Jordbearbetningserosion
Jordbearbetningserosion är en form av jorderosion som uppstår på odlade fält på grund av att marken förflyttas genom jordbearbetning . Det finns växande bevis för att jordbearbetningserosion är en stor jorderosionsprocess i jordbruksmarker, som överträffar vatten- och vinderosion på många fält runt om i världen, särskilt på sluttande och kuperade marker. broschyrer, de eroderade kullarna, orsakas faktiskt av jordbearbetningserosion eftersom vattenerosion huvudsakligen orsakar jordförluster i de mellanslutta och lägre sluttningarna av en sluttning, inte kullarna. Jordbearbetningserosion resulterar i markförstöring, vilket kan leda till betydande minskning av skörden och därmed ekonomiska förluster för gården.
Fysisk process
Begreppsmässigt kan processen med jordbearbetningserosion (E Ti ) beskrivas som en funktion av jordbearbetningserosion (ET) och landskapserosion ( EL ):
E Ti = f(ET, EL)
Jordbearbetningserosivitet (ET) definieras som benägenheten hos en jordbearbetningsoperation, eller en sekvens av operationer, att erodera jord och påverkas av konstruktionen och driften av jordbearbetningsredskapet (t.ex. storleken, arrangemanget och formen på jordbearbetningsverktyg, jordbearbetning hastighet och djup). Landskapseroderbarhet (EL) definieras som ett landskaps benägenhet att eroderas av jordbearbetning och påverkas av landskapets topografi (t.ex. sluttningsgradient och sluttningskrökning) och markegenskaper (t.ex. textur, struktur, bulkdensitet och markfuktighetsinnehåll). ).
Jordbearbetningserosion uppstår som ett resultat av förändringar i jordbearbetningstranslokation (jordförflyttning genom jordbearbetning) över fältet. Jordbearbetningstranslokation uttrycks som en linjär funktion av lutningsgradient (θ) och lutningskurvatur (φ):
TM = α + β θ + γ φ
där TM är jordbearbetningstranslokation; α är jordbearbetningstranslokationen på plan jordyta; β och y är koefficienter som beskriver den ytterligare translokationen som är ett resultat av lutningsgradient respektive lutningskurvatur. Jordbearbetningserosion, som är nettojordbearbetningstranslokationen, beräknas sedan som:
TM Net = AT M = β Δθ + γ Δφ
För en enhetsyta A i en odlad åker kan jordbearbetningserosionen för en jordbearbetningsoperation beräknas som:
E Ti = (TM ut – TM in ) / A = [β (θ ut - θ in ) + γ (φ ut - φ in )] / A
där E Ti är erosionshastigheten för jordbearbetning för jordbearbetningen; T M out är den utgående jordbearbetningstranslokationen eller mängden jord som flyttar ut från A; och TMin är den inkommande jordbearbetningstranslokationen eller mängden jord som rör sig in i A ; θ ut är den utgående lutningsgradienten längs bearbetningsriktningen, θ in är den inkommande lutningsgradienten längs bearbetningsriktningen; φ ut är den utgående lutningens krökning längs bearbetningsriktningen, φ in är den inkommande lutningens krökning längs bearbetningsriktningen.
Rumsliga mönster
Typiska rumsliga mönster av jordbearbetningserosion som observerats i odlad åker är antingen lokal topografirelaterade: jordförlust från kullar (konvexiteter) och jordackumulering i fördjupningar (konkaviteter) ; eller fältgränsrelaterad: jordförlust från nedsidan av en fältgräns och jordansamling på översidan av en fältgräns . Lokal topografirelaterad jordbearbetningserosion är mest uttalad i hummocky landskap med eroderade kullar som ofta uppvisar en ljus jordfärg på grund av förlusten av organiskt rik matjord, ett fenomen som ofta felaktigt antas vara resultatet av vattenerosion. Fältgränsrelaterad jordbearbetningserosion bestäms av inte bara topografi utan också jordbearbetningsriktningar och den är ansvarig för bildandet av jordbearbetningsbankar och terrasser.
Mått
Jordbearbetningserosion kan mätas genom mätning av jordbearbetningstranslokation eller mätning av jordförlust och ackumulering. Jordbearbetningstranslokation mäts normalt med ett spårämne som införlivas i marken i tomter. Fördelningarna av spårämnet före och efter jordbearbetning används för att beräkna jordbearbetningstranslokation. Två typer av spårämnen, punktspårare och bulkspårämnen används. Medan punktspårämnen är lätta att implementera, kan bulkspårämnen ge mer information om spridningen av jorden under translokationsprocessen. Jordförlust och ackumulering genom jordbearbetningserosion kan uppskattas utifrån förändringar i ythöjden. Till exempel kan höjden av en bearbetad åker jämföras med ett angränsande referensobjekt som inte har eroderats, såsom en staketlinje eller häck. Minskningar i höjdhöjd indikerar jordförluster medan ökningar i höjd är bevis på jordansamlingar. Höjdförändringar kan också bestämmas genom att ta upprepade mätningar av markytans höjder med hög noggrannhet i topografiska mättekniker som RTK GPS , totalstation och fotogrammetri på nära håll . Ett annat sätt att uppskatta jordförlust och ackumulering är att mäta förändringarna i markens egenskaper, såsom markens innehåll av organiskt material. Men organiskt material i jorden kan påverkas av många faktorer så det är inte en särskilt tillförlitlig metod. Sedan 1980-talet har radioisotoper som Cs-137 och Pb-210 använts för att ge mycket mer exakta jorderosionsuppskattningar.
Modellering
Bergssluttningsmodell (endimensionell)
- Tillage Erosion Risk Indicator ( TillERI ) är en förenklad jordbearbetningserosionsmodell som används för att uppskatta risken för jordbearbetningserosion i jordbruksmarker i nationell skala i Kanada. Det är en av erosionsindikatorerna som en del av Agri-Environmental-indikatorerna som utvecklats under National Agri-Environmental Health Analysis and Reporting Program (NAHARP) . Indata inkluderar sluttningslängd, lutningsgradient för det eroderande segmentet och erosiviteten för jordbearbetningsoperationerna (β-värde). Utdata från modellen inkluderar erosionshastigheten för jordbearbetning vid erosionssegmentet och risknivån för jordbearbetningserosion för den sluttningen.
- Jordbearbetningserosionsförutsägelsemodellen ( TEP ) är utformad för att beräkna nettojordrörelsen för enskilda sluttningssegment över en åkertransekt för individuella jordbearbetningsoperationer. Indata inkluderar sluttningssegmentets höjd, sluttningsgradient och segmentlängd samt erosiviteten för jordbearbetningen (β-värde). Utdata från modellen inkluderar jordbearbetningserosion och höjdförändringar.
- Jordbearbetningstranslokationsmodellen ( TillTM ) används för att simulera jordbearbetningsprocessen och för att förutsäga jordbearbetningsinducerad jordmassa och omfördelning av jordbeståndsdelar längs en transekt. Den tar hänsyn till både vertikal och horisontell blandning av jord under jordbearbetningsprocessen.
Fältskalamodell (tvådimensionell)
- Vatten- och jordbearbetningserosionsmodellen ( WaTEM ) är en modell utformad för att beräkna både vatten- och jordbearbetningserosionshastigheten vid varje rutnätsnod i Digital Elevation Model (DEM). Jordbearbetningserosionskomponenten i WaTEM simulerar jordfördelningen i DEM med hjälp av en ekvation av diffusionstyp och antar att all jordtranslokation sker i riktningen mot den brantaste sluttningen, oavsett jordbearbetningsmönster.
- Soil Redistribution by Jordage ( SORET ) är av typen rumslig fördelning och kan utföra 3D-simuleringar av jordomfördelning i DEM på fältskalan. Den kan förutsäga omfördelning av jord som uppstår från olika mönster av jordbearbetning i ett givet landskap via datorsimulering av en enskild jordbearbetning, och kan också förutsäga de långsiktiga effekterna av upprepade operationer. Den tar hänsyn till jordbearbetningsmönstret (riktningarna) och kan beräkna jordbearbetningstranslokation i riktningarna parallella och vinkelräta mot jordbearbetningsriktningen.
- Jordbearbetningserosionsmodellen ( TillEM ) beräknar erosionshastigheter för punktbearbetning på rutnätsnoder i en DEM längs linjerna både parallella och vinkelräta mot jordbearbetningsriktningen, vilket representerar främre och laterala jordbearbetningstranslokation, vilket är mycket likt SORET-modellen. Skillnaden är att TillEM tar hänsyn till effekterna av lutningskurvaturvariationer (γ-värde) på jordbearbetningstranslokation.
- Directional Jordage Erosion Model ( DirTillEM ) är en uppgraderad version av TillEM. DirTillEM beräknar den inkommande och utgående jorden i var och en av de fyra riktningarna för varje cell i en DEM och bestämmer jordbearbetningserosionen för den cellen genom att summera all inkommande och utgående jord. Denna beräkningsstruktur tillåter DirTillEM att behandla varje cell oberoende så att den kan simulera jordbearbetningserosion under komplicerade jordbearbetningsmönster (t.ex. cirkulära mönster) eller oregelbundna fältgränser.
- Cellular Automata-modellen för jordbearbetning ( CATT ) simulerar jordomfördelning i ett fält orsakad av jordbearbetning via en cellulär automatmodell som sekventiellt beräknar den lokala interaktionen mellan en cell och dess grannar på grund av jordbearbetningstranslokation.
Effekter
Jordförstöring
Jordbearbetningserosion orsakar förlust av bördig matjord från den eroderande delen av fältet. När det översta jordlagret blir tunnare kommer efterföljande bearbetningsoperationer att ta upp underskiktsjord och blanda in den i jordbearbetningsskiktet. Denna vertikala blandning resulterar i jordförstöring i den eroderande delen av fältet. Dessutom kommer den nedbrutna jorden i den eroderande delen av fältet att blandas horisontellt in i angränsande områden genom jordbearbetning. Med tiden, med den vertikala och horisontella blandningen, kommer jordbearbetningstranslokation att leda till att underjorden sprids från den eroderande delen till över hela fältet, inklusive områden med ackumulering av jordbearbetning.
Förlust av grödas produktivitet
Underjord har ofta oönskade jordegenskaper för växttillväxt (t.ex. mindre organiskt kol, dålig struktur). När underjorden blandas in i jordbearbetningsskiktet på grund av jordbearbetningserosion, kommer grödans produktivitet att påverkas negativt. Förlusten på grund av en sådan produktivitetsförlust är enorm med tanke på att skadan är långvarig och det krävs stora ansträngningar för att återställa jordkvaliteten till sin ursprungliga nivå.
Miljöpåverkan och utsläpp av växthusgaser
Eftersom marken försämras på grund av jordbearbetningserosion kan det leda till vissa miljöproblem som ökade näringsförluster och utsläpp av växthusgaser . Speciellt för kolbindning , även om nedbruten jord i den eroderande delen kan minska kolbindningen, skapar nedgrävningen av toppjord i markansamlingsregionerna en stor sänka för kolbindning
Landformens utveckling och skapandet av topografiska egenskaper
Jordbearbetningserosion är en dominerande process för utveckling av landform i många jordbruksområden. Den plattar ut konvexiteter och konkaviteter och skapar jordbearbetningsväggar och vallar längs åkergränser Med ett konsekvent mönster kan den till och med skapa topografiska drag på plana åkrar. Till exempel, när en enkelriktad jordbearbetningsutrustning (t.ex. gjutplansplog) används i ett cirkulärt mönster under många år, kan det skapa ett ">--<" mönsterdike mitt på fältet.
Kopplingar och interaktioner med andra erosionsprocesser
Odlade fält utsätts inte bara för jordbearbetningserosion utan även vatten- och vinderosion. Det finns kopplingar och interaktioner mellan dessa erosionsprocesser. Kopplingar och interaktioner avser de additiva respektive icke-additiva effekterna mellan olika erosionsprocesser. Den totala jorderosionen kan öka eller minska på grund av positiva respektive negativa kopplingar mellan olika erosionsprocesser. Interaktioner uppstår när en erosionsprocess förändrar landskapets eroderbarhet för en annan erosionsprocess, eller när en process fungerar som en leveransmekanism för en annan erosionsprocess. Till exempel kommer markförstöring orsakad av jordbearbetningserosion sannolikt att öka jordens eroderbarhet mot vatten- och vinderosion. Ett annat exempel är växelverkan mellan jordbearbetning och vattenerosion runt vatteneroderade kanaler, särskilt tillfälliga raviner. Jordbearbetning används ofta för att eliminera dessa kanaler och tillfälliga raviner, där jordbearbetning i huvudsak fungerar som en leveransmekanism för att transportera jord till områden som är mest mottagliga för vattenerosion.
Begränsning
Jordbearbetningserosion kan mildras genom att minska intensiteten i jordbearbetningen. Detta inkluderar att minska frekvensen av jordbearbetning, hastigheten och djupet av jordbearbetningen och storleken på jordbearbetningsredskapet. Bevarande jordbearbetningsutrustning som är utformad för att minska vattenerosion kanske inte kan minska jordbearbetningserosion och fältarbeten som traditionellt inte betraktas som jordbearbetningsoperationer kan orsaka betydande grad av jordbearbetningserosion (t.ex. skörd för potatis). Konturbearbetning kommer att minska variationen i bearbetningshastighet och djup, vilket resulterar i minskade förändringar i jordbearbetningsförflyttning över fältet. Detta kommer också att leda till lägre jordbearbetningserosion. Dessutom kan markrörelser i nedförsbackar kompenseras genom att använda en vändbar plog för att kasta fåran uppåt. Att fysiskt flytta jord från ackumuleringsområden (t.ex. fördjupningar) till den eroderande delen av fältet (t.ex. kullar), en praxis som kallas marklandskapsrestaurering, kan mildra effekterna av jordbearbetningserosion genom att återställa markens produktivitet vid den eroderande delen av fältet.