Symulator opadów deszczu został użyty do zastosowania stałego wskaźnika równomiernych opadów do upakowanych skrzynek z ziemią w badaniu losu i transportu mocznika, niepunktowego źródła zanieczyszczenia środowiska. W jednolitych warunkach glebowych i opadowych poprzednia wilgotność gleby wywierała silną kontrolę nad utratą mocznika w spływie powierzchniowym.
Artykuł metodologiczny
Protokół przeprowadzania symulacji opadów deszczu w celu zbadania spływu gleby
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Opady deszczu są siłą napędową transportu zanieczyszczeń środowiskowych z gleb rolnych do powierzchniowych zbiorników wodnych poprzez spływ powierzchniowy. Celem pracy było scharakteryzowanie wpływu wilgotności gleby przed występowaniem na losy i transport powierzchniowo stosowanego komercyjnego mocznika, powszechnej formy nawozu azotowego (N), po opadach deszczu, które wystąpiły w ciągu 24 godzin po zastosowaniu nawozu. Chociaż zakłada się, że mocznik jest łatwo hydrolizowany do amonu i dlatego nie jest często dostępny w transporcie, ostatnie badania sugerują, że mocznik może być transportowany z gleb rolnych do wód przybrzeżnych, gdzie jest zamieszany w szkodliwe zakwity glonów. Symulator opadów deszczu został wykorzystany do zastosowania stałej dawki równomiernych opadów w upakowanych skrzyniach glebowych, które zostały wstępnie zwilżone do różnej zawartości wilgoci w glebie. Kontrolując opady deszczu i cechy fizyczne gleby, wyizolowano wpływ wcześniejszej wilgotności gleby na utratę mocznika. Bardziej wilgotne gleby charakteryzowały się krótszym czasem od rozpoczęcia opadów deszczu do rozpoczęcia spływu, większą całkowitą objętością odpływu, wyższymi stężeniami mocznika w odpływie i większymi ładunkami masowymi mocznika w odpływie. Wyniki te pokazują również, jak ważne jest kontrolowanie wilgotności gleby przed badaniem w badaniach mających na celu wyizolowanie innych zmiennych, takich jak właściwości fizyczne lub chemiczne gleby, nachylenie, pokrywa glebowa, zarządzanie lub charakterystyka opadów. Ponieważ symulatory opadów deszczu są zaprojektowane tak, aby dostarczać krople deszczu o podobnej wielkości i prędkości jak opady naturalne, badania prowadzone w ramach ustandaryzowanego protokołu mogą dostarczyć cennych danych, które z kolei mogą być wykorzystane do opracowania modeli do przewidywania losów i transportu zanieczyszczeń w odpływie.
Wprowadzenie
Wpływ rolnictwa na środowisko jest globalnym i szybko rosnącym problemem, szczególnie w świetle niepewności związanych z globalnymi zmianami. Opady deszczu są siłą napędową transportu zanieczyszczeń środowiskowych z gleb rolnych do wód powierzchniowych poprzez spływ powierzchniowy. Duża część badań koncentruje się na lepszym zrozumieniu interakcji między opadami deszczu a warunkami glebowymi, ponieważ określają one niepunktowe źródła strat osadów, składników odżywczych i pestycydów z gleb rolnych. Celem pracy było scharakteryzowanie wpływu wilgotności gleby przed występowaniem na losy i transport powierzchniowo stosowanego komercyjnego mocznika, powszechnej formy nawozu azotowego (N), po opadach deszczu, które wystąpiły w ciągu 24 godzin po zastosowaniu nawozu.
Istnieje niewiele badań na temat losu i transportu mocznika w glebie, ponieważ mocznik jest szybko hydrolizowany do amonu po zastosowaniu nawozu i dlatego nie jest często dostępny do transportu. Jednak ostatnie badania działu wodnego sugerują, że mocznik może być transportowany z gleb rolniczych do wód przybrzeżnych i powodować przesunięcia w kierunku populacji organizmów wytwarzających szkodliwe toksyny1,2. Zarówno eksperymenty laboratoryjne, jak i terenowe wykazały, że gdy wytwarzający kwas domoikowy Pseudo-nitzschia australis (P. australis) był hodowany w wodzie morskiej wzbogaconej mocznikiem, ilość wyprodukowanego kwasu domoikowego była większa niż w przypadku uprawy na wodzie morskiej wzbogaconej azotanami lub amonem3. W badaniu wykorzystano symulowane opady deszczu w celu zbadania procesów, które kontrolują potencjalne straty mocznika-N w spływie po komercyjnym zastosowaniu nawozów.
Ze względu na zmienność naturalnych opadów, symulatory opadów zostały użyte do zastosowania jednolitych wskaźników opadów na powierzchniach lądu lub upakowanych skrzynkach z glebą w celu oceny spływu w kontrolowanych warunkach. Symulatory opadów deszczu były początkowo wykorzystywane do badania erozji gleby4. Jednak z biegiem lat były one wykorzystywane do pomiaru innych składników w spływie powierzchniowym i odciekach z gleb5-7. Przeprowadzono również badania terenowe z wykorzystaniem opadów naturalnych w celu oceny strat składników gleby w spływie. Trendy między naturalnymi opadami deszczu a danymi symulacyjnymi opadów są zgodne z podobnym wzorcem, co wskazuje na spójność procesów. W związku z tym symulacja opadów może być wykorzystywana w badaniach do przewidywania prawdopodobnego wystąpienia tego, co dzieje się podczas naturalnych opadów8.
Opracowano różne symulatory opadów, które zazwyczaj używają rozpylacza dyszowego do nanoszenia wody w pożądanym tempie i czasie. Pod względem wielkości symulatory opadów wahają się od prostego, małego, przenośnego infiltrometru o średnicy6 do obszaru opadów 9 do złożonego symulatora opadów Kentucky, który obejmuje działkę o wymiarach 14,75 stopy x 72 stopy (4,5 m x 22 m)10. Jednym z niedociągnięć w badaniach, w których wykorzystano symulację opadów, jest to, że nie ma jednego ustandaryzowanego projektu lub protokołu do przeprowadzania symulacji opadów11. Podczas "Międzynarodowych warsztatów na temat symulatora opadów" w 2011 r. na Uniwersytecie w Trewirze w Niemczech społeczność naukowców z 11 uczestniczących krajów doszła do wniosku, że potrzebna jest standaryzacja symulacji opadów i symulatorów w celu zapewnienia porównywalności wyników i promowania dalszego rozwoju technicznego w celu przezwyciężenia fizycznych ograniczeńi ograniczeń 12. Niniejsze badanie ma na celu częściowe zaspokojenie tej potrzeby poprzez przedstawienie szczegółowego opisu ustandaryzowanego protokołu przeprowadzania symulacji opadów deszczu przy użyciu symulatora, który jest już powszechnie stosowany do użytku w Ameryce Północnej.
Ten eksperyment jest częścią większego badania mającego na celu ocenę źródła mocznika w wodach ujścia rzeki Chesapeake, gdzie toksyczne zakwity glonów występują corocznie. Celem szczegółowym doświadczenia było określenie wpływu wilgotności gleby przed spływem na straty mocznika w odpływie. Zduplikowane, równomiernie upakowane skrzynie glebowe zostały wstępnie zwilżone do jednej z sześciu różnych wilgotności reprezentujących 50, 60, 70, 80, 90 i 100% pojemności pola. Mocznik nanoszono powierzchniowo w postaci bryłki w ilości 150 kg N/ha. W ciągu 24 godzin skrzynki zostały poddane równomiernym opadom deszczu trwającym 40 minut z prędkością 3,17 cm/h, co odpowiada naturalnym opadom, które zwykle występują co roku na wschodnim wybrzeżu zatoki Chesapeake w stanie Maryland. Próbki spływu pobierano w odstępach 2-minutowych, natychmiast filtrowano za pomocą szklanego filtra (0,45 μm) i przechowywano w temperaturze 4 °C do czasu ich analizy w ciągu 24 godzin od pobrania. Stężenia mocznika-N oznaczono za pomocą kolorymetrii13 analizy wtrysku przepływowego. Dane analizowano przy użyciu SAS v.9.114, a wyniki statystyczne uznano za istotne przy P ≤0,05.
Przenośny symulator opadów, który został wykorzystany w tym badaniu, spełnia specyfikacje projektowe15 i protokół, który został opracowany przez National Phosphorus Project16. W Stanach Zjednoczonych i Kanadzie ten projekt i protokół symulatora został szeroko przyjęty jako standardowa metoda do określania strat fosforu zarówno rozpuszczonego, jak i związanego z cząstkami stałymi w odpływie. Chociaż próbki spływu były analizowane pod kątem mocznika, a nie fosforu, metoda stosowania równomiernych i stałych opadów deszczu do upakowanych skrzynek glebowych jest taka sama, jak ta, która jest pokrótce opisana w protokole symulacji opadów National Phosphorus Project.
Protokół
1. Zbieranie i przygotowanie gleby
- Zbierz glebę z poziomu powierzchniowego profilu glebowego, aby dokładnie odwzorować warunki fizyczne i chemiczne powierzchni gleby. Uwaga: Jeśli to możliwe, glebę należy zebrać z górnych 5 cm powierzchni. Obszar zbierania gleby powinien być na tyle mały, aby ograniczyć różnice we właściwościach fizycznych i chemicznych gleby.
- Przesiej glebę przez grube (20 mm) sito, aby usunąć kamienie. Uwaga: Przesiewanie jest łatwiejsze, jeśli gleba jest nieco wilgotna.
- Przesianą ziemię rozłóż cienką warstwą na ciężkiej plandece, aby ułatwić suszenie, najlepiej w szklarni lub ciepłym pomieszczeniu.
- Wymieszaj glebę łopatą, grabiami lub ciągnąc krawędzie plandeki z jednej strony na drugą, tak jakby składał gigantyczną calzone. Uwaga: Uważaj, aby nie rozerwać ani nie rozerwać plandeki krawędzią łopaty lub grabi. Powtórz ten proces kilka razy, aż gleba zostanie dokładnie wymieszana.
- Pobrać 10 próbek z różnych miejsc w pryzmie dokładnie wymieszanej gleby i przeprowadzić test fosforu Mehlich-317 w celu sprawdzenia jednorodności. Uwaga: Jednorodność uzyskuje się, gdy wyniki dla 10 próbek mają współczynnik zmienności (CV) < 0,05. gdzie: CV = odchylenie standardowe/średnia.
- Jeżeli CV w teście fosforu Mehlicha-3 wynosi > 0,05, kontynuować mieszanie gleby i powtórzyć badanie jednorodności.
2. Pakowanie pojemników z ziemią
- Uwaga: Pojemniki na glebę powinny mieć jednolitą objętość i identyczne wymiary długości, szerokości i głębokości (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) z dziewięcioma otworami odpływowymi o średnicy 5 mm w dnie. Pudełka powinny mieć 5-centymetrową krawędź i rynnę zbiorczą na jednym końcu (Rysunek 1).
- Wyłóż dno pudełek 4-warstwową ściereczką serową, aby zapobiec wypłukiwaniu gleby z otworów w pudełku, jednocześnie umożliwiając przepływ wody, gdy gleba jest nasycona.
- Zapakuj pierwszy pojemnik na glebę, nabierając do pudełka wystarczającą ilość wysuszonej, przesianej i homogenizowanej gleby, aby wypełnić ją na głębokość około połowy po wygładzeniu (około 3,5 cm). Rozłóż glebę równomiernie i wypełnij ją płaską cegłą. Uwaga: Gleba powinna być wystarczająco sucha, aby nie zagęszczała się pod naciskiem cegły.
- Dodaj kolejne 2 cm gleby i wyrównaj ją za pomocą wyrównywacza do upakowanej głębokości 5 cm, czyli wysokości krawędzi skrzynki, która rozlewa się do rynny (rysunek 2).
- Zważ ilość gleby, która została dodana do pierwszego zapakowanego pudełka i dodaj tę samą wagę gleby do wszystkich pozostałych pudełek. Zapakuj każde pudełko tak, aby uzyskać głębokość gleby 5 cm i jednolitą gęstość nasypową.
- Odkurz rynny skrzynek na glebę, aby usunąć wszelką glebę, która rozlała się do rynny podczas procesu pakowania.
3. Montaż skrzynek z ziemią w symulatorze opadów
- Umieść ramę wykonaną z drewna impregnowanego ciśnieniowo o wymiarach 2 cale x 6 w środku symulatora opadów, na którym zostaną umieszczone skrzynie glebowe. Uwaga: Rama powinna mieć belkę poprzeczną pośrodku, aby zapewnić sztywność. Umieszczenie pojemników na ziemię na ramie bez dna minimalizuje rozpryskiwanie, które w przeciwnym razie wystąpiłoby z solidnej platformy bezpośrednio pod skrzynkami na ziemię i umożliwia swobodny drenaż z otworów w dnie skrzynek.
- Umieść ramę na blokach cementowych na wysokości umożliwiającej umieszczenie butelek i lejków zbierających poniżej wylewek na rynnach zbiorczych z przodu pojemników na ziemię zamontowanych na platformie.
- Dalej podnieś tylną część platformy, używając cegieł, tarcicy i podkładek, tak aby tył skrzyni na ziemię umieszczonej na platformie był o 3 cm wyższy niż przód skrzyni, co daje nachylenie 3%. Zmierz nachylenie, umieszczając deskę (o długości >100 cm) z tyłu skrzynki na ziemię zamontowanej na platformie. Za pomocą poziomicy stolarskiej przytrzymaj deskę poziomo i podnieś tylną część platformy tak, aby przód skrzyni znajdował się 3 cm poniżej poziomej deski (Rysunek 3). Uwaga: Upewnij się, że przód i tył platformy są wypoziomowane z boku na bok.
- Zlokalizuj punkt bezpośrednio pod dyszą górną i unikaj umieszczania pudełka w tej pozycji, aby uniknąć dużych kropli z dyszy na początku lub na końcu opadów deszczu przed upadkiem na pojemnik na glebę, a następnie umieść pięć lub sześć pudełek równomiernie rozmieszczonych na platformie. Zaznacz położenie pól i zawsze umieszczaj je w tych samych pozycjach.
4. Wybór źródła wody do nawadniania
- Wybierz źródło wody do nawadniania, które jest stosunkowo wolne od wszystkich pierwiastków i związków, szczególnie tych będących przedmiotem badania. Przeanalizuj źródło wody przed badaniem, aby określić czystość wody. Uwaga: W razie potrzeby należy użyć żywic wymiennych, aby osiągnąć pożądaną czystość wody.
- Zapewnij główne źródło wody symulatorowi opadów, które przekracza ciśnienie 8 psi i natężenie przepływu 5 galonów na minutę. Uwaga: Normalne źródła komunalne przekraczają te minimalne wymagania. Jeśli używasz zbiorników na wodę i pomp, upewnij się, że pompy są w stanie dostarczyć wodę o przepływie przekraczającym minimalne ciśnienie i natężenie przepływu.
5. Wybór rozmiaru dyszy do użycia
- Wybierz jeden z czterech standardowych rozmiarów dysz, które są używane do symulacji opadów. Uwaga: Każda dysza ma optymalne ciśnienie i przepływ, aby osiągnąć odpowiednią wielkość i intensywność kropli (Tabela 1). Wybór rozmiaru dyszy do użycia w konkretnym badaniu jest określany w odniesieniu do intensywności (cm/h) naturalnego opadu deszczu, który ma być reprezentowany.
6. Działanie symulatora opadów deszczu
- Ustaw (1) zawór kulowy z pojedynczą dźwignią (Rysunek 4) w pozycji zamkniętej, dźwignię pod kątem 90 stopni w poprzek rury i włącz główne źródło wody (miejskie lub pompę).
- Przekręć kwadratową ustalającą na górze (3) zaworu regulatora ciśnienia (Rysunek 4) w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aby zmniejszyć ciśnienie i całkowicie otworzyć następny w linii (4) zawór sterujący przepływem.
- Otwórz całkowicie (1) zawór kulowy z pojedynczą dźwignią (Rysunek 4) i wyreguluj (3) zawór regulatora ciśnienia, obracając ustalającą zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aby uzyskać około 8 psi w (6) manometrze znajdującym się w pobliżu górnej części symulatora opadów. Uwaga: Po ustawieniu (3) zaworu regulatora ciśnienia tak, aby nieznacznie przekroczył żądane ciśnienie dyszy, nie powinno być konieczne jego regulowanie podczas pracy symulatora opadów, chyba że zmieni się ciśnienie w głównym źródle wody.
- Częściowo zamknij (4) wbudowany zawór sterujący przepływem (Rysunek 4), aż przepływomierz (5) wskaże przybliżone natężenie przepływu w galonach na minutę dla używanej dyszy, a manometr (6) wskaże przybliżone psi dla używanej dyszy (Tabela 1).
- Zamknij (1) zawór kulowy z pojedynczą dźwignią (Rysunek 4), aby zatrzymać przepływ bez zmiany ustawień natężenia przepływu i ciśnienia.
7. Kalibracja dyszy i równomierność opadów
- Zakryj otwory w dnie 5 lub 6 pustych pojemników na ziemię taśmą klejącą, aby zapobiec wyciekaniu wody z pudełek i umieść je w zaznaczonych miejscach na drewnianej ramie (patrz krok 3.4).
- Ustaw i przytrzymaj rurę PVC o długości 10 stóp i długości 2 cali z kolankiem 45° przymocowanym do końca nad dyszą i otwórz (1) zawór kulowy z pojedynczą dźwignią.
- Zebrać wypływ z rury PVC w dużym cylindrze z podziałką przez 10 sekund.
- Dokonaj drobnych regulacji (4) wbudowanego zaworu sterującego przepływem i powtarzaj 10-sekundowe zbieranie, aż 10-sekundowa objętość przepływu będzie odpowiadała odpowiedniej wartości dla używanej dyszy (Tabela 1). Po osiągnięciu prawidłowego natężenia przepływu należy wykorzystać wartość na przepływomierzu jako sposób monitorowania zmian przepływu spowodowanych możliwymi wahaniami ciśnienia. Uwaga: Aby prawidłowo skalibrować dyszę, 10-sekundowa objętość przepływu jest dokładniejszym pomiarem niż odczyt na przepływomierzu.
- Usuń rurę PVC o długości 10 stóp, aby umożliwić opadom deszczu zwilżenie obszaru pudełka i zanotuj czas rozpoczęcia opadów.
- Dokładnie po 10 minutach gwałtownie zatrzymaj opady, umieszczając 10-stopową rurę PVC nad dyszą, aby przekierować przepływ i zamknąć (1) zawór kulowy z pojedynczą dźwignią.
- Zmierz objętość wody (ml) zebranej w każdym pudełku, wlewając ją do cylindra z podziałką i oblicz głębokość opadów, dzieląc objętość przez powierzchnię dna pudełka (2,000 cm2).
- Oblicz współczynnik zmienności głębokości opadów. Uwaga: Jednorodność opadów uzyskuje się, gdy głębokość opadów w 5 lub 6 polach ma współczynnik zmienności <0,05. gdzie: CV = odchylenie standardowe/średnia.
- Jeśli CV jest nie mniejsze niż 0,05, obróć dyszę o 1/4 obrotu mocniej i powtórz proces kalibracji. Uwaga: Może być konieczne kilkakrotne obrócenie dyszy, aby osiągnąć CV mniejsze niż 0,05.
- Po osiągnięciu CV mniejszego niż 0,05 powtórz kalibrację kilka razy, aby upewnić się, że intensywność opadów we wszystkich przebiegach jest stała.
8. Przeprowadzanie symulacji opadów deszczu
- Po kalibracji umieść zapakowane pojemniki na ziemię w zaznaczonych miejscach na drewnianej ramie (patrz krok 3.4).
- Umieść butelki i lejki do zbierania ścieków poniżej wylewek odpływowych i zapobiegaj bezpośredniemu wpadaniu opadów deszczu do rynny, używając spinacza do papieru, aby przymocować osłonę nad rynną (Rysunek 5).
- Powtórz kroki 7.2-7.5, aby ponownie skalibrować natężenie przepływu dyszy bezpośrednio przed symulacją opadów deszczu i zainicjować opady.
- Zapisz czas rozpoczęcia spływu dla każdej skrzynki, kiedy woda spływająca z odpływu odpływowego zmienia się z powolnego kapania w ciągły strumień.
- Próbki spływu należy pobierać w określonych odstępach czasu podczas zdarzenia poprzez zmianę butelek do zbierania lub na koniec zdarzenia o z góry określonym czasie trwania.
- Aby zakończyć opady deszczu, zatrzymaj opady, umieszczając 10-metrową rurę PVC nad dyszą, aby nagle przekierować przepływ i zamknąć (1) zawór kulowy z pojedynczą dźwignią.
- Pobrać próbki spływu i zarejestrować objętość za pomocą cylindra miarowego lub masowo, przyjmując, że woda waży 1 g/cm2.
- Próbki należy dokładnie wymieszać, tak aby cały osad znalazł się w zawiesinie, a następnie pobrać podpróbkę do analizy laboratoryjnej.
Wyniki
Jednym z powodów przeprowadzenia niniejszego eksperymentu była chęć zbadania czynników, które mogły przyczynić się do słabych wyników w poprzednim doświadczeniu, w którym porównywano straty mocznika w spływie powierzchniowym dla kilku form nawozów mineralnych i organicznych zawierających mocznik. Wszystkie warianty zastosowano do gleb, które zostały nasycone wodą, a następnie pozostawione do osięgnięcia pojemności polowej. Wyniki dla pięciu powtórzeń w wariancie z granulatem mocznika wykazały stężenia urea-N w spływie w zakresie od 1-12 mg/L. Tak duża zmienność między powtórzeniami w warunkach kontrolowanych była niedopuszczalna i zaburzyła wyniki eksperymentu. Silna dodatnia korelacja między całkowitą objętością spływu a stężeniem urea-N w spływie sugerowała, że czynnikami sprawczymi były warunki fizyczne, takie jak zagęszczenie gleby lub zmienna wilgotność początkowa wynikająca z różnych warunków drenażu i wysychania.
Aby zbadać przyczynę tak ekstremalnych różnic w stężeniach mocznika w spływach powierzchniowych, wszystkie skrzynki w niniejszym doświadczeniu zostały starannie wypełnione równymi masami jednorodnie wymieszanego gleby pylastej, jak przedstawiono na rysunkach 1 i 2 , w celu zminimalizowania zmienności warunków fizycznych. Aby uzyskać odpowiednio 50, 60, 70, 80, 90 i 100% przybliżonej pojemności polowej, określonej poprzez nawilżenie, a następnie wysuszenie w suszarce niewielkiej ilości przesianej gleby, obliczono masę wody niezbędną do nawilżenia gleby do odpowiadających im wstępnych wilgotności gleby wynoszących 14, 17, 19, 22, 25 i 27%. Wodę tę dodano do skrzynek i pozostawiono do ustabilizowania O/N. Symulacja opadów przebiegała zgodnie z dokładnym protokołem opisanym powyżej i przedstawionym na rysunku 3-5. Do zapewnienia natężenia opadów wynoszącego 3,2 cm/hr przez okres 40 min wykorzystano dyszę 17 wsq Full Jet 3/8 HH (tabela 1), co odpowiada naturalnemu zjawisku opadowemu, które powszechnie występuje corocznie na wschodnim brzegu zatoki Chesapeake w stanie Maryland.
Otrzymane całkowite objętości spływu, ładunki oraz stężenia ważone przepływem zestawiono w Tabeli 2. Stwierdzono istotną dodatnią zależność między całkowitą objętością spływu a wcześniejszym stanem wilgotności gleby (Rycina 6). Gleby bardziej wilgotne miały mniejszą zdolność do magazynowania wody i niższe wskaźniki infiltracji, co skutkowało większymi objętościami spływu. Odnotowano istotną ujemną zależność między czasem do wystąpienia spływu a wcześniejszym stanem wilgotności gleby (Rycina 7). W glebach bardziej suchych woda infiltrowała przez dłuższy czas, zanim stały się one wilgotne w pobliżu powierzchni, co doprowadziło do wystąpienia spływu. Oczekiwaniem była dodatnia zależność między całkowitym ładunkiem urea-N w spływie a całkowitą objętością spływu (Rycina 8). W badaniach hydrologicznych powszechnie wiadomo, że objętość przepływu jest zazwyczaj silnym predyktorem całkowitego ładunku. Sposób, w jaki stężenie zachowuje się w odpowiedzi na zdarzenie spływowe, jest mniej przewidywalny. Stężenie ważone przepływem obliczono poprzez zsumowanie ładunków dla każdego 2 min poboru spływu i podzielenie przez całkowitą objętość spływu. Jest to równoważne stężeniu w pojedynczej próbce spływu pobranej na koniec 40 min okresu opadów. W niniejszym badaniu stwierdzono istotną dodatnią zależność między stężeniem ważonym przepływem w spływie a wcześniejszym stanem wilgotności gleby (Rycina 9). Biorąc pod uwagę dodatnie zależności liniowe między objętością spływu a wcześniejszą wilgotnością gleby oraz między stężeniem ważonym przepływem a wcześniejszym stanem wilgotności, spodziewano się istotnej dodatniej zależności między całkowitym ładunkiem urea-N a wcześniejszym stanem wilgotności gleby. Jednakże ta istotna zależność była najlepiej opisana równaniem wykładniczym (Rycina 10).
W celu zwizualizowania utraty urea-N w spływie powierzchniowym w czasie, wartości poszczególnych stężeń w interwałach 2 min oraz ładunki skumulowane w jednej powtórce skrzynki glebowej reprezentującej każdy z wcześniejszych stanów wilgotności naniesiono na wykres w 40 min odstępie czasu opadów (Rysunek 11). Chociaż stężenia w spływie mogą zmieniać się w czasie dość nieregularnie (np. w przypadku wilgotności 90%), stężenia zazwyczaj są początkowo wysokie i maleją z upływem czasu. Ładunki skumulowane w czasie są funkcjami znacznie bardziej wygładzonymi i ilustrują omówione wcześniej istotne zależności. Czas do rozpoczęcia spływu jest dłuższy, stężenia urea-N w spływie są niższe, a ładunki skumulowane są mniejsze w przypadku gleb bardziej suchych. Chociaż mocznik ulega szybkiej hydrolizie w glebach, gdy opady występują w ciągu kilku godzin od aplikacji powierzchniowej, znaczna część N nadal występuje w formie mocznika i ulega utracie ze spływem powierzchniowym. Mocznik jest cząsteczką obojętną i nie jest silnie sorbowany na powierzchniach cząstek gleby. Gdy woda infiltruje bardziej suche gleby w początkowej fazie opadu, przenosi rozpuszczony mocznik w głąb gleby, z dala od strefy spływu powierzchniowego. Kiedy spływ faktycznie się rozpoczyna, obecność mocznika jest mniejsza, a stężenia w spływie są niższe. Z praktycznego punktu widzenia mocznik prawie zawsze byłby stosowany w suchszych warunkach, ponieważ sprzęt rolniczy nie mógłby poruszać się po glebach osiągających pełną pojemność wodną.
Rysunek 1. Schemat skrzynki do pomiaru spływu z zagęszczonej gleby. Metalowa skrzynka (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) z 5 cm krawędzią na przednim końcu jest wypełniona zagęszczoną glebą do głębokości 5 cm. Spływ przelewający się przez 5 cm krawędź jest zbierany do przymocowanej rynny, która jest osłonięta przed bezpośrednim opadem deszczu. Dziewięć otworów o średnicy 5 mm umożliwia odpływ wody infiltrującej do gleby ze skrzynek i zapobiega tworzeniu się zastoisk. Przytwierdzony w pobliżu przedniej krawędzi dna rynny króciec umożliwia odpływ wody do lejków i butelek zbiorczych umieszczonych poniżej króćca.
Rycina 2. Materiały do pakowania skrzynki. Około 4 warstwy gazy na dnie skrzynki zapobiegają utracie gleby, jednocześnie umożliwiając swobodny odpływ wody. Przeciwwaga poziomująca, składająca się z pleksiglasu umieszczonego między dwiema drewnianymi deskami, ma szerokość równą szerokości skrzynki (20 cm) i głębokość (2.5 cm) odpowiadającą różnicy między bokami skrzynki (7.5 cm) a górną krawędzią rynienki (5 cm). Opierając deskę o krawędź skrzynki, pleksiglas służy do wyrównania gleby do poziomu rynienki.
Rycina 3. Pozycjonowanie platformy. Ustaw platformę w taki sposób, aby po umieszczeniu skrzynek z zagęszczoną glebą wszystkie miały ten sam kąt nachylenia. W niniejszym badaniu pożądany spadek wynosił 3%. Trzymając deskę w poziomie, ustaw platformę tak, aby dolny koniec skrzynki (przy rynnie) znajdował się 3 cm poniżej końca górnego. Platforma powinna być wypoziomowana w kierunku poprzecznym.
Rysunek 4. Elementy sterujące symulatora opadów, począwszy od źródła wody i przechodząc przez system rur aż do dyszy. (1) Kulowy zawór dźwigienkowy: Jest to zawór szybkiego odcięcia. Dźwignia w linii z rurą oznacza otwarcie; dźwignia pod kątem 90 stopni względem rury oznacza zamknięcie. Należy używać tego zaworu do włączania i wyłączania przepływu bez ingerencji w zawory kontrolujące ciśnienie i natężenie przepływu. Otwierać i zamykać całkowicie. Nie należy próbować używać tego zaworu do regulacji natężenia przepływu. (2) Filtr osadów: Należy okresowo sprawdzać filtr i wymieniać wkład w razie potrzeby, aby zapobiec zapychaniu się osadami. (3) Zawór regulatora ciśnienia: Zawór ten kontroluje ciśnienie w linii od tego punktu w przód. Zbyt wysokie ciśnienie może doprowadzić do uszkodzenia rur, węży lub połączeń. (4) Przepływowy zawór regulacyjny (zawór zasuwowy): Zawór ten służy do precyzyjnego dostrajania przepływu do dyszy w celu uzyskania pożądanego natężenia przepływu i ciśnienia w dyszy. (5) Przepływomierz: Pomiar przybliżonego natężenia przepływu. (6) Manometr: Pomiar przybliżonego ciśnienia w dyszy.
Rysunek 5. Pojemniki rozmieszczone na platformie do symulacji opadów deszczu. Umieść od 5 do 6 pojemników w wyznaczonych pozycjach dla każdego zdarzenia symulacji opadów. Unikaj ustawiania pojemnika bezpośrednio pod dyszą, aby zapobiec ściekaniu wody bezpośrednio na powierzchnię pojemnika.
Rycina 6. Całkowita objętość spływu jest dodatnio skorelowana z wcześniejszą zawartością wilgoci w glebie (R2 = 0,64).
Rycina 7. Czas do spływu jest ujemnie skorelowany z początkową zawartością wilgoci w glebie (R2 = 0,48). Powierzchnia wilgotnej gleby szybko ulega nasyceniu. Opady przekraczające przewodność hydrauliczną nasyconej gleby generują spływ.
Rycina 8. Całkowity ładunek urea-N jest dodatnio skorelowany z objętością spływu (R2 = 0.81). Różnice w objętości spływu dominują nad różnicami w stężeniu urea-N w spływie.
Rycina 9. Stężenie mocznika-N ważone przepływem jest dodatnio skorelowane z uprzednią zawartością wilgoci w glebie (R2 = 0.66). Suchsze gleby umożliwiają infiltrację, która wymywa mocznik-N w głąb gleby i z dala od jej powierzchni. W przypadku wystąpienia spływu powierzchniowego, na powierzchni dostępna jest mniejsza ilość mocznika-N do przemieszczenia wraz ze spływem.
Rysunek 10. Całkowity ładunek urea-N jest dodatnio skorelowany z uprzednią zawartością wilgoci w glebie (R2 = 0,74). Pozytywne zależności między całkowitą objętością spływu a uprzednią zawartością wilgoci w glebie oraz między stężeniem urea-N ważonym przepływem a uprzednią zawartością wilgoci łączą się, tworząc zależność wykładniczą (y = 0,2043 e0,0405x).
Rysunek 11. Zależności stężenia Urea-N i ładunku skumulowanego w czasie dla jednej powtórki dla każdej początkowej zawartości wilgoci w glebie. Chociaż stężenie Urea-N nie zawsze jest funkcją gładką w czasie, można zwizualizować istotne zależności omówione wcześniej.
| Rozmiar dyszy | Intensywność | Optymalne ciśnienie | Przepływ | Przepływ 10 s |
| cm/h | psi | gpm | ml | |
| 17 wsq pełny strumień 3/8 HH | 3.2 | 6.0 | 1.5 | 940 |
| 24 wsq Full Jet 3/8 HH | 3.3 | 6.0 | 1.8 | 1,140 |
| 30 W Full Jet 1/2 HH | 6.0 | 5.0 | 2.2 | 1,250 |
| 50 w Full Jet 1/2 HH | 7.0 | 4.1 | 3.7 | 2,300 |
Tabela 1. Tabela rozmiarów dysz. Przedstawiono rozmiary dysz zidentyfikowane do użytku z tym symulatorem opadów oraz powiązane z nimi parametry intensywności opadów, ciśnienia i przepływu. Wybór rozmiaru dyszy zależy od pożądanej intensywności opadu. Intensywność i czas trwania opadów odpowiadają zdarzeniu opadowemu o określonym okresie powrotu dla konkretnej lokalizacji badania. W niniejszym badaniu zastosowano dyszę o rozmiarze 17 wsq. Opady o czasie trwania 40 min przy intensywności 3.2 cm/hr są równoważne naturalnemu zdarzeniu opadowemu, które powszechnie występuje w skali roku na wschodnim brzegu zatoki Chesapeake w stanie Maryland.
| Wilgotność gleby | Całkowity spływ | Ważone przepływem | Obciążenie całkowite |
| % | objętość (L) | stężenie | (mg N-mocznikowe) |
| (mg L⁻¹)-1 azot mocznika) | |||
| 27† | 2.96 | 4.99 | 13.66 |
| 27 | 2.87 | 4.37 | 12.55 |
| 25 | 2.52 | 3.57 | 8.62 |
| 25 | 1.81 | 2.33 | 4.21 |
| 22 | 2.52 | 2.18 | 5.50 |
| 22 | 2.47 | 1.54 | 3.81 |
| 19 | 1.99 | 1.72 | 3.41 |
| 19 | 2.35 | 3.70 | 8.68 |
| 17 | 1.91 | 1.69 | 3.22 |
| 17 | 1.66 | 0.90 | 1.50 |
| 14 | 1.51 | 0.78 | 1.18 |
| † Powtórzone liczby reprezentują dwie replikacje dla każdego poziomu wilgotności |
Tabela 2. Wstępna zawartość wody w glebie, całkowita objętość spływu, ważone przepływem stężenie urea-N oraz całkowite obciążenie urea-N po symulacji opadów. Powtarzające się liczby reprezentują dwie powtórki dla każdego poziomu wilgotności
Dyskusja
Spływ jest generowany głównie przez dwa mechanizmy: nadmierny spływ infiltracyjny i nadmierny spływ nasycenia18 i zależy od właściwości gleby, wilgotności gleby poprzedzającej, topografii i intensywności opadów. Symulacja opadów deszczu może być wykorzystana do ustalenia zmiennej intensywności opadów i zbadania jednej lub więcej pozostałych zmiennych. Intensywność i czas trwania opadów można również kontrolować w ograniczonym zakresie do badań, zmieniając rozmiar dyszy. Najważniejszymi etapami przeprowadzania badań symulacyjnych opadów deszczu na upakowanych skrzyniach glebowych są: 1) zapewnienie równomiernego upakowania skrzynek z glebą; 2) kontrolowanie wilgotności gleby przed jej użyciem; 3) kalibracja natężenia przepływu dla wybranej dyszy tak, aby wielkość i prędkość kropli była zbliżona do naturalnych opadów; oraz 4) Regulacja położenia dyszy, aby zapewnić równomierne opady deszczu we wszystkich skrzynkach glebowych.
Pod koniec procesu kalibracji, po osiągnięciu CV poniżej 0,05 dla jednorodności opadów we wszystkich skrzynkach glebowych, 10-minutową kalibrację należy powtórzyć kilka razy, aby zapewnić stałą intensywność opadów we wszystkich przebiegach. CV można również obliczyć pod kątem jednolitości między seriami. Jeśli CV dla jednorodności w różnych seriach jest mniejsze niż dla jednorodności opadów we wszystkich polach, rozważ grupowanie powtórzonych zabiegów w poszczególnych przebiegach, aby zminimalizować różnice między zabiegami. W przeciwnym razie, aby zmniejszyć błąd związany z pozycją pudełka i między seriami, należy losowo dobierać zarówno zabiegi, jak i powtórzenia zgodnie z pozycją pudełka, podejmując kroki w celu ograniczenia umieszczania zabiegu w danej pozycji więcej niż raz.
Wykorzystanie tego projektu symulatora opadów deszczu i standardowego protokołu do prawidłowej kalibracji symulatora poprawi porównania wyników między badaniami prowadzonymi przez różnych badaczy. Uzyskane w ten sposób dane mogą być wykorzystane do przewidywania, co dzieje się pod wpływem naturalnych opadów deszczu oraz lepszego zrozumienia procesów i czynników kontrolujących straty w środowisku spowodowane niepunktowymi źródłami zanieczyszczeń. Takie badania mogą dostarczyć cennych danych do wykorzystania w opracowywaniu modeli do przewidywania losów i transportu osadów i zanieczyszczeń chemicznych w spływie w warunkach naturalnych opadów.
Oświadczenia
Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.
Podziękowania
Ta praca została częściowo sfinansowana z grantu na budowanie potencjału przyznanego Uniwersytetowi Maryland Eastern Shore (UMES) przez Narodowy Instytut Żywności i Rolnictwa. Autorzy pragną podziękować Don Mahanowi (UMES) za pomoc w skonfigurowaniu symulatora opadów deszczu i przeprowadzeniu symulacji opadów. Podziękowania kierujemy również do Janice Donohoe (UMES) za wykonanie analiz laboratoryjnych oraz studentów studiów licencjackich (UMES) za pomoc w przeprowadzeniu eksperymentu symulacji opadów deszczu i przetwarzaniu próbek.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Symulator opadów | deszczu Joern's Inc. | TLALOC 3000 | Rozmiar 1,5 m x 2,0 m (rozmiar opcjonalny) |
| Symulator opadów deszczu | Joern's Inc. | TLALOC 4000 | Rozmiar 2,0 m x 2,0 m (rozmiar opcjonalny) |
| natryskowe | opadowych | 3 / 8HH-SS17WSQ | Dysza 17 |
| Dysza opadów deszczu | Systemy natryskowe Inc. | 3 / 8HH-SS24WSQ | Dysza 24 |
| Dysza deszczowa Systemy | natryskowe Inc. | 1 / 2HH-SS30WSQ | Dysza 30 |
| Dysza deszczowa | Systemy natryskowe Inc. | Dysza 3/8HH-SS50WSQ | rozmiar 50 |
Bibliografia
- Glibert, P. M., Trice, T. M., Michael, B., Lane, L. Urea in the tributaries of the Chesapeake and Coastal Bays of Maryland. Water Air Soil Poll. 160, 229-243 (2005).
- Glibert, P. M., Harrison, J., Heil, C., Seitzinger, S. Escalating worldwide use of urea-a global change contributing to coastal eutrophication. Biogeochemistry. 77, 441-463 (2006).
- Howard, M. D. A., Cochlan, W. P., Ladizinsky, N., Kudela, R. M. Nitrogenous preference of toxigenic Pseudo-nitzschia australis (Bacillariophyceae) from field and laboratory experiments. Harmful Algae. 6 (2), 206-217 (2007).
- Mutchler, C. K., Hermsmeier, L. F. A review of rainfall simulators. Trans. ASAE. 8 (1), 67-68 (1965).
- Kleinman, P. J. A., Sharpley, A. N., Veith, T. V., Maguire, R. O., Vadas, P. A. Evaluation of phosphorus transport in surface runoff from packed soil boxes. J. Environ. Qual. 33, 1413-1423 Forthcoming.
- Kibet, L. C., et al. Phosphorus runoff losses from a no-till coastal plain soil with surface and subsurface-applied poultry litter. J. Environ. Qual. 40, 412-420 (2011).
- Feyereisen, G. W., et al. Effect of direct incorporation of poultry litter on phosphorus leaching from coastal plain soils. J. Soil Water Cons. (4), 243-251 (2010).
- Vadas, P. A., et al. A model for phosphorus transformation and runoff loss for surface-applied manures. J. Environ. Qual. 36, 324-332 (2007).
- Bhardwaj, A., Singh, R. Development of a portable rainfall simulator infiltrometer for infiltration runoff and erosion studies. Ag. Water Manage. 22 (3), 235-248 (1992).
- Moore, I. D., Hirschi, M. C., Barfield, B. J. Kentucky rainfall simulator. Trans. ASAE. 26, 1085-1089 (1983).
- Grismer, M. Standards vary in studies using rainfall simulators to evaluate erosion. Ca. Agri. 66 (3), 102-107 (2012).
- Ries, J. B., Iserloh, T., Seeger, M., Gabriels, D. Rainfall simulations - constraints, needs and challenges for a future use in soil erosion research. Z. Geomorphol. Suppl. 57 (1), 1-10 (2013).
- Liao, N. L., Egan, L. Determination of urea brackish and seawater by flow injection analysis colorimetry. QuickChem Method. , Lachat Instruments. Milwaukee, WI. (2001).
- SAS Institute. The SAS system, version 8.0. , SAS Institute. Cary, NC. (2000).
- Humphry, J. B., Daniel, T. C., Edwards, D. R., Sharpley, A. N. A portable rainfall simulator for plot-scale runoff studies. Appl. Eng. Agric. 18, 199-204 Forthcoming.
- National Phosphorus Research Project. National research project for simulated rainfall- surface runoff studies: Protocol [Online]. , Virginia Tech Univ.. Blacksburg, VA. Available at: http://www.sera17.ext.vt.edu/Documents/National_P_protocol.pdf (2013).
- Mehlich, A. Mehlich No. 3 soil test extractant: A modification of Mehlich No. 2 extractant. Comm. Soil Sci. Plant Anal. 15, 1409-1416 (1984).
- Dunne, T., Black, R. D. An experimental investigation of runoff production in permeable soils. Water Res. Res. 6 (2), 478-490 (1970).
Przedruki i uprawnienia
