Ein Protokoll zum Sammeln und Konstruieren von Bodenkern Lysimeter

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Sammlung, Montage und Bewässerung eines Lysimeters mit intaktem Bodenkern zu demonstrieren, um die Stickstoffauswaschung durch ungestörte landwirtschaftliche Böden zu untersuchen. Diese Methode soll Fragen zu Nährstoffen und anderen Chemikalien beantworten, die unterhalb der Wurzelzone in flaches Grundwasser gelangen können. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie schnell und einfach ist.

Wir haben festgestellt, dass wir vier oder fünf Replikate benötigen, um signifikante Ergebnisse zu erzielen. Obwohl wir uns in diesem Video mit der Nitratauswaschung befasst haben, kann die Methode zur Untersuchung vieler anderer Verbindungen wie Phosphor, Pharmazeutika, Hormone oder Metalle wie Arsen verwendet werden. Entfernen Sie zunächst Oberflächenvegetation, Steine und andere Ablagerungen aus dem Sammelbereich.

Stellen Sie zwei Lysimeterkörper auf den ebenen Boden, an denen Lysimeter entnommen werden sollen. Stellen Sie sicher, dass die Lysimeter eben sind, damit der Boden innerhalb der Säule eine gleichmäßige Tiefe hat. Fahren Sie einen speziell entwickelten, auf einem Anhänger montierten Fallhammer über die Lysimetergehäuse.

Wenn der Fallhammer an Ort und Stelle ist, setzen Sie hydraulisch angetriebene Ausleger ein, um die Stahlplatte mit dem Boden und der Oberseite der Lysimeterkörper zu nivellieren. Die Ausleger sorgen zudem für Stabilität des Fallhammers. Heben Sie die 1.180 Kilogramm schwere Stahlplatte mit Hilfe einer mechanischen Winde teilweise auf einen 3 Meter hohen Turm.

Lassen Sie die Stahlplatte los, um die Säulen in den Boden zu hämmern. Wiederholen Sie diesen Schritt mehrmals, bis der Säulenrand 2 cm über der Bodenoberfläche liegt. Überprüfen Sie die Bodenverdichtung im Inneren des Lysimeters, indem Sie die Tiefe des Bodens innerhalb und außerhalb der Säule messen.

Wenn der Boden innerhalb der Säule mehr als 1 cm tiefer ist als der Boden außerhalb der Säule, werden die Böden verdichtet und sind für die Forschung nicht geeignet. Legen Sie eine Sperrholzscheibe in den Rand der Säule, um eine Kontamination zu vermeiden. Graben Sie mit einem Bagger einen Graben neben dem Erdkern und etwas tiefer als der Boden der Säule.

Erweitern Sie das Loch mit einer Schaufel oder einem Pickel und legen Sie so viel wie möglich von der Außenseite des Zylinders frei. Schieben Sie eine Grabstange aus schwerem Metall über die gesamte Länge der Seite der Säule nach unten, so dass sie sich zwischen dem Boden und der äußeren Säulenwand befindet. Hebeln Sie die Grabstange hin und her, bis die Bodenschnittstelle am unteren Ende der Säule unterbrochen ist, und schieben Sie die Säule in die Mitte des Grabens.

Befestigen Sie die Hebeschere an der Oberseite des Lysimeters, um die Entkernung des Bodenkerns vorzubereiten. Halten Sie jede Stange von einer Person fest, ziehen Sie sie nach oben, bis sich die Schere fest um die Säule schließt, und heben Sie das Lysimeter aus dem Loch. Stellen Sie das Lysimeter auf eine ebene Arbeitsfläche, z. B. ein flaches Brett.

Nachdem Sie den Bodenkern so umgedreht haben, dass die Unterseite nach oben zeigt, ebnen Sie den Boden vorsichtig auch mit dem Rand des PVC mit einer geraden Kante ein. Steine, die über die Felgenebene hinausragen, mit einem Federmesser oder einem Schraubendreher entfernen. Lockern Sie auch den Boden und legen Sie die natürlichen Oberflächenstrukturen darin frei.

Füllen Sie alle Hohlräume mit chemisch inertem Spielsand und verpacken Sie diesen schonend. Nivellieren Sie den Sand gleichmäßig mit dem Säulenboden mit gerader Kante und entfernen Sie überschüssigen Sand. Extrudieren Sie als Nächstes eine durchgehende runde Perle aus klarer Silikondichtung um den Rand des Lysimeters.

Die Dichtungsmasse sollte dick genug sein, um den Boden der perforierten Scheibe gegen den des Lysimeters abzudichten und ein Auslaufen zu verhindern. Legen Sie die Lochscheibe mit dem Filtergewebe zum Sand auf den Rand und drücken Sie sie fest nach unten, damit die Platte und das Lysimeter gut in Kontakt kommen. Bohren Sie dann acht gleichmäßig verteilte Pilotlöcher um den Rand der Platte und befestigen Sie die Lochscheibe mit 1-Zoll-Edelstahlschrauben und einem Bohrschrauber.

Schieben Sie die elastische Rohrkupplung so auf den Lysimetersockel, dass ca. 2 cm der Kupplung über den Lysimeterrand hinausragen. Setzen Sie die modifizierte PVC-Kappe in die flexible Rohrkupplung ein und drücken Sie die Kappe nach unten, bis sie den Lysimeterkörper berührt. Legen Sie dann die Befestigungsbänder in die Rillen der Kupplung und befestigen Sie sie leicht, ohne die Kupplung einzuengen.

Ziehen Sie die Metallbänder mit einem Handheld-Sechskantschlüssel fest, bis die Lysimeterkappe fest an Ort und Stelle sitzt. Das Lysimeter kann umgeklappt und zu einer klimatisierten Einrichtung transportiert werden. Um Feuchtigkeitssensoren zu installieren, ritzen Sie zunächst eine 5 cm lange horizontale Linie in 5 und 25 cm Tiefe an die Lysimeterwand.

Messen Sie von der Bodenoberfläche und nicht vom Rand des Lysimeters. Bohren Sie an jedem Ende der markierten Linien ein Loch mit einem Durchmesser von 1 cm durch die Wand des Lysimeters. Schneiden Sie die restlichen 3 cm Kunststoff zwischen den Bohrlöchern mit einem rotierenden Schneidwerkzeug ab.

Meißeln Sie anschließend einen 1 cm dicken und 5 cm langen Schlitz in die Erde, um das Gehäuse eines Feuchtigkeitssensors aufzunehmen. Schieben Sie den Feuchtigkeitssensor in das Loch, in den gereinigten Schlitz, bis die Sensorzinken fest in der Erde vergraben sind und nur noch der Draht aus dem Lysimeter herausragt. Reinigen Sie die Wände des Schlitzes mit einer Bürste oder einem Lappen von der Erde.

Tragen Sie eine dicke Perle Silikondichtungsmasse in den Schlitz auf, um zu verhindern, dass Wasser austritt. Nachdem die Dichtungsmasse getrocknet ist, tragen Sie einen zweiten Zyklus Silikon auf, um sicherzustellen, dass alle Lücken in dem Loch, das den Sensor umgibt, abgedichtet sind. Versiegeln Sie die Lücken zwischen dem Boden und der Wand des Lysimeters mit einer Dichtungsmasse, um das Risiko eines bevorzugten Durchflusses an den Innenwänden des Lysimeters zu verringern.

Durchstechen Sie zuerst eine Tube mit klarer Silikondichtungsmasse und laden Sie sie in eine Standard-Kartuschenpistole. Platzieren Sie die Spitze des Dichtungsrohrs zwischen dem Hohlraum im zu füllenden Boden und der Innenseite des Lysimeterkörpers. Schieben Sie dann die Spitze der Kartuschenpistole ca. 2 cm unter die Erde.

Drücke die Dichtungsmasse aus dem Rohr, bis sie den Hohlraum füllt und über die Erdoberfläche sickert. Nachdem Sie überprüft haben, dass der Bodenkern wie im Textprotokoll beschrieben eben ist, wickeln Sie Teflonband um die Nylon-Schlauchverschraubung mit Gewinde und drehen Sie die Armatur im Uhrzeigersinn in die Kappe. Ziehen Sie die Armatur mit einem verstellbaren Schraubenschlüssel fest, bis keines der Gewinde sichtbar ist.

Schieben Sie einen 0,5-Zoll-Schlauch auf das mit Widerhaken versehene Ende der Nylonverschraubung und schneiden Sie den Schlauch so ab, dass er etwa 4 cm in die Öffnung des Auffangbehälters eindringt. Stellen Sie den Behälter unter das Lysimeter und legen Sie den Schlauch in den Auffangbehälter. Decken Sie die Bodenoberfläche mit einem Käsetuch oder einem anderen chemisch inerten Netz wie einem Fenstergitter ab, um Bodenzuschlagstoffe und Oberflächenrückstände zu schützen und zu erhalten.

Messen Sie 1.450 ml simuliertes Regenwasser in einen Messzylinder und gießen Sie es in eine Gießkanne, die mit einem Duschkopf ausgestattet ist. Streuen Sie das Wasser vorsichtig und gleichmäßig über das Fenstergitter in einer Menge, die die Bodenoberfläche nicht stört. Nachdem Sie eine Weile gewartet haben, bis das Wasser eingedrungen ist und durch die Bodensäule in den Deckel und den Auffangbehälter gesickert ist, kippen Sie das Lysimeter in Richtung des Auslasslochs, bis das gesamte Wasser aus dem Deckel des Lysimeterbehälters in das Auffanggefäß abgelassen ist.

Messen Sie die Masse des gesammelten Sickerwassers mit einer Skala und rechnen Sie die Masse in Gramm in Milliliter um. Gießen Sie die Sickerwasserprobe in eine sterile 350-ml-Probenflasche aus Kunststoff. 50 ml werden sofort mit einem Saugtrichter filtriert, der mit 0,45-Mikron-Filterpapier ausgestattet ist, um die Nitratanalyse unter Verwendung von Farbbildern über die Durchflussinjektionsanalyse vorzubereiten.

Repräsentative Ergebnisse der Bewässerungs- und Auslaugungsversuche sind hier dargestellt. Die durchschnittliche wöchentliche Sickerwassertiefe lag für die vier Böden zwischen 1,12 und 1,95 cm. Die Sickerwasserrückgewinnung drückt den Prozentsatz des ausgebrachten Bewässerungswassers aus und folgt einem allgemeinen Trend in Bezug auf die Bodenbeschaffenheit, wobei die Rückgewinnungsraten auf den sandigen Böden von Evesboro und Sassafras etwas effizienter sind als auf den feinstrukturierteren Böden von Bojac und Quindocqua.

Diese Abbildung zeigt, dass Veränderungen des Bodenwassergehalts in 5 cm und 25 cm Tiefe nach der Bewässerung Unterschiede in der Wasserdurchlässigkeit zwischen gröberen und feineren Böden aufweisen. Feuchtigkeitsprofile deuten auf eine schnelle Bewegung des Bewässerungswassers durch den gröberen Evesboro-Sand und die sandigen Lehmböden von Sassafras hin. Diese Abbildung zeigt die Veränderung der Nitratkonzentration vor und nach der Ausbringung von Geflügeleinstreu.

Die Nitratkonzentrationen im Sickerwasser stiegen nach der Ausbringung der Einstreu an, folgten jedoch unterschiedlichen zeitlichen Mustern zwischen den Böden. Unterschiede im Nitratmassenverlust des Sickerwassers spiegeln nicht nur die Entwicklung der Nitratkonzentrationen im Sickerwasser wider, sondern auch Unterschiede in den Sickerwassertiefen. Um die Rolle der Ausbringung von Geflügeleinstreu und des Sickerwasservolumens auf den Nitratfluss zu beurteilen, wurden die Nitratflüsse im Boden vor der Einstreuung von den nachfolgenden wöchentlichen Flüssen abgezogen.

Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, sicher zu sein. Tragen Sie immer einen Gehörschutz, wenn Sie Bohrmaschinen oder den Fallhammer bedienen. Arbeiten Sie aus Sicherheitsgründen niemals unter dem Fallhammer.

Achten Sie auf andere Personen in der Umgebung, wenn Sie den Fallhammer bedienen, und halten Sie beim Betrieb einen Sicherheitsabstand zum Fallhammer ein. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie Sie einen intakten Bodenkern sammeln, ein Lysimeter konstruieren, Bodenfeuchtesensoren installieren, eine Bewässerung durchführen und Sickerwasser sammeln.