Un protocollo per la raccolta e la costruzione del suolo lisimetri core

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

La penisola Delmarva costeggia la riva orientale della baia di Chesapeake, ed è la sede di uno dei più grandi regioni di produzione del pollame negli Stati Uniti. Circa 600 milioni di polli e circa 750.000 tonnellate di letame sono generati dalla produzione di questi uccelli ogni anno 1. La maggior parte del letame viene utilizzato a livello locale come una modifica fertilizzante sui campi agricoli. A causa di storicamente alti tassi di applicazione del concime, nutrienti come azoto e fosforo hanno accumulato nel suolo e ora sono suscettibili di perdite fuori sede via sottosuolo lisciviazione 2. Gran parte del flusso delle acque sotterranee è diretto verso una fitta rete di fossati che in ultima analisi, di scarico al di Chesapeake Bay 3. I nutrienti trasportati alla baia sono legate al declino della salute della baia a causa di eutrofizzazione 4.

Collegamento gestione dei nutrienti con perdite off-site di nutrienti richiede strumenti specializzati per il monitoraggio idrologicoi flussi e trasferimenti di nutrienti associati. Lisimetri rappresentano un importante categoria di strumenti utilizzati per caratterizzare e quantificare il movimento dei nutrienti attraverso terreni. Lisimetri hanno una lunga storia di utilizzo del flusso di nutrienti monitoraggio a percolazione di acqua 5-7, da lisimetri di tensione che possono essere regolati per contrastare il potenziale matrice del suolo in modo che meglio impianto stima acqua disponibile, per lisimetri zero tensione che sono più rappresentativi di processi che si verificano durante il drenaggio libero. Tutti gli approcci per lysimetery presenti pregiudizi inerenti. Per esempio, alcuni lisimetri sono troppo piccoli per rappresentare appieno i processi spazialmente complessi in terreni naturali, o sono troppo grandi e costosi per fornire una buona replica statistica dei suoli eterogenei 8. Inoltre, lisimetri pan richiedono terreni sopra di loro ad essere saturo di raccogliere il percolato e sono inefficienti rispetto ai lisimetri tensione a misurare il flusso di matrice 9.

sistemi lisimetrici chiusi,come ad esempio zero tensione lisimetri nucleo suolo (noto anche come lisimetri terreno monolito), di migliorare notevolmente la sicurezza con cui bilanci idrici e dei bilanci degli inquinanti associati (ad esempio, i bilanci di nutrienti) vengono effettuate 10. Questi lisimetri sono più rappresentativi quando contengono nuclei intatti di suolo; lisimetri pieni di terreni riconfezionato non mantengono la struttura originaria, orizzonti e le connessioni MACROPORE che influenzano il trasporto di soluti e composti di particelle simili 11,12. Da un punto di sperimentale, approcci che facilitano una maggiore replicazione delle condizioni del suolo indisturbati sono vantaggiose, data la variabilità spaziale intrinseca che esiste nella fisica del suolo e le proprietà chimiche 13.

Due metodi preferiti sono stati utilizzati per la raccolta del terreno intatto lisimetri fondamentali: goccia martello e testa di taglio. Il primo è stato più comunemente eseguita, in quanto può essere realizzato con dispositivi semplici come un prosciutto slittamer (lisimetri più piccoli). Quando eseguito correttamente, collezione nucleo terreno con un martello goccia ha dimostrato di essere relativamente conveniente, soprattutto se confrontato con altre tecniche di carotaggio. Tuttavia, le forze di picco imposti dalla guida di un involucro lisimetro nel terreno possono provocare sbavature e la compattazione, le condizioni all'interno del lisimetro che non sono rappresentativi della terra natale produrre e può anche favorire alcuni tipi di movimento dell'acqua (ad esempio, il flusso di by-pass, o scorrere lungo il bordo nucleo suolo). Come risultato, alcuni ricercatori hanno preferito l'uso di defittonatrici che tagliano via un suolo intatto con un apparato di perforazione o un altro dispositivo di scavo 5.

Vari materiali sono stati utilizzati come involucri per lisimetri nucleo suolo. Tubi d'acciaio e scatole sono relativamente a basso costo, durevole e facilmente disponibili e possono essere utilizzati per raccogliere lisimetri più grandi a causa della loro forza 14-17. Tuttavia, mentre l'acciaio è soddisfacente per valutare la lisciviazione di relcomposti tivamente poco reattivi come il nitrato, il ferro in acciaio reagisce con fosfato e deve pertanto essere rivestito o altrimenti trattate per lo studio di fosforo lisciviazione. Comunemente, involucri di plastica sono utilizzati per studiare la lisciviazione di fosforo, come ad esempio pareti di spessore (Schedule 80) tubo in PVC in grado di sopportare l'impatto di un martello goccia (se utilizzato) e mantenere la propria struttura quando nuclei di suolo diametro maggiore sono ottenuti (ad esempio, ≥30 cm) 18-22.

In generale, lisimetri nucleo suolo vengono analizzati ex situ. Una volta raccolti, lisimetri fondamentali del suolo possono essere installati in esterno "fattorie lisimetrici" dove circostanti suolo e sopra i climi di terra rappresentano condizioni di campo naturali. Per esempio, in Svezia, l'Università di Agraria svedese ha mantenuto tre parchi lisimetrici distinte nel corso degli ultimi tre decenni, analizzando le pratiche di pesticidi destino e di trasporto, prove di fertilità del suolo a lungo termine, e di gestione che può essere scalata a 30 cm di diametro intact cores 23. Lisimetri fondamentali del terreno sono stati anche sottoposti a esperimenti di lisciviazione al coperto in cui vi è un maggiore controllo delle condizioni climatiche 24,25. Liu et al. Utilizzato un simulatore di pioggia per irrigare regolarmente lisimetri fondamentali terreno sotto una serie di cattura colture 26. Kibet e Kun tutte le tecniche di irrigazione mano impiegate per studiare l'arsenico e la lisciviazione dei nutrienti attraverso nuclei di terreno 27,28.

Una varietà di processi edafiche e idrologici può essere dedotta dalla lisimetri nucleo suolo. Kun et al. (2015) usati 30 cm di diametro lisimetri colonna PVC per indagare lisciviazione dell'azoto ureico dopo l'applicazione 28. Con la raccolta del percolato a diversi intervalli di tempo a seguito di un evento di irrigazione, sono stati in grado di distinguere tra i flussi rapidi e graduali, con l'ex assunto ad essere dominato dal flusso MACROPORE, e la successiva assunto ad essere dominato dal flusso di matrice. Dal momento che l'urea viene rapidamente idrolizzato a contatto witerreno °, hanno interpretato la presenza di concentrazioni di urea elevata in percolato raccolti poco dopo l'applicazione di urea come prova di trasporto MACROPORE che bypassato la matrice suolo. Nel corso del tempo, hanno rilevato elevate concentrazioni di diverse forme d'azoto in percolato, monitoraggio la trasformazione di urea applicata ad ammonio dopo idrolisi iniziale, quindi la trasformazione di ammonio nitrato con nitrificazione.

Per illustrare le considerazioni nella progettazione, conduzione e interpretare esperimenti lisimetrici fondamentali del suolo, abbiamo condotto un'indagine su quattro diversi terreni si trovano in pianura costiera medio-atlantica degli Stati Uniti. La concentrazione di lisciviazione studio misurata e la perdita di nitrati, prima e dopo l'applicazione di letame secco di pollame (ad esempio, il pollame "cucciolata") 28. perdite di nutrienti dall'applicazione di lettiere avicole a suoli sono una delle principali preoccupazioni per la salute della Chesapeake Bay, e comprendere l'interazione tra applicatalettiera di pollame e le proprietà del suolo agricolo è necessaria per migliorare nutrienti raccomandazioni per la gestione. Presentiamo qui un metodo dettagliato per l'estrazione intatte lisimetri fondamentali del suolo, il monitoraggio dell'umidità del suolo, e l'interpretazione di nitrati differenziale perdite di lisciviazione di questi terreni.

Questo esperimento è parte di un più ampio studio condotto per valutare la lisciviazione dei nutrienti dai terreni agricoli della penisola Delmarva, Stati Uniti d'America 27,28. lisimetri fondamentali del suolo sono stati raccolti da siti in Delaware, Maryland e Virginia nel 2010. Qui vi presentiamo i risultati di questi studi non pubblicati. Anche se gli esperimenti iniziali sono stati condotti per valutare la lisciviazione di fosforo, lisciviazione dei nitrati dai terreni di tesi è stato anche monitorato.

Quattro suoli agricoli comuni della pianura costiera atlantica della baia di Chesapeake bacini idrici sono stati campionati: Bojac (grossolana-argilloso, misto, semiattivo, termico Typic Hapludult); Evesboro (Mesic, rivestito Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fine-argilloso, misto, attiva, Mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fine-argillosi, silicei, semiattivo, Mesic Typic Hapludult). Per ciascun terreno, orizzonte morfologia stato descritto dai profili esposti dallo scavo delle colonne (Tabella 1). texture di superficie dei suoli variavano da sabbia (Evesboro) per argilloso fine sabbia / terriccio sabbioso (Bojac e Sassafras) ad insabbiarsi terriccio (Quindocqua). Anche se tutti i terreni erano stati storicamente fecondato con lettiere avicole, nessuno era stato applicato nei 10 mesi precedenti lo studio. Tutti i terreni erano stati in no-till la produzione di mais per almeno una stagione prima della raccolta lisimetro nucleo suolo.

Successivamente alla raccolta, lisimetri nucleo di terreno sono stati trasportati alla struttura simulatorium USDA-ARS a State College, PA. Ci sono stati oggetto di esperimenti di irrigazione al coperto (22-26 ° C) per valutare la lisciviazione dei nutrienti legati all'applicazione lettiere avicole. specificamente,lisimetri sono stati irrigati con 2 cm di acqua a settimana per 8 settimane fino a quando il nitrato di percolato è stato equilibrato tra i terreni. Lettiere avicole (pollina secca) è stato quindi applicato alla superficie di tutti i terreni in ragione di 162 kg ha -1 del totale irrigazione N. è stata continuata per altre 5 settimane. sensori di umidità registrati contenuto di umidità volumetrico ad intervalli di 5 minuti di continuo, per tutto il ciclo di irrigazione e la lisciviazione. Il percolato è stato raccolto dopo 24 ore e ancora 7 giorni più tardi, immediatamente prima di irrigazione.

dati percolato dai lisimetri fondamentali del suolo sono stati analizzati utilizzando semplici statistiche descrittive per illustrare le differenze di quantità e qualità del percolato tra terreni, così come le differenze prima e dopo l'applicazione lettiera. Poiché i sensori di umidità del suolo sono stati collocati in solo due delle principali lisimetri suolo replicare per ogni terreno (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), le statistiche per il contenuto di umidità del suolo sono stati basati su N = 2, mentre sTATISTICHE per la profondità percolato, nitrati-N concentrazione e di nitrati-N di flusso sono stati ottenuti da 10 suolo lisimetri fondamentali per Evesboro, Bojac e Sassafras e 5 lisimetri fondamentali terreno per Quindocqua. Per valutare l'importanza di replica all'interno di terreni, coefficienti di variazione (CV) per la profondità del percolato sono stati calcolati per i diversi numeri di replicare. Un approccio simulazione Monte Carlo è stata usata per campionare ripetutamente un sottoinsieme di lisimetri fondamentali del suolo (n = 3) del numero totale di repliche all'interno di ogni gruppo del suolo (10 per Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 per la Quindocqua).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Preparazione dei Materiali

  1. Tagliare il corpo principale del lisimetro da 30,5 cm (12 pollici) di diametro (ID; nominale) di programma 80 in PVC; questo ha uno spessore di parete di 1,9 cm (0,75 pollici) (Figura 1a). Tagliare la lunghezza del corpo lisimetro seconda dello spessore dello strato di terreno (s) da studiare; qui, utilizzare un 53 cm (21 pollici) lungo il corpo. Rout a 0,63 cm di profondità di 45 ° smusso intorno all'estremità inferiore del lisimetro per formare un bordo di entrata sulla parete interna del corpo lisimetro per facilitare il taglio attraverso il suolo.
  2. Modificare un 34,5 centimetri ID, berretto PVC fondo piatto incollando un alto 15,3 cm anello ID 30,5 centimetri del previsto 80 PVC nel tappo per permettere il drenaggio di acqua e di fornire capacità di archiviazione per percolato precedenti la raccolta (figura 1b). Tagliare l'anello dallo stesso ceppo, come il corpo principale per servire come un accoppiamento di aderire al tappo al corpo. Il tappo sarà unito al corpo con un flessibile fascette di accoppiamento e tubi flessibili (Figura 1c e 1d). Installare una porta per la raccolta del campione da un foro 1,27 centimetri e toccando con un 1,27 centimetri 14 rubinetto tubo NPT e trasformare un adattatore maschio spinato 1,27 centimetri nylon (Figura 1e) nel bordo esterno della calotta dove la parete laterale e si incontrano inferiore.
  3. Tagliare un disco di diametro 34 cm da 1,27 cm di spessore piano Stock PVC che verrà utilizzato per coprire la parte inferiore delle lisimetri (Figura 1G). Drill 180, distribuiti uniformemente, 0,32 cm. fori di diametro in un disco per consentire il drenaggio dal fondo del lisimetro suolo riempito di entrare nel cap. telo base colla o altro tessuto filtrante su un lato del disco per impedire terreno di passare attraverso il disco inferiore durante il drenaggio percolato.
  4. Costruire forbici di sollevamento da 2,5 cm ferro da stiro e tubo dell'acqua 2,5 cm (Figura 2). Tagliare due delle cm bande di ferro piatto 2,5 a 50,0 cm di lunghezza e piegare in un semicerchio con l'esterno del corpo lisimetro come guida. Saldare un cinque centimetri Be ad ogni estremità di ogni banda semicerchio. Partecipa ciascuna delle bande con un perno di cerniera. Saldare il tubo dell'acqua sull'anello esterno delle bande opposte l'uno dall'altro.

2. guida lisimetro involucro nel terreno con il martello di goccia

  1. Rimuovere la vegetazione di superficie, pietre e altri detriti dalla zona di raccolta. Posizione 2 lisimetro corpi in piano dove lisimetri devono essere prese (Figura 3a). Assicurarsi che lisimetri sono di livello in modo che il suolo all'interno della colonna è di una profondità uniforme.
  2. Guidare un appositamente progettato, rimorchio-montato, martello goccia in posizione sui corpi lisimetro. Quando il martello calo è a posto, distribuire stabilizzatori alimentati idraulicamente per livellare la piastra d'acciaio con il terreno e la parte superiore dei corpi lisimetro. Gli stabilizzatori forniscono anche la stabilità per la caduta del martello (Figura 3b).
  3. Parzialmente issare la spessa 10,2 cm, 1,52 m per 1,52 m lamiera d'acciaio quadrato del peso di 1.180 kg fino a 3 m torre con l'aiuto diun argano meccanico (Figura 3b). Rilasciare la piastra di acciaio a martello colonne nel terreno.
  4. Ripetere il punto 2.3 più volte fino a quando il bordo della colonna è di 2 cm al di sopra della superficie del suolo (Figura 3c).
  5. Controllare compattazione del terreno all'interno del lisimetro misurando la profondità del terreno all'interno e all'esterno della colonna. Se il terreno all'interno della colonna è superiore a 1 cm inferiore suolo all'esterno della colonna, terreni sono compattati e non sono adatti per la ricerca.

3. Rimuovere il Core suolo

  1. Inserire un disco forato PVC (figura 1c) e accoppiamento di tubo flessibile (Figura 1d) sopra la colonna per prevenire la contaminazione da terreno e altri detriti durante le operazioni di scavo.
  2. Uno scavo accanto al nucleo suolo e leggermente più profondo fondo colonna con un retroescavatore (figura 4a).
  3. Allargare il foro con una pala o scegliere (Figura 4b) ed esporre come much della parte esterna del cilindro possibile.
  4. Inserire una barra di metallo pesante scavo verso il basso lungo l'intera lunghezza del lato della colonna in modo che sia tra suolo e la parete colonna esterna (figura 4c).
  5. Sollevare la barra scavo avanti e indietro fino all'interfaccia terreno nella parte inferiore della colonna è rotto.
  6. Inquadrare le forbici sollevamento intorno all'inizio della lisimetro (Figura 2) in preparazione per la rimozione nucleo suolo. Con una persona in possesso di ogni barra, tirare verso l'alto fino a quando le forbici si chiudono ermeticamente attorno alla colonna e sollevare il lisimetro fuori dal buco. Posizionare il lisimetro su una superficie di lavoro piana come pezzo di compensato.

4. Preparare il Core suolo per l'Assemblea lisimetro

  1. Vibrazione del nucleo terreno in modo che il lato inferiore è alto. Il disco di compensato di legno installato nel passaggio 3.1 terrà il suolo in luogo.
  2. Delicatamente, livellare il terreno anche con il bordo del PVC (figura 5a) wesimo un regolo. Rimuovere pietre sporgenti sopra il piano del cerchio con un coltello penna o un cacciavite.
  3. Riempire eventuali vuoti con chimicamente inerte gioco di sabbia e delicatamente confezionarle (figura 5b).
  4. Grade sabbia anche con il fondo colonna con un regolo e rimuovere l'eccesso di sabbia (figura 5c e d).
  5. Pulire qualsiasi terreno dal bordo e le pareti laterali esterne dei lisimetri con una spazzola o leggermente soffiare fuori dal bordo e garantire che il cerchione sia pulita per adesivi per attaccare e per un montaggio comodo del tappo.

5. Montaggio del lisimetro

  1. Estrudere un cordolo giro continuo di mastice silicone chiara intorno al bordo del lisimetro (Figura 6a). Il mastice deve essere sufficiente per sigillare la parte inferiore del disco forato a lisimetri di evitare una fuoriuscita di spessore.
  2. Disporre il disco forato (figura 1c) sul cerchione con il tessuto filtrante rivolta verso la sabbia epremere con decisione per consentire un buon contatto della piastra e lisimetro.
  3. Perforare otto fori pilota uniformemente distanziati attorno al bordo della piastra e fissare il disco forato con viti in acciaio inox 1,0 pollici con un trapano avvitatore (Figura 6b).
  4. Infilare il giunto del tubo flessibile a base lisimetro in modo che circa 2 cm del giunto sta proiettando al di sopra del lisimetro cerchione (Figura 5c).
  5. Montare il tappo in PVC modificato nel raccordo del tubo flessibile (figura 6c), e spingere il tappo verso il basso fino a quando non entra in contatto con il corpo lisimetro. Con un blocco di legno sulla parte superiore del tappo usare un martello per toccare delicatamente il tappo al suo posto.
  6. Collocare le fasce di fissaggio nelle scanalature del giunto e fissare leggermente, senza costrizione l'accoppiamento. Serrare il metallo intorno l'accoppiamento con una mano tesa da 1/4 di pollice conducente esagonale fino a quando il tappo lisimetro è saldamente tenuto in posizione. Il lisimetro è pronto per essere capovolto e trasportati in un clima contimpianto di laminati.

6. Installazione di umidità Sensori

  1. Scribe lungo 5 cm, linea orizzontale sulla parete lisimetro a 5 e 25 cm profondità. Misurare dalla superficie del suolo e non il bordo del lisimetro.
  2. Praticare un foro diametro di 1,0 cm attraverso l'parete del lisimetro a ciascuna estremità delle linee segnate.
  3. Tagliare i restanti 3 cm di plastica tra i fori di distanza con un utensile di taglio rotativo.
  4. Scalpello a 1 cm di spessore di 5 cm di lunghezza fessura nel terreno per accogliere il corpo di un sensore di umidità (ad esempio, Decagon).
  5. Spingere il sensore di umidità nel foro nell'alloggiamento ripulito fino a quando i poli del sensore sono saldamente sepolti nel terreno e che solo il filo rimane parzialmente fuori del lisimetro.
  6. terreno pulito dalle pareti dello slot con un pennello o uno straccio.
  7. Applicare uno spesso cordone di mastice siliconico nello slot per impedire all'acqua di fuoriuscire. Dopo che il mastice si è asciugato, applicare un secondo ciclo di silicone itAssicurarsi che tutte le lacune nel foro circonda il sensore sono sigillati.

7. Preparazione lisimetri per percolato Collection

  1. lacune di tenuta tra il suolo e la parete lisimetro con mastice per ridurre il rischio di flusso preferenziale lungo le pareti interne del lisimetro.
    1. Pierce e caricare un tubetto di mastice siliconico trasparente in una pistola calafatare standard.
    2. Mettere punta del tubo di mastice che delimita gli spazi nel terreno da riempire e la faccia interna del corpo lisimetro. Spingere la punta della pistola caulk sotto il suolo di circa 2 cm. Spremere il mastice fuori dal tubo fino a riempire il vuoto e trasuda al di sopra della superficie del suolo.
  2. Set lisimetri in cima ad una panca o una superficie piana e abbastanza robusto per gestire il peso di diversi lisimetri e abbastanza alto da permettere il drenaggio di acqua in una brocca 4,0 L (Figura 7).
  3. Verificare che il suolo lisimetri di base sono livellati in tutte le direzioni con un piccolo (15 cm) livella. Se necessario plaspessori ce lisimetri sotto fino a quando la superficie del terreno è completamente livellato.
  4. Avvolgere nastro di teflon attorno al raccordo filettato tubo di nylon (0,5 in NPT) e ruotare in senso orario il raccordo nel tappo. Serrare il raccordo con una chiave inglese fino a quando nessuno dei fili sono visibili.
  5. Inserire un tubo di 0,5 pollici sull'estremità spinato del raccordo nylon e tagliare il tubo in modo che passi circa 4,0 cm nel bocca della brocca raccolta.
  6. Impostare il contenitore sotto il lisimetro e posizionare il tubo all'interno della brocca di raccolta.

8. irrigazione lisimetri e il percolato Raccolta

  1. Coprire la superficie del suolo con un panno di formaggio o altro permeabile, tessuto chimicamente inerte per proteggere e preservare gli aggregati del suolo e residui di superficie.
  2. Misura 1.450 ml di acqua deionizzata in un cilindro graduato e versarlo in annaffiatoio, dotata di soffione. Delicatamente e in modo uniforme spruzzare l'acqua sul tessuto ad un tasso che non disturb superficie del suolo.
  3. Attendere un periodo di tempo per l'acqua di infiltrarsi un percolato attraverso la colonna di terreno nel contenitore tappo e la raccolta.
  4. Suggerimento lisimetro nel verso il foro di uscita fino a quando tutta l'acqua viene drenata dal lisimetro tappo del serbatoio nel recipiente di raccolta.
  5. Misurare la massa del percolato raccolto con una scala e convertire massa in grammi per ml (supporre che 1,0 g di acqua è pari a 1,0 ml). Versare il campione di percolato in 350 ml bottiglia campione di plastica sterile. Filtrata Subito 50 ml con un imbuto di aspirazione dotato di carta da filtro 0,45 micron di preparazione per l'analisi utilizzando nitrato colorimetria tramite analisi di iniezione del flusso 31.
  6. Conservare filtrato e le porzioni non filtrati dei campioni in frigorifero a 4 ° C fino all'analisi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

L'umidità del terreno, la profondità di percolato e la chimica del percolato tutto illustrano variabilità tra terreni, rivelando le differenze in funzione delle proprietà del suolo, nonostante la variabilità interna tra repliche lisimetri fondamentali suolo di un terreno particolare. I warrant secondo momento particolare rilievo dal punto di vista del design sperimentale, come la variabilità inerente l'umidità del terreno e dei processi di lisciviazione richiede notevole replica per ridurre al minimo il tipo 2 errore statistico. Nel corso di studio, i coefficienti di variazione (CV) in tutti i terreni variava 0,02-0,38 per l'umidità del terreno, ,02-,06 per la profondità percolato, 0,22-0,55 per le concentrazioni di nitrati-N, e 0,23-0,54 per il flusso di nitrati-N.

L'effetto di replica lisimetro sulla varianza è illustrato da campionando i dati percolato dalle repliche dei singoli suoli (Bojac, Evesboro, Sassafras, Quindocqua), rivelando una forte influence di replica su alcune variabili rispetto ad altri. In generale, il CV diminuisce chiaramente lisimetro replica aumento da tre a dieci (o, nel caso di Quindocqua, da tre a cinque repliche). Per profondità di percolato, CV diminuito 0,14-0,06 per il suolo Bojac, 0,12-0,06 per il suolo Evesboro e 0,08-0,03 per il suolo Sassafras. Nel caso del Quindocqua, per cui esistevano solo cinque repliche, il CV di N = 3 era 0,04 mentre il CV per N = 5 era 0,02. Per la concentrazione di nitrati-N, il CV è diminuito 0,88-0,34 per Bojac, 0,39-0,17 per Evesboro, e ,26-,12 per Sassafras. Per Quindocqua, il CV di concentrazione di nitrati-N è sceso da 0,35 con tre repliche a 0,17 con cinque repliche. L'effetto di replica nella CV di flusso nitrati-N era simile a quella osservata con concentrazione di nitrati-N.

Umidità del suolo

I cambiamenti nel contenuto idrico del suolo a 5 cm e 25 cm profondità seguenti irrigazione dimostrano differenze nella trasmissione d'acqua tra i terreni più grossolani e più sottili strutturate (Figura 8). profili di umidità indicano un rapido movimento dell'acqua di irrigazione attraverso la più grossolana strutturato Evesboro sabbia e Sassafras terreni terriccio sabbioso. Contenuto d'acqua volumetrico in questi suoli su entrambi i 5 ei 25 cm profondità aumentato a una media di 0,31 e 0,22 m 3 m -3, rispettivamente entro 1 ora di irrigazione e poi è tornato a livelli di fondo (0,17 e 0,21 m 3 m -3) da 9 ore dopo l'irrigazione. Al contrario, il contenuto d'acqua volumetrico nei terreni Bojac e Quindocqua non ha fatto ritorno a livelli di base fino ad almeno 20 ore dopo l'irrigazione.

profondità di percolato

profondità percolato settimanali variava da 1,12 a 1,95 centimetri per i quattro terreni nel corso della speriments (Figura 9). recuperi acqua di irrigazione, espressi come percentuale di acqua per l'irrigazione, ha seguito una tendenza generale relativa a tessitura del suolo, con recuperi dal Evesboro di sabbia (81%) e Sassafras (85%) i terreni che sono un po 'più efficiente rispetto della più fine texture Bojac (77% ) e Quindocqua (71%) i terreni. La maggior parte percolato è stato raccolto con il primo prelievo dopo l'irrigazione (24 ore), pari al 80% del percolato totale riscosso da Bojac, 84% del percolato totale riscosso da Evesboro, il 91% del percolato totale riscosso da Sassafras, e il 99% del percolato totale riscosso da Quindocqua.

le concentrazioni di nitrati-N e flussi di percolato

Nitrato-N concentrazioni di percolato sono aumentate dopo l'applicazione cucciolata, ma hanno seguito diversi modelli temporali tra terreni. Nella settimana prima dell'applicazione del letame, concentrazione di nitrati-N a percolato fo le quattro suoli media 27,1 mg L -1 (Figura 10). Per il bene strutturato Quindocqua, la concentrazione ha raggiunto il picco immediatamente, con nitrato-N nei campioni di percolato dalla prima settimana una media di 39,9 mg L-1. Al contrario, nitrati-N percolato dai terreni sabbiosi texture aumentata più lentamente, con picchi di nitrati-N concentrazioni che si verificano due settimane dopo la lettiera aggiunta per il suolo Bojac (media di 37,3 mg L-1) e quattro settimane dopo la lettiera aggiunta per il Evesboro (media di 53,0 mg L-1) e Sassafras terreni (media di 57,1 mg L-1).

Le differenze di percolato di nitrati-N di flusso (kg ha -1) riflettono non solo le tendenze delle concentrazioni di nitrati-N a percolato, ma anche differenze in profondità percolato (Figura 11). Prima dell'applicazione lettiera, i flussi di nitrati settimanali erano 2,0-5,8 kg ha -1, con Sassafras> Evesboro> Bojac> Quindocqua. Le profondità maggiori di percolato da Sassafras e lisimetri Evesboro (figura 9) sono evidenti nei flussi di nitrati-N prima applicazione lettiera. Per valutare il ruolo di applicazione lettiere avicole e il volume del percolato sul flusso di nitrati-N, il suolo di nitrati-N flussi di prima applicazione i rifiuti sono stati sottratti dal flussi settimanali successive (Figura 12). Il modello con conseguente variazioni di flusso visivo e la gamma in un flusso di nitrati-N tra i suoli è da 1.1 a 4.7 kg ha -1. flusso di nitrati-N dai terreni Quindocqua dopo i picchi di applicazione lettiera immediatamente e rimane superiore a flussi provenienti dagli altri terreni fino alla settimana sei. Nitrato-N flussi provenienti dai più grossolani terreni texture, ancora una volta, è in ritardo con Bojac (3,7 kg ha -1) e Sassafras (3,8 kg ha -1) con un picco nella seconda settimana dopo l'applicazione lettiera e la Evesboro un picco di 3,0 kg ha -1 , quattro settimane dopo l'applicazione cucciolata.

idrologico Distribuzione delle dimensioni delle particelle KCl nitrato
Suolo Classe 0-5 cm 15-30 cm 45-50 cm 0-5 cm
% di sabbia % di argilla % di sabbia % di argilla % di sabbia % di argilla mg kg -1
Bojac B 72,7 9.6 65.1 16.9 57,9 21.8 74
Evesboro UN 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

Tabella 1: Proprietà chimiche e fisiche dei lisimetri nucleo suolo.

Figura 1
Figura 1: parti importanti per la costruzione di lisimetro (a) Schedule 80 PVC lisimetro corpi;. (B) tappo in PVC; (C) Giunto elastico; (D) del disco forato; (E) Fascette; (F) tubi per uso alimentare; (G) filettato raccordo del tubo spinato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questafigura.

figura 2
Figura 2:. Sollevamento personalizzati forbici forbici di sollevamento personalizzati consentono a due persone per sollevare e spostare pesanti del suolo lisimetri fondamentali. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3:. Vista di Drop Hammer ed inserimento di colonne (a) colonne PVC livello immessi sul terreno in preparazione del maglio. (B) Goccia martello martellante in cilindri. (C) Le bombole completamente conficcati nel terreno. Cliccate qui per visualizzare un versio più granden di questa figura.

Figura 4
Figura 4:. Preparazione per la rimozione di colonne di terreno (a) foro essendo scavata sul lato lungo di colonne. (B) del suolo viene raccolto da colonne (lisimetri nota protetti da terreni esterni con copertura in PVC e giunto elastico). (C) l'interfaccia suolo-to-suolo essere rotto con una barra di scavo. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5:. Preparazione del fondo lisimetro per lamiera forata e cappuccio (a) fondo di livellamento e la rimozione di pietre sporgenti. (b g>) Riempire i vuoti con la sabbia sterile. (C) livellamento della sabbia. (D) colonna Puliti con il livello di sabbia. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6:. Installazione di fondo su lisimetro (a) Mettere un anello di mastice sul bordo pulito del lisimetro. (B) di fissaggio del disco forato sulla lisimetro con viti in acciaio inox. (C) Mettere tappo sul lisimetro e fissaggio stretto con giunto elastico. Fate clic qui per vedere una versione più grande di questa figura.

/53952/53952fig7.jpg "/>
Figura 7:.. Lisimetro completamente assemblato Assemblato lisimetro con tubo attaccato e bottiglie di vetro posizionati sotto per la raccolta del percolato (sensori di umidità non installato) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8:.. Contenuto d'acqua volumetrico contenuto d'acqua volumetrico (m 3 m -3) all'interno del lisimetro nucleo suolo a 5 cm e 25 cm profondità nel corso di un tipico periodo di 24 ore dopo l'irrigazione Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

ftp_upload / 53952 / 53952fig9.jpg "/>
Figura 9:.. Profondità percolato La somma della profondità percolato settimanale (cm) raccolti da lisimetri fondamentali terreno suddiviso in rapida lisciviazione (24 ore) e lento lisciviazione (7 giorni) segmenti Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura 10:. La concentrazione di nitrati-N concentrazione settimanale di nitrati-N (mg L-1) nel percolato raccolti da lisimetri nucleo terreno prima e dopo l'applicazione lettiere avicole. Punti tracciati rappresentano le barre di medi e di errore intorno ai punti rappresentano l'errore standard della media. Clicca qui per vedere una versione più grande di questo fIGURA.

Figura 11
Figura 11: Nitrato-N Flux La massa di nitrati-N (kg ha -1) nel percolato raccolti da lisimetri nucleo terreno prima e dopo l'applicazione lettiere avicole.. Punti tracciati rappresentano le barre di medi e di errore intorno ai punti rappresentano l'errore standard della media. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 12
Figura 12:. Stimato nitrati-N contributo flusso dal letame suolo di nitrati-N flussi (kg ha -1) dalla prima dell'applicazione cucciolata sono stati sottratti dalle successive flussi settimanali per valutare il contributo di lettiere avicole nitrogen al core terreno percolato. Punti tracciati rappresentano le barre di medi e di errore intorno ai punti rappresentano l'errore standard della media. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Importanti passi di lisimetro Collection

studi di lisciviazione illustrano l'influenza delle proprietà del suolo e la gestione del letame sulle perdite di azoto per acque sotterranee poco profonde. Suolo proprietà fisiche quali la tessitura del suolo, struttura aggregata e densità apparente mediano la percolazione di acqua e soluti. Accuratamente determinare le concentrazioni di volume di percolato e soluti dipende mantenendo l'integrità di queste proprietà fisiche del suolo durante la raccolta lisimetro seguendo questi passaggi critici: 1) il lisimetro e il martello goccia deve rimanere livello mentre la colonna è in marcia nel terreno; 2) il suolo all'interno del lisimetro deve essere controllato per la compattazione; 3) il fondo della colonna di terreno deve essere livellato e vuoti deve essere riempito con sabbia inerte prima di installare il tappo di scarico; e 4) tutti gli spazi compresi quelli tra il muro lisimetro e del suolo deve essere sigillato con mastice siliconico per impedire il flusso laterale preferenziale o perdite dagli °porte dei sensori di umidità e.

L'importanza di mantenere la struttura del suolo

Studi di lisciviazione devono rappresentare accuratamente il volume di acqua che si muove attraverso profili di suolo per determinare efficacemente la perdita di massa di soluti. L'irrigazione media recuperato dai quattro terreni studiati è stata del 79% del volume applicata. Una ricerca simile confrontando i efficienza non legati zero tensione lisimetri pan riportato efficienza medi di incasso di irrigazione di 56% e il 58% 29,10. Anche se i terreni negli studi di cui sopra erano diverse dai terreni in questo studio, si attribuisce l'aumento di efficienza di recupero irrigazione al terreno capacità lisimetri nucleo di mantenere proprietà fisiche del suolo e racchiudere il profilo del terreno.

Importanza della replica

Questo studio indica l'influenza di replica varianza proprietà percolato e la necessità di aumentare la replica in order disegnare inferenze significative dal lisimetri fondamentali del suolo. La variabilità nelle proprietà percolato è stata maggiore per la concentrazione di nitrati-N e del flusso e minima per il volume del percolato. Per tutte le proprietà di percolato, aumentando il numero di repliche lisimetri nucleo suolo da tre a 10 (Bojac, Evesboro e Sassafras o in caso di Quindocqua, da tre a cinque), ridotto il CV a 0,06 o meno. Dalla nostra esperienza, è necessario un minimo di quattro repliche in esperimenti fondamentali terreno lisimetrici 18,28,29.

Importanza del monitoraggio dell'umidità del suolo

tendenze dell'umidità del suolo a 5 cm e 25 cm, profondità in combinazione con una comprensione della morfologia del suolo a queste profondità, possono essere usate per spiegare tendenze idrologici e assunzioni stato stazionario. Ad esempio, le tendenze di umidità del suolo rivelano differenze nei processi di lisciviazione tra la grossolana texture terreni Evesboro e Sassafras e più fine texture Bojac e Quindocqua terreni. La più grossa strutturatosuoli esposti brevi aumento nel contenuto di acqua volumetrico rispetto alla più fine suoli strutturati che avevano aumenti più prolungati a umidità del terreno (Figura 8). Queste differenze sono state anche rivelato quando si confrontano 24 ore e 7 giorni collezioni di percolato, ma mancava la risoluzione temporale più fine di perfezionare le ipotesi per quanto riguarda il flusso di MACROPORE rapida. Nel caso del suolo Bojac, che ha prodotto la maggior parte del percolato dopo il primo prelievo 24 ore, le tendenze di umidità del suolo a 25 cm di profondità rivelano un periodo prolungato di terreno saturazione umidità che favorisca condizioni di denitrificazione e quindi diminuire nitrati-N percolato . Data la conoscenza acquisita dai sensori di umidità del suolo, un premio dovrebbe essere posto per l'installazione di sensori nel maggior numero di core del suolo lisimetri possibile per agevolare la valutazione post hoc dei processi di lisciviazione.

L'importanza del calcolo del bilancio di massa

Nel corso di studio, 8,5-19,6% diapplicata N è stato perso nel percolato come nitrato-N per un periodo di 6 settimane. perdite da lisciviazione sono chiaramente una componente importante del bilancio N per i terreni concimato e ridurre al minimo queste perdite è importante non solo per la qualità ambientale, ma anche per l'efficienza nell'uso dei nutrienti. Si stima che circa 80,4-91,5% della cucciolata-applicata N rimasto in lisimetri nucleo suolo. Documentare il destino di questa N potrebbe essere migliorata con l'uso di tecniche come etichette o traccianti. Così, un chiaro vantaggio di lisimetri fondamentali del suolo è in budget di acqua e materiali applicata, qualcosa che è molto più difficile con altri tipi di sistemi lisimetro, come lisimetri pan, che non sono delimitate e sono noti per essere meno efficiente 9.

Limitazioni del Design

Anche se il design attuale misura in modo efficiente l'acqua gravitazionale libero drenante, si ritiene che i lisimetri sottovalutano il volume lisciviazione dagli spazi più piccoli pori del terreno più fine texture a causa di decineforze ional. La frazione media di acqua per l'irrigazione recuperata dal bel terreno strutturato Quindocqua rappresentavano solo il 71% del totale applicata. Inoltre, meno dell'1% di questo volume è attribuita a 'lisciviazione lenta' attraverso i pori più fini nella matrice del suolo. Le efficienze di raccolta sono stati aumentati del 50% o più con l'aggiunta di passivi stoppini in fibra di vetro capillari al suolo profili 9. Gli autori stanno studiando l'efficacia di stoppini in fibra di vetro per l'uso nel lisimetro nucleo terreno descritto in questo manoscritto.

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