실험실 및 필드 Dendrogeomorphology에서 시트 침식 속도 추정을 위한 프로토콜

요약

거시적인 검사 하 여 정확 하 게 찾는 루트 노출의 시작 시간에 일반적으로 집중 했다 dendrogeomorphology에서 침식을 특성화 하거나 셀 수준 변경 노출에 의해 발생 합니다. 여기, 우리는 매우 정확한 microtopographic 데이터에서 더 정확한 부식 속도 얻기 위해 다른 소설 기법에 대 한 자세한 설명을 제공 합니다.

초록

시트 침식 토양 저하의 중요 한 드라이버 중 하나입니다. 침식은 환경 요인과 종종 심각한 환경 영향으로 이어질 인간의 활동에 의해 제어 됩니다. 시트 침식의 이해, 따라서, 환경 및 경제에 대 한 의미와 함께 세계적인 문제입니다. 그러나, 침식 공간과 시간에서 진화 하는 방법에 대 한 지식은 여전히 제한, 뿐만 아니라 환경에 미치는 영향. 아래, 우리는 파생에 대 한 새로운 dendrogeomorphological 프로토콜 침식 토양 두께 (E_x) 지상 레이저 스캐닝 (TLS) 및 microtopographic 프로 파일 게이지를 사용 하 여 정확한 microtopographic 데이터를 획득 하 여 설명 합니다. 또한, 표준 dendrogeomorphic 절차, 루트 반지, 해부학 적 변화에 따라 노출의 타이밍을 설정할 활용 됩니다. TLS 및 microtopographic 프로 파일 게이지 E_x 임계값 거리 (TD) 결정 후 추정 되는 지상 표면 profiles를 가져오는 데 사용 됩니다, 그리고 즉, 루트와 퇴적 물을 사이의 거리 knickpoint 허용 defining 시트 침식으로 인 한 지상 표면의 저하. 각 프로필에 대 한 루트의 위쪽 가상 비행기 지상 표면에 접선 사이의 높이 측정 했습니다. 이 방법에서는, 우리 토양 변형 루트 시스템 또는 노출 된 뿌리의 배열에 의해가 해지는 압력으로 인해 수 있는 소규모 영향을 방지 하기 위한 것. 이 적은 양의 토양 침전 또는 어떻게 그들은 육체적으로 영향을 표면 결선에 따라 침식을 자극 수 있습니다. 시연 노출된 뿌리 및 그들의 관련된 지상 표면의 적절 한 microtopographic 특성은 정확한 부식 속도 얻기 위해 매우 중요 합니다. 이 더 지속 가능한 관리 정책을 실천에 넣어 수 있도록 결국 중단 또는 아마도, 적어도, 토양 침식을 완화 하도록 설계 된 최고의 관리 관행을 개발 하 활용 될 수 있습니다.

서문

시트 침식에 의해 생성 하는 경제와 환경 영향 전세계 관심사¹에이 항목을 만듭니다. 물리 기반 및 경험적 접근을 직접 기법에서 여러 가지 방법, 다양 한 시간적, 공간적 스케일에 토양 침식 률을 계산 하는 데 사용 됩니다. 직접 자연 조건 필드 측정을 사용 하 여 기술과 게를라흐 골짜기², 물 수집³의 사용에 따라 주로, 침식 핀⁴ 와 profilometers⁵. 또한, 토양 침식의 모델 침식⁶에 대 한 책임 실제 프로세스를 상세히에서 나타내는에 점점 집중 되었습니다 했다.

Dendrogeomorphology⁷ 은 dendrochronology⁸ 주파수 및 진도 따라가는 프로세스^9,10,11,12,^{의 특성화에 성공 하는 것의 세분 13,,1415,,1617}. 시트 침식에 관한 dendrogeomorphology 강화 하거나 대체 어디 침식 직접 기법에서 파생 된 요금은 부족 또는 사용할 수 없는 지역에서 특히, 위에서 언급 한 방법론을 일반적으로 채택 된다. Dendrogeomorphology 토양 침식을 평가 하기 위한 매우 유연한 방법 이며 물리 기반 및 경험적 모델을 보정 하는 데이터 원본 직접 추정 기법^18, 의 신뢰성을 향상 시키기 위해 이용 될 수 있다 ¹⁹. Dendrogeomorphology 노출된 뿌리를 사용할 수 있는 큰 지역에 설립 되 고 토양 침식 수 있습니다. 이러한 노출 된 뿌리 분명 나무 고리 한계를 표시 하 고 dendrogeomorphological 기술을²⁰적용으로 최적의 간주 됩니다 연간 성장 패턴에 응답 해야 합니다. 토양 침식²¹그들의 반응에 따라 동질적인 단위로 샘플링 수를 더, 노출 된 뿌리 선호 있어야 합니다.

시트 침식 추정의 전통적인 dendrogeomorphical 방식으로 현재^{22,23, 첫 노출의 시간에서 (E_x) 침식된 토양 두께 측정 현장에서 에 접지 24}. 이러한 두 변수 사이의 비율 mm∙yr¹에 침식 값 계산에 활용 됩니다. 날짜에 실시 하는 연구의 많은 노출의 초기 해를 효율적으로 식별에 전적으로 집중 했다. 결과로, 수정 노출 인 루트에서 거시적인 레벨²⁵또는 조직 및 세포 레벨^26,,2728에서 분석 된다. 침 엽 수의 노출 된 뿌리에 주 해 부 변화는 성장 반지 두께, earlywood (EW)²⁶내의 셀의 상당수의 결과로 증가 하 고 있다. 한 전환 마찬가지로 latewood (LW) tracheids^24,,2729의 증가 세포 벽 구조 두께 함께 EW tracheids의 루멘에서 발견 되었습니다. 이러한 수정 설명 하 고 침식 약 3 cm³⁰루트를 통해 지상 표면 낮추고 때 처음으로 공인 되었습니다. 관심을 덜이 E_x 매개 변수의 적절 한 결정을 부여 했다. 노출 된 뿌리의 시대 지상 표면^31,32이상 성장 루트의 중심 축 높이 일반적으로 연결 되었다. E_x 의 추정 따라서 고려 지속적인 보조 성장^30,33수정 되었습니다. 더 최근에, 이러한 방법론 접근 또한 신뢰할 수 있는 침식 요금^34,,3536를 토양 microtopography의 특성을 통합 했습니다.

우리는 더 정확 하 고 신뢰할 수 있는 시트 침식 속도 dendrogeomorphology에서 추정 하는 실험실 및 필드 프로토콜을 제시. 이 특정 프로토콜에서 우리는 정확 하 게 재구성 하 고 계량 침식 속도 수 있습니다 결선 경로 기준 및 microtopographical 분석, 함께에서 방향에 관계 없이 모든 노출 된 뿌리를 샘플링 하는 가설을 검사 합니다. 우리의 목표는 따라서, 거시적인 미세한 정보와 성장 나무 반지 시리즈 및 또한 고해상도 지형 데이터를 사용 하 여 노출 된 뿌리의 샘플 크기를 극대화에서 부식 속도 추정 하는 프로토콜을 제공 하는.

프로토콜

1. 샘플링 전략

1. 거석 프로세스 식별
   1. Hydrologic 응답 단위 (HRU) 접근²¹을 구현 합니다. 이 위해 사이트 내에서 연구, lithology 및 표면 예금, 숲 덮개, 토양 표면 및 슬로프 접촉 식물 잔류물 구성 된 동일한 영역을 식별 합니다. 모든 HRUs 중 선택 시트 침식 과정이 우세 합니다.

그림 1: 모래 협곡에 관련 된 HRUs의 예. 여기, 노출 된 뿌리의 샘플링 제안 프로토콜에 대해서는 HRU는 효과적인 침식 과정은 (해당 중간 슬로프와 노출된 모래 하이 그림 범례)에 시트 침식에 실시 해야 합니다. 이 그림 Bodoque 그 외 여러분 에서 수정 되었습니다. ²¹ . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

2. 노출 된 뿌리의 샘플링
   1. 해당 종의 나무 반지 (선호 침)²⁰데이트에 대 한 유용한 하 연구 사이트 노출 뿌리에서 찾습니다.
   2. 샘플 수에 노출 된 뿌리의 주변 공간 및 형태학 상 특성에 대 한 자세한 설명을 제공 합니다. 다음 정보를 수집: 지리적 위치 (UTM 좌표); 고도; 측면 sexagesimal도, 언덕 및 특정 루트 위치 (로컬 측면); 나무 줄기;에 루트 섹션의 거리 언덕 경사와 경사 위치의 특정 루트 (둘 다도 표현); 결선 경로 관해서는 노출된 루트의 방향.
   3. 각 노출된 루트 주변 지역에서 약 1 kg의 1 개의 토양 샘플을 가져가 라. 특성 매개 변수는 텍스처, 유기 물질과 토양 구조의 비율.
   4. 제자리에 유압 전도도 상수 머리에서 단일 반지 infiltrometer를 사용 하 여 측정 합니다.
      참고: 1.2.2, 1.2.3 토양 erodibility 특성 단계를 구현 합니다.
   5. 트렁크에서 1.5 m 보다는 노출 된 뿌리를 찾습니다. 적은 거리에서 노출 나무 성장에 관련이.
   6. 잘라는 톱으로 적어도 30 노출 된 뿌리, 보다 큰 5 cm, 직경 15 cm 긴 섹션. 그 후, 약 1.5 c m 두께의 두 조각을 가져가 라.
   7. 최소 토양 두께 아래 뿌리는 시작을 설정 하려면 다른 토양 깊이 (최대 20 cm)에 묻혀 있는 뿌리 (샘플링 총 노출 된 뿌리의 적어도 1 / 3)의 하위 집합 게이지 흙 손, 한 톱 및 측정 테이프를 사용 하 여 샘플을 노출으로 인해 해부학 응답입니다.

그림 2: 필드 샘플링을 수행 하는 방법의 예. 적어도 30 노출된 뿌리 선택 되며, 이후에 톱으로 잘라. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

2. Microtopographic의 특성화 지상 표면 및 쉽게 접근할 수 있는 위치에서 노출 된 뿌리

1. 50000 포인트까지 측정할 수 있는 지상 레이저 스캔 장치를 사용 하 여 < 120 m의 스캔 거리에서 1 m m의 정밀도로 초당.
2. 그림자 영역을 피하기 위해 적어도 두 개의 서로 다른 기존의 TLS 위치를 고려 하십시오.
3. 최소 4 개의 하이-정의 (HDS) 조사 대상 전체 영역을 커버 하는 위치를 사용 하 여 다른 위치를 병합 합니다.
4. 매우 정확한 지형 데이터를 얻으려면, 노출 된 뿌리와 주변 지역 지상 표면의 대표 공간 해상도의 1 m m. 포함을 사용 하 여 선택한 위치에서 300 cm² 의 평균 영역 스캔.

3. Microtopographic의 특성화 지상 표면 및 어렵고 가파른 지형 (산 환경) 위치에서 노출 된 뿌리

1. 장소는 microtopographic 프로 파일 게이지 수직 노출된 루트 고, 그 후, 모든 측정을 위한 가로 수준에 서로 다른 데이터 집합을 비교 될 수 있다 그런 방법으로.
2. 3.1 서브 밀리미터 정밀도와 프로 파일에 따라 침식된 토양의 양을 유추할 수 그래프 종이에 단계에서 얻은 프로 파일을 그립니다.

그림 3: 지상 microtopography microtopographic 프로 파일 게이지를 사용 하 여 특성의 예. (하이킹 코스;에 따라 관찰로 노출 된 뿌리의 그림 A) (B) microtopographic profile를 사용 하 여 토양 microtopography의 측정 계기; (C) 서브 밀리미터 정밀도는 profile 따라 침식된 토양의 금액의 유추 수 있도록 그래프 종이에 그들을 그리기에 의해 microtopographic profiles의 인수를 통해 E_x 의 추정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

4. 루트 노출의 타이밍의 결정

1. 거시적인 분석
   1. 공기 건조 단계 1.2.6에서에서 2 개월 동안 얻은 섹션.
   2. 각각 약 2 cm 두께 초기 섹션 두 조각에서 가져옵니다.
   3. 모래와 폴란드어 샌드 페이퍼 (최대 400 그 릿) 생 장 륜의 인식을 촉진 하기 위하여와 조각.
   4. 그들은 정확 하 게 분석할 수 반지는 특히 얇은 경우에 그렇게 2800 dpi의 최소 해상도에서 분할 영역을 검사 합니다.
   5. Latewood 비율 및 더 큰 성장-반지 폭의 증가 사용 하 여 노출에 의해 유도 된 스트레스의 지표로.
   6. 성장-반지 폭에 높은 가변성을 표시 하는 조각의 직경에 따라서 적어도 4-5 반지름을 표시 합니다.
   7. 나무 반지 폭을 측정 하는 이미지 분석 시스템 또는 측정 테이블을 사용 합니다.
   8. 다른 반지름 사이 성장 반지 폭에서 변화를 비교 하 여 시각적 크로스 데이트 절차를 적용, 모두 토양 침식을 올바르게 날짜 이후 반지 하 고 존재를 인식 하는 노출의 첫 해에 대 한 데이트 정밀도 향상 여러 또는 불연속 반지.

그림 4: 성장 반지 시리즈의 dendrochronological 데이트를 달성 하기 위해 노출된 루트의 섹션을 준비 하는 방법의 예. 각 섹션에서 4 개 또는 5 개의 반지름 트리 반지 폭에 관한 가장 높은 가변성을 표시 방향에 따라 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

2. 현미경 분석
   1. 모두 노출 하 고 비공개 루트 샘플 너비와 20 미크론 두께 약 1cm의 레이디얼 횡단면을 슬라이딩 톰을 사용 합니다.
   2. 횡단면 safranin (즉, safranin + 물 + 96% 에탄올 50 g 50 g 1 g)으로 얼룩 및 점점 풍부한 에탄올-물 솔루션까지 탈수 96% 에탄올 에탄올까지 (예를 들어, 50%와 96% 에탄올) 실행 취소 됩니다. 샘플 xylol 또는 에이전트 (예: Histoclear)를 삭제 하는 감귤 류 오일에 담근 다.
   3. 횡단면 코팅된 슬라이드, (예를 들어, Eukitt, 캐나다 봉 선화 그리고 주위 온도 (즉, Eukitt, 캐나다 봉 선화에 대 한 최소 24 h에 대 한 약 5-8 h)에서 건조 경화 에폭시와 커버 슬립에 탑재.
   4. (125 배 확대)에서 관찰 하 고 광학 현미경에서 디지털 이미징 시스템 샘플 사진.
   5. 비교 하 여 광학 현미경 노출 둘 다의 해 부 발자국과 비 노출 루트 샘플 (1.2.5 및 1.2.6 단계).
   6. 뒤이어 매개 변수의 디지털 사진에는 이미지 분석기를 사용 하 여 미세한 측정:는) 폭의 성장; b) 셀 링; 당 수 c) 비율의 latewood; 그리고 d) earlywood에서 루멘 지역.
   7. 수 지 관의 발생 이미지 분석기 (단계 4.2.6)와 함께 테스트 하 고 각 성장 반지에 대 한 측정.
   8. 여러 범위 테스트와 단방향 분석 ANOVA 수행 (방법: 95 %LSD-적어도 상당한 차이) 변수에 대 한 해 부 고려 (단계 4.2.6)의 두 그룹 간의 통계적 차이의 존재를 확인 하 측량 (사전 노출된 vs 노출 뿌리)입니다.

5. 초기 노출 (Ex) 이후 침식 토양 층의 두께의 추정

1. 시나리오 1: 노출 유출 경로를 병렬 실행 하는 뿌리.
   1. 2.4 단계에서 얻은 데이터에 따라 달라 집니다, 역 거리 3 mm의 공간 분해능으로 정확한 디지털 고도 모델 (데모)를 보간 방법으로 가중치를 사용 합니다.
   2. GIS 도구를 사용 하 여 150 cm의 거친 거리 노출된 루트의 DEM 수직 프로필에서 추출.
   3. 5.1.1, 5.1.2 쉽게 접근할 수 있는 위치 (2 단계)에서 단계를 수행 합니다.
   4. 연구 사이트 지형 어렵고 가파른 지역에 있을 때 단계 3.2에서에서 얻은 노출된 루트 (산 환경)의 수직 단면도 사용 하 여 (단계 3).
   5. 5.1.2 및 5.1.3 단계에서 얻은 프로필에서 시각적 해석 사용 하 여 루트와 지상 표면에서 knickpoint 사이의 거리로 정의 된 임계값 거리 (TD)를 찾습니다. 이 시트 침식으로 인 프로필에 대 한 지상 표면의 낮추기를 설정 합니다.
   6. 루트의 상위 단계 5.1.5에서에서 추정 지상 표면에서 knickpoint 사이의 높이 측정 하 여 침식 토양 층의 두께 추정 합니다.
   7. 수정 단계 5.1.6에서에서 지속적인 보조 성장 (즉, 성장 루트의 노출의 년부터)와 루트의 위/아래에 나무 껍질 두께에서 빼서 얻은 측정. 참조 코로나 외. ³⁰ 에 대 한 자세한 내용입니다은.

그림 5: 예제는 샘플 노출 된 뿌리는 결선 경로 따라 방향의 TD 를 배치 하는 방법을 설명 하 고. 이 그림 발견된 루트와 그 바로 근처의 공통 microtopographic 횡단 프로 파일. E_x1 은 침식된 토양 두께; 결정 하 전통적인 dendrogeomorphical 방식에 적용 하는 위치 E_x2 이 매개 변수 평가 해야 하는 위치에 속한다. TD 가이드 위치는 지상 표면 시트 침식만 하 여 변경으로 이루어집니다. 이 그림 Bodoque 그 외 여러분 에서 수정 되었습니다. ³⁴ 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

2. 시나리오 2: 노출 결선 경로에 수직으로 실행 되는 뿌리
   1. 5.1 단계 아래에 명시 된 대로 5.1.1 5.1.4 단계를 구현 합니다.
   2. 어떤 지리적 정보 시스템 (GIS) 소프트웨어에서 사용할 수 있는 래스터 계산기를 사용 하 여 각 수직 프로 파일 측정 루트 상단 기준으로 지상 표면에는 knickpoint를 사용 하 여 지상 표면 사이의 높이 대 한. 이 시점에서 측정 E_x 의 침전에 의해 영향을 받지 및 침식을 샅 샅 히 뒤져 되며, 따라서, 토양 침식을 측정할 수 있습니다.
   3. 5.2.2 5.1.7 단계에서 절차를 사용 하 여 단계에서 얻은 측정을 수정 합니다.

그림 6: 진행 하는 방법을 그리기 예제 때 샘플링 노출 된 뿌리는 결선 경로에 수직에 의하여 동쪽을 향한 이 그림에 노출된 수직 루트 결선 경로 관한 관련 지상 표면 프로필의 회로도 보기입니다. 침식된 토양 두께 (E_x) knickpoint 루트 근처 일반적인 침전 하 고 샅 샅 히 뒤져 침식 프로세스에 동시에 정량 이다. 이 그림에서 발레 주요 외 수정 되었습니다. ³⁵ 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

6. 시트 침식 속도 추정

1. 연구 사이트의 토양 기계공 특성에 따라 적용 공식 1 (즉, hypothesizes 루트에서 적용 하는 방사형 성장 압력은 토양의 전단 강도 보다 낮은), 또는 방정식 2 (즉, 의 안정성을 가정 한다는 시간을 통해 루트 축)³⁰:
   (1)
   (2)
   장소:
   E_R (mm∙yr^-1), 추정 되 게 시트 침식 속도입니다.
   E_X (mm), 토양 층의 두께 초기 노출 이후 침식 이다. 이것은 단계 5.1.1 5.2.3 수행 하 여 얻어진 다.
   G_{r 1} 과 G_{r 2}(mm) 노출 후 루트의 위쪽/아래쪽 부분에 보조 (후속) 성장을 나타냅니다. 5.1.7 단계를 수행한 후 얻을 수 있습니다.
   B₁ 과 B₂ (mm) 루트의 위/아래 부분에 나무 껍질 두께. 5.1.7 단계에서 절차와 함께 얻을 수 있습니다.
   Ε (mm), 토양의 최소 깊이 루트 아래 해 부 구성을 변경할 시작 정의 됩니다.
   NR_전 (예멘 아랍 공화국), 트리 링 노출의 년 후에 발전의 수입니다. 그것은 단계 4.1.1 4.2.8를 사용 하 여 얻을 수 있습니다.

결과

노출 된 뿌리의 샘플 하이킹 또는 동물 방목과 탐색 하 여 짓 밟 고 인해 물리적 스트레스 플러스 노출 (예: 수정 온도에, 빛의 부각)의 영향으로 인해 심각한 cambial 악화 고통을 뿌리 그들은 노출 후 받 다. 노출에 대 한 응답의 첫 해를 정확 하 게 데이트 뿐 아니라 불연속 반지의 존재를 결정 프로토콜 4 (단계 4.1.6 4.1.8) 처럼 실험실에서 달성 되었다. 우리 latewood 비율...

토론

배포 프로토콜 dendrogeomorphology에서 신뢰할 수 있는 시트 부식 속도 측정을 하면 땅 표면 microtopography의 상세 하 고 적절 한 특성의 값을 보여 줍니다. 우리의 방법론 접근 특성화 침식 속도 추정을 개선 하기 위해 노출 뿌리의 주위에 microtopography의 중요성에 초점을 맞추고. 이 요인은 결과 dendrogeomorphology³⁴에서 파생 된 토양 침식의 오해에 이전 연구에서 크게 무시 되었습니다. Microt...

자료

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