Summary

実験室およびフィールド プロトコル Dendrogeomorphology からシート侵食速度の推定

Published: January 07, 2019
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Summary

通常巨視的を調べることによって正確にルートへの露出の開始時間を見つけることに集中している dendrogeomorphology から侵食を特徴付ける、または露出によって引き起こされる細胞レベルの変更。ここでは、我々 は高精度微地形データからより正確な浸食速度を取得するさまざまな新規技術の詳細な説明を提供します。

Abstract

侵食は、土壌劣化の重要なドライバーの一つです。侵食は、環境要因と頻繁に深刻な環境への影響につながる人間の活動によって制御されます。侵食の理解は、その結果、環境や経済への影響と世界的な問題です。しかし、どのように侵食は空間と時間の進化に関する知識はまだ株式だけでなく、環境への影響。以下、派生のための新しい dendrogeomorphological プロトコル (TLS) 地上レーザーと微地形プロファイル ゲージを使用して正確な微地形データを取得することによって土層厚 (Ex) の侵食をについて説明します。さらに、露出のタイミングを確立する標準的な dendrogeomorphic プロシージャ、ルート リングに伴う解剖的変化に依存が利用されています。ゲージを使用し、(TD) の距離の閾値が決定された後にExを推定する地盤表面よう TLS と微地形プロファイル、すなわちルートと堆積物間の距離knickpoint、侵食による地表面の低下出店を可能にします。各プロファイルのルートの上面と地表面に正接仮想平面間の高さを測定しました。この方法で、ルート システムまたは露出された根の整理によって行使の圧力が原因である可能性があります土壌変形の小規模な影響を回避することを目的しました。これは、少量の土の堆積や浸食によって物理的に表面流出の影響を引き起こす可能性があります。露出された根及びその関連する地表面の十分な微地形解析が正確な浸食速度を達成する非常に貴重なことを示します。この発見より持続可能な経営を実践することができますので、最終的に停止または、おそらく、少なくとも、土壌浸食を軽減するように設計管理のベストプラクティスを開発に利用できます。

Introduction

侵食による生産経済と環境への影響世界的な懸念1でこのトピックになります。物理ベースと経験的アプローチする直接的な手法から、いくつかの方法は様々 な時間・空間スケールでの土壌侵食量の計算に使用されます。直接的な手法は自然条件下での実測を使用し、ゲルラッハ谷2、水コレクター3の使用に主に基づいています、侵食ピン4とプロフィルメータ5。さらに、土壌浸食のモデルの詳細に浸食6担当の実際の物理的なプロセスを表すにますます注目されています。

Dendrogeomorphology7は、年輪年代学8地形プロセス9,1011,12の頻度と規模を特徴付けること成功だの細分化 13,14,15,16,17。侵食、について dendrogeomorphology は直接的な手法から派生した侵食速度が不足しているか使用できない地域を中心に、上記の方法論を置き換えたり強化する通常用いられます。Dendrogeomorphology 土壌浸食を評価するための非常に柔軟な方法は、物理ベースおよび経験的モデルを調整したり、おそらくデータとしてソースを直接推定技術18,の信頼性を高めることが出来、19. Dendrogeomorphology により露出された根が利用できる大規模なエリアを介して確立する土壌浸食。これらの露出された根は明確な樹木リング制限を示し、dendrogeomorphological テクニック20を適用する最適なとして考慮されるべき年次成長パターンに対応する必要があります。サンプリングするさらに、露出した根は、土壌の浸食21に彼らの反応に基づく同種の単位でできれば配置必要があります。

侵食を推定する従来の dendrogeomorphical 方法は現在22,23、一番最初の露出の時から (Ex) 浸食土層厚の in situ測定に裏打ちされています。 24。これらの 2 つの変数間の比率を利用して、mm∙yr1の侵食値を計算します。露出の初年度を効率的に識別する完全実施までの研究の多く集中しています。結果として巨視的レベル25、または組織と細胞レベル26,27,28暴露によるルートの変更を分析します。主要な解剖学的変化針葉樹の露出された根の存在は、早材 (EW)26内細胞のかなりの数の結果としての成長リングの太さを増加しています。カットバックは同様に (LW) 晩材仮道管24,27,29の高められた細胞壁構造厚さと共に東西仮道管内腔領域内で発見されました。これらの変更は説明され侵食が約 3 cm30ルートで地表面を下げるとき初めとして量を示されます。以下の注意は、 Exパラメーターの適切な決定に許可されました。露出された根の年齢の通常接続して成長のルートの中心軸の高さと地面の表面の31,32以上。Exの推定は、現在進行中の二次成長30,33を考慮したその結果修正しました。最近では、これらの方法論的アプローチも信頼性の高い浸食率34,35,36を取得する土壌微地形の特性を統合しました。

正確かつ信頼性の高いシート侵食速度 dendrogeomorphology からを推定する実験室およびフィールド プロトコルを提案する.この特定のプロトコルでは、地内分析と共に流出パスに対する相対パスの方向に関係なく、すべての露出された根をサンプリングできる正確に再構築し、定量化の侵食速度仮説を調べます。私たちの目的は、したがって、年輪の成長シリーズも高解像度地形データで見つかった巨視的および微視的情報を使用、露出された根のサンプル サイズを最大化から浸食速度を推定するためのプロトコルを提供するためにです。

Protocol

1. サンプリング戦略 地形プロセス id 水文の応答単位アプローチ (HRU)21を実装します。このため、岩相と表面の堆積物、キャノピー カバー、地表面と斜面との接触植物残渣を含む研究サイト内で均一的なエリアを識別します。すべての使い捨てシート侵食過程が支配的であるそれらから選択します。 <i…

Representative Results

露出された根のサンプル ハイカーまたは動物放牧ブラウジングして踏圧による物理的な応力プラス露出 (温度の変更など光の発生率) の影響により深刻な形成層劣化に苦しむ根公開されている後を受けます。露出への応答の最初の年を正確にデートし同様、不連続リングの有無の判断は、プロトコル 4 (ステップ 4.1.6 に 4.1.8) のように実験室で達成されました。?…

Discussion

Dendrogeomorphology から信頼できるシート侵食率を測定することができるよう、展開プロトコルは地面表面マイクロトポ グラフの詳細かつ適切な評価の値を示します。私たちの方法論的アプローチは、侵食率推定を改善するために露出根の周辺の微地形の特性の重要性に焦点を当てください。この要因は、主 dendrogeomorphology34から派生した土壌侵食量の誤解の結果、前の研究で無…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究の資金を供給された研究プロジェクト: マルコーニ (CGL2013-42728-R);Dendro アベニダス (CGL2007 62063);スペイン語省科学技術とアイデア-GESPPNN (OAPN 163/2010)、スペイン環境省によって資金を供給されたプロジェクトの MAS Dendro (CGL2010 19274) アベニダス

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

Referências

  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).

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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).

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