本文描述了一个占地1,000 m2的实验设施的设计、构建与功能,该设施包含24个独立的33.6 m2田间小区,配备可按时间记录总径流体积的系统,并可在选定时间间隔采集径流子样本,用于量化模拟家庭草坪产生的径流水中化学成分的含量。
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本文描述了一个占地1,000 m2的实验设施的设计、构建与功能,该设施包含24个独立的33.6 m2田间小区,配备可按时间记录总径流体积的系统,并可在选定时间间隔采集径流子样本,用于量化模拟家庭草坪产生的径流水中化学成分的含量。
随着城市人口的增加,城市景观灌溉面积也随之扩大。由于景观灌溉需求增加,城市地区夏季用水量可达冬季基础用水量的2至3倍。不合理的灌溉方式以及强降雨事件可能导致城市景观区域产生径流,径流可能携带养分和沉积物进入当地溪流和湖泊,进而引发水体富营养化。为此建立了一个1,000 m2的试验设施,包含24个独立的33.6 m2的田间小区,每个小区均配备系统以测量径流总量随时间的变化,并在选定时间间隔采集径流子样本,用于量化模拟城市景观径流水中化学成分的含量。第一次和第二次试验的径流体积变异系数(CV)分别为38.2%和28.7%。两次试验中径流pH、电导率(EC)和Na浓度的CV值均低于10%。两次试验中DOC、TDN、DON、PO4-P、K+、Mg2+和Ca2+的浓度CV值均小于50%。总体而言,设施在草坪铺设后进行的测试结果表明,各小区之间的径流体积和化学成分具有良好的一致性。较大的小区面积足以涵盖大部分自然变异性,因此能够更好地模拟城市景观生态系统。
美国南部亚热带气候区分布着四个增长最快、人口最密集的大都市区1。此外,1982年至1997年间,美国南部的城市化土地面积增幅最大1。随着城市区域的扩大,对饮用水的需求也相应增加 ,其中大部分水在夏季用于户外用途2。在新建建筑中,通常会安装可编程的地下灌溉系统。然而,这些系统往往被设置为对城市景观进行过于频繁和/或超出景观蒸散需求的灌溉量2。这导致城市景观产生大量径流排入受纳水体,从而引发所谓的“城市溪流综合征”3。“城市溪流综合征”的症状包括地表径流和侵蚀性水流频率增加、氮(N)、磷(P)、有毒物质和水温升高,以及河道形态、淡水生物和生态系统过程的变化3。
农业生态系统中氮(N)和磷(P)的流失已被广泛研究,发现主要取决于四个因素:养分来源、施用量、施用时间和养分 placement4。尽管目前关于城市景观中养分迁移至场外的数据较少,但这些原理可直接应用于草坪草栽培,无论是在家庭草坪、草皮农场、公园还是其他绿地。此外,不合理的灌溉 practices 导致地表径流,会加剧这些养分的流失。
灌溉水质量可进一步改变养分流失情况。美国西南地区常使用盐分较高或钠含量较高的水来灌溉家庭草坪和城市景观5,6。灌溉水的化学组成可能显著改变土壤化学性质,导致碳、氮、钙及其他阳离子释放进入径流水。近期研究表明,提取液中钠吸附比(SAR)升高显著增加了从圣奥古斯丁草草屑、黑麦草草屑及其他有机物质中淋溶出的碳(C)和氮(N)的量7。此外,从休闲用草坪土壤中可被水提取的碳、氮和磷的流失量与灌溉水中的化学成分显著相关6。
Washbusch 等 研究了威斯康星州麦迪逊市的城市径流,发现草坪是总磷的最大来源8。此外,他们还发现,“街道尘土”中25%的总磷来源于落叶和草屑。在典型的农村环境中,枯枝落叶落在地面后缓慢分解,将养分重新释放到土壤中。然而,在城市环境中,大量富含养分的落叶和草屑可能掉落、被冲刷或吹拂到硬质地面(如车道、人行道和道路)上,随后进入街道,成为“街道尘土”的一部分,其中许多最终直接被冲入受纳水体。
城市景观土壤在施工过程中常常受到扰动并高度压实,这会因渗透率降低而导致径流量增加9。Kelling 和 Peterson 报道指出,由于前期施工活动导致土壤压实或土层严重扰动,住宅草坪产生的总径流量以及径流中养分浓度均有所升高10。另一方面,Edmondson et al. 发现,在英国莱斯特市及郊区的城市区域,城市土壤的压实程度低于周边的农业土壤11。他们认为这是由于农业活动中使用了重型机械所致,但也指出草坪土壤的容重高于林木和灌木下土壤,这归因于草坪刈割作业和更频繁的人为踩踏。
在许多情况下,城市和郊区溪流综合征似乎显著受到径流和点源排放的影响3,12。尽管可以通过许可制度和循环利用来控制点源污染,但仍需进一步研究,以开发并验证住宅草坪建植与管理的最佳操作规程,从而最大限度地减少养分随径流流失。过去在此方面的研究工作往往集中在沿海地区,因为这些区域土壤砂质含量高,人们担忧养分通过淋溶和径流进入沿海水体所产生的影响。然而,在砂质极高的土壤上,必须具备陡峭的坡度和高强度的降雨,才能产生明显的径流13,14。相比之下,美国中部地区的许多土壤质地较细,渗透率低,即使在较小的降雨事件中也会产生大量径流。因此,有必要设计并建造一个基于典型住宅景观常见原生土壤和坡度的径流试验设施。
本文描述了一个1,000 m2设施的设计、建造和功能,该设施包含24个独立的33.6 m2田间小区,用于在相对较短的时间分辨率下测量总径流量,并在选定的体积或时间间隔内同步采集径流水分样,以测定和量化径流水中化学成分的含量。
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1. 位点选择
2. 挡土墙施工
3. 仪器安装
4. 绘图区域准备
5. 种植与初始径流事件
6. 样品分析
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样地特征
24个样地的平均坡度为3.7%,其中最低为样地17的3.2%,最高为样地2的4.1%(表1)。平均表土厚度为36 cm,范围从样地24的25.0 cm到样地10的51.5 cm(表1)。
径流体积
2012年8月9日第一次试验的径流体积平均为213.5 L,范围从最低95.6 L到最高391 L,变异系数(CV)为38.2%(表2)。需要注意的是,在铺设草皮之前,这些试验小区经过充分灌溉,以确保灌溉系统和径流收集系统正常运行,并用于测量灌溉分布情况及其他类似操作。因此,大部分施加的灌溉水被作为径流收集。
相比之下,2012年9月13日径流事件发生前土壤更为干燥,导致平均径流量较低,为52.6 L。径流量范围从最低27.5 L到最高70.8 L,变异系数为28.7%。在此情况下,大部分施加的水渗透到了草坪草下方的土壤中,导致总径流量减少。
化学浓度...
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水分在土壤表面、土壤内部及穿过土壤的流动受到地形、植被覆盖以及土壤物理性质的显著影响。过度压实的土壤和黏粒含量较高的土壤会表现出较低的入渗速率以及更多的地表径流。因此,在建设此类设施时,应尽可能使用原位土壤并保持坡度均匀,同时在施工期间尽量减少各类交通活动对实验区域造成的压实。此外,还应尽量减少施工完成后维护作业带来的压实影响。在分析特定实验所获得的数据,并将其与其他地点的数据进行比较时,也必须考虑上述因素,因为不同地点的环境条件可能存在很大差异。
所有天然土壤均具有高度的内在空间变异性。这可能是由于生物活动所致,例如虫洞、昆虫活动等。 等等。 或土壤基本性质,如质地以及黏土的收缩-膨胀潜力。本设施选用较大的样地规模,旨在尽可能包含上述空间变异性,从而最大限度地降低样地间的总体变异。
本设施选用的喷灌喷头旨在提供较高的降水速率,同时改善漂移减少效果。 喷灌系统审计结果显示,平均降水速率为 4.04 cm/hr,均匀度为 79.5%。如果需要较低的降水速率,也可选用其他喷头,但这可能导致水分...
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除了 S. Kelly 为 The Scotts Miracle-Gro 公司的员工外,作者声明不存在竞争性经济利益。
作者衷心感谢The Scotts Miracle-Gro公司为本设施提供的资金支持。同时感谢Toro公司协助提供灌溉控制器。本项目初期已故的Chris Steigler博士的远见与规划也在此一并致谢。作者还要感谢N. Stanley女士在样品制备与分析过程中提供的技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 流量计 | Teledyne Isco | Model 4230 | 可测量并记录流槽中水流的鼓泡式流量计 |
| 便携式采样器 | Teledyne Isco | Model 6712 | 与流量计配合使用,按预设时间间隔采集水样 |
| 用于数据采集的 Flow Link 软件 | Teledyne Isco | Ver 5.0 | 实现流量计与计算机之间的通信 |
| 预制坡度排水沟 | Zurn Industries, LLC | Z-886 | |
| 灌溉控制器 | Toro Company | VP Satellite | 可对每个小区独立控制灌溉 |
| 电磁阀 | Hunter | 2.5 cm PGV | 根据灌溉控制器发出的信号,开启或关闭各小区的水流 |
| 灌溉喷头 | Hunter | Pro Spray 4 | 4 英寸弹出式喷洒喷头 |
| 6 英寸带槽排水管 | Advanced Drainage Systems | 6410100 | 单壁波纹高密度聚乙烯(HDPE)带槽管 |
| 6 英寸光面排水管 | Advanced Drainage Systems | 6400100 | 单壁波纹高密度聚乙烯(HDPE)光面管 |
| 滤纸 | Whatman GF/F | 1825-047 | 直径 47 mm,无粘合剂,玻璃微纤维滤膜 |
| pH 计 | Fisher | Accumet XL20 | |
| 复合 pH 探头 | Fisher | 13-620-130 | |
| 自动温度补偿探头 | Fisher | 13-602-19 | |
| 电导率探头 | Fisher | 13-620-100 | 电极常数为 1.0 |
| TOC-VCSH with total nitrogen unit TMN-1 | Shimadzu Corp | TOC-VCSH with TMN-1 | 溶解性碳和氮分析仪 |
| Smartchem 200 | Unity Scientific | 200 | 用于磷测定的分立式分析仪 |
| ICS 1000 | Dionex | ICS 1000 | 用于测定钙、镁、钾和钠的离子色谱仪 |
| 便携式土壤水分测定仪 | Spectrum | FieldScout TDR 300 | 探针长度为 7.5 cm |
| 累计式水表 | Badger | 3/4 英寸水表 | 标准家用型水表 |
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