Summary
En regnsimulator användes för att tillämpa en enhetlig hastighet av enhetliga regn till packade jord lådor i en studie av det öde och transport av urea, en nonpoint källa miljögifter. Under enhetliga mark-och regnförhållanden, gångare jord fukthalt utövade stark kontroll över urea förlust i ytavrinning.
Abstract
Nederbörd är en drivkraft för transport av miljöföroreningar från jordbruksmark till surficial vattendragen via ytavrinning. Syftet med denna studie var att karakterisera effekterna av antecedent jord fukthalt på ödet och transport av ytan appliceras kommersiell urea, en vanlig form av kväve (N) gödsel, efter ett regn händelse som inträffar inom 24 timmar efter tillförsel av gödselmedel. Även urea antas vara lätt hydrolyseras till ammonium och därför inte ofta tillgängliga för transport, nya studier tyder på att urea kan transporteras från jordbruksmark till kustvatten där det blandas in i skadliga algblomningar. En regnsimulator användes för att tillämpa en enhetlig hastighet av enhetlig regn över packade markrutor som hade förvättes till olika jordfukthalter. Genom att styra nederbörd och markens fysikaliska egenskaper, effekter av antecedent markfuktighet på urea förlust var isolated. Wetter jordar uppvisade kortare tid från regn initiering till avrinning initiering, större total volym av avrinning, högre ureakoncentrationer i avrinning och större satsade massor av urea i avrinning. Dessa resultat visar också vikten av att kontrollera för antecedent jord fukthalt i studier som syftar till att isolera andra variabler, såsom jord fysiska eller kemiska egenskaper, lutning, jordtäcke, ledning, eller regnegenskaper. Eftersom regnsimulatorer är konstruerade för att leverera regndroppar av liknande storlek och hastighet som naturlig nederbörd, kan studier som utförts inom ramen för ett standardiserat protokoll ge värdefull information som i sin tur kan användas för att utveckla modeller för att förutsäga öde och transport av föroreningar i avrinning.
Introduction
Miljökonsekvenserna av jordbruket är en global och snabbt ökande oro, särskilt i ljuset av osäkerheten i den globala förändringen. Nederbörd är en drivkraft för transport av miljöföroreningar från jordbruksmark till surficial vattendragen via ytavrinning. En stor mängd forskning är inriktad på att bättre förstå samspelet mellan nederbörd och markförhållanden som de bestämmer Nonpoint källor av sediment, näringsämnen, och förluster av bekämpningsmedel från jordbruksmark. Syftet med denna studie var att karakterisera effekterna av antecedent jord fukthalt på ödet och transport av ytan appliceras kommersiell urea, en vanlig form av kväve (N) gödsel, efter ett regn händelse som inträffar inom 24 timmar efter tillförsel av gödselmedel.
Det finns få studier av ödet och transport av urea i jordar, eftersom urea hydrolyseras snabbt till ammonium efter ansökan och th gödselerefore inte ofta tillgängliga för transport. Men senare avrinningsområden studier tyder på att urea kan transporteras från jordbruksmark till kustvatten och orsaka skiftar mot populationer av organismer som producerar skadliga gifter 1,2. Både laboratorie-och fältexperiment har visat att när de domorinsyra producerande kiselalgen Pseudo-nitzschia australis (P. Australi s) odlades i urea berikat havsvatten, mängden domorinsyra producerade var större än när den odlas på nitrat-och ammonium-berikad havsvatten 3. Denna studie använde simulerade regn för att undersöka de processer som styr möjligheterna till urea-N förluster i avrinningen efter kommersiell tillämpning gödsel.
På grund av variationen av naturliga regn, har regn simulatorer använts för att tillämpa enhetliga regn priser över landytor eller packade markboxar för att utvärdera avrinning under kontrollerade förhållanden. Regn simulatorer ursprungligen användes för att studera jordenerosion 4. Men under årens lopp har de använts för att mäta andra beståndsdelar i ytavrinning och lakvatten från jordar 5-7. Fältstudier med hjälp av naturliga nederbörden har också genomförts för att bedöma förluster av markkomponenter i avrinning. Trender mellan naturliga regn och regn simuleringsuppgifter följer ett liknande mönster som pekar till en konsistens i processer. Därför regn simulering kan användas i studier för att förutsäga den sannolika förekomsten av vad som händer under naturliga regn 8.
En mängd olika regn simulatorer har utvecklats, och oftast de använder munstycke sprutor för att tillämpa vatten vid önskade priser och löptider. I fråga om storlek, regn simulatorer allt från en enkel, liten, bärbar infiltrometer med en 6 diameter regn område 9 till den komplexa Kentucky regnsimulator, som omfattar en tomt 14.75 fot x 72 fot (4,5 mx 22 m) 10. En brist i kroppen av forskning som EMPlegerade regn simulering är att det inte finns en standardiserad utformning eller protokoll för att leda regnsimuleringar 11. Faktum är att på 2011 "International Nederbörd Simulator workshop" vid Trier Universitet, Tyskland, en kollaborativ gemenskap av forskare från 11 deltagande länder fram till att det behövs en standardisering av regn simulering och simulatorer för att säkerställa att resultaten blir jämförbara och att främja ytterligare tekniska utvecklingen för att övervinna fysiska begränsningar och begränsningar 12. Denna studie syftar till att delvis lösa detta behov genom att presentera en detaljerad beskrivning av ett standardiserat protokoll för att leda regnsimuleringar med hjälp av en simulator som redan är allmänt antas att användas i Nordamerika.
Detta experiment är en del av en större studie som syftar till att bedöma källan till urea i flodmynningar vattnet i Chesapeake Bay där är kända giftiga algblomningar förekomma årligen. Den specifika objectiv e med experimentet var att bestämma effekten av föregångaren markens fukthalt på ureaförluster i avrinning. Duplicera jämnt packade jordrutor var förvättes till en av sex olika fukthalter som representerar 50, 60, 70, 80, 90, och 100% av fältkapaciteten. Urea var ytan appliceras i prill formen med en hastighet av 150 kg N / ha. Inom 24 timmar rutorna utsattes för jämn nederbörd på 40 min varaktighet med en hastighet av 3,17 cm / tim, vilket motsvarar en naturlig nederbörd händelse som vanligen inträffar årligen på östra stranden av Chesapeake Bay i Maryland. Avrinning Prover uppsamlades vid 2 min intervall, omedelbart efter filtrering med ett glasfilter (0,45 | im) och lagrades vid 4 ° C tills de analyserades inom 24 h efter insamling. Urea-N-koncentrationerna bestämdes genom flödesinjektionsanalys kolorimetri 13. Data analyserades med användning av SAS v.9.1 14, och statistiska resultat betraktades som signifikanta vid P ≤ 0,05.
e_content "> Den bärbara regn simulator som användes i denna studie uppfyller konstruktionsspecifikationer 15 och protokoll som utvecklades av National Fosfor Project 16. I USA och Kanada, har denna simulator design och protokoll fått stor spridning som standardmetod för användning vid bestämning av både upplöst och partikelbunden fosfor förlust i avrinning. Även avrinning prover analyserades för urea snarare än fosfor, är densamma som den som kortfattat beskrivs i National Fosfor metoden för applicering av en enhetlig och konsekvent regn till packade jordrutor Projekt regn simuleringsprotokoll.Protocol
1. Jord Insamling och beredning
- Samla upp jord från ytan horisont av jordprofilen att korrekt representera fysikaliska och kemiska förhållanden i markytan. OBS: Om möjligt marken bör samlas in från de översta 5 cm av ytan. Området för jordsamling bör vara tillräckligt liten för att begränsa variationer i jord fysikaliska och kemiska egenskaper.
- Sila jord genom en grov (20 mm) sikt för att avlägsna stenar. OBS: Siktning är lättare om jorden är något fuktig.
- Sprid siktade jorden på en tung presenning i ett tunt lager för att underlätta torkning, helst i ett växthus eller varm inomhusmiljö.
- Blanda jorden med en spade, rake eller genom att dra kanterna på presenning från en sida till den andra som om vikning av en jätte calzone. Obs: Var noga med att inte slita och riva tarp med kanten av en spade eller kratta. Upprepa detta flera gånger tills marken är ordentligt blandat.
- Ta 10 prover frånolika platser i högen av noggrant blandade jord och genomföra en Mehlich-3 fosfor testet 17 för att testa för homogenitet. Anm: Homogenitet uppnås när resultaten av de 10 proverna har en variationskoefficient (CV) på <0,05. Där: CV = standardavvikelse / medelvärde.
- Om CV på Mehlich-3 fosfor testet är> 0,05, fortsätter att blanda jorden och upprepa homogenitetstest.
2. Packlådor Mark
- Obs: Jord lådor ska vara av enhetlig volym med samma dimensioner av längd, bredd och djup (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) med nio 5-mm dräneringshål i botten. Lådor bör ha en 5-cm läpp och en uppsamlings ränna på en ände (fig. 1).
- Linje botten av lådorna med 4 ply ost trasa för att hålla jorden från att tvätta ur hålen i lådan samtidigt som vatten att flöda genom när marken är mättad.
- Packa först jorden rutan genom att ösa nog torkat, siktas och homogensas jord i rutan för att fylla det ungefär hälften djupt när jämnas ut (ca 3,5 cm). Sprid jorden jämnt och packa den med en platt sten. OBS: Marken bör vara tillräckligt torr så det gör inte kompakt under trycket av tegel.
- Lägg till ytterligare 2 cm jord och jämna ut det med en nivåmätaren till en packad djup av 5 cm, höjden på läppen av lådan som spiller i rännstenen (Figur 2).
- Väg den mängd jord som lades till den första packade rutan och lägger samma vikt av jord till alla återstående rutor. Packa varje ruta för att uppnå ett jorddjup på 5 cm och jämn volymvikt.
- Dammsug rännorna i jordrutor för att ta bort eventuell jord som spillts i rännstenen under packningsprocessen.
3. Montering Lådor Jord i Nederbörd Simulator
- Placera en ram tillverkad av 2 i x 6 i tryckimpregnerat virke i mitten av regnsimulatorn på vilken jordlådor wsjuka placeras. Anm: Ramen bör ha ett tvärelement i mitten för att ge styvhet. Placering markrutor på en bottenlös ram minimerar stänk som annars kan uppstå från en solid plattform omedelbart under marklådor och tillåter fri dränering från hålen i botten på lådorna.
- Placera ramen på cementblock på en höjd som gör att placeringen av insamlingsflaskor och kanaler under pipar på uppsamlingsrännor på framsidan av markrutor monterade på plattformen.
- Ytterligare höja baksidan av plattformen, med hjälp av tegel, timmer och mellanlägg, så att baksidan av en jordlåda placeras på plattformen är 3 cm högre än framsidan av lådan, vilket resulterar i en 3% lutning. Mät lutningen genom placering av en bräda (> 100 cm längd) på baksidan av en jord box monterad på plattformen. Med hjälp av en vattenpass, håll kortnivå och höja baksidan av plattformen, så att den främre delen av lådan är 3 cm under nivån kortet (Figur 3
- Leta upp den punkt direkt under overhead munstycket och undvika att placera en ruta i den positionen för att undvika stora droppar från munstycket i början eller slutet av ett regn händelse från att falla på en jordlåda, sedan placera fem eller sex lådor jämnt fördelade på plattformen . Markera positionen av rutorna och alltid placera rutorna i dessa samma positioner.
4. Välja källa för bevattning
- Välj ett bevattningsvattenkälla som är relativt fria från alla element och föreningar, särskilt de som är av intresse för studien. Analysera vattenkällan i förväg av studien för att bestämma vatten renhet. Anm: Vid behov bör jonbytarmassa användas för att uppnå önskad vattnets renhet.
- Ge en huvudvattenkälla till regn simulator som överstiger ett tryck av 8 psi och ett flöde av 5 gpm. Obs: Normala kommunala källor överstiger dessa minimikravment. Om du använder vattentankar och pumpar, se till att pumparna kan leverera en vattenledning som överstiger det minsta tryck och flöde.
5. Val av munstycke Storlek att använda
- Välj en av fyra standardmunstycken storlekar som används för regnsimuleringar. Notera: Varje munstycke har en optimal prestanda tryck och flöde för att uppnå rätt droppstorlek och intensitet (tabell 1). Val av munstycke för användning i en särskild studie bestäms i relation till intensiteten (cm / h) av den naturliga nederbörden händelsen att vara representerade.
6. Regn Simulator Funktion
- Placera (1) enda spak kulventil (Figur 4) till stängt läge, spaken i 90 graders vinkel över röret, och slå på huvudvattenkälla (kommunal eller pump).
- Vrid kvadratisk uppsättning skruv på den övre delen av (3) tryckregleringsventil (figur 4) moturs med rHÄRLEDA trycket och öppna nästa-i-ledning (4) in-line-flödeskontrollventil helt.
- Öppna (1) enda spak kulventil (Figur 4) helt och justera (3) tryckregulator ventilen genom att vrida ställskruven medurs för att uppnå ca 8 psi i (6) tryckmätare placerad nära toppen av regnsimulator. Obs: När (3) tryckregleringsventil har satts till något över önskad munstyckstrycket, bör det inte behöva justeras under drift av regn simulatorn om inte de viktigaste vattentäkt tryckförändringar.
- Delvis nära den (4) in-lineflödesstyrventilen (figur 4) till dess att (5) flödesmätare avläser ungefärlig flödeshastighet i liter per min för munstycket som används och (6) tryckmätare läser den ungefärliga psi under den munstycke som används (Tabell 1).
- Stäng (1) enda spak kulventilen (fig. 4) för att stoppa flödet utan att ändraflödeshastighet och tryckinställningar.
7. Munstycke Kalibrering och regn Enhetlighet
- Täck hålen i botten av 5 eller 6 tomma jord lådor med tejp för att hindra vatten från att läcka ut ur boxarna och placera dem i de markerade positioner på träram (se steg 3.4).
- Position och håll på en 10 fot längd på 2 tums PVC-rör med en 45 ° vinkel fäst vid änden över munstycket och öppna (1) enda spak kulventil.
- Samla utsläppet från PVC-rör i en stor graderad cylinder för 10 sek.
- Göra mindre justeringar av (4) in-line flödeskontrollventil och upprepa 10 sek samlingarna fram till 10 sek flödesvolym matchar motsvarande värde för munstycket som används (tabell 1). När korrekt flödeshastighet uppnås genom att ange värdet på flödesmätaren som ett sätt att övervaka variationer i flödet på grund av möjliga tryckfluktuationer. Obs: För korrekt kalibrering av munstycket, the 10 sek flödesvolym är ett mer rättvisande mått än läsningen på flödesmätaren.
- Ta bort 10 fots längd PVC-rör för att låta regn att väta rutan området och notera tiden för regn inledande.
- Efter exakt 10 minuter abrupt stoppa regn genom att placera 10 fot PVC-rör över munstycket för att avleda flöde och stäng (1) enda spak kulventil.
- Mät volymen av vatten (ml) uppsamlas i varje låda genom att den hälldes i en graderad cylinder, och beräkna nederbörden djup genom att dividera volymen av den del av botten av lådan (2000 cm 2).
- Beräkna variationskoefficienten för regndjup. Anm: Regn likformighet uppnås när regn djup i de 5 eller 6 boxar har en variationskoefficient <0,05. Där: CV = standardavvikelse / medelvärde.
- Om CV inte är mindre än 0,05, vrid munstycket ¼ varv hårdare och upprepa kalibreringen. Observera: Munstycket kan behöva vändas flera gångerför att uppnå ett CV av mindre än 0,05.
- När ett CV på mindre än 0,05 uppnås, upprepa kalibreringen flera gånger för att se till att regnintensitet över körningar är konsekvent.
8. Genomföra en regn Simulering
- Efter kalibrering, placera packade markrutor i de markerade positioner på träram (se steg 3.4).
- Placera avrinningsinsamlingsflaskor och kanaler under dränerings pipar och förhindrar regn från direkt faller i rännstenen med hjälp av ett gem för att fästa en sköld över rännan (Figur 5).
- Upprepa steg från 7,2 till 7,5 för att kalibrera munstycke flöde omedelbart före regnsimulering händelse och initiera regn.
- Anteckna tiden för avrinning initiering för varje ruta när vatten rinner från dräneringspipen förvandlas från en långsam upptining i en kontinuerlig ström.
- Samla dagvatten vid föreskrivna tidsintervall under evenemanget genom att byta insamlingsflaskor eller påI slutet av en händelse av förutbestämd varaktighet.
- För att avsluta en regnhändelse, stoppa regn genom att placera 10 fot PVC-rör över munstycket att abrupt avleda flöde och stäng (1) enda spak kulventil.
- Samla dagvatten och rekordvolym med hjälp av en graderad cylinder eller mass antar att vatten väger 1 g / cm 2.
- Blanda proverna ordentligt så att allt sediment är i suspension och sedan ta ett delprov för laboratorieanalys.
Representative Results
En anledning till att genomföra det aktuella experimentet var att undersöka faktorer som kan ha bidragit till dåliga resultat från en tidigare experiment där urea förlust i avrinning var jämförs över flera former av gödningsmedel och gödsel som innehöll urea. Alla behandlingar applicerades på jordar som hade mättade och tillåts rinna till fältkapacitet. Resultaten för fem replikat av urea prill behandling varierade från koncentrationer av 1-12 mg / L urea-N i avrinningen. Denna storleksordning variation mellan replikaten var oacceptabelt under kontrollerade förhållanden och skam resultatet av försöket. Ett starkt positivt samband mellan total volym på avrinning, urea-N koncentrationen i avrinning föreslog att fysiska förutsättningar, såsom packning eller variabla antecedent fuktighetsförhållanden på grund av olika dränering och torkförhållanden, var orsaker.
För att utreda orsaken till sådana extrema variationer i urea koncentrationer i avrinning ades alla lådor i den aktuella experimentet förpackats omsorgsfullt med lika vikter av enhetligt blandade slamlerjord som avbildas i figurerna 1 och 2 för att minimera variationer i fysikaliska betingelser. För att uppnå 50, 60, 70, 80, 90, och 100% av ungefärlig fält egenskap bestämdes genom vätning, då ugnen torkning av en liten kvantitet av siktad jord, vikten på det vatten som krävs för att väta jorden till motsvarande antecedent jordfukt av 14 , var 17, 19, 22, 25, och 27% beräknat, läggs till lådorna, och fick utjämnas O / N. Nederbörden simulering följde exakt protokoll som beskrivs ovan och visas i fig. 3-5. Den 17 WSQ Full Jet 3/8 HH munstycke (Tabell 1) användes för att leverera en regnintensitet på 3,2 cm / timme under en 40 min period som motsvarar en naturlig nederbörd händelse som vanligen inträffar årligen på östra stranden av Chesapeake Bay i Maryland.
För att visualisera urea-N förlust i avrinning över tid, enskilda 2 min koncentrationer och kumulativa laster i en kopia av en jordlåda representerar varje gångare fukt Condition plottades över 40 min regn tidsintervall (Figur 11). Även halterna i avrinningen kan variera något oregelbundet över tiden (t.ex. i fallet med 90% fukt), koncentrationer starta generellt hög och minskar med tiden. Ackumulerade laster över tiden är mycket smidigare funktioner, och de illustrerar de signifikanta samband som tidigare diskuterats. Dags att avrinning är längre, urea-N halter i avrinningen är lägre, och kumulativa laster är mindre för torrare jordar. Även urea hydrolyseras snabbt i jordar, då regn inträffar inom timmar av ytan applikation, mycket av N är fortfarande närvarande i urea formen och är föremål för förlust i avrinning. Urea är en neutral molekyl och är inte starkt sorberas till ytorna av jordpartiklar. Som vatten infiltrerar de torrare jordar under den tidiga delen av regnhändelse det bär löst urea ner i marken och bort från surficial avrinning zonen. När avrinning inte börjar, finns det mindre urea prESENT och koncentrationer i avrinning är lägre. Ur en praktisk mening skulle urea nästan alltid tillämpas i torrare förhållanden som lantbruk inte kunde korsa jordar som är vid fältkapacitet.
Figur 1. Schematisk bild av packad jord avrinning rutan. En metallåda (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) med en 5 cm läpp på den främre änden är fylld med jord till ett djup av 5 cm. Avrinning som spiller över 5 cm läppen samlas i en bifogad ränna som är skyddad mot regn faller direkt i rännstenen. Hål Nio 5 mm diameter tillåter vatten som infiltrerar jorden rinna ur lådorna och förhindra svarande. En nippel fäst nära den främre kanten av bottnen av rännan möjliggör avrinning vattnet rinna ned i trattarna och uppsamlingsflaskor positioned nedan nippeln.
Figur 2. Box förpackningsmaterial. Cirka 4 lager av cheesecloth i botten av lådan förhindrar markförlust men låter vattnet rinna fritt. En nivåmätaren består av akrylglas inklämt mellan två brädor är lika bred som boxen (20 cm) och lika djup (2,5 cm) som skillnaden mellan sidorna hos lådan (7,5 cm) och den övre delen av rännan (5 cm). Genom att vila brädan på läppen av lådan akryl glas används för att gradera jord till djupet av rännan.
Figur 3. Popositionering av plattformen. Placera plattformen så att, när de packade jord lådor är i position, de alla har samma lutning. För denna studie, den önskade lutningen var 3%. Håll en styrelsenivå, positionera plattformen så att den nedåt sluttningen, gutter änden av lådan är 3 cm under den uppåtgående linjen slut. Plattformen ska vara nivå i tvärlutningsriktning.
Figur 4. Regnsimulatorkontroller som börjar från vattenkällan och fortskrider genom rörsystemet till munstycket (1) Ettgrepps kulventil:. Detta är en snabb avstängningsventil. Lever i linje med röret är på; hävarmen vid 90 graders vinkel över röret är släckt. Använd denna ventil för att stänga flödet på och av utan att störa ventiler som styr tryck och flödeshastighet. Öppnas helt och stängs helt. Do inte försöker använda denna ventil för att styra flödeshastigheten. (2) Sediment filter: Kontrollera filtret regelbundet och byt inslag som behövs för att förhindra igensättning med sediment. (3) Tryckregleringsventil: Denna ventil reglerar trycket i ledningen från denna punkt framåt. För mycket tryck kan bryta rör, slangar eller anslutningar. (4) kontroll In-line flödesventil (Gate ventil): Denna ventil används för att finjustera flödet till munstycket för att uppnå den önskade flödeshastigheten och munstyckestryck. (5) Flödesmätare: Åtgärder ungefärlig flöde. (6) Manometer: Åtgärder ungefärlig tryck vid munstycket.
Figur 5. Lådor placerade på plattformen för regnsimulering. Placera 5 eller 6 lådor i markerade positioner för varje händelse regnsimulering. Undvik att placera en lådadirekt under munstycket för att förhindra droppar direkt på en låda yta.
Figur 6. Totalt avrinning volym är positivt korrelerad med antecedent jord fukthalt (R2 = 0,64).
Figur 7. Dags att avrinningen är negativt korrelerad med antecedent jord fukthalt (R2 = 0,48). Ytan på en våt jord mättar snabbt. Nederbörd som överstiger den hydrauliska konduktiviteten i den mättade marken genererar avrinning.
fo: innehåll-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" />
Figur 8. Total last urea-N är positivt korrelerad med avrinning volym (R2 = 0,81). Skillnader i avrinningsvolym väldiga skillnader i koncentrationen av urea-N i avrinning.
Figur 9. Flödesvägda koncentrationen av urea-N är positivt korrelerad med antecedent jord fukthalt (R2 = 0,66). Torrare jordar tillåter infiltration som läcker urea-N i marken och bort från jordytan. När avrinning inträffar, är mindre urea-N finns på ytan för rörelse i avrinning.
5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/>
Figur 10. Total last urea-N är positivt korrelerad med antecedent jord fukthalt (R2 = 0,74). De positiva relationer mellan total avrinning volym och gångare markens fukthalt och mellan flödesvägd koncentration av urea-N och gångare fukthalt kombineras för att resultera i ett exponentiellt förhållande (y = 0,2043 e 0.0405x).
Figur 11. Urea-N koncentration och kumulativa belastningsförhållanden över tid för en kopia av varje gångare markfuktighet Conten t. Även urea-N koncentrationen är inte alltid en smidig funktion genom tiden, de signifikanta samband föregående ly diskuterat kan visualiseras.
| Munstycke Storlek | Intensitet | Optimala trycket | Flöde | 10 sek Flöde |
| cm / h | psi | gpm | ml | |
| 17 WSQ Full Jet 3/8 HH | 3,2 | 6,0 | 1,5 | 940 |
| 3,3 | 6,0 | 1,8 | 1140 | |
| 30 w Full Jet 1/2 HH | 6,0 | 5,0 | 2,2 | 1250 |
| 50 w Full Jet 1/2 HH | 7,0 | 4,1 | 3,7 | 2300 |
Tabell 1. Munstycke storlekstabell. Munstycksstorlekar som har identifierats för användning med denna regnsimulator och tillhörande regnintensitet, tryck-och flödesparametrar presenteras. Urval av munstyckets storlek beror på den önskaderegn intensitet. Nederbörd intensitet och varaktighet motsvarar en fällning vid en viss återkomsttid för en viss studieort. Munstycksstorlek 17 WSQ användes för denna studie. Nederbörd på 40 min varaktighet vid en intensitet på 3,2 cm / timme motsvarar en naturlig nederbörd händelse som vanligen inträffar årligen på östra stranden av Chesapeake Bay i Maryland.
| Markfuktighet | Totalt avrinning | Flödesvägda | Total belastning |
| % | volym (L) | koncentration | (Mg urea -N) |
| (Mg L -1 urea-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 | px; "> 2.334,21 | |
| 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 | h: 129px; "> 1.693,22 | |
| 17 | 1,66 | 0,90 | 1,50 |
| 14 | 1,51 | 0,78 | 1,18 |
| † Dubbla siffror representerar två replikeringar för varje fukthalt |
Tabell 2. Antecedent jord fukthalt, total avrinning volym, flödesvägda urea-N koncentration och total urea-N belastning efter regn simulering. Duplicera siffrorna representerar två replikeringar för varje fukthalt
Discussion
Avrinning främst genereras av två mekanismer, infiltration skjutande avrinning och mättnad överskott avrinning 18 och påverkas av markens egenskaper, gångare markfuktighet, topografi, och regnintensitet. Nederbörd simulering kan användas för att fixera regnintensiteten variabel och studera ett eller flera av de övriga variablerna. Nederbörd intensitet och varaktighet kan även styras över ett begränsat område för studier genom att ändra munstyckets storlek. De mest kritiska stegen för att bedriva regn simuleringsstudier på packad jord lådor är: 1) säkerställa enhetlig packning av jordlådor; 2) kontrollerar gångare jord fukthalt; 3) kalibrering av flödeshastigheten för den valda munstycket så att droppstorlek och hastighet approximerar naturligt regn; och 4) att justera munstyckets position för att säkerställa en enhetlig regn i alla markrutor.
I slutet av kalibreringsprocessen, är en gång en CV på mindre än 0,05 uppnås för regn enhetlighet i alla jordboxar bör 10 min kalibreringen upprepas flera gånger för att se till att regnintensitet över körningar är konsekvent. Ett CV kan också beräknas för likformighet mellan körningar. Om CV för enhetlighet mellan körningar är mindre än för enhetlighet i regn i alla rutor, överväga att gruppera likadana behandlingar inom enskilda körningar för att minimera variationen mellan behandlingarna. Annars, för att minska felet i samband med box läge och över körningar, slumpa båda behandlingarna och replikerar enligt rutan läge, vidtar åtgärder för att begränsa placera en behandling i en position mer än en gång.
Med hjälp av denna regnsimulator design och ett standardprotokoll för korrekt kalibrering av simulatorn kommer att förbättra jämförelser av resultat över studier som utförts av olika forskare. De data som erhålls på detta sätt kan användas för att förutsäga vad som händer under naturliga nederbörd och bättre förstå de processer och faktorer som styr förluster till miljön från någonnpoint källor till föroreningar. Sådana studier kan ge värdefulla uppgifter för användning i utvecklingsmodeller för att förutsäga öde och transport av sediment och kemiska föroreningar i avrinning under naturliga nederbördsförhållanden.
Disclosures
Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Detta arbete har finansierats delvis av en kapacitetsuppbyggnad Grant delas University of Maryland Eastern Shore (UMES) av det nationella institutet för livsmedel och jordbruk. Författarna vill tacka Don Mahan (UMES) för hans hjälp med att installera regnsimulator och bedriva regnsimuleringar. Tack också utvidgas till Janice Donohoe (UMES) för att utföra laboratorieanalyser och studenter studenter (UMES) för deras hjälp i utförandet av regnsimuleringsexperiment och bearbetning av prover.
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 |
References
- 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).
