Продемонстрирован подробный метод извлечения и сборки лизиметров неповрежденного ядра почвы и их использование для изучения фильтрата и связанных с ним потерь питательных веществ из поверхностного птичьего помета.
Method Article
Продемонстрирован подробный метод извлечения и сборки лизиметров неповрежденного ядра почвы и их использование для изучения фильтрата и связанных с ним потерь питательных веществ из поверхностного птичьего помета.
Выщелачивание питательных веществ из удобрений и навоза, используемых в сельском хозяйстве, может привести к ускоренной эвтрофикации поверхностных вод. Поскольку ландшафт имеет сложную и разнообразную морфологию почвы, существует сопутствующее несоответствие в путях потока фильтрата через макропоры почвы и матричную структуру. Скорость потока по этим путям также зависит от предшествующей влажности почвы. Лизиметры используются для количественной оценки расхода, объема воды и концентрации питательных веществ, вымывающихся вниз через почву. Несмотря на то, что существует множество конструкций лизиметров, точное определение объема воды и баланса массы питательных веществ лучше всего достигается с помощью ограниченных лизиметров, которые оставляют естественную структуру почвы нетронутой.
Здесь мы представляем подробный метод извлечения и создания лизиметров почвенного ядра, оснащенных датчиками влажности почвы на глубине 5 см и 25 см. Лизиметры из четырех различных почв прибрежной равнины (Бояц, Ивсборо, Киндокуа и Сассафрас) были собраны на полуострове Делмарва и перемещены в крытое помещение с контролируемым климатом. Почвы орошались один раз в неделю в объеме, эквивалентном 2 см осадков, чтобы снизить концентрацию нитратов азота в почве. По окончании периода выщелачивания был внесен птичий помет (162 кг TN га-1) и выщелачивание было возобновлено еще на пять недель. Общая рекуперация подаваемой поливной воды варьировалась от 71% до 85%. Концентрация нитрата-N варьировала в течение исследования от 27,1 мг L-1 до внесения в помет до 40,3 мг L-1 после внесения в помет. В то время как наибольший приток питательных веществ был измерен в почвах с преобладанием крупнозернистого песка (Sassafras), наибольший непосредственный приток происходил из почвы с самой мелкой текстурой и выраженным развитием макропор (Quindocqua).
Делмарва граничит с восточного берега залива Чесапик, и является домом для одной из крупнейших производственных регионов птицы в США. Примерно 600 миллионов кур и , по оценкам , 750000 тонн навоза образуются от производства этих птиц каждый 1 год. Большая часть навоза используется на местном уровне в качестве поправки удобрений на сельскохозяйственных полях. Из - за исторически высоких темпов внесения навоза, питательные вещества , такие как азот и фосфор накопилось в почве и теперь подвержены потерям за пределы участка с помощью подповерхностного выщелачивания 2. Большая часть потока подземных вод направлен в сторону обширной сетью канав , что в конечном счете стекают к Чесапикского залива 3. Питательные вещества , занесенные в заливе связаны со снижением здоровья залива из - за эвтрофикации 4.
Подключение питательных веществ с потерями внеплощадочных питательных веществ требует специализированных инструментов для мониторинга гидрологическиепотоки и связанные с ними питательные трансферты. Лизиметрах представляют собой основную категорию инструментов, используемых для характеристики и количественного определения движения питательных веществ через почвы. Лизиметрах имеют долгую историю использования при мониторинге потока питательных веществ в воде просачивающейся 5-7, от напряжения лизиметрах , которые можно регулировать , чтобы противостоять почвенной матрице потенциал таким образом , чтобы они более точную оценку завода доступна вода, до нулевого напряжения испарителей , которые являются более репрезентативными процессов возникающие в процессе свободного дренажа. Все подходы к lysimetery присутствующие присущие уклоны. Например, некоторые лизиметры слишком малы , чтобы в полной мере представляют собой пространственно сложные процессы в естественных почвах, или являются слишком большими и дорогими , чтобы обеспечить хорошую статистическую репликацию гетерогенных почв 8. Кроме того, пан лизиметры требуют почвы над ними , чтобы быть насыщенным для сбора фильтрата и неэффективны по сравнению с натяжными лизиметрах при измерении потока матрицы 9.
Закрытые системы лизиметрические,такие как нулевой напряженности ядра почвы лизиметрах (также известный как почва монолита испарителей), значительно повысить доверие , с которым бюджеты и бюджеты воды связаны загрязняющего вещества (например, бюджеты питательных веществ) осуществляют 10. Эти лизиметры являются наиболее представительными, если они содержат неповрежденные ядра почвы; лизиметры заполненные Переупакованная почвы не поддерживать первоначальную структуру, горизонты и соединения макропор , которые влияют на перенос растворенных веществ и соединений в виде частиц , так 11,12. С экспериментальной точки ожидания, подходы , которые способствуют большей репликации ненарушенных почвенных условий являются предпочтительными, учитывая присущие пространственная изменчивость , которая существует в физической почвы и химических свойств 13.
Два предпочтительные методы были использованы для сбора неповрежденной почвы ядро лизиметрах: падение молота и режущей головки. Прежний был более обычно выполняется, так как это может быть достигнуто с устройствами в виде простых в качестве ездовой ветчиныМер (меньшие лизиметры). Когда выполняется должным образом, ядро сбора почвы с падающего молота Было показано, что относительно экономически эффективными, особенно по сравнению с другими методами отбора керна. Однако огромные силы , налагаемые управляя лизиметре обсадных труб в землю может привести к размытию и уплотнения, создавая условия внутри лизиметра , которые не являются репрезентативными родной почвы и может даже благоприятствуют определенные типы движения воды (например, обводной воздушный поток, или поток вдоль ядро края почвы). В результате, некоторые исследователи предпочитали использование пробоотборников , которые разрезают прочь неповрежденный грунт с устройством бурения или других землеройных устройства 5.
Различные материалы были использованы в качестве оболочек для основных почв испарителей. Стальные трубы и коробки сравнительно низкая стоимость, долговечны и легко доступны и могут быть использованы для сбора больших испарителей благодаря своей прочности 14-17. Тем не менее, в то время как сталь является удовлетворительным для оценки выщелачивание отннительно инертные соединения, такие как нитрат, железо в стали реагирует с фосфатом и, следовательно, должны быть покрыты или иным образом обработаны для изучения выщелачивания фосфора. Как правило, пластиковые корпуса используются для изучения выщелачивание фосфора, например, толстостенные (Приложение 80) ПВХ трубы , которые могут выдержать удар падающего молота (если он используется) и сохраняют свою структуру , когда получаются сердечники почвы большего диаметра (например, ≥30 см) 18-22.
В целом, основные почвы лизиметры анализ ex - situ. После сбора почвы ядро лизиметры может быть установлен в наружных "лизиметре ферм", где окружающие почвы и надземных климатические условия представляют собой естественные полевые условия. Например, в Швеции, шведский сельскохозяйственный университет сохранил три отдельных лизиметре фермы в течение последних трех десятилетий, анализируя практику пестицид судьбы-транспортные, долгосрочные испытания плодородности почвы и управления, которые могут быть соизмеримы с диаметром Инта 30 смкт 23 ядер. Основные почвы лизиметры также были подвергнуты помещении экспериментов на выщелачивание , где есть больший контроль климатических условий 24,25. Лю и др. Использовали осадков симулятор регулярно орошают ядро почвы лизиметрах под массивом промежуточных культур 26. Kibet и Кунь все используемые методы орошения рук для изучения мышьяк и вымывание питательных веществ через почву ядер 27,28.
Разнообразие почвенно-гидрологические процессы могут быть выведены из основных почв испарителей. Kun и др. (2015) использовали 30 см диаметр лизиметрах колонки ПВХ для исследования вымывания азота после применения мочевины 28. Путем сбора фильтрата через разные промежутки времени после события орошения, они были в состоянии провести различие между быстрым и постепенных потоков, причем первый предполагается во власти потока макропор, а позже предполагается, будут доминировать матрицы потока. Так как мочевина легко гидролизуется при контакте Wiй почвы, они интерпретировали наличие повышенных концентраций мочевины в фильтрате, собранных вскоре после применения мочевины в качестве доказательства макропор транспорта, обходили матрицу почвы. Со временем они обнаружены повышенные концентрации различных форм азота в фильтрате, отслеживающий преобразование прикладной мочевины в аммонийную форму после первоначального гидролиза, а затем превращение аммония в нитрат с нитрификации.
Чтобы проиллюстрировать соображения при проектировании, проведении и интерпретации основных экспериментов почвы лизиметре, мы провели исследование четырех различных почв, найденных в середине Атлантического прибрежной равнине США. В исследовании измеренная концентрация выщелачивание и потерю нитрата до и после нанесения сухого куриного помета (т.е. птицы "сора") 28. Питательные потери от применения помета птицы в почву являются ключевой проблемой для здоровья Чесапикского залива, и понимание взаимодействия прикладнойпомета птицы и сельскохозяйственных свойств почвы необходимо для улучшения питательных рекомендаций по управлению. Мы представляем здесь подробный способ извлечения неповрежденные ядра почвы испарителей, отслеживание влажности почвы, и интерпретация дифференциального нитратов потери выщелачивание из этих почв.
Этот эксперимент является частью более крупного исследования , проведенного с целью оценки питательных веществ выщелачивание из сельскохозяйственных почв Делмарва, США 27,28. Почва ядро лизиметры были собраны из мест в штате Делавэр, Мэриленд и Вирджиния в 2010 году Здесь мы представляем неопубликованные результаты этих исследований. Хотя первоначальные эксперименты были проведены с целью оценки выщелачивание фосфора, нитратов вымывание из почв диссертаций также контролируется.
были отобраны четыре общие сельскохозяйственные почвы от Атлантического прибрежной равнине Чесапикского залива водораздела: Bojac (крупнозернистый суглинистые, смешанный, полуактивной, термический Typic Hapludult); Evesboro (Месич, покрытые LamellIC Quartzipsamment); Quindocqua (тонкая суглинистые, смешанный, активный, Месич Typic Endoaquult); Лавр (тонкая суглинистые, кремнистых, полуактивной, Месич Typic Hapludult). Для каждой почвы, горизонт морфологии описан из профилей , раскрываемых котлована колонн (таблица 1). Поверхностные текстуры почвы варьировались от песка (Evesboro) на суглинистых мелким песком / супеси (Bojac и Лавр) илу суглинок (Quindocqua). Хотя все почвы были исторически удобряли помета птицы, никто из них не был применен в течение 10 месяцев до начала исследования. Все почвы не было ни в коей-до производства кукурузы в течение по крайней мере один сезон до основной почвы коллекции лизиметре.
После сбора почвы ядро лизиметры были транспортированы к simulatorium объекта USDA-ARS в State College, штат Пенсильвания. Там они были подвержены в помещении экспериментов орошения (22-26 ° C) для оценки вымывания питательных веществ, связанных с применением птицеводстве. В частности,лизиметры орошали с 2 см воды еженедельно в течение 8 недель до нитратов в перколята не была уравновешена между почвами. Птицеводстве (сухой птичий помет) затем наносят на поверхность всех почв со скоростью 162 кг га -1 общего N. Орошение было продлено еще на 5 недель. Датчики влажности записанные объемного содержания влаги через каждые 5 минут непрерывно, в течение всего орошения и выщелачивания цикла. Стоки собирали после 24 часов и снова через 7 дней непосредственно перед началом орошения.
ФИЛЬТРАТА данные из основных лизиметрах почвы были проанализированы с помощью простых описательных статистик для иллюстрации различий в фильтратов количества и качества между почвами, а также различия до и после нанесения подстилки. Поскольку датчики влажности почвы были размещены только в двух из основных лизиметрах повторности почвы для каждой почвы (Evesboro, Bojac, Лавр, Quindocqua), статистические данные по содержанию влаги в почве были основаны на N = 2, в то время как сtatistics для глубины фильтратов, нитрат-N концентрация и нитрат-N потока были получены из 10 основных почвенных испарителей для Evesboro, Bojac и Sassafras и 5 основных почв испарителей для Quindocqua. Для того, чтобы оценить важность репликации в пределах почв, были рассчитаны коэффициенты вариации (CV) для глубины фильтратов для различных чисел повторными. Подход моделирование методом Монте-Карло был использован повторно образец подмножества основных почвы лизиметрах (N = 3) от общего числа повторностей в пределах каждой группы почв (10 для Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 для Quindocqua).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Подготовка материалов
2. Вождение лизиметре корпуса в почву с капельным Хаммера
3. Удаление сердечника почвы
4. Подготовка почвы для сердечника лизиметре Ассамблеи
5. Сборка лизиметра
6. Установка датчиков влагу
7. Подготовка испарителей для ФИЛЬТРАТА Collection
8. Оросительные лизиметрах и Сбор Стоки
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Влажность почвы, глубина выщелачивание и химия выщелачивание все иллюстрируют изменчивость разных почв, выявление различий, как в зависимости от свойств почвы, несмотря на внутреннюю изменчивость между повторными основной почвы лизиметрах конкретной почвы. Более поздние точки гарантирует Особо следует отметить с точки зрения эксперимента, как и присущей изменчивости влажности почвы и процессов выщелачивания требует значительных репликации для минимизации 2 типа статистической погрешности...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Важные шаги лизиметре Collection
Выщелачивание исследования иллюстрируют влияние свойств почвы и навоза на потери азота в мелком грунтовых вод. Почва физические свойства, такие как текстура почвы, агрегатного состава и объемной плотности опосредуют просачивание воды и растворенных веществ. Точного определения концентрации объема выщелачивание и растворенных веществ зависит от сохранения целостности этих физических свойств почвы в процессе лизиметре коллекции, выполнив следующие важные шаги: ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Авторы выражают благодарность сотрудникам отдела систем пастбищ и управления водосборами USDA-ARS. Дэвид Отто сыграл важную роль как в проектировании, так и в создании изготовленного на заказ откидного молотка (также известного как «Устрашатель»). Майкл Райнер и Терри Траутман помогали в сборе и создании лизиметров, о которых сообщалось в этом исследовании. Сара Фишель, Чарльз Монтгомери и Пол Спок выполнили все анализы питательных веществ, описанные в этой рукописи.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| График 80 ПВХ труб | Fry's Plastic | Call | Продается длиной 10 футов |
| Fernco Фитинги | Fry's Plastic | Call | 12 дюймов диаметром 12 дюймов |
| Пластины из ПВХ типа II для перфорированных дисков | AIN Plastic | Call | Продается в листах 4 x 8 футов из ПВХ II Vintec II |
| График 40 крышек из ПВХ | Fry's Plastic | Call | 12 дюймов диаметр |
| Винты из нержавеющей стали | Крепление | 135716 | #8 Головка горна Крестообразный привод Острое острие Класс 18-8 Нержавеющая сталь |
| Силикон II Конопатка | Lowe's | 447488 | |
| Фитинг из нейлоновой трубки | States's Plastic Corp. | 61137 | 0,5 дюйма NPT |
| пищевая трубка | Lowe's | 443209 | 0,5 дюйма винил |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission