | pH | EC | N total | SOC | CaCO3 |
Tableau 1. Les sols sur le Site. Unités de cartographie et de la classification taxonomique, avec le pH du sol moyenne, électrique, conductivité (EC), azote total, soil C organique (SOC) et CaCO3 concentrations dans les 0 à 15 et par tranches de 15 à 30 cm de profondeur pour le Scott sur le terrain en 2012 sur le sol (de Sherrod et Al.) 6.
Figure 2. Profils de sols conceptuel. Profils de sols conceptuel pour (a) une matrice de sol statique avec CaCO3 lessivés de la couche superficielle et précipité dans une couche plus profonde, l’érosion modérée (b) de la couche superficielle et (c) modéré dépot de matériel au-dessus de la couche précédente. Intervalles de profondeur (à gauche) sont approximatives basées sur des données de site (à partir de Sherrod et al.) 6. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Histoire et Description du site
Le 109-ha terrain Scott fait partie de la ferme de Drake dans le nord-est du Colorado (40,61oN, 104.84oW, Figure 3) et a été suivie de 2001 à 2012 pour cette étude. L’évapotranspiration et la moyenne annuelle des précipitations étaient environ 350 et 1200 mm, respectivement, dans ce climat semi-aride, où pluie convective de courte durée et d’intensité élevée étaient fréquents pendant l’été. Altitudes comprises entre 1559 et 1 588 m dans ce terrain vallonné avec des positions de paysages distincts : sommet, sideslope vers le Nord (côté-NF), sideslope orientée plein sud (côté-SF) et toeslope (Figure 4 b). Bandes alternées (~ 120 m de large) étaient généralement gérés dans cette rotation de blé-jachère pluviale telle que chaque autre bande était en jachère depuis environ 14 mois hors de chaque cycle de rotation de 24 mois. Labours peu profonds (~ 7 cm), généralement des balayages de lame en v, a eu lieu 4 à 6 fois par le biais de la période de jachère contre les mauvaises herbes. Les sols sur le site ont été classés pour avoir une tolérance de perte de sol, ou une valeur de T , de 11 Mg ha-1 an-1, où les taux d’érosion au-dessous de cette valeur de T sont considérés comme acceptables pour la production agricole continue4 .
Figure 3. Emplacement du site apparaît sur une Image de Relief topographique (1011 à 4401 m) de l’état du Colorado, USA. L’altitude moyenne du site est 1577 m.
Figure 4. Sols de carte et l’élévation de Surface de terre de la Scott Field. (a) carte des sols de la Scott Field montrant les points point d’échantillonnage des sols et la gestion des cultures en bandes. Sol unité abréviations sont : 1 = pente de Wagonwheel loam 0-2 %, 2 = Wagonwheel loam pente de 2 à 5 %, 3 = Colby loam pente de 5 à 9 %, 4 = Kim fine sablo-limoneux pente de 2 à 5 %, 5 = Kim fine sablo-limoneux pente de 5 à 9 % ; et (b) terre surface élévation du champ basé sur le modèle d’élévation numérique 5 m grille 2001 (DEM), avec les points d’échantillonnage de sol témoignent de la classification des terres (à partir de Sherrod et al.) 6.
La première enquête d’élévation de la surface de sol ont été recueillie par RTKGPS en 2001 pour produire un modèle d’élévation numérique (DEM) pour le site. En conjonction avec McCutcheon et al., un échantillon de sol intensif (Figure 4 a) a également été effectué en 2001, de dont la surface du sol CaCO3 ont été analysés par la méthode d’une pression-calcimeter mis à jour le30,31 . Visuellement évidente érosion et dépôt qui se produisent au cours de la décennie suivante en raison du vent, principalement de l’Ouest et la pluie-débit événements incité une deuxième enquête d’élévation de RTKGPS en 2009 (avec une partie du champ terminé en 2010). Comparaison de la nouvelle DEM à l’origine DEM 2001 via un DEM de différence carte32 confirmé importante érosion et dépôt, affichant des patrons qui suggère les multiples facteurs de contrôle de ces processus (Figure 5). Compte tenu de la redistribution du sol de surface importante sur le site et les données historiques de sol de3 CaCO, l’échantillon de sol de 2001 a été répétée en 2012 pour tester un modèle conceptuel du processus de hydropédologiques6, tel que décrit dans la section précédente.
Figure 5. Carte des changements (2001-2009 *) l’altitude de Surface de la terre (Δz) sur une grille de 5 m dans le Scott Field dans le nord-est du Colorado. Crop bande de numéros sont marqués sur le système de culture hiver-blé-jachère alterné, etsection A-A’ est montré (détails donnés à la Figure 11). * Bandes 2, 4, 6, 8, interrogés en 2010 pour compléter le DEM de 2009 (à partir de Sherrod et al.) 6. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mappé changements d’altitude (Figure 5) illustrent l’importante érosion et le dépôt sur une terre agricole et les patrons spatiaux indicatives de multiples facteurs de contrôle plusieurs échelles. Du champ échelle profils associés à vent, vers le bas pour modèles dendritiques échelle fine produite par l’écoulement de l’eau, procédés pertinents pour cette étude sont discernables. Le niveau de détection des changements d’altitude fournie par des enquêtes de terrain R…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le site d’étude de terrain est dans une ferme gérée par David Drake et nous le remercions pour sa coopération durant cette recherche à long terme. Nous remercions également Mike Murphy pour ses nombreuses années de travail sur le terrain sur ce projet et Robin Montenieri pour son aide avec des graphismes utilisés dans cet article.
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 |
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