Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

פרוטוקול לעריכת סימולציה גשם לחקר ניגר קרקע

Published: April 3, 2014 doi: 10.3791/51664
Automatic Translation
1, 2, 1, 3, 2, 1, 2
1Department of Agriculture, Food and Resource Sciences, University of Maryland Eastern Shore, 2Pasture Systems and Watershed Management Research Unit, USDA - Agricultural Research Service, 3Department of Natural Sciences, University of Maryland Eastern Shore

Summary

סימולטור גשמים שימש להחיל שיעור של גשמים אחידים לתיבות אדמה ארוזות במחקר של גורל ההובלה של אוריאה, זיהום סביבתי מקור Nonpoint עקבי. בתנאי קרקע וכמות משקעים אחידים, תוכן לחות קרקע קודם שהפעיל שליטה חזקה על אובדן אוריאה בניגר עילי.

Abstract

כמות משקעים הוא כוח מניע להובלה של מזהמים סביבתיים מקרקעות חקלאיות לגופי מים surficial באמצעות נגר עילי. מטרת המחקר הייתה לאפיין את ההשפעות של תכולת לחות בקרקע מקדימה על גורל ההובלה של משטח הוחל אוריאה מסחרית, צורה נפוצה של דשן החנקן (N), בעקבות אירוע גשם המתרחש בתוך 24 שעות לאחר יישום דשן. למרות האוריאה הנחה היא שהידרוליזה בקלות לאמוניום ולכן לא לעתים קרובות זמינה עבור תחבורה, מחקרים שנעשה לאחרונה מראים כי אוריאה יכולה להיות מועבר מקרקעות חקלאיות למימיי חופים שבו הוא מעורב בפריחת אצות מזיקה. סימולטור גשמים שימש להחיל שיעור של גשמים אחידים על פני תיבות אדמה ארוזות שprewetted לתוכן לחות קרקע שונה עולה בקנה אחד. על ידי שליטה על מאפיינים פיזיים גשמים ואדמה, את ההשפעות של לחות קרקע הקודמת על ירידה באוריאה היו Isolaטד. קרקעות מרטיב הוצגו זמן קצר יותר מייזום גשמים לייזום נגר, נפח כולל גדול יותר של מי נגר, ריכוזי אוריאה גבוהים בניגר, והעמסות מסה גדולות יותר של אוריאה בניגר. תוצאות אלו גם להדגים את החשיבות של שליטה על תוכן לחות קרקע קודם במחקרים שנועדו לבודד את משתנים אחרים, כגון פיזי קרקע או מאפיינים כימיים, מדרון, כיסוי קרקע, ניהול, או מאפייני גשמים. בגלל סימולטורים גשמים נועדו לספק טיפות גשם בגודל דומה ומהירות כגשמים טבעיים, מחקרים שנערכו תחת פרוטוקול סטנדרטי יכולים להניב נתונים יקרי ערך זה, בתורו, יכול לשמש לפיתוח מודלים לחיזוי גורל ההובלה של מזהמים בניגר.

Introduction

ההשפעות הסביבתיות של חקלאות הן דאגה עולמית וגדלה במהירות, במיוחד לאור אי הוודאויות של שינוי הגלובלי. כמות משקעים הוא כוח מניע להובלה של מזהמים סביבתיים מקרקעות חקלאיות לגופי מים surficial באמצעות נגר עילי. גוף גדול של מחקר מתמקד בהבנה טובה יותר של יחסי הגומלין בין גשמים ותנאי קרקע כפי שהם יקבעו מקורות Nonpoint של משקעים, מזין, והפסדים מחומרי הדברה בקרקעות חקלאיות. מטרת המחקר הייתה לאפיין את ההשפעות של תכולת לחות בקרקע מקדימה על גורל ההובלה של משטח הוחל אוריאה מסחרית, צורה נפוצה של דשן החנקן (N), בעקבות אירוע גשם המתרחש בתוך 24 שעות לאחר יישום דשן.

ישנם מעט מחקרים על גורל ההובלה של אוריאה בקרקעות, כי אוריאה היא הידרוליזה במהירות לאמוניום הבאה יישום הדשן והerefore לא לעתים קרובות זמין עבור הובלה. עם זאת, המחקרים אחרונים מראים כי קו פרשת מים אוריאה יכולה להיות מועבר מקרקעות חקלאיות למימיי חופים ומשמרות סיבה כלפי אוכלוסיות של אורגניזמים המייצרים רעלים מזיקים 1,2. ניסויי מעבדה ושדה שני הראו כי כאשר australis domoic הפקת חומצת diatom פסיאודו nitzschia (ים Australi פ) היה גדל במי ים אוריאה מועשרת, כמות חומצת domoic הפיק הייתה גדול יותר כאשר גדלו על חנקת או מועשר אמוניום מי ים 3. מחקר זה השתמש גשמים מדומים כדי לחקור את התהליכים השולטים פוטנציאל להפסדי האוריאה-N בניגר לאחר יישום דשן מסחרי.

בשל ההשתנות של גשמים טבעיים, סימולטורים גשמים היו בשימוש כדי להחיל שיעורי גשמים אחידים על פני משטחי קרקע או תיבות אדמה ארוזות להעריך נגר בתנאים מבוקרים. סימולטורים גשמים שימשו בתחילה ללמוד אדמהשחיקה 4. עם זאת, לאורך השנים שהם שימשו למדידת מרכיבים אחרים בניגר עילי והתשטיפים מקרקעות 5-7. מחקרי שדה באמצעות גשמים טבעיים גם נערכו כדי להעריך את ההפסדים של מרכיבי קרקע בניגר. מגמות בין נתוני גשם וסימולציה גשמים הטבעיים לעקוב אחר דפוס דומה, מצביע על עקביות בתהליכים. לכן סימולציה גשמים ניתן להשתמש במחקרים כדי לחזות את ההתרחשות הסבירה של מה שקורה מתחת לגשמים טבעיים 8.

מגוון רחב של סימולטורים גשמים פותחו, ובדרך כלל הם משתמשים במרססי נחיר ליישם מים בשיעורים ומשכי זמן רצויים. במונחים של גודל, כמות משקעים נעים בין סימולטורים infiltrometer פשוט, קטן, נייד עם 6 באזור גשמים בקוטר 9 לסימולטור המורכב קנטאקי הגשמים, המשתרע על פני עלילה 14.75 ft x 72 רגל (4.5 MX 22 מ ') 10. חסרון אחד בגוף של מחקר שEMPהסימולציה הגשמים loyed היא שאין עיצוב אחד סטנדרטי או פרוטוקול לביצוע סימולציות גשמים 11. למעשה, ב2011 "הבינלאומית גשם Simulator הסדנה" באוניברסיטת טרייר, גרמניה, קהילה שיתופית של מדענים מ11 מדינות המשתתפות למסקנה כי סטנדרטיזציה של סימולציה גשמים וסימולטורים נחוצה על מנת להבטיח להשוות את תוצאות וכדי לקדם התפתחויות טכניות כדי להתגבר על מגבלות ואילוצים 12 פיזיות. מחקר זה מבקש לתת מענה לצורך שבאופן חלקי על ידי הצגת תיאור מפורט של פרוטוקול סטנדרטי לביצוע סימולציות גשמים באמצעות סימולטור שכבר אומץ באופן נרחב לשימוש בצפון אמריקה.

ניסוי זה הוא חלק ממחקר גדול יותר שנועד להעריך את מקור האוריאה במי שפכי נהרות של מפרץ צ'ספיק בי פריחת אצות רעילה ידועות מתרחשת מדי שנה. Objectiv הספציפי דואר של הניסוי היה לקבוע את ההשפעה של תוכן על לחות קרקע מקדימה על הפסדי אוריאה בניגר. תיבות אדמה ארוזות לשכפל אחיד היו prewetted לאחד משש תכולת לחות שונה המייצגת 50, 60, 70, 80, 90, ושל קיבולת שדה 100%. אוריאה הייתה משטח מיושם בצורת prill בשיעור של 150 קילוגרם N / חה. בתוך 24 שעות התיבות היו נתונים לגשם אחיד של 40 משך דקות בקצב של 3.17 סנטימטר / שעה, שווה ערך לאירוע ממטרים טבעי שמתרחש בדרך כלל על בסיס שנתי, בחוף המזרחי של מפרץ צ'ספיק במרילנד. דגימות נגר נאספו במרווחי 2 דקות, מייד מסוננים באמצעות מסנן זכוכית (0.45 מיקרומטר), ומאוחסנות על 4 מעלות צלזיוס עד שהם נותחו תוך 24 שעות של אוסף. ריכוזי שתנן-N נקבעו על ידי colorimetry ניתוח הזרקת זרימה 13. נתונים נותחו באמצעות v.9.1 SAS 14, ותוצאות סטטיסטיות נחשבו משמעותית בP ≤ 0.05.

e_content "> סימולטור הגשמים הנייד שהיה בשימוש במחקר זה עומד במפרטי העיצוב 15 ופרוטוקול שפותח על ידי הלאומי זרחן הפרויקט 16. בארה"ב ובקנדה, עיצוב סימולטור זה ופרוטוקול כבר אומצו באופן נרחב כשיטת סטנדרטית עבור להשתמש בקביעת שני מומס ואובדן הזרחן הנכנס חלקיקים בניגר. למרות שדגימות נגר נותחו לאוריאה ולא זרחן, השיטה ליישום אחיד ועקביים לגשמים ארוז תיבות אדמה היא זהה לזה שמתואר בקצרה בזרחן הלאומי פרוטוקול סימולציה גשמים פרויקט.

Protocol

1. קרקע איסוף והכנה

  1. לאסוף את האדמה מהאופק של פרופיל הקרקע לייצג במדויק תנאים פיזיים וכימיים של פני השטח האדמה על פני השטח. הערה: אם אדמה אפשרית צריכה להיות שנאספו מ -5 ס"מ העליונים של פני השטח. האזור לאיסוף אדמה צריך להיות קטן מספיק כדי להגביל את וריאציה פיזית קרקע ותכונות כימיות.
  2. מסנן את האדמה דרך רשת גסה (20 מ"מ) כדי להסיר את הסלעים. הערה: הסינון הוא יותר קל אם האדמה לחה במקצת.
  3. מורחים את האדמה הסתנן החוצה ברזנט כבד בשכבה דקה כדי להקל על ייבוש, רצוי בבית ירוק או סביבה ביתית חמה.
  4. לערבב את האדמה עם את חפירה, מגרפה או על ידי משיכת הקצוות של ברזנט מצד אחד לצד השני כאילו מתקפל calzone ענק. הערה: היזהר שלא לקרוע או לקרוע את הברזנט עם הקצה של את חפירה או מגרפה. חזור על תהליך זה מספר פעמים עד שהאדמה היא מעורבת באופן יסודי.
  5. קח 10 דגימותמקומות שונים בערימה מעורבת ביסודיות קרקע ולבצע בדיקת זרחן Mehlich-3 17 לבדיקת הומוגניות. הערה: הומוגניות מושגת כאשר תוצאות 10 הדגימות יש מקדם שונה (CV) של <0.05. איפה: CV = סטיית תקן / מתכוון.
  6. אם קורות החיים של מבחן זרחן Mehlich-3 הוא> 0.05, ממשיך לערבב את האדמה ולחזור על בדיקת הומוגניות.

2. אריזת קופסות קרקע

  1. הערה: תיבות קרקע צריכה להיות בנפח אחיד עם ממדים זהים באורכם, (100 סנטימטר x 20 סנטימטר x 7.5 סנטימטר) הרוחב ועומק עם תשעה חורים לניקוז 5 מ"מ בחלק התחתון. תיבות צריכים שפתיים 5 סנטימטר ומרזב אוסף בקצה אחד (איור 1).
  2. קו התחתון של התיבות עם בד גבינה 4 רובדי כדי לשמור על אדמה מהשטיפה אל מחוץ לחורים בתיבה, ובמקביל לאפשר למים לזרום דרך כאשר הקרקע רוויה.
  3. לארוז את תיבת האדמה לראשונה על ידי גורף מספיק מיובש, קלח, וhomogenized אדמה לתוך התיבה כדי למלא אותו כמחצית עמוקה כאשר החליק החוצה (כ 3.5 סנטימטר). מורחים את הקרקע באופן שווה ולארוז אותו עם לבנים שטוחים. הערה: קרקע צריכה להיות מספיק יבשה כך שהוא לא קומפקטי תחת הלחץ של הלבנים.
  4. הוסף עוד 2 סנטימטר של אדמה וליישר אותו עם מד פילוס לעומק ארוז של 5 סנטימטר, הגובה של השפה של התיבה שנשפכה לתוך המרזב (איור 2).
  5. לשקול את כמות האדמה שנוספה לתיבה הארוזה הראשונה, ולהוסיף אותו המשקל של אדמה לכל התיבות הנותרות. לארוז כל קופסא כדי להשיג עומק אדמה של 5 ס"מ וצפיפות בצובר אחיד.
  6. לשאוב את המרזבים של תיבות האדמה כדי להסיר כל אדמה שנשפכו לביבים בתהליך האריזה.

3. הרכבה תיבות קרקע בסימולטור הגשם

  1. מקם מסגרת נבנתה מתוך 2 בx 6 בעץ לחץ מטופלים במרכז סימולטור הגשמים שעליו תיבות אדמת wחולה יוצב. הערה: המסגרת צריכה להיות חבר צלב באמצע כדי לספק קשיחות. הצבת תיבות אדמה במסגרת תחתית ממזערת סנסציה שתתרחש אחרת מפלטפורמה מוצקה מייד מתחת לתיבות האדמה ומאפשרת ניקוז ללא חורים בחלק התחתון של קופסות.
  2. מקם את המסגרת בקוביות בטון בגובה המאפשר מיקום של בקבוקי איסוף ומשפכים מתחת לפיות על מרזבי האוסף בחלק הקדמי של תיבות קרקע רכובים על הפלטפורמה.
  3. יתר על כן להעלות את החלק האחורי של הפלטפורמה, תוך שימוש בלבנים, עץ ויתדות, כך שהחלק האחורי של תיבת אדמה הונחה על הפלטפורמה גבוהה 3 סנטימטר מהחלק הקדמי של הקופסה, וכתוצאה מכך שיפוע של 3%. מדוד את השיפוע על ידי הצבת לוח (> אורך סנטימטר 100) בצד האחורי של תיבת אדמה רכובה על הפלטפורמה. שימוש ברמה של נגר, להחזיק את רמת הלוח ולהעלות את החלק האחורי של הפלטפורמה כזאת, כי החלק הקדמי של התיבה הוא 3 סנטימטר מתחת ללוח ברמה (איור 3
  4. אתר את הנקודה ישירות מתחת לנחיר תקורה ולהימנע מהצבת תיבה במצב הזה, כדי למנוע טיפות גדולות מהנחיר בתחילתו או בסופו של אירוע גשמים מנפילה בתיבת אדמה, אז במקום חמש או שש קופסות מחולקת באופן שווה על הפלטפורמה . סמן את המיקום של התיבות ותמיד שם תיבות באותן עמדות.

4. בחירת המקור של השקיה במים

  1. בחר מקור מים להשקיה שהוא יחסית נקי מכל היסודות ותרכובות, במיוחד אלו של עניין למחקר. לנתח את מקור המים מראש של המחקר כדי לקבוע טוהר מים. הערה: במידת צורך, יש להשתמש שברפי חילוף כדי להשיג טוהר מים הרצוי.
  2. לספק מקור מים עיקרי לסימולטור הגשמים העולה על לחץ של 8 אטמוספרות וקצב זרימה של 5 GPM. הערה: מקורות עירוניים רגיל יעלו מינימום אלה דורשיםמפעלים. אם אתם משתמשים במכלי מים ומשאבות, להיות בטוח המשאבות מסוגלות לספק אספקת מים העולה על הלחץ המינימאלי וקצב הזרימה.

5. בחירת גודל הנחיר להשתמש

  1. בחר אחד מארבעת גדלי זרבובית סטנדרטיים המשמשים לסימולציות גשמים. הערה: לכל נחיר בלחץ אופטימלי ביצועים וזרימה כדי להשיג גודל טיפה נכון ואינטנסיביות (טבלה 1). בחירה של גודל נחיר לשימוש במחקר מסוים נקבעה ביחס לעוצמת (סנטימטר / שעה) של אירוע גשמים הטבעי להיות מיוצג.

6. גשמים Simulator מבצע

  1. מקם את (1) שסתום ידית אחת הכדור (איור 4) למצב הסגור, המנוף ב90 זווית תואר פני צינור, והפעל את מקור המים העיקרי (עירוני או משאבה).
  2. סובב את בורג הסט המרובע בחלק העליון של (3) שסתום ווסת לחץ (איור 4) נגד כיוון השעון לrלהסיק את הלחץ ולפתוח (4) שסתום בקרת זרימה בקו הבא בשורה לחלוטין.
  3. פתח את (1) שסתום ידית אחת הכדור (איור 4) לגמרי ולהתאים (3) השסתום ווסת לחץ על ידי סיבוב בכיוון השעון בורג הסט להשיג כ 8 psi ב( 6) מד לחץ הממוקם בחלק העליון של סימולטור הגשמים. הערה: לאחר (3) השסתום ווסת לחץ הוגדר מעט יעלה לחץ הזרבובית הרצוי, זה לא צריך להיות מותאם במהלך הפעלתו של סימולטור הגשמים, אלא אם כן את השינויים בלחץ מקור מים העיקריים.
  4. לסגור חלקית (4) שסתום בקו בקרת זרימה (איור 4) עד (5) מד הזרימה קורא את קצב הזרימה המשוער בליטרים לדקה לנחיר בשימוש ו( 6) מד הלחץ קורא psi המשוער עבור נחיר בשימוש (טבלה 1).
  5. סגור את (1) שסתום ידית אחת הכדור (איור 4) כדי לעצור את הזרם מבלי לשנות אתקצב זרימה והגדרות לחץ.

7. כיול נחיר וגשם אחידות

  1. כסה את החורים בתחתית של 5 או 6 קופסות אדמה ריקות עם סרט דביק כדי למנוע ממים דולפים החוצה מהתיבות ולמקם אותם בעמדות המסומנות על מסגרת העץ (ראה שלב 3.4).
  2. עמדה והחזק אורך 10 ft של צינור PVC 2 אינץ עם 45 ° מרפק מצורף בסוף מעל הנחיר ולפתוח את (1) שסתום ידית אחת הכדור.
  3. לאסוף את השחרור מצינור PVC בגליל סיים גדול עבור 10 שניות.
  4. לבצע התאמות קלות ל( 4) שסתום בקרת זרימה בקו ולחזור על אוספי שניות 10 עד 10 שניות נפח הזרימה תואם את הערך המתאים לנחיר בשימוש (טבלה 1). ברגע שקצב הזרימה הנכון מושגת, השתמש בערך על מד הזרימה כאמצעי לוריאצית ניטור בזרימה בשל תנודות לחץ אפשריות. הערה: לכיול הזרבובית, ה כראוידואר 10 שניות נפח זרימה הוא מדד מדויק יותר מאשר בקריאה במד הזרימה.
  5. הסר את אורך 10 מרגלות צינור PVC כדי לאפשר גשמים להרטיב את אזור התיבה ושמים לב לזמן של חניכה גשמים.
  6. אחרי בדיוק 10 דקות בפתאומיות להפסיק את הגשמים ידי מיקום צינור PVC 10 רגל מעל הנחיר להסיט את הזרימה ולסגור את (1) שסתום ידית אחת הכדור.
  7. מדוד את נפח מים (מיליליטר) שנאסף בכל תיבה על ידי שפיכתו לתוך גליל סיים, ולחשב עומק גשמים על ידי חלוקת נפח על ידי השטח של החלק התחתון של התיבה (2,000 2 סנטימטר).
  8. לחשב את המקדם של וריאציה לעומק גשמים. הערה: אחידות גשם מושגת כאשר עומק גשמים ב5 או 6 קופסות יש מקדם שונה <0.05. איפה: CV = סטיית תקן / מתכוון.
  9. אם קורות החיים הוא לא פחות מ 0.05, להפוך את הזרבובית ¼ להפוך הדוק יותר ולחזור על תהליך הכיול. הערה: הפייה ייתכן שיהיה צורך פנתה מספר פעמיםכדי להשיג את קורות חיים של פחות מ 0.05.
  10. ברגע שקורות חיים של פחות מ 0.05 מושגת, לחזור על הכיול כמה פעמים כדי לוודא שעוצמת הגשמים ברחבי ריצות עולה בקנה אחד.

8. ביצוע סימולציה גשם

  1. בעקבות כיול, למקם את תיבות אדמה ארוזות בעמדות המסומנות על מסגרת העץ (ראה שלב 3.4).
  2. בקבוקי נגר עמדת איסוף ומשפכים מתחת לפיות הניקוז ולמנוע מגשמים ישירות מלנפול לתוך המרזב באמצעות מהדק נייר לצרף מגן על המרזב (איור 5).
  3. חזור על שלבים 7.2-7.5 כדי לכייל מחדש קצב זרימת נחיר מייד לפני אירוע סימולציה גשמים וליזום גשמים.
  4. רשום את הזמן של חניכה נגר לכל תיבה כאשר ניקוז מים מזרבובית הניקוז הופך מטפטוף איטי לזרם מתמשך.
  5. לאסוף דגימות ניגר במרווחי זמן שנקבעו במהלך האירוע על ידי מיתוג בקבוקי אוסף אוסוף האירוע של משך שנקבע מראש.
  6. לסיים את אירוע גשמים, לעצור את הגשמים ידי מיקום צינור PVC 10 רגל מעל הנחיר להסיט את הזרימה בפתאומיות ולסגור את (1) שסתום ידית אחת הכדור.
  7. לאסוף את דגימות הנגר ושיא עוצמת קול באמצעות גליל סיים או על ידי מסה בהנחת מים ששוקל 1 גר '/ 2 סנטימטר.
  8. מערבבים את הדגימות באופן יסודי כך שכל המשקעים הוא בהשעיה ולאחר מכן לקחת subsample לניתוח במעבדה.

Representative Results

אחת סיבות לביצוע הניסוי הנוכחי הייתה לבחון גורמים שאולי תרמו לתוצאות גרועות מניסוי קודם שבו אובדן אוריאה בניגר היה לצורך השוואה בין כמה צורות של דשנים וזבלים שהכילו אוריאה. כל הטיפולים יושמו לקרקעות שהיו רוויים ואפשרו לניקוז ליכולת שטח. תוצאות עבור חמישה משכפל של טיפול prill האוריאה נעות בין ריכוזים של 1-12 מ"ג / ליטר אוריאה-N בניגר. סדר זה של וריאציה גודל בין משכפל היה בלתי מתקבל על הדעת בתנאים מבוקרים ובלבל את התוצאות של הניסוי. קשר חיובי חזק בין נפח הכולל של נגר וריכוז האוריאה-N בניגר הציע כי תנאים פיזיים, כגון אריזה או לתנאי לחות משתנים מקדימים בשל תנאי ניקוז וייבוש שונים, היו גורמים סיבתי.

על מנת לחקור את הסיבה לשינוי קיצוני כל כך בur ריכוזי ea בניגר, כל התיבות בניסוי הנוכחי היו ארוזים בקפידה עם משקולות שווים של אדמת טין טין מעורבבת באופן אחיד כמתואר באיורים 1 ו -2 כדי למזער את השונות בתנאים פיזיים. כדי להשיג 50, 60, 70, 80, 90, ו100% מקיבולת שדה משוערת כפי שנקבעו על ידי הרטבה, אז תנור ייבוש כמות קטנה של אדמה מסוננת, המשקל של המים הנדרשים כדי להרטיב את האדמה למתאימה לחות אדמה מקדימה של 14 , 17, 19, 22, 25, ו27% חושב, הוסיפו לקופסות, ואפשרו לאזן O / נ הסימולציה הגשמים ואחרי הפרוטוקול המדויק שתואר לעיל ומתואר במספרים 3-5. 17 Jet המלא WSQ 3/8 זרבובית HH (טבלת 1) שימשה כדי לספק עוצמת גשמים של 3.2 סנטימטר / שעה במשך דקות 40 שהוא שווה ערך לאירוע ממטרים טבעי שמתרחש בדרך כלל על בסיס שנתי, בחוף המזרחי של מפרץ צ'ספיק במרילנד.

class = "jove_content"> כרכים כולל נגר, המון, וזרימת הריכוזים משוקללי התוצאה מסוכמים בטבלה 2. קיים קשר חיובי מובהק בין נגר הכולל (איור 6) נפח ומצב רטיבות קודם. היו לי קרקעות מרטיב פחות קיבולת למים חנות ושיעורי חדירה נמוכות יותר וכתוצאה מכך כמויות נגר גדולות יותר. לא היה קשר משמעותי שלילי בין הזמן לניגר ומצב רטיבות קודם (איור 7). מים חדרו לקרקעות יבשות יותר לתקופה ארוכה יותר של זמן עד שהם הפכו לרטובים בקרבת פני השטח, גורמים מי נגר להתרחש. שלא במפתיע, לא היה קשר חיובי בין העומס הכולל אוריאה-N בניגר וכולל נגר נפח (איור 8). זה ידוע היטב במחקרים הידרולוגיים שזורמים נפח הוא בדרך כלל מנבא חזק של עומס כולל. איך ריכוז יתנהג בתגובה לאירוע נגר הוא פחות צפוי. לזרום concentratio המשוקללn היה מחושב על ידי סיכום העומסים עבור כל אוסף נגר 2 דקות וחלוקה בסך נגר נפח. זה שווה ערך לריכוז באוסף יחיד של נגר בסוף תקופת הגשמים 40 דקות. במחקר זה, לא היה קשר משמעותי חיובי בין ריכוז משוקלל זרימה בניגר ומצב רטיבות קודמת (איור 9). בהתחשב ביחסים ליניארי החיוביים בין נגר נפח ולחות קרקע מקדימה ותזרמו ריכוז משוקלל ומצב רטיבות קודם, קשר חיובי מובהק בין העומס הכולל אוריאה-N והיה צפוי מצב רטיבות קודם. עם זאת, מערכת יחסים משמעותיות זו תוארה על ידי מיטב משוואה מעריכית (איור 10).

על מנת להמחיש אובדן האוריאה-N בניגר לאורך זמן, ריכוזי 2 דקות בודדות ועומסים המצטברים בלשכפל אחד מתיבת אדמה מייצגת כל קונדיט לחות מקדיםיון היה זמם על מרווח זמן גשמים 40 דקות (איור 11). למרות שריכוזים בניגר יכולים להשתנות באופן לא יציב במידה מסוימת לאורך הזמן (למשל במקרה של לחות 90%), ריכוזים בדרך כלל להתחיל גבוהים וירידה לאורך זמן. עומסים המצטברים לאורך הזמן הם פונקציות חלקות בהרבה, והם ממחישים את היחסים המשמעותיים שנדונו בעבר. זמן לניגר הוא ארוך יותר, ריכוזי האוריאה-N בניגר הם נמוכים יותר, ועומסים מצטברים הם פחות עבור קרקעות יבשות יותר. למרות האוריאה hydrolyzes במהירות בקרקעות, כאשר גשמים מתרחש בתוך שעות של יישום פני השטח, הרבה יותר של N הוא עדיין קיים בצורת אוריאה והוא כפוף להפסד בניגר. אוריאה היא מולקולה ניטראלית ואינה בתוקף sorbed למשטחים של חלקיקי קרקע. כמו מים מחלחלים בקרקע יבשה יותר במהלך החלק הראשון של אירוע גשם שהוא מנהל אוריאה מומסת למטה לתוך האדמה והרחק מאזור הנגר surficial. כאשר נגר אין להתחיל, יש יחסי ציבור אוריאה פחותesent וריכוזים בניגר הם נמוכים יותר. מבחינה מעשית, אוריאה הייתי כמעט תמיד תחול בתנאים יבשים יותר כמו ציוד חקלאי לא היה יכול לעבור בקרקעות שנמצאות ביכולת שטח.

איור 1
איור 1. סכמטי של תיבת נגר אדמה דחוסה. קופסא מתכת (100 סנטימטר x 20 סנטימטר x 7.5 סנטימטר) עם שפת 5 סנטימטר בקצה קדימה היא ארוזה באדמה עד לעומק של 5 סנטימטר. נגר שנשפך מעבר לשפת 5 סנטימטר נאסף במרזב מצורף כי הוא מוגן מפני גשם נופלים ישירות לתוך המרזב. תשעה חורים בקוטר 5 מ"מ לאפשר למים שמחלחלים באדמה לניקוז מהתיבות ולמנוע ponding. פטמה המצורפת בסמוך לקצה הקדמי של החלק התחתון של המרזב מאפשרת ניגר כדי לנקז לתוך positi משפכים ובקבוקי אוסףoned מתחת לפטמה.

איור 2
איור 2. חומרי אריזת קופסא. כ 4 שכבות של אריג בחלק התחתון של התיבה למנוע אובדן אדמה אלא לאפשר למים כדי לנקז באופן חופשי. מד פילוס בהיקף של זכוכית אקרילית דחוקה בין שני לוחות עץ הוא רחב כמו התיבה (20 סנטימטר) ו( סנטימטר 2.5) עמוק כמו ההבדל בין הצדדים של התיבה (7.5 סנטימטר) וחלק העליון של המרזב (5 סנטימטר). ידי הנחת הלוח על שפת תיבת הזכוכית אקרילית משמשת לאדמת כיתה לעומק של הביבים.

איור 3
איור 3. Positioning הפלטפורמה. מקם את הפלטפורמה, כך שכאשר תיבות האדמה ארוזות נמצאות בעמדה, לכולם יש אותו המדרון. במחקר זה, השיפוע הרצוי היה 3%. בעוד מחזיק ברמת לוח, מקם את הפלטפורמה כך שמורד המדרון, סוף המרזב של התיבה הוא 3 סנטימטר מתחת לקצה במעלה המדרון. הפלטפורמה צריכה להיות ברמה בכיוון מדרון הצלב.

איור 4
איור 4. פקדי גשמים סימולטור החל ממקור המים והמתקדמים באמצעות מערכת הצנרת לנחיר (1) שסתום מנוף כדור יחיד:. זה שסתום מהיר. מנוף בקנה אחד עם צינור הוא ב; מנוף ב90 זווית תואר פני צינור כבוי. השתמש בשסתום זה כדי להפעיל זרימה לסירוגין מבלי להפריע שסתומים השולטים בלחץ וקצב הזרימה. פתח במלואו ולסגור באופן מלא. Do לא מנסה להשתמש במסתם זה כדי לשלוט בקצב זרימה. (2) מסנן משקעים: בדוק את המסנן מעת לעת ולהחליף את הרכיב כנדרש כדי למנוע סתימה בסחף. (3) שסתום רגולטור לחץ: סתום זה שולט על לחץ בקו מכאן ולהבא. יותר מדי לחץ עשוי לשבור צינורות, צינורות או חיבורים. (4) שסתום זרימת אונליין בשליטה (שסתום שער): סתום זה משמש כדי לכוונן את הזרימה לנחיר על מנת להשיג את קצב זרימה ולחץ זרבובית הרצויים. (5) מד זרימה: צעדי קצב זרימה משוער. (6) מד לחץ: לחץ משוער צעדים בנחיר.

איור 5
איור 5. תיבות ממוקמות על פלטפורמת סימולציה גשמים. מקום 5 או 6 קופסות בעמדות מסומנות לכל אירוע סימולציה גשמים. הימנע מהצבת תיבהישירות מתחת לנחיר כדי למנוע מטפטפים ישירות על גבי משטח קופסא.

איור 6
איור 6. סה"כ נגר נפח מתואם חיובי עם תוכן קודם אדמת לחות (R 2 = 0.64).

איור 7
איור 7. זמן לניגר מתואם שלילי עם תוכן קודם אדמת לחות (R 2 = 0.48). פני השטח של אדמה רטובה מרווה במהירות. כמות משקעים העולים על המוליכות הידראוליות של הקרקע רוויה מייצרת נגר.

איור 8 עבור: תוכן width = "5in" עבור: src = /> "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" src
איור 8. עומס סה"כ אוריאה-N מתואם חיובי עם נגר נפח (R 2 = 0.81). הבדלים בניגרו נפח להציף הבדלים בריכוז של האוריאה-N בניגר.

איור 9
איור 9. ריכוז לזרום משוקלל של האוריאה-N הוא מתאם חיובי עם תכולת לחות אדמה מקדימה (R 2 = 0.66). קרקעות יבשות יותר לאפשר חדירה שמדיחה אוריאה-N לאדמה וממשטח הקרקע. כאשר נגר אכן מתרחש, פחות אוריאה N הוא זמין על פני השטח לתנועה בניגר.

5in "עבור: src =" "/> /" = src "/ files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg
איור 10. עומס סה"כ אוריאה-N מתואם חיובי עם תכולת לחות אדמה מקדימה (R 2 = 0.74). היחסים החיוביים בין נגר סך תכולת לחות אדמה מקדימה נפח ובין ריכוז זרימה המשוקלל של האוריאה-N ותכולת לחות מקדימה לשלב לגרום למערכת יחסי מעריכי (y = .2043 דואר 0.0405x).

איור 11
איור 11. ריכוז האוריאה-N ומערכות יחסי עומס מצטברים לאורך זמן ללשכפל אחד מכל סוג לא conten לחות קרקע מקדימה. למרות שריכוז אוריאה N הוא לא תמיד פונקציה חלקה לאורך זמן, מערכות היחסים המשמעותיים קודם ly דן ניתן דמיינו.

: 173px; "> 24 Jet המלא WSQ HH 3/8
גודל נחיר עוצמה לחץ אופטימלי זרימה 10 שניות זרימה
סנטימטר / hr psi GPM מיליליטר
17 Jet המלא WSQ HH 3/8 3.2 6.0 1.5 940
3.3 6.0 1.8 1,140
30 Jet המלא w 1/2 HH 6.0 5.0 2.2 1,250
50 Jet המלא w 1/2 HH 7.0 4.1 3.7 2,300

טבלת 1. גודל נחיר תרשים. גדלי Nozzle שזוהו לשימוש עם סימולטור זה גשמים ועוצמת הגשמים הקשורים בם, לחץ וזרימת פרמטרים מוצגים. בחירה של גודל נחיר תלוי רצויגשמים בעוצמה. עוצמת גשמים ומשך מתאימות לאירוע משקעים של לחזור לתקופה מסוימת למיקום מחקר שצוין. גודל נחיר 17 WSQ שימש למחקר זה. גשמים של 40 משך דקות בעצימות של 3.2 סנטימטר / שעה הוא שווה ערך לאירוע ממטרים טבעי שמתרחש בדרך כלל על בסיס שנתי, בחוף המזרחי של מפרץ צ'ספיק במרילנד.

px; "> 2.33 שעות: 129px; "> 1.69
רטיבות קרקע נגר סה"כ לזרום משוקלל עומס סה"כ
% נפח (L) התרכזות (אוריאה מ"ג -N)
(L מ"ג -1 אוריאה-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 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 3.22
17 1.66 0.90 1.50
14 1.51 0.78 1.18
† מספרים כפולים מייצגים את שתי חזרות לכל רמת לחות

מספרי תוכן טבלה 2. מקדימה אדמת לחות, הכולל נגר נפח, יזרום משוקלל ריכוז אוריאה-N וסך הכל עומס האוריאה-N לאחר סימולציה גשמים. כפל מייצגים שתי חזרות לכל רמת לחות

Discussion

נגר הוא בעיקר שנוצר על ידי שני מנגנונים, נגר עודף חדירה וניגר עודף הרוויה 18 ומושפע מתכונות קרקע, לחות מקדימה קרקע, טופוגרפיה, ועוצמת גשמים. סימולציה גשמים יכול לשמש כדי לתקן את משתנה עוצמת גשמים וללמוד אחד או יותר של המשתנים שנותרו. עוצמת גשמים ומשך גם ניתן לשלוט על מגוון מצומצם ללימוד על ידי שינוי גודל הנחיר. השלבים הקריטיים ביותר לביצוע מחקרי סימולציה גשמים בתיבות אדמה ארוזה הם: 1) אריזה אחידה של תיבות קרקע הבטחה; 2) שליטה תכולת לחות אדמה קודמת; 3) כיול קצב זרימה לזרבובית שנבחרה, כך שגודל הטיפה והמהירות קרוב לגשמים טבעיים; ו4) התאמת מיקום פייה כדי להבטיח כמות משקעים אחידות על פני כל תיבות האדמה.

בסופו של תהליך הכיול, ברגע שקורות חיים של פחות מ 0.05 מושגת על אחידות גשמים על פני כל האדמהקופסות, כיול 10 דקות יש לחזור מספר פעמים על מנת להבטיח שעוצמת הגשמים ברחבי ריצות עולה בקנה אחד. יכולים גם להיות מחושבים קורות חיים לאחידות על פני ריצות. אם קורות החיים לאחידות על פני ריצות הוא פחות מזה לאחידות של גשמים בכל התיבות, כדאי לשקול קיבוץ טיפולים לשכפל בתוך ריצות בודדות כדי למזער וריאציה על פני טיפולים. אחרת, כדי להקטין את השגיאה הקשור למיקום תיבה ועל פני ריצות, באקראי שני הטיפולים ומשכפל פי עמדת קופסא, נקיטת צעדים שיגביל הצבת טיפול במצב יותר מפעם אחת.

באמצעות עיצוב סימולטור גשמים זו ופרוטוקול סטנדרטי לכיול סימולטור כמו שצריך ישפר את ההשוואות של תוצאות על פני מחקרים שנערכו על ידי חוקרים שונים. הנתונים שמקורם בדרך זו יכול לשמש כדי לחזות מה יקרה תחת גשמים טבעיים ולהבין טוב יותר את התהליכים וגורמים השולטים בהפסדים לסביבה מלאמקורות npoint של חומרים מזהמים. מחקרים כאלה יכולים להניב נתונים יקרי ערך לשימוש בפיתוח מודלים לחיזוי גורל ההובלה של מזהמים כימיים במשקעים וניגרו בתנאי גשם טבעיים.

Disclosures

המחברים מצהירים שום אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

עבודה זו מומנה בחלקו על ידי בניית יכולת גרנט הוענק לאוניברסיטת מרילנד החוף המזרחי (UMES) על ידי המכון הלאומי למזון וחקלאות. המחברים מבקשים להודות לדון מהאן (UMES) על עזרתו בהקמת סימולטור הגשמים ובביצוע סימולציות גשמים. תודה גם מורחבת לג'ניס Donohoe (UMES) לביצוע ניתוחים במעבדה והסטודנטים לתואר ראשון סטודנטים (UMES) על עזרת בביצוע ניסוי הסימולציה גשמים והעיבוד של דוגמאות.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Rainfall Simulator Joern's Inc. TLALOC 3000 Size 1.5 m x 2.0 m (size optional)
Rainfall Simulator Joern's Inc. TLALOC 4000 Size 2.0 m x 2.0 m (size optional)
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS17WSQ Size 17 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS24WSQ Size 24 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 1/2HH-SS30WSQ Size 30 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS50WSQ Size 50 nozzle

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Mutchler, C. K., Hermsmeier, L. F. A review of rainfall simulators. Trans. ASAE. 8 (1), 67-68 (1965).
  5. 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.
  6. 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).
  7. 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).
  8. Vadas, P. A., et al. A model for phosphorus transformation and runoff loss for surface-applied manures. J. Environ. Qual. 36, 324-332 (2007).
  9. 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).
  10. Moore, I. D., Hirschi, M. C., Barfield, B. J. Kentucky rainfall simulator. Trans. ASAE. 26, 1085-1089 (1983).
  11. Grismer, M. Standards vary in studies using rainfall simulators to evaluate erosion. Ca. Agri. 66 (3), 102-107 (2012).
  12. 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).
  13. Liao, N. L., Egan, L. Determination of urea brackish and seawater by flow injection analysis colorimetry. QuickChem Method. , Lachat Instruments. Milwaukee, WI. (2001).
  14. SAS Institute. The SAS system, version 8.0. , SAS Institute. Cary, NC. (2000).
  15. 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.
  16. 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).
  17. Mehlich, A. Mehlich No. 3 soil test extractant: A modification of Mehlich No. 2 extractant. Comm. Soil Sci. Plant Anal. 15, 1409-1416 (1984).
  18. Dunne, T., Black, R. D. An experimental investigation of runoff production in permeable soils. Water Res. Res. 6 (2), 478-490 (1970).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 86 חקלאות זיהום מים איכות מים טכנולוגיה תעשייה וחקלאות גשם Simulator מלאכותי גשם מי ניגר קופסות קרקע Lunches Nonpoint מקור אוריאה
פרוטוקול לעריכת סימולציה גשם לחקר ניגר קרקע
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kibet, L. C., Saporito, L. S.,… More

Kibet, L. C., Saporito, L. S., Allen, A. L., May, E. B., Kleinman, P. J. A., Hashem, F. M., Bryant, R. B. A Protocol for Conducting Rainfall Simulation to Study Soil Runoff. J. Vis. Exp. (86), e51664, doi:10.3791/51664 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter