Измерение и сопоставление моделей осаждения, относящиеся к концентрации карбоната почвы под управление сельским хозяйством и эрозии почвы
Summary
Пространственных структур осаждения и эрозии почвы может быть выведен из различий в местах высота сопоставлены в соответствующие временные интервалы. Такие изменения в высоте связаны с изменениями в карбонаты почвы вблизи поверхности. Повторяющиеся методы для полевых и лабораторных измерений этих количеств и данных методов анализа описаны здесь.
Abstract
Пространственных структур осаждения и эрозии почвы может быть выведен из различий в местах высота сопоставлены в соответствующие временные интервалы. Такие изменения в высоте связаны с изменениями в профилях карбонат (СаСО3) близко к поверхности почвы. Цель заключается в том, чтобы описать простой концептуальной модели и подробный протокол для повторяющихся полей и лабораторных измерений этих величин. Здесь Точная высота измеряется с помощью наземного базирования дифференциальной глобальной системы позиционирования (GPS); другие методы сбора данных могут применяться к такой же основной метод. Образцы почвы собраны из предписанные интервалы глубины и анализируются в лаборатории с использованием метода эффективной и точной изменение давления calcimeter для количественного анализа концентрации неорганического углерода. Стандартные статистические методы применяются для указания данных, и представитель результаты показывают значимые корреляции между изменениями в поверхностном слое почвы СаСО3 и изменения в высоте в соответствии с концептуальной модели; СаСО3 вообще сократились в районах осадконакопления и увеличение Электроэррозионная областях. Карты являются производными от точки измерения высоты и почвы СаСО3 для оказания помощи анализы. Карте моделей эрозионные и осадконакопления на объекте исследования, дождевого орошения озимой пшеницы поле обрезается в чередующиеся полосы пшеницы лань, показывает взаимодействующих эффекты водной и ветровой эрозии, пострадавших от управления и топографии. Обсуждаются и рекомендуется для будущей работы, касающиеся эрозии почвы и осаждения в почву СаСО3альтернативные методы и глубины интервалы.
Introduction
Эрозия почвы угрожает устойчивости сельскохозяйственных земель. Урожай управления, такие как условно подготовил вращение урожая озимой пшеницы лань, может ускорить процессы эрозии и осаждения как голой почвы во время парования более подвержены ветровой и водной сил1,2, 3 , 4 , 5 (рис. 1). Хотя эти процессы могут быть очевидными, они могут быть трудно подсчитать.
Целью данного исследования является сначала обеспечить эффективный метод для количественной оценки и описания пространственных структур эрозии и осаждения в поле Масштаб с помощью системы (GPS) технологии глобального позиционирования и географических информационных систем (ГИС) отображение инструментов. Простая концептуальная модель, касающиеся этих моделей с поверхности почвы карбонаты (СаСО3) также представлены и проверены предписанные поля и лабораторных методов. Эти отношения обеспечивают косвенные меры эрозии и осаждения, при проверке результаты метода GPS. Настоящий документ подчеркивает методы, используемые в Шеррод и др. Таким образом, что они могут повторяться, в части или в целом, для аналогичных исследований в других местах6.
Рисунок 1. Фотографии () эрозии и (b) осаждения на объекте исследования после события дождями. Трактор шины трек в правом нижнем углу фото (b) указывает глубину осаждения на границе полосы пшеницы/лани.
Различные прямые методы измерения эрозии почвы были рассмотрены Stroosnijder7. Предлагаемые методы изменяются с целью измерения и имеющихся ресурсов, но метод «изменения поверхности фасада» рекомендуется в hillslope масштабе и дает преимущество измерения эрозии и осаждения. Один из способов применения этого метода является установить контакты в почве и мониторинга изменений в высоту почвы по отношению к верхней части контактный7. С достижениями в технологии землемерие однако, этот трудоемкий подход могут быть заменены другими методами, например наземного лазерного сканирования (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, бортовых лазерного сканирования (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, передовые фотограмметрии23 ,24, или комбинации этих методов25,,2627. Хотя лазерное сканирование, обычно именуемых LiDAR (свет обнаружения и начиная), обеспечивает наиболее быстрое приобретение наборов данных плотной поверхности фасада, исправления должны быть произведены для удаления постоянных объектов, таких как растительность. С вертикальной точности миллиметр уровня, TLS может обнаружить малейшее изменение высоты, однако Perroy и др. Рекомендуемые ALS по протоколу TLS для овраг эрозии оценки из-за больших сканирования след и лучшей ориентации инструмента (менее Топографическая затенение) для сканирования в глубоко резаная овраги28. Реального времени Кинематические GPS (RTKGPS), обеспечивая точность сантиметр уровня без пост-обработки данных, используется для этого исследования. Пространственное разрешение и точность RTKGPS-собранные данные являются оптимальными для обнаружения доминанты эрозионные и осадконакопления в сельском хозяйстве или в других средах с существенной почвопокровные.
Давление calcimeter метод количественного определения почвы СаСО3 опирается на реакцию почвы кислоты в закрытой системе, что приводит к освобождению CO2. Увеличение давления в сосуде при постоянной температуре линейно коррелируют на количество почвы СаСО329. Изменения в традиционных давления calcimeter метод, описываемого Шеррод и др., включают изменение реакции судна в сыворотке бутылки и с помощью датчика давления, Проводной цифровой вольтметр для обнаружения изменений давления 30. Эти изменения позволяют ниже пределов обнаружения и большей емкости для ежедневных образца грунта выполняется. Гравиметрическая или простой титриметрические методы для почвы СаСО3 измерения производятся большие ошибки, и пределов обнаружения, чем это изменение давления calcimeter метод30.
Концептуальная модель
Когда не возможны прямые меры эрозии и осаждения, могут использоваться косвенные показатели этих процессов. Шеррод и др. предположили, что концентрация поверхностного слоя СаСО3 почвы в полузасушливых Климат обратно коррелирует с изменением в местах поверхности фасада (положительно коррелирует с эрозией, негативно коррелируется с осаждения)6. Следует широко применять гипотезы, но конкретных отношений будет зависеть от условий строительной площадки (почвы, растительность, управления и климата). Почвы на полигоне (Таблица 1), как правило, содержат различные известняковый слой 15-20 см ниже поверхности почвы. Концептуально эрозии удалит поверхностного слоя относительно низкой концентрации СаСО3 , оставляя это известняковый слой высокой СаСО3 ближе к поверхности почвы. Низкая СаСО3 почвы затем транспортируется в области осадконакопления, вызывая известняковый слой, чтобы быть похороненным глубже ниже поверхности почвы (рис. 2). Выборка данных эти почвы со временем соответствующей глубины интервалом, эрозии и осаждения (либо ни) могут быть вычленены СаСО3 концентрация, согласно этой модели.
| Серия почвы | Наклон | Таксономическая классификация | Глубина | pH | EC | Всего N | SOC | СаСО3 |
Таблицы 1. Почвы на полигоне. Сопоставления единиц и таксономической классификации, с средняя почвы рН, электрическая проводимость (EC), всего N, почвенных органических C (SOC), и СаСО3 концентрации в 0 – 15 – и глубиной 15 – 30 см с шагом для Скотт поля в 2012 году почвы (от Шеррод et Аль.) 6.
Рисунок 2. Концептуальные почвы профили. Концептуальные почвы профили для () статический почвенная матрица с СаСО3 выщелачиваться из поверхностного слоя и ускорили в глубокий слой, умеренные эрозии поверхностного слоя (b) и (c) умеренной осаждения материала выше предыдущего слоя. Глубина интервалы (слева) являются приблизительными, основанные на данных сайта (от Шеррод и др.) 6. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Описание и история
109-ха Скотт поле является частью фермы Дрейк в северо-восточном Колорадо (40,61oN, 104.84oW, рис. 3) и контролируется от 2001 до 2012 года для этого исследования. Среднее годовое количество осадков и эвапотранспирации были примерно 350 и 1200 мм, соответственно, в этом полупустыня, где конвективной дождь короткой продолжительности и высокой интенсивности были распространены в летнее время. Фасады диапазоне от 1559 до 1588 м в этой холмистой местности с позиций отдельных пейзаж: саммит, откоса северную сторону (сторона NF), откоса южную сторону (сторона SF) и toeslope (рис. 4В). Чередующиеся полосы (шириной ~ 120 м) обычно управлялись в этой ротации озимой пшеницы перелога богарного земледелия, таким образом, что каждая полоса была перелог около 14 месяцев из каждого вращения 24-месячного цикла. Неглубокой почвы (~ 7 см), обычно v лезвие зачисток, произошла 4-6 раз через перелог период для растений. Почвы на сайте были классифицированы иметь потери почвы терпимости, или значение T , 11 мг га-1 год-1, где темпы эрозии ниже этого значения T считается приемлемым для продолжения сельскохозяйственного производства4 .
Рисунок 3. Расположение сайта отображается на топографических рельефное изображение (1011 до 4401 м) из штата Колорадо, США. Средняя высота сайта составляет 1577 m.
Рисунок 4. Почв карта и рельефа поверхности поля, Скотт. полосы () карта почв области Скотт, показывая пример расположения точек почвы и управления растениеводства. Почвы единицы аббревиатуры являются: 1 = Wagonwheel суглинок 0-2% склон, 2 = Wagonwheel суглинок уклон 2-5%, 3 = Colby суглинок 5-9% склон, 4 = Ким тонкой Супесь 2-5% склон, 5 = Ким штраф песчаных суглинках наклона 5-9%; и (b) рельефа поверхности поля на основе 2001 5-м сетки цифровой модели рельефа (DEM), с места образец почвы показано классификации земель (от Шеррод и др.) 6.
Первое обследование поверхности рельефа земли была собрана путем RTKGPS в 2001 году производить цифровой модели рельефа (DEM) для сайта. В сочетании с Маккатчеон и др., интенсивный почвы образца (рис. 4a) также была исполнена в 2001 году, из которых поверхности почвы СаСО3 были проанализированы на изменение давления calcimeter метод30,31 . Визуально видно эрозии и осаждения, происходящих в течение последующего десятилетия из-за ветра, преимущественно от северо-запада и осадки сток события побудили второго обследования высоты RTKGPS в 2009 году (с частью поля завершено в 2010 году). Сравнение нового DEM к оригинальной 2001 DEM через DEM разница Карта32 подтвердил значительной эрозии и осаждения, отображение шаблонов, которые предложили несколько контроля факторов для этих процессов (рис. 5). Учитывая существенные поверхности почвы перераспределения на сайте и исторической почвы СаСО3 данных, образец грунта 2001 было повторено в 2012 тестирование концептуальной модели процессов hydropedological6, как описано в предыдущем разделе.
Рисунок 5. Карта изменений (2001-2009 *) в высоту (zΔ) поверхности земли на 5-м сетки в поле Scott в северо-восточном штате Колорадо. Урожая газа номера помечены над чередуя систем земледелия зима пшеница лань, ираздел A-A’ показано (детали дано на рис. 11). * Полосы 2, 4, 6, 8, обследованных в 2010 году для завершения 2009 немецких марок (от Шеррод и др.) 6. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Сопоставленные изменения в высоте (рис. 5) иллюстрируют значительной эрозии и осаждения на сельскохозяйственные поля и пространственных структур свидетельствует о многочисленных факторов контроля над несколько шкал. От поля Масштаб шаблонов, связанных с ветром, вниз ш…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Поле исследования сайт находится на ферме в ведении Дэвид Дрейк, и мы благодарим его за его сотрудничество в течение этого долгосрочные исследования. Мы также благодарим Mike Murphy за его много лет полевых работ по этому проекту и Робин Montenieri за ее помощь с графикой, используемые в этой бумаге.
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).
