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

Laboratório e campo protocolo para estimar as taxas de erosão folha de 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

Caracterizando a erosão da dendrogeomorphology tem geralmente focada em encontrar com precisão a data inicial da exposição da raiz, através da análise macroscópica ou alterações de nível de célula, causada pela exposição. Aqui, oferecemos uma descrição detalhada das diferentes técnicas de romance para obter taxas de erosão mais precisas de dados altamente precisos microtopographic.

Abstract

Erosão superficial está entre os drivers cruciais da degradação do solo. Erosão é controlada por factores ambientais e as atividades humanas, que muitas vezes levam a graves impactos ambientais. A compreensão da erosão da folha é, por conseguinte, uma questão em todo o mundo, com implicações tanto para ambiente e economias. No entanto, o conhecimento sobre como erosão evolui no espaço e no tempo é ainda limitada, bem como seus efeitos sobre o meio ambiente. Abaixo, vamos explicar que um novo protocolo dendrogeomorphological para derivação erodidos espessura de solo (Ex) adquirindo microtopographic precisos dados usando (TLS) de exploração do laser terrestre e medidores de perfil microtopographic. Além disso, procedimentos de dendrogeomorphic padrão, dependentes de variações anatômicas em anéis de raiz, são utilizados para estabelecer o tempo de exposição. Perfil de ambos TLS e microtopographic medidores são usados para obter superfície perfis de solo, dos quais estima-se Ex após o limite de distância (TD) é determinada, ou seja, a distância entre a raiz e o sedimento knickpoint, que permite defining a redução da superfície do solo causada pela erosão. Para cada perfil, medimos a altura entre a superfície da raiz e um virtual plano tangente à superfície do solo. Desta forma, pretendemos evitar impactos em pequena escala da deformação do solo, que pode ser devido à pressão exercida pelo sistema de raiz, ou pelo arranjo de raízes expostas. Isto pode provocar pequenas quantidades de sedimentação do solo ou erosão dependendo de como eles afetam fisicamente o escoamento de superfície. Demonstramos que uma microtopographic adequada caracterização das raízes expostas e sua superfície à terra associado é muito valiosa para obter taxas de erosão precisos. Este achado poderia ser utilizado para desenvolver as melhores práticas de gerenciamento projetadas para eventualmente travar ou talvez, pelo menos, diminuir a erosão do solo, para que políticas de gestão mais sustentável podem ser colocadas em prática.

Introduction

Impactos econômicos e ambientais produzidos pela erosão faz este tópico em uma preocupação em todo o mundo1. Vários métodos, de técnicas diretas de abordagens baseadas em física e empíricas, são usados para calcular taxas de erosão do solo em uma variedade de escalas temporais e espaciais. Técnicas diretas usam medições de campo em condições naturais e baseiam-se principalmente o uso de Gerlach bebedouros2, coletores de água3,4 e medidores5pinos de erosão. Além disso, modelos de erosão do solo têm sido cada vez mais focados representando detalhadamente os processos físicos real responsáveis pela erosão6.

Dendrogeomorphology7 é uma subdivisão da Dendrocronologia8 que é bem sucedido em caracterizar a frequência e a magnitude dos processos geomorfológicos9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Em relação a erosão superficial, dendrogeomorphology é normalmente utilizadas para reforçar ou substituir as metodologias acima mencionadas, particularmente em áreas onde as taxas de erosão derivadas diretas técnicas são escassos ou indisponível. Dendrogeomorphology é um método muito flexível para avaliar a erosão do solo e pode ser utilizada para calibrar modelos empíricos e baseados em física, ou talvez como um dados de origem para melhorar a confiabilidade da estimativa direta técnicas18, 19. Dendrogeomorphology permite a erosão do solo a ser estabelecida em grandes áreas onde as raízes expostas estão disponíveis. Essas raízes expostas devem mostrar limites de anéis de árvore clara e responder aos padrões de crescimento anual deve ser considerado ideal para aplicar técnicas de dendrogeomorphological20. Raízes expostas, mais a amostra devem estar localizadas de preferência em unidades homogêneas baseadas sua reação para o solo da erosão,21.

A maneira convencional de dendrogeomorphical de estimar a erosão superficial é aterrada na medição em situ a espessura do solo erodido (Ex) desde o tempo da primeira exposição ao presente22,23, 24. A relação entre estas duas variáveis é utilizada para calcular um valor de erosão em mm∙yr1. Grande parte da investigação realizada até à data inteiramente concentrou eficientemente, identificando o ano inicial de exposição. Como resultado, modificações na raiz devido à exposição são analisadas a nível macroscópico25, ou para o tecido e níveis celulares de27,26,28. A principal alteração anatômica presente nas raízes expostas de coníferas é aumentar a espessura do anel de crescimento, em consequência de um número significativo de células dentro do de madeira primaveril (EW)26. Uma redução da mesma forma foi encontrada dentro da área do lúmen de Traqueidos EW juntamente com uma espessura de estrutura maior parede de célula de lenho tardio (LW) Traqueidos24,,27,29. Essas modificações foram descritas e quantificadas como início, quando a erosão reduz a superfície do solo sobre a raiz de 3 cm aproximadamente30. Menos atenção foi concedida para a adequada determinação do parâmetro Ex . A idade das raízes expostas geralmente estava ligada com a altura do eixo de centro da raiz do crescimento sobre o solo de superfície31,32. A estimativa da Ex foi corrigida, consequentemente, considerando o crescimento secundário em curso30,33. Mais recentemente, essas abordagens metodológicas também integraram a caracterização do solo microtopography para obter taxas de erosão confiável34,35,36.

Apresentamos um protocolo de laboratório e de campo para estimar mais precisas e confiáveis folha taxas de erosão da dendrogeomorphology. Este protocolo particular, examinamos a hipótese de que todas as raízes expostas, independentemente da orientação em relação ao caminho de escoamento e em conjunto com a análise de microtopographical, de amostragem permite taxas de erosão precisamente ser reconstruída e quantificado. Nosso objetivo, portanto, é fornecer um protocolo para estimar as taxas de erosão de maximizar o tamanho da amostra de raízes expostas, usando informações macroscópicas e microscópicas encontradas na série de anéis de crescimento e, também, dados topográficos de alta resolução.

Protocol

1. estratégia de amostragem Identificação de processo geomorfológicos Implemente as unidades de resposta hidrológica abordagem (HRU)21. Para o efeito, identifica áreas homogêneas dentro do local de estudo, constituído por depósitos de litologia e superfície, cobertura do dossel, resíduo vegetativo em contacto com a superfície do solo e inclinação. Selecione entre os HRUs todos aqueles em que o processo de erosão da folha é predominante. <p c…

Representative Results

Amostras de raízes expostas sofrem grave deterioração cambial devido ao impacto da exposição (por exemplo, modificações na temperatura, incidência de luz) e mais o stress físico, devido ao pisoteio pelos caminhantes ou animais pastando e navegação que as raízes submeter-se depois que eles estão expostos. Determinar a existência de anéis descontínuos, bem como namoro precisamente o primeiro ano de resposta à exposição foi realizada no laboratório como no protoc…

Discussion

O protocolo implantado demonstra o valor de caracterização detalhada e adequada de microtopography superfície do solo, que permite para medir as taxas de erosão confiável folha de dendrogeomorphology. Nossa abordagem metodológica incide sobre a importância de caracterizar a microtopography nos arredores de raízes de exposição para melhorar a estimativa da taxa de erosão. Este fator tem sido ignorado pela maior parte em estudos anteriores, resultando em uma má interpretação das taxas de erosão do solo deriv…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os projectos de investigação que financiou esta pesquisa foram: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) do Ministério espanhol de ciência e tecnologia e o projeto ideia-GESPPNN (OAPN 163/2010), que foi financiado pelo Ministério ambiental de Espanha.

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