Een protocol voor het verzamelen en Constructing Soil Core lysimeters

Environment

Your institution must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Saporito, L. S., Bryant, R. B., Kleinman, P. J. A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters. J. Vis. Exp. (112), e53952, doi:10.3791/53952 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

De Delmarva schiereiland grenst aan de oostelijke oever van de Chesapeake Bay, en is de thuisbasis van een van de grootste productie van pluimvee regio's in de Verenigde Staten. Ongeveer 600 miljoen kippen en naar schatting 750.000 ton mest uit de winning van deze vogels per jaar 1. Het grootste deel van de mest wordt lokaal gebruikt als meststof amendement over de akkers. Vanwege de historisch hoge tarieven van de mest, voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor hebben opgebouwd in de bodem en zijn nu gevoelig voor off-site verliezen via ondergrondse uitspoeling 2. Een groot deel van de grondwaterstroming is gericht op een uitgebreid netwerk van sloten die uiteindelijk drain naar de Chesapeake Bay 3. De vervoerd naar de Bay voedingsstoffen zijn gekoppeld aan de achteruitgang van de gezondheid van de Bay's als gevolg van eutrofiëring 4.

Aansluiten nutriëntenbeheer met off-site verliezen van nutriënten vereist gespecialiseerde tools waarmee hydrologische controlerenstromen en bijbehorende transfers voedingsstoffen. Lysimeters vertegenwoordigen een belangrijke categorie van instrumenten die worden gebruikt voor het karakteriseren en kwantificeren van de beweging van voedingsstoffen door de bodem. Lysimeters hebben een lange geschiedenis van gebruik in de controle van voedingsstoffen stroming in sijpelt water 5-7, van spanning lysimeters die kunnen worden aangepast aan de bodem matrix potentiële tegen te gaan, zodat ze betere inschatting fabriek beschikbare water, tot nul-spanning lysimeters die meer representatief zijn voor processen die tijdens vrije drainage. Alle benaderingen om de huidige inherent vooroordelen lysimetery. Trouwens, lysimeters te klein ruimtelijk complexe processen volledig weer in natuurlijke grond, of te groot en duur om goede statistische replicatie van heterogene bodem 8 voorzien. Verder pan lysimeters vereisen bodems boven hen worden verzadigd met percolaat te verzamelen en zijn inefficiënt in vergelijking met de spanning lysimeters op het meten van matrix stroming 9.

Gesloten lysimeter systemen,zoals zero-spanning bodem kern lysimeters (ook bekend als bodem monoliet lysimeters), sterk verbeteren van het vertrouwen waarmee water budgetten en de bijbehorende vervuilende budgetten (bijvoorbeeld nutriëntenhuishouding) worden 10 uitgevoerd. Deze lysimeters zijn het meest representatief als ze intact kernen van de bodem bevatten; lysimeters gevuld met herverpakt bodems niet handhaven van de oorspronkelijke structuur, de horizon en macroporiediameter verbindingen die het transport van opgeloste stoffen en deeltjes verbindingen zowel 11,12 beïnvloeden. Uit een experimentele stand punt, benaderingen die grotere replicatie van ongestoorde bodemgesteldheid te vergemakkelijken zijn gunstig, gezien de inherente ruimtelijke variabiliteit die in de bodem fysische en chemische eigenschappen 13 bestaat.

Twee geprefereerde methoden zijn gebruikt voor het verzamelen van intacte bodem kern lysimeters: daling hamer en snijkop. Eerstgenoemde is vaker uitgevoerd omdat het kan worden verkregen met inrichtingen zo eenvoudig als een slee hammer (kleinere lysimeters). Wanneer goed uitgevoerd, heeft bodem kerncollectie met een valblok aangetoond relatief kosteneffectief, vooral in vergelijking met andere technieken uitboren. Echter, de enorme krachten opgelegd door het besturen van een lysimeter behuizing in de grond vlekken veroorzaken en verdichting, het produceren van omstandigheden in de lysimeter die niet representatief zijn geboortegrond en kan zelfs bepaalde vormen van beweging van het water (bijvoorbeeld bypass doorstroming bevorderen, of stroming langs de bodem kern rand). Als gevolg daarvan hebben sommige onderzoekers de voorkeur het gebruik van corers die weggesneden een intacte bodem met een boorinrichting of andere uitgraving apparaat 5.

Diverse materialen zijn gebruikt als omhulsels voor bodem kern lysimeters. Stalen buizen en dozen zijn relatief goedkoop, duurzaam en gemakkelijk beschikbaar en kunnen worden gebruikt om grotere lysimeters innen hun kracht 14-17. Hoewel staal is bevredigend voor het evalueren van de uitloging van reltief reactieve verbindingen zoals nitraat, ijzer staal reageert met fosfaat en moet worden bekleed of anderszins behandeld voor de studie van fosfor uitloging. Gewoonlijk worden plastic omhulsels gebruikt fosfor uitspoeling, zoals dikwandige (Schema 80) PVC pijp die het effect van een valblok (indien gebruikt) kan weerstaan ​​bestuderen en structuur behouden als grotere diameter bodem kernen worden verkregen (bijv ≥30 cm) 18-22.

In het algemeen worden de bodem kern lysimeters geanalyseerd ex situ. Eenmaal verzameld, bodem kern lysimeters kunnen in de buitenlucht "lysimeter boerderijen" worden geïnstalleerd waar de omringende grond en boven de grond klimaten vertegenwoordigen natuurlijke veldomstandigheden. Bijvoorbeeld, in Zweden, de Zweedse Landbouw Universiteit heeft drie afzonderlijke lysimeter boerderijen gehandhaafd in de afgelopen drie decennia, het analyseren van pesticide lot-vervoert, op lange termijn vruchtbaarheid van de bodem proeven, en het management praktijken die kan worden geschaald tot 30 cm diameter INTAct 23 kernen. Soil kern lysimeters zijn ook onderworpen aan indoor uitloging experimenten waar sprake is van een grotere controle over de klimatologische omstandigheden 24,25. Liu et al. Gebruikte een regenval simulator om regelmatig te irrigeren bodem kern lysimeters onder een scala van vanggewassen 26. Kibet en Kun alle werknemers de hand irrigatietechnieken arseen en uitspoeling van voedingsstoffen in de bodem te bestuderen kernen 27,28.

Een verscheidenheid aan edafische en hydrologische processen kunnen worden afgeleid uit de bodem kern lysimeters. Kun et al. (2015) gebruikt 30 cm diameter PVC kolom lysimeters stikstof uitspoeling na ureum applicatie 28 onderzoeken. Door het verzamelen van percolaat op verschillende tijdstippen na een irrigatie-evenement, waren ze in staat om onderscheid te maken tussen een snelle en geleidelijke stromen, met de voormalige verondersteld te worden gedomineerd door macroporiediameter flow, en de later aangenomen te worden gedomineerd door matrix flow. Sinds ureum gemakkelijk wanneer wordt gehydrolyseerd in contact with bodem, geïnterpreteerd zij de aanwezigheid van verhoogde ureum concentraties in percolaat kort verzameld na ureum toepassing als bewijs van macroporiediameter transport dat de bodem matrix omzeild. Tijd, ze ontdekt verhoogde concentraties van verschillende stikstofvormen in percolaat, volgen de transformatie toegepaste ureum ammonium na initiële hydrolyse, wordt de omzetting van ammonium in nitraat nitrificatie.

Om te illustreren overwegingen bij het ontwerpen, uitvoeren en interpreteren van de bodem kern lysimeter experimenten, voerden we een onderzoek naar vier verschillende bodems gevonden in het midden van de Atlantische kustvlakte van de Verenigde Staten. De studie gemeten uitloging concentratie en verlies van nitraat voor en na toepassing van droge pluimveemest (dat wil zeggen, gevogelte "nest") 28. Nutriëntenverliezen van de toepassing van pluimveemest naar de bodem zijn een belangrijke zorg voor de gezondheid van de Chesapeake Bay, en het begrijpen van de interactie van de toegepastepluimveemest en landbouwgrond eigenschappen is nodig om voedingsstoffen aanbevelingen te verbeteren. Wij presenteren hier een gedetailleerde methode voor het extraheren van intacte bodem kern lysimeters, het bijhouden van bodemvocht, en het interpreteren van differentieel de nitraatuitspoeling verliezen als gevolg van deze gronden.

Dit experiment maakt deel uit van een grotere studie uitgevoerd om de uitspoeling van nutriënten beoordelen van landbouwgronden van de Delmarva schiereiland, USA 27,28. Soil kern lysimeters werden verzameld van sites in Delaware, Maryland en Virginia in 2010. Hier gepubliceerde resultaten van deze studies presenteren wij. Hoewel de eerste experimenten werden uitgevoerd om fosfor uitspoeling, nitraatuitspoeling beoordelen van scripties bodem werd ook gecontroleerd.

Vier gemeenschappelijke landbouwgronden van de Atlantische kustvlakte van de Chesapeake Bay Watershed werden bemonsterd: Bojac (grof-leem, gemengd, semiactive, thermische typic Hapludult); Evesboro (Mesic, gecoat Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fine-leem, gemengd, actief, Mesic typic Endoaquult); Sassafras (fine-leemachtige, kiezelhoudende, semiactive, Mesic typic Hapludult). Voor elke bodem werd horizon morfologie beschreven van profielen blootgelegd door het uitgraven van de kolommen (tabel 1). Oppervlaktestructuren van de gronden varieerde van zand (Evesboro) naar fijn zand / zanderig leem leem (Bojac en Sassafras) naar leem dichtslibben (Quindocqua). Hoewel alle bodems historisch gezien bevrucht met pluimveemest, was geen toegepast in de 10 maanden voorafgaand aan het onderzoek. Alle gronden waren geweest no-till maïs productie gedurende ten minste één seizoen voorafgaand aan de bodem kern lysimeter collectie.

Na inzameling, werden bodem kern lysimeters vervoerd naar de USDA-ARS simulatorium faciliteit in State College, PA. Er waren ze onderworpen aan indoor irrigatie experimenten (22-26 ° C) om de uitspoeling van nutriënten in verband met pluimveemest aanvraag te beoordelen. specifiek,lysimeters werden geïrrigeerd met 2 cm water per week gedurende 8 weken tot nitraat in het percolaat werd in evenwicht tussen de bodems. Pluimveemest (droge pluimveemest) werd vervolgens aangebracht op het oppervlak van alle bodems met een snelheid van 162 kg ha -1 van de totale N. Irrigatie werd 5 weken voortgezet. Vochtsensoren opgenomen volumetrisch vochtgehalte interval van 5 minuten voortdurend, gedurende de irrigatie en uitspoeling cyclus. Percolaat werd na 24 uur opnieuw 7 dagen later onmiddellijk voor irrigatie.

Percolaat data uit de grond kern lysimeters werden geanalyseerd met eenvoudige beschrijvende statistieken verschillen in percolaat kwantiteit en kwaliteit tussen bodem, en de verschillen voor en na toepassing strooisel illustreren. Omdat bodemvochtsensoren in slechts twee van de repliceren bodem kern lysimeters werden geplaatst voor elke grond (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistieken voor de bodem vochtgehalte waren gebaseerd op N = 2, terwijl statistics voor percolaat diepte, nitraat-N-concentratie en nitraat-N flux werden afgeleid uit 10 bodem kern lysimeters voor Evesboro, Bojac en Sassafras en 5 bodem kern lysimeters voor Quindocqua. Om het belang van replicatie binnen de bodem te beoordelen, werden variatiecoëfficiënten (CV) voor percolaat diepte berekend voor verschillende repliceren nummers. Een Monte Carlo simulatie benadering werd gebruikt om herhaaldelijk monsters een subset grond kern lysimeters (N = 3) van het totale aantal herhalingen binnen elke groep bodem (10 voor Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 voor de Quindocqua).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Voorbereiding van de Materialen

  1. Snijd het belangrijkste orgaan van de lysimeter van 30,5 cm (12 inch) diameter (ID; nominaal) schema 80 PVC; Dit heeft een wanddikte van 1,9 cm (0,75 inch) (figuur 1a). Snijd de lengte van de lysimeter instantie afhankelijk van de dikte van de grondlaag (en) te bestuderen; Hier, gebruik dan een 53 cm (21 inch) lang lichaam. Rout een 0,63 cm diep en 45 ° afschuining rond het ondereinde van de lysimeter een scherpe voorrand op de binnenwand van de lysimeter lichaam te vormen om te helpen bij het doorsnijden van de grond.
  2. Wijzigen van een 34,5 cm ID, vlakke bodem PVC cap door lijmen een 15,3 cm hoog 30,5 cm ID ring op schema 80 PVC in de dop te zorgen voor gratis afvoer van water en voer opslagcapaciteit voor percolaat vóór de winning (figuur 1b). Snijd de ring van dezelfde stam als het belangrijkste orgaan om te dienen als een koppeling met de kap aan het lichaam te sluiten. De kap wordt samengevoegd met het lichaam met een flexibele koppeling en slangklemmen (Figuur 1c en 1d). Installeer een haven voor bemonstering door het boren van een 1,27 cm gat en erop te tikken met een 1,27 cm 14 NPT pipe tik en draai een 1,27 cm nylon prikkeldraad male adapter (Figuur 1e) in de buitenste rand van de kap, waar de zijwand en de bodem samenkomen.
  3. Snijd een schijf met een diameter van 34 cm 1,27 cm dik plat stock PVC dat wordt gebruikt om de bodem van de lysimeters (figuur 1G) omvatten. Drill 180, gelijkmatig verdeeld, 0,32 cm. diameter gaten in de schijf kan worden afgevoerd uit de onderkant van de bodem gevulde lysimeter- de kap voeren. Lijm grondzeil of ander filter materiaal aan één zijde van de schijf bodem- passeert door de onderste schijf tijdens percolaatdrainage.
  4. Build te tillen schaar van 2,5 cm stijltang en 2,5 cm waterleiding (figuur 2). Snijd twee 2,5 cm stroken plat ijzer 50,0 cm lengte en buigen in een halve cirkel met de buitenkant van het lichaam lysimeter als richtlijn. Weld a 5 cm ben aan elk uiteinde van elke halve cirkel band. Toetreden elk van de banden met een scharnierpen. Las de waterleiding op de buitenste ring van de bands tegenover elkaar.

2. Driving Lysimeteronderzoek behuizing in de grond met de Drop Hammer

  1. Verwijder oppervlak vegetatie, rotsen en ander puin uit de collectie gebied. Positie 2 lysimeter lichamen op een vlakke ondergrond waar de lysimeters moeten worden genomen (figuur 3a). Zorg ervoor dat lysimeters zijn niveau, zodat de bodem binnen de kolom is van een gelijke diepte.
  2. Drive een speciaal ontworpen trailer gemonteerde, daling hamer op zijn plaats over de lysimeter lichamen. Wanneer de daling hamer op zijn plaats is, implementeren hydraulisch aangedreven stempels om de stalen plaat ter hoogte van de grond en de bovenkant van de lysimeter lichamen. De stempels bieden ook de stabiliteit van de drop hammer (figuur 3b).
  3. Gedeeltelijk hijsen de dikke 10,2 cm, 1,52 m bij 1,52 m vierkante stalen plaat met een gewicht van 1180 kg van een 3 meter toren met behulp vaneen mechanische lier (figuur 3b). Laat de stalen plaat aan de kolommen hamer in de bodem.
  4. Herhaal stap 2.3 meerdere keren totdat de kolom rand is 2 cm boven het maaiveld (zie figuur 3c).
  5. Controleren grondverdichting in de lysimeter- door meting van de diepe aarde binnen en buiten de kolom. Als de bodem in de kolom is dan 1 cm lager dan de bodem buiten de kolom bodems gecompacteerd en zijn niet geschikt voor onderzoek.

3. Het verwijderen van de Soil Core

  1. Plaats een geperforeerde PVC schijf (figuur 1c) en flexibele pijp koppeling (figuur 1d) over de kolom om besmetting door de bodem en ander vuil tijdens de opgraving proces te voorkomen.
  2. Graaf een greppel naast de bodem kern en iets dieper dan de kolom bodem met een backhoe (figuur 4a).
  3. Verbreed het gat met een schop of kies (figuur 4b) en ontmaskeren als mUCH van de buitenzijde van de cilinder mogelijk.
  4. Druk op een zwaar metaal graven staaf langs de gehele lengte van de zijde van de kolom zodat deze tussen de grond en buitenwand kolom (Figuur 4c).
  5. Wrikken het graven balk heen en weer tot de bodem interface aan de bodem van de kolom is gebroken.
  6. Bepaal het opheffen schaar rond de top van de lysimeter (figuur 2) ter voorbereiding op de bodem kern verwijderen. Met een persoon die elke bar, trek totdat de schaar sluit strak rond de kolom en til de lysimeter uit het gat. Plaats de lysimeter op een plat werkoppervlak zoals stuk triplex.

4. voorbereiding van de bodem voor de Core Lysimeteronderzoek Assembly

  1. Flip de bodem kern over, zodat de onderkant omhoog. De houten multiplex schijf in stap 3.1 geïnstalleerd, zal de grond op zijn plaats te houden.
  2. Voorzichtig niveau de grond zelfs met de rand van de PVC (figuur 5a) wet een rechte rand. Verwijder stenen uitsteekt boven het vlak van de rand met een zakmes of schroevendraaier.
  3. Vul elke holtes met chemisch inert play zand en voorzichtig inpakken (Figuur 5b).
  4. Grade het zand, zelfs met de kolom bodem met een rechte rand en verwijder het overtollige zand (figuur 5c en d).
  5. Reinig elke grondsoort van de velg en de buitenste zijwanden van de lysimeters met een borstel of licht blazen van de rand en ervoor te zorgen dat de rand schoon is voor lijmen te houden en voor een goede montage van de dop.

5. Montage van de Lysimeteronderzoek

  1. Extrudeer een continue ronde kraal van duidelijke silicium kalefateren rond de rand van de lysimeter (figuur 6a). De kit moet dik genoeg zijn om de geperforeerde schijf bodem naar de lysimeters afdichten en voorkomen lekken zijn.
  2. Leg de geperforeerde schijf (figuur 1c) op de velg met het filter stof naar het zand endruk deze stevig aan om een ​​goed contact van de plaat en de lysimeter mogelijk te maken.
  3. Boor acht gelijkmatig verdeeld piloot gaten rond de rand van de plaat en zet de geperforeerde schijf met 1,0 inch roestvrijstalen schroeven met een boor driver (figuur 6b).
  4. Zet de flexibele pijp koppeling aan de lysimeter basis, zodat ongeveer 2 cm van de koppeling uitsteekt boven de lysimeter rand (figuur 5c).
  5. Monteer de aangepaste PVC dop in de flexibele buis koppeling (figuur 6c), en duw de kap naar beneden totdat het contact met de lysimeter lichaam maakt. Met een blok hout op de top van de dop gebruik maken van een houten hamer om voorzichtig tik op de dop op zijn plaats.
  6. Plaats de bevestigingsbanden in de groeven van de koppeling en veilig licht zonder vernauwen de koppeling. Draai het metaal rond de koppeling met een hand gehouden 1/4 inch inbussleutel totdat de lysimeter dop stevig op zijn plaats wordt gehouden. De lysimeter is klaar om te worden omgedraaid en vervoerd naar een klimaat contgerold faciliteit.

6. Het installeren van vochtsensoren

  1. Scribe een 5 cm lange, horizontale lijn op de lysimeter muur op 5 en 25 cm diepte. Meet vanaf het grondoppervlak en niet de rand van de lysimeter.
  2. Boor een 1,0 cm diameter gat door de wand van de lysimeter aan elk uiteinde van de gemarkeerde lijnen.
  3. Snijd de overige 3 cm van kunststof tussen de geboorde gaten veranderen met een slijptol.
  4. Beitel een 1 cm dik en 5 cm lange gleuf in de bodem om de behuizing van een vochtsensor (bijvoorbeeld Decagon) geschikt.
  5. Duw de vochtsensor in het gat in de schoongemaakt slot tot de sensor tanden stevig in de grond zijn begraven en dat alleen de draad steken van de lysimeter.
  6. Schone grond van de muren van de sleuf met een borstel of een doek.
  7. Breng een dikke streep siliconenkit in de sleuf te voorkomen dat er water lekt. Nadat de kalefateren is opgedroogd, breng dan een tweede cyclus van siliconen aan enof alle gaten in het gat rond de sensor worden afgedicht.

7. Voorbereiding lysimeters voor percolaatopvang-

  1. Afdichting openingen tussen de bodem en lysimeterproeven muur met kit om het risico van preferentiële stroming langs de binnenwanden van de lysimeter verminderen.
    1. Pierce en laad een buis van duidelijke siliconenkit in een standaard kalefateren pistool.
    2. Plaats uiteinde van dichtingsmassa buis tussen leegte in de grond te vullen en de binnenzijde van de lysimeter lichaam. Duw de punt van het pistool kit onder de grond ongeveer 2 cm. Knijp de kalefateren uit de buis totdat hij de leegte vult en straalt boven het maaiveld.
  2. Set lysimeters op de top van een bank of een vlakke ondergrond en stevig genoeg om het gewicht van de verschillende lysimeters en hoog genoeg om vrije afvoer van water mogelijk te maken in een 4.0 L kruik (figuur 7) te behandelen.
  3. Controleer of de bodem kern lysimeters worden genivelleerd in alle richtingen met een kleine (15 cm) waterpas. Eventueel place shims lysimeters onder totdat het grondoppervlak volledig genivelleerd.
  4. Wikkel teflon tape rond de schroefdraad nylon buis fitting (0,5 in NPT) en draai de fitting met de klok mee in de dop. Draai de fitting met een verstelbare sleutel tot geen van de draden zichtbaar zijn.
  5. Duw een 0,5 inch slang op het prikkeldraad einde van de nylon montage en snijd de slang zodat je langs ongeveer 4,0 cm in de mond van de collectie kan.
  6. Zet de container onder de lysimeter en plaats de slang in de collectie kan.

8. Het irrigeren lysimeters and Collecting Percolaat

  1. Bedek de bodem oppervlak met kaasdoek of andere permeabel, chemisch inert materiaal te beschermen en te behouden bodem aggregaten en oppervlak residu.
  2. Meet 1450 ml gedemineraliseerd water in een maatcilinder en giet het in gieter, uitgerust met een douchekop. Zachtjes en gelijkmatig strooi het water over de stof met een snelheid die niet disturb het bodemoppervlak.
  3. Wacht een periode van tijd voor het water om een ​​percolaat infiltreren via de bodem kolom in de dop en de opvangbak.
  4. Tip lysimeter in de richting van de uitlaat gat totdat al het water wordt afgevoerd uit de lysimeter reservoir dop in de collectie vat.
  5. Meet de massa van percolaat met een omvang en massa omgezet in grammen tot ml (veronderstellen dat 1,0 g water is equivalent aan 1,0 ml). Giet het percolaat monster in 350 ml steriele plastic monsterfles. Onmiddellijk filter 50 ml met een zuig trechter uitgerust met een 0,45 urn filter papier als voorbereiding op nitraat analyse met behulp van colorimetrie via stroominjectieanalyse 31.
  6. WINKEL gefiltreerd en ongefilterd gedeelten van de monsters in de koelkast en 4 ° C tot analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bodemvocht, percolaat diepte en percolaat chemie illustreren variabiliteit over de bodem, het onthullen van verschillen in functie van bodemeigenschappen ondanks interne variatie tussen repliceren bodem kern lysimeters van een bepaalde bodem. De latere punt warrants bijzonder belang vanuit het oogpunt van de experimentele opzet, zoals inherente variabiliteit in bodemvocht en uitspoeling processen vereist aanzienlijke replicatie om type 2 statistische fout te minimaliseren. In de huidige studie, variatiecoëfficiënten (CV) over alle bodems varieerde 0,02-0,38 voor bodemvocht, 0,02-0,06 voor percolaat diepte 0,22-0,55 voor nitraat-N-concentraties, en 0,23-0,54 voor nitraat-N flux.

Het effect van lysimeter replicatie op variantie wordt geïllustreerd door het bemonsteren van percolaat gegevens van de replica van de individuele gronden (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua), het onthullen van een sterkere influence replicatie op sommige variabelen dan anderen. In het algemeen is de CV duidelijk af naarmate lysimeter- repliceert toename drie tot tien (of, in het geval van Quindocqua, 04:57 herhalingen). Voor percolaat diepte CV daalde 0,14-0,06 de Bojac bodem, 0,12-0,06 de Evesboro bodem en 0,08-0,03 de Sassafras grond. Bij de Quindocqua, die op vijf herhalingen bestaan, de CV van N = 3 was 0,04, terwijl de CV N = 5 was 0,02. Voor nitraat-N-concentratie, de CV daalde 0,88-0,34 voor Bojac, 0,39-0,17 voor Evesboro en 0,26-0,12 voor Sassafras. Voor Quindocqua, het CV van nitraat-N-concentratie daalde van 0,35 met drie herhalingen tot 0,17 met vijf herhalingen. Het effect van replicatie op het CV van nitraat-N flux was vergelijkbaar met die waargenomen met nitraat-N-concentratie.

Bodemvocht

Veranderingen in de bodem watergehalte bij 5 cm en 25 cm diepte volgende irrigatie aan te tonen verschillen in water transmissie tussen grover en fijner geweven gronden (figuur 8). Vocht profielen geven snelle beweging van irrigatiewater door de grovere structuur Evesboro zand en Sassafras zandige leemgronden. Volumetrisch watergehalte in deze bodems zowel 5 en 25 cm diepte verhoogd tot een gemiddelde van 0,31 en 0,22 m 3 m -3 respectievelijk binnen 1 uur van irrigatie en daarna terug naar achtergrondniveaus (0,17 en 0,21 m 3 m -3) op 9 uur na irrigatie. Daarentegen vertoonde volumetrisch watergehalte in de Bojac en Quindocqua bodems niet tot ten minste 20 uur na irrigatie terug naar achtergrondniveaus.

percolaat diepte

Wekelijkse percolaat diepte varieerde 1,12-1,95 cm van de vier bodems in de loop van de experiments (Figuur 9). Irrigatiewater terugvorderingen, uitgedrukt als percentage van het irrigatiewater, volgde een algemene trend met betrekking tot de bodem textuur, met terugvorderingen van het zandstrand Evesboro (81%) en Sassafras (85%) de bodem wordt iets efficiënter zijn dan uit de fijnere geweven Bojac (77% ) en Quindocqua (71%) bodems. Meest percolaat werd verzameld met de eerste bemonstering na irrigatie (24 uur), wat overeenkomt met 80% van de totale percolaat voor Bojac, 84% van de totale percolaat voor Evesboro, 91% van de totale percolaat voor Sassafras en 99% van de totale percolaat voor Quindocqua.

Nitraat-N-concentraties en stromen in percolaat

Nitraat-N-concentraties in percolaat toegenomen na nest applicatie, maar volgden verschillende temporele patronen tussen bodems. In de week voor mest, nitraat-N-concentratie in percolaat fof vier bodems gemiddeld 27,1 mg L -1 (figuur 10). Voor de fijne textuur Quindocqua, concentratie piekte onmiddellijk, met nitraat-N in het percolaat monsters uit de eerste week van gemiddeld 39,9 mg L -1. In contrast, nitraat-N in percolaat uit de sandier gestructureerde bodems steeg minder snel, met een piek nitraat-N-concentraties die zich twee weken na nest toevoeging voor de Bojac bodem (gemiddeld 37,3 mg L -1) en vier weken na nest toevoeging voor de Evesboro (gemiddeld 53,0 mg L -1) en Sassafras grond (gemiddeld 57,1 mg L -1).

Verschillen in percolaat nitraat-N flux (kg ha -1) weerspiegelen niet alleen de trends in nitraat-N-concentraties in percolaat, maar ook verschillen in percolaat diepten (Figuur 11). Voordat nest applicatie wekelijkse nitraat fluxen waren 2,0-5,8 kg ha -1, met Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Hoe groter percolaat diepten van Sassafras en Evesboro lysimeters (figuur 9) zijn duidelijk in het nitraat-N stromen voordat nest applicatie. Om de rol van pluimveemest toepassing en percolaat volume van nitraat-N flux te beoordelen, werden de bodem nitraat-N stromen van vóór nest applicatie afgetrokken van volgende wekelijkse stromen (Figuur 12). Het resulterende patroon in flux wijzigingen visueel en het bereik in nitraat-N flux onder de bodem is 1,1-4,7 kg ha -1. Nitraat-N flux van de Quindocqua bodems na nest toepassing spikes onmiddellijk en blijft groter dan stromen van de andere gronden tot week zes. Nitraat-N stromen van de grovere structuur bodems, nogmaals, wordt vertraagd met Bojac (3,7 kg ha -1) en Sassafras (3,8 kg ha -1) een piek in de tweede week na het nest toepassing en de Evesboro een piek van 3,0 kg ha -1 , vier weken na nest applicatie.

hydrologische Korrelgrootteverdeling KCl Nitraat
Bodem Klasse 0-5 cm 15-30 cm 45-50 cm 0-5 cm
% zand % klei % zand % klei % zand % klei mg kg -1
Bojac B 72.7 9.6 65.1 16.9 57.9 21.8 74
Evesboro EEN 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
Amerikaanse laurier B 82.0 5.7 74.4 9.7 88.4 7.9 103

Tabel 1: De chemische en fysische eigenschappen van de bodem kern lysimeters.

Figuur 1
Figuur 1: De belangrijkste onderdelen voor de bouw van Lysimeteronderzoek (a) Tijdschema 80 PVC lysimeter organen;. (B) PVC cap; (C) Flexibele koppeling; (D) Geperforeerde schijf; (E) Slangklemmen; (F) Food grade slangen; (G) met schroefdraad prikkeldraad slang fitting. Klik hier om een grotere versie van deze fotofiguur.

Figuur 2
Figuur 2:. Custom opheffen van schaar Custom opheffen van schaar mogelijk twee personen op te tillen en te verplaatsen zware grond kern lysimeters. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3:. Gezicht op Drop Hammer en het inbrengen van kolommen (a) PVC kolommen geplaatst niveau op de grond in de voorbereiding op de drop hamer. (B) Drop hamer stampende in cilinders. (C) Cilinders volledig gedreven in de bodem. Klik hier om een grotere versio bekijkenn van deze figuur.

figuur 4
Figuur 4:. Voorbereiding voor het verwijderen van de bodem kolommen (a) Gat wordt langs de kant van de kolommen gegraven. (B) De bodem wordt weg geplukt van kolommen (note lysimeters beschermd tegen externe bodems met PVC omslag en flexibele koppeling). (C) Soil-to-bodem-interface wordt gebroken met een graven bar. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5:. Voorbereiding van de lysimeter bodem voor geperforeerde plaat en dop (a) nivellering bodem en het verwijderen van uitstekende stenen. (b g>) Het vullen van holtes met steriel zand. (C) Leveling zand. (D) Schoongemaakt kolom met niveauregeling zand. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
Figuur 6:. Het installeren van bodem op lysimeter (a) Aanbrengen van een ring van kalefateren op gereinigde rand van lysimeter. (B) Bevestiging geperforeerde schijf naar lysimeter met roestvrij stalen schroeven. (C) zetten dop op lysimeter en bevestigen van strak met flexibele koppeling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

/53952/53952fig7.jpg "/>
Figuur 7:.. Compleet gemonteerd lysimeter Gemonteerd lysimeter met slang en glazen flessen geplaatst onder voor percolaatopvang- (vochtsensoren niet geïnstalleerd) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8
Figuur 8:.. Volumetrische watergehalte volumetrische watergehalte (m 3 m -3) binnen de grond kern lysimeter bij 5 cm en 25 cm diepte over een typisch 24-uurs periode na irrigatie Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

ftp_upload / 53952 / 53952fig9.jpg "/>
Figuur 9:.. Percolaat diepte De som van de wekelijkse percolaat diepte (cm) zijn verzameld op de bodem kern lysimeters opgedeeld in een snelle uitloging (24 uur) en traag uitloging (7 dagen) segmenten Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 10
Figuur 10:. Nitraat-N-concentratie Weekly nitraat-N-concentratie (mg L -1) in percolaat dat uit de bodem kern lysimeters voor en na pluimveemest applicatie. Vierkantjes geven het gemiddelde en de fout bars rond de punten vertegenwoordigen standaardafwijking van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van deze f bekijkenIGUUR.

figuur 11
Figuur 11: Nitraat-N Flux De massa van nitraat-N (kg ha -1) in percolaat dat uit de bodem kern lysimeters voor en na pluimveemest applicatie.. Vierkantjes geven het gemiddelde en de fout bars rond de punten vertegenwoordigen standaardafwijking van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 12
Figuur 12:. Geschatte nitraat-N flux bijdrage uit mest Soil nitraat-N flux (kg ha -1) van vóór nest applicatie werden afgetrokken van volgende wekelijkse stromen om de bijdrage van pluimveemest n beoordelenitrogen bodem kern percolaat. Vierkantjes geven het gemiddelde en de fout bars rond de punten vertegenwoordigen standaardafwijking van het gemiddelde. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Belangrijke stappen van lysimeter Collection

Uitspoeling illustreren de invloed van bodemeigenschappen en mest beheer op stikstofverliezen te ondiep grondwater. Soil fysische eigenschappen zoals bodemtextuur, aggregaat structuur en de dichtheid bemiddelen de percolatie van water en opgeloste stoffen. Nauwkeurig bepalen van percolaat volume en de concentraties van opgeloste stoffen is afhankelijk van het behoud van de integriteit van deze bodem fysische eigenschappen tijdens lysimeter collectie door de volgende kritische stappen: 1) de lysimeter en de daling hamer moet vlak blijven, terwijl de kolom wordt in de grond gedreven; 2) aarde binnen de lysimeter moeten worden gecontroleerd op verdichting; 3) de bodem van de kolom bodem moeten worden geëgaliseerd en holtes moeten worden gevuld met inert zand voor de aftapdop geïnstalleerd; en 4) alle openingen waaronder die tussen de lysimeter muur en de bodem moeten worden afgedicht met siliconenkit preferentiële zijwand stroming of lekkage van th te voorkomene vochtsensor poorten.

Het belang van het behoud van de bodemstructuur

Uitspoeling studies nodig om het volume van water bewegen door bodemprofielen om efficiënt te kunnen bepalen massaverlies van opgeloste stoffen nauwkeurig weer te geven. De gemiddelde irrigatie hersteld van de vier bodems bestudeerd was 79% van de toegepaste volume. Soortgelijk onderzoek vergelijken van de efficiëntie ongebonden zero-spanning pan lysimeters gerapporteerde gemiddelde irrigatie collectie efficiëntie van 56% en 58% 29,10. Hoewel de bodems in de bovengenoemde studies verschilt van de bodem in deze studie waren we de attribuut toename in irrigatie recovery de bodem kern lysimeters vermogen bodemfysische eigenschappen behouden en omsluiten het bodemprofiel.

Het belang van replicatie

Deze studie wijst op de invloed van replicatie op variantie in percolaat eigenschappen en de noodzaak om replicatie in o vergrotenestellen aanzienlijke gevolgtrekkingen uit de bodem kern lysimeters trekken. Variabiliteit in percolaat woningen was het grootst voor nitraat-N-concentratie en flux en het laagst voor het percolaat volume. Voor percolaat eigenschappen, waardoor het aantal gelijke bodem kern lysimeters drie tot 10 (Bojac, Evesboro en Sassafras of bij Quindocqua, van drie tot vijf), verminderde de CV 0,06 of minder. Vanuit onze ervaring, is een minimum van vier herhalingen nodig zijn in de bodem kern lysimeterproeven 18,28,29.

Het belang van het bijhouden van bodemvocht

Bodemvochtigheid trends 5 cm en 25 cm diepte, in combinatie met een goed begrip van bodemmorfologie op deze diepte kan worden gebruikt om trends hydrologische en steady state aannames verklaren. Bijvoorbeeld, bodemvocht trends onthullen verschillen in uitloging processen tussen de grove textuur Evesboro en Sassafras bodems en de fijnere geweven Bojac en Quindocqua bodems. Hoe grover gewevenbodems vertoonden korte verhogingen volumetrisch watergehalte vergeleken met geweven bodems waarvan meer langdurige verhogingen van bodemvochtigheid (figuur 8) had fijnere. Deze verschillen waren bleek ook bij het vergelijken van 24 uur per dag en 7 dagen percolaat collecties, maar miste de fijnere temporele resolutie hypothesen met betrekking tot de snelle macroporiediameter doorstroming te verfijnen. In het geval van de Bojac bodem, die het grootste deel van percolaat leverde na de eerste 24 uur collectie, bodemvocht trends op 25 cm diepte blijkt dat er een langdurige periode van bodemvocht verzadiging dat denitrificatie voorwaarden zou bevoordelen en daardoor verminderen nitraat-N in percolaat . Gezien het inzicht opgedaan met bodemvochtsensoren, zou een premie plaats over het installeren van sensoren in zoveel grond cores lysimeters mogelijk om post hoc evaluatie van de uitspoeling processen te vergemakkelijken.

Het belang van de berekening van de massabalans

In de huidige studie, 8,5-19,6% van detoegepaste N werd verloren in percolaat als nitraat-N gedurende een periode van 6 weken. Uitspoeling verliezen zijn duidelijk een belangrijk onderdeel van de N-begroting voor bemest bodem en het minimaliseren van deze verliezen is niet alleen belangrijk voor de kwaliteit van het milieu, maar ook voor voedingsstoffen efficiëntie. Naar schatting 80,4-91,5% van het strooisel toegepaste N bleef in de bodem kern lysimeters. Documenteren het lot van deze N kan worden verbeterd met gebruik van technieken zoals etiketten of tracers. Dus een duidelijk voordeel van de bodem kern lysimeters is begrotingsopmaak water en toegepaste materialen, iets dat veel moeilijker met andere typen lysimeter systemen, zoals pan lysimeters, die niet begrensd en staan ​​bekend 9 minder efficiënt zijn.

Beperkingen van Design

Hoewel het huidige ontwerp efficiënt meet drainerend zwaartekracht water, wordt aangenomen dat de lysimeters onderschatten uitloging volume van de kleinere poriën fijnere textuur bodem als gevolg tientallenional krachten. De gemiddelde fractie van irrigatiewater hersteld van de fijne textuur Quindocqua bodem goed voor slechts 71% van de toegepaste totaal. Verder wordt minder dan 1% van het volume toegeschreven aan 'slow uitloging' door de fijne poriën in de bodem matrix. Collection efficiëntieverbeteringen zijn gestegen met 50% of meer met de toevoeging van passieve capillaire glasvezel wieken bodem profielen 9. De auteurs onderzoeken momenteel de werkzaamheid van glasvezel wieken voor toepassing bij de bodem kern lysimeter in dit manuscript beschreven.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Cullum, R. F. Macropore flow estimations under no-till and till systems. Catena. 78, 87-91 (2009).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Persson, L., Bergstrom, L. Drilling method for collection of undisturbed soil monoliths). Soil Sci. Soc. Am. J. 55, (1), 285-287 (1991).
  6. Belford, R. K. Collection and evaluation of large soil monoliths for soil and crop studies. J. Soil Sci. 30, (2), 363-373 (1979).
  7. 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).
  8. Owens, L. B. Nitrate-nitrogen concentrations in percolate from lysimeters planted to a legume-grass mixture. J. Environ. Qual. 19, 131-135 (1990).
  9. 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).
  10. Jemison, J. M. Jr., Fox, R. H. Estimation of zero-tension pan lysimeter collection efficiency. Soil Sci. 154, 85-94 (1992).
  11. Corwin, D. L. Evaluation of a simple lysimeter-design modification to minimize sidewall flow. J. Contaminant Hydrology. 42, (1), 35-49 (2000).
  12. 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).
  13. Bergstrom, L., Johanssson, R. Leaching of nitrate from monolith lysimeters of different types of agricultural soils. J. Environ. Qual. 20, 801-807 (1991).
  14. 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).
  15. Moyer, J., Saporito, L., Janke, R. Design, construction, and installation of an intact soil core lysimeter. Agronomy J. 88, (2), 253-256 (1996).
  16. Stout, W. L., et al. Nitrate leaching from cattle urine and feces in northeast US. Soil Sci. Soc. Am. J. 61, 1787-1794 (1997).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Approximating phosphorus release to surface runoff and subsurface drainage. J. Environ. Qual. 30, 508-520 (2001).
  21. McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Phosphorus losses in subsurface flow before and after manure application. Sci. Total Environ. 278, 113-125 (2001).
  22. 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).
  23. Svanback, A., et al. Influence of soil phosphorus and manure on phosphorus leaching in Swedish topsoils. Nutr. Cycling Agroecosyst. 96, 133-147 (2013).
  24. 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).
  25. Williams, M. R., et al. Manure application under winter conditions: Nutrient runoff and leachate losses. Trans. ASABE. 54, (3), 891-899 (2011).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Han, K., et al. Phosphorus and nitrogen leaching before and after tillage and urea application. J. Environ. Qual. 44, 560-571 (2014).
  29. 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).
  30. Kleinman, P. J. A., et al. Phosphorus leaching from agricultural soils of the Delmarva Peninsula, USA. J. Environ. Qual. 44, (2), 524-534 (2015).
  31. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics