Un protocole pour la collecte et la construction de sols Lysimètres Core
Summary
A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.
Abstract
Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact.
Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L-1 before litter application to 40.3 mg L-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).
Introduction
La péninsule de Delmarva borde la rive est de la baie de Chesapeake, et est la maison à une des plus grandes régions de production de volaille aux États-Unis. Environ 600 millions de poulets et d'environ 750.000 tonnes de fumier sont générées à partir de la production de ces oiseaux chaque année 1. La majeure partie du fumier est utilisé localement comme amendement des engrais sur les champs agricoles. En raison de taux historiquement élevés de l' épandage du fumier, des nutriments tels que l' azote et le phosphore ont accumulé dans le sol et sont maintenant sensibles aux pertes hors site via subsurface lessivage 2. Une grande partie de l'écoulement des eaux souterraines est dirigée vers un vaste réseau de fossés qui drainent finalement à la baie de Chesapeake 3. Les éléments nutritifs transportés à la baie sont liés à la baisse de la santé de la baie en raison de l' eutrophisation 4.
Connexion gestion des éléments nutritifs avec des pertes hors site des nutriments nécessite des outils spécialisés pour surveiller hydrologiqueles flux et les transferts de nutriments associés. Lysimètres représentent une grande catégorie d'instruments utilisés pour caractériser et quantifier le mouvement des éléments nutritifs dans les sols. Lysimètres ont une longue histoire d'utilisation dans le flux de nutriments de surveillance dans les eaux de percolation 5-7, de lysimètres tension qui peuvent être ajustés pour contrer le potentiel de la matrice du sol afin qu'ils puissent mieux plante estimation disponible de l' eau, à lysimètres zéro tension qui sont plus représentatifs des processus survenant au cours de drainage libre. Toutes les approches lysimetery présents biais inhérents. Par exemple, certains lysimètres sont trop petits pour représenter pleinement les processus spatialement complexes dans les sols naturels, ou sont trop grands et coûteux de fournir une bonne réplication statistique des sols hétérogènes 8. En outre, les lysimètres pan exigent des sols au- dessus qu'ils soient saturés pour recueillir les lixiviats et sont inefficaces par rapport à lysimètres de tension à mesurer le débit de la matrice 9.
systèmes lysimétriques fermés,tels que zéro tension lysimètres de base du sol (également connu sous le nom lysimètres monolithes de sol), d' améliorer grandement la confiance avec laquelle les budgets de l' eau et des budgets de polluants associés (par exemple, les budgets de nutriments) sont effectués 10. Ces lysimètres sont plus représentatifs lorsqu'ils contiennent des noyaux intacts du sol; lysimètres remplis de sols remballé ne maintiennent pas la structure d' origine, des horizons et des connexions macropores qui influencent le transport des solutés et des composés de particules semblables 11,12. D'un point de peuplement expérimental, des approches qui favorisent une meilleure reproduction des conditions de sol non perturbés sont avantageux, étant donné la variabilité spatiale inhérente qui existe dans physique des sols et des propriétés chimiques 13.
Deux méthodes préférées ont été utilisées pour la collecte de sol intact lysimètres de base: marteau de chute et de la tête de coupe. Le premier a été le plus souvent effectué, car il peut être réalisé avec des appareils aussi simples que un jambon de traîneaumer (petits lysimètres). Quand elle est réalisée correctement, collection de base du sol avec un marteau de chute a été montré pour être relativement rentable, surtout en comparaison avec d'autres techniques de carottage. Toutefois, les forces de cisaillement imposées par la conduite d' un boîtier lysimétrique dans le sol peuvent provoquer des bavures et le compactage, la production de conditions à l' intérieur du lysimètre qui ne sont pas représentatifs de la terre natale et peut même favoriser certains types de mouvement de l' eau (par exemple, le débit de dérivation, ou le débit le long l'arête de base du sol). En conséquence, certains chercheurs ont préféré l'utilisation de carottiers que coupé un sol intact avec un appareil de forage ou un autre dispositif d'excavation 5.
Différents matériaux ont été utilisés comme boîtiers pour lysimètres de base du sol. Tuyaux et des boîtes en acier sont relativement faible coût, durables et facilement disponibles et peuvent être utilisés pour recueillir des grandes lysimètres en raison de leur force 14-17. Cependant, alors que l'acier est satisfaisante pour l'évaluation de la lixiviation du relles composés tivement non réactifs tels que le nitrate, le fer, l'acier réagit avec le phosphate et doit donc être enrobés ou autrement traités pour l'étude de phosphore lixiviation. Généralement, les boîtiers en plastique sont utilisés pour étudier le lessivage du phosphore, comme à paroi épaisse (annexe 80) de tuyau en PVC qui peut résister à l'impact d'un marteau de chute (si elle est utilisée) et conserver sa structure lorsque plus grand diamètre des carottes de sol sont obtenus (par exemple, ≥30 cm) 18-22.
En général, les lysimètres de base du sol sont analysés ex situ. Une fois collectées, les sols lysimètres de base peuvent être installés dans l'extérieur "fermes lysimétriques" où le sol environnant et au-dessus des climats terrestres représentent des conditions naturelles. Par exemple, en Suède, l'Université agricole suédoise a maintenu trois fermes lysimétriques distinctes au cours des trois dernières décennies, l'analyse des pratiques devenir des pesticides et de transport, des essais de fertilité des sols à long terme, et de gestion qui peuvent être étendus à 30 cm de diamètre intact noyaux 23. Lysimètres de base du sol ont également été soumis à des expériences de lixiviation à l' intérieur où il y a un plus grand contrôle des conditions climatiques 24,25. Liu et al. A utilisé un simulateur de pluie pour irriguer régulièrement lysimètres de base du sol sous un éventail de cultures dérobées 26. Kibet et Kun toutes les techniques d'irrigation à main utilisés pour étudier l' arsenic et le lessivage des nutriments à travers des carottes de sol 27,28.
Une variété de processus édaphiques et hydrologiques peut être déduite de lysimètres de base du sol. Kun et al. (2015) ont utilisé 30 cm de diamètre lysimètres de colonne PVC pour enquêter sur le lessivage de l' azote après l' application de l' urée 28. En recueillant le lixiviat à différents intervalles de temps suivants un événement d'irrigation, ils ont pu faire la différence entre les flux rapides et progressives, avec l'ancien supposé être dominé par les flux de macropores, et plus tard le supposé être dominé par l'écoulement de la matrice. Comme l'urée est facilement hydrolyse lorsqu'il est en contact wie sol, ils ont interprété la présence de concentrations élevées d'urée dans le lixiviat recueillies peu après l'application de l'urée comme preuve de transport macropores qui court-circuité la matrice du sol. Au fil du temps, ils ont détecté des concentrations élevées de différentes formes d'azote dans le lixiviat, suivi de la transformation de l'urée appliquée à ammonium après hydrolyse initiale, puis la transformation de l'ammonium en nitrate avec nitrification.
Pour illustrer les considérations dans la conception, la réalisation et l'interprétation des expériences lysimétriques de base du sol, nous avons mené une enquête sur quatre sols différents trouvés dans la plaine côtière milieu de l'Atlantique des Etats-Unis. L'étude a mesuré la concentration de lixiviation et de la perte de nitrate avant et après application de fumier sec de volaille (ie, la volaille "litière") 28. Les pertes de nutriments de l'application de la litière de volaille sur les sols sont une préoccupation majeure pour la santé de la baie de Chesapeake, et la compréhension de l'interaction de appliquéelitière de volaille et les propriétés des sols agricoles sont nécessaires pour améliorer les recommandations de gestion des éléments nutritifs. Nous présentons ici une méthode détaillée pour extraire intactes lysimètres de base du sol, suivi de l'humidité du sol, et l'interprétation de nitrate différentielle pertes par lessivage de ces sols.
Cette expérience fait partie d'une étude plus vaste menée pour évaluer le lessivage des éléments nutritifs des sols agricoles de la péninsule de Delmarva, USA 27,28. Sol lysimètres de base ont été recueillies à partir de sites dans le Delaware, le Maryland et la Virginie en 2010. Nous présentons ici les résultats de ces études non publiées. Bien que les premières expériences ont été menées pour évaluer la lixiviation du phosphore, le lessivage des nitrates à partir des thèses des sols a également été surveillée.
Quatre sols agricoles communes de la plaine côtière de l'Atlantique de la baie de Chesapeake bassin versant ont été échantillonnés: Bojac (gros-limoneux, mélangé, semiactive, thermic Typic Hapludult); Evesboro (mésique, enduits Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fine-limoneux, mélangé, actif, mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fine-limoneux, siliceuse, semiactive, mesic Typic Hapludult). Pour chaque sol, horizon morphologie a été décrite à partir des profils exposés par l'excavation des colonnes (tableau 1). textures de surface des sols variaient de sable (Evesboro) à limoneux sable fin / loam sableux (Bojac et Sassafras) à loam limoneux (Quindocqua). Bien que tous les sols ont été historiquement fécondé avec la litière de volaille, aucun n'a été appliqué dans les 10 mois précédant l'étude. Tous les sols étaient en non-labour production de maïs pendant au moins une saison avant la collecte des lysimeter de base du sol.
Après la collecte, le sol lysimètres de base ont été transportés à l'installation de simulatorium USDA-ARS à State College, PA. Là, ils ont été soumis à des expériences d'irrigation intérieures (22-26 ° C) pour évaluer le lessivage des nutriments liés à l'application de la volaille de la litière. Plus précisément,lysimètres ont été irrigués avec 2 cm d'eau par semaine pendant 8 semaines jusqu'à ce que le nitrate de percolation a été équilibrée entre les sols. Litière de volaille (fumier de volaille sec) a ensuite été appliqué à la surface de tous les sols , à raison de 162 kg ha -1 de l' irrigation de l' azote total a été poursuivie pendant 5 semaines. Capteurs d'humidité enregistrées teneur en humidité volumétrique à des intervalles de 5 minutes, de façon continue, tout au long du cycle d'irrigation et à la lixiviation. Lixiviat a été recueillie après 24 h et encore 7 jours plus tard immédiatement avant l'irrigation.
données de lixiviats de lysimètres de base de sol ont été analysées à l'aide de statistiques descriptives simples pour illustrer les différences dans la quantité et la qualité des lixiviats entre les sols, ainsi que les différences avant et après l'application de la litière. Parce que les capteurs d'humidité du sol ont été placés dans seulement deux des lysimètres de base du sol répliquée pour chaque sol (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), les statistiques de la teneur en humidité du sol étaient basées sur N = 2, alors que statistiques pour la profondeur des lixiviats, le nitrate-N concentration et de nitrate-N flux sont issus de 10 sols lysimètres de base pour Evesboro, Bojac et Sassafras et 5 lysimètres de base du sol pour Quindocqua. Pour évaluer l'importance de la réplication dans les sols, les coefficients de variation (CV) pour la profondeur de lixiviation ont été calculés pour différents nombres répliqués. Une approche de simulation de Monte Carlo a été utilisé pour échantillonner de manière répétée un sous-ensemble de lysimètres de base du sol (N = 3) du nombre total de répétitions au sein de chaque groupe de sol (10 pour Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 pour le Quindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
Des étapes importantes de lysimètre Collection
Les études Lixiviation illustrent l'influence des propriétés du sol et la gestion du fumier sur les pertes d'azote dans les eaux souterraines peu profondes. Sol propriétés physiques telles que la texture du sol, la structure globale et la densité apparente médiatisent la percolation de l'eau et de solutés. La détermination précise des concentrations en volume de lixiviats et soluté dépend en conservant l'intégrité…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful to the staff of USDA-ARS Pasture Systems and Watershed Management Unit. David Otto was important to both the design and construction of the custom made drop hammer (aka ‘The Intimidator’). Michael Reiner and Terry Troutman assisted in the collection and construction of the lysimeters reported in this study. Sarah Fishel, Charles Montgomery and Paul Spock performed all of the nutrient analyses reported in this manuscript.
Materials
| Schedule 80 PVC Pipe | Fry's Plastic | Call | Sold in 10 ft lengths |
| Fernco Fittings | Fry's Plastic | Call | 12 in. 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 in. 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 in. NPT |
| Foodgrade Tubing | Lowe's | 443209 | 0.5 in. vinyl |
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