Un protocole pour la collecte et la construction de sols Lysimètres Core

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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

La péninsule de Delmarva borde la rive est de la baie de Chesapeake, et est la maison à une des plus grandes régions de production de volaille aux États-Unis. Environ 600 millions de poulets et d'environ 750.000 tonnes de fumier sont générées à partir de la production de ces oiseaux chaque année 1. La majeure partie du fumier est utilisé localement comme amendement des engrais sur les champs agricoles. En raison de taux historiquement élevés de l' épandage du fumier, des nutriments tels que l' azote et le phosphore ont accumulé dans le sol et sont maintenant sensibles aux pertes hors site via subsurface lessivage 2. Une grande partie de l'écoulement des eaux souterraines est dirigée vers un vaste réseau de fossés qui drainent finalement à la baie de Chesapeake 3. Les éléments nutritifs transportés à la baie sont liés à la baisse de la santé de la baie en raison de l' eutrophisation 4.

Connexion gestion des éléments nutritifs avec des pertes hors site des nutriments nécessite des outils spécialisés pour surveiller hydrologiqueles flux et les transferts de nutriments associés. Lysimètres représentent une grande catégorie d'instruments utilisés pour caractériser et quantifier le mouvement des éléments nutritifs dans les sols. Lysimètres ont une longue histoire d'utilisation dans le flux de nutriments de surveillance dans les eaux de percolation 5-7, de lysimètres tension qui peuvent être ajustés pour contrer le potentiel de la matrice du sol afin qu'ils puissent mieux plante estimation disponible de l' eau, à lysimètres zéro tension qui sont plus représentatifs des processus survenant au cours de drainage libre. Toutes les approches lysimetery présents biais inhérents. Par exemple, certains lysimètres sont trop petits pour représenter pleinement les processus spatialement complexes dans les sols naturels, ou sont trop grands et coûteux de fournir une bonne réplication statistique des sols hétérogènes 8. En outre, les lysimètres pan exigent des sols au- dessus qu'ils soient saturés pour recueillir les lixiviats et sont inefficaces par rapport à lysimètres de tension à mesurer le débit de la matrice 9.

systèmes lysimétriques fermés,tels que zéro tension lysimètres de base du sol (également connu sous le nom lysimètres monolithes de sol), d' améliorer grandement la confiance avec laquelle les budgets de l' eau et des budgets de polluants associés (par exemple, les budgets de nutriments) sont effectués 10. Ces lysimètres sont plus représentatifs lorsqu'ils contiennent des noyaux intacts du sol; lysimètres remplis de sols remballé ne maintiennent pas la structure d' origine, des horizons et des connexions macropores qui influencent le transport des solutés et des composés de particules semblables 11,12. D'un point de peuplement expérimental, des approches qui favorisent une meilleure reproduction des conditions de sol non perturbés sont avantageux, étant donné la variabilité spatiale inhérente qui existe dans physique des sols et des propriétés chimiques 13.

Deux méthodes préférées ont été utilisées pour la collecte de sol intact lysimètres de base: marteau de chute et de la tête de coupe. Le premier a été le plus souvent effectué, car il peut être réalisé avec des appareils aussi simples que un jambon de traîneaumer (petits lysimètres). Quand elle est réalisée correctement, collection de base du sol avec un marteau de chute a été montré pour être relativement rentable, surtout en comparaison avec d'autres techniques de carottage. Toutefois, les forces de cisaillement imposées par la conduite d' un boîtier lysimétrique dans le sol peuvent provoquer des bavures et le compactage, la production de conditions à l' intérieur du lysimètre qui ne sont pas représentatifs de la terre natale et peut même favoriser certains types de mouvement de l' eau (par exemple, le débit de dérivation, ou le débit le long l'arête de base du sol). En conséquence, certains chercheurs ont préféré l'utilisation de carottiers que coupé un sol intact avec un appareil de forage ou un autre dispositif d'excavation 5.

Différents matériaux ont été utilisés comme boîtiers pour lysimètres de base du sol. Tuyaux et des boîtes en acier sont relativement faible coût, durables et facilement disponibles et peuvent être utilisés pour recueillir des grandes lysimètres en raison de leur force 14-17. Cependant, alors que l'acier est satisfaisante pour l'évaluation de la lixiviation du relles composés tivement non réactifs tels que le nitrate, le fer, l'acier réagit avec le phosphate et doit donc être enrobés ou autrement traités pour l'étude de phosphore lixiviation. Généralement, les boîtiers en plastique sont utilisés pour étudier le lessivage du phosphore, comme à paroi épaisse (annexe 80) de tuyau en PVC qui peut résister à l'impact d'un marteau de chute (si elle est utilisée) et conserver sa structure lorsque plus grand diamètre des carottes de sol sont obtenus (par exemple, ≥30 cm) 18-22.

En général, les lysimètres de base du sol sont analysés ex situ. Une fois collectées, les sols lysimètres de base peuvent être installés dans l'extérieur "fermes lysimétriques" où le sol environnant et au-dessus des climats terrestres représentent des conditions naturelles. Par exemple, en Suède, l'Université agricole suédoise a maintenu trois fermes lysimétriques distinctes au cours des trois dernières décennies, l'analyse des pratiques devenir des pesticides et de transport, des essais de fertilité des sols à long terme, et de gestion qui peuvent être étendus à 30 cm de diamètre intact noyaux 23. Lysimètres de base du sol ont également été soumis à des expériences de lixiviation à l' intérieur où il y a un plus grand contrôle des conditions climatiques 24,25. Liu et al. A utilisé un simulateur de pluie pour irriguer régulièrement lysimètres de base du sol sous un éventail de cultures dérobées 26. Kibet et Kun toutes les techniques d'irrigation à main utilisés pour étudier l' arsenic et le lessivage des nutriments à travers des carottes de sol 27,28.

Une variété de processus édaphiques et hydrologiques peut être déduite de lysimètres de base du sol. Kun et al. (2015) ont utilisé 30 cm de diamètre lysimètres de colonne PVC pour enquêter sur le lessivage de l' azote après l' application de l' urée 28. En recueillant le lixiviat à différents intervalles de temps suivants un événement d'irrigation, ils ont pu faire la différence entre les flux rapides et progressives, avec l'ancien supposé être dominé par les flux de macropores, et plus tard le supposé être dominé par l'écoulement de la matrice. Comme l'urée est facilement hydrolyse lorsqu'il est en contact wie sol, ils ont interprété la présence de concentrations élevées d'urée dans le lixiviat recueillies peu après l'application de l'urée comme preuve de transport macropores qui court-circuité la matrice du sol. Au fil du temps, ils ont détecté des concentrations élevées de différentes formes d'azote dans le lixiviat, suivi de la transformation de l'urée appliquée à ammonium après hydrolyse initiale, puis la transformation de l'ammonium en nitrate avec nitrification.

Pour illustrer les considérations dans la conception, la réalisation et l'interprétation des expériences lysimétriques de base du sol, nous avons mené une enquête sur quatre sols différents trouvés dans la plaine côtière milieu de l'Atlantique des Etats-Unis. L'étude a mesuré la concentration de lixiviation et de la perte de nitrate avant et après application de fumier sec de volaille (ie, la volaille "litière") 28. Les pertes de nutriments de l'application de la litière de volaille sur les sols sont une préoccupation majeure pour la santé de la baie de Chesapeake, et la compréhension de l'interaction de appliquéelitière de volaille et les propriétés des sols agricoles sont nécessaires pour améliorer les recommandations de gestion des éléments nutritifs. Nous présentons ici une méthode détaillée pour extraire intactes lysimètres de base du sol, suivi de l'humidité du sol, et l'interprétation de nitrate différentielle pertes par lessivage de ces sols.

Cette expérience fait partie d'une étude plus vaste menée pour évaluer le lessivage des éléments nutritifs des sols agricoles de la péninsule de Delmarva, USA 27,28. Sol lysimètres de base ont été recueillies à partir de sites dans le Delaware, le Maryland et la Virginie en 2010. Nous présentons ici les résultats de ces études non publiées. Bien que les premières expériences ont été menées pour évaluer la lixiviation du phosphore, le lessivage des nitrates à partir des thèses des sols a également été surveillée.

Quatre sols agricoles communes de la plaine côtière de l'Atlantique de la baie de Chesapeake bassin versant ont été échantillonnés: Bojac (gros-limoneux, mélangé, semiactive, thermic Typic Hapludult); Evesboro (mésique, enduits Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fine-limoneux, mélangé, actif, mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fine-limoneux, siliceuse, semiactive, mesic Typic Hapludult). Pour chaque sol, horizon morphologie a été décrite à partir des profils exposés par l'excavation des colonnes (tableau 1). textures de surface des sols variaient de sable (Evesboro) à limoneux sable fin / loam sableux (Bojac et Sassafras) à loam limoneux (Quindocqua). Bien que tous les sols ont été historiquement fécondé avec la litière de volaille, aucun n'a été appliqué dans les 10 mois précédant l'étude. Tous les sols étaient en non-labour production de maïs pendant au moins une saison avant la collecte des lysimeter de base du sol.

Après la collecte, le sol lysimètres de base ont été transportés à l'installation de simulatorium USDA-ARS à State College, PA. Là, ils ont été soumis à des expériences d'irrigation intérieures (22-26 ° C) pour évaluer le lessivage des nutriments liés à l'application de la volaille de la litière. Plus précisément,lysimètres ont été irrigués avec 2 cm d'eau par semaine pendant 8 semaines jusqu'à ce que le nitrate de percolation a été équilibrée entre les sols. Litière de volaille (fumier de volaille sec) a ensuite été appliqué à la surface de tous les sols , à raison de 162 kg ha -1 de l' irrigation de l' azote total a été poursuivie pendant 5 semaines. Capteurs d'humidité enregistrées teneur en humidité volumétrique à des intervalles de 5 minutes, de façon continue, tout au long du cycle d'irrigation et à la lixiviation. Lixiviat a été recueillie après 24 h et encore 7 jours plus tard immédiatement avant l'irrigation.

données de lixiviats de lysimètres de base de sol ont été analysées à l'aide de statistiques descriptives simples pour illustrer les différences dans la quantité et la qualité des lixiviats entre les sols, ainsi que les différences avant et après l'application de la litière. Parce que les capteurs d'humidité du sol ont été placés dans seulement deux des lysimètres de base du sol répliquée pour chaque sol (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), les statistiques de la teneur en humidité du sol étaient basées sur N = 2, alors que statistiques pour la profondeur des lixiviats, le nitrate-N concentration et de nitrate-N flux sont issus de 10 sols lysimètres de base pour Evesboro, Bojac et Sassafras et 5 lysimètres de base du sol pour Quindocqua. Pour évaluer l'importance de la réplication dans les sols, les coefficients de variation (CV) pour la profondeur de lixiviation ont été calculés pour différents nombres répliqués. Une approche de simulation de Monte Carlo a été utilisé pour échantillonner de manière répétée un sous-ensemble de lysimètres de base du sol (N = 3) du nombre total de répétitions au sein de chaque groupe de sol (10 pour Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 pour le Quindocqua).

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Protocol

1. Préparation des matériaux

  1. Couper le corps principal du lysimètre de 30,5 cm (12 pouces) de diamètre (ID; nominal) calendrier 80 PVC; ce qui a une épaisseur de paroi de 1,9 cm (0,75 pouce) (figure 1a). Couper la longueur du corps de lysimètre selon l'épaisseur de la couche (s) du sol à étudier; ici, utiliser un 53 cm (21 pouces) de long corps. Fraiser un 0,63 cm de profondeur par 45 ° biseau autour de l'extrémité inférieure du lysimètre pour former un bord d'attaque aigu sur la paroi intérieure du corps de lysimètre pour aider à couper à travers le sol.
  2. Modifier un 34,5 cm ID, bouchon plat PVC fond par collage d' une 30,5 cm anneau de 15,3 cm de hauteur ID de l' annexe 80 PVC dans le bouchon pour permettre la vidange de l' eau et de fournir une capacité de stockage des lixiviats avant la collecte (figure 1b). Couper l'anneau de la même souche que le corps principal de servir de couplage pour rejoindre le cap sur le corps. Le plafond sera joint au corps avec un accouplement et tuyaux flexibles pinces (Figure 1c et 1d). Installer un port pour le prélèvement d'échantillons en perçant un trou de 1,27 cm et en le frappant avec un 1,27 cm 14 NPT tuyau robinet et tourner un adaptateur cannelé mâle 1,27 cm en nylon (Figure 1e) dans le bord extérieur de la capsule où la paroi latérale et se rencontrent en bas.
  3. Coupez un disque 34 cm de diamètre de 1,27 cm d' épaisseur à plat de PVC qui sera utilisé pour couvrir le fond des lysimètres (Figure 1g). Drill 180, régulièrement espacées, 0,32 cm. diamètre des trous dans le disque afin de permettre le drainage du fond de lysimètre du sol rempli d'entrer dans le bouchon. tapis de sol de la colle ou un autre tissu filtrant sur un côté du disque pour empêcher la terre de passer à travers le disque de fond pendant le drainage des lixiviats.
  4. Construisez levage ciseaux de 2,5 cm fer plat et le tuyau d'eau de 2,5 cm (figure 2). Couper deux des cm bandes de fer plat de 2,5 à 50,0 cm de longueur et pliez en un demi-cercle en utilisant l'extérieur du corps de lysimètre comme un guide. Weld 5 cm bet à chaque extrémité de chaque bande de demi-cercle. Joindre chacune des bandes avec une broche de charnière. Souder le tuyau d'eau sur la bague extérieure des bandes opposées les unes des autres.

2. Conduite Lysimètre Boîtier en sol avec le marteau-pilon

  1. Retirez la végétation de surface, les roches et d'autres débris de la zone de collecte. Position 2 lysimeter organismes sur un terrain où les lysimètres doivent être prises (Figure 3a). Veiller à ce que les lysimètres sont de niveau afin que le sol dans la colonne est d'une profondeur uniforme.
  2. Conduire, un marteau de chute monté sur remorque, spécialement conçu en place sur les corps lysimétriques. Lorsque le marteau de chute est en place, déployer outriggers à commande hydraulique pour niveler la plaque d'acier avec le sol et le haut du corps lysimétriques. Les tangons fournissent également la stabilité pour le marteau de chute (Figure 3b).
  3. Partiellement hisser le 10,2 cm d'épaisseur, 1,52 m par 1,52 m carré plaque d'acier pesant 1.180 kg jusqu'à 3 m tour à l'aide deun treuil mécanique (Figure 3b). Relâchez la plaque d'acier pour marteler les colonnes dans le sol.
  4. Répétez l' étape 2.3 à plusieurs reprises jusqu'à ce que le rebord de la colonne est de 2 cm au- dessus de la surface du sol (figure 3C).
  5. Vérifiez pour le compactage du sol à l'intérieur du lysimètre en mesurant la profondeur du sol à l'intérieur et à l'extérieur de la colonne. Si le sol à l'intérieur de la colonne est supérieure à 1 cm plus bas que le sol à l'extérieur de la colonne, les sols sont compactés et ne conviennent pas à la recherche.

3. Retrait de la base du sol

  1. Placer un disque perforé en PVC (figure 1c) et le raccord de tuyau flexible (figure 1d) sur la colonne pour empêcher la contamination par le sol et les autres débris pendant le processus d'excavation.
  2. Creusez une tranchée à côté de la carotte de sol et légèrement plus profond que le fond de la colonne avec une pelle rétrocaveuse (figure 4a).
  3. Elargissez le trou avec une pelle ou choisir (figure 4b) et exposer en tant que mette de l'extérieur du cylindre que possible.
  4. Pousser une barre de creusement de métaux lourds le long de toute la longueur du côté de la colonne , de sorte qu'il se situe entre le sol et le mur extérieur de la colonne (figure 4c).
  5. Soulever la barre de creuser avant et en arrière jusqu'à ce que l'interface du sol au bas de la colonne est brisée.
  6. Encadrer les ciseaux de levage autour de la partie supérieure du lysimètre (voir figure 2) en préparation pour le retrait du noyau du sol. Avec une personne tenant chaque barre, tirer vers le haut jusqu'à ce que les ciseaux fermer hermétiquement autour de la colonne et de soulever le lysimètre hors du trou. Placez le lysimètre sur une surface de travail plane, comme morceau de contreplaqué.

4. Préparation de la base du sol de l'Assemblée Lysimètre

  1. Retournez le noyau de sol au-dessus de telle sorte que la partie inférieure est en place. Le disque de contre-plaqué en bois installé à l'étape 3.1 tiendra le sol en place.
  2. Doucement, niveler le sol même avec le bord du PVC (figure 5a) with un bord droit. Dénoyauter en saillie au-dessus du plan de la jante avec un canif ou d'un tournevis.
  3. Remplir les vides avec du sable de jeu chimiquement inerte et emballer doucement (Figure 5b).
  4. Année le sable même avec le fond de la colonne avec un bord droit et retirez tout excès de sable (Figure 5c et d).
  5. Nettoyez toute saleté sur le rebord et les parois latérales extérieures des lysimètres avec une brosse ou légèrement sauter hors du bord et veiller à ce que la jante est propre pour les adhésifs à coller et pour un montage serré du bouchon.

5. Montage du Lysimètre

  1. Extrudez une perle ronde en continu de calfeutrage de silicium clair autour de la jante du lysimètre (figure 6a). Le mastic devrait être suffisant pour sceller le fond du disque perforé pour les lysimètres et prévenir les fuites d'épaisseur.
  2. Poser le disque perforé (figure 1c) sur la jante avec le tissu de filtre en regard du sable etappuyez fermement pour permettre un bon contact de la plaque et lysimètre.
  3. Percez huit trous espacés uniformément autour du bord de la plaque et fixer le disque perforé avec des vis en acier inoxydable de 1,0 pouces avec un pilote de forage (Figure 6b).
  4. Glissez le raccord de tuyau flexible sur la base de lysimètre de telle sorte que d' environ 2 cm de l'accouplement est en saillie au-dessus de la jante de lysimètre (Figure 5c).
  5. Monter le bouchon en PVC modifié dans le raccord de tuyau flexible (Figure 6c), et pousser le bouchon vers le bas jusqu'à ce qu'il soit en contact avec le corps de lysimètre. Avec un bloc de bois sur le dessus du capuchon utiliser un maillet pour taper doucement le bouchon en place.
  6. Placer les bandes de fixation dans les rainures du raccord et fixer légèrement sans restreindre l'accouplement. Serrer le métal autour de l'accouplement avec une main tenue 1/4 pilote pouces hex jusqu'à ce que le bouchon de lysimètre est fermement maintenu en place. Le lysimètre est prêt à être retourné et transporté à un cont climatiqueinstallation enroulée.

6. Installation de capteurs d'humidité

  1. Scribe un 5 cm de long, ligne horizontale sur le mur de lysimètre à 5 et 25 cm de profondeur. Mesurer la distance entre la surface du sol et non le rebord de lysimètre.
  2. Percez un trou d'un diamètre de 1,0 cm à travers la paroi du lysimètre à chaque extrémité des lignes marquées.
  3. Couper les 3 cm restants de plastique entre les trous forés à une distance d'un outil de coupe rotatif.
  4. Burin 1 cm d' épaisseur de 5 cm de long fente dans le sol pour accueillir le boîtier d'un capteur d'humidité (par exemple, Décagone).
  5. Poussez le capteur d'humidité dans le trou dans la fente nettoyé jusqu'à ce que les dents du capteur sont solidement enfouies dans le sol et que seul le fil est collé sur le lysimètre.
  6. Nettoyer le sol à partir des parois de la fente avec une brosse ou un chiffon.
  7. Appliquer un cordon épais de mastic silicone dans la fente pour empêcher l'eau de fuir. Après le mastic a séché, appliquer un deuxième cycle de silicone pour enassurer que toutes les lacunes dans le trou entourant le capteur sont scellés.

7. Préparation Lysimètres pour lixiviat Collection

  1. les écarts de joint entre le sol et le mur lysimètre avec du calfeutrage pour réduire le risque d'écoulement préférentiel sur les parois intérieures du lysimètre.
    1. Pierce et charger un tube de mastic silicone clair dans un pistolet à calfeutrer standard.
    2. Placez la pointe du tube de calfeutrage entre vide dans le sol à pourvoir et la face intérieure du corps de lysimètre. Poussez la pointe du pistolet à calfeutrer en dessous du sol d'environ 2 cm. Presser le mastic sur le tube jusqu'à ce qu'il remplisse le vide et suinte au-dessus de la surface du sol.
  2. Set lysimètres sur le dessus d'un banc ou une surface plane et suffisamment solide pour supporter le poids de plusieurs lysimètres et suffisamment élevée pour permettre la vidange de l' eau dans une cruche 4,0 L (figure 7).
  3. Vérifiez que le sol lysimètres de base sont nivelées dans toutes les directions avec un petit (15 cm) niveau. Si nécessaire placales de bureaux lysimètres sous jusqu'à ce que la surface du sol est complètement nivelé.
  4. Enroulez du ruban téflon autour du raccord du tube en nylon fileté (0,5 po NPT) et tourner dans le sens horaire approprié dans le capuchon. Serrer le raccord avec une clé à molette jusqu'à ce qu'aucun des fils sont visibles.
  5. Pousser un tuyau de 0,5 pouce sur l'extrémité cannelée de l'embout de nylon et de couper le tuyau de sorte qu'il passe d'environ 4,0 cm dans l'embouchure du pot de prélèvement.
  6. Réglez le récipient sous le lysimètre et placez le tuyau à l'intérieur du pot de collection.

8. irriguant Lysimètres et lixiviat Collecte

  1. Couvrir la surface du sol avec un chiffon de fromage ou autre perméable tissu, chimiquement inerte pour protéger et préserver les agrégats du sol et des résidus de surface.
  2. Mesurer 1450 ml d'eau déminéralisée dans un cylindre gradué et versez-le dans arrosoir, équipé de la tête de douche. Doucement et uniformément saupoudrer l'eau sur le tissu à un taux qui ne distu pasrb la surface du sol.
  3. Attendez une période de temps pour l'eau d'infiltrer une percolation à travers la colonne de sol dans le récipient de bouchon et de la collecte.
  4. Astuce lysimeter dans la direction du trou de sortie jusqu'à ce que toute l'eau est évacuée de la lysimeter réservoir bouchon dans le récipient de collecte.
  5. Mesurer la masse de lixiviats recueillis avec une échelle et convertir masse en grammes de ml (supposons que 1,0 g d'eau est équivalente à 1,0 ml). Verser l'échantillon de lixiviat dans 350 ml en plastique stérile bouteille d'échantillon. Filtrer immédiatement 50 ml d'un entonnoir d'aspiration équipé d' un papier filtre de 0,45 um dans la préparation pour l' analyse des nitrates par colorimétrie par analyse par injection de flux 31.
  6. Stocker filtrés et non filtrés des portions des échantillons dans un réfrigérateur à 4 ° C jusqu'à l'analyse.

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Representative Results

L'humidité du sol, la profondeur des lixiviats et la chimie des lixiviats tous illustrent la variabilité entre les sols, révélant des différences en fonction des propriétés du sol, malgré la variabilité interne entre réplicats lysimètres de base du sol d'un sol particulier. Les points plus tard bons de note particulière du point de vue de la conception expérimentale, que la variabilité inhérente à l'humidité du sol et les processus de lixiviation nécessite la réplication considérable pour minimiser type 2 erreur statistique. Dans l'étude actuelle, les coefficients de variation (CV) dans tous les sols variaient de 0,02 à 0,38 pour l'humidité du sol, de 0,02 à 0,06 pour la profondeur de lixiviat, de 0,22 à 0,55 pour le nitrate-N concentrations, et 0,23-0,54 pour le nitrate-N flux.

L'effet de la réplication de lysimètre sur la variance est illustrée par les données d'échantillonnage de lixiviats à partir des répétitions de sols individuels (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua), révélant une forte influence de réplication sur certaines variables que d'autres. D'une manière générale, le CV diminue nettement que lysimètre réplique augmentation de trois à dix (ou, dans le cas de Quindocqua, trois à cinq réplicats). Pour la profondeur de lixiviat, CV a diminué de 0,14 à 0,06 pour le sol Bojac, 0,12 à 0,06 pour le sol Evesboro et 0,08 à 0,03 pour le sol Sassafras. Dans le cas du Quindocqua, dont seulement cinq répétitions existaient, le CV de N = 3 était de 0,04 tandis que le CV N = 5 était de 0,02. Pour la concentration de nitrate-N, le CV a diminué 0,88 à 0,34 pour Bojac, 0,39 à 0,17 pour Evesboro, et 0,26 à 0,12 pour Sassafras. Pour Quindocqua, le CV de la concentration de nitrate-N a diminué de 0,35 avec trois répétitions à 0,17 avec cinq répétitions. L'effet de la réplication sur le CV de nitrate-N flux était similaire à celui observé avec la concentration de nitrate-N.

Humidité du sol

Les changements dans la teneur en eau du sol à 5 cm et 25 cm de profondeur suivantes irrigation démontrent des différences dans la transmission de l' eau entre les sols grossiers et texture plus fine (figure 8). profils d'humidité indiquent un mouvement rapide de l'eau d'irrigation à travers la texture grossière Evesboro sable et Sassafras sols limoneux sableux. Teneur en eau volumétriques dans ces sols aux deux 5 et 25 cm de profondeur a augmenté à une moyenne de 0,31 et 0,22 m 3 m -3, respectivement, à 1 h de l' irrigation, puis est revenu à des niveaux de fond (0,17 et 0,21 m 3 m -3) de 9 h après l'irrigation. En revanche, la teneur en eau volumétrique dans les sols Bojac et Quindocqua n'a pas revenir à des niveaux de fond au moins jusqu'à 20 heures après l'irrigation.

profondeur de lixiviat

des profondeurs de lixiviat hebdomadaires allaient de 1,12 à 1,95 cm pour les quatre sols au cours de l'expériments (figure 9). recouvrements d'eau d'irrigation, exprimés en pourcentage de l'eau d'irrigation, a suivi une tendance générale liée à la texture du sol, avec des recouvrements de la Evesboro de sable (81%) et Sassafras (85%) des sols étant légèrement plus efficace que de la fine texture Bojac (77% ) et Quindocqua (71%) des sols. La plupart des lixiviats ont été recueillies avec le premier prélèvement après l'irrigation (24 h), ce qui équivaut à 80% du lixiviat total recueilli pour Bojac, 84% du lixiviat total recueilli pour Evesboro, 91% du lixiviat total recueilli pour Sassafras, et 99% du lixiviat total recueilli pour Quindocqua.

Nitrate-N concentrations et les flux dans le lixiviat

Nitrate-N concentrations dans le lixiviat ont augmenté après l'application de la litière, mais ont suivi différentes tendances temporelles entre les sols. Dans la semaine avant l'épandage du fumier, la concentration de nitrate-N dans le lixiviat fou les quatre sols en moyenne 27,1 mg L -1 (figure 10). Pour la texture fine Quindocqua, la concentration a atteint un sommet immédiatement, avec le nitrate-N dans les échantillons de lixiviat de la première semaine en moyenne 39,9 mg L -1. En revanche, le nitrate-N dans le lixiviat des sols à texture sablonneuses augmenté plus lentement, avec un pic de nitrate-N concentrations survenant deux semaines après l' addition de la litière pour le sol Bojac (moyenne de 37,3 mg L -1) et quatre semaines après l' addition de la litière pour la Evesboro (moyenne de 53,0 mg L -1) et Sassafras sols (moyenne de 57,1 mg L -1).

Les différences dans le lixiviat nitrate-N flux (kg ha -1) reflètent non seulement les tendances en nitrate-N concentrations dans le lixiviat , mais aussi des différences dans les profondeurs de lixiviat (figure 11). Avant l' application de la litière, les flux de nitrates hebdomadaires étaient de 2,0 à 5,8 kg ha -1, avec Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Les plus grandes profondeurs de lixiviat de Sassafras et lysimètres Evesboro (figure 9) sont évidents dans les nitrate-N flux avant l' application de la litière. Pour évaluer le rôle de l' application de la volaille de la litière et le volume de lixiviat sur ​​le nitrate-N flux, le sol nitrate-N flux de avant l' application de la litière ont été soustraites des flux hebdomadaires suivantes (figure 12). Le motif résultant des changements de flux visuel et la gamme de nitrate-N flux entre les sols est de 1,1 à 4,7 kg ha -1. Nitrate-N flux des sols Quindocqua après les pics de demande de litière immédiatement et reste supérieure à flux des autres sols jusqu'à la sixième semaine. Nitrate-N flux des sols à texture plus grossière, encore une fois, est retardée avec Bojac (3,7 kg ha -1) et Sassafras (3,8 kg ha -1) avec un pic dans la deuxième semaine après l' application de la litière et la Evesboro culminant à 3,0 kg ha -1 , quatre semaines après l'application de la litière.

Hydrologic Distribution de taille de particule KCl nitrate
Sol Classe 0-5 cm 15-30 cm 45-50 cm 0-5 cm
% le sable % d'argile % le sable % d'argile % le sable % d'argile mg kg -1
Bojac B 72,7 9.6 65.1 16,9 57,9 21,8 74
Evesboro UNE 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

Tableau 1: Les propriétés chimiques et physiques des lysimètres de base du sol.

Figure 1
Figure 1: Major Pièces pour construire Lysimètre (a) Schedule 80 PVC lysimeter organismes;. (B) bouchon en PVC; (C) d'accouplement flexible; (D) le disque perforé; (E) colliers de serrage; (F) des tubes de qualité alimentaire; (G) Raccord fileté de tuyau cranté. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cettefigure.

Figure 2
Figure 2:. Levage personnalisé Ciseaux de levage personnalisés permettent à deux personnes pour soulever et déplacer de lourdes lysimètres de base du sol. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3:. Voir Drop Hammer et insertion de colonnes (a) des colonnes de PVC niveau mis sur le sol en préparation pour le marteau de chute. (B) Déposer le marteau martèlement dans les cylindres. (C) Les bouteilles complètement enfoncés dans le sol. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4:. Préparation pour l' élimination des colonnes de sol (a) Trou étant creusé le long du côté des colonnes. (B) Le sol étant pris loin de colonnes (note lysimètres protégées des sols extérieurs avec revêtement en PVC et accouplement flexible). (C) l' interface sol-sol étant cassé avec une barre de creusage. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5:. Préparation du fond de lysimètre pour plaque perforée et le bouchon (a) en bas de mise à niveau et l' enlèvement des pierres saillantes. (b g>) Remplir les vides avec du sable stérile. (C) du sable Leveling. (D) de la colonne Nettoyé avec du sable de niveau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6:. Installation sur fond lysimètre (a) Mettre un anneau de mastic sur la jante nettoyée de lysimètre. (B) Fixation disque perforé sur lysimètre avec des vis en acier inoxydable. (C) Mettre cap sur lysimètre et de fixation étanche avec accouplement flexible. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 7:.. Lysimeter Entièrement assemblé assemblé lysimètre avec des bouteilles de tuyau fixé et de verre placées sous pour la collecte des lixiviats (capteurs d'humidité pas installés) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8:.. Teneur en eau volumétriques teneur en eau volumétriques (m 3 m -3) dans le lysimètre de carotte de sol à 5 cm et 25 cm de profondeur sur une période typique de 24 heures suivant l' irrigation S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Figure 9:.. Profondeur de lixiviat La somme de la profondeur de lixiviat hebdomadaire (cm) prélevés lysimètres de base du sol partitionné en lessivage rapide (24 h) et le lessivage lent (7 jours) des segments S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10:. La concentration de nitrates-N concentration de nitrate-N hebdomadaire (mg L -1) dans les lixiviats recueillis dans lysimètres de base du sol avant et après l' application de la volaille de la litière. Traçage des points représentent les moyennes et les barres d' erreur autour des points représentent l' erreur standard de la moyenne. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 11
Figure 11: Nitrate-N Flux La masse de nitrate-N (kg ha -1) dans les lixiviats recueillis dans lysimètres de base du sol avant et après l' application de la volaille de la litière.. Traçage des points représentent les moyennes et les barres d' erreur autour des points représentent l' erreur standard de la moyenne. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 12
Figure 12: Estimation. Nitrate-N contribution flux provenant du fumier sol nitrate-N flux (kg ha -1) à partir avant l' application de la litière ont été soustraits des flux hebdomadaires suivantes pour évaluer la contribution de la litière de volaille nitrogen au coeur du sol lixiviat. Traçage des points représentent les moyennes et les barres d' erreur autour des points représentent l' erreur standard de la moyenne. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Des étapes importantes de lysimètre Collection

Les études Lixiviation illustrent l'influence des propriétés du sol et la gestion du fumier sur les pertes d'azote dans les eaux souterraines peu profondes. Sol propriétés physiques telles que la texture du sol, la structure globale et la densité apparente médiatisent la percolation de l'eau et de solutés. La détermination précise des concentrations en volume de lixiviats et soluté dépend en conservant l'intégrité de ces propriétés physiques du sol lors de la collecte lysimeter en suivant ces étapes critiques: 1) le lysimètre et le marteau de chute doit rester niveau tandis que la colonne est entraînée dans le sol; 2) le sol dans le lysimètre doit être vérifiée pour le compactage; 3) la partie inférieure de la colonne de sol doit être nivelé et vides doit être rempli de sable inerte avant que le bouchon de vidange est installé; et 4) toutes les lacunes, y compris celles entre la paroi du lysimètre et le sol doit être scellé avec un mastic de silicone pour empêcher l'écoulement de la paroi latérale préférentielle ou une fuite de thports de capteur d'humidité e.

Importance de la structure du sol en maintenant

Les études de lixiviation doivent représenter avec précision le volume d'eau se déplaçant à travers les profils de sol afin de déterminer efficacement la perte de masse de solutés. L'irrigation moyenne récupérée à partir des quatre sols étudiés était de 79% du volume appliqué. Des recherches similaires comparant l'efficacité non liés lysimètres pan zéro tension rapporté en moyenne des rendements de collecte d'irrigation de 56% et 58% 29,10. Bien que les sols dans les études mentionnées ci-dessus étaient différents des sols dans cette étude, nous attribuons l'augmentation de l'efficacité de récupération de l'irrigation à la base de la capacité lysimètres du sol pour conserver les propriétés physiques du sol et envelopper le profil du sol.

Importance de la réplication

Cette étude souligne l'influence de la réplication sur la variance dans les propriétés de lixiviation et de la nécessité d'accroître la réplication en order de tirer des conclusions significatives de lysimètres de base du sol. Variabilité des propriétés de lixiviation était le plus grand pour la concentration de nitrate-N et le flux et le plus bas pour le volume de lixiviat. Pour toutes les propriétés de lixiviation, ce qui augmente le nombre de réplicats lysimètres de base du sol de trois à 10 (Bojac, Evesboro et Sassafras ou dans le cas de Quindocqua, de trois à cinq), réduit le CV à 0,06 ou moins. D'après notre expérience, un minimum de quatre réplications est nécessaire de base du sol lysimétriques expériences 18,28,29.

Importance de suivre l'humidité du sol

les tendances d'humidité du sol à 5 ​​cm et 25 cm de profondeur, en combinaison avec une compréhension de la morphologie du sol à ces profondeurs, peuvent être utilisés pour expliquer les tendances hydrologiques et les hypothèses d'état stable. Par exemple, les tendances de l'humidité du sol révèlent des différences dans les processus de lixiviation entre la texture grossière des sols Evesboro et Sassafras et la texture plus fine Bojac et Quindocqua sols. La texture grossièresols exposés brèves augmentations de la teneur en eau volumétrique par rapport à une plus fine des sols à texture qui avaient des augmentations plus prolongées dans l' humidité du sol (figure 8). Ces différences ont également été révélé lorsque l'on compare 24 h et 7 collections de lixiviat de jour, mais manquait la résolution temporelle plus fine pour affiner les hypothèses concernant les flux de macropores rapide. Dans le cas du sol Bojac, qui a donné la plus grande proportion de lixiviat après la première collection de 24 heures, les tendances de l'humidité du sol à 25 cm de profondeur révèlent une période prolongée de l'humidité du sol saturation qui favoriserait les conditions de dénitrification et donc diminuer le nitrate-N dans le lixiviat . Compte tenu de la perspicacité acquise à partir de capteurs d'humidité du sol, une prime doit être placé sur l' installation de capteurs en autant de carottes de sol lysimètres que possible pour faciliter l' évaluation a posteriori des processus de lixiviation.

Importance du calcul bilan massique

Dans l'étude actuelle, de 8,5 à 19,6% deN appliqué a été perdu dans le lixiviat sous forme de nitrate-N sur une période de 6 semaines. Les pertes par lessivage sont clairement une composante majeure du budget N pour les sols fertilisés et de minimiser ces pertes est importante non seulement pour la qualité de l'environnement, mais aussi pour l'utilisation des nutriments efficacité. On estime que 80,4 à 91,5% de la litière appliquée N est resté dans les lysimètres de base du sol. Documenter le sort de cette N pourrait être améliorée avec l'utilisation de techniques telles que des étiquettes ou des traceurs. Ainsi, un avantage clair du sol lysimètres de base est dans la budgétisation de l' eau et des matériaux appliquée, ce qui est beaucoup plus difficile avec d' autres types de systèmes lysimétriques, comme lysimètres pan, qui ne sont pas délimitées et sont connus pour être moins efficaces 9.

Limitations de la conception

Bien que la conception actuelle mesure efficace drainant l'eau gravitationnel, on croit que les lysimètres sous-estiment le volume de lixiviation à partir des espaces de pores plus petits des sols à texture plus fine due à des dizainesforces ional. La fraction moyenne de l'eau d'irrigation récupéré de la terre fine Quindocqua texturée ne représentait que 71% du total appliqué. En outre, moins de 1% de ce volume est attribué à «lixiviation lente» à travers les pores plus fines dans la matrice du sol. L' efficacité de la collecte ont été augmentés de 50% ou plus avec l'ajout de fibre de verre passives capillaires Mèches sol profils 9. Les auteurs étudient actuellement l'efficacité de la fibre de verre Mèches pour une utilisation dans le lysimètre de base du sol décrit dans ce manuscrit.

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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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