Medición y mapeo de patrones de erosión y deposición relacionadas las concentraciones de carbonato de suelo bajo manejo agrícola

Summary

Patrones espaciales de la erosión del suelo y deposición pueden ser deducidos de las diferencias en la elevación de la tierra asignada en incrementos de tiempo apropiado. Tales cambios de elevación están relacionados con cambios en carbonatos del suelo cerca de la superficie. Aquí se describen los métodos repetibles para mediciones de campo y de laboratorio de estos métodos de análisis de datos y cantidades.

Abstract

Patrones espaciales de la erosión del suelo y deposición pueden ser deducidos de las diferencias en la elevación de la tierra asignada en incrementos de tiempo apropiado. Tales cambios en elevación se relacionan con cambios en los perfiles de suelo cerca de la superficie carbonato (CaCO₃). El objetivo es describir un modelo conceptual simple y un protocolo detallado para el campo repetible y mediciones de laboratorio de estas cantidades. Aquí, elevación exacta se mide utilizando un terrestre diferencial sistema de posicionamiento global (GPS); otros métodos de adquisición de datos se podrían aplicar al mismo método básico. Se recogieron muestras de suelo de prescribir intervalos de profundidad y analizadas en el laboratorio usando un método de presión-calcimeter modificado eficiente y precisa para el análisis cuantitativo de la concentración de carbono inorgánico. Se aplican métodos estadísticos estándar para apuntar datos y resultados representativos muestran correlaciones significativas entre los cambios en la capa superficial de suelo CaCO₃ y cambios en elevación consistente con el modelo conceptual; CaCO₃ generalmente disminuyó en áreas deposicionales y aumentó en las zonas de erosión. Mapas se derivan de las mediciones de punto de elevación y el suelo de CaCO₃ para análisis. Mapa de patrones de erosión y deposición en el sitio de estudio, un campo de trigo de invierno de secano cosechado alternando tiras de barbecho de trigo, muestra los efectos de interacción de erosión hídrica y eólica, afectados por la gestión y la topografía. Métodos de muestreo alternativos y los intervalos de profundidad se discuten y se recomienda para futuros trabajos relacionados con la erosión del suelo y deposición del suelo CaCO₃.

Introduction

La erosión del suelo amenaza la sostenibilidad de las tierras agrícolas. Gestión, tales como una rotación de cultivos de barbecho de trigo de invierno labranza convencional de los cultivos, puede acelerar los procesos de erosión y deposición como suelos desnudos durante periodos de descanso son más susceptibles al viento y el agua las fuerzas^{1,2, 3 , 4 , 5} (figura 1). Si bien estos procesos pueden ser evidentes, pueden ser difíciles de cuantificar.

El propósito de este estudio es primero proporcionar un método eficiente para cuantificar y describir los patrones espaciales de la erosión y deposición en el campo de escala utilizando la tecnología de sistema (GPS) de posicionamiento global y sistemas de información geográfica (SIG), herramientas de mapeo. Un modelo conceptual simple sobre estos patrones de carbonatos del suelo (CaCO₃) cerca de la superficie también es presentado y probado por métodos de laboratorio y campo prescrito. Estas relaciones proporcionan medidas indirectas de la erosión y deposición, al validar los resultados del método GPS. El presente documento hace hincapié en los métodos utilizados en Sherrod et al. así que ellos pueden repetirse, total o parcial, para investigaciones similares en otros lugares⁶.

Figura 1. Fotos de erosión (a) y (b) la deposición en el sitio de estudio después de un evento de lluvias. Una pista de neumático de tractor en la esquina inferior derecha de la foto (b) indica la profundidad de deposición en la frontera de la franja de trigo/barbecho.

Varios dirigen métodos de medición de la erosión del suelo fueron revisados por Stroosnijder⁷. Los métodos sugeridos varían con el propósito de la medición y los recursos disponibles, pero un método de “cambio en la elevación de la superficie” en la escala de ladera se recomienda y ofrece la ventaja de medir erosión y deposición. Una forma de aplicar este método es instalar los pernos en el suelo y controlar el cambio de altura del suelo en relación con la parte superior del pin⁷. Con los avances en técnica de medición de la tierra, sin embargo, este enfoque requiere mano de obra puede ser sustituido por otras técnicas, tales como láser terrestre (TLS)^{8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}, láser aerotransportado (ALS)^{17,18,19,20,21}, GPS^6,22, fotogrametría avanzada^{23 ,24}, o combinaciones de estas técnicas^25,26,27. Mientras láser exploración, comúnmente conocido como LiDAR (Light Detection And Ranging), proporciona la más rápida adquisición de conjuntos de datos de elevación de la superficie densa, deben hacerse correcciones para eliminar objetos de pie, como vegetación. Con precisión vertical del nivel del milímetro, TLS puede detectar el cambio más pequeño de la elevación, sin embargo Perroy et al. ALS recomendadas sobre TLS para la erosión de Barranco estima debido a la huella de exploración más grande y mejor orientación instrumento (menos sombreado topográfico) para exploración en barrancos profundamente incisas²⁸. En tiempo real cinemático GPS (RTKGPS), proporcionando precisión nivel centímetro sin el post-procesado de datos, se utiliza para este estudio. La resolución espacial y precisión de los datos RTKGPS recogidos son óptimos para la detección de las características deposicionales y erosivos dominantes en un campo agrícolo o en otros ambientes con importante cobertura del suelo.

El método de presión calcimeter para la cuantificación de suelo CaCO₃ se basa en la reacción del suelo al ácido en un sistema cerrado, lo que resulta en la liberación de CO_2. El aumento en la presión dentro del recipiente de la reacción a temperatura constante está linealmente correlacionado con la cantidad de suelo CaCO₃²⁹. Modificaciones en el método tradicional de presión-calcimeter, descrito por Sherrod et al., incluyen cambiar el recipiente de la reacción a las botellas de suero y el uso de un transductor de presión conectado a un voltímetro digital para la detección de cambios en la presión ³⁰. estas modificaciones permiten límites de detección más bajos y una mayor capacidad para la muestra de suelo diaria funciona. Métodos volumétricos gravimétricos o simple para la medición de suelo CaCO₃ producción mayores errores y límites de detección que este modificación método de presión-calcimeter³⁰.

Modelo conceptual

Cuando las medidas directas de la erosión y deposición no son factibles, pueden utilizarse indicadores indirectos de estos procesos. Sherrod et al. la hipótesis de que la concentración de CaCO₃ de la capa superficial de suelo en un clima semiárido está correlacionada inversamente con el cambio en la elevación de la superficie terrestre (correlacionada positivamente con la erosión, negativamente correlacionada con la deposición)⁶. La hipótesis debe aplicarse ampliamente, pero relaciones específicas dependerá de las condiciones del lugar (suelo, vegetación, gestión y clima). Suelos en el sitio de prueba (cuadro 1) normalmente contienen una capa calcárea distinta 15-20 cm por debajo de la superficie del suelo. Conceptualmente, la erosión Retire la capa superficial de la relativamente baja concentración de CaCO₃ dejando esta capa calcárea de alta CaCO₃ cerca a la superficie del suelo. El CaCO₃ suelo bajo entonces es transportado a las zonas de deposición, provocando la capa calcárea enterrado más profundamente debajo de la superficie del suelo (figura 2). Muestreo de estos suelos con el tiempo a intervalos de profundidad adecuada, erosión o deposición (o ninguno) puede inferirse por la concentración de CaCO₃ , según este modelo.

Serie de suelo

Pendiente

Clasificación taxonómica

Profundidad

pH

CE

N total

SOC

CaCO3

% cm 1:2 dS m^-1 g kg^-1 g kg^-1 g kg^-1 Marga de Colby 5-9 Limosa fina, mixta, superactive, calcáreo, mesic 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 Marga arenosa de Kim 2-5 margoso fino, mixto, activo, calcáreo, mesic 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 margoso fino, mixto, activo, calcáreo, mesic 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 Marga 0-2 Aridic Calciustept gruesa limosa, mezcla, superactive, mesic 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 Aridic Calciustept gruesa limosa, mezcla, superactive, mesic 0-15 8.3 0.23 0,8 6.6 52.0 15-30 8.4 0.26 0,7 5.4 118.3

Tabla 1. Suelos en el sitio de prueba. Del suelo unidades de mapeo y clasificación taxonómica, con pH promedio de suelo eléctrico conductividad (CE), N total, suelo C orgánico (COS), y campo de CaCO₃ concentraciones en el 0 – 15 y en incrementos de 15 a 30 cm de profundidad para la Scott en 2012 (de Sherrod et al.) ⁶.

Figura 2. Perfiles de suelo conceptual. Perfiles de suelo conceptual para (a) una matriz de suelo estática con CaCO₃ lixiviado de la capa superficial y precipitaron en una capa más profunda, erosión moderada (b) de la capa superficial y (c) moderada deposición de material por encima de la capa superficial anterior. Intervalos de profundidad (izquierda) son aproximados basados en datos del sitio (de Sherrod et al.) ⁶. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Historia y descripción del sitio

El 109-campo de Scott es parte de la granja de Drake en Colorado noreste (40.61^oN, 104.84^oW, figura 3) y fue supervisado desde 2001 a 2012 para este estudio. Evapotranspiración y precipitación anual promedio fueron aproximadamente 350 y 1200 mm, respectivamente, en este clima semiárido, donde la lluvia convectiva de corta duración y alta intensidad eran comunes durante el verano. Elevaciones van desde 1559 1588 m en este terreno ondulado con posiciones distintas de paisaje: Cumbre, talud orientada al norte (lado-NF), talud orientada al sur (lado-SF) y toeslope (Figura 4b). Alternando las tiras (~ 120 m de ancho) manejaron típicamente en esta rotación del barbecho de trigo de invierno de secano que cada tira del otro era barbecho durante unos 14 meses en cada ciclo de rotación de 24 meses. Labranza superficial (~ 7 cm), típicamente barridos de la lámina v, ocurrió de 4 a 6 veces durante el período de barbecho para control de malezas. Se clasifican los suelos en el sitio para tener una tolerancia de pérdida de suelo, o un valor T de 11 Mg ha^-1 año^-1, donde las tasas de erosión debajo de este valor de T se consideran aceptables para la producción agrícola continua⁴ .

Figura 3. Ubicación del sitio aparece en una imagen de relieve topográfico (1011 a 4401 m) del estado de Colorado, USA. Elevación media del sitio es m 1577.

Figura 4. Suelos con mapa y elevación de superficie de la tierra de Scott Field. (a) mapa de suelos del Scott Field mostrando punto suelo muestra lugares y el manejo del cultivo de las tiras. Abreviaturas de unidad de suelo son: 1 = Wagonwheel Marga 0-2% pendiente, 2 = Wagonwheel Marga pendiente 2-5%, 3 = Colby Marga pendiente 5-9%, 4 = Kim franco arenoso fino 2-5% pendiente, 5 = Kim pendiente de 5-9% franco arenoso fino; y elevación de la tierra (b) superficie del campo basado en el modelo de elevación digital de red de 5 m 2001 (DEM), con localizaciones de la muestra de suelo de clasificación de tierras (de Sherrod et al.) ⁶.

La primera encuesta de elevación de la superficie del suelo fue recogida por RTKGPS en 2001 para producir un modelo de elevación digital (DEM) para el sitio. En conjunto con McCutcheon et al., también se realizó una muestra de suelo intensivo (figura 4a) en el año 2001, de que superficie suelo CaCO₃ se analizaron por un método de presión modificada-calcimeter^30,31 . Visualmente evidente erosión y deposición que ocurre en la década posterior debido al viento, predominante desde el noroeste y la lluvia-escurrimiento eventos solicita una segunda encuesta de elevación RTKGPS en 2009 (con una parte del campo, terminado en 2010). Comparación de la nueva DEM a la DEM 2001 original a través de un mapa DEM de la diferencia de³² confirmó significativa erosión y deposición, mostrando patrones que sugieren múltiples factores de controladores para estos procesos (figura 5). Teniendo en cuenta la redistribución substancial del suelo superficial en el sitio y los datos de suelo histórico CaCO₃ , la muestra de suelo de 2001 se repitió en 2012 para poner a prueba un modelo conceptual de procesos de hydropedological⁶, como se describe en la sección anterior.

Figura 5. Mapa de cambios (2001-2009 *) en la elevación de la superficie de la tierra (Δz) en una cuadrícula de 5 m en el Scott Field en el noreste de Colorado. Cultivo tira números están marcados sobre el sistema de cultivo de barbecho de trigo de invierno alternando, ysección A-A’ se muestra (detalles dados en la figura 11). * Tiras de 2, 4, 6, 8 encuestados en 2010 para completar el DEM 2009 (de Sherrod et al.) ⁶. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

1. recopilación de datos de elevación de superficie de tierra calibración de GPS para el sitio Ubique o conjunto estable de referencia en un lugar seguro en el sitio de estudio para el uso como la estación base GPS para recopilación de datos RTKGPS. Configurar estación base RTKGPS recolección de datos en este punto de referencia local con mejor aproximación de coordenadas para la ubicación de la estación base (es decir, posición GPS WAAS corregido). Con el rove…

Representative Results

Mapeo de las diferencias de la DEM de 2001 y 2009 revela erosión (rojo) y la deposición (verde) durante ese período de 8 años, con cambios del nivel del decímetro en elevación sobre la mayoría de las áreas (figura 5). En la escala de campo, la erosión es dominante en el oeste y suroeste, mientras que la deposición se ve a lo largo de noroeste a banda sureste diagonal en el lado este del campo. Bandas alternas de erosión y deposición se observan en…

Discussion

Asignada cambios en elevación (figura 5) ilustran la significativa erosión y deposición en un campo agrícolo y patrones espaciales de múltiples factores de controladores en múltiples escalas. De patrones de la escala del campo asociados con el viento, hasta patrones dendríticos de escala fina producida por flujo de agua, procesos relevantes para este estudio son discernibles. El nivel de detección de cambio de elevación proporcionada por repetidas RTKGPS tierra encuestas aparece óp…

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