耕うん侵食

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耕うんの浸食により丘の頂上が侵食された

耕作侵食は、耕作による土壌の移動により耕作地で発生する土壌侵食の一形態です[1] [2]耕作侵食は農地の主要な土壌侵食プロセスであり、世界中の多くの分野、特に傾斜地や丘陵地で水や風による侵食を上回っているという証拠が増えています[3] [4] [5 ]多くの水侵食ハンドブックやパンフレットに示されている土壌侵食の特徴的な空間パターンである侵食された丘の頂上は、実際には耕作侵食によって引き起こされます。[6] [1] [3]耕うんの侵食は土壌の劣化を招き、それが作物の収穫量の大幅な減少につながる可能性があり、したがって農場の経済的損失につながる可能性があります。[7] [8]

転換テラスのある畑での耕うん侵食

物理的プロセス

概念的には、耕うん侵食(E Ti)のプロセスは、耕うん侵食性(ET)と景観侵食性(EL)の関数として説明できます。 [9]

E Ti = f(ET、EL)

耕うん侵食性(ET)は、耕うん作業または一連の操作が土壌を侵食する傾向として定義され、耕うん器具の設計と操作(たとえば、耕うんツールのサイズ、配置、形状、耕うん)の影響を受けます。速度と深さ)。景観侵食性(EL)は、耕作によって侵食される景観の傾向として定義され、景観の地形(たとえば、傾斜勾配や傾斜曲率)および土壌特性(たとえば、テクスチャ、構造、かさ密度、土壌水分含有量)の影響を受けます。 )。

耕うん侵食は、畑を横切る耕うん転流(耕うんによる土壌移動)の変化の結果として発生します。耕うん転座は、勾配勾配(θ)と勾配曲率(φ)の一次関数として表されます。[9]

TM =α+βθ + γφ

ここで、 TMは耕うん転流です。αは平坦な土壌表面での耕うんの転流です。βとγは、それぞれ傾斜勾配と傾斜曲率から生じる追加の転座を表す係数です。次に、正味の耕うん転流である耕うん侵食は、次のように計算されます。

TMネット=ΔTM = βΔθ + γΔφ

耕作地の単位面積Aの場合、耕うん作業の耕うん侵食率は次のように計算できます。

E Ti =(T M out – T M in)/ A = [β(θout - θin +γ(φout - φin ] / A

ここで、E Tiは、耕うん作業の耕うん侵食率です。T M outは、出て行く耕うんの転流またはAから移動する土壌の量です。T M inは、流入する耕うんの転流またはAに移動する土壌の量です。θoutは耕うん方向に沿った下り勾配勾配、θin耕うん方向に沿った流入勾配勾配です。φout耕うん方向に沿った下り勾配の曲、φinは耕うん方向に沿った流入勾配の曲率です。

空間パターン

耕作地で観察される耕作侵食の典型的な空間パターンは、局所的な地形に関連しています。丘の頂上からの土壌損失(凸面)と窪地での土壌蓄積(凹面)またはフィールド境界関連:フィールド境界の下側からの土壌損失とフィールド境界の上側での土壌蓄積[3] [6]局所的な地形に関連する耕作侵食は、有機物が豊富な表土の喪失によりしばしば明るい土壌色を示す、侵食された丘の頂上があるハンモックの風景で最も顕著です。この現象は、しばしば誤って水の侵食の結果であると想定されます。畑の境界に関連する耕うん侵食は、地形だけでなく耕うんの方向によっても決定され、耕うんの土手や段丘の形成に関与します。[10] [11]


測定

耕うんの侵食は、耕うんの転流の測定または土壌の損失と蓄積の測定によって測定できます。[12]耕うん転流は通常、区画内の土壌に組み込まれているトレーサーを使用して測定されます。耕うん前後のトレーサーの分布は、耕うん転流を計算するために使用されます。2種類のトレーサー、ポイントトレーサー、[13] [14] [15] [16]とバルクトレーサー[17] [18] [19] [20] [21]使用されています。ポイントトレーサーは実装が簡単ですが、バルクトレーサーは転流プロセス中の土壌の分散に関するより多くの情報を提供できます。耕うん侵食による土壌損失と堆積は、表面標高の変化から推定することができます。たとえば、耕作地の標高は、柵の線や生け垣など、侵食されていない隣接する参照オブジェクトと比較できます。表面の標高の低下は土壌の損失を示し、標高の上昇は土壌の蓄積の証拠です。標高の変化は、RTK GPSトータルステーション、近距離写真測量などの高精度の地形測量技術を使用して、土壌表面の標高を繰り返し測定することによっても決定できます。土壌の損失と蓄積を推定する別の方法は、土壌有機物含有量などの土壌特性の変化を測定することです。ただし、土壌有機物は多くの要因の影響を受ける可能性があるため、信頼性の高い方法ではありません。1980年代以降、Cs-137やPb-210などの放射性同位元素は、はるかに正確な土壌侵食の推定値を提供するために使用されてきました。[22] [23] [24] [25]

モデリング

ヒルスロープモデル(一次元)

  • 耕うん侵食リスク指標(TillERI[7]は、カナダの全国規模で農地の耕うん侵食のリスクを推定するために使用される単純化された耕うん侵食モデルです。これは、国家農業環境健康分析および報告プログラム(NAHARP)の下で開発された農業環境指標の一部としての侵食指標の1つです入力データには、丘陵斜面の長さ、侵食セグメントの勾配勾配、および耕うん作業の侵食性(β値)が含まれます。モデルからの出力データには、侵食セグメントでの耕うん侵食率と、その丘陵斜面の耕うん侵食のリスクレベルが含まれます。
  • 耕うん侵食予測(TEP)モデル[26] [27]は、個々の耕うん作業のために、フィールドトランセクトを横切る個々の丘陵斜面セグメントの正味の土壌移動を計算するように設計されています。入力データには、丘陵斜面のセグメントの標高、勾配勾配、セグメントの長さ、および耕うん作業の侵食性(β値)が含まれます。モデルからの出力データには、耕うん侵食率と標高の変化が含まれます。
  • 耕うん転流モデル(TillTM[28]は、耕うん転流プロセスをシミュレートし、耕うんによって誘発される土壌質量とトランセクトに沿った土壌成分の再分布を予測するために使用されます。これは、耕うん転流プロセス中の土壌の垂直方向と水平方向の両方の混合を考慮に入れています。

フィールドスケールモデル(2次元)

  • 水と耕うんの侵食モデル(WaTEM[6] [29]は、数値標高モデル(DEM)の各グリッドノードでの水と耕うんの侵食率の両方を計算するために設計されたモデルです。WaTEMの耕うん侵食コンポーネントは、拡散タイプの方程式を使用してDEMでの土壌の再分布をシミュレートし、耕うんのパターンに関係なく、すべての土壌転流が最も急な斜面の方向に発生すると想定します。
  • 耕うんによる土壌再分配(SORET)モデル[30]は空間分布タイプであり、フィールドスケールでDEMの土壌再分配の3Dシミュレーションを実行できます。単一の耕作操作のコンピューターシミュレーションを介して、特定の景観における耕作のさまざまなパターンから生じる土壌の再分布を予測でき、繰り返し操作の長期的な影響を予測することもできます。耕うんパターン(方向)を考慮し、耕うん方向に平行および垂直な方向の耕うん転流を計算できます。
  • 耕うん侵食モデル(TillEM[31]は、耕うんの方向に平行および垂直の線に沿ったDEMのグリッドノードのポイント耕うん侵食率を計算します。これは、SORETと非常によく似た前方および横方向の耕うん転座を表します。モデル。違いは、TillEMが耕うん転流に対する傾斜曲率変動(γ値)の影響を考慮に入れていることです。
  • 指向性耕うん侵食モデル(DirTillEM[32]は、TillEMのアップグレードバージョンです。DirTillEMは、DEM内の各セルの4つの方向のそれぞれで流入および流出する土壌を計算し、すべての流入および流出する土壌を合計することによって、そのセルの耕うん侵食を決定します。この計算構造により、DirTillEMは各セルを個別に処理できるため、複雑な耕うんパターン(円形パターンなど)や不規則な畑の境界の下で耕うんの侵食をシミュレートできます。
  • 耕うん転流のセルオートマトンモデル(CATT[33]は、耕うん転流によるセルとその隣接セルとの間の局所的な相互作用を順次計算するセルオートマトンモデルを介して、耕うんによって引き起こされる圃場での土壌再分布をシミュレートします。

効果

土壌の劣化

耕うんの侵食は、畑の侵食部分から肥沃な表土の喪失を引き起こします。[3] [34]表土層が薄くなるにつれて、その後の耕作作業は下層土を育て、それを耕作層に混ぜ合わせます。この垂直方向の混合により、畑の侵食部分で土壌が劣化します。さらに、畑の侵食部分の劣化した土壌は、耕うんの転流によって隣接する地域に水平に混合されます。[28]時間の経過とともに、垂直方向と水平方向の混合により、耕うんの転流により、下層土が侵食された部分から、耕うんの蓄積領域を含むフィールド全体に広がります。  

作物の生産性の低下

下層土は、作物の成長にとって望ましくない土壌特性を持っていることがよくあります(たとえば、有機炭素が少ない、構造が悪い)。耕うんの侵食により下層土が耕うん層に混入すると、作物の生産性に悪影響を及ぼします。このような作物の生産性の低下による損失は、被害が長続きし、土壌の質を元のレベルに戻すために多大な労力を要することを考えると、莫大なものです。[7] [8]

環境への影響と温室効果ガスの排出

耕うんの侵食により土壌が劣化するため、栄養素の損失やGHG排出量の増加などの環境問題を引き起こす可能性があります。[35] [36] [37]特に炭素隔離の場合、侵食部分の劣化した土壌は炭素隔離を減らす可能性があるが、土壌蓄積領域の表土の埋没は炭素隔離のための大きなシンクを作成する[38]。

地形の進化と地形的特徴の作成

耕うん侵食は、多くの農業分野における地形進化の主要なプロセスです。[39] [1]凸面と凹面を平らにし、畑の境界に沿って耕うん壁と土手を作成します[10] [40]一貫したパターンで、平らな畑に地形的特徴を作成することもできます。たとえば、一方向耕うん装置(たとえば、型板プラウ)を長年にわたって円形パターンで使用すると、フィールドの中央に「>-<」パターンの溝が作成される可能性があります。[32]

他の侵食プロセスとのつながりと相互作用

耕作地は耕作侵食だけでなく、水や風による侵食も受けます。[1] [7]これらの侵食プロセスの間には関連性と相互作用があります。[41] [31]リンケージと相互作用は、それぞれ、異なる侵食プロセス間の相加効果と非相加効果を指します。総土壌侵食は、異なる侵食プロセス間の正と負のつながりのために、それぞれ増加または減少する可能性があります。[6] [37]相互作用は、ある侵食プロセスが別の侵食プロセスの景観の侵食性を変更する場合、または1つのプロセスが別の侵食プロセスの配信メカニズムとして機能する場合に発生します。たとえば、耕うんの侵食によって引き起こされる土壌の劣化は、水や風による侵食に対する土壌の侵食性を高める可能性があります。別の例は、水浸食された水路、特に一時的なガリー周辺の耕うんと水浸食の間の相互作用です。耕うんは、これらの水路や一時的なガリーを排除するためによく使用されます。耕うんの転流は、本質的に、水による侵食の影響を最も受けやすい地域に土壌を輸送するための配送メカニズムとして機能します。[4]

緩和策

耕うんの強度を下げることにより、耕うんの侵食を軽減することができます。[4]これには、耕うんの頻度、耕うんの速度と深さ、および耕うん器具のサイズを減らすことが含まれます。しかし、水の浸食を減らすように設計された保全耕うん装置は、耕うんの浸食を減らすことができない可能性があり、伝統的に耕うん作業とは見なされていなかった野外作業は、かなりの量の耕うん侵食を引き起こす可能性があります(たとえば、ジャガイモの収穫)。[42] 等高線耕うんは、耕うんの速度と深さの変動を減らし、その結果、畑を横切る耕うんの転流の変化を減らします。これはまた、より低い耕うん侵食につながります。さらに、土の下り坂の動きは、リバーシブルモールドボードプラウを使用して溝の上り坂を投げることによって補償することができます。[43][1]土壌を堆積領域(たとえば、窪地)から畑の侵食部分(たとえば、丘の頂上)に物理的に移動させることは、土壌景観回復と呼ばれる手法であり、フィールド。[43] [1]

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