측정 및 토양 침식과 토양 탄산 농도 농업 관리에 관련 된 증 착 패턴 매핑
Summary
토양 침식과 증 착의 공간 패턴 지상 해발 고도 적절 한 시간 간격에 매핑된 차이에서 유추 될 수 있습니다. 상승에서 이러한 변화는 표면 근처 토양 탄산염에 변화 관련이 있습니다. 이러한 수량 및 데이터 분석 방법의 현장 및 실험실 측정 반복 방법 여기 설명 되어 있습니다.
Abstract
토양 침식과 증 착의 공간 패턴 지상 해발 고도 적절 한 시간 간격에 매핑된 차이에서 유추 될 수 있습니다. 상승에서 이러한 변화는 표면 근처 토양 탄산 (CaCO3) 프로필에 변경 관련이 있습니다. 목적은 간단한 개념적 모델 및 반복 필드 및 이러한 수량의 실험실 측정에 대 한 상세한 프로토콜을 설명 하는 것 이다. 여기, 정확한 고도 지상 기반 차동 글로벌 포지셔닝 시스템 (GPS);를 사용 하 여 측정 다른 데이터 수집 방법 동일한 기본적인 방법에 적용할 수 있습니다. 토양 샘플 깊이 간격으로 처방 하 고 무기 탄소 농도의 정량 분석에 대 한 효율적이 고 정확한 수정된 압력 calcimeter 메서드를 사용 하 여 실험실에서 분석에서 수집 됩니다. 표준 통계적 방법 데이터를 가리키도록 적용 되 고 대표적인 결과 표시 토양 표면 레이어에 CaCO3 변경 및 변경 사이의 중요 한 상관 관계 상승에 개념적 모델;와 일치 일반적으로 CaCO3 depositional 지역에서 감소 하 고 erosional 지역에서 증가 했다. 지도 해발 고도 및 토양 분석을 돕기 위해 CaCO3 포인트 측정에서 파생 됩니다. 연구 사이트, 밀 경작 스트립, 교류에 있는 밀 비가 먹이 필드에서 erosional depositional 패턴의 지도 물과 바람 침식 관리와 지형에 의해 영향을의 상호 작용 효과 보여줍니다. 다른 샘플링 방법 및 깊이 간격 논의 이며 CaCO3토양 토양 침식과 증 착 관련 된 미래의 일에 대 한 권장.
Introduction
토양 침식 농업 토지의 지속 가능성을 위협 한다. 통상 tilled 밀-휴 경지 자르기 회전 등 관리, 작물, 경작 기간 동안 벌 거 벗은 토양은 바람과 물의 힘1,2, 에 더 취약으로 침식 및 증 착 프로세스를 가속화할 수 있습니다 3 , 4 , 5 (그림 1). 이러한 프로세스는 분명 될 수도, 그들은 계량 하기 어려울 수 있습니다.
이 연구의 목적은 먼저 측정 및 침식의 공간 패턴을 설명 하는 효율적인 방법을 제공 하 고 증 착 분야에서 글로벌 포지셔닝 시스템 (GPS) 기술 및 지리 정보 시스템 (GIS) 매핑 도구를 사용 하 여 확장. 표면 근처 토양 탄산염 (CaCO3) 이러한 패턴에 관한 간단한 개념적 모델 또한 제시 하 고 소정의 필드와 실험실 방법에 의해 테스트. 이러한 관계는 침식과 증 착, GPS 메서드의 결과 유효성을 검사 하는 동안의 간접 측정을 제공 합니다. 현재 종이 Sherrod 외에 사용 하는 방법을 강조 합니다. 그들은 반복 될 수, 일부 또는 전체를 다른 위치6에 유사한 연구를.
그림 1입니다. (A) 침식 및 호우 이벤트 다음 연구 사이트에 증 착 (b)의 사진. 사진 (b)의 오른쪽 아래 모서리에 트랙터 타이어 트랙 밀/휴 경지 스트립 테두리에 증 착의 깊이 나타냅니다.
다양 한 직접 토양 침식을 측정 하기 위한 방법 Stroosnijder7에 의해 검토 되었다. 제안 된 방법 측정 목적, 사용할 수 있는 리소스와 다르지만 “표면 고도에 변화” 방법 hillslope 규모에 권장 되 고 침식 및 증 착 측정의 이점을 제공 한다. 한 가지 방법은이 메서드를 적용 하는 토양에서 핀을 설치 하 여 핀7의 위쪽을 기준으로 토양의 높이 변화를 모니터링입니다. 그러나 토지 측량 기술 발전,이 노동 집약 방법은 대체 될 수 있다, 지상 레이저 스캐닝 (TLS)8,9,,1011 등의 다른 방법을 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, 공 수 레이저 스캐닝 (ALS)17,,1819,20,21, GPS6,22, 고급 사진23 ,24또는 이러한 기법25,,2627의 조합. 레이저 동안 고밀도 표면 고 각 데이터 집합의 가장 신속한 수집 제공 스캔, 일반적으로 LiDAR (빛 탐지 및 배열), 라고, 정정 해야 한다 식물 등 서 개체를 제거. 그러나 밀리미터 수준 수직 정밀도, TLS 작은 고 각 변화를 검색할 수 있습니다 Perroy 외. 권장된 ALS gulley 침식에 대 한 TLS 통한 큰 스캔 풋프린트와 더 나은 악기 방향 (적은 지형 숨김) 깊이 베인된 gullies28에 검색에 대 한 견적. 실시간 운동학 GPS (RTKGPS), 데이터 후 처리 없이 센티미터 수준 정밀도 제공 하는이 연구에 사용 됩니다. 공간 해상도 RTKGPS 수집 데이터의 정밀도 농업 분야 또는 실질적인 지표와 다른 환경에 지배적인 erosional depositional 기능 감지 적합 합니다.
CO의 방출의 결과로 닫힌된 시스템에서 산 성 토양의 반응에 의존 하는 토양 CaCO3 를 측정 하는 압력 calcimeter 방법2. 일정 한 온도에서 반응 용기 내의 압력에 있는 증가 토양 CaCO329양의 선형 상관 된다. Sherrod 외에 의해 설명 하는 전통적인 압력-calcimeter 방법 수정., 혈 청 병에 반응 배를 변화와 압력 변화 의 검출을 위한 디지털 전압계에 연결 된 압력 트랜스듀서를 사용 하 여 포함 30. 이러한 수정 낮은 탐지 한계에 대 한 허용 하 고 매일 토양 샘플에 대 한 높은 용량에서 실행 됩니다. 중량 측정 또는 간단한 titrimetric 방법을 토양 CaCO3 측정에 대 한 더 큰 오류 생산과 이것 보다 탐지 한계 압력 calcimeter 메서드30수정.
개념적 모델
부식과 공 술 서의 직접적인 측정 가능 하지 않습니다, 이러한 프로세스의 간접 표시기를 사용할 수 있습니다. Sherrod 외. 반건조 기후에 토양 표면 층 CaCO3 농도 반대로 (긍정적으로 침식, 증 착 부정적인 상관 상관) 지상 표면 고도에 변화 연관 가설6. 가설, 광범위 하 게 적용 해야 하지만 특정 관계 사이트 조건 (토양, 식물, 관리 및 기후)에 따라 달라 집니다. 토양 테스트 사이트 (표 1)에 일반적으로 고유 석 레이어를 포함할 토양 표면의 밑에 15-20 cm. 개념적으로, 침식 토양 표면에 높은 CaCO3 가까이의이 석 층을 떠나 상대적으로 낮은 CaCO3 농도의 표면 레이어를 제거 합니다. 낮은 CaCO3 토양 토양 표면 (그림 2) 아래 깊이 묻혀 있을 석탄 층을 일으키는 depositional 영역에 다음 수송 된다. 적절 한 깊이 간격 시간이 지남에 이러한 토양 샘플링, CaCO3 농도,이 모델에 의해 침식 또는 증 착 (또는 둘 다)을 유추 될 수 있습니다.
| 토양 시리즈 | 슬로프 | 분류학 분류 | 깊이 | pH | EC | 총 N | SOC | CaCO3 |
표 1입니다. 테스트 사이트에서 토양. 매핑 단위 및 평균 토양 pH, 전기 전도도 (EC), 총 N, 토양 유기 C (SOC), 그리고 2012 년에서에 0-15-15-30 cm 깊이 증가 CaCO3 농도 스콧에 대 한 필드와 분류학 분류, 토양 (Sherrod 에서에서 동부 표준시 알.) 6.
그림 2입니다. 개념적 토양 프로필. (A) CaCO3 정적 토양 매트릭스에 대 한 개념적 토양 프로필 표면 층에서 걸러 고 깊은 층, 표면 층의 (b) 적당 한 침식 및 (c) 적당 한 증 착 재료의 침전 이전 표면 레이어 위에. 깊이 간격 (왼쪽)는 대략적인 사이트 데이터 (Sherrod 외.)에 따라 6. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
사이트 설명 및 역사
109-하 스콧 필드 북동 콜로라도 (40.61oN, 104.84oW, 그림 3)에서 드레이 크 농장의 일부 이며이 연구에 대 한 2012 년 2001에서 모니터링 했습니다. 평균 연례 강 수와 evapotranspiration이 반건조 기후, 짧은 기간 및 높은 강도의 대류 비가 있던 일반적인 여름 동안에 대략 350 및 1200 m m, 각각, 했다. 고유 가로 위치와이 기복 지형에 1588 m 1559에서 고도 범위: 정상, 깊이가 북쪽 방향 (측면-NF), 깊이가 남 향 (사이드-SF), 및 toeslope (그림 4b). 모든 다른 스트립은 약 14 개월에서 24 개월 회전 주기 마다 경작을 번갈아 스트립 (~ 120 m 폭) 일반적으로이 rainfed 밀 경작 회전에서 관리 했다. 얕은 경작 (~ 7 cm), 일반적으로 v-블레이드 스윕, 4 ~ 6 배 잡 초 방제에 대 한 유휴 기간을 통해가 발생 했습니다. 사이트에서 토양을 토양 손실 허용 오차, 또는 11 밀리 그램의 T 값, 하-1 년-1,이 T 값 아래 침식 속도 지속적인된 농업 생산4 에 적합 하 게 간주 됩니다 분류 했다 .
그림 3입니다. 사이트 위치, 미국 콜로라도의 지형 구호 이미지 (1011 4401 m)에 표시 됩니다. 사이트의 평균 해발 1577 m 이다입니다.
그림 4입니다. 토양 지도 및 스콧 필드의 땅 표면 상승. (a) 지점 토양 샘플 위치 및 농작물 관리를 표시 하는 스콧 필드의 토양 지도 제거 합니다. 토양 단위 약어: 1 Wagonwheel 명 0-2 개 % 경사, 2 = Wagonwheel 옥 토 2-5% 사면, 3 = 콜 비 옥 토 5-9% 경사, 4 = 김 잘 모래 옥 토 2-5% 기울기, 5 = = 김 잘 모래 옥 토 5-9% 경사; 그리고 (b) 땅 표면 상승 바탕 2001 5 m 그리드 디지털 고도 모델 (DEM), 토양 샘플 위치 (Sherrod 외.)에서 토지 분류 하 여 표시 하는 필드 6.
첫 번째 지상 표면 상승 설문 조사 사이트에 대 한 디지털 고도 모델 (DEM)을 생산 하기 위해 2001 년에 RTKGPS에 의해 수집 되었다. 함께 McCutcheon 외 알., 집중 토양 샘플 (그림 4a) 또한 2001 년에 수행 되었다, 어떤 표면에서 토양3 수정된 압력 calcimeter 메서드30,31에 의해 분석 되었다 CaCO . 시각적으로 분명 침식과 증 착 발생 이후 10 년 동안 바람, 인 주로 북 서, 및 강 우-결선에서 이벤트 메시지가 두 번째 RTKGPS 상승 조사 2009 년 (2010 년에 완료 하는 필드의 일부). DEM의 차이 지도32 를 통해 원래 2001 DEM 새로운 DEM의 비교 상당한 침식 및 증 착, (그림 5) 이러한 프로세스에 대 한 여러 제어 요소를 제안 하는 패턴을 표시 확인. 사이트 및 역사적 토양 CaCO3 데이터에서 상당한 표면 토양 재배포를 감안할 때, 2001 토양 샘플 반복 되었다 hydropedological 프로세스6, 개념적 모델을 테스트 하는 2012 년에 이전 섹션에 설명 된 대로.
그림 5입니다. 변경의 지도 (2001-2009 *) 땅 표면 상승 (Δz) 북동 콜로라도에 스콧 필드 내에서 5 m 눈금에. 작물 스트립 숫자는 번갈아 겨울-밀-휴 경지 자르기 시스템 표시 및섹션 A-A’ (세부 사항 그림 11에) 표시 됩니다. * 지구 2, 4, 6, 8 (Sherrod 외.)에서 2009 DEM 완료 2010 년 조사 6. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
상승 (그림 5)에 매핑된 변경 여러 비늘에 상당한 침식과 농업 분야와 공간적 패턴 여러 제어 요인의 지표에 증 착을 보여 줍니다. 바람, 물 흐름에 의해 생성 하는 벌금 규모 수지상 패턴 아래와 관련 된 필드 눈금 패턴에서이 연구에 관련 된 프로세스는 뚜렷한. 해발 고도 변화 감지 반복된 RTKGPS 지상 조사에 의해 제공의 수준 최적의 나타납니다. 미세한 감지 레벨, TLS에 의해…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
필드 연구 사이트 데이비드 드레이 크에 의해 관리 하는 농장 이며 우리가이 장기 연구 하는 동안 그의 협력에 대 한 그에 게 감사. 우리는 또한 감사 마이크 머피 그녀의 도움에 대 한이 프로젝트에 로빈 Montenieri 현장 작업의 그의 많은 년에 대 한이 문서에 사용 된 그래픽.
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 |
References
- 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).
