Протокол для сбора и построения Основных лизиметрах Почвы

Резюме

A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.

Аннотация

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact.

Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha^-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L^-1 before litter application to 40.3 mg L^-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).

Введение

Делмарва граничит с восточного берега залива Чесапик, и является домом для одной из крупнейших производственных регионов птицы в США. Примерно 600 миллионов кур и , по оценкам , 750000 тонн навоза образуются от производства этих птиц каждый ¹ год. Большая часть навоза используется на местном уровне в качестве поправки удобрений на сельскохозяйственных полях. Из - за исторически высоких темпов внесения навоза, питательные вещества , такие как азот и фосфор накопилось в почве и теперь подвержены потерям за пределы участка с помощью подповерхностного выщелачивания ^2. Большая часть потока подземных вод направлен в сторону обширной сетью канав , что в конечном счете стекают к Чесапикского залива ^3. Питательные вещества , занесенные в заливе связаны со снижением здоровья залива из - за эвтрофикации ^4.

Подключение питательных веществ с потерями внеплощадочных питательных веществ требует специализированных инструментов для мониторинга гидрологическиепотоки и связанные с ними питательные трансферты. Лизиметрах представляют собой основную категорию инструментов, используемых для характеристики и количественного определения движения питательных веществ через почвы. Лизиметрах имеют долгую историю использования при мониторинге потока питательных веществ в воде просачивающейся ^5-7, от напряжения лизиметрах , которые можно регулировать , чтобы противостоять почвенной матрице потенциал таким образом , чтобы они более точную оценку завода доступна вода, до нулевого напряжения испарителей , которые являются более репрезентативными процессов возникающие в процессе свободного дренажа. Все подходы к lysimetery присутствующие присущие уклоны. Например, некоторые лизиметры слишком малы , чтобы в полной мере представляют собой пространственно сложные процессы в естественных почвах, или являются слишком большими и дорогими , чтобы обеспечить хорошую статистическую репликацию гетерогенных почв ^8. Кроме того, пан лизиметры требуют почвы над ними , чтобы быть насыщенным для сбора фильтрата и неэффективны по сравнению с натяжными лизиметрах при измерении потока матрицы ^9.

Закрытые системы лизиметрические,такие как нулевой напряженности ядра почвы лизиметрах (также известный как почва монолита испарителей), значительно повысить доверие , с которым бюджеты и бюджеты воды связаны загрязняющего вещества (например, бюджеты питательных веществ) осуществляют ^10. Эти лизиметры являются наиболее представительными, если они содержат неповрежденные ядра почвы; лизиметры заполненные Переупакованная почвы не поддерживать первоначальную структуру, горизонты и соединения макропор , которые влияют на перенос растворенных веществ и соединений в виде частиц , так ^11,12. С экспериментальной точки ожидания, подходы , которые способствуют большей репликации ненарушенных почвенных условий являются предпочтительными, учитывая присущие пространственная изменчивость , которая существует в физической почвы и химических свойств ^13.

Два предпочтительные методы были использованы для сбора неповрежденной почвы ядро ​​лизиметрах: падение молота и режущей головки. Прежний был более обычно выполняется, так как это может быть достигнуто с устройствами в виде простых в качестве ездовой ветчиныМер (меньшие лизиметры). Когда выполняется должным образом, ядро ​​сбора почвы с падающего молота Было показано, что относительно экономически эффективными, особенно по сравнению с другими методами отбора керна. Однако огромные силы , налагаемые управляя лизиметре обсадных труб в землю может привести к размытию и уплотнения, создавая условия внутри лизиметра , которые не являются репрезентативными родной почвы и может даже благоприятствуют определенные типы движения воды (например, обводной воздушный поток, или поток вдоль ядро края почвы). В результате, некоторые исследователи предпочитали использование пробоотборников , которые разрезают прочь неповрежденный грунт с устройством бурения или других землеройных устройства ^5.

Различные материалы были использованы в качестве оболочек для основных почв испарителей. Стальные трубы и коробки сравнительно низкая стоимость, долговечны и легко доступны и могут быть использованы для сбора больших испарителей благодаря своей прочности ^14-17. Тем не менее, в то время как сталь является удовлетворительным для оценки выщелачивание отннительно инертные соединения, такие как нитрат, железо в стали реагирует с фосфатом и, следовательно, должны быть покрыты или иным образом обработаны для изучения выщелачивания фосфора. Как правило, пластиковые корпуса используются для изучения выщелачивание фосфора, например, толстостенные (Приложение 80) ПВХ трубы , которые могут выдержать удар падающего молота (если он используется) и сохраняют свою структуру , когда получаются сердечники почвы большего диаметра (например, ≥30 см) ^18-22.

В целом, основные почвы лизиметры анализ ex - situ. После сбора почвы ядро ​​лизиметры может быть установлен в наружных "лизиметре ферм", где окружающие почвы и надземных климатические условия представляют собой естественные полевые условия. Например, в Швеции, шведский сельскохозяйственный университет сохранил три отдельных лизиметре фермы в течение последних трех десятилетий, анализируя практику пестицид судьбы-транспортные, долгосрочные испытания плодородности почвы и управления, которые могут быть соизмеримы с диаметром Инта 30 смкт ²³ ядер. Основные почвы лизиметры также были подвергнуты помещении экспериментов на выщелачивание , где есть больший контроль климатических условий ^24,25. Лю и др. Использовали осадков симулятор регулярно орошают ядро почвы лизиметрах под массивом промежуточных культур ^26. Kibet и Кунь все используемые методы орошения рук для изучения мышьяк и вымывание питательных веществ через почву ядер ^27,28.

Разнообразие почвенно-гидрологические процессы могут быть выведены из основных почв испарителей. Kun и др. (2015) использовали 30 см диаметр лизиметрах колонки ПВХ для исследования вымывания азота после применения мочевины ^28. Путем сбора фильтрата через разные промежутки времени после события орошения, они были в состоянии провести различие между быстрым и постепенных потоков, причем первый предполагается во власти потока макропор, а позже предполагается, будут доминировать матрицы потока. Так как мочевина легко гидролизуется при контакте Wiй почвы, они интерпретировали наличие повышенных концентраций мочевины в фильтрате, собранных вскоре после применения мочевины в качестве доказательства макропор транспорта, обходили матрицу почвы. Со временем они обнаружены повышенные концентрации различных форм азота в фильтрате, отслеживающий преобразование прикладной мочевины в аммонийную форму после первоначального гидролиза, а затем превращение аммония в нитрат с нитрификации.

Чтобы проиллюстрировать соображения при проектировании, проведении и интерпретации основных экспериментов почвы лизиметре, мы провели исследование четырех различных почв, найденных в середине Атлантического прибрежной равнине США. В исследовании измеренная концентрация выщелачивание и потерю нитрата до и после нанесения сухого куриного помета (т.е. птицы "сора") ^28. Питательные потери от применения помета птицы в почву являются ключевой проблемой для здоровья Чесапикского залива, и понимание взаимодействия прикладнойпомета птицы и сельскохозяйственных свойств почвы необходимо для улучшения питательных рекомендаций по управлению. Мы представляем здесь подробный способ извлечения неповрежденные ядра почвы испарителей, отслеживание влажности почвы, и интерпретация дифференциального нитратов потери выщелачивание из этих почв.

Этот эксперимент является частью более крупного исследования , проведенного с целью оценки питательных веществ выщелачивание из сельскохозяйственных почв Делмарва, США ^27,28. Почва ядро ​​лизиметры были собраны из мест в штате Делавэр, Мэриленд и Вирджиния в 2010 году Здесь мы представляем неопубликованные результаты этих исследований. Хотя первоначальные эксперименты были проведены с целью оценки выщелачивание фосфора, нитратов вымывание из почв диссертаций также контролируется.

были отобраны четыре общие сельскохозяйственные почвы от Атлантического прибрежной равнине Чесапикского залива водораздела: Bojac (крупнозернистый суглинистые, смешанный, полуактивной, термический Typic Hapludult); Evesboro (Месич, покрытые LamellIC Quartzipsamment); Quindocqua (тонкая суглинистые, смешанный, активный, Месич Typic Endoaquult); Лавр (тонкая суглинистые, кремнистых, полуактивной, Месич Typic Hapludult). Для каждой почвы, горизонт морфологии описан из профилей , раскрываемых котлована колонн (таблица 1). Поверхностные текстуры почвы варьировались от песка (Evesboro) на суглинистых мелким песком / супеси (Bojac и Лавр) илу суглинок (Quindocqua). Хотя все почвы были исторически удобряли помета птицы, никто из них не был применен в течение 10 месяцев до начала исследования. Все почвы не было ни в коей-до производства кукурузы в течение по крайней мере один сезон до основной почвы коллекции лизиметре.

После сбора почвы ядро ​​лизиметры были транспортированы к simulatorium объекта USDA-ARS в State College, штат Пенсильвания. Там они были подвержены в помещении экспериментов орошения (22-26 ° C) для оценки вымывания питательных веществ, связанных с применением птицеводстве. В частности,лизиметры орошали с 2 см воды еженедельно в течение 8 недель до нитратов в перколята не была уравновешена между почвами. Птицеводстве (сухой птичий помет) затем наносят на поверхность всех почв со скоростью 162 кг га ^-1 общего N. Орошение было продлено еще на 5 недель. Датчики влажности записанные объемного содержания влаги через каждые 5 минут непрерывно, в течение всего орошения и выщелачивания цикла. Стоки собирали после 24 часов и снова через 7 дней непосредственно перед началом орошения.

ФИЛЬТРАТА данные из основных лизиметрах почвы были проанализированы с помощью простых описательных статистик для иллюстрации различий в фильтратов количества и качества между почвами, а также различия до и после нанесения подстилки. Поскольку датчики влажности почвы были размещены только в двух из основных лизиметрах повторности почвы для каждой почвы (Evesboro, Bojac, Лавр, Quindocqua), статистические данные по содержанию влаги в почве были основаны на N = 2, в то время как сtatistics для глубины фильтратов, нитрат-N концентрация и нитрат-N потока были получены из 10 основных почвенных испарителей для Evesboro, Bojac и Sassafras и 5 основных почв испарителей для Quindocqua. Для того, чтобы оценить важность репликации в пределах почв, были рассчитаны коэффициенты вариации (CV) для глубины фильтратов для различных чисел повторными. Подход моделирование методом Монте-Карло был использован повторно образец подмножества основных почвы лизиметрах (N = 3) от общего числа повторностей в пределах каждой группы почв (10 для Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 для Quindocqua).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

1. Подготовка материалов

1. Обрежьте основную часть лизиметра от 30,5 см (12 дюймов) диаметра (ID; номинальный) график 80 ПВХ; это имеет толщину стенки 1,9 см (0,75 дюйма) (рис 1а). Обрежьте длину тела лизиметре в зависимости от толщины слоя почвы (ами) изучения; здесь, используйте 53 см (21 дюймов) длинное тело. Rout глубокие на 45 ° скос вокруг нижнего конца лизиметра сформировать острую рабочую кромку на внутренней стенке корпуса лизиметре 0,63 см, чтобы помочь в проходящем через почву.
2. Изменение 34,5 см ID, плоскую нижнюю крышку с ПВХ наклеиванием 15,3 см высотой 30,5 см ID кольцо график 80 ПВХ в крышку , чтобы обеспечить свободный отвод воды и обеспечивают емкость для хранения фильтрата до сбора (рисунок 1b). Вырезать кольцо из той же акции, как основной корпус, чтобы служить в качестве муфты для присоединения крышки к корпусу. Колпачок будет присоединен к корпусу с помощью гибкой муфты и хомутов (Рисунок 1c и 1d). Установите порт для сбора проб путем бурения 1,27 см отверстие и нажав на него с 1,27 см 14 NPT кран трубы и повернуть 1,27 см нейлоновую колючую штырем (рисунок 1д) в наружный край крышки , где боковая стенка и нижняя концами.
3. Вырезать диск диаметром 34 см от 1,27 см толщиной плоской фондовой ПВХ , который будет использоваться для покрытия нижней части испарителей (рис 1 г). Дрель 180, равномерно, 0,32 см. отверстия диаметром в диск, чтобы позволить дренаж из нижней части почвы заполненные лизиметре, чтобы войти в колпачок. Клей брезент или другой фильтр ткани с одной стороны диска, чтобы предотвратить почву от прохождения через нижний диск во время фильтратов дренажа.
4. Построить подъемные ножницы от 2,5 см плоского железа и 2,5 см воды трубы (рисунок 2). Вырезать два из см полос плоского железа от 2,5 до 50,0 см длины и согните в полукруге, используя вне тела лизиметре в качестве руководства. Сварной шов 5 см би к каждому концу каждого полукруга полосы. Регистрация каждой из полос с шарнирным пальцем. Приварить трубу воды на наружном кольце полос противоположных друг от друга.

2. Вождение лизиметре корпуса в почву с капельным Хаммера

1. Удалите поверхностную растительность, камни и другой мусор из зоны сбора. Позиция 2 лизиметре тел на ровном месте , где лизиметры должны быть приняты (рис 3а). Убедитесь в том, что лизиметры находятся на одном уровне, так что почва внутри колонны имеет одинаковую глубину.
2. Привод специально разработанный, прицепе, падение молота на место над лизиметре тел. Когда падение молота на месте, развертывание с гидравлическим приводом аутригеры, чтобы выровнять стальную пластину с землей и верхней части лизиметра тел. Аутригеры также обеспечивают стабильность для падения молота (рис 3b).
3. Частично водрузить толщиной 10,2 см, 1,52 м на 1,52 м квадратной стальной пластины весом 1,180 кг до 3 м вышки с помощьюмеханическая лебедка (рис 3b). Выпуск стальной пластины забивать колонны в грунт.
4. Повторите шаг 2.3 несколько раз до обода колонки 2 см над поверхностью почвы (рис 3в).
5. Проверьте уплотнение почвы внутри лизиметре путем измерения глубины почвы внутри и снаружи колонны. Если почва внутри колонки более чем на 1 см ниже, чем почвы вне колонны, почвы уплотняется и не пригодны для исследования.

3. Удаление сердечника почвы

1. Поместите перфорированную ПВХ диск (рис 1в) и эластичную муфту трубы (рис 1д) через колонку , чтобы предотвратить загрязнение почвы и другого мусора в процессе раскопок.
2. Выкопайте траншею рядом с ядром почвы и немного глубже , чем в нижней части колонны с обратной лопатой (рис 4а).
3. Расширьте отверстие с лопатой или выбрать (рисунок 4б) и разоблачить , как мUCH на внешней стороне цилиндра, как это возможно.
4. Нажимаем землеройных работ , бар тяжелый металл вниз по всей длине боковой стороны колонны так , что он находится между почвой и наружной стенки колонны (рисунок 4в).
5. Отделить планку для землеройных работ, взад и вперед до тех пор, интерфейс почвы в нижней части колонны не нарушается.
6. Рама подъемного ножницы вокруг верхней части лизиметре ( как показано на рисунке 2) в рамках подготовки к удалению основной почвы. С лицом, занимающим каждый бар, потяните вверх, пока ножницы плотно не закрывать вокруг колонны и поднимите лизиметра из отверстия. Поместите лизиметре на плоскую рабочую поверхность, например, кусок фанеры.

4. Подготовка почвы для сердечника лизиметре Ассамблеи

1. Флип ядро ​​почвы над тем, что в нижней стороной вверх. Деревянная фанера диск установлен на этапе 3.1 будет держать почву на месте.
2. Осторожно, выравнивать почву даже с ободом из ПВХ (рис 5а) WIth прямым краем. Удалить камни выступающее над плоскостью ободка с ручкой ножа или отвертки.
3. Заполните любые пустоты с химически инертным играть песком и аккуратно упаковать его (рис 5б).
4. Оценка песок даже с нижней части колонны с прямым краем и удалите излишки песка (рис 5с и d).
5. Очистите почву от обода и внешние боковые стенки испарителей с помощью кисти или слегка взорвать его от края и убедитесь, что обод чистым для клея, чтобы придерживаться и аккуратной подгонки крышки.

5. Сборка лизиметра

1. Выдавите сплошной круглый шарик прозрачного кремния конопатить вокруг обода лизиметра (рис 6а). Затыкают должно быть достаточно, чтобы запечатать перфорированным дном диска до испарителей и предотвратить утечку толщиной.
2. Положите перфорированный диск (рис 1в) на обод с тканью фильтра , обращенную песок исильно надавите, чтобы обеспечить хороший контакт пластины и лизиметре.
3. Дрель восемь равномерно расположенных направляющих отверстий вокруг края пластины и закрепить перфорированный диск с 1,0 - дюймовыми винтами из нержавеющей стали с водителем сверла (рис 6б).
4. Скольжение эластичную муфту трубы на лизиметра основания так , что около 2 см муфты выступающий над лизиметре обода (рис 5с).
5. Установить модифицированный колпачок ПВХ в гибкой муфте (рис 6в) и нажмите на крышку вниз , пока она не войдет в контакт с телом лизиметре. С помощью деревянного бруска на верхней части колпачка используйте молоток, чтобы осторожно нажмите крышку на место.
6. Поместите крепежные полосы в пазы муфты и закрепите слегка без стягивающий муфты. Затянуть металл вокруг муфты с помощью ручного 1/4 дюйма с шестигранной драйвер до лизиметра крышка не будет прочно удерживается на месте. Лизиметра готов быть перевернута и транспортируют к прод климатапрокатке объект.

6. Установка датчиков влагу

1. Писец длинный 5 см, горизонтальная линия на лизиметре стене на 5 и 25 см глубиной. Измерьте расстояние от поверхности почвы и не оправу лизиметра.
2. Просверлить отверстие диаметром 1,0 см через стенку лизиметра на каждом конце отмеченных линий.
3. Нарезать оставшиеся 3 см пластика между просверленными отверстиями прочь с поворотным режущим инструментом.
4. Зубилом а 1 толщиной 5 см см длиной щели в почву , чтобы вместить корпус датчика влажности (например, декагон).
5. Вставьте датчик влажности в отверстие в вычистила гнездо, пока датчик не зубца прочно заделывают в почву, и что только провод, торчащий из лизиметра.
6. Чистая почва от стенок паза с помощью кисти или тряпки.
7. Нанесите толстый слой силикона затыкают в гнездо, чтобы предотвратить утечку воды из. После того, как затыкают высохнет, нанесите второй цикл силикона ENУбедитесь, что все пробелы в отверстии окружающей датчик запечатаны.

7. Подготовка испарителей для ФИЛЬТРАТА Collection

1. Необходимое уплотнение между почвой и лизиметре стеной с затыкают, чтобы уменьшить риск преимущественной потока вниз внутренние стенки лизиметра.
   1. Пирс и загрузить трубу с прозрачной силиконовой затыкают в стандартный затыкает пистолет.
   2. Поместите кончик затыкает трубы между пустоты в почве должны быть заполнены и внутренней поверхностью корпуса лизиметре. Вставьте кончик затыкает пистолет ниже почвы около 2 см. Сожмите затыкание из трубки, пока он не заполняет пустоту и источает над поверхностью почвы.
2. Набор лизиметры на верхней скамейке или плоской поверхности и достаточно крепким , чтобы справиться с весом нескольких испарителей и достаточно высоки , чтобы обеспечить свободный сток воды в 4,0 л кувшина (рисунок 7).
3. Проверьте, что почва ядро ​​лизиметры выравниваются во всех направлениях с небольшим (15 см) по уровню. При необходимости опалубCE прокладки под лизиметрах, пока поверхность почвы не полностью нивелируется.
4. Оберните тефлоновой лентой вокруг резьбовой фитинг нейлоновые трубки (0,5 дюйма NPT) и поверните фитинг по часовой стрелке в крышку. Затянуть резьбовое соединение с разводным ключом, пока ни один из потоков не видно.
5. Вставьте 0,5-дюймовый шланг с на колючую конце нейлона фитинга и перерезал шланг так, чтобы он проходил примерно 4,0 см в устье сбора кувшина.
6. Установите контейнер под лизиметре и поместите шланг внутри коллекции кувшина.

8. Оросительные лизиметрах и Сбор Стоки

1. Покройте поверхность почвы с марли или другой проницаемой, химически инертного материала для защиты и сохранения почвенных агрегатов и поверхности осадка.
2. Мера 1450 мл деионизированной воды в градуированный цилиндр и вылить его в лейку, оборудованы душем. Аккуратно и равномерно посыпать воду на ткань со скоростью, которая не distuР.Б. поверхность почвы.
3. Подождите, период времени для воды, чтобы пропитать в перколята через колонку грунта в колпачок и контейнер для сбора.
4. Совет лизиметре в сторону выпускного отверстия, пока вся вода не будет слита из бачка лизиметре в сборный сосуд.
5. Измеряют массу щелоке, собранной со шкалой и конвертировать массу в граммах на мл (предположим, что 1,0 г воды эквивалентно 1,0 мл). Налейте образец фильтрата в 350 мл стерильной пластиковой бутылки образца. Сразу же фильтр объемом 50 мл с всасывающей воронки , снабженной фильтровальной бумагой 0,45 мкм в процессе подготовки к анализу с использованием нитрата колориметрии через анализа инъекционного потока ^31.
6. Хранить фильтром и без порции образцов в холодильнике и 4 ° С до анализа.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Влажность почвы, глубина выщелачивание и химия выщелачивание все иллюстрируют изменчивость разных почв, выявление различий, как в зависимости от свойств почвы, несмотря на внутреннюю изменчивость между повторными основной почвы лизиметрах конкретной почвы. Более п?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Важные шаги лизиметре Collection

Выщелачивание исследования иллюстрируют влияние свойств почвы и навоза на потери азота в мелком грунтовых вод. Почва физические свойства, такие как текстура почвы, агрегатного состава и объемной плотности опосредуют просачивание воды и рас...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

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