Protokół przeprowadzania symulacji opadów deszczu w celu zbadania spływu gleby

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 toksyny^1,2. 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 gleb^5-7. 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 ograniczeń^{i 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.

Protocol

1. Zbieranie i przygotowanie gleby

1. 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.
2. Przesiej glebę przez grube (20 mm) sito, aby usunąć kamienie. Uwaga: Przesiewanie jest łatwiejsze, jeśli gleba jest nieco wilgotna.
3. Przesianą ziemię rozłóż cienką warstwą na ciężkiej plandece, aby ułatwić suszenie, najlepiej w szklarni lub ciepłym pomieszczeniu.
4. 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.
5. 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.
6. Jeżeli CV w teście fosforu Mehlicha-3 wynosi > 0,05, kontynuować mieszanie gleby i powtórzyć badanie jednorodności.

2. Pakowanie pojemników z ziemią

1. 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).
2. Wyłóż dno pudełek 4-warstwową ściereczką serową, aby zapobiec wypłukiwaniu gleby z otworów w pudełku, jednocześnie umożliwiając przepływ wody, gdy gleba jest nasycona.
3. 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.
4. 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).
5. 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.
6. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. 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.
2. 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

1. 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

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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).
5. 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

1. 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).
2. 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.
3. Zebrać wypływ z rury PVC w dużym cylindrze z podziałką przez 10 sekund.
4. 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.
5. Usuń rurę PVC o długości 10 stóp, aby umożliwić opadom deszczu zwilżenie obszaru pudełka i zanotuj czas rozpoczęcia opadów.
6. 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.
7. 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).
8. 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.
9. 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.
10. 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

1. Po kalibracji umieść zapakowane pojemniki na ziemię w zaznaczonych miejscach na drewnianej ramie (patrz krok 3.4).
2. 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).
3. Powtórz kroki 7.2-7.5, aby ponownie skalibrować natężenie przepływu dyszy bezpośrednio przed symulacją opadów deszczu i zainicjować opady.
4. Zapisz czas rozpoczęcia spływu dla każdej skrzynki, kiedy woda spływająca z odpływu odpływowego zmienia się z powolnego kapania w ciągły strumień.
5. 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.
6. 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.
7. Pobrać próbki spływu i zarejestrować objętość za pomocą cylindra miarowego lub masowo, przyjmując, że woda waży 1 g/^cm2.
8. Próbki należy dokładnie wymieszać, tak aby cały osad znalazł się w zawiesinie, a następnie pobrać podpróbkę do analizy laboratoryjnej.

Results

Jednym z powodów przeprowadzenia obecnego eksperymentu było zbadanie czynników, które mogły przyczynić się do słabych wyników poprzedniego eksperymentu, w którym porównywano straty mocznika w spływie między różnymi formami nawozów i nawozów zawierających mocznik. Wszystkie zabiegi zastosowano na glebach, które zostały nasycone i pozostawiono je do wyczerpania do pojemności pola. Wyniki dla pięciu powtórzeń leczenia bryłką mocznika wahały się od stężeń 1-12 mg/l mocznika-N w odpływie. Ta różnica rzędu wielkości między powtórzeniami była niedopuszczalna w kontrolowanych warunkach i zafałszowała wyniki eksperymentu. Silna dodatnia zależność między całkowitą objętością spływu a stężeniem mocznika-N w odpływie sugeruje, że czynniki sprawcze, takie jak upakowanie lub zmienne wcześniejsze warunki wilgotności spowodowane różnymi warunkami odprowadzania i suszenia, były czynnikami sprawczymi.

Aby zbadać przyczynę tak ekstremalnej zmienności stężeń mocznika w odpływie, wszystkie pudełka w obecnym eksperymencie zostały starannie wypełnione równymi wagami równomiernie wymieszanej gleby mułowo-gliniastej, jak pokazano na rysunkach 1 i 2, aby zminimalizować różnice w warunkach fizycznych. Aby osiągnąć 50, 60, 70, 80, 90 i 100% przybliżonej pojemności pola określonej przez zwilżanie, a następnie suszenie w piecu niewielkiej ilości przesianej gleby, obliczono wagę wody potrzebną do zwilżenia gleby do odpowiednich poprzedzających wilgotności gleby wynoszącej 14, 17, 19, 22, 25 i 27%, dodano do pudełek i pozostawiono do zrównoważenia O/N. Symulacja opadów deszczu przebiegała zgodnie z dokładnym protokołem opisanym powyżej i przedstawionym na rysunkach 3-5. Dysza 17 wsq Full Jet 3/8 HH (tabela 1) została użyta do dostarczenia intensywności opadów 3,2 cm/h w okresie 40 minut, co odpowiada naturalnym opadom, które zwykle występują co roku na wschodnim wybrzeżu zatoki Chesapeake w stanie Maryland.

Wynikowe całkowite objętości odpływu, ładunki i stężenia ważone przepływem są podsumowane w Tabeli 2. Stwierdzono istotną dodatnią zależność między całkowitą objętością odpływu a poprzedzającymi warunkami wilgotności (ryc. 6). Wilgotniejsze gleby miały mniejszą zdolność do magazynowania wody i niższe wskaźniki infiltracji, co skutkowało większą objętością spływu. Stwierdzono istotną ujemną zależność między czasem do spływu a poprzedzającymi go warunkami wilgotności (ryc. 7). Woda przenikała do bardziej suchych gleb przez dłuższy czas, zanim stały się one mokre w pobliżu powierzchni, powodując spływ. Nic dziwnego, że zaobserwowano dodatnią zależność między całkowitym obciążeniem mocznikiem-N w odpływie a całkowitą objętością spływu (ryc. 8). W badaniach hydrologicznych dobrze wiadomo, że objętość przepływu jest zwykle silnym predyktorem obciążenia całkowitego. To, jak koncentracja będzie się zachowywać w odpowiedzi na zdarzenie spływu, jest mniej przewidywalne. Stężenie ważone przepływem obliczono poprzez zsumowanie ładunków dla każdego 2-minutowego odbioru spływu i podzielenie przez całkowitą objętość odpływu. Jest to równoważne stężeniu w pojedynczym zbiorze odpływu pod koniec 40-minutowego okresu opadów. W tym badaniu stwierdzono istotną dodatnią zależność między stężeniem ważonym przepływem w odpływie a poprzedzającymi warunkami wilgotności (ryc. 9). Biorąc pod uwagę dodatnie zależności liniowe między objętością spływu a poprzedzającą wilgotnością gleby a stężeniem ważonym przepływem i poprzedzającymi warunkami wilgotności, oczekiwano istotnej dodatniej zależności między całkowitym obciążeniem mocznikiem-N a poprzedzającymi warunkami wilgotności. Jednak tę istotną zależność najlepiej opisuje równanie wykładnicze (ryc. 10).

Aby zobrazować utratę mocznika-N w spływie w czasie, indywidualne 2-minutowe stężenia i skumulowane ładunki w jednej powtórzonej skrzynce glebowej reprezentujące każdy poprzedzający warunek wilgotności zostały wykreślone w 40-minutowym przedziale czasu opadów (Rysunek 11). Chociaż stężenia w odpływie mogą zmieniać się nieco nieregularnie w czasie (np. w przypadku wilgotności 90%), stężenia zwykle zaczynają się od wysokiego i spadają z czasem. Skumulowane obciążenia w czasie są znacznie płynniejszymi funkcjami i ilustrują istotne zależności omówione wcześniej. Czas spływu jest dłuższy, stężenia mocznika-N w odpływie są niższe, a obciążenia skumulowane są mniejsze w przypadku bardziej suchych gleb. Chociaż mocznik szybko hydrolizuje w glebach, gdy opady deszczu pojawiają się w ciągu kilku godzin od aplikacji powierzchniowej, większość azotu jest nadal obecna w postaci mocznika i ulega utracie podczas spływu. Mocznik jest cząsteczką obojętną i nie jest silnie sorbowany na powierzchni cząstek gleby. Gdy woda infiltruje bardziej suche gleby we wczesnej fazie opadów, przenosi rozpuszczony mocznik w dół do gleby i z dala od strefy spływu powierzchniowego. Kiedy zaczyna się spływ, jest mniej mocznika, a jego stężenia w odpływie są niższe. Z praktycznego punktu widzenia mocznik byłby prawie zawsze stosowany w bardziej suchych warunkach, ponieważ sprzęt rolniczy nie mógłby przechodzić przez gleby, które są na polu.

Rysunek 1. Schemat skrzynki odpływowej upakowanej gleby. Metalowe pudełko (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) z 5 cm wargą na przednim końcu jest wypełnione ziemią na głębokość 5 cm. Spływ, który rozlewa się po 5 cm wardze, zbierany jest w dołączonej rynnie, która jest osłonięta przed opadami deszczu wpadającymi bezpośrednio do rynny. Dziewięć otworów o średnicy 5 mm umożliwia odpływ wody przenikającej do gleby ze skrzynek i zapobiega tworzeniu się stawów. Smoczek przymocowany w pobliżu przedniej krawędzi dna rynny umożliwia odpływ wody do lejków i butelek zbiorczych umieszczonych poniżej smoczka.

Rysunek 2. Materiały opakowaniowe w pudełkach. Około 4 warstwy gazy na dnie pudełka zapobiegają utracie gleby, ale umożliwiają swobodny odpływ wody. Sprawdzian poziomujący składający się ze szkła akrylowego umieszczonego między dwiema drewnianymi deskami ma szerokość skrzynki (20 cm) i głębokość (2,5 cm), jak różnica między bokami skrzynki (7,5 cm) a górną częścią rynny (5 cm). Opierając deskę na krawędzi skrzynki, szkło akrylowe służy do sortowania gleby na głębokość rynny.

Rysunek 3.Pozycjonowanie platformy. Ustaw platformę tak, aby po upakowaniu skrzynek z ziemią wszystkie miały to samo nachylenie. W tym badaniu pożądane nachylenie wynosiło 3%. Trzymając deskę poziomo, ustaw platformę tak, aby dolny, rynnowy koniec pudełka znajdował się 3 cm poniżej końca nachylenia w górę. Platforma powinna być wypoziomowana w kierunku nachylenia poprzecznego.

Rysunek 4. Sterowanie symulatorem opadów deszczu począwszy od źródła wody i przechodząc przez instalację wodno-kanalizacyjną do dyszy. (1) Zawór kulowy jednouchwytowy: Jest to zawór szybkiego odcinania. Dźwignia w linii z rurą jest włączona; dźwignia pod kątem 90 stopni w poprzek rury jest wyłączona. Użyj tego zaworu, aby włączać i wyłączać przepływ bez zakłócania zaworów sterujących ciśnieniem i natężeniem przepływu. Otwieraj całkowicie i zamykaj całkowicie. Nie próbuj używać tego zaworu do kontrolowania natężenia przepływu. (2) Filtr osadowy: Okresowo sprawdzaj filtr i wymieniaj element w razie potrzeby, aby zapobiec zatkaniu osadem. (3) Zawór regulatora ciśnienia: Ten zawór kontroluje ciśnienie w przewodzie od tego punktu. Zbyt duże ciśnienie może spowodować pęknięcie rur, węży lub połączeń. (4) Zawór sterujący przepływem w linii (zasuwa): Ten zawór służy do precyzyjnego dostrojenia przepływu do dyszy w celu osiągnięcia pożądanego natężenia przepływu i ciśnienia dyszy. (5) Przepływomierz: Mierzy przybliżone natężenie przepływu. (6) Manometr: Mierzy przybliżone ciśnienie na dyszy.

Rysunek 5. Skrzynki umieszczone na platformie do symulacji opadów. Umieść 5 lub 6 pól w oznaczonych miejscach dla każdego zdarzenia symulacji opadów. Unikaj umieszczania pudełka bezpośrednio pod dyszą, aby zapobiec kapaniu bezpośrednio na powierzchnię pudełka.

Rysunek 6. Całkowita objętość odpływu jest dodatnio skorelowana z wilgotnością gleby przed nim (R² = 0,64).

Rysunek 7. Czas do spływu jest ujemnie skorelowany z wilgotnością gleby przed spływem (R² = 0,48). Powierzchnia mokrej gleby szybko się nasyca. Opady deszczu, które przekraczają przewodność hydrauliczną nasyconej gleby, powodują spływ.

Rysunek 8. Całkowite obciążenie mocznikiem-N jest dodatnio skorelowane z objętością odpływu (R² = 0,81). Różnice w objętości spływu przewyższają różnice w stężeniu mocznika-N w odpływie.

Rysunek 9. Stężenie mocznika-N zależne od przepływu jest dodatnio skorelowane z wilgotnością gleby przed nim (R² = 0,66). Bardziej suche gleby umożliwiają infiltrację, która wypłukuje mocznik-N do gleby i z dala od powierzchni gleby. Gdy dochodzi do spływu, mniej mocznika-N jest dostępne na powierzchni do ruchu w odpływie.

Rysunek 10. Całkowite obciążenie mocznikiem-N jest dodatnio skorelowane z wilgotnością gleby przed nim (R² = 0,74). Dodatnie zależności między całkowitą objętością odpływu a wilgotnością gleby przed nim oraz między stężeniem mocznika-N ważonym przepływem a wilgotnością poprzedzającą łączą się, co daje zależność wykładniczą (y =^{0,2043 e 0,0405x}).

Rysunek 11. Stężenie mocznika-N i skumulowane zależności obciążenia w czasie dla jednej repliki każdej poprzedzającej wilgotności gleby. Chociaż stężenie mocznika-N nie zawsze jest płynną funkcją w czasie, można zobrazować istotne zależności omówione wcześniej.

.

Rozmiar dyszy	Intensywność	Optymalne ciśnienie	Przepływ	10 sec Przepływ
	cm/godz	psi	gpm	ml
17 wsq Full Jet 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, które zostały zidentyfikowane do użytku z tym symulatorem opadów i związane z nimi parametry intensywności opadów, ciśnienia i przepływu. Dobór wielkości dyszy uzależniony jest od pożądanej intensywności opadów. Intensywność i czas trwania opadów odpowiadają opadom atmosferycznym w określonym okresie powrotu dla określonej lokalizacji badania. Do tego badania użyto dyszy o rozmiarze 17 wsq. Opady deszczu trwające 40 minut z intensywnością 3,2 cm/h są równoważne naturalnym opadom, które zwykle występują w ujęciu rocznym na wschodnim wybrzeżu Zatoki Chesapeake w stanie Maryland.

Wilgotność gleby	Całkowity spływ	Ważone przepływem	Całkowite obciążenie
%	objętość (L)	koncentracja	(mg mocznik-N)
		(mg L-1 mocznik-N)
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
			† Zduplikowane liczby reprezentują dwie replikacje dla każdego poziomu wilgotności

Tabela 2.Poprzednia wilgotność gleby, całkowita objętość odpływu, stężenie mocznika-N ważone przepływem i całkowite obciążenie mocznikiem-N po symulacji opadów. Zduplikowane liczby reprezentują dwie replikacje dla każdego poziomu wilgotności

Discussion

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.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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