Medição e mapeamento de padrões de erosão e deposição relacionadas às concentrações de carbonato de solo sob gestão agrícola
Summary
Padrões espaciais de deposição e erosão do solo podem ser inferidos diferenças na elevação de terreno mapeado em incrementos de tempo apropriado. Tais mudanças na elevação estão relacionadas a alterações no solo perto da superfície de carbonatos. Métodos repetíveis para medições de campo e laboratório destes métodos de análise de dados e quantidades são descritos aqui.
Abstract
Padrões espaciais de deposição e erosão do solo podem ser inferidos diferenças na elevação de terreno mapeado em incrementos de tempo apropriado. Tais mudanças na elevação estão relacionadas a alterações nos perfis de carbonato (CaCO3) solo perto da superfície. O objetivo é descrever um modelo conceitual simples e Protocolo detalhado para campo repetível e medições laboratoriais dessas quantidades. Aqui, a elevação exata é medida usando um terrestre diferencial sistema de posicionamento global (GPS); outros métodos de aquisição de dados poderiam ser aplicados o mesmo método básico. Amostras de solo são coletadas prescrito intervalos de profundidade e analisadas no laboratório usando um método modificado de calcimeter de pressão, eficientes e precisos para análise quantitativa da concentração de carbono inorgânico. Métodos estatísticos padrão são aplicados para apontar dados e resultados representativos mostraram correlações significativas entre as alterações na camada superficial do solo de CaCO3 e alterações na elevação consistente com o modelo conceitual; CaCO3 geralmente diminuíram em áreas Deposicionais e aumentou em áreas erosivas. Mapas são derivados de medições de ponto de elevação e CaCO3 para auxiliar as análises de solo. Mapa de padrões erosivas e deposicionais no local de estudo, um campo de trigo de inverno pluvial cortado em alternando tiras de trigo-pousio, mostra os efeitos de interação de água e vento erosão afetados pela gestão e topografia. Métodos de amostragem alternativos e intervalos de profundidade são discutidos e recomendados para trabalhos futuros relacionados a erosão do solo e a deposição de CaCO3do solo.
Introduction
Erosão ameaça a sustentabilidade das terras agrícolas. Cultura de gestão, tais como rotação de colheita de trigo de inverno-pousio convencionalmente cultivadas, pode acelerar processos de erosão e deposição como solos nus durante os períodos de pousios são mais suscetíveis à água e vento forças1,2, 3 , 4 , 5 (Figura 1). Enquanto estes processos podem ser evidentes, eles podem ser difíceis de quantificar.
O objetivo deste estudo é a primeira a fornecer um método eficiente para quantificar e descrever os padrões espaciais de erosão e deposição no campo escala usando a tecnologia de posicionamento global (GPS) de sistema e sistemas de informação geográfica (GIS), ferramentas de mapeamento. Um modelo conceitual simples relativas a esses padrões para carbonatos de solo (CaCO3) perto da superfície também é apresentado e testado por métodos de laboratório e campo prescrito. Esses relacionamentos fornecem medidas indirectas de erosão e deposição, ao validar os resultados do método GPS. O presente trabalho enfatiza os métodos utilizados em Sherrod et al. para que eles podem ser repetidos, em parte ou no todo, para pesquisas semelhantes em outros locais6.
Figura 1. Fotos de erosão (a) e (b) a deposição no local de estudo, após um evento de chuvas. Um pneu de trator no canto inferior direito da foto (b) indica a profundidade de deposição na fronteira da faixa de trigo/pousio.
Vário direcionam, métodos de medição de erosão do solo foram analisados por Stroosnijder7. Métodos sugeridos variam de acordo com a finalidade de medição e os recursos disponíveis, mas um método de “mudança de elevação da superfície” recomenda-se a escala de hillslope e oferece a vantagem de medir tanto a erosão e a deposição. Uma maneira de aplicar este método é instalar os pinos no solo e monitorar a mudança de altura do solo em relação ao topo do pino7. Com os avanços na tecnologia de levantamento de terra, no entanto, esta abordagem intensiva pode ser substituída por outras técnicas, tais como laser terrestre digitalização (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, laser aerotransportado de varredura (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, fotogrametria avançada23 ,24, ou combinações destas técnicas25,26,27. Enquanto o laser digitalização, comumente referido como LiDAR (luz deteção e variando), fornece a mais rápida aquisição de conjuntos de dados de elevação da superfície densa, correções devem ser feitas para remover objetos de permanente, tais como a vegetação. Com precisão vertical milímetro-nível, TLS pode detectar a menor mudança de elevação, no entanto Perroy et al. ALS recomendada por TLS para erosão gulley estima devido a maior pegada de digitalização e a melhor orientação de instrumento (menos sombreamento topográfico) para digitalização em ravinas profundamente incisos28. Em tempo real cinemático GPS (RTKGPS), fornecendo centímetro-nível precisão sem pós-processamento de dados, é usado para este estudo. A resolução espacial e precisão dos dados coletados de RTKGPS são ótimos para detectar as características erosivas e deposicionais dominantes em um campo agrícola ou outros ambientes com tampa à terra substancial.
O método de pressão-calcimeter para quantificar o solo CaCO3 baseia-se na reação do solo ao ácido em um sistema fechado, resultando na liberação de CO2. O aumento da pressão dentro do recipiente de reação a uma temperatura constante é linearmente correlacionado com a quantidade de solo CaCO329. Modificações para o método de pressão tradicional-calcimeter, descrito por Sherrod et al., incluem alterando a embarcação da reação para frascos de soro e usando um transdutor de pressão ligado a um voltímetro digital para a detecção de mudanças de pressão 30. essas modificações permitem mais baixos limites de detecção e uma capacidade mais elevada para a amostra de solo diária é executado. Gravimétricos ou simples titrimetric métodos para medição de solo CaCO3 produziram maiores erros e limites de detecção que esta modificado método de pressão-calcimeter30.
Modelo conceitual
Quando medidas directas de erosão e deposição não são viáveis, indicadores indirectos destes processos podem ser usados. Sherrod et al. a hipótese de que concentração de CaCO3 a camada de superfície do solo em um clima semi-árido está inversamente correlacionada com a mudança de elevação da superfície solo (positivamente correlacionada com a erosão, negativamente com deposição)6. A hipótese deve aplicar-se amplamente, mas relacionamentos específicos vão depender de condições do local (solo, vegetação, gestão e clima). Solos no local de testes (tabela 1) normalmente contêm uma camada distinta de calcária de 15-20 cm abaixo da superfície do solo. Conceitualmente, a erosão irá remover a camada superficial da relativamente baixa concentração de3 CaCO deixando esta camada calcária de alta CaCO3 mais perto para a superfície do solo. CaCO3 solo baixo é então transportado para as áreas deposicionais, fazendo com que a camada de calcária a ser enterrado mais fundo abaixo da superfície do solo (Figura 2). Estes solos de amostragem ao longo do tempo em intervalos de profundidade adequada, erosão ou deposição (ou nenhum) pode ser inferida pela concentração de CaCO3 , de acordo com este modelo.
| Série de solo | Inclinação | Classificação taxonomica | Profundidade | pH | CE | N total | SOC | CaCO3 |
Tabela 1. Solos no local de teste. Unidades de mapeamento e classificação taxonômica, com pH do solo médio, elétrica, condutividade (CE), N total, do solo orgânico C (SOC) e concentrações de CaCO3 a 0 – a 15 – e incrementos de 15 a 30 cm de profundidade para o Scott campo em 2012 do solo (de Sherrod et Al.) 6.
Figura 2. Perfis de solo conceitual. Perfis de solo conceitual para (a) matriz com CaCO3 estáticos solo lixiviado da camada superficial e precipitaram em uma camada mais profunda, (b) moderada erosão da camada superficial e (c) moderada deposição de material acima da camada de superfície anterior. Intervalos de profundidade (à esquerda) são aproximados com base em dados do site (de Sherrod et al.) 6. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
História e descrição do site
O 109-ha campo Scott faz parte da fazenda Drake no nordeste do Colorado (40.61óN, 104.84óW, Figura 3) e foi monitorado a partir de 2001 para 2012 para este estudo. Evapotranspiração e precipitação média anual foram cerca de 350 e 1200 mm, respectivamente, neste clima semiárido, onde a chuva convectiva de curta duração e alta intensidade eram comuns durante o verão. Altitudes variam de 1559 a 1588 m neste terreno ondulado com posições distintas da paisagem: Cimeira, escora virado para norte (lado-NF), escora virados para Sul (lado-SF) e toeslope (figura 4b). Tiras alternadas (~ 120 m de largura) normalmente eram geridas nesta rotação de trigo de inverno-pousio de sequeiro tal que todos os outra tira foi pousio há cerca de 14 meses fora de cada ciclo de rotação de 24 meses. Lavoura superficial (~ 7 cm), geralmente varreduras de v-blade, ocorreu de 4 a 6 vezes durante o período de pousio para controle de ervas daninhas. Solos no local foram classificados para ter uma tolerância de perda de solo, ou o valor de T , de 11 Mg ha-1 ano-1, onde as taxas de erosão abaixo deste valor de T são consideradas aceitáveis para produção agrícola4 .
Figura 3. Local do site é mostrado uma imagem de relevo topográfico (1011 para 4401 m) do estado do Colorado, EUA. Elevação média do site é 1577 m.
Figura 4. Solos mapa e elevação de superfície de terra do Scott Field. (a) mapa de solos do Scott Field mostrando locais de amostra de solo de ponto e a gestão das culturas de tiras. Abreviaturas de unidade de solo são: 1 = Wagonwheel % de declive barro 0-2, 2 = Wagonwheel barro 2-5% de declive, 3 = Colby barro 5-9% de declive, 4 = Kim arenoso fino 2-5% de declive, 5 = Kim bem arenoso 5-9% de declive; e (b) elevação da superfície terra do campo com base no modelo de 2001 5-m grade elevação digital (DEM), com locais de amostra de solo mostrados pela classificação de terra (de Sherrod et al.) 6.
O primeiro levantamento de elevação da superfície do solo foi coletado pelo RTKGPS em 2001 para produzir um modelo de elevação digital (DEM) para o site. Em conjunto com o McCutcheon et al., uma amostra de solo intensivo (figura 4a) também foi realizada em 2001, desde que a superfície do solo CaCO3 foram analisados por uma pressão modificada-calcimeter método30,31 . Visualmente evidente erosão e deposição ocorrendo na década posterior devido ao vento, predominantemente do noroeste e precipitação-escoamento eventos solicitado um segundo exame de elevação de RTKGPS em 2009 (com uma parte do campo concluído em 2010). Comparação entre o novo DEM para o DEM 2001 original através de um mapa de DEM de diferença32 confirmou significativa erosão e deposição, exibindo padrões que sugeriu vários fatores controladores para estes processos (Figura 5). Dada a redistribuição de solo de superfície substancial no site e os dados do histórico solo CaCO3 , a amostra de solo de 2001 foi repetida em 2012 para testar um modelo conceitual de processos de hydropedological6, conforme descrito na seção anterior.
Figura 5. Mapa de alterações (2001-2009 *) na elevação da superfície da terra (Δz) em uma grade de 5-m dentro do Scott Fieldem nordeste do Colorado. Números de faixa de colheita são rotulados sobre o sistema de cultivo de inverno-trigo-pousio alternado, eseção A-A’ é mostrada (detalhes dados na Figura 11). * Tiras de 2, 4, 6, 8, pesquisadas em 2010 para completar o DEM 2009 (a partir de Sherrod et al.) 6. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mapeada mudanças de altitude (Figura 5) ilustram significativa erosão e deposição em um campo agrícola e padrões espaciais indicativos de múltiplos fatores de controle em várias escalas. De padrões de escala de campo associados com o vento, até padrões dendríticas de escala bem produzido pelo fluxo de água, processos relevantes para este estudo são perceptíveis. O nível de detecção de mudança de elevação fornecido por repetidas pesquisas de solo RTKGPS parece ideal. Melh…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O local de estudo de campo é em uma fazenda, gerenciada por David Drake e agradecemos-lhe pela sua cooperação durante esta investigação a longo prazo. Também agradecemos a Mike Murphy por tantos anos de trabalho de campo sobre este projeto e Robin Montenieri por sua ajuda com gráficos utilizados neste trabalho.
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 |
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