Mätning och kartläggning mönster jorderosion och nedfall kopplad till jord karbonat koncentrationer Under jordbrukets förvaltning
Summary
Rumsliga mönster jorderosion och nedfall kan härledas från marken höjdskillnader mappas på lämpliga tidssteg. Sådana förändringar i höjd är relaterade till förändringar i ytnära mark karbonater. Repeterbara metoderna för fält- och laboratorieaktiviteter mätningar av dessa kvantiteter och data analysmetoder beskrivs här.
Abstract
Rumsliga mönster jorderosion och nedfall kan härledas från marken höjdskillnader mappas på lämpliga tidssteg. Sådana förändringar i höjd är relaterade till förändringar i ytnära mark karbonat (CaCO3) profiler. Syftet är att beskriva en enkel konceptuell modell och detaljerade protokoll för repeterbara fält och laboratorium mätningar av dessa kvantiteter. Här, mäts exakt höjd med en markbaserade differential global positioning system (GPS); andra data förvärvsmetoder kan tillämpas på samma grundläggande metod. Jordprover samlas från föreskrivna djup intervaller och analyseras i labbet med en effektiv och exakt modifierade tryck-calcimeter metod för kvantitativ analys av oorganiska kolhalten. Statistiska standardmetoder tillämpas punkt data och representativa resultat visar signifikanta korrelationer mellan förändringar i markens ytskikt CaCO3 och förändringar i höjd överensstämmer med den konceptuella modellen; CaCO3 generellt minskade i depositional områden och ökade i erosional områden. Kartor härleds från punkt mätningar av höjd och jord CaCO3 stöd analyser. En karta av erosional och depositional mönster på webbplatsen studie, ett regnbevattnade höstvete fält beskurna i omväxlande vete-trädor remsor, visar de samverkande effekterna av vatten och vind erosion påverkas av management och topografi. Alternativa provtagningsmetoder och djup intervall diskuteras och rekommenderas för framtida arbete som rör jorderosion och nedfall att jord CaCO3.
Introduction
Jorderosion hotar hållbarheten i odlingslandskapet. Beskära förvaltning, såsom en konventionellt odlade höstvete-trädor växtföljd, kan påskynda erosion och nedfall processer som bare jordar under träda perioder är mer mottagliga för vind och vatten krafter1,2, 3 , 4 , 5 (figur 1). Medan dessa processer kan vara uppenbara, kan de vara svåra att kvantifiera.
Syftet med denna studie är först att tillhandahålla en effektiv metod för kvantifiering och beskriva spatiala mönster av erosion och nedfall på fältet skala använder global positioning system (GPS)-teknik och geografiska informationssystem (GIS) kartläggning verktyg. En enkel konceptuell modell avseende dessa mönster för att ytnära mark karbonater (CaCO3) presenteras också och testade av föreskrivna fältet och laboratoriemetoder. Dessa relationer ger indirekta åtgärder av erosion och nedfall, medan validera resultaten av metoden GPS. Detta dokument betonar de metoder som används i Sherrod et al. så att de kan upprepas, helt eller delvis, för liknande forskning i andra platser6.
Figur 1. Foton av a Erosion och (b) Deposition på webbplatsen studie efter ett regn händelse. Traktor däck spår i det nedre högra hörnet av foto (b) visar djupet av nedfall vid vete/dovhjort strip gränsen.
Olika direkta mätmetoder för jorderosion har granskats av Stroosnijder7. Föreslagna metoder varierar med mätning syfte och tillgängliga resurser, men en ”förändring i ytans höjd” metod rekommenderas i hillslope skala och ger fördelen av att mäta både erosion och nedfall. Ett sätt att tillämpa denna metod är att installera pins i marken och övervaka förändringen i höjd av mark i förhållande till toppen av stift7. Med framsteg inom teknik för Landgranskning, dock kan denna arbetsintensiva metod ersättas med andra tekniker, såsom markbundna laserscanning (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scanning (ALS)17,18,19,20,21, GPS-6,22, avancerade fotogrammetri23 ,24, eller kombinationer av dessa tekniker25,26,27. Samtidigt laser skanning, vanligen kallad LiDAR (ljus upptäckt och allt), ger snabbast förvärvet av tät yta höjd datauppsättningar, rättelser måste göras att ta bort stående objekt, till exempel vegetation. Med millimeter-nivå vertikal precision, TLS kan upptäcka de minsta höjdförändring, men Perroy et al. rekommenderade ALS över TLS för gulley erosion uppskattar på grund av den större skanning fotavtryck och bättre instrument orientering (mindre topografiska skuggning) för skanning i djupt anskäras raviner28. Real-Time kinematic GPS (RTKGPS), som tillhandahåller centimeter-nivå precision utan data efterbearbetning, används för denna studie. Rumslig upplösning och precision RTKGPS-insamlade data är optimala för att upptäcka de dominerande erosional och depositional funktionerna i en jordbruksområdet eller andra miljöer med betydande marktäckare.
Tryck-calcimeter metoden för att kvantifiera jord CaCO3 bygger på markens reaktion till syra i ett slutet system, vilket resulterar i utsläpp av CO2. Ökningen av trycket inom reaktionskärlet vid en konstant temperatur är linjärt korrelerade till mängden jord CaCO329. Ändringar av den traditionella tryck-calcimeter metod, som beskrivs av Sherrod et al., inkluderar ändra reaktion fartyget till serum flaskor och använda en tryckgivare som kopplas till en digital voltmeter för detektion av tryckförändringar 30. dessa ändringar möjliggör lägre detektionsgränser och högre kapacitet för daglig jordprov körs. Gravimetrisk eller enkel titrimetrisk metoder för mark CaCO3 mätning produceras större fel och detektionsgränser än detta modifierade tryck-calcimeter metod30.
Konceptuell modell
När direkta åtgärder av erosion och nedfall inte är genomförbara, kan indirekta indikatorer av dessa processer användas. Sherrod et al. hypotes om att markens ytskikt CaCO3 koncentration i ett halvtorrt klimat är omvänt korrelerad med förändringen i marken yta höjd (positivt korrelerade med erosion, negativt korrelerade med nedfall)6. Hypotesen ska gälla i stort sett, men specifika relationer kommer att bero på administreringsstället (mark, vegetation, hantering och klimat). Jordar vid mätplatsen (tabell 1) innehåller vanligtvis ett distinkt kalkrika skikt 15-20 cm under markytan. Begreppsmässigt, tar erosion bort ytskiktet av relativt låg CaCO3 koncentration lämnar detta kalkrika lager av hög CaCO3 närmare till jordytan. Den låga CaCO3 jorden transporteras sedan till de depositional områdena, orsakar det kalkrika lagret att begravas djupare under jordytan (figur 2). Provtagning dessa jordar med tiden lämpligt djup mellanrum, kan antingen erosion eller nedfall (eller ingen) härledas av CaCO3 koncentration, enligt denna modell.
| Jord-serien | Lutning | Taxonomiska klassificering | Djup | pH | EG | Totalkväve | SOC | CaCO3 |
Tabell 1. Jordar vid provplatsen. Enheter för texturmappning och taxonomiska klassificering, med genomsnittliga markens pH, elektrisk ledningsförmåga (EG), totalkväve, jord organiska C (SOC) och CaCO3 koncentrationer i den 0 15- och 15 – till 30-cm djup steg för Scott fältet 2012 (från Sherrod et Al.) 6.
Figur 2. Konceptuell jord profiler. Konceptuell jord profiler för (a) en statisk jord matris med CaCO3 lakas från ytskiktet och fälls ut i en djupare lager, (b) måttlig erosion av ytskiktet, och (c) måttlig nedfallet av material ovan tidigare ytskiktet. Djup intervall (vänster) är ungefärliga baserat på platsdata (från Sherrod et al.) 6. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Site Beskrivning och historik
109-ha Scott fältet är en del av gården Drake i nordöstra Colorado (40.61oN, 104.84oW, figur 3) och övervakades från 2001 till 2012 för denna studie. Genomsnittliga årliga nederbörden och evapotranspiration var cirka 350 och 1200 mm, respektive i denna halvtorra klimat, där konvektiv regn av kort varaktighet och hög intensitet var vanliga under sommaren. Förhöjningar sträcker sig från 1559 till 1588 m i denna böljande terräng med distinkta landskapet positioner: toppmötet, sideslope mot norr (side-NF), sideslope i söderläge (side-SF) och toeslope (figur 4b). Alternerande remsor (~ 120 m bred) sköttes vanligen i denna rainfed höstvete-trädor rotation så att varje andra band var träda för ca 14 månader av varje 24-månaders Rotationscykel. Grunt jordbearbetning (~ 7 cm), vanligtvis v-bladet sveper, inträffade 4 till 6 gånger genom träda period för ogräsbekämpning. Jordar vid platsen var klassad som har jord-förlust tolerans eller T -värde, av 11 Mg ha-1 år-1, där erosion priser under detta T värde anses godtagbara för fortsatta jordbruksproduktionen4 .
Figur 3. Plats visas på en topografisk Relief bild (1011 till 4401 m) i delstaten Colorado, USA. Genomsnittlig höjd av webbplatsen är 1577 m.
Figur 4. Jordar karta och landhöjningen ytan av Scott Field. (a) jordar karta över den Scott Field visar jord provet platser och grödan ledningen remsor. Jord enhet förkortningar är: 1 = Wagonwheel lerjord 0-2% lutning, 2 = Wagonwheel loam 2-5% lutning, 3 = Colby loam 5-9% lutning, 4 = Kim fina sandstranden loam 2-5% lutning, 5 = Kim fina sandiga lerjord 5-9% lutning, och (b) ytan landhöjningen i fältet baserat på den 2001 5-m rutnät digital höjdmodell (DEM), med jord provet platser visas av mark klassificering (från Sherrod et al.) 6.
Den första mark yta höjd undersökningen samlades in av RTKGPS i 2001 för att producera en digital höjdmodell (DEM) för webbplatsen. I samband med McCutcheon et al., en intensiv jordprov (figur 4a) utfördes också i 2001, från vilken yta jord CaCO3 analyserades av en modifierad tryck-calcimeter metod30,31 . Visuellt tydligt erosion och nedfall inträffar det efterföljande årtiondet på grund av vind, huvudsakligen från nordväst, och nederbörd-avrinning händelser föranledde en andra RTKGPS höjd undersökning 2009 (med en del av fältet färdig 2010). Jämförelse av den nya tyska mark till den ursprungliga 2001 mark via en mark av skillnaden karta32 bekräftade betydande erosion och nedfall, visar mönster som föreslog flera bestämmande faktorer för dessa processer (figur 5). Med tanke på betydande yta jord omfördelning på platsen och historiska mark CaCO3 data, upprepades den 2001 jordprov i 2012 att testa en konceptuell modell av hydropedological processer6, som beskrivs i föregående avsnitt.
Figur 5. Karta över förändringar (2001-2009 *) i markytan höjd (Δz) på en 5-m rutnät inom den Scott Field i nordöstra Colorado. Grödan strip nummer är märkta över alternerande vinter-vete-trädor beskärning systemet, ochavsnitt A-A’ visas (detaljer ges i figur 11). * Remsor 2, 4, 6, 8 tillfrågade i 2010 att slutföra den 2009 mark (från Sherrod et al.) 6. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mappade förändringar i höjd (figur 5) illustrerar betydande erosion och nedfall på en jordbruksområdet och rumsliga mönster tyder på flera kontrollerande faktorer över flera skalor. Från fältet skala mönster i samband med vind, ner till finskaliga dendritiska mönster produceras av vattenflödet, är processer som är relevanta för denna studie märkbara. Höjd förändring upptäckt som tillhandahålls av upprepade RTKGPS marken undersökningar förefaller optimal. Finare detekt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Fält studie webbplatsen är på en gård som förvaltas av David Drake och vi tackar honom för hans samarbete under detta långsiktig forskning. Vi tackar också Mike Murphy för hans många års fältarbete på detta projekt och Robin Montenieri för hennes hjälp med grafik som används i denna uppsats.
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).
