Ett protokoll för insamling och konstruera Jord Kärn lysimetrarna

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

Delmarva Peninsula gränsar till östra stranden av Chesapeake Bay, och är hem till en av de största fjäderfäproduktion regioner i USA. Ungefär 600 miljoner kycklingar och uppskattningsvis 750.000 ton gödsel genereras från produktionen av dessa fåglar varje år ett. De flesta av gödsel används lokalt som gödningsmedel ändring på åkrar. På grund av historiskt höga gödselspridning, har näringsämnen som kväve och fosfor ackumuleras i marken och är nu utsatta för off-site förluster via ytan urlakning 2. En stor del av grundvattenflödet är riktad mot ett omfattande nätverk av diken som slutligen rinna till Chesapeake Bay 3. Näringsämnena transporteras till Bay är kopplade till nedgången i Bay hälsa på grund av övergödning 4.

Anslutning hantering av näringsämnen med off-site förluster av näringsämnen kräver specialiserade verktyg för att övervaka hydrologiskaflöden och tillhörande närings överföringar. Lysimetrarna utgör en stor kategori av instrument som används för att karakterisera och kvantifiera förflyttningen av näringsämnen genom marken. Lysimetrarna har en lång historia av användning i övervakningen näringsflödet i filtreringsvattnet 5-7, från spännings lysimetrar som kan justeras för att motverka jordmatris potential så att de bättre uppskattning växttillgängligt vatten, till nollspännings lysimetrarna som är mer representativa för processer inträffar under fri dränering. Alla metoder för lysimetery nuvarande inneboende fördomar. Till exempel vissa lysimetrarna är för små för att helt representerar rumsligt komplexa processer i naturliga jordar, eller är alltför stora och dyra för att ge god statistisk replikering av heterogena jordar 8. Vidare, pan lysimetrarna kräver jordar ovanför dem att vara mättad för att samla lakvatten och är ineffektiva jämfört med drag lysimetrarna vid mätning av flödesmatris 9.

Slutna lysimeter system,såsom nollspänningsjordkärn lysimetrarna (även känd som jord monolit lysimetrarna), avsevärt förbättra förtroendet som vattenbudgetar och tillhörande föroreningar budgetar (t.ex. närings budgetar) genomförs 10. Dessa lysimetrarna är mest representativa när de innehåller intakta kärnor jord; lysimetrarna fyllda med ompackade jordar inte behålla den ursprungliga strukturen, horisonter och makropor anslutningar som påverkar transport av lösta ämnen och partikelföreningar både 11,12. Från en experimentell stå punkt, metoder som underlättar ökad replikering av ostörda markförhållanden är fördelaktiga med tanke på den inneboende rumslig variabilitet som finns i jord fysiska och kemiska egenskaper 13.

Två föredragna metoder har använts för uppsamling av intakt jord kärn lysimetrarna: fallhammare och skärhuvudet. Den förstnämnda har mer vanligtvis utförs, eftersom det kan åstadkommas med anordningar så enkelt som en släde skinkamer (mindre lysimetrar). När de utförs på rätt sätt, har jord kärna samling med en droppe hammare visat sig vara relativt kostnadseffektiv, särskilt jämfört med andra kärnborrningsteknik. Däremot kan det stora krafter som genom att köra en lysimeter hölje i marken orsakar utsmetning och packning, producerar förhållandena inne i lysimeter som inte är representativa för befintliga jorden och kan även gynna vissa typer av vattenrörelse (t.ex. förbiflöde, eller flyta längs jorden kärnkanten). Som ett resultat har en del forskare att föredra användningen av corers som skär bort en intakt jorden med en borranordning eller annan utgrävning anordningen 5.

Olika material har använts som höljen för markkärn lysimetrar. Stålrör och lådor är jämförelsevis låg kostnad, hållbart och lätt tillgängliga och kan användas för att samla större lysimetrarna på grund av sin styrka 14-17. Även stål är tillfredsställande för att utvärdera läckage av reldevis oreaktiva föreningar, såsom nitrat, reagerar järnet i stål med fosfat och måste därför beläggas eller på annat sätt behandlas för att studera fosforläckaget. Vanligen är plasthöljen som används för att studera fosforläckage, såsom tjockväggig (Schema 80) PVC-rör som kan motstå inverkan av en fallhammare (om den används) och kvarhålla sin struktur när större diameter jordkärnor erhålls (t.ex. ≥30 cm) 18-22.

I allmänhet jord kärn lysimetrarna analyseras ex situ. När samlas in, jord kärn lysimetrar kan installeras i utomhus "lysimeter gårdar" där omgivande jord och ovan jord klimat företräda fysiska fältförhållanden. Till exempel, i Sverige har Svenska Lantbruksuniversitet underhålls tre separata lysimeter gårdar under de senaste tre decennierna, analysera bekämpningsmedel öde-transport, långsiktiga bördig prövningar, och förvaltningsmetoder som kan skalas till inta diameter 30 cmct kärnor 23. Markkärn lysimetrarna har också utsatts för inomhus urlaknings experiment där det finns större kontroll av klimatförhållanden 24,25. Liu m.fl.. Använde en regn simulator att regelbundet vattna marken kärn lysimetrarna under en rad av fånggröda 26. Kibet och Kun alla anställda handen bevattningsteknik för att studera arsenik och näringsläckage genom jordkärnor 27,28.

En mängd olika edafiska och hydrologiska processer kan utläsas från jord kärn lysimetrar. Kun et al. (2015) använde 30 cm diameter PVC kolumn lysimetrarna att undersöka kväveutlakning efter urea ansökan 28. Genom att samla lakvattnet vid olika tidsintervall efter en bevattnings händelse, kunde de skilja mellan snabba och gradvisa flöden, med den förstnämnda antas att domineras av Makroporflöde, och senare antas att domineras av flödesmatrisen. Eftersom urea lätt hydrolyseras vid kontakt with jord, tolkade de förekomsten av förhöjda ureakoncentrationer i lakvatten som samlats strax efter urea ansökan bevis på makroporarea transport som förbijordmatrisen. Med tiden upptäckte de förhöjda halter av olika former av kväve i lakvatten, spåra omvandlingen av tillämpad urea till ammonium efter initial hydrolys, då omvandlingen av ammonium till nitrat med nitrifikation.

För att illustrera överväganden i utformningen, genomföra och tolka markkärn lysimeter experiment genomförde vi en undersökning av fyra olika jordar som finns i mitten av Atlanten kustnära slätten i USA. I studien mättes urlakning koncentration och förlust av nitrat före och efter applicering av torr fjäderfägödsel (dvs. fjäderfä "kullen") 28. Växtnäringsläckaget från tillämpningen av fjäderfä strö på mark är en viktig fråga för hälsan hos Chesapeake Bay, och förstå samspelet mellan tillämpadbehövs fjäderfäströ och jordbruksmarkegenskaper för att förbättra närings rekommendationer hantering. Vi presenterar här en detaljerad metod för att extrahera intakta jord kärn lysimetrar, spårning markfuktighet och tolka differential nitratutlakning förluster från dessa jordar.

Detta experiment är en del av en större studie för att utvärdera näringsläckage från jordbruksmark i Delmarva Peninsula, USA 27,28. Jordkärn lysimetrarna samlades in från platser i Delaware, Maryland och Virginia 2010. Här presenterar vi opublicerade resultat från dessa studier. Även inledande experiment genomfördes för att bedöma fosforläckage, nitratläckaget från avhandlingar jordar övervakades också.

Fyra gemensamma jordbruksmark från Atlanten kust- slätten av Chesapeake Bay Watershed provtogs: Bojac (grov lerig, blandat, semiaktiv, termisk typic Hapludult); Evesboro (frisk, belagd Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fin-lerig, blandas, aktiv, frisk typic Endoaquult); Sassafras (fin-lerig, kiselhaltig, semiaktiv, frisk typic Hapludult). För varje jord, var horisont morfologi beskrivs från profilerna exponeras genom utgrävningen av kolonnerna (tabell 1). Ytstrukturer av jordarna varierade från sand (Evesboro) att lerig fin sand / sandig lerjord (Bojac och Sassafras) att silt loam (Quindocqua). Även om alla jordar hade historiskt gödslats med fjäderfäströ, hade ingen tillämpats i 10 månader före studien. Alla jordar hade varit i kombi majs produktion under minst en säsong innan markkärn lysimeter samling.

Efter samling, var markkärn lysimetrarna transporteras till USDA-ARS simulatorium anläggning i State College, PA. Där var föremål för inomhus bevattningsexperiment (22-26 ° C) för att bedöma näringsläckage i samband med fjäderfä strö ansökan. Specifikt,lysimetrarna var bevattnas med 2 cm vatten per vecka under 8 veckor tills nitrat i perkolatet jämviktades mellan jordar. Fjäderfäströ (torr fjäderfägödsel) applicerades därefter på ytan av alla jordar med en hastighet av 162 kg ha -1 av total N. Bevattning fortsattes under ytterligare 5 veckor. Fuktsensorer registreras volymetriska fukthalt vid 5 minuters intervaller kontinuerligt, under hela bevattning och utlakning cykel. Lakvatten samlades efter 24 timmar och återigen 7 dagar senare omedelbart före bevattning.

Lakvatten data från markkärn lysimetrarna analyserades med hjälp av enkla beskrivande statistik för att illustrera skillnader i lakvatten kvantitet och kvalitet mellan mark, liksom skillnader före och efter kull ansökan. Eftersom markfuktsensorer placerades i endast två av de replikera markkärn lysimetrarna för varje jord (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistik för mark fukthalt baserades på N = 2, medan sTATISTIK för lakvatten djup, var nitrat-N koncentration och nitratkväve flöde härrörande från 10 jordkärn lysimetrarna för Evesboro, Bojac och Sassafras och 5 jord kärn lysimetrar för Quindocqua. För att bedöma betydelsen av replikering inom jordar, var variationskoefficienter (CV) för lakvatten djup beräknas för olika replikera nummer. A Monte Carlo-simulering tillvägagångssätt användes för att upprepade gånger sampla en delmängd av jord kärn lysimetrarna (n = 3) från det totala antalet replikat inom varje jordgrupp (10 för Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 för Quindocqua).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Förbereda Material

  1. Skär huvuddelen av lysimeter från 30,5 cm (12 tum) diameter (ID, nominellt) schema 80 PVC; detta har en väggtjocklek av 1,9 cm (0,75 tum) (Figur 1A). Skär längd lysimeter kroppen beroende på tjockleken på jordlagret (s) som ska studeras; Här använder en 53 cm (21 inch) lång kropp. Rout en 0,63 cm djup med 45 ° avfasning runt bottenänden av lysimeter för att bilda en skarp framkant på insidan väggen av lysimeter kroppen för att hjälpa till vid skärning genom jorden.
  2. Ändra en 34,5 cm ID, plan botten PVC locket genom limning en 15,3 cm 30,5 cm ID ring av schema 80 PVC i locket för att möjliggöra fri dränering av vatten och ger lagringskapacitet för lakvatten före samlingen (Figur 1b). Skära ringen från samma lager som den huvudsakliga kroppen för att fungera som en koppling för att ansluta locket till kroppen. Locket kommer att förenas med kroppen med en flexibel koppling och slangklämmor (Figur 1c och 1d). Installera en port för provsamling genom att borra ett 1,27 cm hål och knacka den med en 1,27 cm 14 NPT rör kran och vända en 1,27 cm nylon hullingförsedda hane adapter (Figur 1e) i ytterkanten av locket där sidoväggen och botten möts.
  3. Skär en skiva diameter 34 cm från 1,27 cm tjock platta lager PVC som kommer att användas för att täcka botten av lysimetrarna (figur 1G). Borr 180, jämnt fördelade, 0,32 cm. hål med en diameter in i disken för att tillåta dränering från botten av jordfyllda lysimeter att komma in i locket. Lim marken duk eller annat tyg filter på ena sidan av skivan för att förhindra smuts från att passera genom bottenskivan under lakvatten dränering.
  4. Bygg lyft sax från 2,5 cm platt järn och 2,5 cm vattenledning (Figur 2). Skär två av de 2,5 cm band av platt järn till 50,0 cm längd och böj i en halvcirkel med hjälp utsidan av lysimeter kroppen som en guide. Weld 5 cm Boch att varje ände av varje halvcirkel bandet. Gå med vart och ett av banden med en ledtapp. Svetsa vattenröret på den yttre ringen av banden motsatt varandra.

2. Körning lysimeter Hölje i marken med Drop Hammer

  1. Ta bort yta vegetation, stenar och annat skräp från uppsamlingsområde. Position 2 lysimeter organ på plan mark där lysimetrar ska tas (figur 3a). Se till att lysimetrarna är i nivå så att marken i kolumnen är ett enhetligt djup.
  2. Kör en specialdesignad, släpvagnsmonterad, fallhammare på plats över lysimeter organ. När fallhammaren är på plats, distribuera hydrauliskt drivna stödben för att jämna ut stålplåt med marken och toppen av lysimeter organ. Stödbenen ger också stabilitet för fallhammaren (figur 3b).
  3. Delvis hissa 10,2 cm tjock, 1,52 m med 1,52 m kvadrat stålplåt som väger 1180 kg upp en tre meter torn med hjälp aven mekanisk vinsch (figur 3b). Släpp stålplåt att hamra kolumnerna i marken.
  4. Upprepa steg 2,3 flera gånger tills kolumnen fälgen är 2 cm ovanför markytan (Figur 3c).
  5. Kontrollera om jordpackning inuti lysimeter genom att mäta djupet av jord insidan och utsidan av kolonnen. Om jorden inuti kolonnen är mer än 1 cm lägre än jord utanför kolonnen, jordar är packad och är inte lämpliga för forskning.

3. Ta bort mark Kärna

  1. Placera en perforerad PVC disk (figur 1c) och flexibel rörkoppling (figur 1d) över kolonnen för att förhindra förorening av mark och annat skräp under utgrävningen processen.
  2. Gräva ett dike bredvid jordkärnan och något djupare än kolonnens botten med en traktorgrävare (Figur 4a).
  3. Vidga hålet med en spade eller plocka (figur 4b) och exponera som much av utsidan av cylindern som möjligt.
  4. Driva en tungmetall grävande fältet nedåt längs hela längden av den sidan av pelaren så att den är mellan jord och utanför kolonnväggen (figur 4c).
  5. Bända gräv bar fram och tillbaka tills jorden gränsytan vid botten av kolonnen är bruten.
  6. Rama lyft sax runt toppen av lysimeter (visas i figur 2) som en förberedelse för markkärnborttagning. Med en person som innehar varje bar, dra fram saxen sluter tätt runt pelaren och lyft lysimeter ut ur hålet. Placera lysimeter på en plan arbetsyta såsom bit plywood.

4. markberedning Kärna för lysimeter Assembly

  1. Vänd på jorden kärna över så att undersidan är upp. Trä plywood skiva installeras i steg 3,1 kommer att hålla jorden på plats.
  2. Försiktigt, nivellera jord även med kanten av PVC (figur 5a) wed en rak kant. Ta bort stenar utskjutande ovanför planet av kanten med en penna kniv eller skruvmejsel.
  3. Fyll alla håligheter med spel kemiskt inert sand och försiktigt packa det (Figur 5b).
  4. Grade sanden även med kolonnbottnen med en rak kant och avlägsna eventuellt överskott av sand (figur 5c och d).
  5. Rengör alla jord från kanten och de yttre sidoväggar lysimetrarna med en borste eller lätt blåsa bort kanten och se till att kanten är ren för lim att hålla och för bästa montering av locket.

5. Montering av lysimeter

  1. Extrudera en kontinuerlig rund sträng av tydlig kisel täta runt kanten av lysimeter (figur 6a). Den täta bör vara tillräckligt tjock för att täta den perforerade skivan botten till lysimetrarna och förhindra läckage.
  2. Lägga den perforerade skivan (Figur 1c) på fälgen med filtertyget är vänd mot sanden ochTryck ner ordentligt för att möjliggöra god kontakt mellan plåten och lysimeter.
  3. Borra åtta jämnt fördelade pilothål runt kanten på plattan och fäst den perforerade skivan med 1,0 tums skruvar av rostfritt stål med en borrskruvdragare (figur 6b).
  4. Slip den flexibla rörkopplingen vidare till lysimeter basen så att ca 2 cm från kopplingen skjuter ut ovanför den lysimeter kant (Figur 5c).
  5. Montera den modifierade PVC locket i det flexibla rörkoppling (figur 6c), och tryck på locket tills det kommer i kontakt med lysimeter kroppen. Med ett block av trä på toppen av locket använda en klubba för att knacka försiktigt på locket på plats.
  6. Placera fästbanden i spåren på kopplingen och säkra lätt utan återhållande verkan på kopplingen. Dra metallen runt kopplingen med en handhållen 1/4 tum hex föraren tills lysimeter locket hålls stadigt på plats. Den lysimeter är redo att vändas och transporteras till ett klimat fortsrullade anläggning.

6. Installera fuktsensorer

  1. Scribe en 5 cm lång, horisontell linje på lysimeter väggen vid 5 och 25 cm djup. Mäta från jordytan och inte kanten av lysimeter.
  2. Borra ett hål 1,0 cm diameter genom väggen av lysimeter vid varje ände av de markerade linjerna.
  3. Skär de återstående 3 cm av plast mellan de borrade hålen bort med ett roterande skärverktyg.
  4. Mejsel en 1 cm tjock med 5 cm lång slits i marken för att rymma höljet av en fuktsensor (t.ex. Decagon).
  5. Tryck fuktsensorn i hålet i den rengjorda ut facket tills sensor stiften är fast begravda i marken och att endast tråden sticker ut från lysimeter.
  6. Ren jord från väggarna i spåret med en borste eller trasa.
  7. Applicera en tjock sträng silikon täta i spåret för att hindra vatten från att läcka ut. Efter täta har torkat, tillämpa en andra cykel av silikon till enSe till att alla luckor i hålet som omger sensorn är förslutna.

7. Förberedelse lysimetrarna för uppsamling av lakvatten

  1. Tätnings luckor mellan jorden och lysimeter vägg med caulk för att minska risken av förmånlig flöde ner de inre väggarna i lysimeter.
    1. Pierce och ladda en tub med tydlig silikon täta till en vanlig täta pistol.
    2. Placera spetsen på täta röret mellan tomrum i marken fyllas och insidan av den lysimeter kroppen. Driva spetsen på caulk gun under jord ca 2 cm. Pressa täta ut ur röret tills det fyller tomrummet och utstrålar ovanför markytan.
  2. Ställ lysimetrarna ovanpå en bänk eller plan yta och robust nog att hantera vikten av flera lysimetrarna och tillräckligt hög för att tillåta fri dränering av vatten i en 4,0 L kanna (Figur 7).
  3. Kontrollera att markkärn lysimetrarna utjämnas i alla riktningar med en liten (15 cm) vattenpass. Om så är nödvändigt place shims under lysimetrarna tills markytan är helt plant.
  4. Wrap Teflon tejp runt gäng nylon rörkopplingen (0,5 i NPT) och vrid beslaget medurs i locket. Dra beslaget med en skiftnyckel tills ingen av trådarna syns.
  5. Driva en 0,5 tums slangen på den hullingförsedda änden av nylon montering och skära av slangen så att den går ca 4,0 cm in i munnen av samlingen kanna.
  6. Ställ behållaren under lysimeter och placera slangen i samlingen kanna.

8. bevattning lysimetrarna och samla Lakvatten

  1. Täcka markytan med ostduk eller annat genomsläppligt, kemiskt inert tyg för att skydda och bevara jordaggregat och ytan återstod.
  2. Mät 1.450 ml avjoniserat vatten i en graderad cylinder och häll det i vattenkanna, utrustade med duschmunstycke. Försiktigt och jämnt strö vatten över tyget i en takt som inte disturb markytan.
  3. Vänta en tid för vatten att infiltrera en tränga igenom marken kolumnen i locket och uppsamlingsbehållaren.
  4. Tips lysimeter i riktning mot utloppshålet tills allt vatten dräneras från lysimeter behållarens lock i uppsamlingskärlet.
  5. Mäta massan av lakvatten som samlats in med en skala och omvandla massa i gram till ml (anta att 1,0 g vatten är ekvivalent med 1,0 ml). Pour lakvattnet provet i 350 ml steril plastprovflaska. Omedelbart filter 50 ml med ett sug tratt utrustad med 0,45 pm filterpapper som förberedelse för nitratanalys med hjälp av kolorimetri via flödesinjektionsanalys 31.
  6. Store filtrerades och ofiltrerade partier av proverna i ett kylskåp och 4 ° C fram till analys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Markfuktighet, lakvatten djup och lakvatten kemi alla illustrerar variationen över marken, avslöjar skillnader som en funktion av markens egenskaper trots intern variation mellan upprepade jord kärn lysimetrarna av en viss jord. De senare tillfälle optioner särskilt intresse med tanke på experimentell design, som normala variationer i markfuktighet och urlakningsprocesser kräver betydande replikering för att minimera typ 2 statistiska fel. I den aktuella studien, variationskoefficienter (CV) i alla jordar varierade 0,02-0,38 för markfuktighet, 0,02-0,06 för lakvatten djup, 0,22-0,55 för nitrat-N koncentrationer och 0,23-0,54 för nitrat-N flux.

Effekten av lysimeter replikering på varians illustreras genom provtagning lakvatten data från replikat av enskilda jordar (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua), avslöjar en starkare influence för replikering på vissa variabler än andra. I allmänhet minskar tydligt CV som lysimeter replikerar ökning 3-10 (eller, i fallet med Quindocqua, tre till fem replikat). För lakvatten djup minskade CV 0,14-0,06 för Bojac jord, 0,12-0,06 för Evesboro jord och 0,08 till 0,03 för Sassafras marken. I fallet med Quindocqua, där endast fem replikat existerade, CV N = 3 var 0,04, medan CV för N = 5 var 0,02. För nitrat-N koncentration minskade CV 0,88-0,34 för Bojac, från 0,39 till 0,17 för Evesboro, och från 0,26 till 0,12 för Sassafras. För Quindocqua minskade CV av nitrat-N koncentration från 0,35 med tre replikat till 0,17 med fem replikat. Effekten av replikering på CV av nitrat-N flux var likartad den som observerats med nitrat-N koncentration.

Markfuktighet

Förändringar i markvatteninnehåll på 5 cm och 25 cm djup efter bevattning påvisa skillnader i sändnings vatten mellan grövre och finare jordar (Figur 8). Fuktprofiler indikerar snabb förflyttning av bevattningsvatten genom grövre texture Evesboro sand och Sassafras sandig lerjord jordar. Volumetriska vattenhalten i dessa jordar vid båda 5 och 25 cm djup ökat till ett genomsnitt på 0,31 och 0,22 m 3 m -3, respektive inom 1 h av bevattnings- och återvände sedan till bakgrundsnivåer (0,17 och 0,21 m 3 m -3) av 9 h efter bevattning. Däremot gjorde volymetriska vattenhalten i Bojac och Quindocqua jordar inte återvända till bakgrundsnivåerna förrän tidigast 20 timmar efter bevattning.

lakvatten djup

Vecko lakvatten djup varierade från 1,12 till 1,95 cm för de fyra jordar under loppet av experiments (Figur 9). Bevattning återvinningar, uttryckt i procent av bevattningsvatten, följt en allmän trend i samband med jordart, med återvinningar från sand Evesboro (81%) och Sassafras (85%) jordar är något mer effektivt än från finare texture Bojac (77% ) och Quindocqua (71%) jordar. Mest lakvatten uppsamlades med den första provtagningen efter bevattning (24 tim), vilket motsvarar 80% av den totala lakvatten som samlats in för Bojac, 84% av den totala lakvatten som samlats in för Evesboro, 91% av den totala lakvatten som samlats in för Sassafras, och 99% av den totala lakvatten som samlats in för Quindocqua.

Nitrat-N-koncentrationer och flöden i lakvatten

Nitrat-N halter i lakvattnet ökade efter kull ansökan, men följde olika tidsmönster mellan jordar. I veckan före gödselspridning, nitrat-N-koncentration i lakvatten feller fyra jordar i genomsnitt 27,1 mg L -1 (Figur 10). För fintexturerad Quindocqua, koncentration kulminerade omedelbart, med nitrat-N i lakvattnet prover från den första veckan i genomsnitt 39,9 mg L -1. I motsats, nitrat-N i lakvatten från sandier jordar ökat långsammare, med topp nitrat-N halter inträffar två veckor efter kull tillägg för Bojac jord (genomsnitt 37,3 mg L -1) och fyra veckor efter kull tillägg för Evesboro (i genomsnitt 53,0 mg L -1) och Sassafras jordar (genomsnitt 57,1 mg L -1).

Skillnader i lakvatten nitrat-N flöde (kg ha -1) återspeglar inte bara trender i nitrat-N halter i lakvattnet men också skillnader i lakvatten djup (Figur 11). Innan kull ansökan veckonitrat flöden var 2,0-5,8 kg ha -1, med Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Ju större lakvatten djup från Sassafras och Evesboro lysimetrarna (Figur 9) är uppenbara i nitratkväveflöde innan kull ansökan. För att bedöma betydelsen av fjäderfä strö ansökan och lakvatten volymen på nitrat-N flux, var marknitratkväveflöde från före kull ansökan subtraheras från följande veckovisa flöden (Figur 12). Det resulterande mönstret i flödesförändringar visuellt och utbudet i nitrat-N flöde bland de jordar är 1,1 till 4,7 kg ha -1. Nitrat-N flödet från Quindocqua jordar efter kull applikations spikar omedelbart och förblir större än flödena från andra jordar till vecka sex. Nitrat-N flödena från de grövre jordar, återigen, är försenad med Bojac (3,7 kg ha -1) och Sassafras (3,8 kg ha -1) topp i den andra veckan efter kull ansökan och Evesboro topp på 3,0 kg ha -1 , fyra veckor efter kull ansökan.

hydrologiska Partikelstorleksfördelning KCl Nitrat
Jord Klass 0-5 cm 15-30 cm 45-50 cm 0-5 cm
% sand % lera % sand % lera % sand % lera mg kg -1
Bojac B 72,7 9,6 65,1 16,9 57,9 21,8 74
Evesboro en 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

Tabell 1: Kemiska och fysikaliska egenskaper hos markkärn lysimetrarna.

Figur 1
Figur 1: Stora delar för Konstruera lysimeter (a) Schema 80 PVC lysimeter organ,. (B) PVC cap; (C) Flexibel koppling; (D) Perforerad skiva; (E) Slangklämmor; (F) av livsmedelskvalitet rör; (G) Gäng hullingförsedda slanganslutning. Klicka här för att se en större version av dennafigur.

figur 2
Figur 2:. Anpassad lyft sax Anpassad lyft sax låta två personer för att lyfta och flytta tunga jordkärn lysimetrar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3:. View Drop Hammer och införande av kolumner (a) PVC kolumner placerade nivå på jorden som förberedelse för fallhammaren. (B) Drop hammare bultande i cylindrar. (C) Cylindrar helt drivs i marken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4:. Förberedelser för att avlägsna jordkolonner (a) hål grävs längs sidan av kolumner. (B) Mark plockade bort från kolumner (not lysimetrarna skyddas från externa jordar med PVC lock och flexibel koppling). (C) Jord-till-jord-gränssnitt bryts med en gräv bar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5:. Beredning av lysimeter botten för perforerad plåt och lock (a) Leveling botten och avlägsnande av utskjutande stenar. (b g>) Fyllning hålrum med steril sand. (C) Leveling sand. (D) Rensade kolonn med nivå sand. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6:. Installera botten på lysimeter (a) sätta en ring av täta på rengjorda kanten av lysimeter. (B) Fäst perforerad skiva på lysimeter med rostfria skruvar. (C) sätta locket på lysimeter och fästa tätt med flexibel koppling. Klicka god här för att se en större version av denna siffra.

/53952/53952fig7.jpg "/>
Figur 7:.. Färdigmonterad lysimeter Monterade lysimeter med slang fäst och glasflaskor placeras under för uppsamling av lakvatten (fuktsensorer inte installerat) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8:.. Volyme vattenhalt Volumetric vattenhalt (m 3 m -3) i marken kärn lysimeter på 5 cm och 25 cm djup över en typisk 24 timmarsperiod efter bevattning Klicka här för att se en större version av denna siffra.

ftp_upload / 53.952 / 53952fig9.jpg "/>
Figur 9:.. Lakvatten djup Summan av vecko lakvatten djup (cm) samlas in från markkärn lysimetrarna uppdelad i snabb urlakning (24 timmar) och långsam urlakning (7 dagar) segment Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10
Figur 10:. Nitrat-N koncentration Veckonitratkväve koncentration (mg L -1) i lakvatten som samlats in från jord kärn lysimetrarna före och efter fjäderfä strö ansökan. Punkterna representerar medelvärdet och felstaplar runt punkter representerar standardfel av medelvärdet. Klicka här för att se en större version av denna figure.

Figur 11
Figur 11: Nitrat-N Flux massa nitrat-N (kg ha -1) i lakvatten som samlats in från jord kärn lysimetrarna före och efter fjäderfä strö ansökan.. Punkterna representerar medelvärdet och felstaplar runt punkter representerar standardfel av medelvärdet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12
Figur 12:. Beräknad nitrat-N flux bidrag från gödsel Jordnitratkväveflöde (kg ha -1) från före kull ansökan subtraherades från följande veckovisa flöden för att bedöma bidrag av fjäderfä strö nitrogen till jord kärn lakvatten. Punkterna representerar medelvärdet och felstaplar runt punkter representerar standardfel av medelvärdet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Viktiga steg i lysimeter Collection

Urlaknings studier visar påverkan av egenskaper jord och gödselhantering på kväveförlusterna till ytligt grundvatten. Markens fysikaliska egenskaper såsom jordart, aggregatstruktur och skrymdensitet förmedlar genomströmning av vatten och lösta ämnen. Noggrann bestämning lakvatten volym och lösta koncentrationer är beroende av att behålla integriteten hos dessa jord fysikaliska egenskaper under lysimeter samling genom att följa dessa kritiska steg: 1) lysimeter och fallhammaren måste förbli nivå medan kolonnen drivs i marken; 2) mark i lysimeter måste kontrolleras för kompaktering; 3) botten av jorden kolumn måste utjämnas och hålrum måste fyllas med inert sand innan dräneringspluggen är installerad; och 4) alla luckor inklusive de mellan lysimeter väggen och jord måste tätas med silikon täta för att förhindra förmånsdäck flöde eller läckage från the fuktsensorportar.

Vikten av att upprätthålla markens struktur

Läckagestudier måste noggrant representera den volym vatten som rör sig genom jordprofiler för att effektivt bestämma massförlusten av lösta ämnen. Den genomsnittliga bevattning återhämtat sig från de fyra jordarna studerade var 79% av volymen tillämpas. Liknande forskning jämföra effektivitets obundna nollspännings pan lysimetrarna rapporterade genomsnittliga bevattning avskiljningsgrader av 56% och 58% 29,10. Även om marken i de ovannämnda studierna var annorlunda än jordarna i denna studie, vi tillskriver ökningen av bevattningsåtervinningseffektiviteten till jorden kärn lysimetrarna förmåga att behålla markens fysikaliska egenskaper och innesluta markprofilen.

Vikten av replikation

Denna studie pekar på inverkan av replikering på variansen i lakvatten egenskaper och behovet av att öka replikering i order att dra betydande slutsatser från jord kärn lysimetrar. Variationen i lakvatten fastigheter var störst för nitrat-N koncentration och flöde och lägst för lakvatten volym. För alla lakvattenegenskaper, öka antalet replikat jordkärn lysimetrarna från tre till tio (Bojac, Evesboro och Sassafras eller i fallet med Quindocqua, från tre till fem), reducerade CV till 0,06 eller mindre. Från vår erfarenhet, krävs minst fyra upprepningar i jord kärn lysimeter experiment 18,28,29.

Vikten av att spåra markfuktighet

Markfuktighet trender på 5 cm och 25 cm djup, i kombination med en förståelse av jord morfologi på dessa djup, kan användas för att förklara hydrologiska trender och steady state antaganden. Till exempel, markfuktighet trender visar skillnader i urlakningsprocesser mellan den grova texture Evesboro och Sassafras jordar och finare texture Bojac och Quindocqua jordar. Den grövre texturejordar uppvisade korta ökningar av volymetriskt vatteninnehåll jämfört med finare jordar som hade mer långvarig ökning av markfuktighet (Figur 8). Dessa skillnader har också avslöjas när man jämför 24 timmar och 7 dagar lakvatten samlingar, men saknade finare tidsupplösning för att förfina hypoteser om snabb Makroporflöde. I fallet med Bojac jord, som gav den största andelen av lakvatten efter de första 24 tim samling, markfuktighet trender på 25 cm djup avslöjar en längre period av markfuktighet mättnad som skulle gynna denitrifikation förhållanden och därför minska nitratkväve i lakvattnet . Med tanke på den insikten från jord fuktsensorer, bör en premie vara plats på installation av sensorer i så många jord kärnor lysimetrarna som möjligt för att underlätta post hoc bedömning av urlakningsprocesser.

Vikten av att beräkna massbalans

I den aktuella studien, 8,5-19,6% avtillämpad N förlorades i lakvatten som nitrat-N under en sex veckors period. Urlakning förluster är helt klart en viktig del av N budget för gödslad jord och minimera dessa förluster är viktigt inte bara för miljökvalitet utan också för näringsutnyttjande. Uppskattningsvis 80,4-91,5% av kullen appliceras N kvar i jorden kärn lysimetrarna. Dokumentera öde denna N kan förbättras med användning av tekniker såsom etiketter eller spårämnen. Således är en klar fördel för markkärn lysimetrarna i budgeteringen av vatten och Applied Materials, något som är mycket svårare med andra typer av lysimeter system, såsom pan lysimetrar, som inte är bundna och är kända för att vara mindre effektiva 9.

Begränsningar av Design

Även den nuvarande utformningen mäter effektivt fridränerande gravitations vatten, är det troligt att lysimetrarna skattar utlakning volymen från de mindre porer utrymmen finare jordar på grund av tiotalsional krafter. Den genomsnittliga fraktionen av bevattningsvatten återvinns från fintexturerad Quindocqua jord utgjorde endast 71% av den totala tillämpas. Vidare är mindre än 1% av denna volym tillskrivs "långsam urlakning" genom de finare porerna i jordmatris. Collection effektivitet har ökat med 50% eller mer med tillägg av passiva kapillära glasfiber vekar till jord profiler 9. Författarna undersöker för närvarande effekten av glasfiber vekar för användning i jorden kärn lysimeter som beskrivs i detta manuskript.

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