Introduction
Den Delmarva halvøen grænser den østlige bred af Chesapeake Bay, og er hjemsted for en af største fjerkræproduktionssystemer regioner i USA. Omkring 600 millioner kyllinger og en anslået 750.000 tons gylle er genereret ud fra produktionen af disse fugle hvert år en. Det meste af gødningen anvendes lokalt som gødning ændringsforslag om marker. På grund af historisk høje tilførsel af husdyrgødning, har næringsstoffer som kvælstof og fosfor ophobet i jorden og er nu modtagelige for tab off-site via undergrunden udvaskning 2. En stor del af strømmen grundvand er rettet mod et omfattende netværk af grøfter, der i sidste ende dræne til Chesapeake Bay 3. De næringsstoffer transporteres til Bay er knyttet til faldet i bugten helbred på grund af eutrofiering 4.
Tilslutning næringsstofforvaltning med tab off-site af næringsstoffer kræver specialiserede værktøjer til at overvåge hydrologiskestrømme og tilhørende overførsler næringsstoffer. Lysimetre udgør en stor kategori af instrumenter, der anvendes til at karakterisere og kvantificere flytning af næringsstoffer gennem jord. Lysimetre har en lang tradition for brug i overvågningen af næringsstoffer flow i nedsivende vand 5-7, fra spændinger lysimetre, der kan justeres til at modvirke jordens matrix potentiale, så de bedre estimat plante tilgængeligt vand, til nul-spænding lysimetre, der er mere repræsentative for processer forekommer under fri dræning. Alle metoder til lysimetery nuværende iboende fordomme. For eksempel, nogle lysimetrene er for små til fuldstændigt repræsentere rumligt komplekse processer i naturlige jorde eller er for store og dyre at tilvejebringe god statistisk replikation af heterogene jord 8. Endvidere pan lysimetrene kræver jord over dem til at være mættet for at indsamle perkolat og er ineffektive i forhold til spænding lysimetre på måling matrix flow 9.
Lukkede lysimeter- systemer,såsom nul-spænding jord core lysimetre (også kendt som jord monolitiske lysimetre), i høj grad forbedre den tillid, med hvilken vand budgetter og tilhørende forurenende budgetter (fx budgetter næringsstoffer) udføres 10. Disse lysimetre er mest repræsentative, når de indeholder intakte kerner af jord; lysimetre fyldt med ompakkede jorder ikke opretholde den oprindelige struktur, horisonter og makroporer forbindelser, der har indflydelse på transporten af opløste stoffer og partikler forbindelser både 11,12. Fra en eksperimentel stå punkt, tilgange, der letter større replikation af uforstyrrede jordbundsforhold er fordelagtige på grund af den iboende rumlig variation, der eksisterer i jord fysiske og kemiske egenskaber 13.
To foretrukne fremgangsmåder er blevet anvendt til opsamling intakt jordkerne lysimetre: drop hammer og skærehovedet. Førstnævnte er blevet mere almindeligt udførte, da det kan opnås med anordninger så simpelt som en slæde skinkemer (mindre lysimetre). Når de udføres korrekt, har jordkerne samling med en dråbe hammer vist sig at være forholdsvis omkostningseffektive, især sammenlignet med andre coring teknikker. De stejle kræfter pålagt ved at køre en lysimeter kabinet i jorden, kan dog forårsage udtværing og komprimering, der producerer betingelser inden i lysimeter, der ikke er repræsentative for indfødte jord og måske endda favorisere visse typer vand bevægelse (fx bypass flow, eller flyde sammen jorden kerne kant). Som følge heraf har nogle forskere foretrukket brugen af corers der skåret væk en intakt jord med en boring apparat eller anden udgravning indretning 5.
Forskellige materialer er blevet anvendt som tarme til jord core lysimetre. Stålrør og kasser er forholdsvis lave omkostninger, holdbar og let tilgængelige og kan anvendes til at indsamle større lysimetre grund af deres styrke 14-17. Men mens stål er tilfredsstillende til vurdering af udvaskning af reltivt ikke-reaktive forbindelser, såsom nitrat, jern i stål reagerer med phosphat og derfor skal overtrækkes eller på anden måde behandlet for studiet af fosfor udvaskning. Almindeligvis plasthylstre anvendes til at studere fosfor udvaskning, såsom tykke vægge (Schedule 80) PVC-rør, der kan modstå virkningen af en dråbe hammer (hvis anvendt) og bevare sin struktur, når der opnås større diameter jordkerner (f.eks ≥30 cm) 18-22.
Generelt er jordkerne lysimetre analyseres ex situ. Når indsamlet, jord core lysimetre kan installeres i udendørs "lysimeter- gårde", hvor omkringliggende jord og over jorden klimaer repræsentere fysiske markforhold. For eksempel, i Sverige har den svenske Landbohøjskole opretholdt tre separate lysimeter- gårde i de seneste tre årtier, analysere pesticider skæbne-og-transport, langsigtede jordens frugtbarhed forsøg, og forvaltningspraksis, der kan skaleres til inta diameter 30 cmct cores 23. Jord core lysimetre er også blevet udsat for indendørs udvaskning eksperimenter, hvor der er større kontrol over klimatiske forhold 24,25. Liu et al. Brugt en nedbør simulator til regelmæssigt overrisle jorden kerne lysimetre under en vifte af efterafgrøder 26. Kibet og KUN alle beskæftigede hånd kunstvanding teknikker til at studere arsen og udvaskning af næringsstoffer gennem jordkerner 27,28.
En række jordbundsmæssige og hydrologiske processer kan udledes fra jord core lysimetre. Kun et al. (2015), der anvendes 30 cm diameter PVC kolonne lysimetre at undersøge kvælstofudvaskningen efter urea ansøgning 28. Ved at samle perkolat med forskellige tidsintervaller efter en vanding begivenhed, de var i stand til at skelne mellem hurtige og gradvise strømme, med den tidligere antages at være domineret af makroporer, og senere antages at være domineret af matrix flow. Da urinstof let hydrolyseres ved kontakt with jord, de fortolkede tilstedeværelsen af forhøjede urinstof koncentrationer i perkolat opsamlet kort efter urinstof anvendelse som bevis for makroporer transport, der omgået jorden matrix. Over tid, de har registreret forhøjede koncentrationer af forskellige former for kvælstof i perkolat, tracking omdannelsen af anvendt urea til ammonium efter indledende hydrolyse, så omdannelsen af ammonium til nitrat med nitrifikation.
For at illustrere overvejelser i at designe, gennemføre og fortolke jord core lysimeter- eksperimenter, vi foretaget en undersøgelse af fire forskellige jordtyper findes i midten af Atlanterhavet kystnære sletten USA. Undersøgelsen målte udvaskning koncentration og tab af nitrat før og efter anvendelse af tør fjerkrægødning (dvs. fjerkræ "kuld") 28. Tab af næringsstoffer fra anvendelsen af fjerkræ kuld til jord er et centralt anliggende for sundheden for Chesapeake Bay, og forstå samspillet mellem anvendtfjerkræ kuld og landbrug jordens egenskaber er nødvendige for at forbedre næringsstof anbefalinger ledelse. Vi præsenterer her en detaljeret metode til udvinding intakte jord core lysimetre, sporing jordfugtighed, og fortolke forskellen nitratudvaskning tab fra disse jorde.
Dette eksperiment er del af en større undersøgelse foretaget for at vurdere udvaskning af næringsstoffer fra landbrugsjorden i Delmarva halvøen, USA 27,28. Jord core lysimetre blev indsamlet fra lokaliteter i Delaware, Maryland og Virginia i 2010. Her præsenterer vi upublicerede resultater fra disse studier. Selv indledende forsøg blev udført for at vurdere fosfor udvaskning, nitratudvaskning fra disputatser jord også blev overvåget.
Fire fælles landbrugsjord fra Atlanterhavet kystnære almindelig af Chesapeake Bay Watershed blev udtaget: Bojac (grov-lerede, blandet, semiactive, termisk typic Hapludult); Evesboro (Mesic, belagt Lamelic Quartzipsamment); Quindocqua (fin-lerede, blandet, aktiv, Mesic typic Endoaquult); Sassafras (fin-lerede, kiselholdige, semiactive, Mesic typic Hapludult). For hver jord, blev horisont morfologi beskrevet fra profilerne eksponeret ved udgravningen af kolonnerne (tabel 1). Overfladestrukturer af jord varierede fra sand (Evesboro) til lerblandet fint sand / sandet lermuld (Bojac og Sassafras) til silt lerjord (Quindocqua). Selvom alle jordtyper var historisk gødet med fjerkræ kuld, havde ingen været anvendt i de 10 måneder forud for undersøgelsen. Alle jordtyper havde været på ingen-till majs produktion i mindst en sæson før jorden kerne lysimeter kollektion.
Efter samling blev jord core lysimetre transporteres til USDA-ARS simulatorium facilitet i State College, PA. Der var de underlagt indendørs kunstvanding eksperimenter (22-26 ° C) til at vurdere udvaskning af næringsstoffer relateret til fjerkræ kuld ansøgning. specifiktlysimetre blev overrislet med 2 cm vand ugentligt i 8 uger, indtil nitrat i perkolatet blev ligevægt mellem jord. Kuld fjerkræ (tør fjerkrægødning) blev derefter påført overfladen af alle jorder med en sats på 162 kg ha -1 af total N. Vanding blev fortsat i endnu 5 uger. Fugtighedsfølere registreres volumetrisk vandindhold med 5 minutters intervaller løbende i hver vanding og udvaskning cyklus. Perkolat blev opsamlet efter 24 timer og igen 7 dage senere umiddelbart før kunstvanding.
Perkolat data fra jord core lysimetrene blev analyseret ved hjælp af simple deskriptiv statistik til at illustrere forskellene i perkolat mængde og kvalitet mellem jord, samt forskelle før og efter kuld ansøgning. Fordi jordfugtighedssensorer blev placeret i kun to af de replikere jord core lysimetre for hver jord (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistik for jordens fugtindhold var baseret på N = 2, mens sTATISTIK for perkolat dybde blev nitrat-N koncentrationen og nitrat-N flux stammer fra 10 jord core lysimetre for Evesboro, Bojac og Sassafras og 5 jord core lysimetre for Quindocqua. For at vurdere betydningen af replikation inden jord blev variationskoefficienter (CV) for perkolat dybde beregnet for forskellige replikat numre. En Monte Carlo simulering metode blev brugt til gentagne gange prøve en delmængde af jord core lysimetre (N = 3) fra det samlede antal gentagelser inden for hver jord gruppe (10 for Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 for Quindocqua).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forberedelse af Materialer
- Skær hoveddelen af lysimeter fra 30,5 cm (12 tommer) i diameter (ID, nominel) planlægge 80 PVC; dette har en vægtykkelse på 1,9 cm (0,75 inch) (figur 1a). Skær længden af lysimeter organ afhængigt af tykkelsen af jordlaget (er), der skal undersøges; her, bruge en 53 cm (21 tommer) lange krop. Fræse en 0,63 cm dyb ved 45 ° smig omkring den nederste ende af lysimeter at danne en skarp forkant på den indvendige væg af lysimeter organ til støtte i at skære gennem jorden.
- Ændre en 34,5 cm ID, flad bund PVC cap ved at lime en 15,3 cm høj 30,5 cm ID ring for tidsplanen 80 PVC ind i hætten for at tillade fri dræning af vand og giver lagerkapacitet til perkolat før samling (figur 1b). Skær ringen fra samme lager som det vigtigste organ til at tjene som en kobling til at slutte hætten til kroppen. Hætten vil blive forenet til kroppen med en fleksibel kobling og spændebånd (Figur 1c og 1d). Installer en port til prøvetagning ved at bore et 1,27 cm hul og trykke det med en 1,27 cm 14 NPT pipe hanen og slå en 1,27 cm nylon pigtråd mandlige adapter (figur 1e) i den ydre kant af hætten, hvor sidevæggen og bund mødes.
- Skær en 34 cm diameter disk fra 1,27 cm tyk flad lager PVC, der vil blive anvendt til at dække bunden af lysimetrene (figur 1G). Bor 180, jævnt fordelt, 0,32 cm. diameter huller i skiven til at tillade dræning fra bunden af jorden fyldt lysimeter at indtaste hætten. Lim grund klud eller andet filter stof til den ene side af skiven for at forhindre jorden i at passere gennem bunden disk under perkolat dræning.
- Byg løfte saks fra 2,5 cm flad jern og 2,5 cm vand rør (figur 2). Skær to af de 2,5 cm bånd af fladjern til 50,0 cm længder og bøje ind i en halvcirkel ved hjælp ydersiden af lysimeter krop som en vejledning. Svejs en 5 cm bog til hver ende af hver halvcirkel band. Slutte hver af båndene med en hængselsstift. Svejse vandrøret på den ydre ring af båndene modsatte af hinanden.
2. Kørsel lysimeter Casing i jord med Drop Hammer
- Fjern overflade vegetation, klipper og andet affald fra indsamlingsområdet. Position 2 lysimeter organer på et plant underlag, hvor Lysimetrene der skal træffes (figur 3a). Sørg for, at lysimetre er niveau, så jord i kolonnen er af en ensartet dybde.
- Kør en specialdesignet, trailer monteret, drop hammer på plads i løbet af de lysimeter- organer. Når drop hammer er på plads, implementere hydraulisk drevne støtteben til niveau stålplade med jorden og toppen af lysimeter- organer. Udliggerne giver også stabilitet for faldhammeren (figur 3b).
- Delvist hejse den tykke 10,2 cm, 1,52 m med 1,52 m firkantet stålplade vejer 1.180 kg op en 3 m tårn ved hjælp afen mekanisk spil (figur 3b). Slip stålplade til hammer kolonnerne i jorden.
- Gentag trin 2.3 adskillige gange, indtil kolonnen rand er 2 cm over jordoverfladen (figur 3c).
- Check for jordpakning inde i lysimeter ved at måle dybden af jord i og uden for søjlen. Hvis jorden inde i søjlen er mere end 1 cm lavere end jord uden søjlen, jord er komprimeret og er ikke egnet til forskning.
3. Fjernelse af Soil Core
- Placer en perforeret PVC disk (figur 1c) og fleksibel rørkobling (figur 1d) over søjlen for at forhindre forurening med jord og andet affald under udgravningen processen.
- Grave en grøft ved siden af jordkerne og lidt dybere end kolonnens bund med en rendegraver (figur 4a).
- Udvid hullet med en skovl eller pluk (figur 4b) og eksponere som much af ydersiden af cylinderen som muligt.
- Skubbe et tungmetal grave bar ned langs hele længden af den side af søjlen, således at det er mellem jorden og uden søjle væg (figur 4c).
- Lirke grave bar og tilbage, indtil jorden grænseflade ved bunden af søjlen er brudt.
- Indram de løft saks omkring toppen af lysimeter (vist i figur 2) som forberedelse til jordens kerne fjernelse. Med en person, der holder hver bar, trække op indtil saksen lukker tæt omkring søjlen og løfte lysimeter ud af hullet. Placer lysimeter på en flad arbejdsflade såsom stykke krydsfiner.
4. Forberedelse af Soil Core for lysometer Assembly
- Flip jorden kerne over, så bunden er op. Det træ krydsfiner disk installeret i trin 3.1 vil holde jorden på plads.
- Forsigtigt, niveau jorden selv med kanten af PVC (figur 5a) wed en lige kant. Fjern sten rager over planet af randen med en pen kniv eller skruetrækker.
- Udfylde eventuelle hulrum med kemisk inert play sand og forsigtigt pakke det (figur 5b).
- Grade sandet selv med kolonnen bunden med en lige kant og fjern overskydende sand (figur 5c og d).
- Rens enhver jord fra kanten og de ydre sidevægge lysimetrene med en børste eller let blæse det ud over kanten og sikre, at kanten er ren for lim til at holde fast og for en lun montering af hætten.
5. Montering af lysometer
- Ekstrudere en kontinuerlig runde vulst af klart silicium caulk omkring randen af lysimeter (figur 6a). Caulk skal være tyk nok til at forsegle den perforerede skive bund til lysimetrene og forhindre lækage.
- Lå den perforerede skive (figur 1c) på fælgen med filter stof overfor sand ogtryk godt ned for at tillade god kontakt af pladen og lysometer.
- Bor otte jævnt fordelte pilot huller rundt i kanten af pladen og fastgør den perforerede disk med 1,0 tommer rustfrit stål skruer med en boremaskine driver (figur 6b).
- Slip det fleksible rør kobling videre til lysimeter base, så omkring 2 cm af koblingen rager op over lysimeter rand (5c).
- Monter det modificerede PVC hætte i det fleksible rør kobling (figur 6c), og skub dækslet ned, indtil det kommer i kontakt med lysometer krop. Med en træklods på toppen af hætten bruge en hammer til forsigtigt trykke hætten på plads.
- Placer fastgørelses- bånd i rillerne på koblingen og sikre let uden snærende koblingen. Spænd metallet rundt koblingen med en håndholdt 1/4 tommer hex driver indtil lysimeter cap er fast holdes på plads. Den lysimeter er klar til at blive vendt og transporteres til et klima contrullet facilitet.
6. Installation Moisture Sensorer
- Skriveren en 5 cm lang, vandret linie på lysimeter væg ved 5 og 25 cm dybde. Mål fra jordoverfladen og ikke randen af lysometer.
- Bore et hul 1,0 cm i diameter gennem væggen af lysimeter ved hver ende af de markerede linjer.
- Skær de resterende 3 cm af plast mellem de borede huller væk med en roterende skæreværktøj.
- Mejsel en 1 cm tyk med 5 cm lange slids i jorden til at rumme foringen af en fugtsensor (f.eks Decagon).
- Skub fugt sensor i hullet i den renset ud pladsen, indtil sensoren stikben er fast begravet i jorden, og at kun tråden stikker ud af lysometer.
- Ren jord fra væggene af åbningen med en børste eller klud.
- Påfør et tykt perle af silikone caulk i stikket for at forhindre vand i at lække ud. Efter caulk har tørret, anvende en anden cyklus af silikone til ensikker på, at alle huller i hullet omkring sensoren er forseglet.
7. Forberedelse lysimetre for perkolatopsamlings-
- Seal huller mellem jorden og lysimeter væg med caulk at reducere risikoen for præferentiel strømning ned indvendige vægge i lysometer.
- Pierce og indlæse en tube klar silikone caulk ind i en standard caulk pistol.
- Placere spidsen af caulk rør mellem tomrum i jorden, der skal fyldes, og den indvendige flade af lysometer krop. Skub spidsen af caulk pistol under jorden omkring 2 cm. Klem caulk ud af røret indtil det fylder hulrummet og oser over jordoverfladen.
- Set lysimetre oven på en bænk eller flad overflade og robust nok til at håndtere vægten af flere lysimetre og høj nok til at tillade fri dræning af vand i en 4,0 L kande (figur 7).
- Kontroller at jorden kerne lysimetrene er fladet i alle retninger med en lille (15 cm) vaterpas. Hvis det er nødvendigt place shims under lysimetre indtil jordoverfladen er fuldstændig jævnet med jorden.
- Wrap Teflon tape rundt om gevind nylon rør fitting (0,5 i NPT) og drej beslaget med uret ind i hætten. Spænd montering af en skruenøgle, indtil ingen af trådene er synlige.
- Skubbe en 0,5 inch slangen på modhager ende af nylon fittingen og skære slangen, så at den passerer ca. 4,0 cm ind i munden af samlingen kande.
- Indstil beholder under lysimeter og placere slangen inde indsamling kande.
8. vanding lysimetre og Indsamling perkolat
- Dæk jordoverfladen med ost klud eller andet gennemtrængelige, kemisk inaktivt stof til at beskytte og bevare jordens aggregater og overflade rester.
- Mål 1.450 ml deioniseret vand i en gradueret cylinder og hæld det i vandkande, udstyret med brusehoved. Forsigtigt og jævnt drys vandet over stoffet med en hastighed, der ikke disturb jordoverfladen.
- Vent et stykke tid for vand til at infiltrere en perkolat gennem jorden kolonnen ind i hætten og opsamlingsbeholder.
- Tip lysimeter i mod hullet den, før al vandet er drænet fra lysimeter dæksel i opsamlingsbeholderen.
- Måle massen af perkolat med en skala og konvertere massen i gram til ml (antage, at 1,0 g af vand er ækvivalent med 1,0 ml). Hæld perkolat prøven i 350 ml steril plastik prøveflaske. Der filtreres omgående 50 ml med en suge tragt udstyret med 0,45 um filter papir som forberedelse til nitrat analyse ved hjælp kolorimetri via flow injektion analyse 31.
- Store filtreret og ufiltreret portioner af prøverne i køleskab og 4 ° C indtil analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Jordfugtighed, perkolat dybde og perkolat kemi alle illustrerer variation på tværs af jord, afslører forskelle som funktion af jordens egenskaber trods intern variabilitet mellem replikere jord kerne lysimetre af en bestemt jord. De senere punkt garanterer særlige note ud fra eksperimentelle design, som iboende variation i jordens fugtighed og udvaskning processer kræver betydelig replikation at minimere type 2 statistiske fejl. I den aktuelle undersøgelse, variationskoefficienter (CV) på tværs af alle jorder mellem 0,02 til 0,38 for jordfugtighed, 0,02 til 0,06 for perkolat dybde, 0,22 til 0,55 for nitrat-N-koncentrationer, og 0,23 til 0,54 for nitrat-N flux.
Effekten af lysimeter replikation på varians er illustreret ved sampling perkolat data fra gentagelser af enkelte jord (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua), afslører en stærkere influence af replikation på nogle variabler end andre. Generelt CV falder klart som lysimeter replikater stigning fra tre til ti (eller, i tilfælde af Quindocqua, tre til fem gentagelser). For perkolat dybde, CV faldt fra 0,14 til 0,06 for Bojac jord, 0,12-0,06 for Evesboro jorden og fra 0,08 til 0,03 for Sassafras jord. I tilfælde af Quindocqua, for hvilke kun fem replikater eksisterede, CV af N = 3 var 0,04, medens CV for N = 5 var 0,02. For nitrat-N-koncentration, CV faldt fra 0,88 til 0,34 for Bojac, fra 0,39 til 0,17 for Evesboro, og 0,26-0,12 for Sassafras. For Quindocqua, CV af nitrat-N koncentrationen faldt fra 0,35 med tre gentagelser til 0,17 med fem gentagelser. Virkningen af replikation på CV af nitrat-N flux var den samme som observeret med nitrat-N-koncentration.
jordfugtighed
Ændringer i jordens vandindhold på 5 cm og 25 cm dybde efter vanding demonstrerer forskelle i vand transmission mellem grovere og finere tekstureret jord (figur 8). Fugt profiler indikerer hurtig bevægelse af vand til kunstvanding gennem grovere tekstureret Evesboro sand og Sassafras sandet lerjord. Volumetrisk vandindholdet i disse jorde både 5 og 25 cm dybde øges til et gennemsnit på 0,31 og 0,22 m 3 m -3 henholdsvis inden for 1 time af vanding og derefter returneres til baggrundsniveauer (0,17 og 0,21 m 3 m -3) med 9 timer efter vanding. I modsætning hertil volumetrisk vandindhold i Bojac og Quindocqua jord ikke vende tilbage til baggrundsniveauer indtil mindst 20 timer efter vanding.
perkolat dybde
Ugentlige perkolat dybder varierede fra 1,12 til 1,95 cm for de fire jordtyper i løbet af experiments (figur 9). Vandingsvand inddrivelser, udtrykt som procent af vand til kunstvanding, fulgte en generel tendens i relation til jordens tekstur, med inddrivelser fra sandstranden Evesboro (81%) og Sassafras (85%) jord er lidt mere effektiv end fra finere tekstureret Bojac (77% ) og Quindocqua (71%) jord. Mest perkolat blev opsamlet med den første prøveudtagning efter vanding (24 timer), svarende til 80% af den samlede perkolat til Bojac, 84% af den samlede perkolat til Evesboro, 91% af den samlede perkolat til Sassafras, og 99% af det samlede perkolat for Quindocqua.
Nitrat-N-koncentrationer og fluxe i perkolat
Nitrat-N-koncentrationer i perkolat steg efter kuld ansøgning, men fulgte forskellige tidsmæssige mønstre mellem jord. I ugen før tilførsel af husdyrgødning, nitrat-N koncentrationen i perkolat feller de fire jordtyper gennemsnit 27,1 mg L -1 (Figur 10). For den fine struktur Quindocqua, koncentration toppede straks, med nitrat-N i afløbsvand prøver fra den første uge i gennemsnit 39,9 mg L -1. I modsætning hertil nitrat-N i perkolat fra de sandede tekstureret jord steget langsommere, med peak nitrat-N-koncentrationer forekommer to uger efter kuld tilføjelse til Bojac jord (gennemsnit 37,3 mg L -1) og fire uger efter kuld tilføjelse til Evesboro (gennemsnit af 53,0 mg L -1) og Sassafras jord (gennemsnit af 57,1 mg L -1).
Forskelle i perkolat nitrat-N flux (kg ha -1) afspejler ikke kun tendenser i nitrat-N-koncentrationer i perkolat men også forskelle i afløbsvand dybder (figur 11). Før kuld ansøgning, ugentlige nitrat fluxe var 2,0-5,8 kg ha -1, med Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Jo større afløbsvand dybder fra Sassafras og Evesboro lysimetre (figur 9) er tydelig i nitrat-N fluxe før kuld ansøgning. For at vurdere betydningen af fjerkræ kuld ansøgning og perkolat volumen på nitrat-N flux blev jord nitrat-N fluxe fra før kuld ansøgning trækkes fra følgende ugentlige flusmidler (Figur 12). Den resulterende mønster i flux ændringer visuelt og vifte i nitrat-N flux blandt jord er 1,1 til 4,7 kg ha -1. Nitrat-N flux fra Quindocqua jord efter kuld ansøgning pigge straks og forbliver større end flusmidler fra de andre jorde indtil uge seks. Nitrat-N-tilførsel fra de grovere teksturerede jord, igen, er forsinket med Bojac (3,7 kg ha -1) og Sassafras (3,8 kg ha -1) toppede i den anden uge efter kuld ansøgning og Evesboro toppede på 3,0 kg ha -1 fire uger efter kuld ansøgning.
| hydrologiske | Partikelstørrelsesfordeling | KCI Nitrat | ||||||
| Jord | klasse | 0-5 cm | 15-30 cm | 45-50 cm | 0-5 cm | |||
| % sand | % ler | % sand | % ler | % sand | % ler | mg kg -1 | ||
| Bojac | B | 72,7 | 9.6 | 65,1 | 16.9 | 57,9 | 21.8 | 74 |
| Evesboro | EN | 89,8 | 3.7 | 86,9 | 5.6 | 89,0 | 5.9 | 110 |
| Quindoqua | C | 30,2 | 17 | 29.2 | 24.8 | 33.9 | 23 | 341 |
| Sassafras | B | 82.0 | 5.7 | 74.4 | 9.7 | 88.4 | 7.9 | 103 |
Tabel 1: Kemiske og fysiske egenskaber af jordens kerne lysimetrene.
Figur 1: Major Dele til konstruktion lysimeter (a) Schedule 80 PVC lysimeter organer. (B) PVC cap; (C) Fleksibel kobling; (D) Perforeret plade; (E) Spændebånd; (F) Fødevarer lønklasse slange; (G) gevind pigtråd slange fitting. Klik her for at se en større version af dennefigur.
Figur 2:. Brugerdefineret løft saks Brugerdefineret løft saks tillader to personer til at løfte og flytte tunge jord core lysimetre. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3:. Udsigt over Drop Hammer og indsættelse af kolonner (a) PVC kolonner placeret niveau på jorden som forberedelse til drop hammer. (B) Drop hammer dunkende i flasker. (C) Cylindre helt kørt ned i jorden. Klik her for at se et større version af dette tal.
Figur 4:. Forberedelse til fjernelse af jord søjler (a) Hole bliver gravet langs-side af kolonner. (B) Jord saettes væk fra søjler (note lysimetre beskyttet mod eksterne jord med PVC cover og fleksibel kobling). (C) Jord-til-jord-interface bliver brudt med en grave bar. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5:. Fremstilling af lysimeter bund for perforeret plade og låg (A) Leveling bund og fjernelse af udragende sten. (b g>) Fyldning hulrum med sterilt sand. (C) Leveling sand. (D) Renset kolonne med niveau sand. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6:. Installation bund på lysimeter (a) Sætte en ring af caulk på renset kanten af lysometer. (B) Fastgørelse perforeret disk på lysimeter med rustfri stålskruer. (C) Sætte loft over lysimeter og fastgørelse stramme med fleksibel kobling. Klik her for at se en større version af dette tal.
/53952/53952fig7.jpg "/>
Figur 7:.. Færdigmonteret lysimeter Samlet lysimeter med slange vedhæftet og glasflasker placeret under for perkolatopsamlings- (fugt sensorer ikke installeret) Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8:.. Volumetrisk vandindhold volumetrisk vandindhold (m 3 m -3) i jorden kerne lysimeter på 5 cm og 25 cm dybder over en typisk 24 timers periode efter vanding Klik her for at se en større version af dette tal.
ftp_upload / 53952 / 53952fig9.jpg "/>
Figur 9:.. Perkolat dybde Summen af ugentlige perkolat dybde (cm) indsamlet fra jord core lysimetre partitioneret i hurtig udvaskning (24 timer) og langsom udvaskning (7 dage) segmenter Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10:. Nitrat-N koncentrationen Ugentlig nitrat-N-koncentration (mg L -1) i perkolat fra jord core lysimetre før og efter fjerkræ kuld ansøgning. Angivne punkter repræsenterer de gennemsnitlige og fejllinjer omkring punkter repræsenterer standardafvigelsen af middelværdien. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 11: Nitrat-N Flux Massen af nitrat-N (kg ha -1) i perkolat fra jord core lysimetre før og efter fjerkræ kuld ansøgning.. Angivne punkter repræsenterer de gennemsnitlige og fejllinjer omkring punkter repræsenterer standardafvigelsen af middelværdien. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 12:. Anslået nitrat-N flux bidrag fra husdyrgødning Jord nitrat-N-tilførsel (kg ha -1) fra før kuld ansøgning blev trukket fra følgende ugentlige fluxe at vurdere bidraget af fjerkræ kuld nitrogen til jordkerne perkolat. Angivne punkter repræsenterer de gennemsnitlige og fejllinjer omkring punkter repræsenterer standardafvigelsen af middelværdien. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vigtige skridt af lysimeter Collection
Udvaskningsundersøgelser illustrere indflydelsen af jordens egenskaber og gødningshåndtering på kvælstoftab til højtliggende grundvand. Jordens fysiske egenskaber, såsom jordstruktur aggregatstruktur og rumvægt medierer nedsivning af vand og opløste stoffer. Nøjagtig bestemmelse koncentrationer perkolat volumen og opløst stof afhænger bevare integriteten af disse jordens fysiske egenskaber under lysimeter samling ved at følge disse kritiske trin: 1) den lysimeter og faldhammeren skal forblive niveau, mens søjlen drives i jorden; 2) jord i lysimeter skal kontrolleres for komprimering; 3) i bunden af kolonnen jord skal udjævnes, og hulrum skal fyldes med inaktivt sand før afløbet hætten installeret; og 4) alle huller herunder mellem lysimeter væg og jord skal forsegles med silikone caulk at forhindre præferentiel dækside flow eller lækage fra the fugt sensor havne.
Vigtigheden af at opretholde jordens struktur
Udvaskningsundersøgelser nødt til præcist at repræsentere den mængde vand bevæger sig gennem jordprofiler for effektivt at bestemme massetab af opløste stoffer. Den gennemsnitlige kunstvanding genvundet fra de fire jordtyper undersøgte var 79% af den mængde anvendt. Lignende forskning sammenligne effektivitet ubundne nul-spænding pan lysimetre rapporterede gennemsnitlige kunstvanding indsamlingsevne på 56% og 58% 29,10. Selv om jorden i de førnævnte studier var forskellige fra jord i denne undersøgelse, vi tilskriver stigningen i kunstvanding opsving effektivitet jorden kerne lysimetre evne til at bevare jordens fysiske egenskaber og indramme jordprofilen.
Betydningen af replikation
Denne undersøgelse peger på indflydelse replikation på varians i afløbsvand egenskaber og behovet for at øge replikation i order at trække betydelige slutninger fra jord core lysimetre. Variation i afløbsvand egenskaber var størst for nitrat-N koncentration og flux og lavest for perkolat volumen. For alle afløbsvand egenskaber, øge antallet af gentagne jordkerne lysimetre fra tre til 10 (Bojac, Evesboro og Sassafras eller i tilfælde af Quindocqua, fra tre til fem), reducerede CV til 0,06 eller mindre. Fra vores erfaring, er der behov for mindst fire gentagelser i jord core lysimeter- eksperimenter 18,28,29.
Betydningen af sporing jordfugtighed
Jordfugtighed tendenser på 5 cm og 25 cm dybde, i kombination med en forståelse af jordens morfologi på disse dybder, kan bruges til at forklare hydrologiske tendenser og steady state antagelser. For eksempel, jord fugt tendenser afslører forskelle i udvaskning processer mellem den grove tekstureret Evesboro og Sassafras jordbund og finere tekstureret Bojac og Quindocqua jord. Den grovere tekstureretjord udviste korte stigninger i volumetrisk vandindhold sammenlignet med finere teksturerede jord, som havde mere langvarige stigninger i jordens fugtighed (figur 8). Disse forskelle blev også afsløret, når man sammenligner 24 timer og 7 dage afløbsvand samlinger, men manglede den finere tidsopløsning at forfine hypoteser om hurtig makroporer. I tilfælde af Bojac jord, hvilket gav den største andel af perkolat efter den første 24 timers indsamling, jordfugtighed tendenserne på 25 cm dybde afsløre en længere periode med jordfugtighed mætning, der favoriserer denitrificering forhold og derfor mindske nitrat-N i perkolat . I betragtning af den indsigt erfaringer fra jordfugtighedssensorer, bør en præmie være plads på installation af sensorer i så mange jordkerner lysimetre som muligt for at lette post hoc vurdering af udvaskning processer.
Betydningen af beregning massebalance
I den aktuelle undersøgelse, 8,5-19,6% afanvendt N blev tabt i perkolat som nitrat-N over en periode på 6 uger. Udvaskningen tab er klart en vigtig del af N-budgettet for gødet jord og minimere disse tab er ikke kun vigtigt for miljømæssig kvalitet, men også for næringsstoffer brug effektivitet. Det anslås, 80,4-91,5% af kuldet-anvendte N forblev i jorden kerne lysimetrene. Dokumentation skæbne denne N kunne forbedres med anvendelse af teknikker såsom etiketter eller sporstoffer. Således er en klar fordel for jordkerne lysimetre er i budgettet af vand og påføres materialer, hvilket er langt vanskeligere med andre typer af lysimeter- systemer, såsom pan lysimetrene, som ikke afgrænset og er kendt for at være mindre effektiv 9.
Begrænsninger i Design
Selvom den nuværende udformning effektivt måler fri dræning gravitationelle vand, menes det, at lysimetrene undervurderer udvaskning volumen fra de mindre porerummene af finere teksturerede jord på grund af titusinderional kræfter. Den gennemsnitlige brøkdel af vandingsvand genvundet fra flot struktureret Quindocqua jord udgjorde kun 71% af den samlede anvendelse. Endvidere er mindre end 1% af dette volumen skyldtes "langsom udvaskning" gennem de finere porer i jorden matrix. Collection effektivitet er steget med 50% eller mere med tilføjelse af passive kapillære glasfiber væger til jorden profiler 9. Forfatterne undersøger i øjeblikket effekten af glasfiber væger til anvendelse i jorden kerne lysimeter beskrevet i dette håndskrift.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Schedule 80 PVC Pipe | Fry's Plastic | Call | Sold in 10 ft lengths |
| Fernco Fittings | Fry's Plastic | Call | 12 inch diameter |
| Type II PVC plates for perforated discs | AIN Plastic | Call | Sold in 4' x 8' sheets of PVC II Vintec II |
| Schedule 40 PVC Caps | Fry's Plastic | Call | 12 inch diameter |
| Stainless Steel Screws | Fastenal | 135716 | #8 Bugle Head Phillips Drive Sharp Point Grade 18-8 Stainless Steel |
| Silicone II Caulk | Lowe's | 447488 | |
| Nylon Tube Fitting | United State's Plastic Corp. | 61137 | 0.5 inch NPT |
| Foodgrade Tubing | Lowe's | 443209 | 0.5 inch vinyl |
References
- Patterson, P. H., Lorenz, E. S., Weaver, W. D. Jr., Schwart, J. H. Litter production and nutrients from commercial broiler chickens. J. Applied Poultry Res. 7 (3), 247-252 (1998).
- Cullum, R. F. Macropore flow estimations under no-till and till systems. Catena. 78, 87-91 (2009).
- Kladivko, E. J., et al. Nitrate leaching to subsurface drains as affected by drain spacing and changes in crop production systems. J. Environ. Qual. 33, 1803-1813 (2004).
- Fact sheet: Chesapeake Bay total maximum daily load (TMDL). , USEPA. Available from; http://www.epa.gov/reg3wapd/pdf/pdf_chesbay/BayTMDLFactSheet8_26_13.pdf (2010).
- Persson, L., Bergstrom, L. Drilling method for collection of undisturbed soil monoliths). Soil Sci. Soc. Am. J. 55 (1), 285-287 (1991).
- Belford, R. K. Collection and evaluation of large soil monoliths for soil and crop studies. J. Soil Sci. 30 (2), 363-373 (1979).
- Dell, C. J., Kleinman, P. J. A., Schmidt, J. P., Beegle, D. P. Low disturbance manure incorporation effects on ammonia and nitrate loss. J. Environ. Qual. 41, 928-937 (2012).
- Owens, L. B. Nitrate-nitrogen concentrations in percolate from lysimeters planted to a legume-grass mixture. J. Environ. Qual. 19, 131-135 (1990).
- Zhu, Y., Fox, R. H., Toth, J. D. Leachate collection efficiency of zero-tension pan and passive capillary fiberglass wick lysimeters. Soil Sci. Soc. Am. J. , (2002).
- Jemison, J. M. Jr., Fox, R. H. Estimation of zero-tension pan lysimeter collection efficiency. Soil Sci. 154, 85-94 (1992).
- Corwin, D. L. Evaluation of a simple lysimeter-design modification to minimize sidewall flow. J. Contaminant Hydrology. 42 (1), 35-49 (2000).
- Havis, R. N., Alberts, E. E. Nutrient leaching from field decomposed corn and soybean residue under simulated rainfall. Soil Sci. Soc. Am. J. 57, 211-218 (1993).
- Bergstrom, L., Johanssson, R. Leaching of nitrate from monolith lysimeters of different types of agricultural soils. J. Environ. Qual. 20, 801-807 (1991).
- Lotter, D., Seidel, R., Liebhardt, W. The performance of organic and conventional cropping systems in an extreme climate year. Am. J. Alternative Agriculture. 18 (3), 146-154 (2003).
- Moyer, J., Saporito, L., Janke, R. Design, construction, and installation of an intact soil core lysimeter. Agronomy J. 88 (2), 253-256 (1996).
- Stout, W. L., et al. Nitrate leaching from cattle urine and feces in northeast US. Soil Sci. Soc. Am. J. 61, 1787-1794 (1997).
- Stout, W. L., Gburek, W. J., Schnabel, R. R., Folmar, G. J., Weaver, S. R. Soil-climate effects on nitrate leaching from cattle excreta. J. Environ. Qual. 27, 992-998 (1998).
- Kleinman, P. J. A., Srinivasan, M. S., Sharpley, A. N., Gburek, W. J. Phosphorus leaching through intact soil columns before and after poultry manure applications. Soil Sci. 170 (3), 153-166 (2005).
- Kleinman, P. J. A., Sharpley, A. N., Saporito, L. S., Buda, A. R., Bryant, R. B. Application of manure to no-till soils: Phosphorus losses by subsurface and surface pathways. Nutr. Cycling Agroecosyst. 84, 215-227 (2009).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Approximating phosphorus release to surface runoff and subsurface drainage. J. Environ. Qual. 30, 508-520 (2001).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Phosphorus losses in subsurface flow before and after manure application. Sci. Total Environ. 278, 113-125 (2001).
- Brock, E. H., Ketterings, Q. M., Kleinman, P. J. A. Phosphorus leaching through intact soil cores as influenced by type and duration of manure application. Nutr. Cycl. Agroecosyst. 77, 269-281 (2007).
- Svanback, A., et al. Influence of soil phosphorus and manure on phosphorus leaching in Swedish topsoils. Nutr. Cycling Agroecosyst. 96, 133-147 (2013).
- Feyereisen, G. W., et al. Effect of direct incorporation of poultry litter on phosphorus leaching from coastal plain soils. J. Soil Water Cons. 65 (4), 243-251 (2010).
- Williams, M. R., et al. Manure application under winter conditions: Nutrient runoff and leachate losses. Trans. ASABE. 54 (3), 891-899 (2011).
- Liu, J., Aronsson, H., Ulén, B., Bergström, L. Potential phosphorus leaching from sandy topsoils with different fertilizer histories before and after application of pig slurry. Soil Use Mgmt. 28, 457-467 (2012).
- Kibet, L. C., et al. Transport of dissolved trace elements in surface runoff and leachate from a coastal plain soil after poultry litter application. J. Soil Water Cons. 68 (3), 212-220 (2013).
- Han, K., et al. Phosphorus and nitrogen leaching before and after tillage and urea application. J. Environ. Qual. 44, 560-571 (2014).
- Day, P. R. This chapter in Methods of Soil Analysis. Part 1. Physical and Mineralogical Properties, Including Statistics of Measurement and Sampling. American Society of Agronomy, Soil Science Society of America. Black, C. A. , (1965).
- Kleinman, P. J. A., et al. Phosphorus leaching from agricultural soils of the Delmarva Peninsula, USA. J. Environ. Qual. 44 (2), 524-534 (2015).
- Lachat Instruments. Determination of nitrate/nitrite in surface and wastewaters by flow injection analysis. QuickChem Method. , Lachat Instruments. Loveland, CO. 10-107-04-01-A (2003).
