Toprak Çekirdek lizimetereleri Toplama ve oluşturulması için bir protokol
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
Delmarva Yarımadası Chesapeake Körfezi'nin doğu kıyısını komşudur ve ABD'deki en büyük kanatlı üretim bölgelerinden birine ev sahipliği yapmaktadır. Kabaca 600 milyon tavuk ve gübre tahmini 750,000 ton, bu kuşların her yıl 1 üretiminden oluşturulur. gübre çoğu tarım alanlarında gübre değişiklikle yerel olarak kullanılır. Çünkü gübre uygulamasının tarihsel olarak yüksek oranları, azot ve fosfor gibi besin toprakta biriken ve yeraltı liçi 2 üzerinden off-site kayıpları şimdi duyarlı olması. Yeraltısuyu akışının çok sonuçta Chesapeake Bay 3 tahliye hendekler geniş bir ağ yöneliktir. Bay taşınan besin ötrofikasyon 4 nedeniyle Bay'in sağlığı düşüşe bağlıdır.
besinlerin off-site kayıpları ile bağlanması besin yönetimi hidrolojik izlemek için özel araçlar gerektirirakışları ve ilişkili besin transferleri. Lizimetereleri karakterize ve toprakların yoluyla besinlerin hareketi ölçmek için kullanılan araçların önemli bir kategorisini temsil etmektedir. Lizimetereleri böylece toprak matris potansiyelini karşı ayarlanabilir gerginlik lizimetereleri gelen su 5-7 süzülen izleme besin akışında kullanımının uzun bir geçmişi var onlar daha iyi bir tahmin bitki mevcut su, süreçlerin daha iyi temsil sıfır-tansiyon lizimetereleri için ücretsiz drenajı sırasında meydana. Tüm yaklaşımlar mevcut doğal önyargıları lysimetery için. Örneğin, bazı lizimetereleri tamamen doğal topraklarda uzamsal karmaşık süreçleri temsil etmek için çok küçük, ya da heterojen toprakların 8 iyi istatistiksel çoğaltma sağlamak için çok büyük ve pahalı. Dahası, tava lizimetereleri üstlerinde topraklar sızıntı suyu toplamak için doymuş ve matris akışını 9 ölçme de gerginlik lizimetereleri göre verimsiz gerektirir.
Kapalı Lizimetre sistemleriBöyle (aynı zamanda toprak monolit lizimetereleri olarak da bilinir) sıfır gerilim toprak çekirdek lizimetereleri olarak, büyük ölçüde su bütçeleri ve ilgili kirletici bütçeleri (örneğin, besin bütçeler) 10 yürütülmektedir hangi güveni artırmak. Bu lizimetereleri onlar toprağın bozulmamış çekirdeği içeren zaman en temsilcisi; Repacked topraklar dolu lizimetereleri çözünen ve partikül bileşiklerin hem 11,12 taşınmasını etkileyen özgün yapısı, ufuklar ve makro-bağlantılarını korumak yok. Deneysel standı noktasından, örselenmemiş koşulları daha tekrarlanmasının kolaylaştırılması yaklaşımlar toprağın fiziksel ve kimyasal özellikleri 13 var doğasında mekansal değişkenlik göz önüne alındığında, avantajlıdır.
İki tercih edilen yöntemler bozulmamış toprak çekirdek lizimetereleri toplamak için kullanılmıştır: damla çekiç ve kesme kafası. Bu kızak ham gibi basit cihazlarla elde edilebilir önceki daha yaygın olarak gerçekleştirilmiştirmer (küçük lizimetereleri). Düzgün yapıldığında, bir damla çekiç ile toprak çekirdek toplama nispeten diğer karot teknikleri ile karşılaştırıldığında, özellikle maliyet etkin olduğu gösterilmiştir. Ancak, zemine bir Lizimetre kasasını sürüş dayattığı sırf güçler yerli toprağın temsilcisi değildir Lizimetre içinde koşulları üreten, bulaşması ve sıkıştırma neden olabilir ve hatta su hareketi (örneğin, baypas akışının belirli türde lehine, ya da birlikte akabilir toprak çekirdek kenar). Bunun bir sonucu olarak, bazı araştırmacılar, bir sondaj cihazı veya başka bir kazı cihazı 5, bir intakt toprak kesilerek corers kullanımını tercih etmektedirler.
Çeşitli malzemeler, toprak çekirdek lizimetereleri için muhafaza olarak kullanılmıştır. Çelik borular ve kutular nispeten düşük maliyetli, dayanıklı ve kolaylıkla temin edilebilir ve bağlı güçleri 14-17 daha büyük lizimetereleri toplamak için kullanılabilir. Bununla birlikte, iken çelik rel liç değerlendirmek için tatmin edicionları bir arada reaktif bileşikler, nitrat gibi, çelik, demir fosfat ile reaksiyona girer ve bu nedenle kaplanabilir veya başka bir şekilde fosfor süzdürme çalışma için işlemden geçirildi. Büyük çaplı toprak çekirdek elde edildiğinde yaygın, plastik kılıflar gibi kalın duvarlı (kullanılıyorsa) bir damla çekiç etkisini dayanabilir (Çizelge 80) PVC boru olarak fosfor liçi, çalışma ve yapısını korumak için kullanılır (örneğin, ≥30 cm) 18-22.
Genel olarak, toprak çekirdek lizimetereleri ex situ analiz edilmektedir. Bir kez toprak çevreleyen ve yerüstü iklimler doğal alan koşullarını temsil eder toprak çekirdek lizimetereleri açık "Lizimetre çiftlikleri" monte edilebilir, topladı. Örneğin, İsveç'te, İsveç Tarım Üniversitesi 30 cm çapında INTA ölçeklendirilebilir pestisit kader-taşıma, uzun vadeli toprak verimliliği denemeleri ve yönetim uygulamalarını analiz, son otuz yıldır, üç ayrı Lizimetre çiftlikleri korumuşturct 23 çekirdekler. Toprak çekirdek lizimetereleri da iklim koşulları 24,25 daha fazla kontrol vardır iç liç deneylere tabi tutulmuştur. Liu ve ark., Düzenli yakalamak bir dizi 26 bitkiler altında toprak çekirdek lizimetereleri sulamak için bir yağış simülatörü kullanılır. Kibet ve Kun tüm istihdam elle sulama teknikleri, toprak çekirdek 27,28 ile arsenik ve besin liç incelemek için.
edafik ve hidrolojik süreçlerin çeşitli toprak çekirdek lizimetereleri anlaşılmaktadır olabilir. Kun ve ark. (2015) üre uygulaması 28 bir azot liç araştırmak için, 30 cm çapında PVC den mamul kolon lizimetereleri kullanılır. bir sulama olayın ardından farklı zaman aralıklarında sızıntı suyu toplama, onlar makro-akışı hakim olduğu varsayılır eski ile, hızlı ve kademeli akışlarının ayırt başardık ve daha sonra matris akışı hakim olduğu varsayılır. üre kolayca iletişim wi zaman hidrolize olduğundaninci toprak, onlar toprak matrisi bypass makro-ulaşım delil olarak üre uygulamasından kısa bir süre sonra toplanan sızıntı suyunun yükselmiş üre konsantrasyonlarının varlığını yorumlanır. Zamanla, bu başlangıç hidrolizinden sonra amonyum uygulanan üre dönüşümü izleme sızıntı suyunun azot farklı formlarının yüksek konsantrasyonlarda tespit sonra amonyum dönüşümü nitrifikasyon ile nitrata.
Tasarımı, yürütülmesi ve toprak çekirdek Lizimetre deneyler yorumlama hususları göstermek için, ABD'nin orta-Atlantik kıyı ovaları bulunan dört farklı topraklarda bir soruşturma yürütülmektedir. Çalışma ölçülen liç konsantrasyonu öncesi ve kuru kanatlı gübresinin (yani, kümes hayvanları "çöp") 28 uygulamasından sonra nitrat kaybı. topraklara kanatlı altlığının uygulamasından Besin kayıplar önemli bir Chesapeake Bay sağlığına endişe ve uygulamalı etkileşimini anlamak vardırKanatlı çöp ve tarımsal toprak özellikleri besin yönetim öneriler geliştirmek için gereklidir. Biz burada, bozulmamış toprak çekirdek lizimetereleri açılan toprak nemi izleme ve bu topraklardan diferansiyel nitrat liç kayıpları yorumlamak için ayrıntılı bir yöntem mevcut.
Bu deney Delmarva Yarımadası, ABD 27,28 tarımsal topraklardan besin liç değerlendirmek için yapılan büyük bir çalışmada parçasıdır. 2010. İşte bu çalışmalardan elde edilen yayınlanmamış sonuçlarını sunmak Toprak çekirdek lizimetereleri Delaware, Maryland ve Virginia sitelerden toplanmıştır. İlk deneyler tezler topraklardan fosfor süzülmesini, nitrat liç değerlendirmek için yapılmıştır olsa da izlendi.
Chesapeake Körfezi Havzası'nın Atlantik kıyı düzlüğünde Dört ortak tarım topraklar örneklenmiş: Bojac (kaba-tınlı, karışık, semiactive, termik Typic Hapludult); Evesboro (mesic, LAMELL kaplıIC Quartzipsamment); Quindocqua (ince tınlı, karışık, aktif, mesiç Typic Endoaquult); Sassafras (ince tınlı, silisli, semiactive, mesiç Typic Hapludult). Her toprak için, ufuk morfoloji sütunları (Tablo 1) kazı ile açığa profillerdeki tanımlanmıştır. toprakların yüzey dokuları (Bojac ve Sassafras) (Quindocqua) tınlı silt ince kum / kumlu balçık balçık kum (Evesboro) arasında değişmekteydi. Tüm topraklar tarihsel olarak kümes çöp ile döllenmiş olmasına rağmen, hiçbiri çalışmadan önce 10 ay içinde uygulanmıştır. Tüm topraklar önce toprak çekirdek Lizimetre koleksiyonuna en az bir sezon için mısır üretiminde kadar hiç olmuştu.
koleksiyonu ardından, toprak çekirdek lizimetereleri State College, Pensilvanya USDA-ARS simulatorium tesisine taşınmıştır. Orada kanatlı çöp uygulamasına ilişkin besin liç değerlendirmek için kapalı sulama deneyleri (22-26 ° C) tabi tutulmuştur. spesifik olarak,percolate nitrat topraklar arasında dengelendi kadar lizimetereleri 8 hafta boyunca suyuna haftalık 2 cm ile sulanmıştır. Kümes hayvanları altlık (kuru tavuk gübresi) daha sonra, toplam N Sulama -1 5 hafta daha devam ettirilmiştir 162 kg ha oranında Tüm toprakların yüzeyine uygulandı. Nem sensörleri sulama ve liç döngüsü boyunca, sürekli olarak 5 dakikalık aralıklarla hacimsel nem içeriği kaydedildi. Sızıntı suyu 24 saat sonra toplanan ve sulamaya tekrar 7 gün sonra hemen önce oldu.
Toprak çekirdek lizimetereleri gelen sızıntı suyu verileri öncesi ve çöp uygulamasından sonra topraklar arasında sızıntı suyu miktar ve kalitede farklılıkları yanı sıra, farklılıkları göstermek için basit bir tanımlayıcı istatistikler kullanılarak analiz edildi. toprak nem sensörleri, her toprak iki kopya toprak çekirdek lizimetereleri arasında yerleştirilmiştir için (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), nem içeriği için istatistikler, n = 2 'göre s ise edildiSızıntı suyu derinliği tatistics, nitrat-N-konsantrasyonunun ve nitrat-N akı Evesboro, Bojac ve Sassafras ve Quindocqua 5 Toprak çekirdek lizimetereleri 10 zemin temel lizimetereleri elde edilmiştir. Toprakların içinde çoğaltma önemini değerlendirmek için, sızıntı suyu derinliği için varyasyon (CV) katsayıları farklı tekrarlanan numaralar için hesaplanmıştır. (Evesboro, Bojac, Sassafras için 10, 5 Quindocqua için) bir Monte Carlo simülasyonu yaklaşımı art arda her toprak grubu içinde çoğaltır toplam sayısının toprak çekirdek lizimetereleri (N = 3) bir alt kümesini örnek kullanılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lizimetre Koleksiyonu önemli adımlar
Liç çalışmalar sığ yeraltı azot kayıpları toprak özellikleri ve gübre yönetimi etkisini göstermektedir. Bu toprak yapısı, toplam yapı ve hacim yoğunluğu gibi toprak fiziksel özellikleri, su ve çözünmüş maddelerin sızma aracılık eder. Doğru Sızıntı suyu hacmi ve çözünen konsantrasyonlarını belirleyen bu kritik adımları izleyerek Lizimetre toplama sırasında bu toprağın fiziksel özelliklerinin bütünlüğünü ko…
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).
