Summary
在这里, 我们提出了一个方法, 匹配的土壤样本大小和水力电导率测量装置, 以防止所谓的墙上流动沿土壤容器内被错误地包括在水流测量。它的使用表明, 从污水灌溉网站收集的样本。
Abstract
自二十世纪六十年代代初以来, 宾夕法尼亚州立大学进行了一项替代性废水排放实践研究, 并对其影响进行了监测。污水被用于由大学管理的森林和耕地, 而不是将处理过的废水排放到溪流中, 从而直接影响水流质量。在考虑废水回用时, 与土壤水力电导率降低有关的问题。本手稿中描述的方法是, 将土壤样本大小与实验室的水力电导率测量仪的大小相匹配, 提供了相对快速的样品收集和控制的好处。实验室边界条件。结果表明, 污水回用对土壤在 depressional 地区深层输送水的能力有一定的影响。大部分的土壤水力电导率的下降似乎与收集样品的深度有关, 并通过推断, 与土壤结构和质地的差异有关。
Introduction
几十年来, 把处理过的废水从市镇排放到溪流是一种标准做法。这类废水主要用于减少由于废水排出而导致接收水域微生物的生物耗氧量的可能性。微生物的耗氧量会降低废水中的有机物, 从而减少水体排出的氧气量, 从而危害水生生物, 包括鱼类。
近几十年来, 人们对无机营养素、某些金属和废水中的其他化学物质产生了危害。由于 Kolpin 发表的一项研究 。1, 对以前未考虑过的一系列化学品的更大关注已经演变。这项由美国地质学会出版的研究, 提高了人们对在美国由于污水处理设施排出的河流和溪流中各种个人护理产品和其他化学品的认识。
自二十世纪六十年代代初以来, 宾州州立大学的研究人员研究并开发了一种在潮湿地区具有独特性的替代污水排放实践。污水被用于由大学管理的森林和被裁剪的土地, 而不是将处理过的废水排放到溪流中, 从而直接影响水流质量。这个应用领域, 绰号 "生活过滤器", 当前接受所有从校园产生的废水并且一些从自治市。这减少了过量营养素进入切萨皮克湾的溪流的可能性, 保护当地冷水渔业免受对鱼类有害的温水废水的排放, 并防止其他化学品的运送。包含在直接接触水生生态系统的废水中。
然而, 行为变化的后果总是存在的, 而这种替代性使用设施对此并不免疫。关于废水的应用是否对土壤允许水渗入土壤表面23、4、5以及造成更大的径流的能力产生了负面影响, 出现了一些问题,是否有可能污染当地的水井与化学品 (营养素, 抗生素或其他药物化合物, 个人护理产品) 所含的废水, 以及这些化学品是否正在创造负环境影响, 例如通过将化学物质吸收到植物中生长的6植株上, 或在现场7土壤生物中抗生素耐药性的发展。
由于其中的一些问题, 本研究旨在确定污水灌溉对土壤水力传导饱和度的影响。所采用的方法涉及从灌溉区内外的选定地点收集土壤, 并将土壤样品容器大小与实验室设置相匹配。土壤样品容器要适应实验室仪器和水的作用, 通过样品中的土壤基质从土壤和土壤样品容器中向下移动的水中分离出来。该协议描述了如何构造实验室设备以确保发生这种情况。
土壤样品收集使用一个液压核心取样器连接到拖拉机。土壤核心从起伏的景观中的选定区域收集, 并保留在安装在土芯取样器中的塑料套筒中。这些核心是收集从一个黑格斯敦淤泥沃土, 位于山顶景观位置或在 depressional 地区。六个代表首脑会议和六个 depressional 地点从灌溉区取样 (总共12个灌区取样地点)。此外, 还从毗邻的非灌溉区 (总共六个非灌溉场址) 取样了三个首脑会议和三个 depressional 场址。在每个地点收集最多六个核心的最大深度约为1200毫米, 每芯样品约150毫米长 (样品的100毫米被包含在塑料套筒和50毫米被包含在金属取样器的切削头中。).从金属取样器中取出后, 含有所收集的土芯的塑料套管装有端盖, 直立输送到实验室, 并存放在直立, 直到用于确定饱和水力电导率。同时, 在每个深度收集土壤样品, 以确定土壤和土壤溶液浓度的钙 (钙), 镁 (镁) 和钠 (Na) 使用 Mehlich 3 萃取估计土壤浓度8和去离子水1:2 土壤质量比的萃取物: 水质量。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法 (AES) 对水提物进行了化学分析, 计算了钠吸附比 (SAR)。
对饱和水力电导率的测定主要采用恒定水头法9。一种含有钙和钠盐的溶液来模拟出水电导率 (EC) 和 SAR 的出水, 这样土壤就会暴露在水质变量中, 类似于在田间应用的废水。在这种情况下, 欧共体是 1.3 dS/米和 sar 是 3, 反映了欧共体和 sar 最近几年在样品期间之前。[技术上说, SAR 的单位是 (milliequivalents/公升)½并且通常不被辨认在文学。
对克鲁特和埃弗里特·德克森9恒水头法的改造, 是通过沃克8的流动分离器的开发, 防止在土基质外发生的柱流被列入土液的估算中。电导 率。该流量分离器是使用聚氯乙烯 (PVC) 管材选择和加工, 以配合土壤样品大小。屏幕支持土壤样品, 并允许通过土壤基质的水流出样品的底部。第二个插座发出的水流出的塑料套管内, 从而消除所谓的 "壁流" 不正确地包括在估计的水量, 通过土壤基质。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 选择土壤取样地点
- 通过航空摄影和现场访问的地点进行识别, 这些地方已经接受了废水灌溉和那些没有的。
- 选择几个代表性的站点, 从中取样, 密切注意可能的景观差异 (特别是景观的位置, 如山顶, 山坡, 脚趾坡, 和抑郁症), 水, 土壤和植物可能会相互作用不同。
- 确定景观的一部分作为山顶, 侧面斜坡, 脚趾斜坡, 或抑郁症。根据其主要特征对代表性站点进行分类。
注: 在本实验中, 遗址被确定为非灌溉峰会、灌溉峰会、非灌溉抑郁症或灌溉抑郁症。 - 确定每个地点的位置和地点, 从每个独特的代表性站点抽取样本。
注意: 通常, 与熟悉环境统计的统计员进行的讨论在这一点上将非常有用, 并可防止以后对统计分析的关注。 - 在每个计划的样本位置放置一个标记标志, 并使用 GPS 坐标在地图上记录计划样本站点的位置。
2. 收集土壤样品
- 确定将用于收集土壤样品的设备。
注: 对于浅层 (例如, 不到300毫米深) 的土壤样品, 如果土壤足够软, 则该试验所用的圆柱形土取样器 (辅助图 1) 通常可以用落锤驱动到土壤中。在这里描述的实验中, 一个液压钻机被用来让样品从深度收集到1200毫米。
补充图 1: 用于取样的钻机。
- 将钻机运到现场进行取样。
- 在开始钻机之前, 戴上安全帽、手套和防护护目镜。
- 在钻机上通电, 并使旋转头足够低, 以允许安装凯利棒。
注: 钻杆是将钻机的驱动头连接到取样器的金属杆。 - 将凯利酒吧插入旋转头。
- 将塑料衬垫/取样管插入金属试样管中, 并将切削头附着在金属试样管的底部。在这里描述的应用, 使用150厘米长和90毫米外径 (OD) 塑料衬里安装成一个200毫米长和100毫米 OD/90 毫米内径 (ID) 金属样品管。
- 将金属样品管连接到钻杆上, 使用装有两个驱动器头。
- 操作钻机将样品管移动大约150毫米入土壤。
注: 这将提供一个100毫米样品在塑料班轮和允许一个50毫米空间在样品的顶部举行水 ponded 在样品当饱和的水力电导率测量在实验室获得。这也将有助于避免压缩土壤样品在其收集。 - 使用钻机液压系统从土壤中取出金属试样管。
- 从驱动头上取出金属试样管。然后从金属试样管中取出所持土样的塑料试样管, 用小心不要从塑料试样管内流失土壤, 而不是压缩土或挤压塑料试样管的两侧。
- 将端盖放在塑料样品管的每一端, 用红色的末端在土壤样品的顶端和黑色的土壤样品的底部。将端盖贴在套筒上, 以避免污染或样品中的水流失。
- 将样品直立放置以供运输回实验室。
- 继续取样到最深的兴趣深度, 重复步骤2.6–2.12。
3. 建立恒定水头、多柱、土壤水力电导率设置
注: 水力电导率实验室仪器根据工作由步行者10。它涉及到使用一个渗透仪, 它被构造成将样品的外边缘和包含环的圆柱体之间的流动分离到土壤基质中。下面提到的任何 PVC 管道的 ID 都不是严格的公差。有些可能很合身, 其他的可能需要一些工作 (光砂)。
- 获得100毫米长, 96 毫米 ID/114 毫米 OD 附表 40 PVC 管。
- 获得100毫米长, 73 毫米 ID/89 毫米 OD 附表 40 PVC 管和机器它有一个5毫米锥形切削刃。提供这与89毫米塑料衬垫, 以适应外径。
- 切断步骤3.2 中提到的附表 40 PVC 管的底部20毫米, 并保留它供以后使用。
- 从6毫米厚的灰色 PVC 板, 削减 155 x 155 毫米2。在正方形的中心, 机器正方形包含60–70毫米的圆的开头。
- 切割6毫米厚片的73毫米 OD/63 mm ID 附表 40 PVC 管。
注:73 毫米的淋浴排水管, 适合73毫米的 ID 附表 40 pvc 管可以切割和工作良好, 如果73毫米 OD 附表 40 pvc 管道不可用。 - 使用 pvc 水泥, 将 6 mm 厚片73毫米外径 pvc (从步骤 3.5) 20 毫米低于顶部的 89 mm 外径 pvc (从步骤 3.2)。
- 在步骤3.6 中使用的 pvc 水泥干燥后, 将两个 pvc 钢瓶中心放在6毫米板上, 然后使用 pvc 水泥将其连接到板材上。
- 钻一个孔在外面 pvc 圆筒, 集中大约15毫米在灰色 PVC 正方形之上, 容纳14毫米 PVC 适配器以有刺的末端。
- 使用 PVC 水泥将适配器水泥到位。
- 将19毫米 OD/13 毫米 ID 塑料油管连接到适配器的有刺端。
- 水泥 20 mm 的附表 40 PVC 提到的步骤3.4 到底部的灰色 PVC 广场, 以开放为中心。
- 切出一个80–85毫米直径圆片6毫米 x 18 克丝网 (镀锌钢天沟守卫工作很好为此) 插入到89毫米 od pvc 从顶部, 以便它在73毫米 od pvc 的6毫米厚实的切片。
- 选择 19 x 184 x 2438 毫米3板, 并将其切成两半, 将每个长度修剪到 1180 mm。
- 切出的6–125毫米孔相隔70毫米的板。
- 将金属丝网放在板孔下, 并将其附着在纸板上 (使用钉枪)。
- 将140毫米 (顶部开口) x 19 毫米 (喷口 OD) 漏斗置于丝网下方, 并将其附着在板上;在漏斗的边缘放置粘合剂填塞, 以消除漏斗顶部与木材之间的空隙。
-
建造一个750毫米高的木框架, 以保持板与6孔 (见步骤3.13 和 3.14) 约350毫米以上的框架底部。
- 准备这个框架的组成部分, 包括一个基地, 两个框架两端, 两个稳定的腿, 一个较低的加固基地, 稳定的基础, 中心稳定后板, 和顶部后板。
- 将板切成 19 x 184 x 1180 毫米3作为底座。
- 将两个板切割为 19 x 184 x 750 毫米3 , 每帧结束。
- 切割两个板, 以创建一个 19 x 184 x 600 毫米3稳定腿的每一端。
- 切割一个板到 19 x 184 x 1180 毫米3 , 作为一个较低的加固基地直接在板下与125毫米孔钻孔在它 (见步骤 3.14)。
- 将一个板子剪成 19 x 184 x 1219 毫米3 , 作为固定在两条稳定腿前方或后方的稳定基座。
- 将板切割成 19 x 184 x 1219 毫米3作为中心稳定后板。
- 切割一个板到 19 x 184 x 1219 毫米3作为一个顶部后板, 以增加额外的稳定性, 其中一个排水沟将附加。
注: 顶部后板和附着的排水沟应在高度, 这样, 底部的排水沟是近似在同一海拔的土壤样品套管将是当样品到位。
补充图 2: 饱和液压电导装置的前视图.请单击此处查看此图的较大版本.
-
准备补给和排水沟。
注: 每个塑料天沟约120毫米横跨和1219毫米长, 并装有端盖。- 在排水槽的一端盖上钻孔, 并在供应槽的一端, 在每个孔中容纳13毫米 HB x 可能尼龙刺头适配器。
- 在供应槽的另一端盖上钻孔, 以容纳25毫米的 PVC 管道, 以便排水回供应容器。
- 在需要的情况下, 将倾斜的 PVC 连接水泥, 以便将水排水回供应容器。
- 切割一个40毫米高天沟年底帽, 以适应在供应天沟约10厘米从 PVC 连接的插座。
- 在该端盖的顶部切下一个梯形凹槽, 大约20毫米深, 30 毫米宽在底部和50毫米宽在凹槽的顶端。
注: 这将采取行动, 保持一个恒定的头在供应排水沟。 - 将排水槽放在漏斗下面, 使其停留在木框架的下部加固底座上。
- 使用乙烯槽衣架将供应槽连接到顶部后板。
补充图 3: 供水排水沟的末端视图.请单击此处查看此图的较大版本.
-
准备水源。
- 将塑料管材连接到供应槽和排水槽中的尼龙带刺端适配器。
- 将一个大浴缸放在与导电装置相邻的地板上, 作为供应容器。
注: 应选择浴缸, 以保持足够的水, 至少24小时的测量。 - 将一个小型潜水泵放入浴缸中, 通过塑料油管将其连接到供应槽的入口端。
- 将小塑料油管连接到壁流插座的带刺端适配器 (3.9), 并将油管的非连接端插入排水槽。
- 用水填满供应容器。
- 插入泵并运行它, 以填补供应排水沟。确保将水输送到供应槽的速度足以使供应槽几乎满溢而不溢出。
-
准备一个 "实践土壤样本", 以确定所需的任何修改。
- 将 "练习" 土壤样品放入塑料取样套筒中, 在土壤顶部与塑料套筒顶部之间留出约50毫米的空间。
- 用双层的棉布盖住样品的下端和套筒。用足够大小的橡皮筋将棉布在取样套筒上。
- 将练习土壤样品和套筒放入一盆水中, 填充到袖子高度的1/3 左右, 棉布端在水中。
- 几个小时后, 把浴缸里的水提高到样品高度的大约2/3。在允许样品过夜后, 将浴缸填入土壤样品的顶端 (而不是袖子的顶端)。
- 将土壤样品放在89毫米外径的 PVC 管上面, 轻轻地将其压在管子上, 使 pvc 管削尖的边缘压入土壤几毫米, 以允许土壤底部在屏幕上休息。
注: 棉布将需要松动的橡皮筋, 以允许这一点。另外, 请注意, 试样套筒中的土壤顶部应与供应槽底部近似水平, 试样套筒的顶部应与供应槽顶部近似水平。 -
在土壤样品的顶端提供水。
- 打开水泵, 填充供给槽。
- 确保引流管的末端放在排水槽内, 排水槽的出水口与塑料油管紧密连接, 并将其置于较低海拔的排水管或容器中。
- 使用6毫米油管, 创建一个虹吸从供应排水沟到土壤顶部。
- 收集从漏斗排出的土壤核心的水样。
注: 根据研究标准, 应收集样品以获得足够的水所需的时间长短, 以达到实验所需的精确度。 - 检查是否有泄漏或未预料的问题。
- 根据所需的时间, 确定需要多少时间来收集足够的水 (或由研究小组确定的其他容积), 以填补大约100毫升的烧杯。
- 通过在塑料土样容器内插入一个小螺丝刀或另一种类似的执行器来创建模拟的 "壁流", 以确认此通道产生的多余流量通过引流管流向排水槽。
- 根据本练习运行中发现的任何问题修改安装程序。
4. 获取土壤水力电导率值
- 根据步骤3.20 中为练习运行提供的指示, 将从现场收集的土壤样品棉布, 覆盖在与橡胶带保持在一起的样品的底部。
- 启动泵并允许供应槽填充。检查是否有泄漏。
- 将样品放到液压电导装置上, 并进行实际运行。注意不要在搬运过程中压缩样品。
- 设置虹吸管, 将水从补给槽中移到塑料套筒所含土壤的表面。
- 最初, 开始收集水从漏斗每10–20分钟, 以获得一个想法, 需要多长时间取样和多频繁取样。记录时间和水质量/体积在每个样品时间为每个土壤样品。
- 寻找顺序样品包含等量的水。3–5样品含有相同量的水后, 样品有可能达到稳定状态。
注: 为确保已达到稳定状态, 可能需要另外安排1小时的额外样品。 - 利用达西定律计算饱和水力电导率;
地方
Ksat = 饱和水力电导率 (升/吨)
V = 流经核心的水的稳态容积 (L3)
l = 样品长度 (l)
A = 芯 (L2) 的剖面区域, 水流过。对于此设置,
t = 时间 (t)
(h2- h1) = 液压头差 (L);对于这个设置, 它是在土壤表面和土壤样品的底部的水 ponded 的顶部之间的距离。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
为了探讨污水在活滤网中的应用是否影响了土壤输送水的能力, 我们进行了试验, 以测量土壤的饱和水力电导率。我们比较了土壤的水力电导率与现场的非灌溉区的灌溉面积。废水对土壤水力电导率的影响是一个令人关注的问题, 因为有些报告指出, 在较潮湿的地区, 土壤输送水的能力减少 (例如) 土壤中钠的积聚或从表面生物外壳的发展。对于收集的用于水力电导率测量的样品, 收集了一米内的水电导率样品中相邻位置的样品, 用于测定土壤溶液中钙、镁和钠的主要阳离子。在土壤溶液中, 钙、镁、钠的含量由1:2 种土壤质量来估计: 水质量比去离子水提取物的土壤, 并根据取样时土壤含水量的数值反计算。这些土壤溶液浓度用于计算土壤溶液的钠吸附比, 其定义如下:
在 milliequivalents (meq)/升中给出钠、钙和镁的值。(对于 Na, meq/l = 毫克/升的数量除以 23; 对于钙, meq/升 = 毫克/升除以 20; 对于镁, meq/升 = 毫克/升除以12。
研究表明, depressional 地区的水力电导率随深度的降低而减小 (图 1), 而 K 的关系在非灌溉区的深度存在。
在考虑 k 与 sar 的关系时, 对于20厘米以下的土壤样本, 在非灌溉洼地的土壤溶液中, ksat与 sar 有强烈的正相关关系 (图 2), 但强烈的负Ksat与 SAR 在灌溉洼地中的关系。应指出的是, 非灌溉区的 SAR 值明显低于灌区, 在不预期土壤的水力电导率会受到影响的范围内。在灌区的 SAR 值要高得多, 虽然它们在不预期的范围内会造成水力电导率的降低, 但观察到 Ksat与 SAR 之间存在强烈的负相关关系 (图 2).
研究了非灌溉凹陷的 sar 深度分布情况 (图 3), 土壤溶液 sar 与土壤深度的关系不大。因此, 随着深度的变化, 土壤特征 (结构、质地) 的改变, 可能会使 Ksat值的下降关系受到影响。相比之下,图 4表明, 土壤深度和土壤溶液 SAR 在灌溉 depressional 地区之间有很强的关系。由于土壤深度与土壤溶液中的 sar 之间存在强相关性, 在一定程度上, 随着深度的增加, ksat与 sar 之间的强关系很可能是由于土深与土的结合。不过, 事实上, 由于香港特区的增加, K 只会有所减少 。
图 1: 灌溉和非灌溉洼地的饱和水力电导率与土壤深度的关系。
图 2: 灌溉和非灌溉凹陷土壤溶液饱和水力电导率与钠吸附比 (SAR) 的关系。
图 3: 在非灌溉洼地中的场址取样深度对土壤溶液中平均 SAR 值的评价。
图 4: 土壤溶液 SAR 的深度对位于灌溉凹陷的场址的价值。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
收集现场、未受干扰的土壤样品和获得其水力电导值的能力在获得现场数据代表方面具有重要意义。为了最好地代表田间条件, 重要的是使用土壤样本保持在物理状态代表他们的环境在田间。例如, 从现场收集的土壤样品, 然后由抽样或处理诱发压实, 将会遇到影响饱和水力传导性的结构变化。
在受控实验室设置中测量土壤水力电导率也很重要。然而, 使用实验室方法来计算饱和水力电导率, 但不能解释样本容器内部的流动 (所谓的 "壁流") 会导致结果的重现性差, 并且由于方法学而产生的高变异性而不是由于自然的变异性。
自从1982年光盘渗透仪的发展, 由 Perroux11, 根据 Clothier 和白12的工作, 已花费了很大的努力, 以更满意地获得实地土壤水力电导率测量13。有现场测量是非常可取的, 因为 "扰动" 土壤样本 (例如, 干燥和地面样品重新包装成一列) 不反映自然土壤条件。
然而, 以田间为基础的方法获得土壤水力电导率也存在弊端。用实地方法做的一个假设是, 用于测量水进水率的设备的土壤是均匀的13。然而, 大多数土壤不是均匀的, 而是由不同于其电导率的土壤材料层组成。
另一个缺点是, 除了现场准备时间外, 一个广泛的抽样活动可以要求第1-4 h (或更多) 测量时间。早期的工作在这个网站14需要几个星期完成使用安克尼et al13的方法。其结果是, 大量样品的收集将需要大量的时间, 使田间条件发生变化 (如植物生长、含水量等), 取样也可能干扰田间操作 (例如, 在这种情况下, 废水灌溉的应用和收获)。环境条件 (如降雨) 的差异会导致土壤化学性质的变化。在本实验中, 由于降雨入渗和下水运动, 土壤中钙、镁和钠的浓度发生了变化。
由于所涉及的体力劳动和时间长度所需的准备场地时, 它覆盖了植被14, 并需要时间长短收集场基饱和水力电导率值, 获得能力在一系列土壤深度和场地位置上的代表性值可以要求每个样本每深度有半天的时间。必要的工厂生产现场作业, 包括灌溉, 可能会限制样品收集的时间长短。
此外, 即使在许多地点对饱和水力电导率进行实地测量所需的时间是可用的, 但在现场和若干深度获取样品的时间长短必然会导致收集大量样品。在不同的环境条件下, 这些变化是日复一日的 (或者更频繁)。
从现场采集的带有水压土取样器的样品可以在较短的时间内收集, 从而减少了在现场现场可能发生的变化。然而, 从这些样品中获得土壤水力电导率的实验室程序具有明显的劣势, 即受所谓的 "壁流"10的损害。壁流是在样品容器的内部流动的水, 当样品被放置在一个恒定的顶头设备通常用于获得土壤水力电导率估计。这样的水流, 如果它被包括在测量水的流动率通过土壤, 导致错误地高估计水力电导率。这篇手稿描述了一个实验室设置, 以消除墙壁流量的估计土壤水力电导率, 和样本收集方法, 匹配的土壤样本大小的实验室设备的大小。
关键步骤是收集尚未压实的土壤样品。尽管土壤水分状况会影响取样器的阻力和土壤的相容性, 但建议收集的样品长度应比插入到样品中的试样短一些。金属样品管。
将样品从田间运到实验室应以最大限度地减少对它们的干扰。保持直立, 确保他们没有紧密的相互包装, 将有助于减少处理干扰。
该协议最关键的一步是建立实验室设备, 以匹配从现场收集的样本大小, 以便不包括从土壤基质10收集的水中的壁流。虽然本实验室仪器的描述是针对特定尺寸的样品容器, 但如果实验室仪器中的样品持有者的尺寸相似, 则可以使用其他大小的容器。
一旦原型组装, 应利用故意创建的测试样本, 以使墙壁流, 以确定该仪器的建设确实是真正分离的墙流从土壤基质流动。另一项重要的观察是, 最终设计是否允许在土壤样品的顶部建立一个恒定的水头, 而不使塑料土容器溢水。土壤容器的顶部必须高于供水槽水位。这是至关重要的。如果水 overtops 塑料土容器, 那么尺寸可能没有正确测量。这可以通过在塑料土容器的顶部安装一个橡皮环来克服, 小心不要扰乱土壤样品。
所需的样品收集时间将取决于为实验精度设定的标准以及水在土壤中流动的速率。例如, 每个小时可能需要收集10–20分钟12小时的样品, 直到每次抽取样品时, 相对恒定的水量流经土壤核心和取样容器。在其他情况下, 样品可能只需要收集8–10分钟的3或4小时之前, 恒定的水量在土壤中移动的一个给定的样本期。在采样时间的同一时期内, 恒定的水量表明已经达到了 "稳态" 状态。
为饱和水力电导率分析准备了土壤芯, 然后将棉布放在每个核心的底部, 然后将核心放在一盆水中, 使样品从底部慢慢饱和, 至少在24小时内。
在 presaturation 后, 核心被从浴缸中除去, 每个核心的底部都设置在一个流动分离器上, 设计用来分隔包含土壤的塑料套筒两侧的任何流动, 从土壤本身流出。六土芯一次被放置在这个装置上, 其中包括一个带排水沟系统10的长凳, 其中包含一个堰, 用于将水输送到土壤样品的顶部, 通过虹吸管在恒定的头上。水被抽水到排水沟系统从水库使用潜水泵。
流动分离器本质上是一个100毫米长和100毫米直径的 PVC 管, 作为持有者, 其中的塑料套管持有土壤样品坐。第二个 PVC 管 (直径约75毫米和75毫米长) 被削尖, 使土壤样品接触这个 pvc 管的锋利的边缘, 并且适合在外部 pvc 管子之内, 与塑料袖子举行土壤样品拟合在更小的 PVC 管子外面。在较小的 PVC 管的屏幕支持土壤样品, 并允许通过土壤的水流出的样品底部。第二个插座发出的水流出的塑料套管内, 从而消除所谓的 "旁路流" 不正确地包括在估计的水量, 通过土壤基质。
对该技术的一个重要限制是土壤, 如粘土含量高, 具有低饱和水力电导率。具有极低饱和水力电导率的土壤通常必须用 "下落头" 方法确定其电导率, 而不是在这里使用的恒定头方法7 。此处描述的设备需要进行重大修改, 以便能够使用下降头方法。
该设计已发现提供了更一致的结果饱和土壤水力传导率10比传统的实验室方法9。使用该设计应有助于减少记录错误的高估计饱和土壤水力电导率由于错误地包括墙壁流量估计在一段时间内流经土壤的水量估算的频率。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者想感谢宾夕法尼亚州立大学物理工厂办公室提供部分资金支持这个项目。农业部-区域研究项目 W-3170 也提供了部分资金。我们要感谢以法莲 Govere 协助进行分析工作。我们最深切的谢意是查尔斯沃克, 他的工程设计和施工技巧使我们有可能进行这项工作。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sampling equipment: | |||
| Soil Sampler Drill Rig | Giddings Machine Co. Inc | #25-TS / Model HDGSRTS | * NOTE: This model is comparable to the model we utilized but which is no longer produced |
| Kelly Bar | Giddings Machine Co. Inc | #KB-208 8 Ft. Kelly Bar | |
| Soil Sample Collection Tube | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-180 4-3/4” X 7-1/4” | |
| Soil Collection Tube Bit | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-190 4-3/4” Standard Relief | |
| Plastic Liner for Soil Sample | Giddings Machine Co. Inc | #ZC-208 3-5/8” x 6” | Enough for the number of samples being collected |
| Black end caps a for bottom of sample liners | Giddings Machine Co. Inc | To retain samples in liners | |
| Red end caps a for top of sample liners | Giddings Machine Co. Inc | To retain samples in liners | |
| Cooler Chest | Store & maintain samples upright in sample liners during transport from field to lab | ||
| Protective gear: | |||
| Hardhats, googles, and gloves | other items as needed for personal protection | ||
| Saw | |||
| Drill and bits | |||
| PVC Cement | |||
| 6 to 8, 19 mm x 184 mm x 2,438 mm boards | |||
| 2 – barbed fittings; 13 mm HB x MGHT | to connect plastic tubing to supply gutter and to drainage gutter | ||
| 6 – barbed fitting | to connect plastic tubing to outer PVC cylinder to allow for water drainage | ||
| 3,000 mm long, 19 mm OD / 13 mm ID plastic tubing | |||
| 6 – 85 mm diameter circular mesh pieces | Can be cut from (e.g.) a 600 mm long, 6 mm x 18 gauge wire mesh (e.g. galvanized steel gutter guard) | ||
| Schedule 40 PVC pipe – 96 mm ID / 114 mm OD | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 73 mm ID / 89 mm OD | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 63 mm ID / 73 mm OD, OR 6 - 73 mm plastic shower drains | |||
| Schedule 40 PVC pipe – 25 mm ID | |||
| 6, 6 mm thick x 155 mm square sheets of PVC | Can purchase 2 – 6 mm x 300 mm (appx) sheets for about $20 each from: https://www.interstateplastics.com/Pvc-Gray-Sheet-PVCGE~~SH.php?vid=20180212222911-7p | ||
| 6 – 140 mm by 19 mm plastic funnels | To direct water flowing from soil sample into collection beaker | ||
| Adhesive caulk | |||
| 1 – length of 150 mm x 1,200 mm wire mesh cloth | 4 Mesh works well | ||
| 2 – 120 mm x 1,219 mm plastic gutter with end caps | |||
| 4 – gutter hangers | |||
| 1 - additional gutter end cap | To be cut as described in procedures to create a constant head in the supply gutter | ||
| 1 – large plastic tub | Appx 65 L in volume, for example, to serve as water source for the hydraulic conductivity procedure | ||
| 1 – large plastic tub | To serve for wetting up soil samples | ||
| 1 – Submersible pump | e.g. Beckett M400 AUL or M400 AS | ||
| Plastic tubing | Various sized drainage tubes, water supply tube, and drain from drainage gutter | ||
| Container of Cheese Cloth | To place at bottom of soil sample help retain soil in plastic sample container during hydraulic conductivity and wetting up | ||
| Rubber bands | Large enough to fit around plastic sample liners tightly | ||
| Scale which measures to at least 0.1 g | |||
| Beaker or other container to collect water from each sample | |||
| Sodium Chloride | For creating a water quality similar to that which is typically applied to the soil | ||
| Calcium Chloride | For creating a water quality similar to that which is typically applied to the soil |
References
- Kolpin, D. W., et al. Pharmaceuticals, hormones, and other organic wastewater contaminants in U.S. streams, 1999-2000: a national reconnaissance. Environmental Science & Technology. 36 (6), 1202-1211 (2002).
- Duan, R., Sheppard, C. D., Fedler, C. B. Short-term effects of wastewater land application on soil chemical properties. Water, Air, & Soil Pollution. 211 (1-4), 165-176 (2010).
- Frenkel, H., Goertzen, J. O., Rhoades, J. D. Effects of clay type and content exchangeable sodium percentage, and electrolyte concentration on clay dispersion and soil hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal. 42 (1), 32-39 (1978).
- Goncalves, R. A. B., et al. Hydraulic conductivity of a soil irrigated with treated sewage effluent. Geoderma. 139 (1-2), 241-248 (2007).
- Halliwell, D. J., Barlow, K. M., Nash, D. M. A review of the effects of wastewater sodium on soil physical properties and their implications for irrigation systems. Australian Journal of Soil Research. 39 (6), 1259-1267 (2001).
- Franklin, A. M., Williams, C. F., Andrews, D. M., Woodward, E. E., Watson, J. E. Uptake of Three Antibiotics and an Antiepileptic Drug by Wheat Crops Spray Irrigated with Wastewater Treatment Plant Effluent. Journal of Environmental Quality. 45 (2), 546-554 (2016).
- Franklin, A. M., et al. Antibiotics in agroecosystems: introduction to the special section. Journal of Environmental Quality. 45 (2), 377-393 (2016).
- Wolf, A. M., Beegle, D. B. Recommended soil tests for macronutrients. Recommended Soil Testing Procedures for the Northeastern United States. Sims, J. T., Wolf, A. , 3rd ed, Agricultural Experiment Stations of Connecticut, Delaware, Maine, Maryland, Massachusetts, New Hampshire, New Jersey, New York, Pennsylvania, Rhode Island, Vermont, and West Virginia. University of Delaware, Newark. Northeast Regional Bulletin No. 493 39-47 (2011).
- Klute, A., Dirksen, C. Hydraulic conductivity and diffusivity: laboratory methods. Methods of Soil Analysis: Part 1-Physical and Mineralogical Methods. Klute, A. , Soil Science Society of America, American Society of Agronomy. Madison, WI. 687-743 (1986).
- Walker, C. Enhanced techniques for determining changes to soils receiving wastewater irrigation for over forty years. , The Pennsylvania State University. University Park, PA. Dissertation (2006).
- Perroux, K. M., White, I. Designs for disc permeameters. Soil Science Society of America Journal. 52 (5), 1205-1215 (1988).
- Clothier, B. E., White, I. Measurement of sorptivity and soil water diffusivity in the field. Soil Science Society of America Journal. 45 (2), 241-245 (1981).
- Ankeny, M. D., Ahmed, M., Kaspar, T. C., Horton, R. Simple field method for determining unsaturated hydraulic conductivity. Soil Science Society of America Journal. 55 (2), 467-470 (1991).
- Larson, Z. M. Long-term treated wastewater irrigation effects on hydraulic conductivity and soil quality at Penn State's Living Filter. , The Pennsylvania State University. University Park, PA. Master thesis (2010).
