JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Environment

Laboratorium og felt protokol til estimering ark Erosion priser fra Dendrogeomorphology

Published: January 07, 2019
doi:
10.3791/57987
, , ,
1University of Castilla-La Mancha (UCLM), 2Department of Earth Sciences,University of Geneva, 3Institute for Environmental Sciences,University of Geneva, 4Departamento de Sistemas y Recursos Naturales,Universidad Politécnica de Madrid, 5Departamento de Biodiversidad, Ecología y Evolución,Universidad Complutense de Madrid

Summary

Kendetegner erosion fra dendrogeomorphology har normalt fokuserer på præcist at finde starttidspunktet for root eksponering, ved at undersøge makroskopisk eller celle niveau ændringer forårsaget af eksponering. Her tilbyder vi en detaljeret beskrivelse af forskellige nye teknikker til at opnå mere præcise erosion priser fra meget præcise microtopographic data.

Abstract

Ark erosion er blandt de afgørende drivkræfter bag jordbundsforringelse. Erosion er kontrolleret af miljømæssige faktorer og menneskelige aktiviteter, som ofte fører til alvorlige miljømæssige konsekvenser. Forståelsen af ark erosion er derfor et verdensomspændende problem med konsekvenser for både miljøet og økonomien. Men viden om hvordan erosion udvikler sig i tid og rum er stadig begrænset, såvel som dens virkninger på miljøet. Nedenfor forklarer vi en ny dendrogeomorphological protokol for der følger eroderet jord tykkelse (Ex) ved at erhverve præcise microtopographic data ved hjælp af både jordbaserede laser scanning (TLS) og microtopographic profil målere. Derudover er standard dendrogeomorphic procedurer, afhængig af anatomiske variationer i roden ringe, udnyttet til at fastsætte tidspunktet for eksponering. Både TLS og microtopographic profil målere der anvendes til at få jorden overflade profiles, hvorfra Ex er anslået efter tærskel afstand (TD) bestemmes, dvs afstanden mellem roden og sedimentet knickpoint, som giver mulighed for defining en sænkning af jordoverfladen forårsaget af ark erosion. For hver profil målte vi højde mellem inderlår af roden og en virtuel plan, der tangerer til jordoverfladen. På denne måde, vi har tænkt os at undgå små nedslag af jord deformation, som kan skyldes pres udøves af rodsystemet, eller arrangement af udsatte rødder. Dette kan provokere små mængder af jord bundfældning eller erosion afhængigt af hvordan de fysisk påvirker den overflade afstrømning. Vi demonstrere, at en passende microtopographic karakterisering af eksponerede rødder og deres tilknyttede jordoverfladen er meget værdifuldt at få nøjagtige erosion priser. Denne konstatering kan udnyttes til at udvikle de bedste forvaltningspraksis designet til i sidste ende standse eller måske, i det mindste mindske jorderosion, således at mere bæredygtig forvaltning politikker kan gennemføres i praksis.

Introduction

Både økonomiske og miljømæssige konsekvenser produceret af ark erosion gør dette emne i en verdensomspændende bekymring1. Flere metoder, fra direkte teknikker til fysisk-baseret og empiriske tilgange, der bruges til at beregne jordens erosion satser på en række forskellige tidsmæssige og rumlige skalaer. Direkte teknikker bruge feltmålinger under naturlige forhold og er hovedsageligt baseret på brug af Gerlach trug2, vand samlere3, erosion ben4 og profilometers5. Modeller af jorderosion har desuden været i stigende grad fokuseret på at repræsentere i detaljer de reelle fysiske processer, der er ansvarlig for erosion6.

Dendrogeomorphology7 er en underinddeling af dendrochronology8 at det er en succes i kendetegner hyppigheden og omfanget af geomorphic processer9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Vedrørende ark erosion, dendrogeomorphology er normalt ansat til at forbedre eller erstatte de metoder, der er nævnt ovenfor, navnlig i områder, hvor erosion satser afledt direkte teknikker er enten knappe eller utilgængelige. Dendrogeomorphology er en meget fleksibel metode til vurdering af jorderosion og kan udnyttes til at kalibrere fysisk-baseret og empiriske modeller, eller måske som en data kilde for at forbedre pålideligheden af direkte skøn teknikker18, 19. Dendrogeomorphology giver mulighed for jorderosion skal fastsættes over store områder hvor udsatte rødder er tilgængelige. Disse udsatte rødder skal vise klare træ ringe grænser og reagere på årlige vækstmønstre betragtes som optimal at anvende dendrogeomorphological teknikker20. Yderligere, eksponerede rødder skal udtages skal placeres fortrinsvis i homogene enheder baseret på deres reaktion til jordbunden erosion21.

Den konventionelle dendrogeomorphical måde at anslå ark erosion er funderet på måling i situ eroderet jord tykkelse (Ex) fra tidspunktet for den første eksponering for den nuværende22,23, 24. Forholdet mellem disse to variabler er udnyttet til at beregne en erosion værdi i mm∙yr1. Meget af den forskning, som udføres til dato har fokuseret udelukkende på effektivt at identificere de første år af eksponering. Som et resultat, er ændringer i roden på grund af eksponering analyseret ved den makroskopiske niveau25, eller væv og cellulære niveau26,27,28. Væsentligste anatomiske ændringen i de udsatte rødder af nåletræer er stigende vækst ringen tykkelse, som følge af et betydeligt antal celler inden for earlywood (EW)26. En nedskæring er ligeledes blevet fundet inden for området lumen af EW trakeiderne sammen med en øget cellevæg struktur tykkelse latewood (LW) trakeiderne24,27,,29. Disse ændringer er blevet beskrevet og kvantificeret som begyndelsen når erosion sænker jordoverfladen over roden til ca tre cm30. Mindre opmærksomhed blev givet til tilstrækkelig bestemmelse af parameteren Ex . Alder af udsatte rødder var typisk forbundet med højden af root’s midterakse vækst over jorden overflade31,32. Estimering af Ex blev derfor korrigeret overvejer løbende sekundære vækst30,33. Disse metodiske tilgange har for nylig også integreret karakterisering af jorden microtopography at opnå pålidelige erosion satser34,35,36.

Vi præsenterer en laboratorie- og protokol for at vurdere mere nøjagtige og pålidelige ark erosion priser fra dendrogeomorphology. I denne særlige protokol undersøge vi den hypotese, at prøvetagning alle udsatte rødder, uanset orientering i forhold til afstrømning vej og sammenholdt med microtopographical analyse, muliggør erosion priser netop rekonstrueret og kvantificeret. Vores mål er derfor, at give en protokol for at vurdere erosion priser fra maksimering stikprøvestørrelse på udsatte rødder, ved hjælp af makroskopiske og mikroskopiske oplysninger fundet i træ-ring vækstserie og også høj opløsning topografiske data.

Protocol

1. prøvetagningsmetode Geomorphic procesidentifikationen Gennemføre hydrologiske svar enheder tilgang (HRU)21. Med henblik herpå, identificere homogene områder inden for undersøgelse site, bestående af litologi og overflade indskud, baldakin cover, vegetativ rester i kontakt med jordoverfladen og hældning. Vælg blandt alle HRUs dem som ark erosion proces er fremherskende. <img alt="Figure 1" c…

Representative Results

Prøver af udsatte rødder lider alvorlig cambial forværring på grund af virkningerne af eksponering (f.eks. ændringer i temperatur, forekomsten af lys) plus den fysiske stress, på grund af tramper af vandrere eller dyrs græsning og browsing, rødderne gennemgå efter de udsættes. Bestemmelse af eksistensen af diskontinuert ringe, samt netop dating det første år af reaktion på udsættelse blev gennemført i laboratoriet som i protokol 4 (trin 4.1.6 til 4.1.8). Vi valgte …

Discussion

Protokollen indsat viser værdien af detaljerede og korrekte karakterisering af jorden overflade microtopography, da det gør det muligt for at måle troværdig ark erosion priser fra dendrogeomorphology. Vores metodiske tilgang fokuserer på betydningen af kendetegner microtopography i omgivelser af eksponering rødder at forbedre erosion sats skøn. Denne faktor har været stort set ignoreret i tidligere undersøgelser, hvilket resulterer i en fejlfortolkning af jordbunden erosion priser stammer fra dendrogeomorphology…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De forskningsprojekter, der finansierede forskningen var: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) af det spanske ministerium for videnskab og teknologi og projekt idé-GESPPNN (OAPN 163/2010), som blev finansieret af miljø ministeriet i Spanien.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Keywords: DendrogeomorphologySheet Erosion RatesGround Microtopographic CharacterizationBio-indicatorsExposed RootsTerrestrial Laser ScanningMicrotopographic Profile GaugeErosion Rates
check_url/57987?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image