Soil salinity assessment using directed soil sampling from a geophysical survey with electromagnetic technology : a case study

Spatial characterization of soil salinity is required for establishing salt control measurements in irrigated agriculture. For that, cost-effective, specific, rapid, and reliable methodologies for determining soil salinity in-situ and processing those data are required. This paper shows the usefulness of an integrated methodology involving a hand-held electromagnetic sensor (Geonics EM38), and the ESAP (Electrical conductivity or salinity, Sampling, Assessment and Prediction) software package to assess, predict and map soil salinity at field scale. The salinity of a 1.74 ha plot of a surface-irrigated field of Navarre, northern Spain, was analyzed by reading the bulk soil electrical conductivity (ECa) with the EM38 sensor at 180 locations. At 20 of those sites, soil core samples were taken at 0.3 m intervals to a depth of 0.9 m, and electrical conductivity of the saturation extract (ECe), saturation percentage (SP) and water content (WC) were measured. Salinity was the dominant factor influencing the EM38 readings. The multiple linear regression (MLR) calibration model predicted ECe from EM38 readings with squar R ranging from 0.38 to 0.90 for the multiple-depth profile. The ESAP software also provided field range average estimates of soil salinity. Eighty-one percent of the field had ECe values above 4 dS mE-1. The obtained salinity map was helpful to display the spatial patterns of soil salinity and identify sources/causes of salt loading.La caracterización espacial de la salinidad edáfica es necesaria para establecer medidas correctoras de la salinidad en la agricultura de regadío. Ello requiere de metodologías específicas, fiables, rápidas y rentables para cuantificar la salinidad in-situ y para el procesamiento de dichos datos. Este artículo muestra la conveniencia de un paquete integrado que incluye un sensor electromagnético portátil (EM38 de Geonics) y el paquete estadístico ESAP (cuyas iniciales significan muestreo, evaluación y predicción de la conductividad eléctrica) para analizar, estimar y cartografiar la salinidad edáfica a nivel de parcela. La salinidad de una parcela de Navarra, NE de España, de 1,74 ha, regada por inundación, fue analizada midiendo la conductividad eléctrica aparente (CEa) con el EM38 en 180 puntos. En 20 de esos puntos se muestreó suelo a las profundidades 0-30, 30-60 y 60-90 cm, y en dichas muestras se midió la conductividad eléctrica del extracto de pasta saturada (CEe), el porcentaje de saturación (PS) y el contenido de humedad (CH) del suelo. La salinidad fue el factor más influyente en las lecturas del sensor. El modelo de calibración por regresión lineal múltiple (RLM) estimó la CEe para las diferentes profundidades y para el perfil medio a partir de las lecturas del sensor con coeficientes de determinación (R al cuadrado) de 0,38 a 0,90. El programa ESAP estimó además niveles medios de salinidad para el perfil medio. El 81% de la parcela presentaba valores de CEe superiores a 4 dS mE-1. El mapa de salinidad cartografiado identificó las áreas más salinas así como posibles fuentes/causas de su salinización

Utilidad del NDVI para la discriminación de fases salinas en parcelas con cebada

En los suelos de la cuenca media del Ebro con problemas de salinidad edáfica predominan los cereales de invierno, principalmente la cebada, cultivo tolerante a sequía y salinidad. En este trabajo se estudia la utilidad del NDVI derivado de imágenes Landsat para discriminar fases salinas del suelo en parcelas de cebada, como posible herramienta para identificación y vigilancia de la salinidad edáfica. En nueve parcelas de cebada de Huesca y Navarra con diferente grado de afección por salinidad edáfica, se analiza la evolución del NDVI medio ( NDVI ) a lo largo del ciclo de cultivo y el NDVI en cuatro categorías salinas: superficies no salinas (conductividad eléctrica del extracto de pasta saturada, CEe < 4 dS m-1), ligeramente salinas (4 dS m-1 ≤ CEe ≤ 8 dS m-1), moderadamente salinas (8 dS m-1 < CEe < 16 dS m-1) y fuertemente salinas (CEe ≥ 16 dS m-1). Las mayores diferencias entre el NDVI de parcelas salinas y no salinas se detectan principalmente en abril. Se corrobora que el NDVI disminuye conforme aumenta la salinidad edáfica. Prácticamente no hay diferencias significativas entre el NDVI de superficies no salinas y ligeramente salinas; se detecta una cierta disminución, más o menos acusada según parcelas, en el NDVI en superficies moderadamente salinas, y una disminución relevante y significativa en superficies fuertemente salinas.In the central basin of the Ebro River salt-affected soils are predominantly occupied with winter cereals, mainly barley, which is a crop tolerant to drought and salinity. This work studies the utility of NDVI derived from Landsat images for discriminating soil salinity phases in barley fields, as a possible tool for identification and surveillance of soil salinity. The evolution of mean NDVI ( NDVI ) along the growing season and the NDVI in four soil salinity classes (non-saline, electrical conductivity of the soil saturation extract, ECe < 4 dS m-1; slightly saline, 4 dS m-1 ≤ ECe ≤ 8 dS m-1; moderately saline, 8 dS m-1 <ECe < 16 dS m-1; and strongly saline, ECe ≥ 16 dS m-1) were analyzed in nine barley fields with different degree of soil salinity, located in Huesca and Navarra. The highest differences between NDVI of saline and non-saline fields are detected in April. It is corroborated that NDVI decreases as soil salinity increases. Practically, there are not significant differences between NDVI of non saline and slightly saline areas; a certain decrease, more or less marked depending on parcels, is detected on NDVI for moderately saline areas, and a relevant and significant decrease on NDVI for strongly saline areas

Validación de índices espectrales para detectar salinidad edáfica en cebada mediante sensores electromagnéticos terrestres

La salinidad edáfica es un grave problema que reduce la calidad de los suelos y la producción agrícola. Para identificar áreas salinas a gran escala, la teledetección puede ser una herramienta prometedora aunque requiere calibración y validación. Este trabajo explora las posibilidades de varios índices espectrales derivados de imágenes Landsat 5 y 7 para identificar áreas salinas en parcelas con cebada. Su validación se realiza con cartografía de salinidad (conductividad eléctrica del extracto de pasta saturada, CEe) utilizada como verdad terreno, obtenida a partir de sensores electromagnéticos móviles georreferenciados (SEMG). Para ello, se pone a punto una metodología para comparar en cada parcela los índices espectrales con la CEe. Se han encontrado correlaciones significativas y negativas entre la CEe y los índices NDVI, EVI y ASTER, y correlaciones significativas y positivas entre CEe y SI. Se ha seleccionado el NDVI como índice más apropiado para caracterizar la salinidad en parcelas de cebada, ya que, además de ser uno de los que más y mejor correlacionan con la CEe, tiene fácil interpretación y es el más utilizado en bibliografía.Soil salinity is a severe problem reducing soil quality and agricultural production. Remote sensing has been shown as a promising tool for identifying soil salinity at big scales, even though it requires calibration and validation. This work explores the possibilities of several spectral indices derived from Landsat 5 and 7 images for identifying salt-affected areas in barley fields. Their validation is made with soil salinity mapping (mapping of electrical conductivity of the soil saturation extract, ECe), used as ground truth, and obtained with mobile and georeferenced electromagnetic sensors. For that, a methodology is set up to compare, at each parcel, the spectral indices with ECe. Significant and negative correlations have been found between soil salinity (ECe) and NDVI, EVI and ASTER indices, and significant and positive correlations between ECe and SI. NDVI has been selected as the most appropriate index for characterizing soil salinity in barley fields, because, besides being one of the most and best correlated with ECe, it is easy to interpret and is the most used in the literature

Evaluation of aggregate microstructures following natural regeneration in bauxite residue as characterized by synchrotron-based X-ray micro-computed tomography

Bauxite residue often has poor physical conditions which impede plant growth. Native plant encroachment on a bauxite residue disposal area in Central China reveals that natural regeneration may improve its physicochemical properties. Residue samples collected from three different disposal ages were assessed to evaluate residue micromorphology and three-dimensional (3D) aggregate microstructure under natural regeneration. The residue aggregates in different disposal ages were divided in two sections: macro-aggregate (2–1 mm) and micro-aggregate (0.25–0.05 mm). Residue aggregate micromorphology was determined by scanning electron microscope and energy dispersive X-ray spectroscopy, and the residue aggregate microstructure was determined by synchrotron-based X-ray micro-computed tomography (SR-μCT) and image analysis techniques. Natural regeneration may improve residue aggregate stability and form a stable aggregate structure. Calcium content increased whilst sodium content decreased significantly on the surface of residue aggregates. Under natural soil-forming processes bauxite residue porosity, specific surface area, average length of paths, and average tortuosity of paths all significantly increased. This demonstrated that natural regeneration may stimulate the formation of stable aggregate structure in residues. Further understanding should focus on particle interaction forces and agglomeration mechanisms with the addition of external ameliorations

Efecto de la concentración y composición del electrolito sobre la floculación y dispersión de arcillas de suelos de zonas áridas

12 Pag., 3 Tabl., 4 Fig.[EN] Soil structure is affected by the floccularion-dispersion behaviour of the clay fraction and is of major concern in the irrigation of arid-zone soils. The dispersion characteristics of seven calcareous, arid-zone soils of the Ebro river basin (Spain) were determined upon reaction with solutions of variable electrolyte concentration (C), sodium adsorption ratio (SAR) with either Ca or Mg as the divalent counter-ion, and pH. The turbidity (T) of the supernatant soil solution was linearly related (E < 0.01) with the amount of dispersed clay, and was used as a reliable index of dispersion. The flocculation value (FV) and the stability index (SI) were estimated from the piecewise linear response function established between the turbidity and the electrolyte concentration values of a given SAR. FV increased and SI values decreased as SAR increased. The FVs were much greater than the values reported in the literature for the corresponding reference clays. Similar EV and SI values were obtained using Ca or Mg as counter-ions. The negative effect of increasing pH values on the enhancement of clay dispersion was only important for electrolyte concentrations below te PV. The PV and SI values and the pH effect varied substantially among these arid-zone soils whieh were of similar mineralogy (mica and chlorite as predominant clays), indicating that other unknown variables had an important effect on their dispersive behaviour.[ES] La estructura del suelo está afectada por el comportamiento floculante y dispersivo de la fracción arcilla y es de interés relevante en relación con el riego de los suelos de las zonas áridas. Las características dispersivas de siete suelos calcáreos de la cuenca del río Ebro (España) se determinaron a través de su reacción con soluciones de distinta concentración salina (C), distinta relación de adsorción del sodio (SAR) con Ca o Mg como cationes, y distinto pH. La turbidez (T) de la solución del suelo sobrenadante estaba linealmente relacionada (P<O,Ol) con la cantidad de arcilla dispersa, por lo que se utilizó como un índice consistente de dispersión. El valor de floculación (1W) y el índice de estabilidad (SI) se estimaron a partir de la función de respuesta lineal establecida entre la turbidez y la concentración del electrolito de un SAR dado. El FV aumentó y el SI disminuyó conforme aumentó el SAR. Los valores de PV fueron mucho mayores que los dados en la literatura para las arcillas de referencia correspondientes. Los valores de PV y SI obtenidos con Ca y Mg fueron similares. El efecto negativo del incremento de la dispersión de las arcillas derivado del incremento del PH fue únicamente importante para concentraciones del electrolito inferiores al FV. Los valores de PV y SI y el efecto del pH variaron sustanciaimente entre estos suelos de mineralogía similar (mica y clorita como arcillas predominantes), indicando que otras variables indeterminadas tienen un efecto importante sobre el comportamiento dispersivo de los mismos.Thanks are given to the Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria for supporting this research, and to the Consejo Asesor de Investigación (Diputación General de Aragón) for the fellowship that provided funding for E. Amézketa.Peer reviewe

Hydraulic conductivity, dispersion and osmotic explosion in arid-zone soils leached with electrolyte solutions

7 Pags.- 3 Tabls.- 2 Figs.The maintenance of an appropriate soil structure and favorable soil hydraulic conductivity (HC) is critical for the sustainability of irrigated soils. Clay dispersion and/or swelling satisfactorily explain the observed reductions in HC at relatively low electrolyte concentrations (C) and/or relatively high sodium adsorption ratios (SAR). However, uncertainties still remain with regard to the mechanisms responsible for observed reductions in HC at relatively high C and/or low SAR values. Our objective was to determine the effect of a range of C and SAR values on clay dispersion and HC of four calcareous, micaceous, arid-zone soils and to ascertain the contribution of the osmotic explosion effect to the observed HC reductions at high electrolyte concentrations. We determined the saturated HC and clay dispersion in the leachates of soil and soil:sand (1:2 w/w) columns equilibrated at successively diluted electrolyte concentrations of 500, 100, 50, 10, 5, 3, and 1 meq L-1 of SAR 0 and 10 (meq L-1)0.5, followed by deionized water (C < 0.01 meq L-1). The observed decreases in HC at C levels below the flocculation value (FV, i.e., minimum C without clay dispersion) of these soils were attributed to clay dispersion and partial plugging of conducting pores. A total dispersed clay of less than 2 g kg-1 soil (i.e., less than 0.8% of the total soil clay in the column) was responsible for a cumulative 72% reduction in HC, indicating that very small quantities of dispersed clay had a dramatic effect on the water-conducting properties of these soils. Significant decreases in HC also occurred at C levels well above those at which dispersed clay appeared in the leachate. The estimated threshold electrolyte concentrations (Ct at which HC starts to decrease) were higher than the corresponding FV of these soils, indicating that clay dispersion was not responsible for the observed reductions in HC. The steepest reductions in HC originated in systems where the steepest concentration gradients developed between the micropores and the macropores (i.e., in the soil:sand columns, close to the advancing front of the displacing solution and for changes in electrolyte concentrations from 500 to 100 meq L-1). We concluded that an osmotic explosion effect (i.e., the osmotic water movement into, macroscopic swelling within, and the destruction or slaking of the aggregate) was responsible for the observed HC reductions at these high electrolyte concentrations.Research was supported by the Instituto Nacional de Investigacion y Tecnologia Agraria y Alimentaria (INlA) and the Consejo Asesor de Investigacion (Diputacion General de Aragon).Peer reviewe

Sistemas piloto de vigilancia de la salinidad edáfica en la Cuenca media del Ebro (CME)

Copia .pdf en a-3 del orginal (1 Póster, con 1 Tabl, Figs.). Presentado en las XXVIII Reunión de la Sociedad Española de la Ciencia del Suelo (Barcelona, 4-7 septiembre 2011).La salinidad edáfica es un serio problema de la agricultura de regadío que reduce la calidad del suelo, el rendimiento de las cosechas y la gama de cultivos. Su prevención y mitigación requiere el establecimiento de inventarios y sistemas de vigilancia. La monitorización periódica de áreas salinas es esencial para el desarrollo de estrategias de manejo y recuperación. Este trabajo presenta una propuesta de sistema piloto de vigilancia de la salinidad edáfica en zonas de regadío de la cuenca media del Ebro. Los objetivos específicos son (1) seleccionar áreas a monitorizar (RedSAL) y (2) definir los aspectos más relevantes del sistema de vigilancia. El estudio se ha realizado en Navarra (13 municipios de la zona media, con 70.000 ha, un 25% de ellas en proceso de transformación en regadío entre 2008-2011), y en Aragón (3.400 ha de regadío en Huesca). En Navarra, la selección de RedSALs se ha realizado mediante el cruce de (a) mapas de áreas con riesgo de presentar salinidad primaria (establecido a partir del modelo digital del terreno y capas adicionales), (b) mapas de áreas afectadas por salinidad (E 1:25.000) y (c) mapas de zonas a transformar en regadío en el sistema Itoiz-Canal de Navarra. Se preseleccionaron 32 zonas, se visitaron en campo y finalmente se han seleccionado 9 RedSALs con una superficie de 267 ha. En Aragón, a partir del mapa de áreas afectadas por salinidad (E 1:25.000) y un conocimiento detallado de la zona de estudio, se han seleccionado 5 RedSALs, 4 a modernizar en el futuro (paso de riego por inundación a presión) y 1 ya modernizada, con una superficie total de 85 ha. Se han analizado los aspectos más relevantes del sistema de vigilancia (metodologías, frecuencia de monitorización, entregables, etc.), y se ha establecido el protocolo para elaborar mapas de salinidad a partir de lecturas tomadas con sensores electromagnéticos móviles georreferenciados (SEMG). En 2010 y 2011 se han elaborado mapas de salinidad con dichos equipos en las RedSALs seleccionadas (en el caso de Navarra, antes o en el momento de su transformación en regadío), que suponen la referencia para el establecimiento de tendencias en el espacio y tiempo mediante su monitorización periódica (cada 5 años en principio). Este seguimiento permitirá seleccionar los cultivos más apropiados y analizar el impacto ambiental de la transformación (Navarra) o modernización (Aragón) del regadío.Peer reviewe

Desarrollo de un infiltrómetro automático y su aplicación en campo

La cuantificación de la tasa de infiltración del agua en el suelo es de gran interés para el diseño eficiente de los sistemas de riego y en estudios medioambientales y edáficos relacionados con la determinación de la erosión del suelo, el análisis de su susceptibilidad al encostramiento y la recuperación de los suelos afectados por sales. El elevado tiempo que exigen los métodos clásicos de medida de la tasa de infiltración limita el número de ensayos y el análisis de la elevada variabilidad espacial inherente a este atributo, por lo que es necesario disponer de nuevos métodos automatizados más rápidos y precisos. Este trabajo presenta el desarrollo de un nuevo infiltrómetro automático (IA) de campo y su aplicación al análisis de la infiltración característica de siete suelos de la cuenca media del Ebro. Se han construido y puesto a punto 18 IA. Para el conjunto de estos IA, el 94 % de los errores entre los valores computados y medidos manualmente fueron inferiores a 0,6 mm, y el 100 % inferiores a 1 mm. Cinco suelos presentaron infiltraciones finales (IF) moderadamente lentas (entre 18 y 6 mm h¿1), consideradas adecuadas para el riego por superficie, y los dos suelos restantes presentaron IF lentas (< 4 mm h¿1), insuficientes para el riego por superficie y con un riesgo elevado de encharcamiento, escorrentía y erosión. Las IF de los suelos estudiados presentaron una elevada variabilidad espacial (CV de las IF medias entre 30 y 122 %). La infiltración de estos suelos se vio afectada por su encostramiento superficial, el origen químico o físico del sellado superficial y la baja permeabilidad de algunos de los horizontes sub-superficiales. La conclusión general de este trabajo es que el IA es una excelente herramienta de trabajo para la cuantificación en campo de la infiltración del agua en el suelo