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

Messung und Mapping-Muster von Erosion und Ablagerung im Zusammenhang mit Boden-Karbonat-Konzentrationen unter Landbewirtschaftung

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

Räumliche Muster von Erosion und Ablagerung Boden Höhenunterschiede abgebildet bei gegebener Zeit-Schritten entnehmen. Solche Änderungen in der Höhe beziehen sich auf Änderungen in oberflächennahen Böden Karbonate. Wiederholbare Methoden für Feld- und Laborversuche Messungen dieser Mengen und Daten-Analyse-Methoden werden hier beschrieben.

Abstract

Räumliche Muster von Erosion und Ablagerung Boden Höhenunterschiede abgebildet bei gegebener Zeit-Schritten entnehmen. Solche Änderungen in der Höhe beziehen sich auf Änderungen in oberflächennahen Bodenprofilen Calciumcarbonat (CaCO₃). Ziel ist es, einen einfachen konzeptionellen Modell und ausführliches Protokoll für wiederholbare Feld- und Labormessungen dieser Mengen zu beschreiben. Hier wird genaue Höhe anhand ein bodengebundenen differential global positioning System (GPS); andere Daten Akquisemethoden konnte auf die gleiche grundlegende Methode angewendet werden. Bodenproben werden von gesammelt, Tiefe Intervalle vorgeschrieben und im Labor mit einer effizient und präzise veränderten Druck-Calcimeter-Methode für die Quantitative Analyse von anorganischen Kohlenstoff-Konzentration analysiert. Standard-statistische Methoden werden angewendet, um Datenpunkt und repräsentative Ergebnisse zeigen signifikante Korrelationen zwischen Änderungen in Boden Oberflächenschicht CaCO₃und in der Höhe mit dem konzeptionellen Modell konsistent; CaCO₃in der Regel in den Ablagerungsbedingungen Bereichen verringert und erosive Bereichen erhöht. Karten stammen aus Punktmessungen der Höhe und des Bodens CaCO₃ um Analysen zu unterstützen. Eine Karte der Erosions- und Ablagerungsprozessen Muster im Untersuchungsgebiet, ein regen-fed Winter Weizenfeld in wechselnden Weizen-Brache Streifen, beschnitten zeigt die wechselwirkenden Effekte von Wasser und Wind-Erosion betroffen sind Management und Topographie. Alternative Probenahmeverfahren und Tiefe Intervalle sind diskutiert und für die künftige Arbeit im Zusammenhang mit Erosion und Ablagerung zu CaCO₃Boden empfohlen.

Introduction

Bodenerosion droht die Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Flächen. Beschneiden Sie Management, z. B. einer konventionell bebaut Winterweizen-Brache Fruchtfolge zu, beschleunigen Sie Erosion und Ablagerung Prozesse kann, wie nackten Böden brach liegende Zeiten sind anfälliger für Wind und Wasser Kräfte¹^,²^, ³ ^, ⁴ ^, ⁵ (Abbildung 1). Während dieser Prozesse sichtbar sein könnte, können sie nur schwer quantifizierbar sein.

Der Zweck dieser Studie soll zuerst eine effiziente Methode zur Quantifizierung und Beschreibung räumliche Muster der Erosion und Ablagerung im Feld skalieren mit global positioning (GPS) Systemtechnologie und geographische Informationssysteme (GIS) mapping-Tools. Ein einfaches konzeptionellen Modell im Zusammenhang mit diesen Mustern um oberflächennahen Böden Karbonate (CaCO₃) ist auch vorgestellt und getestet von vorgeschriebenen Feld- und Labormethoden. Diese Beziehungen bieten indirekte Maßnahmen von Erosion und Ablagerung, während der Validierung der Ergebnisse der GPS-Methode. Der vorliegende Beitrag betont Sherrod Et al.verwendeten Methoden. damit sie, im großen und ganzen ganz oder teilweise für ähnliche Forschungen in anderen Orten⁶wiederholt werden können.

Abbildung 1: Fotos von Erosion (a) und (b) Abscheiden im Untersuchungsgebiet nach einer schweren Niederschlagsereignis. Eine Traktor-Reifen-Spur in der rechten unteren Ecke des Fotos (b) zeigt die Tiefe der Ablagerung an der Grenze zum Weizen/Brache.

Verschiedene direkte Methoden zur Messung der Bodenerosion durch Stroosnijder⁷überprüft wurden. Vorgeschlagene Methoden variieren mit der Messung Zweck und Mittel zur Verfügung, aber eine “Änderung der DGM-Höhe”-Methode wird empfohlen, in den Hang-Maßstab und bietet den Vorteil der Messung von Erosion und Ablagerung. Eine Möglichkeit, diese Methode anzuwenden ist Stifte im Boden installieren und überwachen die Änderung in der Höhe des Bodens relativ zum oberen Rand der Pin⁷. Mit Fortschritten in der Technologie der Landvermessung kann jedoch diese arbeitsintensive Vorgehensweise durch andere Techniken wie Terrestrisches Laserscanning (TLS)⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹ ersetzt werden ^, ¹² ^, ¹³ ^, ¹⁴ ^, ¹⁵ ^, ¹⁶, airborne Laserscanning (ALS)¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹, GPS-⁶^,²², erweiterte Photogrammetrie²³ ^,²⁴, oder Kombinationen von diesen Techniken²⁵^,²⁶^,²⁷. Während Laser scannen, gemeinhin als LiDAR (Light Detection And Ranging), die die schnelle Beschaffung von dichten Oberflächenhöhe Datensätze liefert, müssen Korrekturen, stehende Objekte, z. B. Vegetation zu entfernen. Mit Millimeter-Ebene vertikale Genauigkeit, TLS kann der kleinste Höhenänderung jedoch erkennen Perroy Et Al. empfohlen ALS über TLS Gulley Erosion Schätzungen aufgrund der größeren Scan Fußabdruck und bessere Instrument Orientierung (weniger Topographische shadowing) für das Scannen in tief eingeschnittenen Schluchten²⁸. Echtzeit-kinematischen GPS (RTKGPS), mit Zentimeter-Ebene Präzision ohne Daten Nachbearbeitung ist für diese Studie verwendet. Die räumliche Auflösung und Präzision der RTKGPS erfassten Daten sind optimal für die Erkennung von Erosions- und Ablagerungsprozessen dominanten in einen landwirtschaftlichen Bereich oder in anderen Umgebungen mit erheblichen Bodendecker.

Die Druck-Calcimeter-Methode zur Quantifizierung der Boden CaCO₃ stützt sich auf die Bodenreaktion, Säure in einem geschlossenen System, wodurch die Freisetzung von CO_2. Der Anstieg des Drucks in den Reaktionsbehälter bei einer konstanten Temperatur ist linear auf die Höhe des Bodens CaCO₃²⁹korreliert. Änderungen an der traditionellen Druck-Calcimeter-Methode von Sherrod Et al.beschrieben., enthalten Sie ändern den Reaktionsbehälter zu Serum-Flaschen und einem Druckaufnehmer mit einem digitalen Voltmeter zur Detektion von Druckänderungen^{verdrahtet 30}. diese Modifikationen erlauben eine niedrigere Nachweisgrenzen und eine höhere Kapazität für tägliche Bodenprobe läuft. Gravimetrische oder einfache titrimetrische Methoden für Boden CaCO₃ Messung produziert größere Fehler und Nachweisgrenzen als diese Druck-Calcimeter Methode³⁰geändert.

Konzeptionelles Modell

Beim direkten Maßnahmen von Erosion und Ablagerung nicht machbar sind, können indirekte Indikatoren für diese Prozesse verwendet werden. Sherrod Et Al. die Hypothese, dass Boden Oberflächenschicht CaCO₃Konzentration in einem semi-ariden Klima invers mit der Höhenunterschied Boden Oberfläche korreliert ist (positiv korreliert mit Erosion, negativ korreliert mit Absetzung)⁶. Die Hypothese sollte im großen und ganzen gelten jedoch bestimmte Beziehungen hängt nach Standortbedingungen (Boden, Vegetation, Management und Klima). Böden auf dem Testgelände (Tabelle 1) enthalten in der Regel eine deutliche kalkhaltige Schicht 15-20 cm unterhalb der Bodenoberfläche. Konzeptionell wird Erosion die Oberflächenschicht des relativ niedrigen CaCO₃Konzentration verlassen diese kalkhaltigen Schicht von hohen CaCO₃näher an der Bodenoberfläche entfernt. Die niedrigen CaCO₃Boden wird dann zu den Ablagerungsbedingungen, verursacht die kalkhaltige Schicht tiefer unter der Bodenoberfläche (Abbildung 2) begraben werden transportiert. Sampling-diese Böden im Laufe der Zeit Abständen entsprechend tief, kann Erosion und Ablagerung (oder auch nicht) von CaCO₃-Konzentration nach diesem Modell abgeleitet werden.

Boden-Serie

Steigung

Taxonomische Klassifikation

Tiefe

pH

EG

Insgesamt N

SOC

CaCO₃

% cm 1:2 dS-m^-1 g kg^-1 g kg^-1 g kg^-1 Colby Lehm 5-9 fein-sandigen, gemischte, superaktiven, kalkhaltigen, 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 Kim sandiger Lehm 2-5 fein-lehmige, gemischte, aktiv, kalkhaltigen, 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 fein-lehmige, gemischte, aktiv, kalkhaltigen, 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 Lehm 0-2 grobe schluffiger, gemischte, superaktiven mesic 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 grobe schluffiger, gemischte, superaktiven mesic 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

Tabelle 1. Böden auf dem Testgelände. Des Bodens Kartiereinheiten und taxonomische Klassifikation, mit durchschnittlichen Boden-pH, elektrische Leitfähigkeit (EC), insgesamt N Boden organische C (SOC) und CaCO₃-Konzentrationen in der 0-bis 15- und 15 – 30 cm Tiefe Schritten für die Scott Feld im Jahr 2012 (von Sherrod et Al.) ⁶.

Abbildung 2: Konzeptionelle Bodenprofilen. Konzeptionelle Bodenprofile für (a) eine statische Bodenmatrix mit CaCO₃ filterte von der Oberflächenschicht und ausgefällt einer tieferen Schicht, (b) mäßiger Erosion der Oberflächenschicht und (c) moderate Ablagerung von material über die vorherigen Oberflächenschicht. Tiefe-Intervalle (links) sind ungefähre bezogen auf Standortdaten (von Sherrod Et Al) ⁶. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Site-Beschreibung und Geschichte

Die 109-ha Scott Feld ist Bestandteil der Drake-Farm im nordöstlichen Colorado (40.61^oN, 104.84^oW, Abbildung 3) und war von 2001 bis 2012 für diese Studie überwacht. Durchschnittliche jährliche Niederschlag und Evapotranspiration wurden ca. 350 bis 1200 mm, jeweils in diesem semi-ariden Klima, wo konvektive Regen von kurzer Dauer und hoher Intensität waren häufig während des Sommers. Höhenlagen reichen von 1559 bis 1588 m in dieser leicht hügeligen Gelände mit unterschiedlichen Landschaft Positionen: Gipfel, Böschungsverknüpfung Nordseite (Seite-NF), Böschungsverknüpfung Süd (Seite-SF) und Toeslope (Abbildung 4 b). Abwechselnde Streifen (~ 120 m breit) wurden in der Regel in dieser Rainfed Winterweizen-Brache Rotation verwaltet, so dass jeder andere Streifen für etwa 14 Monate aus jedem Zyklus 24 Monate Drehung Brache war. Flache Bodenbearbeitung (~ 7 cm), in der Regel V-Messer fegt, 4 bis 6 Mal durch die Brache Zeit zur Unkrautbekämpfung aufgetreten. Böden auf der Baustelle wurden um eine Bodenverlust Toleranz oder T -Wert von 11 Mg ha^-1Jahr^-1, wo sind Erosionsraten unterhalb dieses Wertes T für weitere landwirtschaftliche Produktion⁴ als akzeptabel eingestuft .

Abbildung 3. Standort ist auf eine topographische Relief Bild (1011 bis 4401 m) des Staates Colorado, USA gezeigt. Mittlere Höhe des Standortes ist 1577 m.

Abbildung 4. Böden, Karte und Land-DGM-Höhe von Scott Field. (a) Bodenkarte von der Scott Field zeigt Punktpositionen Boden Probe und der Bestandesführung Streifen. Boden Einheit Abkürzungen sind: 1 = Wagonwheel Lehm 0-2 % Steigung, 2 = Wagonwheel Lehm 2-5 % Steigung, 3 = Colby Lehm 5-9 % Steigung, 4 = Kim feiner sandiger Lehm 2-5 % Steigung, 5 = Kim feiner sandiger Lehm 5-9 % Steigung; und (b) Land Oberflächenhöhe des Felds basierend auf der 2001 5 m Raster digitales Höhenmodell (DEM), mit Boden Probe Standorten gezeigt durch Land-Klassifikation (von Sherrod Et Al) ⁶.

Die erste Boden Oberflächenhöhe Umfrage wurde im Jahr 2001 auf ein digitales Höhenmodell (DEM) für den Standort produzieren von RTKGPS gesammelt. In Verbindung mit McCutcheon Et Al., eine intensive Bodenprobe (Abb. 4a) auch im Jahr 2001 durchgeführt wurde, von der Oberfläche des Bodens CaCO₃ analysiert wurden, durch einen veränderten Druck-Calcimeter Methode³⁰^,³¹. Optisch deutlich Erosion und Ablagerung in den folgenden zehn Jahren auftreten wegen des Windes, überwiegend aus dem Nordwesten und Niederschlag-Abfluss Ereignisse veranlasst eine zweite RTKGPS Höhe Befragung im Jahr 2009 (mit einem Teil des Feldes im Jahr 2010 abgeschlossen). Vergleich der neuen DM auf die ursprünglichen 2001 DM über DEM Unterschied Karte³² bestätigt signifikante Erosion und Ablagerung, Anzeige von Mustern, die mehrere steuernde Faktoren für diese Prozesse (Abbildung 5) vorgeschlagen. Angesichts der erheblichen Oberboden Umverteilung am Standort sowie die historischen CaCO₃ Bodendaten, wurde der Bodenprobe 2001 im Jahr 2012 ein konzeptionelles Modell der Hydropedological Prozesse⁶, testen wiederholt, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben.

Abbildung 5. Karte von Änderungen (2001-2009 *) in der Landoberfläche Höhe (ΔZ) auf einem Raster von 5 m innerhalb der Scott Field im nordöstlichen Colorado. Ernte Streifen Zahlen sind über das System abwechselnd Winter-Weizen-Brache zuschneiden, beschriftet undAbschnitt A-A “wird angezeigt (Angaben in Abbildung 11). * Streifen 2, 4, 6, 8 Befragten im Jahr 2010 auf DEM 2009 (von Sherrod Et Al) abgeschlossen ⁶. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Protocol

1. Land Oberfläche Höhe Datensammlung GPS Kalibrierung für Website suchen oder eine Gruppe, die eine stabile benchmark an einem sicheren Ort auf dem Gelände der Umfrage zur Verwendung als Basisstation GPS für RTKGPS Datenerhebung. Richten Sie Basisstation für RTKGPS Datenerhebung auf dieser lokalen Benchmark mit beste Annäherung der Koordinaten für die Basisstation Lage (d. h. WAAS-korrigierte GPS-Position). Mit der GPS-Rover, besuchen Sie mindestens drei horizont…

Representative Results

Zuordnen von DEM Unterschiede zwischen 2001 und 2009 enthüllt (rot) Erosion und Ablagerung (grün) in diesem 8-Jahres-Zeitraum mit Dezimeter-Ebene Höhenunterschiede in den meisten Bereichen (Abbildung 5). Auf Feld-Ebene dominiert Erosion im Westen und Südwesten, während Ablagerung entlang eine Nordwest nach Südost Diagonalen Band auf der östlichen Seite des Feldes zu sehen ist. Wechselnde Bands von Erosion und Ablagerung sind auf Management-Ebene oft ab…

Discussion

Zugeordneten Höhenunterschiede (Abbildung 5) zeigen signifikante Erosion und Ablagerung auf einer landwirtschaftlichen Bereich und räumliche Muster bezeichnend für mehrere Steuerungsgrößen über mehrere Skalen. Vom Feld Skala Muster verbunden mit Wind bis zu feinen Skala dendritischen Muster produziert von Wasser-Strömung sind für diese Studie relevanten Prozesse erkennbar. Die Höhe der Höhe Änderungserkennung von wiederholten RTKGPS Boden Umfragen zur Verfügung gestellt wird opti…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Studie Wiese ist auf einem Bauernhof von David Drake geleitet und wir danken ihm für seine Mitarbeit bei diesem Langzeitforschung. Wir danken auch Mike Murphy für seine langjährige Arbeit an diesem Projekt und Robin Montenieri für ihre Hilfe mit Grafiken, die in diesem Dokument verwendet.

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

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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).