Протокол для сбора и построения Основных лизиметрах Почвы
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
Делмарва граничит с восточного берега залива Чесапик, и является домом для одной из крупнейших производственных регионов птицы в США. Примерно 600 миллионов кур и , по оценкам , 750000 тонн навоза образуются от производства этих птиц каждый 1 год. Большая часть навоза используется на местном уровне в качестве поправки удобрений на сельскохозяйственных полях. Из – за исторически высоких темпов внесения навоза, питательные вещества , такие как азот и фосфор накопилось в почве и теперь подвержены потерям за пределы участка с помощью подповерхностного выщелачивания 2. Большая часть потока подземных вод направлен в сторону обширной сетью канав , что в конечном счете стекают к Чесапикского залива 3. Питательные вещества , занесенные в заливе связаны со снижением здоровья залива из – за эвтрофикации 4.
Подключение питательных веществ с потерями внеплощадочных питательных веществ требует специализированных инструментов для мониторинга гидрологическиепотоки и связанные с ними питательные трансферты. Лизиметрах представляют собой основную категорию инструментов, используемых для характеристики и количественного определения движения питательных веществ через почвы. Лизиметрах имеют долгую историю использования при мониторинге потока питательных веществ в воде просачивающейся 5-7, от напряжения лизиметрах , которые можно регулировать , чтобы противостоять почвенной матрице потенциал таким образом , чтобы они более точную оценку завода доступна вода, до нулевого напряжения испарителей , которые являются более репрезентативными процессов возникающие в процессе свободного дренажа. Все подходы к lysimetery присутствующие присущие уклоны. Например, некоторые лизиметры слишком малы , чтобы в полной мере представляют собой пространственно сложные процессы в естественных почвах, или являются слишком большими и дорогими , чтобы обеспечить хорошую статистическую репликацию гетерогенных почв 8. Кроме того, пан лизиметры требуют почвы над ними , чтобы быть насыщенным для сбора фильтрата и неэффективны по сравнению с натяжными лизиметрах при измерении потока матрицы 9.
Закрытые системы лизиметрические,такие как нулевой напряженности ядра почвы лизиметрах (также известный как почва монолита испарителей), значительно повысить доверие , с которым бюджеты и бюджеты воды связаны загрязняющего вещества (например, бюджеты питательных веществ) осуществляют 10. Эти лизиметры являются наиболее представительными, если они содержат неповрежденные ядра почвы; лизиметры заполненные Переупакованная почвы не поддерживать первоначальную структуру, горизонты и соединения макропор , которые влияют на перенос растворенных веществ и соединений в виде частиц , так 11,12. С экспериментальной точки ожидания, подходы , которые способствуют большей репликации ненарушенных почвенных условий являются предпочтительными, учитывая присущие пространственная изменчивость , которая существует в физической почвы и химических свойств 13.
Два предпочтительные методы были использованы для сбора неповрежденной почвы ядро лизиметрах: падение молота и режущей головки. Прежний был более обычно выполняется, так как это может быть достигнуто с устройствами в виде простых в качестве ездовой ветчиныМер (меньшие лизиметры). Когда выполняется должным образом, ядро сбора почвы с падающего молота Было показано, что относительно экономически эффективными, особенно по сравнению с другими методами отбора керна. Однако огромные силы , налагаемые управляя лизиметре обсадных труб в землю может привести к размытию и уплотнения, создавая условия внутри лизиметра , которые не являются репрезентативными родной почвы и может даже благоприятствуют определенные типы движения воды (например, обводной воздушный поток, или поток вдоль ядро края почвы). В результате, некоторые исследователи предпочитали использование пробоотборников , которые разрезают прочь неповрежденный грунт с устройством бурения или других землеройных устройства 5.
Различные материалы были использованы в качестве оболочек для основных почв испарителей. Стальные трубы и коробки сравнительно низкая стоимость, долговечны и легко доступны и могут быть использованы для сбора больших испарителей благодаря своей прочности 14-17. Тем не менее, в то время как сталь является удовлетворительным для оценки выщелачивание отннительно инертные соединения, такие как нитрат, железо в стали реагирует с фосфатом и, следовательно, должны быть покрыты или иным образом обработаны для изучения выщелачивания фосфора. Как правило, пластиковые корпуса используются для изучения выщелачивание фосфора, например, толстостенные (Приложение 80) ПВХ трубы , которые могут выдержать удар падающего молота (если он используется) и сохраняют свою структуру , когда получаются сердечники почвы большего диаметра (например, ≥30 см) 18-22.
В целом, основные почвы лизиметры анализ ex – situ. После сбора почвы ядро лизиметры может быть установлен в наружных "лизиметре ферм", где окружающие почвы и надземных климатические условия представляют собой естественные полевые условия. Например, в Швеции, шведский сельскохозяйственный университет сохранил три отдельных лизиметре фермы в течение последних трех десятилетий, анализируя практику пестицид судьбы-транспортные, долгосрочные испытания плодородности почвы и управления, которые могут быть соизмеримы с диаметром Инта 30 смкт 23 ядер. Основные почвы лизиметры также были подвергнуты помещении экспериментов на выщелачивание , где есть больший контроль климатических условий 24,25. Лю и др. Использовали осадков симулятор регулярно орошают ядро почвы лизиметрах под массивом промежуточных культур 26. Kibet и Кунь все используемые методы орошения рук для изучения мышьяк и вымывание питательных веществ через почву ядер 27,28.
Разнообразие почвенно-гидрологические процессы могут быть выведены из основных почв испарителей. Kun и др. (2015) использовали 30 см диаметр лизиметрах колонки ПВХ для исследования вымывания азота после применения мочевины 28. Путем сбора фильтрата через разные промежутки времени после события орошения, они были в состоянии провести различие между быстрым и постепенных потоков, причем первый предполагается во власти потока макропор, а позже предполагается, будут доминировать матрицы потока. Так как мочевина легко гидролизуется при контакте Wiй почвы, они интерпретировали наличие повышенных концентраций мочевины в фильтрате, собранных вскоре после применения мочевины в качестве доказательства макропор транспорта, обходили матрицу почвы. Со временем они обнаружены повышенные концентрации различных форм азота в фильтрате, отслеживающий преобразование прикладной мочевины в аммонийную форму после первоначального гидролиза, а затем превращение аммония в нитрат с нитрификации.
Чтобы проиллюстрировать соображения при проектировании, проведении и интерпретации основных экспериментов почвы лизиметре, мы провели исследование четырех различных почв, найденных в середине Атлантического прибрежной равнине США. В исследовании измеренная концентрация выщелачивание и потерю нитрата до и после нанесения сухого куриного помета (т.е. птицы "сора") 28. Питательные потери от применения помета птицы в почву являются ключевой проблемой для здоровья Чесапикского залива, и понимание взаимодействия прикладнойпомета птицы и сельскохозяйственных свойств почвы необходимо для улучшения питательных рекомендаций по управлению. Мы представляем здесь подробный способ извлечения неповрежденные ядра почвы испарителей, отслеживание влажности почвы, и интерпретация дифференциального нитратов потери выщелачивание из этих почв.
Этот эксперимент является частью более крупного исследования , проведенного с целью оценки питательных веществ выщелачивание из сельскохозяйственных почв Делмарва, США 27,28. Почва ядро лизиметры были собраны из мест в штате Делавэр, Мэриленд и Вирджиния в 2010 году Здесь мы представляем неопубликованные результаты этих исследований. Хотя первоначальные эксперименты были проведены с целью оценки выщелачивание фосфора, нитратов вымывание из почв диссертаций также контролируется.
были отобраны четыре общие сельскохозяйственные почвы от Атлантического прибрежной равнине Чесапикского залива водораздела: Bojac (крупнозернистый суглинистые, смешанный, полуактивной, термический Typic Hapludult); Evesboro (Месич, покрытые LamellIC Quartzipsamment); Quindocqua (тонкая суглинистые, смешанный, активный, Месич Typic Endoaquult); Лавр (тонкая суглинистые, кремнистых, полуактивной, Месич Typic Hapludult). Для каждой почвы, горизонт морфологии описан из профилей , раскрываемых котлована колонн (таблица 1). Поверхностные текстуры почвы варьировались от песка (Evesboro) на суглинистых мелким песком / супеси (Bojac и Лавр) илу суглинок (Quindocqua). Хотя все почвы были исторически удобряли помета птицы, никто из них не был применен в течение 10 месяцев до начала исследования. Все почвы не было ни в коей-до производства кукурузы в течение по крайней мере один сезон до основной почвы коллекции лизиметре.
После сбора почвы ядро лизиметры были транспортированы к simulatorium объекта USDA-ARS в State College, штат Пенсильвания. Там они были подвержены в помещении экспериментов орошения (22-26 ° C) для оценки вымывания питательных веществ, связанных с применением птицеводстве. В частности,лизиметры орошали с 2 см воды еженедельно в течение 8 недель до нитратов в перколята не была уравновешена между почвами. Птицеводстве (сухой птичий помет) затем наносят на поверхность всех почв со скоростью 162 кг га -1 общего N. Орошение было продлено еще на 5 недель. Датчики влажности записанные объемного содержания влаги через каждые 5 минут непрерывно, в течение всего орошения и выщелачивания цикла. Стоки собирали после 24 часов и снова через 7 дней непосредственно перед началом орошения.
ФИЛЬТРАТА данные из основных лизиметрах почвы были проанализированы с помощью простых описательных статистик для иллюстрации различий в фильтратов количества и качества между почвами, а также различия до и после нанесения подстилки. Поскольку датчики влажности почвы были размещены только в двух из основных лизиметрах повторности почвы для каждой почвы (Evesboro, Bojac, Лавр, Quindocqua), статистические данные по содержанию влаги в почве были основаны на N = 2, в то время как сtatistics для глубины фильтратов, нитрат-N концентрация и нитрат-N потока были получены из 10 основных почвенных испарителей для Evesboro, Bojac и Sassafras и 5 основных почв испарителей для Quindocqua. Для того, чтобы оценить важность репликации в пределах почв, были рассчитаны коэффициенты вариации (CV) для глубины фильтратов для различных чисел повторными. Подход моделирование методом Монте-Карло был использован повторно образец подмножества основных почвы лизиметрах (N = 3) от общего числа повторностей в пределах каждой группы почв (10 для Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 для Quindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
Важные шаги лизиметре Collection
Выщелачивание исследования иллюстрируют влияние свойств почвы и навоза на потери азота в мелком грунтовых вод. Почва физические свойства, такие как текстура почвы, агрегатного состава и объемной плотности опосредуют просачивание воды и рас…
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 |
References
- Patterson, P. H., Lorenz, E. S., Weaver, W. D., 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).
- 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., 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., Black, C. A. 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. , (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. , (2003).
