Laboratorio y el protocolo de campo para estimar tasas de erosión de la hoja de Dendrogeomorphology
Summary
Caracterización de la erosión de dendrogeomorphology se ha centrado generalmente en encontrar con precisión la hora de inicio de la exposición de la raíz, mediante el examen macroscópico o cambios en el nivel celular causaron por la exposición. Aquí, ofrecemos una descripción detallada de las diferentes técnicas novedosas para obtener tasas de erosión más precisas de datos de alta precisión microtopographic.
Abstract
Erosión laminar es uno de los conductores cruciales de la degradación del suelo. Erosión es controlada por factores ambientales y las actividades humanas, que a menudo conducen a graves impactos ambientales. La comprensión de la erosión laminar es, por consiguiente, un problema mundial con consecuencias para el medio ambiente y las economías. Sin embargo, el conocimiento sobre la evolución de la erosión en el espacio y el tiempo sigue siendo limitada, así como sus efectos sobre el medio ambiente. A continuación, explicamos que un nuevo protocolo dendrogeomorphological para derivar erosionado espesor de suelo (Ex) mediante la adquisición de datos precisa microtopographic con láser terrestre (TLS) y medidores de Perfil de microtopographic. Además, procedimientos estándar de dendrogeomorphic, dependientes de variaciones anatómicas en los anillos de la raíz, son utilizados para establecer el tiempo de exposición. Perfil TLS y microtopographic calibradores se utilizan para obtener crea superficie de tierra, de que Ex se calcula después la distancia umbral (TD), es decir, la distancia entre la raíz y el sedimento knickpoint, que permite delimitando el descenso de la superficie de la tierra causada por la erosión laminar. Para cada perfil, medimos la altura entre la parte superior de la raíz y un plano virtual tangencial a la superficie de la tierra. De esta forma, nos prepusimos evitar impactos en pequeña escala de la deformación del suelo, que puede ser debido a las presiones ejercidas por el sistema de raíz, o por el arreglo de las raíces expuestas. Esto puede provocar pequeñas cantidades de suelo sedimentación o erosión dependiendo de cómo físicamente afectan el escurrimiento superficial. Demostramos que una caracterización adecuada microtopographic de las raíces expuestas y su superficie asociada es muy valiosa para obtener tasas de erosión precisa. Este hallazgo podría utilizarse para desarrollar las mejores prácticas de gestión diseñadas para detener el tiempo o tal vez, al menos, disminuir la erosión del suelo, para que las políticas de gestión más sostenibles se pueden poner en práctica.
Introduction
Impactos económicos y ambientales producidos por la erosión laminar hace este tema en una preocupación mundial1. Varios métodos, de técnicas directas a los enfoques basados en el físico y empíricos, se utilizan para calcular las tasas de erosión de suelo en una variedad de escalas temporales y espaciales. Técnicas directas medidas de campo bajo condiciones naturales y se basan principalmente en el uso de Gerlach canales2, colectores de agua3, erosión de los pernos4 y rugosímetros5. Además, los modelos de erosión del suelo se han enfocado cada vez más en la representación en detalle de los procesos físicos reales responsables de la erosión6.
Dendrogeomorphology7 es una subdivisión de dendrocronología8 que tiene éxito en la caracterización de la frecuencia y magnitud de procesos geomorfológicos9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Con respecto a la erosión laminar, dendrogeomorphology se emplea generalmente para mejorar o reemplazar las metodologías mencionadas, particularmente en áreas donde las tasas de erosión derivadas de técnicas directas son escasos o de carácter. Dendrogeomorphology es un método muy flexible para la evaluación de la erosión del suelo y puede ser utilizado para calibrar los modelos empíricos y basados en la física, o tal vez como un dato de origen para mejorar la fiabilidad de la estimación directa técnicas18, 19. Dendrogeomorphology permite la erosión del suelo a establecerse en grandes áreas donde están disponibles las raíces expuestas. Estas raíces expuestas deben mostrar límites de anillos de árbol claro y responder a los patrones de crecimiento anual a ser considerado como óptimo para aplicar técnicas de dendrogeomorphological20. Raíces más, expuestas a ser muestreada deben estar ubicadas preferiblemente en unidades homogéneas basadas en su reacción al suelo erosión21.
La manera de dendrogeomorphical convencionales de estimación de la erosión laminar se basa en la medición en situ el espesor de suelo erosionado (Ex) desde el momento de la primera exposición a la actual de22,23, 24. La relación entre estas dos variables se utiliza para calcular un valor de erosión de mm∙yr1. Gran parte de las investigaciones realizadas hasta la fecha se ha centrado en identificar eficientemente el año inicial de la exposición. Como resultado, se analizan las modificaciones en la raíz debido a la exposición en el nivel macroscópico25o en el tejido y niveles celulares26,27,28. El principal cambio anatómico presente en las raíces expuestas de las coníferas es aumento de espesor de los anillos de crecimiento, como consecuencia de un número significativo de células dentro de la madera temprana (EW)26. Del mismo modo se ha encontrado un recorte dentro del área del lumen de traqueidas de EW con un espesor de pared de célula mayor estructura de madera tardía (LW) traqueidas24,27,29. Estas modificaciones han sido descritas y cuantificados como principio cuando la erosión disminuye la superficie del suelo sobre la raíz de aproximadamente tres cm30. Menos atención se concedió a la adecuada determinación del parámetro Ex . La edad de las raíces expuestas fue conectada típicamente con la altura del eje de centro de la raíz del crecimiento sobre el suelo superficial31,32. La estimación de Ex fue corregida en consecuencia considerando crecimiento secundario30,33. Más recientemente, estos enfoques metodológicos han integrado también la caracterización de la microtopografía del suelo para obtener las tasas de erosión confiable34,35,36.
Presentamos un protocolo de laboratorio y campo para la estimación más exacta y confiable hoja tasas de erosión de dendrogeomorphology. En este protocolo en particular, se examina la hipótesis de que todas las raíces expuestas, independientemente de la orientación con respecto a la ruta de la escorrentía y en combinación con el análisis de microtopographical, de muestreo permite tasas de erosión precisamente ser reconstruido y cuantificado. Por lo tanto, nuestro objetivo es proporcionar un protocolo para estimar las tasas de erosión de maximizar el tamaño de la muestra de las raíces expuestas, usando información macroscópica y microscópica encontrada en la serie de anillos de árboles de crecimiento y también datos topográficos de alta resolución.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo implementado demuestra el valor de caracterización detallada y adecuada de la microtopografía superficial de la tierra, ya que permite medir tasas de erosión de la confianza de hoja de dendrogeomorphology. Nuestro enfoque metodológico se centra en la importancia de caracterizar la microtopografía de los alrededores de las raíces de la exposición para mejorar la estimación de la tasa de erosión. Este factor ha sido ignorado en gran parte en estudios anteriores, lo que resulta en una mala interpretaci…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los proyectos de investigación que financió esta investigación fueron: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Dendro-Avenidas (CGL2007-62063); MAS Dendro-Avenidas (CGL2010-19274) del Ministerio de ciencia y tecnología y el proyecto IDEA-GESPPNN (OAPN 163/2010), que fue financiado por el Ministerio medio ambiente de España.
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®ion=ES |
Referencias
- 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).
- 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).
- Desir, G., Marín, C. Factors controlling the erosion rates in a semi-arid zone (Bardenas Reales, NE Spain). Catena. 71 (1), 31-40 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Alestalo, J. Dendrochronological interpretation of geomorphic processes. Fennia -International Journal of Geography. 105, 1-139 (1971).
- Cook, E. R., Kalriukstis, L. A. Methods of Dendrochronology. Methods of Dendrochronology. , 97-104 (1990).
- Pelfini, M. Dendrogeomorphological study of glacier fluctuations in the Italian Alps during the Little Ice Age. Annals of Glaciology. 28 (1639), 123-128 (1999).
- 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).
- Stoffel, M., Bollschweiler, M., Butler, D., Luckman, B. . Tree Rings and Natural Hazards: A State-of-the-art. , (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Can tree tilting be used for paleoflood discharge estimations?. Journal of Hydrology. 529 (P2), 480-489 (2015).
- Šilhán, K. Dendrogeomorphic chronologies of landslides: Dating of true slide movements. Earth Surface Processes and Landforms. 42 (13), 2109-2118 (2017).
- Ballesteros Cánovas, J. A., et al. Gully evolution and geomorphic adjustments of badlands to reforestation. Scientific Reports. , (2017).
- Ballesteros-Cánovas, J. A., et al. Dendrogeomorphology in badlands: Methods, case studies and prospects. Catena. 106, 113-122 (2013).
- 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).
- Grissino-Mayer, H. D. An updated list of species used in tree-ring research. Tree-Ring Bulletin. 53, 17-43 (1993).
- 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).
- LaMarche, V. Rate of slope erosion in the White Mountains, California. Geological Scociety of America Bulletin. 72 (10), 1579-1580 (1961).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fayle, D. . Radial Growth in Tree Roots – Distribution, Timing, Anatomy. , (1968).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gärtner, H. Tree roots – Methodological review and new development in dating and quantifying erosive processes. Geomorphology. 86 (3-4), 243-251 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Misra, R., Dexter, A., Alston, A. Maximum axial and radial growth pressures of plant-roots. Plant and Soil. 95 (3), 315-326 (1996).
- 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).
- 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).
- Antonova, G., Stasova, V. Effects of environmental factors on wood formation in Scots pine stems. Trees. 7 (4), 214-219 (1993).
- 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).
- Zimmermann, M. . Xylem Structure and the Ascent of Sap. , (1983).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hammitt, W., Cole, D. . Wildland recreation: ecology and management. , (1998).
- Marion, J. L., Leung, Y. F., Nepal, S. K. Monitoring trail conditions: new methodological considerations. George Wright Society Forum. 23 (2), 36-49 (2006).
- 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).
- 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).
- Krause, C., Eckstein, D. Dendrochronology of roots. Dendrochronologia. 11, 9-23 (1993).
- Krause, C., Morin, H. Root growth and absent rings in mature black spruce and balsam fir, Quebec, Canada. Dendrochronologia. 16, 21-35 (1999).
- Poesen, J. Gully erosion and environmental change: importance and research needs. Catena. 50 (2-4), 91-133 (2003).
- 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).
- Boardman, J., Favis-mortlock, D. Frequency-magnitude distributions for soil erosion, runoff and rainfall – a comparative analysis. Zeitschrift für Geomorphologie. 115, 51-70 (1999).
- 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).
