Name: 一个协议，用于开展降雨模拟研究土壤径流 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-04-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 35 s
Description: 学习使用降雨模拟器研究土壤径流的方法，通过校准喷嘴压力与流量实现均匀降雨，分析土壤水分对尿素流失的影响。该方案为环境污染物迁移研究提供标准化实验框架。

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本工作部分由美国农业部国家食品与农业研究所授予马里兰大学东岸分校（UMES）的能力提升资助项目资助。作者感谢唐·马汉（UMES）在降雨模拟器的安装及降雨模拟实验实施过程中提供的帮助。同时感谢简妮斯·多诺霍（UMES）完成实验室分析工作，以及马里兰大学东岸分校的本科生们在开展降雨模拟实验和样品处理过程中提供的协助。

1. 土壤采集与制备
<ol>
	<li>从土壤剖面的表层采集土壤，以准确反映土壤表层的物理和化学状况。注意：如有可能，应从表层5 cm范围内采集土壤。采样区域应足够小，以限制土壤物理和化学性质的变异。</li>
	<li>将土壤通过粗筛（20 mm）过筛，以去除石块。注意：若土壤保持一定湿度，过筛操作会更容易。</li>
	<li>将过筛后的土壤均匀铺在厚重的防水布上，形成薄层，以便干燥，最好在温室或温暖的室内环境中进行。</li>
	<li>使用铁锹、耙子，或像折叠一个巨大的披萨一样，从一侧向另一侧拉动防水布边缘来翻动土壤。注意：操作时需小心，避免铁锹或耙子边缘划破防水布。重复此过程数次，直至土壤充分混匀。</li>
	<li>从充分混合后的土堆中不同位置取10个样品，并进行Mehlich-3磷测试17，以检验其均一性。注意：当10个样品的测试结果变异系数（CV）&#60; 0.05时，即达到均一性。其中：CV = 标准差 / 平均值。</li>
	<li>若Mehlich-3磷测试的变异系数&#62; 0.05，则继续混合土壤，并重复均一性检测。</li>
</ol>
2. 装填土壤盒
<ol>
	<li>注意：土壤箱应具有相同的体积和尺寸（长、宽、深分别为 100 cm × 20 cm × 7.5 cm），底部设有九个直径为 5 mm 的排水孔。土壤箱应有一端带有 5 cm 高的凸缘和集水槽（图 1）。</li>
	<li>在土壤箱底部铺上四层纱布，以防止土壤颗粒从孔洞中被冲出，同时允许水分在土壤饱和时顺利排出。</li>
	<li>取足量干燥、过筛并均质化的土壤，填入第一个土壤箱中，使其平整后深度约为总深度的一半（约 3.5 cm），完成初步填装。将土壤均匀铺开，并用一块平砖压实。注意：土壤应足够干燥，以免在砖块压力下过度压缩。</li>
	<li>再添加 2 cm 厚的土壤，并使用水平仪将其整平，最终压实深度达到 5 cm，即与通向集水槽一端的箱体凸缘高度一致&#160;（图 2）。</li>
	<li>称量第一个压实土壤箱中所添加的土壤质量，并向其余各箱中加入相同质量的土壤。逐个压实，使所有土壤箱中的土壤深度均为 5 cm，且容重一致。</li>
	<li>使用真空吸尘器清理土壤箱的集水槽，去除填装过程中洒入槽内的土壤残留物。</li>
</ol>
3. 在降雨模拟器中安装土壤箱
<ol>
	<li>将由 2 英寸&#160;× 6 英寸&#160;经防腐处理的木材制成的框架置于降雨模拟器中央，用于放置土壤箱。注意：框架中间应设有横梁以增强刚性。将土壤箱放置在无底框架上，可最大限度减少因土壤箱正下方有实心平台而产生的溅蚀，并允许土壤箱底部孔洞自由排水。</li>
	<li>将框架放置在水泥砌块上，高度应确保可在安装于平台上的土壤箱前端集水槽出水口下方放置收集瓶和漏斗。</li>
	<li>使用砖块、木材和垫片进一步抬高平台后部，使放置在平台上的土壤箱后端比前端高出 3 cm，形成 3% 的坡度。测量坡度时，将一块木板（&#62;100 cm 长）放置在平台上所安装土壤箱的后部，使用木工水平仪将木板调至水平状态，并抬高平台后部，使土壤箱前端比水平木板低 3 cm（图 3）。注意：确保平台的前缘和后缘在横向方向上均保持水平。</li>
	<li>确定正对上方喷嘴的垂直投影点，并避免在该位置放置土壤箱，以防止降雨事件开始或结束时喷嘴产生的大水滴直接落在土壤箱上；然后将五到六个土壤箱均匀地放置在平台上。标记各土壤箱的位置，并始终将土壤箱放置在相同位置。</li>
</ol>
4. 选择灌溉水源
<ol>
	<li>选择一种相对不含各种元素和化合物的灌溉水源，特别是研究中关注的元素和化合物。在研究开始前应对水源进行分析，以确定其纯度。注意：如有必要，应使用离子交换树脂以达到所需的水质纯度。</li>
	<li>向降雨模拟器提供主水源，其压力需超过 8 psi，流速需超过 5 gpm。注意：通常市政供水系统可满足上述最低要求。若使用水箱和水泵，应确保水泵能够提供的供水压力和流速均超过最低要求。</li>
</ol>
5. 选择要使用的喷嘴尺寸
<ol>
	<li>选择用于降雨模拟的四种标准喷嘴尺寸之一。注意：每种喷嘴均有其最佳工作压力和流量，以达到合适的液滴大小和降雨强度（表1）。在特定研究中所选用的喷嘴尺寸，应根据所要模拟的自然降雨事件的强度（cm/hr）来确定。</li>
</ol>
6. 降雨模拟器操作
<ol>
	<li>将（1）单柄球阀（图4）置于关闭位置，手柄与管道呈90度角，然后打开主水源（市政供水或水泵）。</li>
	<li>逆时针旋转（3）减压阀顶部的方形固定螺钉（图4）以降低压力，并将下一个（4）管路流量控制阀完全打开。</li>
	<li>完全打开（1）单柄球阀（图4），然后顺时针旋转（3）减压阀上的固定螺钉，使位于降雨模拟器顶部附近的（6）压力表读数约为8 psi。注意：一旦（3）减压阀被调节至略高于所需喷嘴压力的值，在降雨模拟器运行过程中，除非主水源压力发生变化，否则无需再次调节。</li>
	<li>部分关闭（4）管路流量控制阀（图4），直至（5）流量计显示当前所用喷嘴的大致流量（加仑/分钟）&#160;，同时（6）压力表显示当前所用喷嘴的大致psi值（表1）。</li>
	<li>关闭（1）单柄球阀（图4）以停止水流，但不改变已设定的流量和压力参数。</li>
</ol>
7. 喷嘴校准与降雨均匀性
<ol>
	<li>用胶带封住5或6个空土壤箱底部的孔洞，以防止水从箱中漏出，并将它们放置在木架上标记好的位置（见步骤3.4）。</li>
	<li>将一段10英尺长、末端连接45°弯头的2英寸PVC管对准喷嘴，并打开（1）单杠杆球阀。</li>
	<li>用一个大容量量筒收集PVC管排出的水流，持续10秒。</li>
	<li>微调（4）管路中流量控制阀，并重复进行10秒&#160;的水流收集，直至10秒&#160;内的流量体积与所用喷嘴对应的数值一致（表1）。达到正确流量后，以流量计上的读数作为监测流量变化（可能由压力波动引起）的参考。注意：为喷嘴进行准确校准时，10秒&#160;内的流量体积比流量计读数更为精确。</li>
	<li>移除10英尺长的PVC管，使降雨润湿土壤箱区域，并记录降雨开始的时间。</li>
	<li>在恰好10分钟&#160;后，将10英尺长的PVC管重新置于喷嘴上方以分流水流，从而立即停止降雨，并关闭（1）单杠杆球阀。</li>
	<li>通过将每个箱中收集的水量（ml）倒入量筒测量其体积，并通过将体积除以箱底面积（2,000 cm2）计算降雨深度。</li>
	<li>计算降雨深度的变异系数。注意：当5或6个箱中的降雨深度变异系数&#60;0.05时，视为达到降雨均匀性。其中：CV = 标准差 / 平均值。</li>
	<li>如果CV不小于0.05，将喷嘴顺时针旋转¼圈并重复校准过程。注意：可能需要多次旋转喷嘴，才能使CV小于0.05。</li>
	<li>当CV小于0.05后，重复多次校准，以确保各次运行之间的降雨强度保持一致。</li>
</ol>
8. 降雨模拟实验的实施
<ol>
	<li>校准后，将装有土壤的箱子放置在木架上标记的位置（参见步骤 3.4）。</li>
	<li>在排水口下方放置径流收集瓶和漏斗，并使用回形针将遮挡板固定在排水槽上方，防止降雨直接落入排水槽中（图 5）。</li>
	<li>在开始降雨模拟实验前，重复步骤 7.2–7.5，重新校准喷嘴流量，随后启动降雨。</li>
	<li>当每个箱子的排水口流出的水从缓慢滴水变为连续水流时，记录径流开始的时间。</li>
	<li>在降雨过程中按预定时间间隔通过更换收集瓶的方式采集径流样品，或在预设持续时间的实验结束后进行采集。</li>
	<li>为终止降雨过程，将一段 10 英尺长的 PVC 管置于喷嘴上方，迅速偏转水流，并关闭（1）单杠杆球阀。</li>
	<li>收集径流样品，并使用量筒或通过称重法记录体积（假设水的密度为 1 g/cm2）。</li>
	<li>充分混匀样品，使所有沉积物处于悬浮状态，然后取部分样品用于实验室分析。</li>
</ol>

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</ol>

作者声明不存在竞争性财务利益。

径流主要通过两种机制产生：下渗超限产流和饱和超限产流18，并受土壤性质、前期土壤含水量、地形以及降雨强度的影响。降雨模拟可用于固定降雨强度这一变量，从而研究其余一个或多个变量。通过更换喷嘴尺寸，还可以在一定范围内控制用于研究的降雨强度和降雨持续时间。在装填土壤的箱体上开展降雨模拟实验时，最关键的步骤包括：1）确保土壤箱内土壤填充均匀；2）控制前期土壤含水量；3）对选定的喷嘴进行流量校准，使雨滴粒径和下落速度接近自然降雨；4）调节喷嘴位置，确保所有土壤箱表面降雨分布均匀。
在校准过程结束时，当所有土壤箱的降雨均匀性变异系数（CV）达到小于0.05后，应重复多次10分钟&#160;校准，以确保各次运行之间的降雨强度一致。也可计算各次运行之间的均匀性变异系数（CV）。如果各次运行间的均匀性变异系数小于所有土壤箱间降雨均匀性的变异系数，则可考虑将重复处理分组安排在单次运行内，以最小化处理间的变异。否则，为降低土壤箱位置及不同运行间带来的误差，应根据土壤箱位置对处理和重复进行随机化安排，并采取措施避免同一处理在相同位置出现超过一次。
采用此降雨模拟器设计及标准化的校准流程，将有助于不同研究人员之间研究结果的相互比较。通过该方法获得的数据可用于预测自然降雨条件下的实际情况，并加深对非点源污染物向环境流失过程中所涉及的机制与影响因素的理解。此类研究可为建立模型提供宝贵数据，以预测自然降雨条件下径流中沉积物和化学污染物的归趋与迁移过程。

农业对环境的影响已成为一个全球性且日益加剧的问题，尤其是在全球变化存在诸多不确定性的背景下。降雨是推动环境污染物从农业土壤经地表径流进入地表水体的主要驱动力。大量研究致力于深入理解降雨与土壤条件之间的相互作用，这些相互作用决定了农业土壤中沉积物、养分和农药等非点源污染物的流失情况。本研究旨在表征在降雨事件发生后24小时内，前期土壤含水量对地表施用的商用尿素（一种常见的氮肥）归趋与迁移过程的影响&#160;施肥后
关于尿素在土壤中的归趋与迁移的研究较少，因为施肥后尿素会迅速水解为铵，因而通常难以发生迁移。然而，近期的流域研究表明，尿素可从农业土壤迁移至沿海水域，并促使产生有害毒素的生物种群发生变化1,2。实验室和田间试验均表明，当产软骨藻酸的硅藻Pseudo-nitzschia australis (P. australis)在富含尿素的海水中培养时，其产生的软骨藻酸量高于在硝酸盐或铵富集的海水中培养时3。本研究通过模拟降雨，探究商业肥料施用后尿素氮随径流损失的潜在控制过程。
由于自然降雨存在变异性，研究人员已采用降雨模拟器在地表或装填的土壤箱上施加均匀的降雨强度，以在受控条件下评估径流。降雨模拟器最初被用于研究土壤侵蚀4。然而，多年来它们也被用于测量土壤地表径流和淋溶液中的其他组分5-7。也有利用自然降雨开展的田间研究，用以评估径流中土壤组分的流失情况。自然降雨与降雨模拟数据之间的趋势呈现相似的模式，表明相关过程具有一致性。因此，降雨模拟可用于预测自然降雨条件下可能发生情况的研究8。
已开发出多种降雨模拟器，通常采用喷嘴喷雾装置以设定的速率和持续时间施加水分。就尺寸而言，降雨模拟器从小型便携式简易入渗仪（降雨面积直径为6&#160;in&#160;）9，到覆盖面积达14.75 ft × 72 ft（4.5 m × 22 m）的复杂型肯塔基降雨模拟器不等10。在使用降雨模拟开展的研究中，一个主要缺陷是目前尚无统一的标准化设计或实验方案用于开展降雨模拟实验11。事实上，在2011年德国特里尔大学举办的“国际降雨模拟器研讨会”上，来自11个参与国家的科学工作者共同达成共识：有必要对降雨模拟方法及模拟器进行标准化，以确保研究结果之间的可比性，并推动技术进步，克服现有的物理限制与约束条件12。本研究旨在部分满足这一需求，通过详细介绍一种已在北美地区广泛采用的降雨模拟器所配套的标准化实验操作流程。
本实验是更大规模研究的一部分，旨在评估切萨皮克湾河口水域中尿素的来源，该区域每年都会发生有毒藻华。本实验的具体目标是确定前期土壤含水量对径流中尿素流失的影响。将两个重复的、均匀填装的土壤箱预先润湿至六种不同含水量之一，分别为田间持水量的50%、60%、70%、80%、90%和100%。以颗粒形式将尿素表面施用，施用量为150 kg N/ha。在24小时&#160;内，对土壤箱施加持续40分钟&#160;、降雨强度为3.17 cm/hr的均匀降雨，该降雨量相当于马里兰州切萨皮克湾东岸每年通常发生的一次自然降水事件。径流样品每2分钟采集一次，立即用玻璃滤膜（0.45 µm）过滤，并在4 °C下保存，于采样后24小时内进行分析。尿素氮（Urea-N）浓度采用流动注射分析比色法13测定。数据使用SAS v.9.114进行分析，统计学显著性水平设定为P ≤0.05。
本研究中使用的便携式降雨模拟器符合国家磷项目15制定的设计规范16和操作规程。在美国和加拿大，该模拟器设计及操作规程已被广泛采纳为测定径流中溶解态和颗粒结合态磷流失的标准方法。尽管径流样品分析的是尿素而非磷，但向压实土壤箱施加均匀且稳定降雨的方法，与国家磷项目降雨模拟规程中简要描述的方法相同。

<table><tbody><tr><td>降雨模拟器</td><td>Joern's Inc.</td><td>TLALOC 3000</td><td>尺寸 1.5 m × 2.0 m（尺寸可选）</td></tr><tr><td>降雨模拟器</td><td>Joern's Inc.</td><td>TLALOC 4000</td><td>尺寸 2.0 m × 2.0 m（尺寸可选）</td></tr><tr><td>降雨喷嘴</td><td>Spraying Systems Inc.</td><td>3/8HH-SS17WSQ</td><td>17 号喷嘴</td></tr><tr><td>降雨喷嘴</td><td>Spraying Systems Inc.</td><td>3/8HH-SS24WSQ</td><td>24 号喷嘴</td></tr><tr><td>降雨喷嘴</td><td>Spraying Systems Inc.</td><td>1/2HH-SS30WSQ</td><td>30 号喷嘴</td></tr><tr><td>降雨喷嘴</td><td>Spraying Systems Inc.</td><td>3/8HH-SS50WSQ</td><td>50 号喷嘴</td></tr></tbody></table>

一种用于研究土壤径流的降雨模拟实验方案

A Protocol for Conducting Rainfall Simulation to Study Soil Runoff

降雨是推动环境污染物从农业土壤通过地表径流进入地表水体的主要驱动力。本研究旨在表征在施肥后24&#160;hr&#160;内发生降雨事件时，前期土壤水分含量对地表施用的商用尿素（一种常见的氮肥）归趋与迁移的影响。尽管通常认为尿素会迅速水解为铵离子，因而不易发生迁移，但近期研究表明，尿素仍可从农业土壤迁移至沿海水域，并与有害藻华的发生相关。本研究采用降雨模拟器，在预先调节至不同土壤含水量的压实土箱上施加速率一致且分布均匀的降雨。通过控制降雨和土壤物理特性，可单独评估前期土壤水分对尿素流失的影响。结果表明，含水量较高的土壤在降雨开始后更短时间内即产生径流，径流总量更大，径流中尿素浓度更高，且尿素的流失负荷也更大。这些结果还表明，在旨在分离其他变量（如土壤物理或化学特性、坡度、土壤覆盖、管理措施或降雨特征）影响的研究中，控制前期土壤水分含量至关重要。由于降雨模拟器能够产生与自然降雨雨滴大小和速度相似的降雨，因此在标准化协议下开展的研究可获得有价值的数据，进而用于建立预测径流中污染物归趋与迁移的模型。

开展本实验的一个原因是探究可能导致先前实验结果不佳的因素，此前实验旨在比较若干含尿素的肥料和粪肥在径流中尿素流失的情况。所有处理均施用于已饱和并排水至田间持水量的土壤上。尿素颗粒处理组五个重复的径流中尿素氮浓度范围为1–12 mg/L。在受控条件下，重复样本间出现如此数量级的差异不可接受，并干扰了实验结果的可靠性。径流总量与径流中尿素氮浓度之间存在显著正相关关系，提示物理条件（如土壤压实程度，或因排水和干燥条件不同导致的前期含水量差异）可能是造成该现象的原因。
为了探究径流中尿素浓度出现如此显著变化的原因，本实验中所有箱体均按照图1和图2所示，精确装入等量均匀混合的粉砂壤土，以尽量减少物理条件的差异。为达到通过润湿后烘干过筛土壤样品所确定的田间持水量的大约50%、60%、70%、80%、90%和100%，计算了使土壤分别达到相应前期土壤含水量14%、17%、19%、22%、25%和27%所需的加水量，将其加入箱体中，并静置过夜平衡。降雨模拟严格按照上述方案并依照图3-5进行。采用17 wsq Full Jet 3/8 HH喷嘴（表1），在40分钟内提供3.2 cm/hr的降雨强度，该强度相当于马里兰州切萨皮克湾东岸每年通常发生的一次自然降水事件。
径流总量、负荷量及流量加权浓度的结果汇总于表2中。总径流量与前期土壤含水量之间存在显著的正相关关系（图6）。土壤越湿润，其蓄水能力越低，入渗速率也越小，从而导致更大的径流量。径流发生时间与前期土壤含水量之间存在显著的负相关关系（图7）。较干燥的土壤在表层附近变湿并开始产生径流之前，水分能够更长时间地持续入渗。不出所料，径流中尿素氮总负荷量与总径流量之间呈正相关关系（图8）。水文研究中已知，径流体积通常是总负荷量的强预测因子。然而，浓度在径流事件中的变化行为则较难预测。流量加权浓度通过将每次2 min径流样品的负荷量累加后除以总径流量计算得出，其值等同于40 min降雨结束后将全部径流混合为单一样品时的浓度。本研究中，径流中的流量加权浓度与前期土壤含水量之间存在显著的正相关关系（图9）。鉴于径流量与前期土壤含水量之间、以及流量加权浓度与前期含水量之间均呈正线性关系，尿素氮总负荷量与前期土壤含水量之间也预期存在显著正相关关系。然而，该显著关系更适用于用指数方程描述（图10）。
为了可视化随时间变化的地表径流中尿素氮的流失情况，绘制了代表每种前期土壤含水量条件的土壤箱重复实验中，40分钟降雨时段内每2分钟的浓度及累积负荷量。图11）。尽管径流中的浓度随时间变化可能略有波动例如 在含水量为90%的情况下，浓度通常初始较高，并随时间推移而降低。随时间累积的负荷变化更为平缓，反映了前文所述的重要关系。较干燥土壤中径流发生时间更长，径流中尿素氮浓度更低，累积负荷也更小。尽管尿素在土壤中水解迅速，但当降雨发生在表施后数小时内，大部分氮仍以尿素形态存在，因而可能随径流损失。尿素为中性分子，不易被土壤颗粒表面强烈吸附。在降雨初期，水分渗入较干燥土壤时，会将溶解的尿素带入土壤深层，远离表层径流区域。当径流开始时，地表残留的尿素较少，因此径流中尿素浓度也较低。从实际应用角度看，尿素几乎总是在较干燥条件下施用，因为农业机械无法在达到田间持水量的土壤上作业。
<img alt="带排水系统和土壤径流孔位的沟槽示意图，显示填装土壤的设置。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图1"> 
图1. 填装土壤径流箱示意图。 一个金属箱（100 cm × 20 cm × 7.5 cm），前端带有5 cm高的凸缘，内部填装土壤至5 cm深度。溢出5 cm凸缘的径流被收集到一个与之相连的沟槽中，该沟槽设有遮挡，防止雨水直接落入。箱体底部设有九个直径5 mm的孔，使渗入土壤的水分能够排出，防止积水。在沟槽底部前端附近安装有一个接头，可使径流水经由该接头排入其下方放置的漏斗和收集瓶中。
<img alt="造纸过程，纸浆压榨装置；材料压榨实验；DIY设备方法。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图2"> 
图2. 盒子包装材料。 在盒子底部放置约4层纱布可防止土壤流失，同时允许水自由排出。水平仪由夹在两块木板之间的有机玻璃制成，其宽度与盒子相同（20 cm），深度（2.5 cm）等于盒子侧壁（7.5 cm）与排水槽顶部（5 cm）之间的高度差。将木板置于盒子边缘时，可通过有机玻璃将土壤平整至排水槽的深度。
<img alt="水压调节系统示意图，包含关闭球阀、沉淀过滤器和压力表。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 3"> 
图3. 平台的定位。 调整平台位置，使装填好土壤的箱体就位后，所有箱体具有相同的坡度。本研究中目标坡度为3%。在持板保持水平的同时，调整平台位置，使箱体下坡方向（接水槽端）比上坡端低3 cm。平台在横坡方向应保持水平。
<img alt="使用水平仪和直尺找平土壤托盘，确保形成适当的3%坡度；施工示意图。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
图4. 降雨模拟器的控制系统，从水源开始，经管道系统至喷嘴的流程示意图。（1）单柄球阀：这是一种快速关闭阀。当手柄与管道方向一致时为开启状态；手柄与管道呈90度角时为关闭状态。使用该阀可快速开启或关闭水流，而不影响调节压力和流速的其他阀门。操作时应完全打开或完全关闭，切勿用此阀调节流量。（2）沉淀物过滤器：需定期检查过滤器，并根据需要更换滤芯，以防止泥沙堵塞。（3）减压阀：该阀门用于调节从此处开始的管道系统内的水压。压力过高可能导致管道、软管或连接处破裂。（4）管道流量调节阀（闸阀）：用于精细调节流向喷嘴的水流，以达到所需的流量和喷嘴压力。（5）流量计：用于测量近似流量。（6）压力表：用于测量喷嘴处的近似压力。
<img alt="土壤侵蚀实验装置；用于径流分析的水流托盘与收集瓶。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 5"> 
图5. 用于模拟降雨的平台上的箱体布置。 每次模拟降雨事件时，将5至6个箱体放置在已标记的位置上。避免将箱体直接置于喷嘴下方，以防水滴直接滴落在箱体表面。
<img alt="散点图显示总径流量与含水量的关系，R²=0.64。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6. 总径流量与前期土壤含水量呈正相关关系（R2 = 0.64）。
<img alt="散点图；产流时间与土壤含水量关系，线性回归，斜率分析，R²=0.48。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 7"> 
图 7. 产流时间与前期土壤含水量呈负相关（R2 = 0.48）。湿润土壤表面迅速达到饱和，降雨量超过饱和土壤水力传导度时即产生地表径流。
<img alt="显示总负荷尿素氮与径流体积呈线性相关的图表，R²=0.81。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图8"> 
图8. 总负荷尿素氮与径流体积呈正相关（R2 = 0.81）。径流体积的差异远超过径流中尿素氮浓度的差异。 
<img alt="散点图显示水分含量与流加权浓度之间的相关性，R²=0.66" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图9"> 
图9. 尿素氮的流加权浓度与前期土壤含水量呈正相关（R2 = 0.66）。较干燥的土壤允许水分渗透，将尿素氮淋洗至土壤深层，远离土壤表层。当发生径流时，表层可用于随径流迁移的尿素氮较少。
<img alt="显示尿素氮与水分含量相关性的散点图及趋势线，R²=0.74。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图10"> 
图10. 总流失尿素氮与前期土壤含水量呈正相关关系（R2 = 0.74）。总径流体积与前期土壤含水量之间，以及尿素氮的流量加权浓度与前期含水量之间的正相关关系共同作用，导致呈现出指数关系（y = 0.2043 e0.0405x）。
<img alt="尿素氮浓度随时间变化图；分析降雨模拟后土壤中的水分含量" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51664/51664fig11highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51664/51664fig11.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图11"> 
图11. 每种前期土壤含水量的一个重复样本中尿素氮浓度与累积负荷随时间的关系。尽管尿素氮浓度随时间的变化并不总是呈现平滑函数关系，但此前讨论的显著关系仍可在此图中直观体现。
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="613">
	<colgroup>
		<col>
		<col>
		<col>
		<col>
		<col>
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:173px;">喷嘴尺寸</td>
			<td style="width:96px;">强度</td>
			<td style="width:145px;">最佳压力</td>
			<td style="width:83px;">流量</td>
			<td style="width:117px;">10秒流量</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:173px;"></td>
			<td style="width:96px;">cm/hr</td>
			<td style="width:145px;">psi</td>
			<td style="width:83px;">gpm</td>
			<td style="width:117px;">ml</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:173px;">17 wsq 全射流 3/8 HH</td>
			<td style="width:96px;">3.2</td>
			<td style="width:145px;">6.0</td>
			<td style="width:83px;">1.5</td>
			<td style="width:117px;">940</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:173px;">24 wsq 全射流 3/8 HH</td>
			<td style="width:96px;">3.3</td>
			<td style="width:145px;">6.0</td>
			<td style="width:83px;">1.8</td>
			<td style="width:117px;">1,140</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:173px;">30 w 全射流 1/2 HH</td>
			<td style="width:96px;">6.0</td>
			<td style="width:145px;">5.0</td>
			<td style="width:83px;">2.2</td>
			<td style="width:117px;">1,250</td>
		</tr>
		<tr height="29">
			<td height="29" style="height:29px;width:173px;">50 w 全射流 1/2 HH</td>
			<td style="width:96px;">7.0</td>
			<td style="width:145px;">4.1</td>
			<td style="width:83px;">3.7</td>
			<td style="width:117px;">2,300</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 喷嘴尺寸对照表。 本文列出了适用于该降雨模拟器的喷嘴尺寸及其对应的降雨强度、压力和流量参数。喷嘴尺寸的选择取决于所需的降雨强度。降雨强度和持续时间对应于特定研究地点某一重现期的降水事件。本研究采用了17 wsq型号的喷嘴。在马里兰州切萨皮克湾东岸，强度为3.2 cm/hr、持续时间为40分钟的降雨，相当于一年内通常发生一次的自然降水事件。
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="513">
	<colgroup>
		<col>
		<col span="2">
		<col>
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">土壤含水量</td>
			<td style="width:129px;">总径流量</td>
			<td style="width:129px;">流量加权</td>
			<td style="width:127px;">总负荷</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">%</td>
			<td style="width:129px;">体积 (L)</td>
			<td style="width:129px;">浓度</td>
			<td style="width:127px;">(mg 尿素-N)</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;"></td>
			<td style="width:129px;"></td>
			<td style="width:129px;">(mg L-1 尿素-N)</td>
			<td style="width:127px;"></td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">  27†</td>
			<td style="width:129px;">2.96</td>
			<td style="width:129px;">4.99</td>
			<td style="width:127px;">13.66</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">27</td>
			<td style="width:129px;">2.87</td>
			<td style="width:129px;">4.37</td>
			<td style="width:127px;">12.55</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">25</td>
			<td style="width:129px;">2.52</td>
			<td style="width:129px;">3.57</td>
			<td style="width:127px;">8.62</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">25</td>
			<td style="width:129px;">1.81</td>
			<td style="width:129px;">2.33</td>
			<td style="width:127px;">4.21</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">22</td>
			<td style="width:129px;">2.52</td>
			<td style="width:129px;">2.18</td>
			<td style="width:127px;">5.50</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">22</td>
			<td style="width:129px;">2.47</td>
			<td style="width:129px;">1.54</td>
			<td style="width:127px;">3.81</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">19</td>
			<td style="width:129px;">1.99</td>
			<td style="width:129px;">1.72</td>
			<td style="width:127px;">3.41</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">19</td>
			<td style="width:129px;">2.35</td>
			<td style="width:129px;">3.70</td>
			<td style="width:127px;">8.68</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">17</td>
			<td style="width:129px;">1.91</td>
			<td style="width:129px;">1.69</td>
			<td style="width:127px;">3.22</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">17</td>
			<td style="width:129px;">1.66</td>
			<td style="width:129px;">0.90</td>
			<td style="width:127px;">1.50</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:27px;width:128px;">14</td>
			<td style="width:129px;">1.51</td>
			<td style="width:129px;">0.78</td>
			<td style="width:127px;">1.18</td>
		</tr>
		<tr height="26">
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td height="26" style="height:27px;">† 重复数值表示每个含水量水平的两次重复</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2. 模拟降雨后前期土壤含水量、总径流量、流量加权尿素氮浓度及总尿素氮负荷。 数字重复表示每个水分水平有两个重复

在一项关于尿素（一种非点源环境污染物）归趋与迁移的研究中，使用降雨模拟器向压实的土壤箱施加了稳定且均匀的降雨。在土壤条件和降雨条件均保持均匀的情况下，前期土壤含水量对尿素通过地表径流的流失具有显著控制作用。

降雨是推动环境污染物从农业土壤经地表径流进入表层水体的重要驱动力。

本实验的总体目标是模拟降雨，使目标区域内的雨滴大小、降雨强度和分布均匀性符合标准，以研究土壤径流。首先，通过调节降雨模拟器的控制参数，使所选喷嘴达到近似的压力和流量；其次，对降雨模拟器进行校准，使所选喷嘴实现精确的流量，并在目标区域内实现雨滴的均匀分布。接下来，将包装妥当的土壤箱放置在已调整为统一坡度的平台上的目标区域。最后一步是进行降雨模拟并收集土壤径流用于分析。最终，通过降雨模拟来研究在接近自然降雨的标准条件下，土壤特性、土壤改良剂、前期条件、土壤湿度、地形以及降雨强度对土壤径流的影响。本视频展示了一种在全球范围内用于一致评估土壤径流的降雨模拟方案。该方法的演示非常重要，因为降雨模拟器的操作和校准涉及多个步骤，并且有许多变量可能影响实验结果。Peter 将演示填充土壤箱的步骤。Peter 是马里兰大学东岸分校的学生，过去四年一直在我的实验室工作。首先准备尺寸完全相同的箱子。这些盒子长100厘米，宽20厘米，深7.5厘米，底部有九个直径5毫米的排水孔。盒子一端设有5厘米高的凸缘和集水槽。每个盒子底部需铺上四层纱布，以保留土壤并允许水分通过。衬好盒子后，称量盒子和纱布的重量，并记录测量值以供后续使用。接着，取准备好的土壤来填充盒子。先处理第一个盒子，铲入足量的土壤至盒子半满。当摊平至约 3.5 厘米时，将土壤均匀铺开，并用一块平砖压实。土壤在砖块压力下不应过度紧实。接着，再添加 2 厘米厚的土壤。然后使用水平仪将其刮平，使压实后的土壤深度达到5厘米，与箱子边缘的高度齐平。称量装有压实土壤的箱子，以确定加入箱中的土壤量。使用相同重量的土壤填充其余的盒子。将每个盒子压实至五厘米深度，并保持均匀的密度。使用真空吸尘器清理排水槽，以清除落入其中的任何土壤。在安装过程中，降雨模拟器由一个支架构成，用于支撑喷嘴下方的多个土壤箱。首先关闭通向模拟器主供水管路上的单柄球阀，然后对系统加压。逆时针旋转压力调节阀顶部的调节螺钉，以降低压力。然后打开下一个顺序的流量控制阀，完全返回单杆球阀并将其完全打开。此时，通过顺时针旋转压力调节阀，将压力调整至约8 PSI。在降雨模拟器顶部附近的压力表处检查压力。接下来，在监测流量计和压力表的同时，部分关闭管线上游的流量控制阀。当流量计显示的流速接近本实验所用喷嘴的近似流量（即每分钟1.5加仑），且压力表读数达到该喷嘴对应的近似压力（6 PSI）时，停止调节。在此情况下，关闭单柄球阀以停止流体流动，同时保持流量和压力设定不变。取六个空的土壤箱，用于测定降雨均匀性。用胶带封住排水孔，防止水漏出，以完成准备。将空箱放置在水平框架上，确保它们间距均匀，且均不位于喷嘴正下方。标记盒子的位置，并始终使用相同的位置。使用一根长10英尺、直径2英寸的PVC管来引导喷嘴的水流。该管道末端应连接一个45度弯头。同时放置一个大量筒以承接管道流出的液体。为校准喷嘴，将管道置于喷嘴上方并保持固定。打开单杆球阀，用量筒收集管道排出的液体，持续10秒。操作完成后，保持管道位置不变，测定量筒中的水体积，该数值应与喷嘴的预期值一致。喷嘴校准后，移除PVC管，使降雨润湿箱体区域。让水流持续10分钟。精确计时10分钟后，通过将10英尺长的PVC管移至出水口处以突然阻断水流。然后关闭单杆球阀，测量每个箱内收集到的水的体积。将其倒入量筒中。利用该数据确定各箱体间降雨的均匀性。如果变异系数大于0.05，则将喷嘴旋转四分之一圈，并重复校准过程。在将装填好的土壤箱放入降雨模拟器之前，需准备将支架调整至所需的坡度。首先，将支架置于一定高度，以便在土壤箱的接水槽下方放置收集瓶，必要时还可放置漏斗。接着，在固定于支架上的土壤箱长度方向上，放置一块至少一米长的木板。将水平仪放在参考板上。在操作过程中，使用砖块和垫片逐步抬高框架后部，以实现 3% 的坡度。当箱体前缘低于水平板 3 厘米时，停止调整。同时，检查框架的前后两侧是否左右水平。现在将六个装满土壤的盒子放置在倾斜框架上预先标记的位置，用于模拟地表径流，并在排水槽下方放置径流收集瓶。此外，使用回形针将挡板固定在排水槽上方，以防止雨水直接进入排水槽或收集瓶中。将10英尺长的PVC管套在喷嘴上，开启水流，收集10秒内的出流量，并按前述方法重新校准流速。完成后，取下喷嘴上方的PVC管，开始降雨模拟。观察每个箱体排水口排出的水，记录排水从缓慢滴水变为连续水流的时间点，并将该时间记录为径流开始时间，用于收集径流样品。为每个箱体分配一名助手。在径流开始时按预定时间更换收集瓶。通过将10英尺PVC管置于喷嘴上方并关闭球阀来终止降雨事件。该图显示了径流量（升）与土壤初始含水量的关系，表明含水量较高的土壤储水能力较低，同时入渗速率下降，导致径流体积增大。土壤按照文稿中的方案制备成不同含水量，并在3.2厘米/小时的降雨强度下进行40分钟的模拟降雨处理。此处，纵轴上的产流时间与初始土壤含水量呈负相关：土壤越干燥，水分渗入土壤所需时间越长，地表湿润并产生径流的时间也越晚。数据表明，尿素浓度与前期土壤含水量之间存在正相关关系。较干燥的土壤允许水分入渗，使尿素随水淋溶至土壤深层，从而远离土壤表面。当发生径流时，地表可供迁移的尿素氮较少。该图显示了尿素氮负荷随时间累积的变化情况。每条曲线代表一种前期含水量条件下一个土壤箱的重复实验结果。该图再次表明，较干燥的土壤产生径流所需时间更长，且累积径流量更低。因此，在观看本视频后，您应能够充分理解降雨模拟器的操作与校准方法，并掌握如何控制如前期含水量等可能影响实验结果的变量。

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本方法介绍了如何构建和操作一个连续的13C和15N同位素标记室，用于植物组织的均一或差异标记。文中讨论了对柳枝稷（Andropogon...

用于植物同位素均匀或差异性代谢与结构标记的连续13C和15N标记室的设计与操作

学习使用降雨模拟器研究土壤径流的方法，通过校准喷嘴压力与流量实现均匀降雨，分析土壤水分对尿素流失的影响。该方案为环境污染物迁移研究提供标准化实验框架。

一种用于研究土壤径流的降雨模拟实验方案

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