Introduction
Den Delmarva halvøya grenser den østlige bredden av Chesapeake Bay, og er hjemmet til en av største fjærfe produksjonsregioner i USA. Omtrent 600 millioner kyllinger og anslagsvis 750.000 tonn gjødsel er generert fra produksjonen av disse fuglene hvert år en. Mesteparten av gjødsla blir brukt lokalt som gjødsel endring på jordbruksland. På grunn av historisk høye priser av gjødsel søknaden har næringsstoffer som nitrogen og fosfor akkumulert i jordsmonnet, og er nå utsatt for tap off-site via undergrunnen utvasking to. Mye av grunnvannsstrømning er rettet mot et omfattende nettverk av grøfter som til slutt drenerer til Chesapeake Bay 3. Næringsstoffene gjennomført til Bay er knyttet til nedgangen i Bay helse på grunn av overgjødsling 4.
Koble næringsadministrasjon med off-site tap av næringsstoffer krever spesialiserte verktøy for å overvåke hydrologiskemene og tilhørende næringstilskudd. Lysimeters utgjør en stor kategori av instrumenter som brukes for å karakterisere og kvantifisere bevegelsen av næringsstoffer gjennom jordsmonn. Lysimeters har en lang historie med bruk i overvåking næringsflyt i sigevann 5-7 av spenning lysimeters som kan justeres for å motvirke jordmatriks potensial slik at de bedre estimat plantetilgjengelig vann, null spenning lysimeters som er mer representativ for prosesser oppstår under gratis drenering. Alle tilnærminger til lysimetery stede iboende skjevheter. For eksempel, noen lysimeters er for små til fullt ut å representere romlig komplekse prosesser i naturlig jord, eller de er for store og kostbare til å tilveiebringe god statistisk replikasjon av heterogene jord 8. Videre pan lysimeters krever jord over dem for å være mettet for å samle sigevann og er ineffektive i forhold til spenning lysimeters på målematrise flyt 9.
Lukkede lysimeter systemer,slik som null spenning jord kjerne lysimeters (også kjent som jord monolitten lysimeters), betraktelig bedre tillit som vann budsjetter og tilhørende forurensende budsjetter (f.eks nærings budsjetter) gjennomføres 10. Disse lysimeters er mest representative når de inneholder intakte kjerner av jord; lysimeters fylt med pakket jord ikke opprettholde den opprinnelige strukturen, horisonter og makro-tilkoblinger som påvirker transport av løste stoffer og partikler forbindelser alike 11,12. Fra en eksperimentell ståsted, tilnærminger som fremmer større replikering av uforstyrrede grunnforholdene er en fordel, gitt den iboende romlige variasjonen som finnes i jord fysiske og kjemiske egenskaper 13.
To foretrukne metoder har blitt brukt for å samle intakt jord kjerne lysimeters: drop hammer og skjærehodet. Den tidligere er blitt mer vanlig utført, da det kan oppnås med enheter så enkelt som en slede skinkemer (mindre lysimeters). Når utført på riktig måte, har jord kjerne samling med en dråpe hammer vist seg å være forholdsvis kostnadseffektiv, spesielt sammenlignet med andre kjerneboringsteknikker. Imidlertid kan de skjærkrefter som pålegges ved å kjøre en lysimeter foringsrør ned i bakken føre til flekker og kompaktering, fremstilling av forholdene inne i lysimeter som ikke er representative for naturlig jord, og kan til og med favorisere visse typer av vannbevegelse (f.eks bypass-strømning, eller strømme langs jorda kjernen kanten). Som et resultat, har noen forskere foretrukket anvendelse av corers som skjærer bort en intakt jord med et boreapparat eller annen utgravning innretningen 5.
Ulike materialer har blitt brukt som casings for jord kjerne lysimeters. Stålrør og boksene er forholdsvis lave kostnader, slitesterk og lett tilgjengelig, og kan brukes til å samle større lysimeters på grunn av deres styrke 14-17. Imidlertid, mens stål er tilfredsstillende for evaluering av utlekking av relatively ikke-reaktive forbindelser, så som nitrat, jern i stål reagerer med fosfat og må derfor være belagt eller behandlet på annen måte for studiet av fosfor utlutning. Vanligvis er plast foringsrør brukes til å studere fosfor utvasking, slik som tykke vegger (Schedule 80) PVC-rør som kan motstå virkningen av en dråpe hammer (hvis det brukes) og beholde sin struktur når større diameter jordkjerner oppnådd (f.eks ≥30 cm) 18-22.
Generelt er jord kjerne lysimeters analysert ex situ. Når samlet, jord kjerne lysimeters kan installeres i utendørs "lysimeter gårder" der rundt jorda og over bakken klima representerer naturlige feltforhold. For eksempel, i Sverige har det svenske landbruksuniversitetet opprettholdt tre separate lysimeter gårder i løpet av de siste tre tiårene, analysere plantevernmiddel skjebne-og-transport, langsiktige jord fruktbarhet prøvelser, og forvaltningspraksis som kan skaleres til 30 cm diameter intact kjerner 23. Jordkjerne lysimeters har også vært utsatt for innendørs utlekkingsforsøk hvor det er større kontroll av klimatiske forhold 24,25. Liu et al. Brukt regn simulator til regelmessig vanne jorda kjerne lysimeters under en rekke fangvekster 26. Kibet og Kun alle sysselsatte hånd vanning teknikker for å studere arsen og nærings utvasking gjennom jord kjerner 27,28.
En rekke edaphic og hydrologiske prosesser kan utledes fra jord kjerne lysimeters. Kun et al. (2015) som anvendes 30 cm diameter kolonne PVC lysimeters å undersøke nitrogen utlutning etter urea-søknad 28. Ved å samle sigevann på ulike tidsintervaller etter en vanning hendelse, var de i stand til å skille mellom raske og gradvis strømmer, med den tidligere antatt å være dominert av makro-flow, og senere antatt å være dominert av matrise flyt. Siden urea lett hydrolyseres ved kontakt with jord, de tolket tilstedeværelsen av forhøyede urea konsentrasjoner i sigevann som samles inn kort tid etter urea programmet som bevis for makro-transport som omgås jord matrise. Over tid vil de oppdaget forhøyede konsentrasjoner av ulike former for nitrogen i sigevann, sporing omdannelsen av tilført urea til ammonium etter innledende hydrolyse, og deretter transformasjonen av ammonium til nitrat med nitrifikasjon.
For å illustrere hensyn i utformingen, gjennomføre og tolke jord kjerne lysimeter eksperimenter, gjennomførte vi en undersøkelse av fire forskjellige jordtyper som finnes i den midtatlantiske kyststripe av USA. Undersøkelse målte utlutning konsentrasjon og tap av nitrat før og etter påføring av tørr fjærfe gjødsel (dvs. fjærkre "kull") 28. Næringstap fra anvendelsen av fjørfe søppel til jord er en sentral bekymring for helsen til Chesapeake Bay, og forstå samspillet av anvendtfjørfe kullet og landbruksjordegenskaper er nødvendig for å forbedre nærings ledelse anbefalinger. Vi presenterer her en detaljert metode for utvinning av intakte jord kjerne lysimeters, sporing jordfuktighet, og tolke differensial nitrat utlekkings tap fra disse jord.
Dette eksperimentet er en del av en større studie utført for å vurdere nærings utlekking fra jordbruksjord i Delmarva halvøya, USA 27,28. Jordkjerne lysimeters ble samlet inn fra områder i Delaware, Maryland og Virginia i 2010. Her presenterer vi upubliserte resultater fra disse studiene. Selv om det innledende forsøk ble utført for å vurdere fosfor utvasking, nitrat utlekking fra teser jord ble også overvåket.
Fire vanlige jordbruksjord fra Atlanterhavet kyststripe av Chesapeake Bay Watershed var samplet: Bojac (grov Leir, blandet, semiactive, termisk Typic Hapludult); Evesboro (Mesic, belagt Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fin-Leir, blandet, aktiv, Mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fin-Leir, kiselholdige, semiactive, Mesic Typic Hapludult). For hver jord, ble horisont morfologi beskrevet fra profilene eksponert ved utgravning av kolonnene (tabell 1). Overflatestrukturer av jordsmonnet varierte fra sand (Evesboro) til Leir fin sand / sandholdig leirjord (Bojac og Sassafras) til silt leirjord (Quindocqua). Selv om alle jord hadde blitt historisk befruktet med fjørfe kullet, hadde ingen blitt brukt i de 10 månedene før undersøkelsen. Alle jordsmonn hadde vært på ingen-till mais produksjon i minst en sesong før jord kjerne lysimeter samling.
Etter samlingen, ble jordkjerne lysimeters fraktet til USDA-ARS simulatorium anlegget i State College, PA. Det de ble utsatt for innendørs vannings eksperimenter (22-26 ° C) for å vurdere nærings utlekking knyttet til fjørfe kullet søknad. Nærmere bestemt,lysimeters ble overrislet med 2 cm vann ukentlig i 8 uker før nitrat i sive ble likevekt mellom jord. Fjærfe kull (tørr fjærfegjødsel) ble deretter påført på overflaten av all jord i en mengde av 162 kg ha -1 av total N. Vanning ble fortsatt i 5 uker. Fuktighetsgivere registrert volumetrisk vanninnhold med 5 minutters mellomrom kontinuerlig gjennom vanning og utvasking syklus. Utlutningsvæsken ble samlet opp etter 24 timer og 7 dager senere igjen umiddelbart før skylling.
Sigevann data fra jordkjerne lysimeters ble analysert ved hjelp av enkle deskriptiv statistikk for å illustrere forskjellene i sigevann kvantitet og kvalitet mellom jordarter, så vel som forskjeller før og etter påføring kull. Fordi jordfuktighetsgivere ble plassert i bare to av de gjenskape jordkjerne lysimeters for hver jord (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistikk for jordfuktighet var basert på N = 2, mens statistics for sigevann dybde, ble nitrat-N konsentrasjon og nitrat-N flux avledet fra 10 jordkjerne lysimeters for Evesboro, Bojac og Sassafras og 5 jordkjerne lysimeters for Quindocqua. For å vurdere betydningen av replikasjon i jord, ble variasjonskoeffisient (CV) for sigevann dybde beregnet for ulike replikere tall. En Monte Carlo-simulering tilnærmingen ble anvendt for å prøve flere ganger for en undergruppe av jord kjerne lysimeters (N = 3) fra det totale antall replikater innenfor hver gruppe jord (10 for Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 for Quindocqua).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Klargjøring av materialer
- Skjær hoveddelen av lysimeter fra 30,5 cm (12 tommer) i diameter (ID; nominell) tidsplan 80 PVC; Dette har en veggtykkelse på 1,9 cm (0,75 tommer) (Figur 1a). Skjær lengden av lysimeter legemet avhengig av tykkelsen av det jordlaget (e) som skal undersøkes; her, bruk en 53 cm (21 tommer) lang kropp. Frese en 0,63 cm dyp ved 45 ° skråkant rundt den nedre ende av den lysimeter for å danne en skarp fremre kant på den indre vegg av lysimeter legemet for å hjelpe til å skjære gjennom jordsmonnet.
- Endre en 34,5 cm ID, flat bunn PVC cap ved å lime en 15,3 cm 30,5 cm ID ring av planen 80 PVC i lokket for å tillate fri drenering av vann og sørg for lagringskapasitet for sigevann før innsamlingen (Figur 1b). Skjær ring fra samme lager som viktigste organ for å tjene som en kobling til å bli lokket til kroppen. Hetten skal være koblet til kroppen med en fleksibel kobling og slangeklemmer (Figur 1c og 1d). Installer en port for prøvetaking ved å bore en 1,27 cm hull og tappe det med en 1,27 cm 14 PT rør fra springen og slå en 1,27 cm nylon piggete mannlige adapter (figur 1e) i ytterkanten av lokket hvor sideveggen og bunnen møtes.
- Skjær en disk diameter 34 cm fra 1,27 cm tykk flat lager PVC som vil bli brukt til å dekke bunnen av lysimeters (figur 1G). Drill 180, jevnt fordelt, 0,32 cm. diameter hull i platen for å tillate drenering fra bunnen av jordfylte lysimeter å gå inn i hetten. Lim første duk eller annet filter stoff til den ene side av skiven for å hindre jord i å passere gjennom bunn disken i løpet av sigevann drenering.
- Bygg løfte saks fra 2,5 cm flatt jern og 2,5 cm vannpipe (figur 2). Skjær to av de 2,5 cm band av flatt jern til 50,0 cm lengder og bøy i en halvsirkel med utsiden av lysimeter kroppen som en guide. Weld en 5 cm bog til hver ende av hver halvsirkel band. Delta hvert av båndene med en hengselpinne. Sveise vannrøret på den ytre ringen av bandene motsatte av hverandre.
2. Kjøring Lysimeter Casing inn Jord med Drop Hammer
- Fjern overflaten vegetasjon, steiner og annet rusk fra samlingen området. Stilling 2 lysimeter kropper på flat mark hvor lysimeters skal tas (figur 3a). Sikre at lysimeters er plan, slik at jord i kolonnen er av ensartet dybde.
- Kjør en spesialdesignet, trailer montert, slipp hammer på plass i løpet av de lysimeter organer. Når rulle hammer er på plass, distribuere hydraulisk drevne utriggere å flate stålplaten med bakken og toppen av lysimeter organer. Støttebeina gir også stabilitet for drop hammer (figur 3b).
- Delvis heise 10,2 cm tykk, 1,52 m med 1,52 m firkantet stålplater som veier 1180 kg opp en tre meter tårn ved hjelp aven mekanisk vinsj (figur 3b). Slipp stålplate å hamre kolonnene i jorda.
- Gjenta trinn 2.3 flere ganger til kolonne rim den er 2 cm over jordoverflaten (figur 3c).
- Sjekk for jordpakking inne i lysimeter ved å måle dybden av jord på innsiden og utsiden av kolonnen. Hvis jorden på innsiden av kolonnen er mer enn 1 cm lavere enn jord utenfor kolonnen, jord presses sammen og er ikke egnet for forskning.
3. Ta av Soil Kjerne
- Plassere et perforert PVC-disk (figur 1c) og fleksibel rørkobling (figur 1d) over kolonnen for å forhindre forurensning av jord og annet rusk under utgravning prosessen.
- Grav en grøft ved siden av jorda kjernen og litt dypere enn kolonne bunnen med en traktorgraver (figur 4a) den.
- Utvide hullet med en spade eller plukke (figur 4b) og avsløre så much på utsiden av sylinderen som mulig.
- Løfte en tung metallgrave bar nedover langs hele lengden av den side av søylen slik at det er mellom jord og utvendig vegg kolonne (figur 4c).
- Lirke graving bar frem og tilbake til jord grensesnittet ved bunnen av kolonnen er brutt.
- Bruk de løfte saks rundt toppen av lysimeter (vist i figur 2) i forberedelse til jord kjerne fjerning. Med en person som holder hver bar, trekker frem saksen lukke tett rundt søylen og løft lysimeter ut av hullet. Plasser lysimeter på en flat arbeidsflate som stykke kryssfiner.
4. Forberedelse av Soil Kjerne for Lysimeter Assembly
- Vend jord kjernen over slik at undersiden opp. De tre kryssfiner disk installert i trinn 3.1 vil holde jorda på plass.
- Forsiktig, nivå jorden selv med kanten av PVC (figur 5a) wed en rett kant. Fjern steiner som stikker ut over planet for felgen med en penn kniv eller skrutrekker.
- Fyll eventuelle hulrom med kjemisk inert play sand og forsiktig pakke det (figur 5b).
- Grade sanden selv med kolonnebunnen med en rett kant og fjerne overflødig sand (figur 5c og d).
- Rengjør alle jord fra kanten og de ytre sideveggene av lysimeters med en børste eller lett blåse den utenfor kanten, og sørge for at felgen er rent for lim til å feste og for en tettsittende av hetten.
5. Montering av Lysimeter
- Ekstrudere en kontinuerlig runde perle med klar silikon caulk rundt kanten av lysimeter (figur 6a). Caulk skal være tykk nok til å forsegle den perforerte skive bunnen til de lysimeters og forhindre lekkasje.
- Lå den perforerte skive (figur 1c) på felgen med filteret stoffet som vender mot og sandtrykk hardt ned, slik at god kontakt mellom platen og lysimeter.
- Bor åtte jevnt fordelte pilothull rundt kanten av platen og fest den perforerte disk med 1,0 tommers skruer i rustfritt stål med en drill driver (Figur 6b).
- Slip den fleksible rørkobling videre til lysimeter basen slik at ca 2 cm av koplingen projiserer over lysimeter felgen (figur 5c).
- Monter den modifiserte PVC cap inn i fleksible rør kobling (figur 6c), og skyv lokket ned til den kommer i kontakt med lysimeter kroppen. Med en trekloss på toppen av hetten bruke en hammer til å banke forsiktig på lokket på plass.
- Plassere festebåndene i sporene i koplings og sikre lett uten sammentrekkende koplingen. Stram metall rundt koblingen med en håndholdt 1/4 tommers hex driver til lysimeter hetten holdes godt på plass. Den lysimeter er klar til å bli snudd og transporteres til et klima fortsrullet anlegget.
6. Installere fuktighetsgivere
- Risse en 5 cm lang, horisontal linje på lysimeter veggen på 5 og 25 cm dyp. Mål fra jordoverflaten og ikke på kanten av lysimeter.
- Bor et 1,0 cm diameter hull gjennom veggen av den lysimeter ved hver ende av den merkede linjen.
- Skjær de resterende 3 cm plast mellom hullene unna med et roterende skjæreverktøy.
- Meisel en 1 cm tykk med 5 cm lang splitt i jorden for å gi plass til casing av en fuktighetssensor (f.eks Tikant).
- Skyv fuktighetssensor i hullet inn i det renset ut sporet til sensorutstikkerne er fast nedgravd i jord og som bare tråden stikker ut av lysimeter.
- Rene masser fra veggene i sporet med en børste eller fille.
- Påfør et tykt perle av silikon caulk i sporet for å hindre at vann lekker ut. Etter at caulk har tørket, påfør et andre syklus av silikon til ensikker på at alle åpninger i hullet som omgir sensoren, er forseglet.
7. Forbereder lysimeters for Sigevann Collection
- Forsegle gapene mellom jord og lysimeter vegg med fugemasse for å redusere risikoen for selektiv strøm ned de innvendige vegger av lysimeter.
- Pierce og laste inn en tube med klar silikon caulk i en standard caulk pistol.
- Plassere spissen av fugemasse rør mellom tomrom i jorden som skal fylles og den innvendige flate av lysimeter kroppen. Skyve spissen av caulk pistol under jorda omtrent 2 cm. Klem caulk ut av røret til det fyller tomrommet og oser over jordoverflaten.
- Sett lysimeters på toppen av en benk eller en flat overflate og solid nok til å tåle vekten av flere lysimeters og høy nok til å tillate fri drenering av vann i en 4,0 L mugge (figur 7).
- Sjekk at jorda kjerne lysimeters er planert i alle retninger med en liten (15 cm) vater. Om nødvendig place shims under lysimeters til jordoverflaten er helt i vater.
- Pakk Teflon tape rundt gjenget nylon tube fitting (0,5 NPT) og vri beslaget klokken inn i hetten. Stram beslaget med en skiftenøkkel inntil ingen av gjengene er synlige.
- Presse en 0,5 tommers slangen på pigg enden av nylon montering og kutte slangen slik at den passerer omtrent 4,0 cm inn i munningen av samlingen jug.
- Sett beholderen under lysimeter og plasser slangen inne i samlingen jug.
8. vanning lysimeters og samle Sigevann
- Dekk jordoverflaten med ost klut eller annet gjennomtrengelig, kjemisk inert stoff for å beskytte og bevare jord aggregater og overflate rester.
- Mål 1450 ml avionisert vann i en målesylinder og hell den i vannkanne, utstyrt med dusjgarnityr. Forsiktig og jevnt dryss vannet over stoffet med en hastighet som ikke disturb jordoverflaten.
- Vente en tidsperiode for vann for å infiltrere et sive gjennom jordsmonnet kolonnen inn i hetten og oppsamlingsbeholder.
- Tips lysimeter i mot utløpet hullet før alt vannet er drenert fra lysimeter tanklokket inn i oppsamlingsbeholder.
- Måle massen av sigevannet samles inn med en skala og omdanne massen i gram til ml (anta at 1,0 g av vann er ekvivalent med 1,0 ml). Hell sigevann prøven i 350 ml steril plast prøveflaske. Straks filteret 50 ml med en sugetrakt utstyrt med 0,45 um filterpapir i forberedelse for nitrat-analyse ved bruk av kolorimetri via strømnings injeksjon analyse 31.
- Butikk filtrert og ufiltrert partier av prøvene i et kjøleskap og 4 ° C inntil analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Jordfuktighet, sigevann dybde og sigevann kjemi all illustrere variasjon over jord, avslører forskjeller som en funksjon av jordegenskaper til tross for intern variabilitet mellom replikere jord kjerne lysimeters av en bestemt jord. De senere punkt warrants spesielt merke fra standpunktet av eksperimentell design, som iboende variasjon i jordfuktighet og utlekkings prosessene krever betydelig replikering for å minimere type 2 statistisk feil. I denne studien, variasjonskoeffisient (CV) på tvers av all jord varierte 0,02 til 0,38 for jordfuktighet, 0,02 til 0,06 for sigevann dybde, 0,22 til 0,55 for nitrat-N-konsentrasjoner, og 0,23 til 0,54 for nitrat-N forandring.
Effekten av lysimeter replikering på variansen er illustrert ved prøvetaking sigevanns data fra gjentak av individuelle jordsmonn (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua), avslører en sterkere influence til replikasjon i noen variabler enn andre. Generelt er klart senker CV som lysimeter replikerer økning fra tre til ti (eller, i tilfelle av Quindocqua, tre til fem replikater). For sigevann dybde, nedsatt CV 0,14 til 0,06 for Bojac jord, 0,12 til 0,06 for Evesboro jord og 0,08 til 0,03 for Sassafras jord. I tilfellet med den Quindocqua, som bare fem replikater eksisterte, CV N = 3 var 0,04, mens den CV for N = 5 var 0,02. For nitrat-N konsentrasjon, redusert CV 0,88 til 0,34 for Bojac, 0,39 til 0,17 for Evesboro, og 0,26 til 0,12 for Sassafras. For Quindocqua, CV av nitrat-N konsentrasjon redusert fra 0,35 med tre gjentak til 0,17 med fem paralleller. Effekten av replikering på CV av nitrat-N fluks var lik den som er observert med nitrat-N konsentrasjon.
Jordfuktighet
Endringer i jordvanninnhold på 5 cm og 25 cm dyp følgende vanning demonstrere forskjeller i vann overføring mellom grovere og finere strukturerte jordsmonn (Figur 8). Fukt profiler indikerer rask bevegelse av vanning vann gjennom grovere tekstur Evesboro sand og Sassafras sandholdig leirjord. Volumetrisk vanninnhold i disse jord ved både 5 og 25 cm dyp økes til et gjennomsnitt på 0,31 og 0,22 m 3 m -3, henholdsvis, i løpet av 1 time av vanning og deretter returnert til bakgrunnsnivåene (0,17 og 0,21 m 3-m-3) etter ni timer etter vanning. I motsetning til dette ble volumetrisk vanninnhold i Bojac og Quindocqua jord ikke gå tilbake til bakgrunnsnivå til minst 20 timer etter vanning.
sigevann dybde
Ukentlige sigevanns dybder varierte fra 1,12 til 1,95 cm for de fire jord i løpet av den experimentene (figur 9). Vanning vann inngang, uttrykt som prosent av vanning vann, fulgt en generell trend i forbindelse med jord tekstur, med gjenvinninger fra sand Evesboro (81%) og Sassafras (85%) løsmasser blir litt mer effektiv enn fra de finere tekstur Bojac (77% ) og Quindocqua (71%) jord. Mest utlutningsvæsken ble oppsamlet sammen med den første samplings etter vanning (24 timer), noe som tilsvarer 80% av den totale sigevannet samles for Bojac, 84% av den totale sigevannet samles for Evesboro, 91% av den totale sigevannet samles for Sassafras, og 99% av den totale sigevannet samles for Quindocqua.
Nitrat-N-konsentrasjoner og flukser i sigevann
Nitrat-N-konsentrasjoner i sigevann økt etter kull søknad, men fulgte forskjellige tidsmessige mønstre mellom jord. I uken før gjødsel søknad, nitrat-N konsentrasjon i sigevann feller de fire jord i gjennomsnitt 27,1 mg L-1 (figur 10). For fin strukturert Quindocqua, konsentrasjon toppet seg umiddelbart, med nitrat-N i sigevann prøver fra den første uken i gjennomsnitt 39,9 mg L -1. I kontrast, nitrat-N i sigevann fra sandier strukturerte jordsmonn økt saktere, med peak nitrat-N konsentrasjon to uker etter kull tillegg til Bojac jord (gjennomsnitt på 37,3 mg L -1) og fire uker etter kull tillegg for Evesboro (gjennomsnitt på 53,0 mg L -1) og Sassafras jord (gjennomsnitt av 57,1 mg L -1).
Forskjeller i sigevann nitrat-N fluks (kg ha -1) gjenspeiler ikke bare trender i nitrat-N-konsentrasjoner i sigevannet, men også forskjeller i sigevanns dyp (figur 11). Før søppel program, ukentlige nitrat flukser var 2,0 til 5,8 kg ha -1, med Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Jo større sigevanns dybder fra Sassafras og Evesboro lysimeters (figur 9) er tydelig i nitrat-N fluks før kullet søknad. For å vurdere rollen til fjørfe kullet søknad og sigevann volumet på nitrat-N forandring, ble jord nitrat-N fluks fra før kullet søknaden trekkes fra påfølgende ukentlige fluks (Figur 12). Den resulterende mønster i flux endringer visuelt og utvalget i nitrat-N flux mellom jord er 1,1 til 4,7 kg ha -1. Nitrat-N fluks fra Quindocqua jord etter kull applikasjons pigger umiddelbart og forblir større enn fluksene fra de andre jord til uke seks. Nitrat-N fluks fra de grovere tekstur jord, igjen, er forsinket med Bojac (3,7 kg ha -1) og Sassafras (3,8 kg ha -1) topp i den andre uken etter kull søknad og Evesboro topp på 3,0 kg ha -1 fire uker etter påføring kull.
| hydrologiske | Partikkelstørrelsesfordeling | KCl Nitrat | ||||||
| Jord | Klasse | 0-5 cm | 15-30 cm | 45-50 cm | 0-5 cm | |||
| % sand | % leire | % sand | % leire | % sand | % leire | 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 |
Tabell 1: Kjemiske og fysiske egenskaper av jord kjerne lysimeters.
Figur 1: Major Deler for Konstruere Lysimeter (a) Schedule 80 PVC lysimeter legemer. (B) PVC cap; (C) Fleksibel kopling; (D) Perforert plate; (E) Slangeklemmer; (F) Food grade rør; (G) Gjenge piggete slangetilkobling. Klikk her for å se en større versjon av dennefigur.
Figur 2:. Custom løfte saks Custom løfte saks at to personer for å løfte og flytte tunge jordkjerne lysimeters. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3:. Utsikt over Drop Hammer og innsetting av kolonner (a) PVC kolonner plassert nivået på jorda i forberedelse til drop hammer. (B) Drop hammer pounding i sylindere. (C) Ballonger helt drevet i jord. Klikk her for å se et større versjon av dette tallet.
Fig. 4: Fremstilling for fjernelse av jordkolonner (a) hull graves langs siden av kolonner. (B) Jord blir plukket vekk fra kolonner (note lysimeters beskyttet mot ytre jord med polyvinylklorid belegg og fleksibel kopling). (C) Jord-til-jord-grensesnittet blir brutt med en grave bar. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Fig. 5: Fremstilling av lysimeter bunn for perforert plate og hetten (a) Leveling bunn og fjerning av utstikkende steiner. (b g>) Fylle tomrom med steril sand. (C) Leveling sand. (D) Renset kolonne med nivået sand. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6:. Installere nederst på lysimeter (a) Å sette en ring av caulk på renset kanten av lysimeter. (B) Feste hullskiven på lysimeter med rustfrie skruer. (C) Å sette hetten på lysimeter og feste tett med fleksibel kobling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
/53952/53952fig7.jpg "/>
Figur 7:.. Helt montert lysimeter montert lysimeter med slange festet og glassflasker er lagt under for sigevann samling (fuktighetsgivere ikke installert) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8:.. Volumetrisk vanninnhold volumetrisk vanninnhold (m 3 m -3) i jorda kjerne lysimeter på 5 cm og 25 cm dyp enn en typisk 24-timers periode etter vanning Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
ftp_upload / 53952 / 53952fig9.jpg "/>
Figur 9:.. Sigevann dybde Summen av ukentlig sigevann dybde (cm) hentet fra jord kjerne lysimeters partisjonert i rask utvasking (24 timer) og langsom utvasking (7 dagers) segmenter Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10:. Nitrat-N konsentrasjon Weekly nitrat-N konsentrasjon (mg L -1) i sigevann hentet fra jord kjerne lysimeters før og etter fjørfe kull søknad. Plottede punkter representerer gjennomsnitts og feilfelt rundt punktene representerer standard feil av gjennomsnittet. Klikk her for å se en større versjon av denne figur.
Figur 11: Nitrat-N Flux Massen av nitrat-N (kg ha -1) i sigevann samlet fra jord kjerne lysimeters før og etter fjærfe kull søknad.. Plottede punkter representerer gjennomsnitts og feilfelt rundt punktene representerer standard feil av gjennomsnittet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 12:. Estimert nitrat-N flux bidrag fra husdyrgjødsel Jord nitrat-N fluks (kg ha -1) fra før kullet søknaden ble trukket fra påfølgende ukentlige flukser å vurdere bidraget av fjørfe kullet nitrogen til jord kjerne sigevann. Plottede punkter representerer gjennomsnitts og feilfelt rundt punktene representerer standard feil av gjennomsnittet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Viktig skritt av lysimeter Collection
Utlekkingen studier viser påvirkning av jordegenskaper og husdyrgjødsel ledelse på nitrogentap til grunne grunnvann. Jord fysiske egenskaper slik som jord tekstur, samlet struktur og bulktetthet mediere perkolering av vann og oppløste stoffer. Nøyaktig bestemmelse av sigevann volum og oppløste konsentrasjoner er avhengig av å beholde integriteten av disse jord fysikalske egenskaper i løpet av lysimeter samling ved å følge disse kritiske trinn: 1) lysimeter og rulle hammer må være plan mens kolonnen blir drevet inn i jorden; 2) jord i lysimeter må kontrolleres for komprimering; 3) i bunnen av jord kolonnen må jevnes og hulrom skal fylles med inert sand før tappehetten er installert; og 4) alle åpninger inkludert de mellom lysimeter veggen og jord må forsegles med silikon caulk å hindre fortrinnsrett veggen flyt eller lekkasje fra the fuktighet sensorporter.
Viktigheten av å opprettholde jordstrukturen
Utlekking studier må nøyaktig representere volumet av vann beveger seg gjennom jordprofiler for effektivt å kunne fastslå massetap av oppløste stoffer. Den gjennomsnittlige vanning utvinnes fra de fire jord studert var 79% av volumet anvendt. Lignende forskning sammenligne effektivitet ubundne null spenning pan lysimeters rapporterte gjennomsnitts vanning samling effektivitet på 56% og 58% 29,10. Selv om jordsmonn i de nevnte studiene var forskjellig fra jordsmonn i denne studien, tilskriver vi økningen i vanning utnyttelsesgrad til jord kjernen lysimeters evne til å beholde jord fysiske egenskaper og omslutter jorda profil.
Viktigheten av replikering
Denne studien peker på påvirkning av replikering på variansen i sigevanns egenskaper, og behovet for å øke replikering i order å trekke betydelige slutninger fra jord kjerne lysimeters. Variasjon i sigevanns eiendommene var størst for nitrat-N konsentrasjon og fluks og lavest for sigevann volum. For alle sigevanns egenskaper, å øke antall gjentatte jord kjerne lysimeters fra tre til ti (Bojac, Evesboro og Sassafras, eller i tilfelle av Quindocqua, fra tre til fem), redusert CV til 0,06 eller mindre. Fra vår erfaring, er minimum fire gjennomkjøringer som trengs i jord kjerne lysimeter eksperimenter 18,28,29.
Viktigheten av å spore jordfuktighet
Jordfuktighet trender på 5 cm og 25 cm dyp, i kombinasjon med en forståelse av jord morfologi på dette dypet, kan brukes til å forklare hydrologiske trender og stabile forutsetninger. For eksempel, jordfuktighet trender avdekke forskjeller i utlekkings prosesser mellom grov tekstur Evesboro og Sassafras jord og finere strukturert Bojac og Quindocqua jord. Den grovere teksturjord viste kortvarige økninger i volumetrisk vanninnhold i forhold til finere teksturerte jord som hadde mer langvarig økning i fuktighet i jordsmonnet (figur 8). Disse forskjellene ble også avdekket når man sammenligner 24 timer og 7 dag sigevanns samlinger, men manglet den finere tidsoppløsning for å avgrense hypoteser om rask makro-flyt. I tilfellet med den Bojac jord, noe som ga den største andelen av sigevann etter den første 24-timers kolleksjon, jordfuktighet trender på 25 cm dybde avsløre en lengre periode med jordfuktighet metning som ville favorisere denitrifikasjons forhold og derfor redusere nitrat-N i sigevann . Gitt innsikt fra jordfuktighetsgivere, bør en premie være plass på å installere sensorer i så mange jord kjerner lysimeters som mulig for å lette post hoc vurdering av utlekkings prosesser.
Viktigheten av å beregne massebalanse
I denne studien, 8,5 til 19,6% avanvendt N gikk tapt i sigevann som nitrat-N over en seks ukers periode. Utlekking tap er helt klart en viktig komponent i N budsjettet for gjødslet jord og minimere disse tapene er viktig ikke bare for miljøkvalitet, men også for nærings bruk effektivitet. Anslagsvis 80,4 til 91,5% av kullet-anvendt N forble i jord kjerne lysimeters. Dokumentere skjebnen til denne N kan forbedres med bruk av teknikker som etiketter eller sporstoffer. Det er således en klar fordel for jordkjerne lysimeters i budsjett av vann og påføres materialer, noe som er mye mer vanskelig med andre typer av lysimeter systemer, slik som pan lysimeters, som ikke er avgrenset, og er kjent for å være mindre effektiv 9.
Begrensninger av Design
Selv om dagens design effektivt måler fri drenering gravitasjons vann, er det antatt at lysimeters undervurderer utlekking volum fra de mindre porerommene finere teksturert jord på grunn av titusional krefter. Den gjennomsnittlige fraksjon av vanning vann gjenvunnet fra det fine teksturerte Quindocqua jord utgjorde bare 71% av den totale anvendt. Videre er mindre enn 1% av dette volum tilskrevet "sakte utvasking" gjennom de fine porer i jordmassen. Collection effektiviteten har økt med 50% eller mer med tillegg av passive kapillær glassfiber veker til jord profiler 9. Forfatterne undersøker effekten av glassfiber veker for bruk i jorda kjernen lysimeter beskrevet i dette manuskriptet.
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).
