Toprak işleme erozyonu - Tillage erosion
Toprak işleme erozyonu , ekili alanlarda toprağın toprak işleme yoluyla hareketi nedeniyle meydana gelen bir toprak erozyonu şeklidir . Toprak işleme erozyonunun tarım arazilerinde önemli bir toprak erozyonu süreci olduğuna ve dünyanın birçok yerinde, özellikle eğimli ve tepelik arazilerde su ve rüzgar erozyonunu geride bıraktığına dair artan kanıtlar vardır. Broşürler, yani aşınmış tepeler, aslında toprak işleme erozyonundan kaynaklanır, çünkü su erozyonu esas olarak tepelerde değil, bir yamacın orta ve alt yamaç bölümlerinde toprak kayıplarına neden olur. Toprak işleme erozyonu, mahsul veriminde önemli düşüşe ve dolayısıyla çiftlik için ekonomik kayıplara yol açabilen toprak bozulmasına neden olur.
Fiziksel süreç
Kavramsal olarak, toprak işleme erozyonu (E Ti ) süreci, toprak işleme erozivitesinin (ET) ve peyzaj aşınabilirliğinin (EL) bir fonksiyonu olarak tanımlanabilir :
E Ti = f(ET, EL)
Toprak işleme aşındırıcılığı (ET), bir toprak işleme işleminin veya bir dizi işlemin toprağı aşındırma eğilimi olarak tanımlanır ve toprak işleme aletinin tasarımından ve çalışmasından etkilenir (örneğin, toprak işleme aletlerinin boyutu, düzeni ve şekli, toprak işleme hız ve derinlik). Peyzaj aşınabilirliği (EL), bir peyzajın toprak işleme tarafından aşındırılma eğilimi olarak tanımlanır ve peyzaj topografyasından (örneğin, eğim gradyanı ve eğim eğriliği) ve toprak özelliklerinden (örneğin, doku, yapı, kütle yoğunluğu ve toprak nem içeriği) etkilenir. ).
Toprak işleme erozyonu , tarla boyunca toprak işleme translokasyonundaki (toprak işleme ile toprak hareketi) değişikliklerin bir sonucu olarak ortaya çıkar . Toprak işleme yer değiştirmesi, eğim gradyanının (θ) ve eğim eğriliğinin (φ) doğrusal bir fonksiyonu olarak ifade edilir:
T M = α + β θ + γ φ
burada TM toprak işleme translokasyonudur; α, düz toprak yüzeyinde toprak işlemenin yer değiştirmesidir; β ve γ, sırasıyla eğim gradyanından ve eğim eğriliğinden kaynaklanan ek yer değiştirmeyi tanımlayan katsayılardır. Net toprak işleme yer değiştirmesi olan toprak işleme erozyonu daha sonra şu şekilde hesaplanır:
T M Net = ΔT M = β Δθ + γ Δφ
Ekili bir alanda A birim alanı için, bir toprak işleme operasyonu için toprak işleme erozyon oranı şu şekilde hesaplanabilir:
E Ti = (T E üzerinden - T M içinde ) / A = [β (θ üzerinden - θ içinde ) + γ (φ üzerinden - φ olarak )] / A
burada E Ti , toprak işleme işlemi için toprak işleme erozyon oranıdır; T M üzerinden giden ziraat translokasyon veya A dışarı hareket toprak miktarı; ve TM in , gelen toprak işleme translokasyonu veya A'ya hareket eden toprak miktarıdır; θ out , toprak işleme yönü boyunca giden eğim gradyanı, θ in , toprak işleme yönü boyunca gelen eğim gradyanı; cp üzerinden , φ ziraat yönü boyunca giden eğim eğikse de ziraat yönü boyunca gelen eğim bir eğrilik.
mekansal desenler
Ekili alanlarda gözlemlenen tipik toprak işleme erozyonunun mekansal modelleri ya yerel topografya ile ilgilidir: tepelerden (dışbükeylikler) toprak kaybı ve çöküntülerde (içbükeylikler) toprak birikmesi ; veya tarla sınırı ile ilgili: bir tarla sınırının aşağı tarafından toprak kaybı ve bir tarla sınırının üst tarafında toprak birikmesi . Yerel topografyaya bağlı toprak işleme erozyonu en çok, organik açıdan zengin üst toprağın kaybı nedeniyle genellikle hafif bir toprak rengi sergileyen aşınmış tepelere sahip alçak arazilerde belirgindir; bu fenomenin genellikle yanlışlıkla su erozyonunun sonucu olduğu varsayılır. Toprak işleme erozyonu ile ilgili toprak işleme erozyonu sadece topoğrafya ile değil, aynı zamanda toprak işleme yönleriyle de belirlenir ve toprak işleme bankları ve terasların oluşumundan sorumludur.
Ölçüm
Toprak işleme erozyonu, toprak işleme yer değiştirmesinin ölçülmesi veya toprak kaybı ve birikiminin ölçülmesi yoluyla ölçülebilir. Toprak işleme translokasyonu normal olarak parsellerde toprağa dahil edilen bir izleyici ile ölçülür. Toprak işlemenin yer değiştirmesini hesaplamak için toprak işlemeden önceki ve sonraki izleyici dağılımları kullanılır. İki tür izleyici, nokta izleyici ve toplu izleyici kullanılmaktadır. Nokta izleyicilerin uygulanması kolay olsa da, toplu izleyiciler, yer değiştirme işlemi sırasında toprağın dağılımı hakkında daha fazla bilgi sağlayabilir. Toprak işleme erozyonu ile toprak kaybı ve birikimi, yüzey yüksekliğindeki değişikliklerden tahmin edilebilir. Örneğin, ekilmiş bir tarlanın yüksekliği, çit hattı veya çit gibi aşındırılmamış bitişik bir referans nesnesiyle karşılaştırılabilir. Yüzey kotundaki azalmalar toprak kayıplarını gösterirken, kottaki artışlar toprak birikimlerinin kanıtıdır. RTK GPS , total station ve yakın mesafe fotogrametrisi gibi yüksek doğrulukta topoğrafik etüt teknikleri ile toprak yüzeyi kotlarının tekrarlı ölçümleri alınarak kot değişimi de belirlenebilir . Toprak kaybını ve birikimini tahmin etmenin başka bir yolu, toprak organik madde içeriği gibi toprak özelliklerindeki değişiklikleri ölçmektir. Ancak toprak organik maddesi birçok faktörden etkilenebildiği için çok güvenilir bir yöntem değildir. 1980'lerden beri, Cs-137 ve Pb-210 gibi radyoizotoplar, çok daha doğru toprak erozyonu tahminleri sağlamak için kullanılmıştır.
modelleme
Hillslope modeli (tek boyutlu)
- Toprak Sürme Erozyon Risk Göstergesi ( TillERI ), Kanada'da ulusal ölçekte tarım arazilerinde toprak işleme erozyonu riskini tahmin etmek için kullanılan basitleştirilmiş bir toprak işleme erozyonu modelidir. Ulusal Tarımsal-Çevre Sağlığı Analiz ve Raporlama Programı (NAHARP) kapsamında geliştirilen Tarımsal-Çevre göstergelerinin bir parçası olan erozyon göstergelerinden biridir . Girdi verileri, yamaç uzunluğunu, aşınan segmentin eğim eğimini ve toprak işleme işlemlerinin aşındırıcılığını (β değeri) içerir. Modelden elde edilen çıktı verileri, erozyon segmentindeki toprak işleme erozyonu oranını ve bu yamaç için toprak işleme erozyonu risk seviyesini içerir.
- Toprak İşleme Erozyon Tahmini ( TEP ) modeli, bireysel toprak işleme operasyonları için bir tarla kesiti boyunca tek tek tepe eğimleri bölümleri için net toprak hareketini hesaplamak üzere tasarlanmıştır. Girdi verileri, tepe eğimi segmenti yüksekliğini, eğim eğimini ve segment uzunluğunu ve ayrıca toprak işleme işlemlerinin erozivitesini (β değeri) içerir. Modelden elde edilen çıktı verileri, toprak işleme erozyon oranını ve yükseklik değişimini içerir.
- Toprak İşleme Yer Değiştirme Modeli ( TillTM ), toprak işleme yer değiştirme sürecini simüle etmek ve bir kesit boyunca toprak işlemenin neden olduğu toprak kütlesini ve toprak bileşeninin yeniden dağılımını tahmin etmek için kullanılır. Toprak işleme translokasyon işlemi sırasında toprağın hem dikey hem de yatay karışımını hesaba katar.
Alan ölçekli model (iki boyutlu)
- Su ve Toprak İşleme Erozyon Modeli ( WaTEM ), Sayısal Yükseklik Modeli'nde (DEM) her bir ızgara düğümünde hem su hem de toprak işleme erozyon oranını hesaplamak için tasarlanmış bir modeldir. WaTEM'in toprak işleme erozyonu bileşeni, difüzyon tipi bir denklem kullanarak DEM'deki toprak yeniden dağılımını simüle eder ve toprak işleme modelinden bağımsız olarak tüm toprak yer değiştirmesinin en dik eğim yönünde gerçekleştiğini varsayar.
- Toprak İşleme Yoluyla Yeniden Dağılım ( SORET ) modeli mekansal dağılım tipindedir ve arazi ölçeğinde SYM'lerde toprak yeniden dağılımının 3 boyutlu simülasyonlarını gerçekleştirebilir. Tek bir toprak işleme işleminin bilgisayar simülasyonu yoluyla belirli bir arazide farklı işleme modellerinden kaynaklanan toprağın yeniden dağılımını tahmin edebilir ve ayrıca tekrarlanan işlemlerin uzun vadeli etkilerini tahmin edebilir. Toprak işleme düzenini (yönleri) dikkate alır ve toprak işleme yönüne paralel ve dik yönlerde toprak işleme yer değiştirmesini hesaplayabilir.
- Toprak İşleme Erozyon Modeli ( TillEM ), bir DEM'in ızgara düğümlerinde, toprak işleme yönüne hem paralel hem de dik olan çizgiler boyunca nokta-toprak işleme-erozyon oranlarını hesaplar ve SORET modeline çok benzeyen ileri ve yanal toprak işleme yer değiştirmesini temsil eder. Aradaki fark, TillEM'in toprak işleme yer değiştirmesi üzerindeki eğim eğrilik değişimlerinin (γ değeri) etkilerini hesaba katmasıdır.
- Yönlü Toprak İşleme Erozyon Modeli ( DirTillEM ), TillEM'in yükseltilmiş bir versiyonudur. DirTillEM, bir DEM'deki her hücre için dört yönün her birinde gelen ve giden toprağı hesaplar ve gelen ve giden tüm toprağı toplayarak o hücre için toprak işleme erozyonunu belirler. Bu hesaplama yapısı, DirTillEM'in karmaşık toprak işleme modelleri (örn. dairesel model) veya düzensiz alan sınırları altında toprak işleme erozyonunu simüle edebilmesi için her hücreyi bağımsız olarak işlemesine olanak tanır.
- Toprak İşleme Yer Değiştirme ( CATT ) için Hücresel Otomata modeli, toprak işlemenin neden olduğu bir alanda toprağın yeniden dağılımını bir Hücresel Otomata Modeli aracılığıyla simüle eder; bu model, toprak işleme translokasyonu nedeniyle bir hücre ve komşuları arasındaki yerel etkileşimleri sırayla hesaplar.
Etkileri
Toprak bozulması
Toprak işleme erozyonu, tarlanın aşınan kısmından verimli üst toprağın kaybına neden olur. Üst toprak tabakası inceldikçe, sonraki toprak işleme işlemleri alt tabaka toprağını getirecek ve onu toprak işleme tabakasına karıştıracaktır. Bu dikey karıştırma , tarlanın aşınan kısmında toprak bozulmasına neden olur . Ayrıca, tarlanın aşınan kısmındaki bozulmuş toprak, toprak işleme translokasyonu yoluyla bitişik alanlara yatay olarak karışacaktır. Zamanla, dikey ve yatay karıştırma ile, toprak işlemenin yer değiştirmesi, alt toprağın aşınan kısımdan tüm tarlaya yayılmasına neden olacaktır, buna toprak işleme birikimi alanları da dahildir.
Mahsul verimliliği kaybı
Alt toprak, ekin büyümesi için genellikle istenmeyen toprak özelliklerine sahiptir (örneğin, daha az organik karbon, zayıf yapı). Toprak işleme erozyonu nedeniyle toprak altı toprak işleme tabakasına karıştığında ürün verimliliği olumsuz etkilenecektir. Hasarın uzun sürmesi ve toprak kalitesini eski seviyesine döndürmek için büyük çaba sarf edilmesi göz önüne alındığında, bu tür mahsul verimliliği kaybından kaynaklanan kayıp çok büyüktür.
Çevresel etki ve sera gazı emisyonları
Toprak işleme erozyonu nedeniyle toprak bozulduğundan, artan besin kayıpları ve GHG emisyonları gibi bazı çevresel sorunlara yol açabilir . İçin karbon tutma aşındırma kısmında bozulmuş toprağın karbon tutma azaltabilir, ancak, özellikle de, toprak birikimi bölgelerinde üst toprak gömülme karbon bağlama için büyük bir havuzu oluşturmak
Yeryüzü biçimi evrimi ve topografik özelliklerin oluşturulması
Toprak işleme erozyonu, birçok tarım alanında yeryüzü şeklinin evrimi için baskın bir süreçtir. Dışbükeylikleri ve içbükeylikleri düzleştirir ve tarla sınırları boyunca toprak işleme duvarları ve setler oluşturur Tutarlı bir desenle düz alanlarda bile topografik özellikler oluşturabilir. Örneğin, uzun yıllar boyunca tek yönlü bir toprak işleme ekipmanı (örneğin, pervazlı pulluk) dairesel bir düzende kullanıldığında, tarlanın ortasında “>--<” desenli bir hendek oluşturabilir.
Diğer erozyon süreçleriyle bağlantılar ve etkileşimler
Ekili alanlar sadece toprak işleme erozyonuna değil aynı zamanda su ve rüzgar erozyonuna da maruz kalmaktadır. Bu erozyon süreçleri arasında bağlantılar ve etkileşimler vardır. Bağlantılar ve etkileşimler, farklı erozyon süreçleri arasındaki sırasıyla eklemeli ve eklemesiz etkilere atıfta bulunur. Farklı erozyon süreçleri arasındaki pozitif ve negatif bağlantılar nedeniyle toplam toprak erozyonu artabilir veya azalabilir. Etkileşimler, bir erozyon süreci, başka bir erozyon süreci için arazinin aşınabilirliğini değiştirdiğinde veya bir süreç, başka bir erozyon süreci için bir dağıtım mekanizması olarak çalıştığında meydana gelir. Örneğin, toprak işleme erozyonunun neden olduğu toprak bozulması muhtemelen toprağın su ve rüzgar erozyonuna karşı aşınabilirliğini artıracaktır. Diğer bir örnek, su aşınmış kanalların, özellikle de geçici olukların etrafındaki toprak işleme ve su erozyonu arasındaki etkileşimlerdir. Toprak işleme genellikle bu kanalları ve geçici olukları ortadan kaldırmak için kullanılır, burada toprak işleme yer değiştirmesi esasen toprağı su erozyonuna en duyarlı alanlara taşımak için bir dağıtım mekanizması görevi görür.
Azaltma
Toprak işleme erozyonu, toprak işleme yoğunluğunu azaltarak hafifletilebilir. Bu, toprak işleme sıklığının, toprak işleme hızının ve derinliğinin ve toprak işleme aletinin boyutunun azaltılmasını içerir. Bununla birlikte, su erozyonunu azaltmak için tasarlanmış koruyucu toprak işleme ekipmanları, toprak işleme erozyonunu azaltamayabilir ve geleneksel olarak toprak işleme operasyonları olarak kabul edilmeyen tarla çalışmaları, önemli miktarda toprak erozyonuna neden olabilir (örneğin, patates hasadı). Kontur toprak işleme, toprak işleme hızı ve derinliğindeki değişimi azaltacak, bu da tarla boyunca toprak işlemenin yer değiştirmesindeki değişiklikleri azaltacaktır. Bu aynı zamanda daha düşük toprak işleme erozyonuna yol açacaktır. Ek olarak, toprağın eğim aşağı hareketi, karık yukarıya atmak için ters çevrilebilir bir bıçaklı pulluk kullanılarak telafi edilebilir. Toprağın birikme alanlarından (örneğin çöküntüler) tarlanın aşınan kısmına (örneğin tepeler) fiziksel olarak taşınması, toprak peyzaj restorasyonu olarak adlandırılan bir uygulama, tarlanın aşınan kısmında toprak verimliliğini eski haline getirerek toprak işleme erozyonunun etkisini azaltabilir.