Meten en in kaart brengen van patronen van bodemerosie en afzetting aan de bodem carbonaat concentraties onder beheer van de landbouw gerelateerde
Summary
Ruimtelijke patronen van bodemerosie en depositie kunnen van verschillen in hoogte van de grond toegewezen op tijdig stappen worden afgeleid. Dergelijke wijzigingen in de hoogte hebben betrekking op wijzigingen in in de buurt van-oppervlakte bodem carbonaten. Herhaalbare methoden voor veld en laboratorium metingen van deze hoeveelheden en data analysemethoden worden hier beschreven.
Abstract
Ruimtelijke patronen van bodemerosie en depositie kunnen van verschillen in hoogte van de grond toegewezen op tijdig stappen worden afgeleid. Dergelijke wijzigingen in de hoogte hebben betrekking op wijzigingen in in de buurt van-oppervlakte bodem carbonaat (CaCO3) profielen. Het doel is om een eenvoudige conceptueel model en gedetailleerd protocol voor herhaalbare veld en laboratorium metingen van deze hoeveelheden te beschrijven. Hier, wordt nauwkeurige hoogte gemeten met behulp van een grond differentiële GPS global positioning system (); andere data acquisitie methoden kunnen worden toegepast op de dezelfde fundamentele methode. Bodemmonsters worden bijeengezocht uit voorgeschreven diepte intervallen en geanalyseerd in het laboratorium met behulp van een efficiënte en nauwkeurige gewijzigde druk-calcimeter methode voor de kwantitatieve analyse van de concentratie van de anorganische koolstof. Standaard statistische methoden worden toegepast om de gegevens, en representatieve resultaten tonen significante correlaties tussen wijzigingen in oppervlakte bodemlaag CaCO3 en wijzigingen in hoogte overeen met het conceptuele model; CaCO3 in het algemeen daalden op energetisch gebied en toegenomen in erosieachtige gebieden. Kaarten zijn afgeleid van punt metingen van hoogte en bodem CaCO3 op de steun van de analyses. Een kaart van geërodeerd en energetisch patronen op de site van de studie, een regen-gevoed wintertarwe veld bijgesneden in afwisselende stroken van tarwe-braak toont de interactie effecten van water- en winderosie beïnvloed door beheer en topografie. Alternatieve bemonsteringsmethoden en diepte intervallen zijn besproken en aanbevolen voor toekomstige werkzaamheden op het gebied van bodemerosie en afzetting bodememissies CaCO3.
Introduction
Bodemerosie bedreigt de duurzaamheid van landbouwgronden. Gewas beheer, zoals een conventioneel bewerkte wintertarwe-braak vruchtwisseling, erosie en afzetting processen kunt versnellen, zoals naakte bodems braak perioden zijn gevoeliger voor wind en water krachten1,2, 3 , 4 , 5 (Figuur 1). Hoewel deze processen blijken kunnen, kunnen ze worden moeilijk te kwantificeren.
Het doel van deze studie eerst is bedoeld als een efficiënte methode voor het kwantificeren en beschrijven van de ruimtelijke patronen van erosie en afzetting in het veld schaal met behulp van global positioning system (GPS) technologie en geografische informatiesystemen (GIS) toewijzing van hulpmiddelen. Een eenvoudige conceptmodel betreffende deze patronen om te bodem carbonaten (CaCO3) in de buurt van de oppervlakte is ook gepresenteerd en getest door voorgeschreven veld en laboratoriumtechnieken. Deze relaties geven indirecte maatregelen van erosie en afzetting, terwijl het valideren van de resultaten van de GPS-methode. De huidige papier benadrukt de methoden die worden gebruikt in Sherrod et al. zodat ze kunnen worden herhaald, gedeeltelijk of geheel, voor soortgelijk onderzoek in andere locaties6.
Figuur 1. Foto’s van (a) erosie en afzetting (b) op de Site van de studie na een zware regenval gebeurtenis. Een trekker banden track in de rechterbenedenhoek van de foto (b) geeft de diepte van afzetting aan de grens van de strip tarwe/braak.
Diverse directe methoden voor het meten van bodemerosie door Stroosnijder7werden herzien. Voorgestelde methoden variëren met het doel van de meting en de beschikbare middelen, maar een “change in oppervlakte hoogte”-methode wordt aanbevolen op de schaal van de hillslope en biedt het voordeel van het meten van zowel erosie en afzetting. Unidirectioneel deze methode toe te passen is het installeren van de pinnen in de bodem en controleren van de verandering in de hoogte van de bodem ten opzichte van de bovenkant van de pin7. Met vooruitgang in het land surveying technologie, echter kan deze arbeidsintensieve aanpak worden vervangen door andere technieken, zoals terrestrische laser scannen (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, airborne laser scannen (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, geavanceerde fotogrammetrie23 ,24, of combinaties van deze technieken25,26,27. Terwijl laser scanning, kortweg LiDAR (licht detectie en variërend), biedt de meest snelle overname van dichte oppervlakte hoogte datasets, correcties moeten worden aangebracht om permanente objecten, zoals vegetatie te verwijderen. Met millimeter-verticale nauwkeurigheidsniveau, TLS kan detecteren de kleinste verandering van de hoogte, echter Perroy et al. Aanbevolen ALS over TLS voor gulley erosie schat als gevolg van de grotere scannen voetafdruk en betere instrument oriëntatie (minder topografische shadowing) voor het scannen in diep ingesneden geulen28. Real Time Kinematisch GPS (RTKGPS), centimeter-nauwkeurigheidsniveau zonder na verwerking van de gegevens, die wordt gebruikt voor deze studie. De ruimtelijke resolutie en de nauwkeurigheid van de RTKGPS-verzamelde gegevens zijn optimaal voor het opsporen van de dominante geërodeerd en energetisch functies in een landbouwgebied of andere omgevingen met aanzienlijke bodembedekker.
De druk-calcimeter methode voor de kwantificering van de bodem CaCO3 afhankelijk van de bodem reactie op zuur in een gesloten systeem, wat resulteert in het vrijkomen van CO2. De toename van de druk in het reactievat bij een constante temperatuur is lineair gecorreleerd aan de hoeveelheid bodem CaCO329. Wijzigingen aan de traditionele druk-calcimeter-methode, beschreven door Sherrod et al.., omvat het reactievat omzetten in serum flessen en het gebruik van een drukopnemer bedraad aan een digitale voltmeter voor de detectie van veranderingen van de druk 30. deze wijzigingen zorgen voor lagere detectiegrenzen en een hogere capaciteit voor dagelijkse bodemmonster wordt uitgevoerd. Gravimetrische of eenvoudige titrimetrische methoden voor de meting van de bodem CaCO3 geproduceerd grotere fouten en detectiegrenzen dan dit gewijzigd druk-calcimeter methode30.
Conceptueel Model
Als directe maatregelen van erosie en afzetting niet haalbaar, kunnen indirecte indicatoren van deze processen worden gebruikt. Sherrod et al. veronderstelde dat bodem toplaag CaCO3 concentratie in een semi-aride klimaat is omgekeerd gecorreleerd met de verandering in grond oppervlakte hoogte (positief gecorreleerd met erosie, negatief gecorreleerd met afzetting)6. De hypothese moet passen globaal, maar specifieke relaties zal afhangen van voorwaarden van de site (bodem, vegetatie, beheer en klimaat). Bodems op de testsite (tabel 1) bevatten doorgaans een aparte kalkhoudende laag 15-20 cm onder het bodemoppervlak. Conceptueel, erosie zal het verwijderen van de bovenlaag van de relatief lage CaCO3 concentratie waarbij deze kalkhoudende laag van hoge CaCO3 dichter aan het bodemoppervlak. De lage CaCO3 bodem is daarna getransporteerd naar de energetisch gebieden, waardoor de kalkhoudende laag te worden begraven dieper onder het bodemoppervlak (Figuur 2). Bemonstering van deze bodems na verloop van tijd op de juiste diepte intervallen, kan erosie of afzetting (of niet) worden afgeleid door CaCO3 concentratie, volgens dit model.
| Bodem-serie | Helling | Taxonomische classificatie | Diepte | pH | EG | Totale N | SOC | CaCO3 |
Tabel 1. Bodems op de testsite. Toewijzing eenheden en taxonomische classificatie, met de pH van de gemiddelde bodem, elektrische geleidbaarheid (EC), totale hoeveelheid N, organische C (SOC) van de bodem en CaCO3 concentraties in de 0 – tot 15- en 15 – tot 30-cm diepte stappen voor de Scott veld in 2012 in de bodem (uit Sherrod et al.) 6.
Figuur 2. Conceptuele bodem profielen. Conceptuele bodem profielen voor (a) een statische bodem matrix met CaCO3 gespoeld uit de bovenlaag en neergeslagen in een diepere laag, (b) matig erosie van de bovenlaag, en (c) matig afzetting van materiaal boven de vorige bovenlaag. Diepte intervallen (links) zijn bij benadering gebaseerd op de gegevens van de site (van Sherrod et al.) 6. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Site beschrijving en geschiedenis
De 109-ha Scott veld deel uitmaakt van de Farm Drake in noordoostelijke Colorado (40.61oN, 104.84oW, Figuur 3) en van 2001 tot 2012 voor deze studie werd gecontroleerd. Gemiddelde jaarlijkse neerslaghoeveelheid en evapotranspiratie waren ongeveer 350 en 1200 mm, respectievelijk, in dit semi-aride klimaat, waar convectie regen van korte duur en hoge intensiteit zich tijdens de zomer voorkwamen. Waterstand variëren van 1559 tot 1588 m in dit heuvelachtig terrein met verschillende landschap posities: Top, sideslope Noord-gerichte (kant-NF), sideslope zuiden (kant-SF) en toeslope (figuur 4b). Afwisselende stroken (~ 120 m breed) werden meestal beheerd in deze neerslag wintertarwe-braak rotatie zodanig dat elke andere strip braak voor ongeveer 14 maanden uit elke cyclus van 24 maanden rotatie was. Ondiepe grondbewerking (~ 7 cm), meestal v-blade veegt, vond plaats van 4 tot 6 keer via de braak periode voor onkruidbestrijding. Bodems op de site werden geclassificeerd als u wilt dat een bodemverlies tolerantie, of T -waarde van 11 Mg ha-1 jaar-1, waar erosie tarieven hieronder deze T -waarde worden beschouwd als aanvaardbaar voor aanhoudende agrarische productie4 .
Figuur 3. Sitelocatie wordt weergegeven op een topografische Relief-afbeelding (1011-4401 m) van de staat Colorado, USA. Gemiddelde hoogte van de site is 1577 m.
Figuur 4. Bodems van de kaart en Land oppervlak elevatie van de Scott Field. (a) bodems kaart van het Scott Field tonen puntlocaties bodem monster en de Gewasmanagement stroken. Bodem eenheid afkortingen zijn: 1 = Wagonwheel leem 0-2% helling, 2 = Wagonwheel leem 2-5% helling, 3 = Colby leem 5-9% helling, 4 = Kim fijn zandstrand leem 2-5% helling, 5 = Kim fijn zandstrand leem 5-9% helling; en (b) land oppervlakte elevatie van het veld op basis van de 2001 5-m raster digital elevation model (DEM), met bodem monster locaties getoond door land classificatie (van Sherrod et al.) 6.
De eerste grond oppervlakte hoogte enquête werd verzameld door RTKGPS in 2001 voor de productie van een digitaal hoogtemodel (DEM) voor de site. In combinatie met McCutcheon et al.., een intensieve bodemmonster (figuur 4a) werd ook in 2001 uitgevoerd, uit welke oppervlakte bodem CaCO3 werden geanalyseerd door een gewijzigde druk-calcimeter methode30,31 . Visueel duidelijk erosie en afzetting die zich voordoen in het daaropvolgende decennium als gevolg van de wind, voornamelijk uit het noordwesten, en neerslag-afvoer gebeurtenissen gevraagd een tweede RTKGPS hoogte onderzoek in 2009 (met een gedeelte van het veld voltooid in 2010). Vergelijking van de nieuwe DEM naar de oorspronkelijke 2001 DEM via een DEM van verschil kaart32 bevestigd significante erosie en afzetting, weergeven van patronen die meerdere controlerende factoren voor deze processen (Figuur 5) voorgesteld. Gezien de aanzienlijke oppervlakte bodem herverdeling op de site en de gegevens over de historische bodem CaCO3 , werd het bodemmonster 2001 herhaald in 2012 voor het testen van een conceptueel model van hydropedological processen6, zoals beschreven in de vorige sectie.
Figuur 5. Kaart van wijzigingen (2001-2009 *) in landoppervlak elevatie (Δz) op een 5-m Grid binnen de Scott Field in noordoostelijke Colorado. Gewas strip nummers worden aangeduid over het afwisselende winter-tarwe-braak bijsnijden systeem, ensectie A-A’ wordt weergegeven (details gegeven in Figuur 11). * Strips 2, 4, 6, 8 ondervraagde in 2010 om te voltooien de DEM 2009 (van Sherrod et al.) 6. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toegewezen wijzigingen in de hoogte (Figuur 5) illustreren significante erosie en afzetting op een gebied van de landbouw en ruimtelijke patronen van meerdere controlerende factoren indicatieve over meerdere schalen. Vanuit veld schaal patronen die zijn gekoppeld aan de wind, tot fijne schaal dendritische patronen geproduceerd door waterstroming, zijn processen die relevant zijn voor deze studie waarneembaar. Het niveau van hoogte veranderingsdetectie geboden door herhaalde RTKGPS grond enqu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het veld studie site is op een boerderij beheerd door David Drake en wij danken hem voor zijn medewerking tijdens dit onderzoek op lange termijn. Wij danken ook Mike Murphy voor zijn jarenlange veldwerk op dit project en Robin Montenieri voor haar hulp met afbeeldingen die in dit document worden gebruikt.
Materials
| Real-time kinematic GPS system | Trimble | Model 5800 | |
| GPS field data collector | Trimble | Model TSC2 | |
| GPS field software | Trimble | Trimble Access (Trimble Survey Controller used in 2001 for site calibration but this software is no longer supported) | |
| Hydraulic soil coring machine | Giddings Machine Company | ||
| Utility vehicle | John Deere | Gator 6×4 | |
| GIS software | ESRI | ArcGIS for Desktop with Spatial Analyst and Geostatistical Analyst Extensions | |
| Statistical software | SAS | SAS Institute Inc. | |
| Pressure transducer 0-105 kPa | Serta | Model 280E | Setra Systems, In., Boxborough, MA |
| Volt meter | WaveTek | 5XL | Digital meter set to read volts |
| Serum Bottles | Wheaton | 223747 | 100 ml |
| Serum Bottles | Wheaton | 223762 | 20 ml |
| Sealing Cap 20 mm Aluminum | Wheaton | 224183-01 | Case of 1000 |
| 20 mm gray butyl stopper (2-prong) | Wheaton | 224100-192 | Septum; Case of 1000 |
| Hand crimper | Wheaton | W225303 | 20 mm size |
| Hand Decapper | Wheaton | W225353 | 20 mm size |
| Acid vials | Wheaton | 224881 | 0.50 dram size (2-ml) |
| Power supply | SR Components | DDU240060 | Class 2 Transformer AC adaptor; Input 120VAC , Output 24VDC |
| Calcium carbonate | Fisher | 471-34-1 | 500 g of 100% w/w CaCO3 |
References
- Freebairn, D. M. Erosion control – some observations on the role of soil conservation structures and conservation. Nat. Res. Mgt. 7 (1), 8-13 (2004).
- Garcia-Orenes, F., Roldan, A., Mataix-Solera, J., Cerda, A., Campoy, M., Arcenegui, V., Caravaca, F. Soil structural stability and erosion rates influenced by agricultural management practices in a semi-arid Mediterranean agro-ecosystem. Soil Use and Mgt. 28, 571-579 (2012).
- Hass, H. J., Willis, W. O., Bond, J. J. General relationships and conclusions. Summer Fallow in the Western United States. USDA-ARS Conserv. Res. Rpt. No. 17. , 149-160 (1974).
- Montgomery, D. R. Soil erosion and agricultural sustainability. Proc. of the Nat. Acad. of Sci. of the USA. 104 (33), 13268-13272 (2007).
- Skidmore, E. L., Layton, J. B., Armbrust, D. V., Hooker, M. L. Soil physical properties as influenced by cropping and residue management. Soil Sci. Soc. of Am. J. 50 (2), 415-419 (1986).
- Sherrod, L. A., Erskine, R. H., Green, T. R. Spatial patterns and cross-correlations of temporal changes in soil carbonates and surface elevation in a winter wheat-fallow cropping system. Soil Sci. Soc. of Am. J. 79 (2), 417-427 (2015).
- Stroosnijder, L. Measurement of erosion: Is it possible?. Catena. 64 (2-3), 162-173 (2005).
- Dąbek, P., Żmuda, R., Ćmielewski, B., Szczepański, J. Analysis of water erosion processes using terrestrial laser scanning. Acta Geodynam. Et Geomat. 11 (1), 45-52 (2014).
- Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 1: terrestrial laser scanning methods for change detection. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1055-1067 (2013).
- Eltner, A., Baumgart, P. Accuracy constraints of terrestrial Lidar data for soil erosion measurement: Application to a Mediterranean field plot. Geomorph. 245, 243-254 (2015).
- Letortu, P., et al. Retreat rates, modalities and agents responsible for erosion along the coastal chalk cliffs of Upper Normandy: The contribution of terrestrial laser scanning. Geomorph. 245, 3-14 (2015).
- Longoni, L., et al. Monitoring Riverbank Erosion in Mountain Catchments Using Terrestrial Laser Scanning. Rem. Sens. 8 (3), 241 (2016).
- Meijer, A. D., Heitman, J. L., White, J. G., Austin, R. E. Measuring erosion in long-term tillage plots using ground-based lidar. Soil & Till. Res. 126, 1-10 (2013).
- Rengers, F. K., Tucker, G. E., Moody, J. A., Ebel, B. A. Illuminating wildfire erosion and deposition patterns with repeat terrestrial lidar. J. of Geophys. Res.-Earth Surf. 121 (3), 588-608 (2016).
- Schubert, J. E., Gallien, T. W., Majd, M. S., Sanders, B. E. Terrestrial Laser Scanning of Anthropogenic Beach Berm Erosion and Overtopping. J. of Coast. Res. 31 (1), 47-60 (2015).
- Stenberg, L., et al. Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning. Earth Surf. Proc. and Landforms. 41 (10), 1299-1311 (2016).
- Croke, J., Todd, P., Thompson, C., Watson, F., Denham, R., Khanal, G. The use of multi temporal LiDAR to assess basin-scale erosion and deposition following the catastrophic January 2011 Lockyer flood, SE Queensland, Australia. Geomorph. 184, 111-126 (2013).
- Earlie, C., Masselink, G., Russell, P., Shail, R. Sensitivity analysis of the methodology for quantifying cliff erosion using airborne LiDAR – examples from Cornwall, UK. J. of Coast. Res. Spec. Iss. 65, 470-475 (2013).
- Kessler, A. C., Gupta, S. C., Dolliver, H. A. S., Thoma, D. P. Lidar Quantification of Bank Erosion in Blue Earth County, Minnesota. J. of Env. Quality. 41 (1), 197-207 (2012).
- Pye, K., Blott, S. J. Assessment of beach and dune erosion and accretion using LiDAR: Impact of the stormy 2013-14 winter and longer term trends on the Sefton Coast, UK. Geomorph. 266, 146-167 (2016).
- Thoma, D. P., Gupta, S. C., Bauer, M. E., Kirchoff, C. E. Airborne laser scanning for riverbank erosion assessment. Rem. Sens. of Env. 95 (4), 493-501 (2005).
- Zhang, C. L., Yang, S., Pan, X. H., Zhang, J. Q. Estimation of farmland soil wind erosion using RTK GPS measurements and the Cs-137 technique: A case study in Kangbao County, Hebei province, northern China. Soil & Till. Res. 112 (2), 140-148 (2011).
- Neugirg, F., et al. Erosion processes in calanchi in the Upper Orcia Valley, Southern Tuscany, Italy based on multitemporal high-resolution terrestrial LiDAR and UAV surveys. Geomorph. 269, 8-22 (2016).
- Pineux, N., et al. Can DEM time series produced by UAV be used to quantify diffuse erosion in an agricultural watershed?. Geomorph. 280, 122-136 (2017).
- Bremer, M., Sass, O. Combining airborne and terrestrial laser scanning for quantifying erosion and deposition by a debris flow event. Geomorph. 138 (1), 49-60 (2012).
- Day, S. S., Gran, K. B., Belmont, P., Wawrzyniec, T. Measuring bluff erosion part 2: pairing aerial photographs and terrestrial laser scanning to create a watershed scale sediment budget. Earth Surf. Proc. and Landforms. 38 (10), 1068-1082 (2013).
- De Rose, R. C., Basher, L. R. Measurement of river bank and cliff erosion from sequential LIDAR and historical aerial photography. Geomorph. 126 (1-2), 132-147 (2011).
- Perroy, R. L., Bookhagen, B., Asner, G. P., Chadwick, O. A. Comparison of gully erosion estimates using airborne and ground-based LiDAR on Santa Cruz Island, California. Geomorph. 118 (3-4), 288-300 (2010).
- Loeppert, R. H., Suarez, D. L., Sparks, D. L., et al. Carbonate and Gypsum. Methods of Soil Analysis. Part 3. Chemical Methods. , 437-474 (1996).
- Sherrod, L. A., Dunn, G., Peterson, G. A., Kilberg, R. L. Inorganic carbon analysis by modified pressure-calcimeter method. Soil Sci. Soc. of Am. J. 66 (1), 299-305 (2002).
- McCutcheon, M. C., Farahani, H. J., Stednick, J. D., Buchleiter, G. W., Green, T. R. Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field. Biosyst. Eng. 94 (1), 19-32 (2006).
- Wheaton, J. M., Brasington, J., Darby, S. E., Sear, D. A. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets. Earth Surf. Proc. and Landforms. 35 (2), 136-156 (2010).
- . Survey Marks and Datasheets Available from: https://www.ngs.noaa.gov/datasheets/ (2017)
- Trimble Inc. . Trimble Access Software – General Survey. Version 1.60. Revision A. , (2011).
- Erskine, R. H., Green, T. R., Ramirez, J. A., MacDonald, L. H. Digital elevation accuracy and grid cell size: effects on estimated terrain attributes. Soil Sci. Soc. of Am. J. 71, 1371-1380 (2007).
