Un protocollo per la raccolta e la costruzione del suolo lisimetri core
Summary
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.
Abstract
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).
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).
Protocol
Representative Results
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 dur…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors are grateful to the staff of USDA-ARS Pasture Systems and Watershed Management Unit. David Otto was important to both the design and construction of the custom made drop hammer (aka ‘The Intimidator’). Michael Reiner and Terry Troutman assisted in the collection and construction of the lysimeters reported in this study. Sarah Fishel, Charles Montgomery and Paul Spock performed all of the nutrient analyses reported in this manuscript.
Materials
| Schedule 80 PVC Pipe | Fry's Plastic | Call | Sold in 10 ft lengths |
| Fernco Fittings | Fry's Plastic | Call | 12 in. 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 in. 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 in. NPT |
| Foodgrade Tubing | Lowe's | 443209 | 0.5 in. vinyl |
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