Ein Protokoll zum Sammeln und Konstruieren von Bodenkern Lysimeter

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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).

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Abstract

Introduction

Die Delmarva Halbinsel grenzt an das östliche Ufer der Chesapeake Bay und ist die Heimat einer der größten Geflügelproduktion Regionen in den USA. Rund 600 Millionen Hühner und schätzungsweise 750.000 Tonnen Gülle aus der Produktion dieser Vögel erzeugt jedes Jahr 1. Der größte Teil der Gülle wird lokal als Düngemittel Änderung auf landwirtschaftlichen Feldern verwendet. Aufgrund der historisch hohen Raten der Ausbringung von Dung, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sind im Boden angesammelt und sind jetzt anfällig für Off-Site - Verluste über unterirdische Auslaugung 2. Ein großer Teil der Grundwasserströmung in Richtung auf ein ausgedehntes Netz von Gräben gerichtet , die letztlich 3 an die Chesapeake Bay abtropfen lassen. Die Nährstoffe in die Bucht durchgeführt werden , um den Rückgang der Gesundheit 4 aufgrund von Eutrophierung Bay verbunden.

Anschließen Nährstoffmanagement mit Off-Site-Verluste von Nährstoffen erfordert spezielle Werkzeuge Hydrologie zu überwachenStröme und die damit verbundenen Nährstofftransfer. Lysimeter sind eine große Kategorie von Instrumenten zur Charakterisierung und die Bewegung von Nährstoffen durch Böden zu quantifizieren. Lysimeter haben eine lange Geschichte der Verwendung bei der Überwachung der Nährstoffzufuhr in Wasser durchsickert 5-7, von Spannung Lysimeter , die angepasst werden kann , um Bodenmatrix Potential entgegenzuwirken , so dass sie bessere Schätzung Anlage verfügbar Wasser, auf Null-Spannung Lysimeter repräsentativere von Prozessen während der freien Entwässerung auftreten. Alle Ansätze vorhanden inhärenten Verzerrungen zu lysimetery. Zum Beispiel sind einige Lysimetern zu klein , um vollständig räumlich komplexe Prozesse in natürlichen Böden, oder sind zu groß und teuer , um eine gute statistische Replikation von heterogenen Böden 8 darstellen. Ferner über ihnen Pfanne Lysimeter erfordern Böden Sickerwasser zu sammeln gesättigt zu sein und ineffizient sind im Vergleich zu Spannung Lysimeter bei Strömungs Matrix Messung 9.

Geschlossene Lysimeter Systeme,wie Null-Spannung Bodenkern Lysimeter (auch als Bodenmonolithen Lysimeter bekannt), verbessern die Sicherheit , mit der Wasserhaushalt und die damit verbundenen Schadstoff Budgets (zB Nährstoffbilanzen) werden 10 durchgeführt. Diese Lysimeter sind die meisten Vertreter, wenn sie intakt Kerne des Bodens enthalten; Lysimeter mit umgepackt Böden gefüllt nicht die ursprüngliche Struktur, Horizonte und MacroPore Verbindungen pflegen, die den Transport von gelösten Stoffen und Partikelverbindungen gleich 11,12 beeinflussen. Von einem experimentellen Standpunkt, Ansätze , die größer ist die Replikation von ungestörten Bodenbedingungen zu erleichtern sind von Vorteil, da die inhärente räumliche Variabilität , die 13 im Boden physikalischen und chemischen Eigenschaften existiert.

Fallhammer und Schneidkopf: Zwei bevorzugte Verfahren wurden für das Sammeln von intakten Bodenkern Lysimeter eingesetzt. Erstere hat häufiger durchgeführt worden ist, wie es mit den Geräten so einfach wie ein Schlitten Schinken erreicht werden kannmer (kleinere Lysimeter). Wenn sie richtig durchgeführt wird, Bodenkern Sammlung mit einem Fallhammer wurde relativ erwiesen kostengünstig, vor allem im Vergleich mit anderen Entkernungs Techniken. Allerdings verhängten die Scherkräfte durch ein Lysimeter Gehäuse in den Boden fahren kann Verschmieren und Verdichtung führen, Bedingungen innerhalb der Lysimeter produzieren , die nicht repräsentativ für Scholle und können sogar bestimmte Arten von Wasserbewegung (zB Bypass - Strömung oder entlang begünstigen der Bodenkern Kante). Als Ergebnis haben einige Forscher die Verwendung von Loten bevorzugt , dass eine intakte Boden mit einer Bohrvorrichtung oder andere Aushubvorrichtung 5 abgeschnitten.

Verschiedene Materialien wurden als Gehäuse für Bodenkern Lysimetern verwendet. Stahlrohre und Gehäuse sind vergleichsweise kostengünstig, haltbar und leicht erhältlich und können verwendet werden größere Lysimetern zu sammeln aufgrund ihrer Stärke 14-17. Während jedoch Stahl ist zufriedenstellend für die Auslaugung von rel Bewertunglativ unreaktive Verbindungen wie Nitrat, reagiert das Eisen in Stahl mit Phosphat und damit beschichtet werden müssen oder auf andere Weise für das Studium von Phosphor Laugung behandelt. Üblicherweise werden Kunststoffhüllen verwendet Phosphor Auslaugung, wie dickwandige (Schedule 80) PVC - Rohr zu untersuchen, die die Auswirkungen eines Fallhammers standhalten kann (falls verwendet) und seine Struktur beibehält , wenn größeren Durchmesser Bodenkerne erhalten werden (beispielsweise ≥30 cm) 18-22.

Im Allgemeinen sind Erdkern Lysimeter ex situ analysiert. Einmal gesammelt, Bodenkern Lysimeter kann im Freien "Lysimeter Farmen", wo umgebenden Boden und über dem Boden Klimata natürlichen Feldbedingungen darstellen installiert werden. Zum Beispiel in Schweden hat die schwedische Agricultural University drei separate Lysimeter Betriebe in den letzten drei Jahrzehnten aufrechterhalten, Pestizid Schicksal-Transport, langfristige Bodenfruchtbarkeit Studien und Management-Praktiken zu analysieren, die zu 30 cm Durchmesser inta skaliert werden kannct - Kerne 23. Bodenkern Lysimeter haben auch Innen-Auslaugung Experimenten unterzogen worden , wo es eine größere Kontrolle der klimatischen Bedingungen 24,25 ist. Liu et al. Verwendet , um einen Niederschlag - Simulator regelmäßig Bodenkern Lysimeter unter einer Reihe von Zwischenfrüchten 26 bewässern. Kibet und Kun alle Hand Bewässerung verwendeten Techniken Arsen und Nährstoffauswaschung durch Bodenkerne 27,28 zu studieren.

Eine Vielzahl von edaphic und hydrologischen Prozesse können von Bodenkern Lysimeter zu entnehmen. Kun et al. (2015) verwendet , 30 cm Durchmesser PVC Säule Lysimeter Stickstoffauswaschung nach Harnstoff - Anwendung 28 zu untersuchen. Durch das Sammeln von Sickerwasser zu verschiedenen Zeitintervallen nach einer Bewässerungs Ereignis konnten sie zwischen An- und Abschwellen Ströme zu differenzieren, wobei ersteres dominiert werden durch Makropore Strömungs angenommen, und die angenommene später von Matrix Fließ dominiert. Da Harnstoff wird leicht bei Kontakt wi hydrolisiertth Boden, interpretiert sie das Vorhandensein von erhöhten Harnstoffkonzentrationen in Sickerwasser kurz nach Harnstoff-Anwendung als Beweis für MacroPore Transport gesammelt, die die Bodenmatrix umgangen. Im Laufe der Zeit sie erhöhte Konzentrationen von verschiedenen Formen von Stickstoff in Sickerwasser, Verfolgen der Transformation angewendet Harnstoff zu Ammonium nach der anfänglichen Hydrolyse, dann ist die Umwandlung von Ammonium zu Nitrat mit Nitrifikation detektiert.

Zur Veranschaulichung Überlegungen bei der Gestaltung, Durchführung und Bodenkern Lysimeterexperimente Interpretation führten wir eine Untersuchung von vier verschiedenen Böden in der Mitte des Atlantischen Küstenebene USA herausgefunden. In der Studie wurde Auslaugung Konzentration und den Verlust von Nitrat vor und nach der Anwendung von trockenem Geflügelmist (dh Geflügel "Wurf") 28. Nährstoffverluste aus der Anwendung von Geflügel Streu Böden sind ein wichtiges Anliegen für die Gesundheit der Chesapeake Bay, und das Verständnis der Interaktion der angewandtenHühnermist und landwirtschaftlichen Bodeneigenschaften erforderlich Nährstoffmanagement Empfehlungen zu verbessern. Wir stellen Ihnen hier eine detaillierte Verfahren für intakte Bodenkern Lysimeter Extrahieren, Bodenfeuchte Verfolgung und Interpretation der Differenz Nitratauswaschung Verluste aus diesen Böden.

Dieses Experiment ist Teil einer größeren Studie Nährstoffauswaschung aus landwirtschaftlichen Böden der Delmarva Halbinsel, USA 27,28 zu beurteilen. Bodenkern Lysimeter wurden von Standorten in Delaware, Maryland und Virginia gesammelt im Jahr 2010. Hier sind wir nicht veröffentlichte Ergebnisse aus diesen Studien präsentieren. Obwohl die ersten Experimente durchgeführt wurden, Phosphor Auslaugung, Nitratauswaschung aus Thesen Böden zu beurteilen, wurde ebenfalls überwacht.

Vier gemeinsame landwirtschaftliche Böden vom Atlantischen Küstenebene der Chesapeake Bay Watershed beprobt: Bojac (grob lehmig, gemischt, semi-aktiven, thermische Typic Hapludult); Evesboro (mesic, beschichtet Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fein lehmig, gemischt, lebendig, mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fein lehmig, silikatischen, semi-aktiven, mesic Typic Hapludult). Für jeden Boden wurde horizon Morphologie aus den Profilen von der Grabungs der Säulen (Tabelle 1) ausgesetzt beschrieben. Oberflächenstrukturen der Böden reichten von Sand (Evesboro) feinem Sand / sandiger Lehm bis lehmig (Bojac und Sassafras) Lehm zu versanden (Quindocqua). Obwohl alle Böden historisch mit Hühnermist gedüngt worden war, hatte keiner in den 10 Monaten vor der Studie angewendet wurde. Alle Böden hatten mindestens eine Saison in Direktsaat-Maisproduktion seit vor der Bodenkern Lysimeter Sammlung.

Nach der Entnahme Bodenkern Lysimeter wurden dem USDA-ARS simulatorium Anlage in State College, PA transportiert. Da waren sie unterliegen Innen Bewässerung Experimente (22-26 ° C) Nährstoffauswaschung zu beurteilen, zu Geflügel Streu-Anwendung zusammen. Speziell,Lysimeter wurden für 8 Wochen mit 2 cm Wasser pro Woche bewässert, bis Nitrat in Perkolat zwischen den Böden ins Gleichgewicht gebracht wurde. Geflügel Streu (trocken Geflügelmist) wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 162 kg ha an der Oberfläche aller Böden aufgebracht -1 von insgesamt N. Die Bewässerung wurde für 5 weitere Wochen fortgesetzt. Feuchtesensoren kontinuierlich volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt in Abständen von 5 Minuten aufgezeichnet, während des Be- und Auslaugung Zyklus. Sickerwasser wurde nach 24 Stunden gesammelt und wieder 7 Tage später zurück unmittelbar vor der Bewässerung.

Sickerwasser Daten aus den Bodenkern Lysimeter wurden mit einfachen deskriptiven Statistiken analysiert Unterschiede in Sickerwassermenge und Qualität zwischen Böden zu verdeutlichen, sowie Unterschiede vor und nach dem Wurf-Anwendung. Da Bodenfeuchtesensoren in nur zwei der Wiederholungs Erdkern Lysimeter für jeden Boden gelegt wurden (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), Statistiken für die Bodenfeuchtigkeitsgehalt wurden auf N basierend = 2, während statistiken für Sickerwasser Tiefe, Nitrat-N-Konzentration und Nitrat-N-Fluss wurden aus 10 Bodenkern Lysimeter abgeleitet für Evesboro, Bojac und Sassafras und 5 Bodenkern Lysimeter für Quindocqua. Um die Bedeutung der Replikation innerhalb Böden Variationskoeffizienten (CV) für Sickerwasser Tiefe zu bewerten wurden verschiedene Wiederholungszahlen berechnet. Eine Monte-Carlo-Simulationsansatz wurde verwendet, wiederholt eine Teilmenge der Bodenkern Lysimeter Probe (N = 3) von der Gesamtzahl der Wiederholungen innerhalb jeder Bodengruppe (10 für Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 für die Quindocqua).

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Protocol

1. Vorbereitung des Materials

  1. Schneiden Sie den Hauptkörper der Lysimeter von 30,5 cm (12 Zoll) Durchmesser (ID; nominal) Schedule 80 PVC; Dies hat eine Wandstärke von 1,9 cm (0,75 inch) (Abbildung 1a). Schneiden Sie die Länge des Lysimeter Körper auf die Dicke der Bodenschicht in Abhängigkeit (en) studiert werden; Hier wird ein 53 cm (21 Zoll) langen Körper verwenden. Rout ein 0,63 cm tief von 45 ° Abschrägung um das untere Ende des lysimeter an der Innenwand des lysimeter Körper eine scharfe Vorderkante zu bilden, in Schneiden durch den Boden zu unterstützen.
  2. Ändern einer 34,5 cm ID, flacher Boden PVC - Kappe durch einen 15,3 cm hoch 30,5 cm ID Ring von Schedule 80 PVC in die Kappe Verklebung um einen ungehinderten Abfluss des Wassers zu ermöglichen und Speicherkapazität für Sickerwasser vor der Entnahme (Abbildung 1b) zur Verfügung stellen. Schneiden Sie den Ring aus dem gleichen Lager wie der Hauptkörper als Kupplung dienen die Kappe mit dem Körper zu verbinden. Die Kappe wird mit einer flexiblen Kupplung und Schlauchschellen an den Körper verbunden werden (Figur 1c und 1d). Installieren Sie einen Port für die Probenentnahme durch ein 1,27 cm großes Loch gebohrt und mit einem 1,27 cm 14 NPT Rohrhahn tippen und drehen ein 1,27 cm Nylon Stachel-Stecker - Adapter (Abbildung 1e) in den äußeren Rand der Kappe , wo die Seitenwand und Boden treffen.
  3. Schneiden Sie ein 34 cm - Durchmesser - Scheibe von 1,27 cm dicken Flachmaterial PVC , die verwendet wird , um den Boden der Lysimeter (Abbildung 1 g) zu decken. Drill 180, in gleichmäßigem Abstand von 0,32 cm. Löcher mit einem Durchmesser in die Scheibe Entwässerung von der Unterseite des Bodens gefüllten Lysimeter zu ermöglichen, die Kappe zu gelangen. Kleber Boden Tuch oder einem anderen Filtergewebe auf der einen Seite der Scheibe Boden, um zu verhindern, die durch die untere Platte während des Sickerwasserdrainage.
  4. Bauen Sie heben Schere von 2,5 cm flach Eisen und 2,5 cm Wasserrohr (Abbildung 2). Schneiden Sie zwei der 2,5 cm-Bands von Flacheisen bis 50,0 cm Länge und biegen in einen Halbkreis der Außenseite des Lysimeter Körper als Leitfaden. Weld 5 cm bund an jedem Ende jeder Halbkreis Band. Registriert jedem der Bänder mit einem Scharnierstift. Schweißen Sie die Wasserleitung auf dem äußeren Ring der Bänder einander gegenüber.

2. Fahren Lysimeter Gehäuse in den Boden mit dem Gesenkschmieden

  1. Entfernen Oberfläche Vegetation, Felsen und andere Verunreinigungen aus Sammelgebiet. Position 2 Lysimeter Körper auf der Ebene , wo Lysimeter sind genommen werden (Abbildung 3a). Stellen Sie sicher, dass Lysimeter Ebene sind so, dass der Boden in der Säule einer einheitlichen Tiefe ist.
  2. Fahren Sie einen speziell entwickelten, Anhänger montiert, Fallhammer an ihren Platz über die Lysimeter Körper. Wenn der Fallhammer vorhanden ist, einsetzen hydraulisch angetriebene Abstützungen, bis die Stahlplatte der Lysimeter Körper mit dem Boden und oben zu nivellieren. Die Ausleger stellen auch Stabilität für den Fallhammer (Abbildung 3b).
  3. Teilweise hissen die 10,2 cm dick, 1,52 m von 1,52 m quadratische Stahlplatte der 1.180 kg ein 3-m-Turm mit Hilfe von Wiegeeine mechanische Winde (Abbildung 3b). Lassen Sie die Stahlplatte die Spalten in den Boden zu hämmern.
  4. Wiederholen Sie Schritt 2.3 mehrmals , bis die Säule Felge 2 cm über der Bodenoberfläche (3c).
  5. Prüfen, zur Bodenverdichtung in der lysimeter durch die Tiefe des Bodens Messung innerhalb als auch außerhalb der Kolonne. Wenn der Boden in der Säule mehr als 1 cm niedriger als Boden außerhalb der Kolonne, werden Böden kompaktiert und sind für die Forschung nicht geeignet.

3. Entfernen der Bodenkern

  1. Legen Sie eine perforierte PVC - Platte (Abbildung 1c) und flexible Rohrkupplung (Abbildung 1d) über die Säule Kontamination durch Boden und andere Verunreinigungen während des Abbauprozesses zu verhindern.
  2. Einen Graben neben dem Erdkern und etwas tiefer als die Kolonnenboden mit einem Baggerlader (4a).
  3. Widen das Loch mit einer Schaufel oder Pick (4b) und freizulegen , wie much von der Außenseite des Zylinders wie möglich.
  4. Schieben Sie ein Schwermetallgrabstange entlang der gesamten Länge der Seite der Säule nach unten , so dass er zwischen dem Boden und außerhalb Säulenwand (4c) ist.
  5. Lösen Sie die Grabstange hin und her, bis der Boden-Schnittstelle am unteren Ende der Säule gebrochen ist.
  6. Rahmen , um die Aufhebung einer Schere um die Spitze des Lysimeter (siehe Abbildung 2) in Vorbereitung für die Boden Entkernung. Mit einer Person jeden Takt halten, nach oben ziehen, bis die Schere fest um die Säule zu schließen und heben Sie die Lysimeter aus dem Loch. Legen Sie die Lysimeter auf eine ebene Arbeitsfläche wie Stück Sperrholz.

4. Vorbereitung der Bodenkern für Lysimeter Montage

  1. Klappen Sie den Boden Kern über, so dass die Unterseite nach oben. Die hölzerne Sperrholz Platte im Schritt installiert 3.1 wird die Erde in Position zu halten.
  2. Sanft ebnen den Boden ein, auch mit dem Rand des PVC (5a) with einer geraden Kante. Entfernen Sie Steine ​​oberhalb der Ebene des Randes mit einem Stift Messer oder Schraubendreher vorsteht.
  3. Füllen Sie alle Hohlräume mit chemisch inerten Spielsand und vorsichtig packen (Abbildung 5b).
  4. Grade der Sand auch mit dem Kolonnenboden mit einer geraden Kante und entfernen Sie überschüssigen Sand (5c und d).
  5. Reinigen Sie Boden von der Felge und die äußeren Seitenwände der Lysimeter mit einem Pinsel oder mit leichtem Schlag den Rand und dafür sorgen, dass der Rand sauber ist für Klebstoffe zu halten und für eine eng anliegende Pass der Kappe.

5. Montage der Lysimeter

  1. Extrudieren eine kontinuierliche runde Perle aus klarem Silizium abdichten um den Rand des Lysimeter (Abbildung 6a). Die abdichten sollte dick genug sein, um die Lochscheibe unten auf die Lysimeter zu versiegeln und zu verhindern undicht.
  2. Legen Sie die Lochscheibe (Abbildung 1c) auf die Felge mit dem Filtergewebe um den Sand mit Blick auf unddrücken Sie fest guten Kontakt der Platte und Lysimeter zu ermöglichen.
  3. Bohren Sie acht gleichmäßig verteilte Vorbohrungen um den Rand der Platte und befestigen Sie die Lochscheibe mit 1,0 - Zoll - Edelstahlschrauben mit einem Bohrschrauber (Abbildung 6b).
  4. Verrutschen die flexible Rohrkupplung auf die lysimeter Basis so dass etwa 2 cm der Kupplung ist über dem lysimeter Rand (5c) hervorsteht .
  5. Den modifizierten PVC - Kappe in die flexible Rohrverbindung (6c), und drücken Sie die Kappe nach unten , bis es Kontakt mit dem Lysimeter Körper macht. Mit einem Holzblock auf der Oberseite der Kappe einen Holzhammer vorsichtig auf die Kappe an der Stelle tippen.
  6. Legen Sie die Befestigungsbänder in den Rillen der Kupplung und sichern die leichte Schulter, ohne die Kupplung einzuengen. Ziehen Sie die Metallkomponenten um die Kopplung mit einer Hand gehalten 1/4 Zoll-Inbusschlüssel, bis die Lysimeter Kappe fest an ihrem Platz gehalten wird. Die Lysimeter ist bereit, zu einem Klima cont gekippt und transportiert werdengewalzten Anlage.

6. Installieren der Feuchtesensoren

  1. Scribe eine 5 cm lange, horizontale Linie auf dem Lysimeter Wand bei 5 und 25 cm Tiefe. Messen Sie von der Bodenoberfläche und nicht den Rand des Lysimeter.
  2. Bohren Sie ein 1,0 cm Durchmesser Loch durch die Wand des Lysimeter an jedem Ende der markierten Linien.
  3. Schneiden Sie die restlichen 3 cm aus Kunststoff zwischen den Bohrungen entfernt mit einem rotierenden Schneidwerkzeug.
  4. Meißel eine 1 cm dicke von 5 cm langen Schlitz in den Boden des Gehäuses eines Feuchtigkeitssensors aufzunehmen (zB Decagon).
  5. Schieben Sie den Feuchtigkeitssensor in das Loch in den Schlitz gereinigt, bis die Sensor Zinken fest im Boden vergraben sind und dass nur der Draht aus dem Lysimeter klebt.
  6. Saubere Erde von den Wänden des Schlitzes mit einer Bürste oder Lappen.
  7. Tragen Sie eine dicke Raupe aus Silikon abdichten in den Schlitz, damit kein Wasser austritt. Nach dem abdichten getrocknet ist, einen zweiten Zyklus von Silikon zu en geltensicher, dass alle Lücken in dem Loch, um den Sensor umgebenden abgedichtet sind.

7. Vorbereitung Lysimeter für Sickerwassersammel

  1. Seal Lücken zwischen dem Boden und Lysimeter Wand mit abdichten das Risiko einer bevorzugten Strömung nach unten die Innenwände des Lysimeter zu reduzieren.
    1. Pierce und in einem Standard-Verteilerpistole ein Rohr aus klarem Silikon abdichten laden.
    2. Legen Sie Spitze abdichten Röhre zwischen Leere im Boden gefüllt werden und der Innenseite des Lysimeter Körpers. Drücken Sie die Spitze des abdichten Pistole unter dem Boden etwa 2 cm. Drücken Sie die caulk aus der Röhre, bis sie die Leere und sickert über der Bodenoberfläche ausfüllt.
  2. Set Lysimeter auf einer Bank oder einer flachen Oberfläche und robust genug , um das Gewicht von mehreren Lysimeter und hoch genug zu handhaben freien Abfluss von Wasser in einen 4,0 l Krug (Abbildung 7) zu ermöglichen.
  3. Überprüfen Sie, dass Bodenkern Lysimeter nivelliert werden in allen Richtungen mit einem kleinen (15 cm) Wasserwaage. Bei Bedarf place Unterlegscheiben unter Lysimeter, bis die Bodenoberfläche vollständig nivelliert ist.
  4. Wickeln Sie Teflonband um das Gewinde Nylon Rohrverbindung (0,5 Zoll NPT) und drehen Sie den Beschlag im Uhrzeigersinn in die Kappe. Ziehen Sie die Armatur mit einem verstellbaren Schraubenschlüssel, bis keiner der Fäden sichtbar sind.
  5. Schieben Sie eine 0,5-Zoll-Schlauch auf den stacheligen Ende des Nylon-Fitting und schneiden Sie den Schlauch so, dass es etwa 4,0 cm in den Mund der Sammlung Krug geht.
  6. Stellen Sie den Behälter unter dem Lysimeter und legen Sie den Schlauch in der Sammlung Krug.

8. Bewässern Lysimeter und Sammeln von Sickerwasser

  1. Decken Sie die Bodenoberfläche mit Mull oder anderen durchlässigen, chemisch inerte Stoff zu schützen und Bodenaggregate und Oberflächen Rückstand bewahren.
  2. Messen Sie 1.450 ml VE-Wasser in einen Messzylinder und gießen Sie sie in Gießkanne, mit Duschkopf ausgestattet. Sanft und gleichmäßig streuen das Wasser über das Gewebe mit einer Geschwindigkeit, die nicht distu nichtrb die Bodenoberfläche.
  3. Warten Sie eine Zeit für Wasser eine Perkolat durch die Bodensäule in die Kappe und Sammelbehälter zu infiltrieren.
  4. Tipp Lysimeter in der Richtung auf die Austrittsöffnung, bis das gesamte Wasser aus dem Lysimeter Behälterdeckel in den Auffangbehälter abgelassen wird.
  5. Messen Sie die Masse von Sickerwasser mit einer Skala gesammelt und konvertieren Masse in Gramm zu ml (unter der Annahme, dass 1,0 g Wasser ist äquivalent zu 1,0 ml). Gießen Sie die Sickerwasserprobe in 350 ml sterilen Plastikprobenflasche. Filter sofort 50 ml mit einem Absaugtrichter mit 0,45 um Filterpapier in Vorbereitung auf die Analyse Nitrat über Fließinjektionsanalyse 31 unter Verwendung von Kolorimetrie.
  6. Store gefiltertem und ungefiltertem Teile der Proben in einem Kühlschrank und 4 ° C bis zur Analyse.

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Representative Results

Bodenfeuchte, Sickerwasser Tiefe und Sickerwasser Chemie alle zeigen Variabilität über Böden, Unterschiede in Abhängigkeit von Bodeneigenschaften trotz interner Variabilität zwischen Replikat Erdkern Lysimeter einen bestimmten Boden enthüllt. Die späteren Punkt garantiert besonderer Bedeutung im Hinblick auf die experimentellen Design, als inhärente Variabilität der Bodenfeuchte und die Auslaugung Prozesse erfordert erhebliche Replikation Typ-2-statistische Fehler zu minimieren. In der vorliegenden Studie Variationskoeffizienten (CV) in allen Böden reichten von 0,02 bis 0,38 für die Bodenfeuchte, 0,02 bis 0,06 für Sickerwasser Tiefe von 0,22 bis 0,55 für Nitrat-N-Konzentrationen, und 0,23 bis 0,54 für Nitrat-N Flußmittel.

Die Wirkung der Lysimeter-Replikation auf Varianz wird durch Abtasten Sickerwasser Daten aus den Replikaten einzelner Böden (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua) dargestellt ist, eine stärkere inf enthülltluence der Replikation auf einige Variablen als andere. Im allgemeinen nimmt die CV eindeutig als lysimeter Erhöhung drei bis zehn Wiederholungen (oder im Falle von Quindocqua drei bis fünf Wiederholungen). Für Sickerwassertiefe verringert, CV 0,14-0,06 für die Bojac Boden, 0,12 bis 0,06 für die Evesboro Boden und 0,08 bis 0,03 für die Sassafras Boden. In dem Fall des Quindocqua, für die nur fünf Replikaten bestanden, der CV von N = 3 war 0,04, während der CV für N = 5 0,02 war. Für Nitrat-N-Konzentration verringerte sich der CV 0,88-0,34 für Bojac, 0,39 bis 0,17 für Evesboro und 0,26-0,12 für Sassafras. Für Quindocqua sank der CV von Nitrat-N-Konzentration von 0,35 mit drei Replikaten auf 0,17 mit fünf Wiederholungen. Die Wirkung der Replikation auf dem CV von Nitrat-N Flußmittel war ähnlich dem mit Nitrat-N-Konzentration beobachtet.

Bodenfeuchtigkeit

Änderungen in der Bodenwassergehalt bei 5 cm und 25 cm Tiefe Bewässerung folgenden zeigen Unterschiede in der Wasserübertragung zwischen gröberen und feineren strukturierten Böden (Abbildung 8). Feuchtigkeitsprofile zeigen eine schnelle Bewegung des Bewässerungswassers durch die gröberen texturierten Evesboro Sand und Sassafras sandigen Lehmböden. Volumetrischen Wassergehalt in diesen Böden an beiden 5 und 25 cm Tiefe erhöht auf einen Durchschnitt von 0,31 und 0,22 m 3 m -3 bzw. innerhalb von 1 h der Wässerungs- und dann wieder in den Hintergrundwerten (0,17 und 0,21 m 3 m -3) von 9 Stunden nach der Bewässerung. Im Gegensatz dazu ist das Rück volumetrischen Wassergehalt in den Bojac und Quindocqua Böden nicht auf Hintergrundebenen, bis mindestens 20 Stunden nach der Bewässerung.

Sickerwasser Tiefe

Weekly Sickerwasser Tiefen reichten von 1,12 bis 1,95 cm für die vier Böden im Laufe des experiments (Abbildung 9). Bewässerungswasser Einziehungen, ausgedrückt als Prozentsatz des Bewässerungswassers, einen allgemeinen Trend folgen Bodentextur im Zusammenhang mit Einziehungen vom Sand Evesboro (81%) und Sassafras (85%) Böden etwas mehr sein effizienter als von der feineren Bojac texturierten (77% ) und Quindocqua (71%) Böden. Die meisten Sickerwasser wurde mit dem ersten Abtastzeitpunkt nach der Bewässerung gesammelt (24 h), das entspricht 80% der Gesamt Sickerwasser für Bojac gesammelt, 84% der Gesamt Sickerwasser für Evesboro gesammelt, 91% der Gesamt Sickerwasser für Sassafras gesammelt, und 99% der gesamten Sickerwasser für Quindocqua gesammelt.

Nitrat-N-Konzentrationen und Flüsse im Sickerwasser

Nitrat-N-Konzentrationen im Sickerwasser erhöht nach Wurf Anwendung, aber gefolgt unterschiedlichen zeitlichen Mustern zwischen Böden. In der Woche vor Ausbringung von Dung, Nitrat-N-Konzentration im Sickerwasser foder die vier Böden im Durchschnitt 27,1 mg L -1 (Abbildung 10). Für die Feinstruktur Quindocqua, Konzentration erreichte sofort, mit Nitrat-N in den Sickerwasserproben aus der ersten Woche mit durchschnittlich 39,9 mg L -1. Im Gegensatz dazu Nitrat-N in Sickerwasser aus den sandiger strukturierten Böden erhöht langsamer, mit Peak - Nitrat-N - Konzentrationen von zwei Wochen nach Wurf zusätzlich für den Bojac Boden (durchschnittlich 37,3 mg L -1) und vier Wochen nach der Streu zusätzlich für die auftretende Evesboro (durchschnittlich 53,0 mg L -1) und Sassafras Böden (durchschnittlich 57,1 mg L -1).

Unterschiede in Sickerwasser Nitrat-N Flußmittel (kg ha -1) spiegeln nicht nur Trends in Nitrat-N - Konzentrationen im Sickerwasser , sondern auch Unterschiede in Sickerwasser Tiefen (Abbildung 11). Vor dem Wurf Anwendung wurden wöchentlich Nitrat Flüsse von 2,0 bis 5,8 kg ha - 1, mit Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Die größere Sickerwasser Tiefen von Sassafras und Evesboro Lysimeter (Abbildung 9) sind offensichtlich in der Nitrat-N - Flüsse vor Streu - Anwendung. Um die Rolle von Geflügeldung Anwendung und Sickerwasservolumen auf Nitrat-N - Flussmittel, Boden Nitrat-N Flüsse aus der Zeit vor Streu Anwendung beurteilen wurden die folgenden wöchentlichen Flüsse (Abbildung 12) abgezogen. Das resultierende Muster in Flussänderungen visuell und der Bereich , in Nitrat-N - Fluss unter den Böden 1,1 bis 4,7 kg ha - 1. Nitrat-N Fluss von den Quindocqua Böden nach Wurf Anwendung Spikes sofort und bleibt mehr als Flüsse von den anderen Böden bis sechsten Woche. Nitrat-N Flüsse von den gröberen strukturierten Böden wieder mit Bojac (3,7 kg ha -1) und Sassafras (3,8 kg ha -1) kulminierend in der zweiten Woche nach Wurf - Anwendung und dem Evesboro bei 3,0 kg Peaking verzögert ha -1 vier Wochen nach der Wurf-Anwendung.

hydrologischen Partikelgrößenverteilung KCl Nitrate
Boden Klasse 0-5 cm 15-30 cm 45-50 cm 0-5 cm
% Sand % Lehm % Sand % Lehm % Sand % Lehm mg kg -1
Bojac B 72,7 9.6 65.1 16.9 57,9 21.8 74
Evesboro EIN 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
Sassafras B 82.0 5.7 74.4 9.7 88,4 7.9 103

Tabelle 1: Chemische und physikalische Eigenschaften des Erdkerns Lysimeter.

Abbildung 1
Abbildung 1: Die wichtigsten Teile für den Bau von Lysimeter (a) Schedule 80 PVC - Lysimeter Körper;. (B) PVC - Kappe; (C) Flexible Kupplung; (D) Lochscheibe; (E) Schlauchschellen; (F) Lebensmittelqualität Schläuche; (G) Gewinde Stachel-Schlauchanschluss. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version davon zu sehenZahl.

Figur 2
Abbildung 2:. Benutzerdefinierte Hebe Schere Individuelle Hebe Schere erlauben zwei Personen zu heben und zu schweren Bodenkern Lysimeter bewegen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3:. Ansicht von Gesenkschmieden und Einfügen von Spalten (a) PVC - Säulen - Ebene auf dem Boden in der Vorbereitung für den Fallhammer platziert. (B) Drop in Zylinder Hammer Hämmern. (C) Zylinder vollständig in den Boden getrieben. Bitte hier klicken , um eine größere versio anzuzeigenn dieser Figur.

Abbildung 4
Abb . 4: Vorbereitung zur Entfernung von Bodensäulen (a) Loch entlang Seite der Spalten gegraben. (B) Der Boden von Spalten werden gepflückt entfernt (Anmerkung Lysimeter geschützt vor äußeren Böden mit PVC - Abdeckung und flexible Kopplung). (C) Boden-zu-Boden - Schnittstelle mit einem Graben bar gebrochen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5:. Herstellung von Lysimeter Boden für Lochplatte und Kappe (a) Leveling Boden und Entfernung von Steinen ragen. (b g>) Füllung Hohlräume mit sterilem Sand. (C) Leveling Sand. (D) Gereinigt Spalte mit Level Sand. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6:. Installieren von unten auf Lysimeter (a) Putting einen Ring abdichten auf gereinigten Rand von Lysimeter. (B) Befestigungslochscheibe auf Lysimeter mit Edelstahlschrauben. (C) Setzen Kappe auf Lysimeter und Befestigung eng mit elastischer Kupplung. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 7:.. Komplett montiert Lysimeter Assembled Lysimeter mit angeschlossenem Schlauch und Glasflaschen platziert unter für Sickerwassersammel (Feuchtigkeitssensoren nicht installiert ist ) Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 8
Abbildung 8:.. Volumetric Wassergehalt Volumenwassergehalt (m 3 m -3) innerhalb der Bodenkern Lysimeter bei 5 cm und 25 cm Tiefe über eine typische 24 - Stunden - Zeitraum nach Bewässerung Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 9:.. Sickerwassertiefe Die Summe der wöchentlichen Sickerwasser Tiefe (cm) aus dem Boden Kern Lysimeter aufgeteilt in schnelle Auslaugung gesammelt (24 h) , und langsam Laugung (7 Tage) Segmente Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 10:. Nitrat-N - Konzentration Weekly Nitrat-N - Konzentration (mg L -1) in Sickerwasser aus dem Boden Kern Lysimeter gesammelt vor und nach Geflügeldung Anwendung. Aufgetragen Punkte stellen den Mittelwert und Fehlerbalken um die Punkte Standardfehler des Mittelwerts dar. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieses f anzuzeigenild.

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Abbildung 11: Nitrat-N Flux Die Masse der Nitrat-N (kg ha - 1) in Sickerwasser aus dem Boden Kern Lysimeter gesammelt vor und nach der Hühnermist Anwendung.. Aufgetragen Punkte stellen den Mittelwert und Fehlerbalken um die Punkte Standardfehler des Mittelwerts dar. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 12:. Geschätzte Nitrat-N Fluss Beitrag aus Gülle Soil Nitrat-N Flüsse (kg ha - 1) aus der Zeit vor Streu Anwendung wurden aus folgenden wöchentlichen Flüsse abgezogen , um den Beitrag von Geflügeldung n zu beurteilenitrogen zu Bodenkern Sickerwasser. Aufgetragen Punkte stellen den Mittelwert und Fehlerbalken um die Punkte Standardfehler des Mittelwerts dar. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Wichtige Schritte der Lysimeter-Sammlung

Leaching Studien zeigen den Einfluss von Bodeneigenschaften und Gülle-Management auf Stickstoffverluste zu flachen Grundwasser. Bodenphysikalische Eigenschaften wie Bodenbeschaffenheit, Aggregatstruktur und Schüttdichte vermitteln die Versickerung von Wasser und gelöste Stoffe. Genaue Konzentrationen Sickerwasser Volumen und Stoff Bestimmung hängt von der Integrität dieser bodenphysikalischen Eigenschaften während der Lysimeter Sammlung Halte durch diese kritischen Schritte: 1) die Lysimeter und der Fallhammer muss Niveau bleiben, während die Säule in den Boden getrieben wird; 2) Boden im Lysimeter müssen für die Verdichtung geprüft werden; 3) den Boden der Bodensäule ausgeglichen werden muss und Hohlräume müssen mit inertem Sand gefüllt werden, bevor die Ablaufkappe installiert ist; und 4) alle Lücken diejenigen zwischen der Lysimeter Wand und Boden einschließlich müssen mit Silikon abdichten abgedichtet werden, um zu verhindern, dass Vorzugsseitenwandfluss oder Leckage von the Feuchtigkeitssensor-Ports.

Die Bedeutung der Erhaltung der Bodenstruktur

Auswaschungsstudien müssen genau das Volumen des Wassers darstellen Bewegung durch Bodenprofile, um Massenverlust von gelösten Stoffen effektiv zu bestimmen. Die durchschnittliche Bewässerung von den untersuchten vier Böden gewonnen betrug 79% des Volumens aufgetragen. Ähnliche Forschung, um die Effizienz ungebundenen Null-Spannung pan Lysimeter mittlere Wirkungsgrade von 56% Bewässerung Sammlung berichtet Vergleich und 58% 29,10. Obwohl die Böden in den oben genannten Studien aus den Böden in dieser Studie unterschiedlich waren, schreiben wir die Zunahme der Bewässerung Gewinnungseffizienz auf den Boden Kern Lysimeter Fähigkeit bodenphysikalischen Eigenschaften zu behalten und das Bodenprofil umhüllen.

Die Bedeutung der Replikation

Diese Studie zeigt auf den Einfluss der Replikation auf Varianz in Sickerwasser Eigenschaften und die Notwendigkeit, die Replikation in o zu erhöhenrder zu erheblichen Konsequenzen aus Bodenkern Lysimeter ziehen. Variability in Sickerwasser Eigenschaften war am größten für Nitrat-N-Konzentration und Flussmittel und die niedrigsten für Sickerwasser Volumen. Für alle Sickerwasser Eigenschaften die Anzahl der Wiederholungsbodenkern Lysimetern von drei bis 10 (Bojac, Evesboro und Sassafras oder im Falle von Quindocqua, von drei auf fünf) zunimmt, verringert die CV bis 0,06 oder weniger. Aus unserer Erfahrung ist ein Minimum von vier Replikationen in Bodenkern Lysimeterexperimente 18,28,29 benötigt.

Die Bedeutung der Tracking-Bodenfeuchte

Bodenfeuchte Trends bei 5 cm und 25 cm Tiefe, in Kombination mit einem Verständnis von Boden Morphologie in diesen Tiefen, können verwendet werden hydrologische Trends und Steady-State-Annahmen zu erklären. Zum Beispiel, Bodenfeuchte Trends zeigen Unterschiede in Laugungsverfahren zwischen dem groben strukturierten Evesboro und Sassafras Böden und die feineren Bojac und Quindocqua Böden strukturiert. Je gröber strukturiertBöden zeigten kurze Anstieg der Gehalt volumetrischen Wasser bei strukturierten Böden zu feineren verglichen , die in der Bodenfeuchte (Abbildung 8) mehr verlängert erhöht hatte. Diese Unterschiede wurden auch gezeigt, beim Vergleich von 24 Stunden und 7 Tage Sickerwasser Sammlungen, aber es fehlte ihm die feineren zeitlichen Auflösung Hypothesen zur schnellen MacroPore Strömung zu verfeinern. Im Falle des Bojac Boden, die den größten Anteil an Sickerwasser nach dem ersten 24-Stunden-Sammlung ergab, Bodenfeuchte Trends bei 25 cm Tiefe eine längere Zeit der Bodenfeuchte Sättigung zeigen, dass die Denitrifikation Bedingungen begünstigen würde und daher Nitrat-N in Sickerwasser vermindern . In Anbetracht der gewonnenen Erkenntnisse aus Bodenfeuchtesensoren, sollte eine Prämie Ort sein , an Sensoren in so viele Bodenkerne Lysimeter wie möglich zu installieren post hoc Beurteilung der Auslaugung Prozesse zu erleichtern.

Die Bedeutung der Berechnung der Massenbilanz

In der aktuellen Studie, 8,5-19,6% derangewandten N wurde in Sickerwasser als Nitrat-N über einen Zeitraum von 6 Wochen verloren. Auswaschungsverluste sind eindeutig ein wesentlicher Bestandteil des N Budget für gedüngten Böden und diese Verluste zu minimieren ist nicht nur wichtig für die Umweltqualität, sondern auch für die Nährstoffnutzungseffizienz. Schätzungsweise 80,4 bis 91,5% des Wurfes aufgetragen N blieb in den Erdkern Lysimeter. Dokumentieren das Schicksal dieses N könnte unter Verwendung von Techniken, wie beispielsweise Etiketten oder Tracern verbessert werden. Somit ist ein klarer Vorteil der Bodenkern Lysimetern in Haushalts Wasser und verwendeten Materialien, etwas , das sehr viel schwieriger mit anderen Arten von lysimeter Systemen wie pan Lysimetern ist, die nicht begrenzt sind und bekannt sind , weniger effizient 9 sein.

Einschränkungen für Gestaltung

Obwohl effizient das aktuelle Design lässiger Sickerwasser misst, wird angenommen, dass die Lysimeter Auslaugung Volumen von den kleineren Porenräume von feiner strukturierten Böden unterschätzen aufgrund Zehnional Kräfte. Der durchschnittliche Anteil von Bewässerungswasser aus der Feinstruktur Quindocqua Boden gewonnen entfielen nur 71% der Gesamt angewendet. Ferner weniger als 1% dieses Volumens wird in der Bodenmatrix zu "langsame Auslaugung 'durch die feineren Poren zugeschrieben. Sammlung Effizienz um 50% oder mehr mit dem Zusatz von kapillarpassive Glasfaserdochte an Bodenprofilen 9 erhöht. Die Autoren untersuchen derzeit die Wirksamkeit von Glasfaserdochte für den Einsatz in der Bodenkern Lysimeter in diesem Manuskript beschrieben.

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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

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References

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