土壌コアLysimetersを収集し、構築するためのプロトコル

Summary

無傷の土壌コアライシメーターの抽出と組み立てのための詳細な方法と、表面適用された家禽のトイレ砂からの浸出水とそれに伴う栄養素の損失の研究のためのそれらの使用が実証されています。

Abstract

土地から栄養素が浸出し、農業で使用される肥料や肥料が浸出すると、地表水の富栄養化が加速する可能性があります。ランドスケープは複雑で多様な土壌形態を持っているため、土壌マクロポアとマトリックス構造を通る浸出水の流路に不均衡が存在します。これらのパスを通る流量は、先行する土壌水分によってさらに影響を受けます。ライシメータは、土壌を通じて下向きに浸出する流量、水の量、および栄養素の濃度を定量化するために使用されます。ライシメータの設計は数多く存在しますが、水の量と栄養素の質量バランスを正確に測定するには、自然の土壌構造をそのまま残す限定ライシメータが最適です。

ここでは、深さ5cmと25cmの土壌水分センサーを備えた土壌コアライシメーターの抽出と構築のための詳細な方法を紹介します。4つの異なる海岸平野の土壌(ボジャック、イブスボロ、クインドクア、サッサフラス)からのライシメーターがデルマーバ半島で収集され、屋内の気候制御施設に移動されました。土壌は、土壌の硝酸N濃度を下げるために、2cmの降雨量に相当する週に一度灌漑されました。ドローダウン期間の終わりに、家禽のトイレ砂(162 kg TN ^ha-1)を適用し、さらに5週間浸出を再開しました。適用された灌漑用水の総回収率は71%から85%までさまざまでした。硝酸塩-N濃度は、リター適用前の平均27.1 mg ^L-1からリター適用後の40.3 mg ^L-1まで、研究の過程で変化しました。栄養素の最大のフラックスは粗い砂が優勢な土壌(ササフラス)で測定されましたが、最大の即時フラックスは、マクロポアの発達が顕著な最も細かいテクスチャーの土壌(クインドクア)から発生しました。

Introduction

デルマーバ半島は、チェサピーク湾の東岸と国境を接し、そして米国で最大の家禽生産地域の一つに家です。大体6億鶏や肥料の推定75万トンは、毎年¹これらの鳥の生産から生成されています。肥料のほとんどは、農業分野での肥料改正としてローカルで使用されています。そのため肥料のアプリケーションの歴史的に高い率で、例えば、窒素やリンなどの栄養素が土壌に蓄積され、現在地下浸出^2を介して、オフサイトの損失の影響を受けやすいいます。地下水流動の多くは、最終的にはチェサピーク湾³に排水溝の広範なネットワークに向けられています。ベイに運ば栄養素が富栄養化⁴による湾の健康の低下にリンクされています。

栄養素のオフサイトの損失で栄養管理を接続すると、水文学を監視するための専用のツールが必要ですフローおよび関連する栄養素転送。 Lysimetersは土壌を通じて栄養素の動きを特徴付けるし、定量化するために使用される機器の主要なカテゴリを表します。 Lysimetersは、プロセスのより代表的なものであるゼロテンションlysimetersに、彼らはより良い推定工場利用できるように土壌のマトリックスポテンシャルに対抗するために調整することができるテンションlysimetersから、水^5-7の浸透に栄養素の流れを監視するのに使用の長い歴史を持っている水無料の排水中に発生しました。すべてのアプローチが存在する固有のバイアスをlysimeteryします。例えば、いくつかのlysimetersは完全に自然の土壌で空間的に複雑なプロセスを表現するには小さすぎる、または異種の土壌⁸の良好な統計的な複製を提供するには大きすぎる、高価です。また、パンlysimetersは浸出液を収集するために飽和するためにそれらの上に土を必要とし、マトリックスの流れ^9を測定^する時のテンションlysimetersに比べて非効率的です。

クローズドライシメータシステム、このような（また、土壌モノリスlysimetersとして知られている）ゼロテンション土壌コアlysimetersとして、大幅に水の予算と関連する汚染物質の予算が（ 例えば 、栄養予算）が^10を行っているとの自信を向上させます。彼らは土壌の無傷のコアが含まれている場合、これらのlysimetersは、最も代表的なものです。再梱包土壌で埋めlysimetersを問わず、溶質と粒子状化合物^11,12の輸送に影響を与える元の構造、地平線とマクロポアの接続を維持していません。実験的な観点からは、乱されていない土壌条件の大きな複製を促進するアプローチは、土壌の物理的および化学的性質¹³に存在する固有の空間的変動性を考慮すると、有利で ​​す。

ドロップハンマーとカッティングヘッド：2つの好ましい方法は、無傷の土壌コアlysimetersを収集するために使用されてきました。それは、スレッジのハムのような単純なデバイスを用いて達成することができるように、前者は、より一般的に行われていますマー（小さいlysimeters）。適切に実行されたとき、ドロップハンマー土壌コアコレクションは、比較的他のコアリング技術と比較する場合は特に、費用対効果であることが示されています。しかし、地面にライシメータケーシングを駆動することによって課される剪断力は、天然の土壌の代表ではありませんライシメータ内部の条件を生成、スミアと圧密引き起こす可能性があり、さらには水の動き（ 例えば 、バイパス流の特定のタイプを好む、またはに沿って流れることができます。土壌コアエッジ）。その結果、一部の研究者は、掘削装置または他の掘削装置⁵で無傷の土を切り取っcorersの使用が好まれています。

種々の材料は、土壌コアlysimetersためのケーシングとして使用されています。スチールパイプとボックスは、比較的低コストで、耐久性と容易に入手可能であり、それらの強度^14-17に大きなlysimetersを収集するために使用することができます。しかし、鋼はRELの浸出を評価するには十分であるが硝酸塩などのatively非反応化合物、鋼中の鉄は、リン酸と反応し、したがって、コーティングするか、そうでなければリン浸出の研究のために処理しなければなりません。一般に、プラスチックケーシングは、厚肉（スケジュール80）（使用する場合）、ドロップハンマーの衝撃に耐え、より大きな直径の土壌コアが得られたときにその構造を保持することができるPVC管（ 例えば 、として、リン浸出を研究するために使用される≥30センチ^）18-22。

一般に、土壌コアlysimetersは、ex situで分析されます。いったん集め、土壌コアlysimetersは、周囲の土壌や地上気候の上には、自然界の条件を表す屋外」ライシメータファーム」内に設置することができます。例えば、スウェーデンでは、スウェーデン農業大学は、直径30cmのINTAにスケーリングすることができる農薬の運命-と輸送、長期的な土壌肥沃度試験、および経営慣行を分析し、過去30年間にわたって3つの別々のライシメータの農場を維持していますCTコア^23。土壌コアlysimetersも気候条件^24,25のより大きな制御がある屋内の浸出実験に供されています。 Liu らは 、定期的にキャッチのアレイ^26をトリミング下の土壌コアlysimetersを灌漑するために降雨シミュレータを使用しました。キベットとくんは、すべての土壌コア^27,28を介してヒ素や栄養浸出を研究するために手の灌漑技術を採用します。

土壌のと水文プロセスの様々な土壌コアlysimetersから推測することができます。くんら （2015）尿素アプリケーション²⁸の後に窒素溶脱を調査するために直径30cmのPVC列lysimetersを使用。灌漑イベント後の異なる時間間隔で浸出液を収集することにより、彼らはマクロ孔の流れによって支配されているものと、前者で、迅速かつ緩やかな流れを区別することができた、と後で行列の流れによって支配されると仮定しました。ときに、接触のWi中の尿素は、容易に加水分解されるので、目土、彼らは土壌マトリックスをバイパスマクロ孔輸送の証拠として尿素アプリケーションの直後に採取した浸出液中の上昇尿素濃度の存在を解釈しました。時間が経つにつれて、彼らは最初の加水分解後にアンモニウムに適用される尿素の転換を追跡し、浸出液中の窒素の異なる形の高濃度を検出し、その後アンモニウムの変換は、硝化と硝酸塩します。

設計、実施し、土壌コアライシメータ実験を解釈する際に考慮事項を説明するために、我々は、米国の中​​部大西洋沿岸平野で見つかった4の異なる土壌の調査を行いました。研究では、乾燥鶏糞（ すなわち 、家禽「ごみ^」）28を適用する前と後の硝酸塩の浸出濃度や損失を測定しました。土壌への家禽リターのアプリケーションからの養分損失はキーチェサピーク湾の健康への懸念、および適用の相互作用を理解しています家禽のごみや農業土壌特性は、栄養管理の推奨事項を改善するために必要とされます。ここでは、無傷の土壌コアlysimetersを抽出土壌水分を追跡し、これらの土壌からの差動硝酸浸出損失を解釈するための具体的な方法を提示します。

この実験はデルマーバ半島、米国^27,28の農用地の土壌から栄養浸出を評価するために実施大規模な研究の一部です。土壌コアlysimetersは、我々はこれらの研究からの未発表の結果を提示する。ここで2010年にデラウェア州、メリーランド州とバージニア州のサイトから収集しました。最初の実験は、リンの浸出を評価するために実施されたが、論文の土壌からの硝酸浸出も監視しました。

チェサピーク湾流域の大西洋海岸平野からの4つの一般的な農業の土壌をサンプリングした：Bojac（粗ローム、混合、セミアクティブ、サーミックTypic Hapludultを）。 LamellコーティングされたEvesboro（mesic、IC Quartzipsamment）。 Quindocqua（微ローム、混合、アクティブ、mesic Typic Endoaquult）。ササフラス（微ローム質、珪質、セミアクティブ、mesic Typic Hapludult）。各土壌について、地平線の形態は、列（ 表1）の掘削により露出されたプロファイルから説明しました。土壌の表面テクスチャはシルトローム（Quindocqua）に細かい砂/砂壌土（Bojacとササフラス）をロームする砂（Evesboro）の範囲でした。すべての土壌は、歴史的に家禽のごみで受精されていたが、いずれも試験前に10ヶ月の間に適用されていませんでした。すべての土壌は前の土壌コアライシメータコレクションに少なくとも一つのシーズンに向けトウモロコシ生産不耕起していました。

コレクションに続いて、土壌コアlysimetersはペンシルバニア州にあるUSDA-ARSのsimulatorium施設に輸送されました。そこでは、家禽リターアプリケーションに関連する栄養浸出を評価する屋内灌漑実験（22-26℃）での対象となりました。具体的には、浸出液中の硝酸塩が土壌との間で平衡化させたまでlysimetersは8週間にわたって水毎週2cmので灌注しました。家禽用トイレ砂（乾燥鶏糞）を合計N.灌漑の162キロヘクタール^-1の速度で、すべての土壌の表面に適用したが、5週間以上継続しました。水分センサは、灌漑や浸出サイクルを通じて、継続的に5分間隔で体積含水量を記録しました。浸出液は、24時間後に回収し、灌漑に再び7日後に直前ました。

土壌コアlysimetersからの浸出水データは土壌間の浸出水の量と質の違いだけでなく、ごみの適用前と後の違いを説明するために単純な記述統計を用いて分析しました。土壌水分センサは2つだけ、各土壌（Evesboro、Bojac、ササフラス、Quindocqua）の複写土壌コアlysimetersの中に入れたので、土壌水分量の統計をsに対し、N = 2、に基づいていました浸出水の深さのためのtatisticsは、硝酸塩-N濃度と硝酸-NフラックスはEvesboro、BojacとササフラスとQuindocquaための5土壌コアlysimetersのための10の土壌コアlysimetersに由来しました。土壌内のレプリケーションの重要性を評価するために、浸出水の深さに対する変動（CV）の係数は異なる複製数を算出しました。 （Evesboro、Bojac、ササフラス10; 5 Quindocqua用）モンテカルロシミュレーション法を繰り返し、各土壌群内複製の総数からの土壌コアlysimeters（N = 3）のサブセットをサンプリングするために使用されました。

Protocol

1.材料の準備

1. スケジュール80 PVC;直径30.5cm（12インチ）（公称ID）からライシメータの本体をカット。この1.9 cmの（0.75インチ）（ 図1a）の壁の厚さを有しています。検討されるべき土壌層の厚さに応じてライシメータ体の長さを切断し、ここでは、53センチメートル（21インチ）ロングボディを使用。土壌を切断するのを助けるためにライシメータ本体の内壁に鋭い先端を形成するためにライシメータの下端の周りに45°ベベルにより深い0.63センチメートルを敗走。
2. 水の自由な排水を可能にし、回収前（ 図1b）に浸出水用のストレージ容量を提供するために、キャップ内にスケジュール80 PVC 15.3センチ30.5センチメートルのIDリングを接着することにより34.5センチメートルのID、平底PVCキャップを変更します。本体にキャップを結合するカップリングとして機能する本体と同じ素材からリングをカット。キャップは、（フレキシブルカップリングとホースクランプで体に結合されます図1Cおよび1D）。 1.27センチメートル穴を掘削し、1.27センチメートル14 NPTパイプタップでそれをタップすることで、試料収集用のポートをインストールし、側壁と底出会うキャップの外縁に1.27センチメートルナイロン有刺オスアダプタ（ 図1eのを ）回します。
3. lysimeters（ 図1グラム ）の底部をカバーするために使用される1.27センチメートル厚いフラット株式PVC 34センチ径のディスクをカット。ドリル180は、均等に0.32センチメートル離間します。ディスクへの直径の穴は、キャップを入力する土壌を充填したライシメータの底から排水を可能にします。接着剤グラウンド布又はディスクの一方の側に他の濾布は、浸出液の排水中に底部ディスクを通過する汚れを防止します。
4. 2.5センチメートルフラット鉄および2.5センチ水パイプ（ 図2）から持ち上げるはさみを構築します。 50.0センチメートルの長さに平らな鉄2.5cmのバンドの2をカットし、ガイドとしてライシメータ本体の外側を使って半円形に曲げます。溶接5cmのBそれぞれの半円形バンドの両端に。ヒンジピンとバンドのそれぞれに参加。お互いの反対のバンドの外側のリング上の水パイプを溶接。

ドロップハンマーと土壌へ2.運転ライシメータケーシング

1. 収集領域から表面植生、岩や他の破片を取り除きます。 lysimetersが撮影した（ 図3a）されるレベルの地面に体ライシメータの2位。カラム内の土壌が均一な深さであるようにlysimetersが水平になっていることを確認してください。
2. ライシメータ本体の上に所定の位置に特別に設計された、トレーラーに取り付けられた、ドロップハンマーを駆動します。ドロップハンマーが所定の位置にあるとき、ライシメータ体のグラウンドとトップで鋼板を水平に油圧式に電力を供給アウトリガーを展開します。アウトリガーはまた、ドロップハンマー（ 図3b）のための安定性を提供します。
3. 部分的に1.52メートルの助けを借りてまで1180キロ3メートルの塔を計量1.52メートルの正方形の鋼板により、10.2センチメートル厚いホイスト機械式ウインチ（ 図3b）。土壌に列をハンマーする鋼板をリリース。
4. 2.3数回コラムリムまで繰り返しステップは、土壌表面（ 図3c）より2 cmです。
5. 列の内外の土壌の深さを測定することにより、ライシメータ内部の土壌圧縮のために確認してください。カラム内部の土壌が列外の土壌よりも1cm以上低い場合、土壌​​は圧縮され、研究には適していません。

3.土壌コアを削除します

1. 掘削工程中に、土壌や他の破片による汚染を防止するために、カラムにあきPVCディスク（ 図1c）とフレキシブル管継手（ 図1D）を配置します。
2. 土壌コアの横に溝を掘ると、バックホー（ 図4a）と塔底よりやや深いです。
3. シャベルで穴を広げたり（ 図4b）を選び、mと公開できるだけシリンダーの外側のUCH。
4. それは土壌と外部カラム壁（ 図4c）との間にあるように、列の辺の全長に沿ってバーを掘り下げ重金属を押してください。
5. 塔の底部の土壌インターフェースが破壊されるまで、前後に掘削バーを取り外します。
6. 土壌コア除去の準備のために（ 図2参照）ライシメータの上部の周りに持ち上げはさみフレーム。はさみは、列の周りにしっかりと閉じて、穴からライシメータを持ち上げるまで、各バーを持っている人では、プルアップ。このような合板の片として平らな作業面上のライシメータを置きます。

4.ライシメーター組立のための土壌コアを準備

1. ボトム側が上になるようにオーバー土壌コアを反転します。ステップ3.1にインストール木製合板ディスクが所定の位置に土を開催します。
2. 静かに、でも、PVC（ 図5a）のリムワットで土を平らストレートエッジi番目。ペンナイフやドライバーとのリムの平面の上方に突出した石を取り外します。
3. 化学的に不活性なプレイ砂で任意の空隙を充填し、静かに（ 図5b）、それを詰めます。
4. グレードもストレートエッジと塔底で砂とは、余分な砂（ 図5cおよびd）を削除します。
5. リムから任意の土壌やブラシでlysimetersの外側壁を清掃したり軽くエッジを、それを吹き飛ばす、接着剤が付着し、キャップのぴったりフィッティングにするために、リムが汚れていないことを確認してください。

5.ライシメーターの組み立て

1. ライシメータ（ 図6a）のリムの周りに明確なシリコンコーキング材の連続的なラウンドビーズを押し出します。コー​​キングはlysimetersにあきディスク底部を密閉し、漏出を防ぐのに十分な厚さでなければなりません。
2. 濾布が砂に直面してリムにあきディスク（ 図1c）を置き、プレートとライシメータの良好な接触を可能にするために、しっかりと下に押します。
3. プレートのエッジの周りに8等間隔のパイロット穴をドリルとドリルドライバーと1.0インチのステンレススチール製のネジで穴あきディスクを固定（ 図6B）。
4. カップリングの約2cmのライシメータリム（ 図5c）上に投影しているように、ライシメータベースへの柔軟な管継手をスリップ。
5. フレキシブル管継手（ 図6c）に変更されたPVCキャップを取り付け、そしてそれはライシメータ本体に接触するまでダウンキャップを押してください。キャップの上に木のブロックで穏やかな場所でキャップをタップする槌を使用しています。
6. カップリングの溝に締め付けバンドを置き、カップリングを収縮せずに軽く固定します。手でカップリングの周りに金属を締めライシメータキャップをしっかりと所定の位置に保持されるまでの1/4インチ六角ドライバーを開催しました。ライシメータは、気候続きを裏返して搬送される準備ができています圧延設備。

6.水分センサーの取り付け

1. スクライブ5〜25センチの深さでのライシメータの壁に長さ5cm、水平線。ライシメータのリムに土壌表面から測定していません。
2. マークされたラインの各端部にライシメータの壁を通って直径1.0cmの穴をドリル。
3. 離れて回転切削工具で開けた穴の間にプラスチックの残りの3センチメートルをカットします。
4. 水分センサ（ 例えば 、十角形）の筐体に対応するために、土壌中に5センチメートルことにより、厚さ1センチメートルに長いスリットを鑿。
5. センサー突起が​​しっかり土に埋もれているだけワイヤがライシメータから突き出ていることまで掃除スロットに穴に湿度センサーを押してください。
6. ブラシや布でスロットの壁からきれいな土壌。
7. 漏れる水を防止するために、スロットにシリコーンコーキングの厚いビードを適用します。コー​​キング剤が乾燥した後、アンにシリコンの第2サイクルを適用センサーの周囲の穴にすべてのギャップがシールされていることを確認してください。

浸出水コレクション7.準備Lysimeters

1. ライシメータの内壁ダウン優先フローのリスクを軽減するためにコーキングと土壌とライシメータ壁の間の隙間をシールします。
   1. ピアースは、標準のコーキングガンに透明なシリコーンコーキングのチューブをロードします。
   2. 充填する土壌とライシメータ本体の内側面に空洞間のコーキングチューブの先端を置きます。約2cmの土壌下のコーキングガンの先端を押してください。それは空隙を充填し、土壌表面上に漂わせるまで、チューブの外にコーキングを絞ります。
2. ベンチまたは平らな面の上にlysimetersを設定し、いくつかのlysimetersの重量と4.0 Lジャグ（ 図7）への水の自由な排水を可能にするのに十分に高いを処理するのに十分頑丈。
3. コアlysimetersが小さい（14 cm）の精神レベルですべての方向に平準化される土壌を確認してください。必要なナンプラーであれば土の表面が完全に平らにされるまでのceシムが下にlysimeters。
4. ねじ付きナイロンチューブ用継手（NPT中0.5）の周りにテフロンテープをラップし、キャップ内にフィッティングを時計回りに回します。スレッドのどれもが見えなくなるまで調整可能なレンチでフィッティングを締めます。
5. フィッティングナイロンのとげの端部に0.5インチのホースを押して、コレクションの水差しの口の中に約4.0センチメートルを通過するようにホースを切りました。
6. ライシメータの下にコンテナを設定し、収集ジャグ内部ホースを配置します。

8. Lysimetersを灌漑し、浸出水の収集

1. チーズ布や土壌の凝集物および表面残基を保護し、維持するために他の透過性、化学的に不活性なファブリックで土壌表面を覆います。
2. メスシリンダー中に脱イオン水1450ミリリットルを測定し、シャワーヘッドを備えたことができます散水にそれを注ぎます。ゆっくりと均等にdistuしない速度で、生地の上に水を振りかけます土壌表面をRB。
3. キャップと収集容器に土壌カラムを通して浸出液を浸透させるために水のための時間を待ちます。
4. 全ての水を回収容器へのライシメータのリザーバキャップから排出されるまで、出口孔に向かってでライシメータヒント。
5. 規模で収集浸出水の質量を測定し、（水の1.0グラムを1.0ミリリットルと同等であると仮定）mlにグラムで質量を変換します。 350ミリリットル滅菌プラスチックサンプル瓶に浸出水のサンプルを注ぎます。直ちにフローインジェクション分析^31を介して測色を用いた硝酸分析の準備のために0.45μmの濾紙を備えた吸引漏斗で50mlをフィルタ。
6. ストア濾過し、冷蔵庫、分析まで4°Cでのサンプルのフィルタリングされていない部分。

Results

土壌水分、浸出水の深さと浸出水の化学的性質のすべては、特定の土の複製土壌コアlysimeters間の内部変動にもかかわらず、土壌特性の関数としての違いを明らかにし、土壌全体で変動を示しています。後の時点ワラント土壌水分と浸出プロセスにおける固有の変動などの実験デザインの観点から特に注目すべきは、2型統計誤差を最小化するために、かなりのレプリケーションが必要です。現在の研究では、すべての土壌全体の変動係数（CV）は、硝酸-Nフラックスのために硝酸-N濃度について0.55、および0.23から0.54に、浸出水の深さのために0.06に、土壌水分のために0.02から0.38に0.22を0.02の範囲でした。

分散上のライシメータの複製の効果が強いINFを明らかにし、個々の土壌（Bojac、Evesboro、ササフラス、Quindocqua）の複製からの浸出水のデータをサンプリングすることによって示されています他のものよりいくつかの変数のレプリケーションのlue...

Discussion

ライシメータコレクションの重要なステップ

浸出の研究では、浅層地下水への窒素の損失上の土壌特性と肥料管理の影響を示しています。このような土壌のテクスチャ、凝集構造と嵩密度などの土壌の​​物理的性質は、水と溶質の浸透を媒介します。正確に浸出水の量と溶質の濃度を決定することは、これらの重要なステップに従うことによってライシメータ収集中に、これらの土壌の物理的特性の整合性を保持するに依存している：1）ライシメータと列が土壌に駆動されている間レベルを維持しなければならないドロップハンマー。 2）ライシメータ内の土壌は、締固めのためにチェックする必要があります。 3）土壌カラムの底部は平らにされなければならないとドレインキャップがインストールされる前に空隙が不活性砂で埋めなければなりません。 4）シリコーンコーキングで密封されなければならないライシメータ壁と土壌との間のものを含むすべてのギャップが番目の優先サイドウォールフローまたは漏れを防ぐために電子水分センサポート。

土壌構造を維持することの重要性

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
スケジュール80 PVCパイプ	フライのプラスチック	コール	10フィートの長さで販売
Fernco Fittings	フライのプラスチック	コール	直径12インチ
タイプIIポリ塩化ビニールプレート	AINプラスチック	コール	'x 8 'PVC IIヴィンテックIIのシートで販売
スケジュール40 PVCキャップ	フライのプラスチック	コール	直径12インチの
ステンレス鋼ネジ	留め具135716		#8ビューグルヘッドフィリップスドライブシャープポイントグレード18-8ステンレス鋼
シリコーンIIコーキング	ロウの	447488
ナイロンチューブ継手	United States's Plastic Corp.	61137	0.5 インチ NPT
食品グレード チューブ	Lowe's	443209	0.5 インチ ビニール