Summary

المختبر وبروتوكول الميدانية لتقدير معدلات تحات ورقة من ديندروجيومورفولوجي

Published: January 07, 2019
doi:

Summary

وصف تآكل من ديندروجيومورفولوجي وقد تركز عادة على دقة البحث عن وقت بدء التعرض الجذر، بدراسة عيانية أو التغييرات على مستوى الخلية الناجمة عن التعرض. وهنا، نحن نقدم وصفاً مفصلاً لتقنيات رواية مختلفة للحصول على معدلات التعرية أكثر دقة من بيانات دقيقة للغاية ميكروتوبوجرافيك.

Abstract

تحات ورقة من بين القوى المحركة الحاسمة لتدهور التربة. ويسيطر تآكل العوامل البيئية والأنشطة البشرية، التي غالباً ما تؤدي إلى آثار بيئية خطيرة. فهم تآكل ورقة، ونتيجة لذلك، مشكلة في جميع أنحاء العالم مع الآثار المترتبة على البيئة والاقتصادات. ومع ذلك، المعارف بشأن كيفية تطور تآكل في المكان والزمان لا تزال محدودة، فضلا عن إثارة على البيئة. أدناه، ونحن شرح بروتوكول ديندروجيومورفولوجيكال جديدة لاشتقاق تآكل التربة سمك (هس) بالحصول على بيانات دقيقة ميكروتوبوجرافيك باستخدام الليزر الأرضية المسح الضوئي (TLS) ومقاييس الشخصية ميكروتوبوجرافيك. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الإجراءات القياسية ديندروجيومورفيك، اعتماداً على الاختلافات التشريحية في حلقات الجذر، إنشاء توقيت التعرض. الشخصية TLS وميكروتوبوجرافيك المقاييس المستخدمة للحصول على profiles سطح الأرض، الذي يقدر هس بعد أن يتم تحديد المسافة عتبة (الدفتيرياأي المسافة بين الجذر والرواسب كنيكبوينت، الذي يسمح defining تخفيض سطح الأرض الناتجة عن تآكل ورقة. لكل ملف تعريف، قمنا بقياس الارتفاع بين ظهر المركب الجذر وطائرة ظاهري عرضية إلى سطح الأرض. وبهذه الطريقة، ونحن تهدف إلى تجنب الآثار الصغيرة من تشوه التربة، الذي قد يكون بسبب الضغوط التي تمارس بنظام الجذر، أو بترتيب الجذور المكشوفة. وهذا يمكن أن يؤدي إلى كميات صغيرة من ترسب التربة أو تآكل تبعاً للكيفية التي تؤثر فعلياً الجريان السطحي للمياه. أن تثبت أننا توصيف ميكروتوبوجرافيك الكافي من الجذور المكشوفة وعلى سطح الأرض يرتبط بها قيمة للغاية للحصول على معدلات التعرية دقيقة. هذا الاستنتاج يمكن أن تستخدم لتطوير أفضل الممارسات الإدارية الرامية إلى وقف في نهاية المطاف أو ربما، على الأقل، يقلل من تآكل التربة، وحيث أن أكثر من سياسات إدارة مستدامة يمكن أن توضع موضع التنفيذ.

Introduction

الآثار الاقتصادية والبيئية التي تنتجها تآكل ورقة يجعل هذا الموضوع ب اهتمام في جميع أنحاء العالم1. وتستخدم العديد من الأساليب، من تقنيات مباشرة إلى النهج القائم على أساس المادية والتجريبية، لحساب معدلات تحات التربة على مجموعة متنوعة من الجداول الزمنية والمكانية. تقنيات مباشرة استخدام القياسات الميدانية تحت الظروف الطبيعية وتستند أساسا إلى استخدام غيرلاخ أحواض2، المياه جامعي3، وتآكل دبابيس4 وبروفيلوميتيرس5. وعلاوة على ذلك، نماذج تآكل التربة قد تركزت متزايدة على تمثل بالتفصيل العمليات الفيزيائية الحقيقية المسؤولة عن تآكل6.

ديندروجيومورفولوجي7 قسم فرعي من مختصا8 فإن النجاح في تحديد وتيرة وحجم عمليات جيومورفولوجية9،10،،من1112، 13،،من1415،،من1617. فيما يتعلق بتآكل ورقة، وعادة ما يعمل ديندروجيومورفولوجي لتحسين أو استبدال المنهجيات المذكورة أعلاه، لا سيما في المناطق التي تكون فيها معدلات التعرية المستمدة من تقنيات مباشرة أما نادرة أو غير متوفرة. ديندروجيومورفولوجي هو طريقة مرنة للغاية لتقييم تحات التربة ويمكن أن تستخدم لمعايرة النماذج المستندة إلى المادية والتجريبية، أو ربما كبيانات مصدر لتعزيز موثوقية تقدير المباشر تقنيات18، 19-ديندروجيومورفولوجي تمكن تآكل التربة إنشاء مساحات كبيرة تتوفر فيها الجذور المكشوفة. يجب إظهار حدود خواتم شجرة واضحة هذه الجذور المكشوفة والاستجابة لأنماط النمو السنوي يعتبر الأمثل لتطبيق تقنيات ديندروجيومورفولوجيكال20. يجب أن يكون موجوداً الجذور علاوة على ذلك، يتعرض تذوق يفضل في وحدات متجانسة استناداً إلى ردود أفعالهم21من تآكل التربة.

ويستند بالطريقة التقليدية ديندروجيومورفيكال من تقدير تآكل ورقة على قياس في الموقع سمك التربة المنجرفة (هس) من وقت التعرض الأولى إلى22،الحالي23، 24. وتستخدم النسبة بين هذه المتغيرات اثنين لحساب قيمة تآكل في mm∙yr1. الكثير من البحوث التي أجريت حتى الآن وقد تركز كلياً على كفاءة تحديد السنة الأولى من التعرض. كنتيجة، يتم تحليل التعديلات في الجذر بسبب التعرض في مستوى العيانية25، أو في الأنسجة والمستويات الخلوية26،،من2728. التغيير التشريحية الرئيسية موجودة في الجذور المكشوفة من الصنوبريات هو زيادة سمك خاتم النمو، نتيجة لعدد كبير من الخلايا داخل إيرليوود (مصريات)26. وبالمثل تم العثور على تقليص داخل منطقة التجويف tracheids مصريات جنبا إلى جنب مع سمك جدار الخلية زيادة هيكل لاتيوود (LW) tracheids24،،من2729. تم وصف هذه التعديلات وكمياً كبداية عندما يخفض تآكل سطح الأرض فوق جذر تقريبا ثلاثة سم30. منحت قدرا أقل من الاهتمام الكافي تحديد المعلمة هx . عمر الجذور المكشوفة عادة ترتبط بذروة مركز المحور الجذر للنمو على مدى السطحية31،الأرض32. تم تصحيح تقدير هx وبالتالي النظر في استمرار النمو الثانوي30،33. في الآونة الأخيرة، أدمجت هذه الأساليب المنهجية أيضا وصف ميكروتوبوجرافي التربة للحصول على تآكل موثوقية معدلات34،،من3536.

نقدم بروتوكول المختبرية والميدانية لتقدير أكثر دقة وموثوقية ورقة تآكل معدلات من ديندروجيومورفولوجي. في هذا البروتوكول خاصة، ندرس الفرضية القائلة بأن أخذ عينات من جميع الجذور المكشوفة، بغض النظر عن التوجه بالنسبة إلى مسار جولة الإعادة، وبالاقتران مع تحليل الطوبوغرافيا، يتيح معدلات التعرية التحديد أعيد بناؤها وتقديرها كمياً. ، ولذلك، يتمثل هدفنا في توفير بروتوكول لتقدير معدلات تآكل من تعظيم حجم العينة من الجذور المكشوفة، واستخدام المعلومات العيانية والمجهرية الموجودة في سلسلة شجرة-خاتم النمو وأيضا البيانات الطبوغرافية ذات الدقة العالية.

Protocol

1-أخذ العينات الاستراتيجية تحديد عملية جيومورفولوجية تنفيذ نهج (وحدة حقوق الإنسان) “وحدات الاستجابة الهيدرولوجية”21. وتحقيقا لهذه الغاية، تحديد مناطق متجانسة داخل موقع الدراسة، تضم الرواسب السطحية وعلم الخصائص الحجرية، والغطاء التاجي، وبقايا الخضري على اتصال بسطح ?…

Representative Results

عينات جذور المكشوفة تعاني تدهورا خطيرا كامبيل بسبب التأثير التعرض (مثل التعديلات في درجة الحرارة، ومعدل الضوء) بالإضافة إلى الإجهاد البدني، بسبب وطء المتجولون أو رعي الحيوانات والتصفح التي الجذور ويخضع بعد يتعرضون لها. وأنجزت تحديد وجود عصابات متقطع، فضلا عن دقة ي?…

Discussion

بروتوكول نشر يوضح قيمة توصيف مفصل وسليم ميكروتوبوجرافي سطح الأرض، كما أنها تمكن من قياس معدلات تحات ورقة جديرة بالثقة من ديندروجيومورفولوجي. لدينا نهج منهجي يركز على أهمية تميز ميكروتوبوجرافي في المنطقة المحيطة بجذور التعرض لتحسين تقدير معدل تآكل. تم تجاهل هذا العامل إلى حد كبير في دراس?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

كانت مشاريع البحوث التي تمول هذه البحوث: ماركوني (CGL2013-42728-R)؛ الشجر-أفينيداس (CGL2007-62063)؛ ماس الشجر-أفينيداس (CGL2010-19274) الإسبانية وزارة العلوم والتكنولوجيا والمشروع فكرة-جيسبن (أوبن 163/2010)، التي مولتها “وزارة البيئة في إسبانيا”.

Materials

Topographic map, soil map, land cover map To be obtained from public institutions or generate at the first phase of research
Single ring infiltometer Turf-Tec International IN16-W http://www.turf-tec.com/IN16Lit.html
Handsaw There is noy any specific characteristics to be considered regarding the model
Measuring tape With accuracy of 1 mm
Terrestrial Laser Scanning (TLS) Leica-Geosystems Leica ScanStation P16 https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
Microtopographic Profile Gauge RS Online Facom, 19 https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
Sandpaper from 80 to 400 grit
Scanner EPSON Perfection V800 Photo https://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
Image analysis system Regent Instruments Inc. WinDENDRO http://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
Measuring table IML https://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
Sliding microtome Thermo Fisher SCIENTIFIC Microm HM 450-387760 http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
Optical microscope OLYMPUS MX63/MX63L https://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
Digital camera for microscope OLYMPUS DP74 https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
Safranin Empirical Formula (Hill Notation) C20H19ClN4 
Astrablue Empirical Formula C47H52CuN14O6S3
Alcohol Alcohol by volume (50%, 75% and 100%)
Distilled water H2O
Citrus oil clearing agent https://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
Coated slides Thermo Fisher SCIENTIFIC https://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
Hardening epoxy MERCK https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es&region=ES

References

  1. Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proceedings of the National Academic of Sciences of the United States of America. 104 (33), 13268-13272 (2007).
  2. Novara, A., Gristina, L., Saladino, S. S., Santoro, A., Cerdà, A. Soil erosion assessment on tillage and alternative soil managements in a Sicilian vineyard. Soil & Tillage Research. 117, 140-147 (2011).
  3. Desir, G., Marín, C. Factors controlling the erosion rates in a semi-arid zone (Bardenas Reales, NE Spain). Catena. 71 (1), 31-40 (2007).
  4. Shi, Z., Wen, A., Zhang, X., Yan, D. Comparison of the soil losses from 7Be measurements and the monitoring data by erosion pins and runoff plots in the Three Gorges Reservoir region, China. Applied Radiation and Isotopes. 69 (10), 1343-1348 (2011).
  5. Sirvent, J., Desir, G., Gutierrez, M., Sancho, C., Benito, G. Erosion rates in badland areas recorded by collectors, erosion pins and profilometer techniques (Ebro Basin, NE-Spain). Geomorphology. 18 (2), 61-75 (1997).
  6. Flanagan, D., Ascough, J., Nearing, M., Laflen, J., Harmon, R. S., Doe, W. W. The Water Erosion Prediction Project (WEPP) model. Landscape Erosion and Evolution Modelling. , 145-199 (2001).
  7. Alestalo, J. Dendrochronological interpretation of geomorphic processes. Fennia -International Journal of Geography. 105, 1-139 (1971).
  8. Cook, E. R., Kalriukstis, L. A. Methods of Dendrochronology. Methods of Dendrochronology. , 97-104 (1990).
  9. Pelfini, M. Dendrogeomorphological study of glacier fluctuations in the Italian Alps during the Little Ice Age. Annals of Glaciology. 28 (1639), 123-128 (1999).
  10. Malik, I., Matyja, M. Bank erosion history of a mountain stream determined by means of anatomical changes in exposed tree roots over the last 100 years (Bílá Opava River – Czech Republic). Geomorphology. 98 (1-2), 126-142 (2008).
  11. Stoffel, M., Bollschweiler, M., Butler, D., Luckman, B. . Tree Rings and Natural Hazards: A State-of-the-art. , (2010).
  12. Ballesteros, J. A., Bodoque, J. M., Díez-Herrero, A., Sanchez-Silva, M., Stoffel, M. Calibration of floodplain roughness and estimation of flood discharge based on tree-ring evidence and hydraulic modelling. Journal of Hydrology. 403 (1-2), 103-115 (2011).
  13. Procter, E., Stoffel, M., Schneuwly-Bollschweiler, M., Neumann, M. Exploring debris-flow history and process dynamics using an integrative approach on a dolomitic cone in western Austria. Earth Surface Processes and Landforms. 37 (9), 913-922 (2012).
  14. Corona, C., Saez, J. L., Stoffel, M., Rovéra, G., Edouard, J. L., Berger, F. Seven centuries of avalanche activity at Echalp (Queyras massif, southern French Alps) as inferred from tree rings. Holocene. 23 (2), 292-304 (2013).
  15. Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Can tree tilting be used for paleoflood discharge estimations?. Journal of Hydrology. 529 (P2), 480-489 (2015).
  16. Šilhán, K. Dendrogeomorphic chronologies of landslides: Dating of true slide movements. Earth Surface Processes and Landforms. 42 (13), 2109-2118 (2017).
  17. Ballesteros Cánovas, J. A., et al. Gully evolution and geomorphic adjustments of badlands to reforestation. Scientific Reports. , (2017).
  18. Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Dendrogeomorphology in badlands: Methods, case studies and prospects. Catena. 106, 113-122 (2013).
  19. Stoffel, M., Corona, C., Ballesteros-Cánovas, J. A., Bodoque, J. M. Dating and quantification of erosion processes based on exposed roots. Earth-Science Reviews. 123, 18-34 (2013).
  20. Grissino-Mayer, H. D. An updated list of species used in tree-ring research. Tree-Ring Bulletin. 53, 17-43 (1993).
  21. Bodoque, J. M., Lucía, A., Ballesteros, J. A., Martín-Duque, J. F., Rubiales, J. M., Genova, M. Measuring medium-term sheet erosion in gullies from trees: A case study using dendrogeomorphological analysis of exposed pine roots in central Iberia. Geomorphology. 134 (3-4), 417-425 (2011).
  22. LaMarche, V. Rate of slope erosion in the White Mountains, California. Geological Scociety of America Bulletin. 72 (10), 1579-1580 (1961).
  23. LaMarche, V. C. Rates of Slope Degradation as Determined from Botanical Evidence White Mountains California Rates of Slope Degradation as Determined from Botanical Evidence White Mountains California. U.S. Geological Survey Professional Paper. 352 (1), 354-376 (1968).
  24. Bodoque, J. M., Dies-Herrero, A., Martin-Duque, J. F., Rubiales, J. M., Godfrey, A., Pedraza, J., Carrasco, R. M., Sanz, M. A. Sheet erosion rates determined by using dendrogeomorphological analysis of exposed tree roots: Two examples from Central Spain. Catena. 64 (1), 81-102 (2005).
  25. Carrara, P. E., Carroll, T. R. The determination of erosion rates from exposed tree roots in the piceance basin, colorado. Earth Surface Processes and Landforms. 4 (4), 307-317 (1979).
  26. Fayle, D. . Radial Growth in Tree Roots – Distribution, Timing, Anatomy. , (1968).
  27. Gärtner, H., Schweingruber, F., Dikau, R. Determination of erosion rates by analyzing structural changes in the growth pattern of ex- posed roots. Dendrochronologia. 19, 81-91 (2001).
  28. Hitz, O. M., Gärtner, H., Heinrich, I., Monbaron, M. Application of ash (Fraxinus excelsior L.) roots to determine erosion rates in mountain torrents. Catena. 72 (2), 248-258 (2008).
  29. Rubiales, J. M., Bodoque, J. M., Ballesteros, J. A., Diez-Herrero, A. Response of Pinus sylvestris roots to sheet-erosion exposure: An anatomical approach. Natural Hazards and Earth System Science. 8 (2), 223-231 (2008).
  30. Corona, C., Lopez Saez, J., Rovéra, G., Stoffel, M., Astrade, L., Berger, F. High resolution, quantitative reconstruction of erosion rates based on anatomical changes in exposed roots at Draix, Alpes de Haute-Provence – critical review of existing approaches and independent quality control of results. Geomorphology. 125 (3), 433-444 (2011).
  31. McAuliffe, J. R., Scuderi, L. A., McFadden, L. D. Tree-ring record of hillslope erosion and valley floor dynamics: Landscape responses to climate variation during the last 400 yr in the Colorado Plateau, northeastern Arizona. Global and Planetary Change. 50 (3-4), 184-201 (2006).
  32. Danzer, S., Dean, J., Meko, D. M., Sewtnam, T. W. Rates of slope erosion determined from exposedroots of ponderosa pine at Rose Canyon Lake, Arizona. Tree Rings, Environment, and Humanity. , 671-678 (1996).
  33. Gärtner, H. Tree roots – Methodological review and new development in dating and quantifying erosive processes. Geomorphology. 86 (3-4), 243-251 (2007).
  34. Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Lucía, A., Díez-Herrero, A., Martín-Duque, J. F. Source of error and uncertainty in sheet erosion rates estimated from dendrogeomorphology. Earth Surface Processes and Landforms. 40 (9), 1146-1157 (2015).
  35. Ballesteros-Cánovas, J. A., Corona, C., Stoffel, M., Lucia-Vela, A., Bodoque, J. M. Combining terrestrial laser scanning and root exposure to estimate erosion rates. Plant and Soil. 394 (1-2), 127-137 (2015).
  36. Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Rubiales, J. M., Perucha, M. &. #. 1. 9. 3. ;., Nadal-Romero, E., Stoffel, M. Quantifying Soil Erosion from Hiking Trail in a Protected Natural Area in the Spanish Pyrenees. Land Degradation & Development. 28, 2255-2267 (2017).
  37. Misra, R., Dexter, A., Alston, A. Maximum axial and radial growth pressures of plant-roots. Plant and Soil. 95 (3), 315-326 (1996).
  38. Clark, L. J., Bengough, A. G., Whalley, W. R., Dexter, A. R., Barraclough, P. B. Maximum axial root growth pressure in pea seedlings: Effects of measurement techniques and cultivars. Plant and Soil. 209 (1), 101-109 (1999).
  39. Gärtner, H., Cherubini, P., Fonti, P., von Arx, G., Schneider, L., Nievergelt, D., Verstege, A., Bast, A., Schweingruber, F. H., Büntgen, U. A. A Technical Perspective in Modern Tree-ring Research – How to Overcome Dendroecological and Wood Anatomical Challenges. Journal of Visualized Experiments. (97), 1-10 (2015).
  40. Antonova, G., Stasova, V. Effects of environmental factors on wood formation in Scots pine stems. Trees. 7 (4), 214-219 (1993).
  41. Saez, J. L., Corona, C., Stoffe, M., Rovéra, G., Astrade, L., Berger, F. Mapping of erosion rates in marly badlands based on a coupling of anatomical changes in exposed roots with slope maps derived from LiDAR data. Earth Surface Processes and Landforms. 36 (9), 1162-1171 (2011).
  42. Zimmermann, M. . Xylem Structure and the Ascent of Sap. , (1983).
  43. Tyree, M., Sperry, J. Characterization and propagation of acoustic emission signals in woody plants: towards an improved acoustic emission counter. Plant, Cell and Environment. 12, 371-382 (1989).
  44. Zheng, M., Chen, X. Statistical determination of rainfall-runoff erosivity indices for single storms in the Chinese Loess Plateau. PLoS One. 10 (3), 1-18 (2015).
  45. Morgan, R. P., Quiton, J. N., Smith, R. E., Govers, G., Poesen, J. W., Auerswald, K., Chisci, G., Torri, D., Stycaen, M. E. The European Soil Erosion Model (Eurosem): a Dynamic Approach for Predicting Sediment Transport From. Earth Surface Processes and Landforms. 23, 527-544 (1998).
  46. Ciampalini, R., Follain, S., Le Bissonnais, Y. LandSoil: A model for analysing the impact of erosion on agricultural landscape evolution. Geomorphology. 175, 25-37 (2012).
  47. Hammitt, W., Cole, D. . Wildland recreation: ecology and management. , (1998).
  48. Marion, J. L., Leung, Y. F., Nepal, S. K. Monitoring trail conditions: new methodological considerations. George Wright Society Forum. 23 (2), 36-49 (2006).
  49. Tomczyk, A. M., Ewertowski, M. W. Recreational trails in Poprad Landscape Park , Poland the spatial pattern of trail impacts and use-related, environmental and managerial factors. Journal of Maps. 12, 1227-1235 (2015).
  50. Jewell, M. C., Hammitt, W. E., Cole, D. N., McCool, S. F., Borrie, W. T., O’Loughlin, J. Assessing soil erosion on trails: A comparison of techniques. Proceedings: Wilderness Science in a time of change Conference Volume 5: Wilderness Ecosystems, Threats, and Management (Proceedings RMRS-P-15-VOL-5). , 133-140 (2000).
  51. Krause, C., Eckstein, D. Dendrochronology of roots. Dendrochronologia. 11, 9-23 (1993).
  52. Krause, C., Morin, H. Root growth and absent rings in mature black spruce and balsam fir, Quebec, Canada. Dendrochronologia. 16, 21-35 (1999).
  53. Poesen, J. Gully erosion and environmental change: importance and research needs. Catena. 50 (2-4), 91-133 (2003).
  54. Favis-Mortlock, D., Boardman, J. Nonlinear responses of soil erosion to climate change: a modelling study on the UK South Downs. Catena. 25 (1-4), 365-387 (1995).
  55. Boardman, J., Favis-mortlock, D. Frequency-magnitude distributions for soil erosion, runoff and rainfall – a comparative analysis. Zeitschrift für Geomorphologie. 115, 51-70 (1999).
  56. Haubrock, S. N., Kuhnert, M., Chabrillat, S., Güntner, A., Kaufmann, H. Spatiotemporal variations of soil surface roughness from in situ laser scanning. Catena. 79 (2), 128-139 (2009).
check_url/57987?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Bodoque, J. M., Ballesteros-Cánovas, J. A., Rubiales, J. M., Stoffel, M. Laboratory and Field Protocol for Estimating Sheet Erosion Rates from Dendrogeomorphology. J. Vis. Exp. (143), e57987, doi:10.3791/57987 (2019).

View Video