Medición y mapeo de patrones de erosión y deposición relacionadas las concentraciones de carbonato de suelo bajo manejo agrícola
Summary
Patrones espaciales de la erosión del suelo y deposición pueden ser deducidos de las diferencias en la elevación de la tierra asignada en incrementos de tiempo apropiado. Tales cambios de elevación están relacionados con cambios en carbonatos del suelo cerca de la superficie. Aquí se describen los métodos repetibles para mediciones de campo y de laboratorio de estos métodos de análisis de datos y cantidades.
Abstract
Patrones espaciales de la erosión del suelo y deposición pueden ser deducidos de las diferencias en la elevación de la tierra asignada en incrementos de tiempo apropiado. Tales cambios en elevación se relacionan con cambios en los perfiles de suelo cerca de la superficie carbonato (CaCO3). El objetivo es describir un modelo conceptual simple y un protocolo detallado para el campo repetible y mediciones de laboratorio de estas cantidades. Aquí, elevación exacta se mide utilizando un terrestre diferencial sistema de posicionamiento global (GPS); otros métodos de adquisición de datos se podrían aplicar al mismo método básico. Se recogieron muestras de suelo de prescribir intervalos de profundidad y analizadas en el laboratorio usando un método de presión-calcimeter modificado eficiente y precisa para el análisis cuantitativo de la concentración de carbono inorgánico. Se aplican métodos estadísticos estándar para apuntar datos y resultados representativos muestran correlaciones significativas entre los cambios en la capa superficial de suelo CaCO3 y cambios en elevación consistente con el modelo conceptual; CaCO3 generalmente disminuyó en áreas deposicionales y aumentó en las zonas de erosión. Mapas se derivan de las mediciones de punto de elevación y el suelo de CaCO3 para análisis. Mapa de patrones de erosión y deposición en el sitio de estudio, un campo de trigo de invierno de secano cosechado alternando tiras de barbecho de trigo, muestra los efectos de interacción de erosión hídrica y eólica, afectados por la gestión y la topografía. Métodos de muestreo alternativos y los intervalos de profundidad se discuten y se recomienda para futuros trabajos relacionados con la erosión del suelo y deposición del suelo CaCO3.
Introduction
La erosión del suelo amenaza la sostenibilidad de las tierras agrícolas. Gestión, tales como una rotación de cultivos de barbecho de trigo de invierno labranza convencional de los cultivos, puede acelerar los procesos de erosión y deposición como suelos desnudos durante periodos de descanso son más susceptibles al viento y el agua las fuerzas1,2, 3 , 4 , 5 (figura 1). Si bien estos procesos pueden ser evidentes, pueden ser difíciles de cuantificar.
El propósito de este estudio es primero proporcionar un método eficiente para cuantificar y describir los patrones espaciales de la erosión y deposición en el campo de escala utilizando la tecnología de sistema (GPS) de posicionamiento global y sistemas de información geográfica (SIG), herramientas de mapeo. Un modelo conceptual simple sobre estos patrones de carbonatos del suelo (CaCO3) cerca de la superficie también es presentado y probado por métodos de laboratorio y campo prescrito. Estas relaciones proporcionan medidas indirectas de la erosión y deposición, al validar los resultados del método GPS. El presente documento hace hincapié en los métodos utilizados en Sherrod et al. así que ellos pueden repetirse, total o parcial, para investigaciones similares en otros lugares6.
Figura 1. Fotos de erosión (a) y (b) la deposición en el sitio de estudio después de un evento de lluvias. Una pista de neumático de tractor en la esquina inferior derecha de la foto (b) indica la profundidad de deposición en la frontera de la franja de trigo/barbecho.
Varios dirigen métodos de medición de la erosión del suelo fueron revisados por Stroosnijder7. Los métodos sugeridos varían con el propósito de la medición y los recursos disponibles, pero un método de “cambio en la elevación de la superficie” en la escala de ladera se recomienda y ofrece la ventaja de medir erosión y deposición. Una forma de aplicar este método es instalar los pernos en el suelo y controlar el cambio de altura del suelo en relación con la parte superior del pin7. Con los avances en técnica de medición de la tierra, sin embargo, este enfoque requiere mano de obra puede ser sustituido por otras técnicas, tales como láser terrestre (TLS)8,9,10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16, láser aerotransportado (ALS)17,18,19,20,21, GPS6,22, fotogrametría avanzada23 ,24, o combinaciones de estas técnicas25,26,27. Mientras láser exploración, comúnmente conocido como LiDAR (Light Detection And Ranging), proporciona la más rápida adquisición de conjuntos de datos de elevación de la superficie densa, deben hacerse correcciones para eliminar objetos de pie, como vegetación. Con precisión vertical del nivel del milímetro, TLS puede detectar el cambio más pequeño de la elevación, sin embargo Perroy et al. ALS recomendadas sobre TLS para la erosión de Barranco estima debido a la huella de exploración más grande y mejor orientación instrumento (menos sombreado topográfico) para exploración en barrancos profundamente incisas28. En tiempo real cinemático GPS (RTKGPS), proporcionando precisión nivel centímetro sin el post-procesado de datos, se utiliza para este estudio. La resolución espacial y precisión de los datos RTKGPS recogidos son óptimos para la detección de las características deposicionales y erosivos dominantes en un campo agrícolo o en otros ambientes con importante cobertura del suelo.
El método de presión calcimeter para la cuantificación de suelo CaCO3 se basa en la reacción del suelo al ácido en un sistema cerrado, lo que resulta en la liberación de CO2. El aumento en la presión dentro del recipiente de la reacción a temperatura constante está linealmente correlacionado con la cantidad de suelo CaCO329. Modificaciones en el método tradicional de presión-calcimeter, descrito por Sherrod et al., incluyen cambiar el recipiente de la reacción a las botellas de suero y el uso de un transductor de presión conectado a un voltímetro digital para la detección de cambios en la presión 30. estas modificaciones permiten límites de detección más bajos y una mayor capacidad para la muestra de suelo diaria funciona. Métodos volumétricos gravimétricos o simple para la medición de suelo CaCO3 producción mayores errores y límites de detección que este modificación método de presión-calcimeter30.
Modelo conceptual
Cuando las medidas directas de la erosión y deposición no son factibles, pueden utilizarse indicadores indirectos de estos procesos. Sherrod et al. la hipótesis de que la concentración de CaCO3 de la capa superficial de suelo en un clima semiárido está correlacionada inversamente con el cambio en la elevación de la superficie terrestre (correlacionada positivamente con la erosión, negativamente correlacionada con la deposición)6. La hipótesis debe aplicarse ampliamente, pero relaciones específicas dependerá de las condiciones del lugar (suelo, vegetación, gestión y clima). Suelos en el sitio de prueba (cuadro 1) normalmente contienen una capa calcárea distinta 15-20 cm por debajo de la superficie del suelo. Conceptualmente, la erosión Retire la capa superficial de la relativamente baja concentración de CaCO3 dejando esta capa calcárea de alta CaCO3 cerca a la superficie del suelo. El CaCO3 suelo bajo entonces es transportado a las zonas de deposición, provocando la capa calcárea enterrado más profundamente debajo de la superficie del suelo (figura 2). Muestreo de estos suelos con el tiempo a intervalos de profundidad adecuada, erosión o deposición (o ninguno) puede inferirse por la concentración de CaCO3 , según este modelo.
| Serie de suelo | Pendiente | Clasificación taxonómica | Profundidad | pH | CE | N total | SOC | CaCO3 |
Tabla 1. Suelos en el sitio de prueba. Del suelo unidades de mapeo y clasificación taxonómica, con pH promedio de suelo eléctrico conductividad (CE), N total, suelo C orgánico (COS), y campo de CaCO3 concentraciones en el 0 – 15 y en incrementos de 15 a 30 cm de profundidad para la Scott en 2012 (de Sherrod et al.) 6.
Figura 2. Perfiles de suelo conceptual. Perfiles de suelo conceptual para (a) una matriz de suelo estática con CaCO3 lixiviado de la capa superficial y precipitaron en una capa más profunda, erosión moderada (b) de la capa superficial y (c) moderada deposición de material por encima de la capa superficial anterior. Intervalos de profundidad (izquierda) son aproximados basados en datos del sitio (de Sherrod et al.) 6. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Historia y descripción del sitio
El 109-campo de Scott es parte de la granja de Drake en Colorado noreste (40.61oN, 104.84oW, figura 3) y fue supervisado desde 2001 a 2012 para este estudio. Evapotranspiración y precipitación anual promedio fueron aproximadamente 350 y 1200 mm, respectivamente, en este clima semiárido, donde la lluvia convectiva de corta duración y alta intensidad eran comunes durante el verano. Elevaciones van desde 1559 1588 m en este terreno ondulado con posiciones distintas de paisaje: Cumbre, talud orientada al norte (lado-NF), talud orientada al sur (lado-SF) y toeslope (Figura 4b). Alternando las tiras (~ 120 m de ancho) manejaron típicamente en esta rotación del barbecho de trigo de invierno de secano que cada tira del otro era barbecho durante unos 14 meses en cada ciclo de rotación de 24 meses. Labranza superficial (~ 7 cm), típicamente barridos de la lámina v, ocurrió de 4 a 6 veces durante el período de barbecho para control de malezas. Se clasifican los suelos en el sitio para tener una tolerancia de pérdida de suelo, o un valor T de 11 Mg ha-1 año-1, donde las tasas de erosión debajo de este valor de T se consideran aceptables para la producción agrícola continua4 .
Figura 3. Ubicación del sitio aparece en una imagen de relieve topográfico (1011 a 4401 m) del estado de Colorado, USA. Elevación media del sitio es m 1577.
Figura 4. Suelos con mapa y elevación de superficie de la tierra de Scott Field. (a) mapa de suelos del Scott Field mostrando punto suelo muestra lugares y el manejo del cultivo de las tiras. Abreviaturas de unidad de suelo son: 1 = Wagonwheel Marga 0-2% pendiente, 2 = Wagonwheel Marga pendiente 2-5%, 3 = Colby Marga pendiente 5-9%, 4 = Kim franco arenoso fino 2-5% pendiente, 5 = Kim pendiente de 5-9% franco arenoso fino; y elevación de la tierra (b) superficie del campo basado en el modelo de elevación digital de red de 5 m 2001 (DEM), con localizaciones de la muestra de suelo de clasificación de tierras (de Sherrod et al.) 6.
La primera encuesta de elevación de la superficie del suelo fue recogida por RTKGPS en 2001 para producir un modelo de elevación digital (DEM) para el sitio. En conjunto con McCutcheon et al., también se realizó una muestra de suelo intensivo (figura 4a) en el año 2001, de que superficie suelo CaCO3 se analizaron por un método de presión modificada-calcimeter30,31 . Visualmente evidente erosión y deposición que ocurre en la década posterior debido al viento, predominante desde el noroeste y la lluvia-escurrimiento eventos solicita una segunda encuesta de elevación RTKGPS en 2009 (con una parte del campo, terminado en 2010). Comparación de la nueva DEM a la DEM 2001 original a través de un mapa DEM de la diferencia de32 confirmó significativa erosión y deposición, mostrando patrones que sugieren múltiples factores de controladores para estos procesos (figura 5). Teniendo en cuenta la redistribución substancial del suelo superficial en el sitio y los datos de suelo histórico CaCO3 , la muestra de suelo de 2001 se repitió en 2012 para poner a prueba un modelo conceptual de procesos de hydropedological6, como se describe en la sección anterior.
Figura 5. Mapa de cambios (2001-2009 *) en la elevación de la superficie de la tierra (Δz) en una cuadrícula de 5 m en el Scott Field en el noreste de Colorado. Cultivo tira números están marcados sobre el sistema de cultivo de barbecho de trigo de invierno alternando, ysección A-A’ se muestra (detalles dados en la figura 11). * Tiras de 2, 4, 6, 8 encuestados en 2010 para completar el DEM 2009 (de Sherrod et al.) 6. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Asignada cambios en elevación (figura 5) ilustran la significativa erosión y deposición en un campo agrícolo y patrones espaciales de múltiples factores de controladores en múltiples escalas. De patrones de la escala del campo asociados con el viento, hasta patrones dendríticos de escala fina producida por flujo de agua, procesos relevantes para este estudio son discernibles. El nivel de detección de cambio de elevación proporcionada por repetidas RTKGPS tierra encuestas aparece óp…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
El sitio de estudio de campo está en una granja administrada por David Drake y le damos las gracias por su cooperación durante esta investigación a largo plazo. También agradecemos a Mike Murphy por sus muchos años de trabajo de campo en este proyecto y Robin Montenieri por su ayuda con los gráficos utilizados en este trabajo.
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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