Summary

Laboratuvar ve levha erozyon oranları üzerinden Dendrogeomorphology tahmin etmek için alan Protokolü

Published: January 07, 2019
doi:

Summary

Genellikle başlangıç saatini kök maruz kalma, makroskopik incelenerek doğru bulma odaklanmıştır erozyon dendrogeomorphology üzerinden karakterize veya hücre düzeyi değişiklikleri poz tarafından neden oldu. Burada, daha kesin erozyon oranları son derece hassas microtopographic verilerden elde etmek için farklı roman teknikleri ayrıntılı bir açıklamasını sunuyoruz.

Abstract

Sayfa erozyon toprak bozulması çok önemli sürücüler arasında olduğunu. Erozyon çevresel faktörler ve sık sık ağır çevresel etkilerin neden insan faaliyetleri tarafından denetlenir. Sayfa erozyon anlayış, sonuç olarak, çevre ve ekonomiler için etkileri ile dünya çapında bir konu olduğunu. Ancak, nasıl erozyon uzay ve zaman içinde geliştikçe bilgi hala sınırlı yanı sıra çevre üzerindeki etkileri olduğunu. Aşağıda, karasal lazer (TLS) tarama ve microtopographic profil ölçü aygıtları kullanarak doğru microtopographic veri kazanılması by toprak kalınlığı (Ex) türetmek için yeni bir dendrogeomorphological iletişim kuralı aşınmış açıklayacağız. Ayrıca, standart dendrogeomorphic yordamlar, bağımlı kök yüzük, anatomik varyasyonları üzerinde pozlama zamanlaması oluşturmak için kullanılmaktadır. TLS ve microtopographic profil ölçerler zemin yüzey profiles, eşik mesafe (TD) belirlenir sonra hangi Ex tahmin edilmektedir almak için kullanılır, Yani, kök ve tortu arasındaki mesafe knickpoint, tarafından sayfası erozyon nedeniyle zemin yüzeyi düşürülmesi defining sağlar. Her profili için kök topside ve sanal uçak toprak yüzeyine teğet arasındaki yükseklik ölçülür. Bu şekilde, biz kök sistemi veya maruz kökleri düzenlenmesi sarf baskılar nedeniyle olabilir toprak deformasyon küçük ölçekli etkileri önlemek tasarlanmıştır. Bu küçük miktarlarda toprak sedimantasyon veya yüzey akış fiziksel olarak etkilemesi bağlı olarak erozyon sebep. Biz maruz kalan kökler ve onların ilişkili zemin yüzeyi bir yeterli microtopographic karakterizasyonu doğru erozyon oranları elde etmek için çok değerli olduğunu göstermek. Bu bulgu daha sürdürülebilir yönetimi ilkeleri uygulamaya koymak böylece sonunda durdurmak veya belki de, en azından, toprak erozyonu, azaltmak için tasarlanmış en iyi yönetim uygulamaları geliştirmek için yararlanılabilir.

Introduction

Hem ekonomik hem de çevresel etkileri sayfası erozyon tarafından üretilen bu konuda dünya çapında endişe1‘ yapar. Doğrudan teknik fizik tabanlı ve ampirik yaklaşımlar için birkaç yöntem zamansal ve mekansal ölçekler çeşitli toprak erozyon oranları hesaplamak için kullanılır. Doğrudan teknikleri Saha ölçümleri doğal koşullar altında kullanın ve esas olarak Gerlach tekneler2, su toplayıcıları3kullan seçeneğine göre erozyon4 ve profilometers5iğne. Ayrıca, toprak erozyonu modelleri giderek gerçek fiziksel süreçleri erozyon6için sorumlu ayrıntılı olarak gösteren üzerinde odaklanmıştır.

Dendrogeomorphology7 dendrokronoloji8 frekans ve geomorphic işlemleri9,10,11,12büyüklüğü karakterize başarılı bir bölümüdür, 13,14,15,16,17. Sayfa erozyon ile ilgili dendrogeomorphology genellikle geliştirmek veya doğrudan teknikleri türetilmiş erozyon oranları kıt veya kullanılamaz olduğu alanlarda özellikle yukarıda belirtilen yöntemleri değiştirmek için istihdam edilmektedir. Dendrogeomorphology toprak erozyonu değerlendirmek için çok esnek bir yöntemdir ve fiziksel tabanlı ve ampirik modelleri kalibre veya doğrudan tahmin teknikleri18, güvenilirliğini geliştirmek için belki bir veri olarak kaynak için kullanılması gereken 19. Dendrogeomorphology maruz kalan kökleri nerede kullanılabilir geniş alanlara kurulacak toprak erozyonu sağlar. Maruz kalan bu köklerin açık ağaç halkaları sınırlarını göstermek ve optimum dendrogeomorphological teknikleri20uygulamak için dikkate alınması gereken yıllık büyüme modelleri için yanıt. Tatmak için daha fazla, maruz kalan kökler tercihen erozyon21toprak tepkileri dayalı homojen birimlerinde yer almalıdır.

Levha erozyon tahmin etmek için geleneksel dendrogeomorphical yolu üzerinde ölçüm in situ (Ex) erozyona uğramış toprak kalınlığı mevcut22,23ilk maruz zaman topraklı, 24. Bu iki değişken arasındaki oran mm∙yr1‘ deki bir erozyon değerini hesaplamak için kullanılmaktadır. Bugüne kadar yapılan araştırma çoğunu tamamen verimli bir şekilde maruz kalma ilk yıl belirlenmesi üzerinde odaklanmıştır. Bir sonucu, kök maruz olarak, değişiklikleri makroskopik düzeyde25veya doku ve hücresel düzeyde26,27,28analiz edilir. Asıl anatomik değişim iğne yapraklılar maruz kökleri mevcut büyüme yüzük kalınlığı, earlywood (EW)26hücrelerde önemli sayıda bir sonucu olarak artmaktadır. EW tracheids ile birlikte bir artan hücre yapısı et kalınlığı latewood (LW) tracheids24,27,29lümen alanı içinde bir cutback benzer şekilde bulundu. Bu değişiklikler açıklanan ve erozyon kabaca üç cm30kök üzerinde zemin yüzeyi düşürür zaman başlangıcı olarak sayılabilir. Daha az dikkat Ex parametresi yeterli belirlenmesine yol verildi. Maruz kalan kökleri yaşın genellikle üzerinde zemin yüzey31,32Root’un merkezi eksen büyüme yüksekliği ile bağlantılıydı. Ex tahmini sonuç olarak devam eden ikincil büyüme30,33dikkate alınarak düzeltilmiştir. Son zamanlarda, bu yöntembilimsel yaklaşımlar da güvenilir erozyon oranları34,35,36elde etmek için toprak microtopography karakterizasyonu entegre etmiş.

Biz daha doğru ve güvenilir sayfası erozyon oranları üzerinden dendrogeomorphology tahmin etmek için bir laboratuvar ve alan iletişim kuralı mevcut. Bu belirli iletişim kuralında, biz yönde akış yolu göreli ve microtopographical analizi, birlikte ne olursa olsun tüm maruz kökleri örnekleme tam yeniden ve sayısal erozyon oranları sağlar hipotez incelemek. Hedefimiz, bu nedenle, erozyon oranları üzerinden maruz kalan kökler büyüme ağaç-halka serisi ve aynı zamanda yüksek çözünürlüklü topoğrafik veri bulunan makroskopik ve mikroskopik bilgileri kullanarak, Örneklem büyüklüğü en üst düzeye çıkarma tahmin etmek için bir protokol sağlamaktır.

Protocol

1. örnekleme strateji Geomorphic işlem kimliği Hidrolojik yanıt birimleri yaklaşım (HRU)21uygulamak. Bu amaçla, oluşan lithology ve yüzey mevduat, gölgelik kapak, toprak yüzeyinin ve yamaç temas bitkisel kalıntı çalışmada sitedeki homojen alanları belirlemek. Arasında tüm HRUs sayfası erozyon işlem baskın olan seçin. <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57…

Representative Results

Maruz kalan kökleri örnekleri yürüyüşçü veya hayvan otlatma ve bu tarama tarafından trampling nedeniyle fiziksel stres, artı pozlama (Örneğin, modifikasyon sıcaklık, ışık insidansı) etkisi nedeniyle ciddi cambial bozulma muzdarip kökleri onlar maruz kalır sonra tabi. İş öğelerinin sürekli olmayan yüzük varlığını belirlemek gibi tam olarak yanıt-e doğru pozlama yılın ilk dating Protokolü 4 (adım 4.1.6-4.1.8) olduğu gibi laboratuarında başar?…

Discussion

Güvenilir sayfası erozyon oranları üzerinden dendrogeomorphology ölçmek için sağlar olarak dağıtılan Protokolü zemin yüzey microtopography, ayrıntılı ve doğru karakterizasyonu değerini gösterir. Bizim metodolojik yaklaşım erozyon hızı tahmini geliştirmek için pozlama kökleri çevresinde microtopography karakterize önemi üzerinde duruluyor. Bu faktör büyük ölçüde toprak erozyon oranları dendrogeomorphology34türetilmiş bir yanlış yorumlama sonuçlanan önceki ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu araştırma finanse edilen araştırma projeleri vardı: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) İspanyol Bakanlığı Bilim ve teknoloji ve projenin fikir-GESPPNN (OAPN 163/2010), hangi İspanya Çevre Bakanlığı tarafından finanse edildi.

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