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

Jose Maria Bodoque; Juan Antonio Ballesteros-Cánovas; Juan Manuel Rubiales; Markus Stoffel

doi:10.3791/57987

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この記事について

要約
要約
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プロトコル
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要約

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。

要約

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 (E_x) 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E_x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。

概要

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^,¹⁰^、¹¹^,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 (E_x) 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、 E_x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。E_x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。

プロトコル

1. サンプリング戦略

地形プロセス id
1. 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。

figure-protocol-293
図 1: 砂のガリーに関連付けられている使い捨ての例。ここでは、露出された根のサンプリングを提案されたプロトコルに関する効果的な浸食作用、(この図の凡例露出砂緩やかな斜面に対応する) の侵食、HRU 実施されなければなりません。この図は、Bodoqueらから変更されています。²¹. この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

露出された根のサンプリング
1. 樹木年輪 (できれば針葉樹)²⁰をデートに便利に対応する研究公開サイトのルートで探します。
2. サンプリングする露出された根の周囲の空間的および形態学的特性の詳細な説明を提供します。次の情報を収集する: 地理的な場所 (UTM 座標)。高度;分秒度、丘の中腹と特定ルートの場所 (ローカル面); のための面木の幹に根部までの距離山腹斜面・スロープ (両方は度で表される) 特定のルートの場所。流出パスに関して露出歯根の向きです。
3. 各露出歯根周辺から約 1 kg の 1 つの土のサンプルを取る。特徴付けるパラメーターは、テクスチャ、有機物と土壌構造の割合です。
4. 原位置透水係数の定数の頭の下の単一リングプレッシャーインフィルトロメータを使用して測定します。
  注: は、1.2.2 と 1.2.3 土の侵食性を特徴付けるための手順を実装します。
5. トランクから 1.5 m よりも遠く、露出された根を探します。少ない距離で露出は、樹木の成長に関連するかもしれません。
6. 15 cm 長いセクションに直径 5 cm よりも大きいと、少なくとも 30 の露出された根をのこぎりでカットします。その後、厚さ約 1.5 cm の 2 つのスライスを取る。
7. 異なる土壌深さ (最大 20 cm) 以下のルーツを開始する最小土の太さを確立するで埋められた根 (少なくとも 3 分の 1 サンプル総露出根) のサブセットをサンプル測定こて、ハンドソー、測定テープを使用して、露出による解剖学的応答は。

figure-protocol-1576
図 2: フィールドサンプリングを実施する方法の例です。少なくとも 30 の露出された根は選択して、その後、のこぎりで切る。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

2 地表面と簡単にアクセス可能な場所に露出された根の微地形解析

最大 50,000 ポイントを測定できる地上レーザースキャンデバイスを使用して < 120 m の走査型距離で 1 mm の精度で 1 秒あたり。
シャドウゾーンを避けるために、少なくとも 2 つの異なる従来 TLS の場所を検討してください。
全体の領域をカバーする配置 4 高精細 (HDS) を調査対象の最小値を使用して、別の場所をマージします。
露出された根および周辺地表面を代表する高精度の地形データを取得するために空間分解能の 1 mm. Include を使用して選択した場所から 300 cm²の平均面積をスキャンします。

3 地表面の困難および急な地勢 (山の環境) での場所での露出された根微地形解析

別のデータセットを比較できるような方法で公開されるルートと、その後すべての測定値の水平レベルに垂直な微地形プロファイルゲージを配置します。
ステップ 3.1 サブミリ精度プロファイルに沿って浸食土の量を推論することができるグラフ紙の上で得られたプロファイルを描画します。

figure-protocol-2546
図 3: 微地形プロファイルゲージを使用して地面の微地形特性の例です。(A) 沿いのハイキングコース; 観測として露出された根のイラスト(B) 土壌微微地形の概要を使用しての測定ゲージ;(C) サブミリ精度と、概要に沿って浸食土の量の推論を許可する方眼紙に描いて微地形ようの買収を通じてE_xの推定。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

4. ルート暴露のタイミングの決定

巨視的分析
1. 空気は乾燥セクション 1.2.6 のステップで得られた 2 ヶ月です。
2. 厚さ約 2 cm にある最初のセクションの 2 つのスライスから取得します。
3. 砂、サンドペーパー (最大 400 粒) 年輪の認識を容易にするとスライスを磨きます。
4. リングが特に薄い場合でも彼ら正確に分析することができますように、2,800 dpi 以上の解像度でスライスをスキャンします。
5. 暴露によるストレスの指標として晩割合と大きく成長リング幅の増加を使用します。
6. 少なくとも 4-5 成長リング幅の最高の可変性を示すスライスの直径に沿って半径をマークします。
7. 年輪の幅を測定するのに画像解析システムや測定のテーブルを使用します。
8. 異なる半径間の成長リング幅の変動を比較することによって visual クロスデート手順を適用、両方に土壌浸食、正しく日付以降リングと存在を認識への暴露の最初の年の出会い系の精度の向上複数のまたは不連続なリング。

figure-protocol-3579
図 4: 成長リングシリーズの年輪年代測定を達成するために公開されているルートのセクションを準備する方法の例です。各セクションで、4 つまたは 5 つの半径は年輪幅に関する最高の可変性を示す指示に沿ってマークされます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

顕微解析
1. 両方の露出と非曝露ルートサンプル滑走式ミクロトームを使用して、約 1 センチ幅、20 ミクロンの厚さの放射状の断面を取得します。
2. サフラニン (すなわちサフラニン + 水 + 96% のエタノールの 50 g 50 g 1 g) と断面を汚し、ますます豊かなエタノール水溶液にまで脱水エタノールまで 96% エタノール (エタノールの 50%、96%など) が明確な実行されます。キシロールまたはエージェント (例えばHistoclear) をクリアシトラスオイルのサンプルを浸します。
3. スライドに塗った、(例えばEukitt、カナダバルサム、周囲温度 (すなわちEukitt、カナダバルサムのため、少なくとも 24 時間の約 5-8 時間) でドライ硬化エポキシとカバースリップ上の断面をマウントします。
4. (125 倍の倍率) の下で観察して光学顕微鏡の下でデジタルイメージングシステムのサンプルの写真します。
5. 公開されている両方の解剖学的なフットプリントと非曝露ルートサンプル (手順 1.2.5 と 1.2.6) を光学顕微鏡下で比較します。
6. その後のパラメーターのデジタル写真の画像解析装置を使用して顕微鏡の測定を取る:) 成長リングの幅b) リングあたりのセル数c) 晩; の割合d) 道管内腔領域。
7. テスト画像解析装置 (ステップ 4.2.6) 樹脂管の発生と成長リング毎に測定を行います。
8. 複数の範囲のテストで一方向分析分散分析を実行 (メソッド: 95 %lsd-最小有意差) 解剖学的変数と見なされます (手順 4.2.6) の 2 つのグループ間の有意差の存在を確認するため測定 (公開済み露出対根)。

5. (Ex) 最初の暴露から浸食土層の厚さの推定

シナリオ 1: 公開流出パスに並走するルートです。
1. 2.4 の段階で得られたデータに基づいて、距離の逆数で 3 mm の空間分解能で高精度な数値標高モデル (Dem) を取得する補間法として重みを使用します。
2. 大まかな距離 150 cm の場合、露出した歯根の DEM の垂直プロファイルを抽出する GIS ツールを使用します。
3. 5.1.1 と簡単にアクセス可能な場所 (手順 2) で 5.1.2 の手順に従います。
4. 研究サイトは地形が難しく、急な箇所にある場合 3.2 の手順で得られた露出した根 (山の環境) の垂直プロファイルを使用 (手順 3)。
5. 5.1.2 と 5.1.3 の手順で得られるプロファイルの視覚的な解釈を使用して、ルートと地表面で knickpoint 間の距離として定義されているしきい値距離 (TD) を探します。これは、地表の侵食によるプロファイルの低下を確立します。
6. 根の上部とステップ 5.1.5 で推定地表面で knickpoint 間の高さを測定することにより、侵食土壌層の厚さを推定します。
7. 5.1.6 の手順で進行中の二次成長 (すなわち根の生長の露出の年以来) およびルートの上限/下限側の樹皮の厚さからそれを減算することによって得られる測定を修正します。コロナらを参照してください。³⁰詳細な説明のため。

figure-protocol-5664
図 5: 例はサンプリングされた露出した根が流出パスによると志向にTDを配置する方法をについて説明します。この図は一般的な覆いを取られたルートとその周辺の微地形横断プロファイルを示しています。E_x1は伝統的な dendrogeomorphical の侵食土壌厚さを決定する方法に適用場所です。E_x2は、このパラメーターが評価する必要がある位置に属しています。TDは侵食のみによって変更される地表面からガイドの位置として取られます。この図は、Bodoqueらから変更されています。³⁴この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

シナリオ 2: 公開流出パスに垂直に実行する根
1. 前述の [ステップ 5.1 5.1.1 に 5.1.4 の手順を実装します。
2. 各垂直プロファイル測定ルートの上部と地表面で、knickpoint を使用してください参照として地表面間の高さのための地理情報システム (GIS) ソフトウェアで利用可能なラスター計算機を使用してください。この時点でE_xの測定堆積の影響を受けない侵食を洗掘や、したがって、それは土壌浸食を測定することが可能。
3. 5.2.2 5.1.7 の手順で手順を使用しての手順で測定を修正します。

figure-protocol-6627
図 6: 続行する方法を図面例露出された根のサンプリングが流出パスに対して垂直によると指向この図は、流出パスに関する公開された垂直ルートに関連する研削面プロフィルの模式図を示しています。侵食された土層厚 (E_x) は、ルートの近くに現行堆積とスカウア侵食プロセスに合わせ knickpoint で定量化されます。この図は、バレステロス Cánovasらから変更されています。³⁵この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

6. シート侵食率推定

調査地の土壌のメカニック特性に応じて適用式 1 (仮説ルートによって適用される放射状の成長圧力は、土のせん断強度よりも低いなど)、または方程式 2 (すなわち、仮定するの安定性、時間を通して根軸)³⁰:
(1)
(2)
どこ：
E_R (mm∙yr^-1) は、侵食速度を推定します。
E_X 最初の暴露から土層の厚さを侵食する (mm)。これは、5.1.1 から 5.2.3 の手順を実行することによって取得されます。
G_r1とG_r2(mm) は、暴露後ルートの上向き/下向き部分の二次 (以降) の成長を表しています。それは 5.1.7 の手順の実行後に得られます。
B₁ B₂ (mm) ルートの上位/下位部分に樹皮の厚さであります。5.1.7 の手順で手順が取得されます。
Ε (mm) は、解剖学的構成の変更を開始するルートの下土の最小深さとして定義されます。
NR_ex (年) には、年輪の露出の年後開発の数です。4.1.1 に 4.2.8 の手順を使用して取得されます。

結果

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。?...

ディスカッション

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...

開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

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

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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

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