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

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Environment

Medição e mapeamento de padrões de erosão e deposição relacionadas às concentrações de carbonato de solo sob gestão agrícola

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

Padrões espaciais de deposição e erosão do solo podem ser inferidos diferenças na elevação de terreno mapeado em incrementos de tempo apropriado. Tais mudanças na elevação estão relacionadas a alterações no solo perto da superfície de carbonatos. Métodos repetíveis para medições de campo e laboratório destes métodos de análise de dados e quantidades são descritos aqui.

Abstract

Padrões espaciais de deposição e erosão do solo podem ser inferidos diferenças na elevação de terreno mapeado em incrementos de tempo apropriado. Tais mudanças na elevação estão relacionadas a alterações nos perfis de carbonato (CaCO₃) solo perto da superfície. O objetivo é descrever um modelo conceitual simples e Protocolo detalhado para campo repetível e medições laboratoriais dessas quantidades. Aqui, a elevação exata é medida usando um terrestre diferencial sistema de posicionamento global (GPS); outros métodos de aquisição de dados poderiam ser aplicados o mesmo método básico. Amostras de solo são coletadas prescrito intervalos de profundidade e analisadas no laboratório usando um método modificado de calcimeter de pressão, eficientes e precisos para análise quantitativa da concentração de carbono inorgânico. Métodos estatísticos padrão são aplicados para apontar dados e resultados representativos mostraram correlações significativas entre as alterações na camada superficial do solo de CaCO₃e alterações na elevação consistente com o modelo conceitual; CaCO₃geralmente diminuíram em áreas Deposicionais e aumentou em áreas erosivas. Mapas são derivados de medições de ponto de elevação e CaCO₃ para auxiliar as análises de solo. Mapa de padrões erosivas e deposicionais no local de estudo, um campo de trigo de inverno pluvial cortado em alternando tiras de trigo-pousio, mostra os efeitos de interação de água e vento erosão afetados pela gestão e topografia. Métodos de amostragem alternativos e intervalos de profundidade são discutidos e recomendados para trabalhos futuros relacionados a erosão do solo e a deposição de CaCO₃do solo.

Introduction

Erosão ameaça a sustentabilidade das terras agrícolas. Cultura de gestão, tais como rotação de colheita de trigo de inverno-pousio convencionalmente cultivadas, pode acelerar processos de erosão e deposição como solos nus durante os períodos de pousios são mais suscetíveis à água e vento forças¹^,²^, ³ ^, ⁴ ^, ⁵ (Figura 1). Enquanto estes processos podem ser evidentes, eles podem ser difíceis de quantificar.

O objetivo deste estudo é a primeira a fornecer um método eficiente para quantificar e descrever os padrões espaciais de erosão e deposição no campo escala usando a tecnologia de posicionamento global (GPS) de sistema e sistemas de informação geográfica (GIS), ferramentas de mapeamento. Um modelo conceitual simples relativas a esses padrões para carbonatos de solo (CaCO₃) perto da superfície também é apresentado e testado por métodos de laboratório e campo prescrito. Esses relacionamentos fornecem medidas indirectas de erosão e deposição, ao validar os resultados do método GPS. O presente trabalho enfatiza os métodos utilizados em Sherrod et al. para que eles podem ser repetidos, em parte ou no todo, para pesquisas semelhantes em outros locais⁶.

Figura 1. Fotos de erosão (a) e (b) a deposição no local de estudo, após um evento de chuvas. Um pneu de trator no canto inferior direito da foto (b) indica a profundidade de deposição na fronteira da faixa de trigo/pousio.

Vário direcionam, métodos de medição de erosão do solo foram analisados por Stroosnijder⁷. Métodos sugeridos variam de acordo com a finalidade de medição e os recursos disponíveis, mas um método de “mudança de elevação da superfície” recomenda-se a escala de hillslope e oferece a vantagem de medir tanto a erosão e a deposição. Uma maneira de aplicar este método é instalar os pinos no solo e monitorar a mudança de altura do solo em relação ao topo do pino⁷. Com os avanços na tecnologia de levantamento de terra, no entanto, esta abordagem intensiva pode ser substituída por outras técnicas, tais como laser terrestre digitalização (TLS)⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹ ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶, laser aerotransportado de varredura (ALS)¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, GPS⁶^,²², fotogrametria avançada²³ ^,²⁴, ou combinações destas técnicas²⁵^,²⁶^,²⁷. Enquanto o laser digitalização, comumente referido como LiDAR (luz deteção e variando), fornece a mais rápida aquisição de conjuntos de dados de elevação da superfície densa, correções devem ser feitas para remover objetos de permanente, tais como a vegetação. Com precisão vertical milímetro-nível, TLS pode detectar a menor mudança de elevação, no entanto Perroy et al. ALS recomendada por TLS para erosão gulley estima devido a maior pegada de digitalização e a melhor orientação de instrumento (menos sombreamento topográfico) para digitalização em ravinas profundamente incisos²⁸. Em tempo real cinemático GPS (RTKGPS), fornecendo centímetro-nível precisão sem pós-processamento de dados, é usado para este estudo. A resolução espacial e precisão dos dados coletados de RTKGPS são ótimos para detectar as características erosivas e deposicionais dominantes em um campo agrícola ou outros ambientes com tampa à terra substancial.

O método de pressão-calcimeter para quantificar o solo CaCO₃ baseia-se na reação do solo ao ácido em um sistema fechado, resultando na liberação de CO_2. O aumento da pressão dentro do recipiente de reação a uma temperatura constante é linearmente correlacionado com a quantidade de solo CaCO₃²⁹. Modificações para o método de pressão tradicional-calcimeter, descrito por Sherrod et al., incluem alterando a embarcação da reação para frascos de soro e usando um transdutor de pressão ligado a um voltímetro digital para a detecção de mudanças de pressão³⁰. essas modificações permitem mais baixos limites de detecção e uma capacidade mais elevada para a amostra de solo diária é executado. Gravimétricos ou simples titrimetric métodos para medição de solo CaCO₃ produziram maiores erros e limites de detecção que esta modificado método de pressão-calcimeter³⁰.

Modelo conceitual

Quando medidas directas de erosão e deposição não são viáveis, indicadores indirectos destes processos podem ser usados. Sherrod et al. a hipótese de que concentração de CaCO₃a camada de superfície do solo em um clima semi-árido está inversamente correlacionada com a mudança de elevação da superfície solo (positivamente correlacionada com a erosão, negativamente com deposição)⁶. A hipótese deve aplicar-se amplamente, mas relacionamentos específicos vão depender de condições do local (solo, vegetação, gestão e clima). Solos no local de testes (tabela 1) normalmente contêm uma camada distinta de calcária de 15-20 cm abaixo da superfície do solo. Conceitualmente, a erosão irá remover a camada superficial da relativamente baixa concentração de₃CaCO deixando esta camada calcária de alta CaCO₃mais perto para a superfície do solo. CaCO₃solo baixo é então transportado para as áreas deposicionais, fazendo com que a camada de calcária a ser enterrado mais fundo abaixo da superfície do solo (Figura 2). Estes solos de amostragem ao longo do tempo em intervalos de profundidade adequada, erosão ou deposição (ou nenhum) pode ser inferida pela concentração de CaCO₃, de acordo com este modelo.

Série de solo

Inclinação

Classificação taxonomica

Profundidade

pH

CE

N total

SOC

CaCO₃

% cm 1:2 dS m^-1 g kg^-1 g kg^-1 g kg^-1 Colby barro 5-9 multa-siltosa, mista, superactive, calcários, mésicos 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 Barro arenoso Kim 2-5 multa-argiloso, misto, ativo, calcários, mésicos 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 multa-argiloso, misto, ativo, calcários, mésicos 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 de barro 0-2 mésicos grossa siltosa, misto, superactive 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 mésicos grossa siltosa, misto, superactive 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

Tabela 1. Solos no local de teste. Unidades de mapeamento e classificação taxonômica, com pH do solo médio, elétrica, condutividade (CE), N total, do solo orgânico C (SOC) e concentrações de CaCO₃a 0 – a 15 – e incrementos de 15 a 30 cm de profundidade para o Scott campo em 2012 do solo (de Sherrod et Al.) ⁶.

Figura 2. Perfis de solo conceitual. Perfis de solo conceitual para (a) matriz com CaCO₃ estáticos solo lixiviado da camada superficial e precipitaram em uma camada mais profunda, (b) moderada erosão da camada superficial e (c) moderada deposição de material acima da camada de superfície anterior. Intervalos de profundidade (à esquerda) são aproximados com base em dados do site (de Sherrod et al.) ⁶. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

História e descrição do site

O 109-ha campo Scott faz parte da fazenda Drake no nordeste do Colorado (40.61^óN, 104.84^óW, Figura 3) e foi monitorado a partir de 2001 para 2012 para este estudo. Evapotranspiração e precipitação média anual foram cerca de 350 e 1200 mm, respectivamente, neste clima semiárido, onde a chuva convectiva de curta duração e alta intensidade eram comuns durante o verão. Altitudes variam de 1559 a 1588 m neste terreno ondulado com posições distintas da paisagem: Cimeira, escora virado para norte (lado-NF), escora virados para Sul (lado-SF) e toeslope (figura 4b). Tiras alternadas (~ 120 m de largura) normalmente eram geridas nesta rotação de trigo de inverno-pousio de sequeiro tal que todos os outra tira foi pousio há cerca de 14 meses fora de cada ciclo de rotação de 24 meses. Lavoura superficial (~ 7 cm), geralmente varreduras de v-blade, ocorreu de 4 a 6 vezes durante o período de pousio para controle de ervas daninhas. Solos no local foram classificados para ter uma tolerância de perda de solo, ou o valor de T , de 11 Mg ha^-1ano^-1, onde as taxas de erosão abaixo deste valor de T são consideradas aceitáveis para produção agrícola⁴ .

Figura 3. Local do site é mostrado uma imagem de relevo topográfico (1011 para 4401 m) do estado do Colorado, EUA. Elevação média do site é 1577 m.

Figura 4. Solos mapa e elevação de superfície de terra do Scott Field. (a) mapa de solos do Scott Field mostrando locais de amostra de solo de ponto e a gestão das culturas de tiras. Abreviaturas de unidade de solo são: 1 = Wagonwheel % de declive barro 0-2, 2 = Wagonwheel barro 2-5% de declive, 3 = Colby barro 5-9% de declive, 4 = Kim arenoso fino 2-5% de declive, 5 = Kim bem arenoso 5-9% de declive; e (b) elevação da superfície terra do campo com base no modelo de 2001 5-m grade elevação digital (DEM), com locais de amostra de solo mostrados pela classificação de terra (de Sherrod et al.) ⁶.

O primeiro levantamento de elevação da superfície do solo foi coletado pelo RTKGPS em 2001 para produzir um modelo de elevação digital (DEM) para o site. Em conjunto com o McCutcheon et al., uma amostra de solo intensivo (figura 4a) também foi realizada em 2001, desde que a superfície do solo CaCO₃ foram analisados por uma pressão modificada-calcimeter método³⁰^,³¹. Visualmente evidente erosão e deposição ocorrendo na década posterior devido ao vento, predominantemente do noroeste e precipitação-escoamento eventos solicitado um segundo exame de elevação de RTKGPS em 2009 (com uma parte do campo concluído em 2010). Comparação entre o novo DEM para o DEM 2001 original através de um mapa de DEM de diferença³² confirmou significativa erosão e deposição, exibindo padrões que sugeriu vários fatores controladores para estes processos (Figura 5). Dada a redistribuição de solo de superfície substancial no site e os dados do histórico solo CaCO₃ , a amostra de solo de 2001 foi repetida em 2012 para testar um modelo conceitual de processos de hydropedological⁶, conforme descrito na seção anterior.

Figura 5. Mapa de alterações (2001-2009 *) na elevação da superfície da terra (Δz) em uma grade de 5-m dentro do Scott Fieldem nordeste do Colorado. Números de faixa de colheita são rotulados sobre o sistema de cultivo de inverno-trigo-pousio alternado, eseção A-A’ é mostrada (detalhes dados na Figura 11). * Tiras de 2, 4, 6, 8, pesquisadas em 2010 para completar o DEM 2009 (a partir de Sherrod et al.) ⁶. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

1. coleta de dados de elevação de superfície de terra calibração de GPS para o site Localizar ou conjunto estável de referência em um local seguro no local da pesquisa, para utilização como estação base de GPS para coleta de dados RTKGPS. Configurar a estação base para coleta de dados RTKGPS nesta referência local usando a melhor aproximação de coordenadas para a localização de estação rádio-base (ou seja, posição GPS WAAS-corrigido). Com o rover GP…

Representative Results

Mapear as diferenças do DEM de 2001 e 2009 revela a erosão (vermelho) e deposição (verde) durante esse período de 8 anos, com nível de decímetro mudanças de altitude sobre a maioria das áreas (Figura 5). Na escala de campo, erosão é dominante no oeste e sudoeste, enquanto a deposição é vista ao longo de um noroeste para sudeste diagonal banda no lado leste do campo. Bandas alternadas de erosão e deposição são vistas na gestão-escala, muitas…

Discussion

Mapeada mudanças de altitude (Figura 5) ilustram significativa erosão e deposição em um campo agrícola e padrões espaciais indicativos de múltiplos fatores de controle em várias escalas. De padrões de escala de campo associados com o vento, até padrões dendríticas de escala bem produzido pelo fluxo de água, processos relevantes para este estudo são perceptíveis. O nível de detecção de mudança de elevação fornecido por repetidas pesquisas de solo RTKGPS parece ideal. Melh…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

O local de estudo de campo é em uma fazenda, gerenciada por David Drake e agradecemos-lhe pela sua cooperação durante esta investigação a longo prazo. Também agradecemos a Mike Murphy por tantos anos de trabalho de campo sobre este projeto e Robin Montenieri por sua ajuda com gráficos utilizados neste trabalho.

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).

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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).