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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Che caratterizzano l'erosione da dendrogeomorphology ha solitamente focalizzata sulla ricerca con precisione l'ora di inizio dell'esposizione principale, mediante l'esame macroscopico o cambiamenti di livello delle cellule causato da esposizione. Qui, vi offriamo una descrizione dettagliata di diverse nuove tecniche per ottenere più precisi tassi di erosione da microtopographic altamente accurati dati.

Abstract

Erosione del foglio è tra i driver cruciali del degrado del suolo. L'erosione è controllato da fattori ambientali e delle attività umane, che spesso portano a gravi impatti ambientali. La comprensione di erosione del foglio è, di conseguenza, un problema in tutto il mondo con implicazioni per l'ambiente sia economie. Tuttavia, la conoscenza su come erosione si evolve nello spazio e nel tempo è ancora limitata, così come i suoi effetti sull'ambiente. Di seguito, spieghiamo che un nuovo protocollo di dendrogeomorphological per la derivazione di eroso spessore del suolo (Ex) con l'acquisizione di dati accurati microtopographic utilizzando laser terrestre (TLS) di scansione sia microtopographic profilometri. Inoltre, le procedure standard dendrogeomorphic, dipendente da variazioni anatomiche in anelli di radice, vengono utilizzate per stabilire i tempi di esposizione. Profilo TLS sia microtopographic calibri sono usati per ottenere i profili superficie terreno, da cui è stimato Ex , dopo aver determinata la distanza soglia (TD), cioè la distanza tra la radice e il sedimento knickpoint, che permette di definire l'abbassamento della superficie del terreno dovuta all'erosione del foglio. Per ogni profilo, abbiamo misurato l'altezza tra la parte superiore della radice e un virtual piano tangente alla superficie del terreno. In questo modo, siamo destinati ad evitare impatti su piccola scala di deformazione del suolo, che può essere a causa di pressioni esercitate dal sistema di radice, o dalla disposizione delle radici esposte. Questo può provocare piccole quantità di terreno sedimentazione o erosione a seconda di come influenzano fisicamente il ruscellamento superficiale. Dimostriamo che una caratterizzazione adeguata microtopographic di radici esposte e la loro superficie associate a terra è molto preziosa per ottenere tassi di erosione accurata. Questa scoperta potrebbe essere utilizzata per sviluppare le migliori pratiche di gestione progettate per fermare alla fine o forse, almeno, ridurre l'erosione del suolo, in modo che politiche di gestione più sostenibile possono essere messo in pratica.

Introduzione

Impatti economici ed ambientali prodotti dall'erosione del foglio rende questo argomento in una preoccupazione in tutto il mondo1. Diversi metodi, da tecniche dirette ad approcci basati sulla fisica ed empirici, vengono utilizzati per calcolare i tassi di erosione del suolo su una varietà di scale temporali e spaziali. Tecniche dirette utilizzano misure in campo in condizioni naturali e si basano principalmente sull'uso di Gerlach trogoli2, acqua collezionisti3, erosione pin4 e profilometri5. Inoltre, modelli di erosione del suolo sono stati sempre più concentrati su che rappresentano dettagliatamente i processi fisici reali responsabili per erosione6.

Dendrogeomorphology7 è una suddivisione della dendrocronologia8 che è riuscito a caratterizzare la frequenza e l'entità dei processi geomorfici9,10,11,12, 13,14,15,16,17. Per quanto riguarda l'erosione del foglio, dendrogeomorphology è solitamente utilizzata per migliorare o sostituire le metodologie di cui sopra, specialmente nelle zone dove i tassi di erosione derivati da tecniche dirette sono scarse o non disponibile. Dendrogeomorphology è un metodo molto flessibile per valutare l'erosione del suolo e può essere utilizzato per calibrare i modelli basati sulla fisica ed empirici, o forse come dati di origine per migliorare l'affidabilità della stima diretta tecniche18, 19. Dendrogeomorphology consente l'erosione del suolo a stabilirsi su vaste aree dove le radici esposte sono disponibili. Queste radici esposte dovrebbero mostrare chiaro albero anelli limiti e rispondere a modelli di crescita annuale per essere considerato come ottimale di applicare tecniche di dendrogeomorphological20. Le radici più ulteriormente, esposte da campionare dovrebbero trovarsi preferibilmente in unità omogenee basato sulla loro reazione al suolo erosione21.

Il modo convenzionale dendrogeomorphical di erosione del foglio la stima si basa su misura in situ il suolo eroso spessore (Ex) dal momento della prima esposizione alle presenti22,23, 24. Il rapporto tra queste due variabili è utilizzato per calcolare un valore di erosione in mm∙yr1. Gran parte delle ricerche condotte fino ad oggi è concentrata interamente sul identificare in modo efficiente l'anno iniziale di esposizione. Come risultato, le modifiche nella radice a causa di esposizione vengono analizzate al livello macroscopico25, o presso il tessuto e i livelli cellulari26,27,28. Il cambiamento anatomico principale presente in radici esposte di conifere è in aumento spessore anello di crescita, in conseguenza di un numero significativo di cellule all'interno del Primaticcio (EW)26. Un taglio allo stesso modo è stato trovato all'interno dell'area di lume di tracheidi EW insieme con uno spessore di parete cellulare aumentata struttura di latewood (LW) tracheidi24,27,29. Queste modifiche sono stati descritte e quantificate come inizio quando erosione riduce la superficie di terra sopra la radice di circa tre cm30. Meno attenzione è stata concessa alla adeguata determinazione del parametro Ex . L'età delle radici esposte era in genere connesso con l'altezza dell'asse centrale della radice della crescita sopra la terra superficie31,32. La stima di Ex è stato conseguentemente corretto considerando la crescita secondaria in corso30,33. Più recentemente, questi approcci metodologici sono integrati la caratterizzazione del suolo topografia per ottenere affidabile erosione tariffe34,35,36.

Vi presentiamo un protocollo di laboratorio e sul campo per stimare più accurate e affidabili foglio tassi di erosione da dendrogeomorphology. In questo particolare protocollo, esaminiamo l'ipotesi che tutte le radici esposte, indipendentemente dall'orientamento relativo percorso di deflusso e in collaborazione con microtopographical di analisi, di campionamento consente tassi di erosione proprio essere ricostruito e quantificati. Il nostro obiettivo, quindi, è quello di fornire un protocollo per stimare i tassi di erosione da massimizzare la dimensione del campione di radici esposte, utilizzando informazioni macroscopiche e microscopiche presenti nella serie di anelli di crescita e anche dati topografici ad alta risoluzione.

Protocollo

1. strategia di campionamento

  1. Identificazione del processo geomorfica
    1. Implementare le unità di risposta idrologica approccio (HRU)21. A tal fine, identificare aree omogenee all'interno del sito di studio, composto da depositi litologia e superficie, aventi copertura vegetativo residui a contatto con la superficie del terreno e la pendenza. Selezionare tra tutti i HRUs quelle in cui il processo di erosione del foglio è predominante.

figure-protocol-583
Figura 1: esempio di HRUs associati a un canalone sabbioso. Per quanto riguarda il protocollo proposto qui, il campionamento delle radici esposte deve essere condotta in un HRU in cui il processo erosivo efficace è l'erosione del foglio (in questa leggenda di figura corrispondente a sand esposta con pendenze moderate). Questa figura è stata modificata da Bodoque et al. 21 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Campionamento di radici esposte
    1. Individuare le radici del sito esposto di studio corrispondente alla specie di albero utile per incontri (preferibilmente conifere)20anelli di accrescimento.
    2. Fornire una descrizione dettagliata delle caratteristiche spaziali e morfologiche dei dintorni di radici esposte da campionare. Raccogliere le seguenti informazioni: posizione geografica (coordinate UTM); Altitudine; aspetto in gradi sessagesimali, sia per la collina e per la posizione particolare radice (aspetto locale); distanza della sezione della radice per il tronco d'albero; pendio di collina e la pendenza del percorso radice specifica (entrambi espressi in gradi); orientamento della radice esposta per quanto riguarda il percorso di deflusso.
    3. Prendere un campione di terreno di circa 1 kg dalla zona che circonda ogni radice esposta. I parametri per la caratterizzazione sono texture, percentuale della struttura organica della materia e del suolo.
    4. Misura in situ conducibilità idraulica utilizzando un singolo anello infiltrometer sotto testa costante.
      Nota: Implementare punti 1.2.2 e 1.2.3 per caratterizzare erodibilità del suolo.
    5. Individuare le radici esposte che sono più lontano di 1,5 m dal tronco. A distanze minori l'esposizione potrebbe essere correlata alla crescita degli alberi.
    6. Tagliare con un seghetto almeno 30 radici esposte, con un diametro maggiore di 5 cm, in 15 sezioni cm di lunghezza. Successivamente, prendere due fette di circa 1,5 cm di spessore.
    7. Utilizzando una spatola di misura, un seghetto e un nastro di misurazione, assaggiare un sottoinsieme delle radici sepolte (almeno un terzo del totale radici esposte a campionamento) a profondità differenti del terreno (massimo 20 cm) per stabilire lo spessore minimo del terreno qui sotto che le radici cominciano ad avere un risposta anatomica a causa dell'esposizione.

figure-protocol-3335
Figura 2: esempio di come condurre un campionamento campo. Almeno 30 radici esposte sono selezionate e, successivamente, tagliare con un seghetto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Microtopographic caratterizzazione della superficie del terreno e radici esposte alle posizioni facilmente accessibili

  1. Utilizzare un dispositivo Laser Scanning terrestre che possa misurare fino a 50.000 punti al secondo con una precisione di 1 mm ad una distanza di scansione di < 120 m.
  2. Considerare almeno due differenti posizioni TLS convenzionali per evitare zone d'ombra.
  3. Unire le diverse posizioni utilizzando un minimo di quattro obiettivi topografici (HDS) ad alta definizione, posizionati in modo da coprire l'intera area.
  4. Al fine di ottenere dati estremamente accurati rilievi topografici, scansione una superficie media di 300 cm2 dalle posizioni selezionate utilizzando una risoluzione spaziale di 1 mm. Includi le radici esposte e la zona circostante che è rappresentante della superficie del terreno.

3. Microtopographic caratterizzazione della superficie del terreno e radici esposte, alle posizioni con terreno difficile e ripida (ambienti di montagna)

  1. Posto un profilo microtopographic calibro perpendicolare alla radice esposta e, successivamente, al livello orizzontalmente per tutte le misurazioni in modo che diversi set di dati possono essere confrontati.
  2. Disegnare il profilo ottenuto nel passaggio 3.1 su carta millimetrata per essere in grado di dedurre la quantità di suolo eroso lungo il profilo con precisione sub-millimetrica.

figure-protocol-5304
Figura 3: esempio di caratterizzazione di terra topografia utilizzando un misuratore di profilo microtopographic. (A) illustrazione di radici esposte come osservato lungo un sentiero escursionistico; (B) misure di topografia del terreno utilizzando un profilo microtopographic calibro; (C) stima di Ex attraverso l'acquisizione di microtopographic profili trascinandoli su una carta millimetrata per consentire l'inferenza della quantità di suolo eroso lungo il profilo e con precisione sub-millimetrica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. la determinazione dei tempi di esposizione di radice

  1. Analisi macroscopiche
    1. Asciugare le sezioni ottenute nel passaggio 1.2.6 per 2 mesi.
    2. Ottenere dalle due fette sezioni iniziali che sono ogni circa 2 cm di spessore.
    3. Carteggiare e lucidare le fette con carta vetrata (grana fino a 400) per facilitare il riconoscimento degli anelli di crescita.
    4. Scansione fette ad una risoluzione minima di 2.800 dpi in modo che essi possono essere analizzati con precisione, anche quando gli anelli sono particolarmente sottili.
    5. Utilizzare l'aumento percentuale di latewood e larghezze maggiori di crescita-anello come indicatori di stress indotto tramite l'esposizione.
    6. Segnare almeno 4-5 raggi lungo i diametri delle fette che mostrano la più alta variabilità nelle larghezze di crescita-anello.
    7. Utilizzare un sistema di analisi di immagine o una tabella di misurazione per misurare la larghezza dell'albero-anello.
    8. Applicare procedure di cross-dating visual confrontando variabilità nelle larghezze di crescita-anello fra i raggi differenti, sia migliorare la precisione di datazione per il primo anno di esposizione per l'erosione del suolo e per correttamente data successivi anelli e riconoscere la presenza di più o anelli discontinui.

figure-protocol-7524
Figura 4: esempio di come preparare una sezione di una radice esposta per compire la datazione dendrocronologica di crescita anello serie. In ogni sezione, quattro o cinque raggi sono contrassegnate lungo le direzioni che mostrano la più alta variabilità per quanto riguarda la larghezza dell'albero-anello. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Analisi al microscopio
    1. Per entrambi i campioni esposti e non esposti radice, è possibile utilizzare un microtomo scorrevole per ottenere sezioni trasversali radiale di circa 1 cm di larghezza e 20 micron di spessore.
    2. Macchia di sezioni trasversali con safranina (cioè, 1 g di safranina + 50 g di acqua + 50 g di etanolo al 96%) e disidratare con soluzione di etanolo-acqua sempre più più ricco fino a 96% etanolo (ad es., 50% e 96% etanolo) fino a quando l'etanolo viene eseguito chiaro. Mettere a bagno i campioni in xilolo o un olio agrumato intermedium (ad esempio, Histoclear).
    3. Montare le sezioni trasversali su vetrini rivestiti, coprivetrino con un resina epossidica di indurimento (ad es., Eukitt, Canada balsamo e asciutto a temperatura ambiente (cioè, circa il 5-8 h per Eukitt, almeno 24 h per balsamo del Canada).
    4. Osservare (sotto ingrandimento X 125) e fotografare i campioni con un sistema di imaging digitale in microscopia ottica.
    5. Confronta con un microscopio ottico l'impronta anatomica di entrambi esposti e non esposti radice campioni (passaggi 1.2.5 e 1.2.6).
    6. Prendere le misure al microscopio, utilizzando un analizzatore di immagine sulle fotografie digitali dei parametri che ne derivano: un) larghezza dell'anello di crescita; b) numero di celle per anello; c) percentuale di latewood; e d) zona lumen a Primaticcio.
    7. Test con l'analizzatore di immagine (punto 4.2.6) l'avvenimento dei dotti di resina e prendere le misure per ogni anello di crescita.
    8. Eseguire un'analisi One-way ANOVA con più gamma test (metodo: 95% LSD – minima differenza significativa) per le variabili anatomiche considerate (punto 4.2.6) verificare l'esistenza di differenze statisticamente significative tra i due gruppi di misure (radici pre-esposto vs esposti).

5. stima dello spessore dello strato di suolo eroso dall'esposizione iniziale (Ex)

  1. Scenario 1: esposti radici che corrono parallele al percorso di deflusso.
    1. Sulla base dei dati ottenuti nel passaggio 2.4, utilizzare distanza inversa ponderazione come il metodo di interpolazione per ottenere modelli altamente accurate digitali di elevazione (DEM) con una risoluzione spaziale di 3 mm.
    2. Utilizzare strumenti GIS per estrarre dai profili perpendicolari DEM della radice esposta con una distanza massima di 150 cm.
    3. Eseguire i passaggi 5.1.1 e 5.1.2 alle posizioni facilmente accessibili (passaggio 2).
    4. Utilizzare i profili perpendicolari della radice esposta ottenuta al passaggio 3.2 quando il sito di studio si trova in zone dove il terreno è ripido e difficile (ambienti montani) (passaggio 3).
    5. In profili ottenuti nei passaggi 5.1.2 e 5.1.3 utilizzare interpretazione visiva per individuare la soglia di distanza (TD), definita come la distanza tra la radice e il knickpoint la superficie del terreno. Questo costituisce l'abbassamento della superficie del terreno per i profili a causa dell'erosione del foglio.
    6. Stimare lo spessore dello strato di terreno eroso, misurando l'altezza tra la parte superiore della radice e il knickpoint la superficie del terreno stimato al punto 5.1.5.
    7. Correggere la misura ottenuta al passaggio 5.1.6 sottraendo e dalla costante crescita secondaria (vale a dire, la crescita della radice dall'anno di esposizione) e lo spessore della corteccia sul lato superiore/inferiore della radice. Vedi Corona et al. 30 per una descrizione dettagliata.

figure-protocol-11856
Figura 5: Esempio illustra come inserire TD quando le radici esposte campionate sono orientate secondo il percorso di deflusso. Questa figura mostra un profilo trasversale microtopographic comune della radice scoperti e sue immediate vicinanze. Ex1 è la posizione applicata all'approccio tradizionale dendrogeomorphical per determinare lo spessore del suolo eroso; Ex2 appartiene alla posizione dove questo parametro deve essere valutata. TD è preso come una posizione di guida da cui la superficie del terreno è cambiata dall'erosione del foglio solo. Questa figura è stata modificata da Bodoque et al. 34 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Scenario 2: esposti radici che corrono perpendicolari al percorso di deflusso
    1. Implementare misure 5.1.1 a 5.1.4 come indicato al punto 5.1.
    2. Utilizzo della calcolatrice di raster disponibile in qualsiasi software di Geographic Information System (GIS), per ciascuna misura di profilo perpendicolare l'altezza tra la parte superiore della radice e il suolo in superficie usando il knickpoint la superficie del terreno come riferimento. A questo punto misure di Ex non sono influenzate dalla sedimentazione e/o setacciare l'erosione e, pertanto, è possibile misurare l'erosione del suolo.
    3. Correggere la misura ottenuta al passaggio 5.2.2 utilizzando la procedura al punto 5.1.7.

figure-protocol-13649
Figura 6: esempio di disegno come procedere quando le radici esposte campionate sono orientate secondo la perpendicolare sul percorso di deflusso. Questa figura mostra una vista schematica di un profilo di superficie di terra relazionato a una radice esposta perpendicolare riguardanti il percorso di deflusso. Suolo eroso spessore (Ex) è quantificato in knickpoint in concomitanza ai processi di erosione prevalenti sedimentazione e setacciare è vicino alla radice. Questa figura è stata modificata da Ballesteros-Cánovas et al. 35 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

6. foglio erosione tasso stima

  1. A seconda delle caratteristiche meccaniche del terreno del sito Studio, applicare l'equazione 1 (cioè, ipotizza che la pressione di crescita radiale applicata dalla radice è più bassa di resistenza a taglio del terreno), o equazione 2 (cioè, suppone la stabilità della asse principale attraverso il tempo)30:
    figure-protocol-14922(1)
    figure-protocol-14994(2)
    Dove:
    ER (mm∙yr-1), è il tasso di erosione del foglio deve essere valutato.
    EX (mm), è lo spessore dello strato del suolo eroso dall'esposizione iniziale. Ciò si ottiene eseguendo passaggi 5.1.1 a 5.2.3.
    Gr1 e r2di G(mm) rappresentano la crescita (successiva) secondaria sulla parte ascendente/discendente della radice dopo l'esposizione. Si ottiene dopo aver eseguito passo 5.1.7.
    Lo spessore della corteccia sulla parte superiore ed inferiore della radice B1 e B2 (mm). È ottenuto con la procedura al punto 5.1.7.
    Ε (mm), è definito come la profondità minima del suolo sotto quale radice cominciano a cambiare la sua configurazione anatomica.
    NRex (yr), è il numero degli anelli degli alberi si è sviluppato dopo l'anno di esposizione. Si ottiene utilizzando passaggi 4.1.1 a 4.2.8.

Risultati

Campioni di radici esposte soffrono di grave deterioramento cambial a causa dell'impatto dell'esposizione (ad es., le modifiche di temperatura, incidenza della luce) più lo sforzo fisico, a causa di calpestare gli escursionisti o degli animali al pascolo e la navigazione che le radici sottoporsi dopo sono esposti. Determinare l'esistenza di anelli discontinui, nonché incontri proprio il primo anno di risposta all'esposizione è stato compiuto in laboratorio come nel protocollo ...

Discussione

Il protocollo distribuito dimostra il valore di caratterizzazione dettagliata e corretta della topografia di superficie di terra, come consente di misurare il tasso di erosione del foglio affidabile da dendrogeomorphology. Il nostro approccio metodologico si concentra sull'importanza di caratterizzare la topografia nei dintorni di radici di esposizione per migliorare la stima del tasso di erosione. Questo fattore è stato largamente ignorato negli studi precedenti, conseguente a un'interpretazione errata dei tassi di ero...

Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Riconoscimenti

I progetti di ricerca che ha finanziato questa ricerca sono stati: MARCoNI (CGL2013-42728-R); Fornite-Avenidas (CGL2007-62063); MAS fornite-Avenidas (CGL2010-19274) del Ministero spagnolo della scienza e tecnologia e il progetto IDEA-GESPPNN (OAPN 163/2010), che è stato finanziato dal Ministero dell'ambiente di Spagna.

Materiali

NameCompanyCatalog NumberComments
Topographic map, soil map, land cover mapTo be obtained from public institutions or generate at the first phase of research
Single ring infiltometerTurf-Tec InternationalIN16-Whttp://www.turf-tec.com/IN16Lit.html
HandsawThere is noy any specific characteristics to be considered regarding the model
Measuring tapeWith accuracy of 1 mm
Terrestrial Laser Scanning (TLS)Leica-GeosystemsLeica ScanStation P16https://leica-geosystems.com/products/laser-scanners/scanners/leica-scanstation-p16
Microtopographic Profile GaugeRS OnlineFacom, 19https://www.classic-conservation.com/es/herramientas-para-talla-y-escultura-en-madera/511-galga-medidora-de-perfiles.html
Sandpaperfrom 80 to 400 grit
ScannerEPSONPerfection V800 Photohttps://www.epson.co.uk/products/scanners/consumer-scanners/perfection-v800-photo
Image analysis systemRegent Instruments Inc.WinDENDROhttp://www.regentinstruments.com/assets/windendro_analysisprocess.html
Measuring tableIMLhttps://www.iml-service.com/product/iml-measuringtable/
Sliding microtomeThermo Fisher SCIENTIFICMicrom HM 450-387760http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/910020
Optical microscopeOLYMPUSMX63/MX63Lhttps://www.olympus-ims.com/en/microscope/mx63l/
Digital camera for microscopeOLYMPUSDP74https://www.olympus-ims.com/en/microscope/dc/
SafraninEmpirical Formula (Hill Notation) C20H19ClN4 
AstrablueEmpirical Formula C47H52CuN14O6S3
AlcoholAlcohol by volume (50%, 75% and 100%)
Distilled waterH2O
Citrus oil clearing agenthttps://www.nationaldiagnostics.com/histology/product/histo-clear
Coated slidesThermo Fisher SCIENTIFIChttps://www.fishersci.com/us/en/products/I9C8JXMT/coated-glass-microscope-slides.html
Hardening epoxyMERCKhttps://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sial/03989?lang=es&region=ES

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