Misura e mappatura modelli di erosione e deposizione relazionati al suolo carbonato concentrazioni sotto gestione agricola
Summary
Modelli spaziali di erosione e deposizione possono essere dedotte dalle differenze in elevazione di terreno mappato a incrementi di tempo appropriato. Tali cambiamenti in elevazione sono correlati ai cambiamenti in carbonati vicino alla superficie del suolo. Qui vengono descritti metodi ripetibile per misure in campo e in laboratorio di questi metodi di analisi quantitativi e dati.
Abstract
Modelli spaziali di erosione e deposizione possono essere dedotte dalle differenze in elevazione di terreno mappato a incrementi di tempo appropriato. Tali cambiamenti in elevazione sono correlati ai cambiamenti nei profili di carbonato (CaCO3) vicino alla superficie del suolo. L’obiettivo è quello di descrivere un semplice modello concettuale e il protocollo dettagliato per campo ripetibile e misurazioni di laboratorio di tali quantitativi. Qui, quota accurati è misurata usando un terrestri differenziale sistema di posizionamento globale (GPS); altri metodi di acquisizione di dati potrebbero essere applicati allo stesso metodo di base. Campioni di terreno vengono raccolti da prescritto intervalli di profondità e analizzato in laboratorio utilizzando un metodo di pressione-CALCIMETRO modificate efficiente e preciso per l’analisi quantitativa della concentrazione di carbonio inorganico. Metodi statistici standard vengono applicati al punto dati e risultati rappresentativi mostrano correlazioni significative tra cambiamenti nello strato superficiale del terreno CaCO3 e cambiamenti in elevazione coerente con il modello concettuale; CaCO3 generalmente diminuito nelle aree deposizionali e aumentato nelle aree di erosione. Mappe sono derivate da misure puntuali di elevazione e suolo CaCO3 per facilitare l’analisi. Mappa di modelli erosiva e deposizionale presso il sito di studio, un campo di grano di inverno pluviale ritagliato in alternanza di strisce grano-aratura, Mostra gli effetti interagenti di erosione di vento e acqua influenzata dalla gestione e topografia. Metodi di campionamento alternativi e intervalli di profondità sono discussi e consigliati per i futuri lavori riguardanti l’erosione del suolo e deposizione al suolo CaCO3.
Introduction
L’erosione del suolo minaccia la sostenibilità dei terreni agricoli. Ritagliare la gestione, ad esempio una rotazione delle colture di frumento invernale-aratura convenzionalmente dissodato, può accelerare i processi di erosione e deposizione come suoli nudi durante periodi di riposo sono più suscettibili di vento e acqua forze1,2, 3 , 4 , 5 (Figura 1). Mentre questi processi potrebbero essere evidenti, possono essere difficili da quantificare.
Lo scopo di questo studio è innanzitutto possibile fornire un metodo efficiente per quantificare e descrivere modelli spaziali di erosione e deposizione al campo scala utilizzando la tecnologia di posizionamento globale (GPS) sistema e sistemi informativi geografici (GIS) strumenti di mappatura. Un semplice modello concettuale concernente questi modelli per carbonati del terreno (CaCO3) vicino alla superficie è anche presentato e testato dai metodi di laboratorio e di campo previste. Queste relazioni forniscono misure indirette di erosione e di deposizione, durante la convalida dei risultati del metodo GPS. Il presente libro enfatizza i metodi utilizzati a Sherrod et al. modo che possano essere ripetuti, in parte o per intero, per ricerche simili in altre posizioni6.
Figura 1. Foto di erosione (a) e (b) deposizione presso il sito di studio segue un evento di pioggia pesante. Una traccia di pneumatico del trattore in basso a destra della foto (b) indica la profondità di deposizione presso il bordo della striscia di grano/aratura.
Vari direttamente metodi per misurare l’erosione del suolo sono stati esaminati da Stroosnijder7. Metodi suggeriti variano con lo scopo di misurazione e le risorse disponibili, ma un metodo di “cambio di quota altimetrica della superficie” è consigliato a scala di versante e offre il vantaggio di misura sia di erosione e di deposizione. Un modo per applicare questo metodo è quello di installare i perni nel terreno e monitorare il cambiamento di altezza del suolo rispetto alla parte superiore del perno7. Con gli avanzamenti nella tecnologia di indagine della terra, tuttavia, questo approccio di lavoro ad alta intensità possa essere sostituito da altre tecniche, come ad esempio laser terrestre scansione (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scanning (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, fotogrammetria avanzata23 ,24, o combinazioni di queste tecniche25,26,27. Mentre laser scanning, comunemente indicato come LiDAR (Light Detection And Ranging), fornisce la più rapida acquisizione di insiemi di dati di quota altimetrica della superficie densa, devono essere apportate correzioni per rimuovere gli oggetti in piedi, quali la vegetazione. Con precisione verticale di millimetro-livello, TLS in grado di rilevare il più piccolo cambiamento di altitudine, tuttavia Perroy et al. ALS consigliati su TLS per erosione ribbattezzata stima a causa dell’impronta di scansione maggiore e migliore orientamento dello strumento (meno topografica shadowing) per la scansione in gole profondamente incise28. In tempo reale cinematica GPS (RTKGPS), fornendo centimetro-livello di precisione senza post-trattamento dei dati, viene utilizzato per questo studio. La risoluzione spaziale e la precisione dei dati raccolti da RTKGPS sono ottimali per la rilevazione le caratteristiche dominanti di erosiva e deposizionale in un campo agricolo o altri ambienti con notevole copertura del terreno.
Il metodo di pressione-CALCIMETRO per quantificare suolo CaCO3 si basa sulla reazione del suolo acido in un sistema chiuso, con conseguente rilascio di CO2. L’aumento della pressione all’interno del recipiente di reazione a temperatura costante è linearmente correlata alla quantità di suolo CaCO329. Modifiche al metodo tradizionale pressione-CALCIMETRO, descritto da Sherrod et al., includono cambiando il recipiente di reazione alle bottiglie di siero e l’utilizzo di un trasduttore di pressione collegato a un voltmetro digitale per la rilevazione delle variazioni di pressione 30. queste modifiche consentono per basse soglie e una maggiore capacità per quotidiano campione di terreno viene eseguito. Metodi di titolazione gravimetrici o semplice per la misura di terreno CaCO3 prodotto più grandi errori e limiti di rilevazione di questo modifica pressione-CALCIMETRO metodo30.
Modello concettuale
Quando misure dirette di erosione e di deposizione non sono fattibili, indicatori indiretti di questi processi possono essere usati. Sherrod et al. supposto che la concentrazione di strato superficiale CaCO3 di terreno in un clima semi-arido è inversamente correlato con il cambiamento di quota altimetrica della superficie terra (correlato positivamente con erosione, correlato negativamente con deposizione)6. L’ipotesi dovrebbe applicare estensivamente, ma relazioni specifiche dipenderà dalle condizioni del sito (suolo, vegetazione, gestione e clima). Terreni presso il sito di test (tabella 1) in genere contengono uno strato calcareo distinto 15-20 cm sotto la superficie del terreno. Concettualmente, l’erosione rimuove lo strato superficiale della concentrazione relativamente bassa di3 CaCO lasciando questo strato calcareo di alta CaCO3 più vicino alla superficie del suolo. Il basso CaCO3 terreno viene poi trasportato alle aree deposizionali, causando lo strato calcareo di essere sepolto più in profondità sotto la superficie del terreno (Figura 2). Questi terreni di campionamento nel tempo ad intervalli di profondità appropriata, erosione o deposizione (o nessuno) può essere dedotta da CaCO3 concentrazione, secondo questo modello.
| Serie di suolo | Pendio | Classificazione tassonomica | Profondità | pH | CE | Totale N | SOC | CaCO3 |
Tabella 1. Suoli al Test Site. Del suolo unità di mappatura e classificazione tassonomica, con pH del suolo medio, elettrico conducibilità (EC), N totale, del suolo organico C (SOC) e CaCO3 concentrazioni nel 0 – a 15 – e incrementi di 15 – 30 cm di profondità per la Scott campo nel 2012 (da Sherrod et al.) 6.
Figura 2. Profili di suolo concettuale. Profili di suolo concettuale per (a) una matrice statica del suolo con CaCO3 lisciviato nello strato superficiale e precipitato in un strato più profondo, (b) moderato erosione dello strato superficiale e (c) moderata deposizione di materiale sopra lo strato di superficie precedente. Intervalli di profondità (a sinistra) sono approssimativi sulla base dei dati del sito (da Sherrod et al.) 6. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Storia e descrizione del sito
Il 109-ha campo Scott fa parte della fattoria Drake in Colorado nord-orientale (40.61oN, 104,84oW, Figura 3) ed è stato monitorato dal 2001 al 2012 per questo studio. Evapotraspirazione e precipitazioni medie annuali sono stati circa 350 e 1200 mm, rispettivamente, in questo clima semi-arido, dove la pioggia convettiva di breve durata e ad alta intensità erano comuni durante l’estate. Le elevazioni vanno dal 1559 al 1588 m in questo terreno ondulato con posizioni di paesaggio distinto: vertice, fosso verso nord (lato-NF), fosso a sud (lato-SF) e LowSlope (Figura 4b). Strisce alternate (~ 120 m di larghezza) in genere sono stati gestiti in questa rotazione di frumento invernale-aratura rainfed tale che ogni altra striscia era maggese per circa 14 mesi fuori di ogni ciclo di rotazione di 24 mesi. Aratura superficiale (~ 7 cm), in genere v-lama spazza, si è verificato da 4 a 6 volte attraverso il periodo dell’aratura per controllo delle infestanti. Terreni presso il sito sono stati classificati per avere una tolleranza di perdita di suolo, o un valore di T , di 11 Mg ha-1 anno-1, dove i tassi di erosione inferiore a questo valore di T sono considerati accettabili per la prosecuzione della produzione agricola4 .
Figura 3. Sito posizione viene mostrata su un’immagine di rilievo topografico (1011-4401 m) dello stato del Colorado, Stati Uniti d’America. Altezza media del sito è 1577 m.
Figura 4. Suoli mappa ed elevazione di superficie di terra della Scott Field. (a) strisce di mappa di suoli del Field di Scott mostrando punti di campione di suolo e la gestione delle colture. Abbreviazioni di unità di suolo sono: 1 = pendenza del Wagonwheel del terriccio 0-2%, 2 = pendenza del Wagonwheel del terriccio 2-5%, 3 = pendenza di 5-9% del terriccio di Colby, 4 = Kim terriccio sabbioso bene 2-5% pendenza, 5 = Kim terriccio sabbioso bene 5-9% di pendenza; e (b) quota altimetrica della superficie terreno del campo basato sul modello 2001-5m griglia elevazione digitale (DEM), con posizioni di esempio terreno mostrate tramite la classificazione di terreno (da Sherrod et al.) 6.
La prima indagine di quota altimetrica della superficie di terra è stato raccolto da RTKGPS nel 2001 per produrre un modello di elevazione digitale (DEM) per il sito. In combinazione con McCutcheon et al., un campione di terreno intensivo (Figura 4a) inoltre è stato effettuato nel 2001, da quale superficie di suolo CaCO3 sono stati analizzati da una pressione modificate-CALCIMETRO metodo30,31 . Visivamente evidente erosione e deposizione che si verificano nel corso del decennio successivo a causa del vento, principalmente dal nord-ovest e afflussi-deflussi eventi richiesto una seconda indagine di elevazione di RTKGPS nel 2009 (con una parte del campo completato nel 2010). Confronto tra il nuovo DEM per il DEM 2001 originale tramite un DEM di differenza mappa32 confermato significativa erosione e deposizione, visualizzazione di modelli che hanno suggerito di più fattori di controllo per questi processi (Figura 5). Dato la ridistribuzione di notevole superficie terreno presso il sito e i dati di terreno storico CaCO3 , il campione di terreno del 2001 è stato ripetuto nel 2012 per testare un modello concettuale di hydropedological processi6, come descritto nella sezione precedente.
Figura 5. Mappa delle modifiche (2001-2009 *) in elevazione di superficie della terra (Δz) su una griglia di 5 m all’interno della Scott Field in Colorado nord-orientale. Raccolto striscia numeri sono etichettati sopra sistema colturale alternativo inverno-grano-aratura, esezione A-A’ è mostrato (dettagli riportati nella Figura 11). * Strisce 2, 4, 6, 8 intervistati nel 2010 per completare il DEM 2009 (da Sherrod et al.) 6. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modifiche mappate in elevazione (Figura 5) illustrano significativa erosione e deposizione su un campo agricolo e modelli spaziali indicativi di multipli fattori di controllo sopra scale multiple. Da campo scala modelli connessi con vento, fino a modelli dendritiche scala fine prodotta dal flusso d’acqua, processi rilevanti per questo studio sono individuabili. Il livello di rilevamento delle modifiche di elevazione fornito da ripetuti rilievi a terra RTKGPS risulta ottimo. Rilevamento dei l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il sito di studio di campo è in una fattoria gestita da David Drake e lo ringraziamo per la sua collaborazione durante questa ricerca a lungo termine. Ringraziamo anche Mike Murphy per i suoi molti anni di lavoro sul campo su questo progetto e Robin Montenieri per il suo aiuto con la grafica utilizzati in questa carta.
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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