Um Protocolo de Coleta e Construindo lisímetros amostra de solo
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
A Península Delmarva faz fronteira com a costa oriental da baía de Chesapeake, e é o lar de uma das maiores regiões de produção de aves em os EUA. Cerca de 600 milhões de frangos e um número estimado de 750.000 toneladas de esterco são geradas a partir da produção destas aves a cada ano 1. A maioria do estrume é usado localmente como uma alteração de fertilizantes nos campos agrícolas. Por causa de historicamente altas taxas de aplicação de estrume, nutrientes, como nitrogênio e fósforo ter acumulado no solo e agora estão suscetíveis a perdas fora do local através de subsuperfície lixiviação 2. Grande parte do fluxo de águas subterrâneas é direcionado para uma extensa rede de valas que, finalmente, drenam para a Chesapeake Bay 3. Os nutrientes levados ao Bay estão ligados ao declínio da saúde do Bay devido à eutrofização 4.
Ligar gestão de nutrientes com as perdas fora do local de nutrientes requer ferramentas especializadas para monitorar hidrológicofluxos e transferências de nutrientes associados. Os lisímetros representam uma grande categoria de instrumentos utilizados para caracterizar e quantificar o movimento de nutrientes através de solos. Os lisímetros têm uma longa história de uso no fluxo de nutrientes monitoramento em água 5-7 percolação, de lisímetros de tensão que podem ser ajustados para combater potencial matricial do solo para que eles melhor estimativa planta de água disponível, para lisímetros de tensão zero que são mais representativos de processos ocorrendo durante a drenagem livre. Todas as abordagens para lysimetery presentes preconceitos inerentes. Por exemplo, alguns lisímetros são demasiado pequenos para representar processos totalmente espacialmente complexos em solos naturais, ou são demasiado grandes e caros para proporcionar uma boa replicação estatística de solos heterogéneos 8. Além disso, os lisímetros pan exigem solos acima deles ser saturado para recolher os lixiviados e são ineficientes em comparação com os lisímetros de tensão na medição do fluxo de matriz 9.
sistemas lisímetros fechados,tais como de tensão zero lisímetros núcleo do solo (também conhecido como lisímetros monólito), melhorar significativamente a confiança com que os orçamentos de água e orçamentos poluentes associados (por exemplo, os orçamentos de nutrientes) são realizados 10. Estes lisímetros mais representativas quando eles contêm núcleos intactos de solo; lisímetros preenchidos com solos reembalados não mantêm a estrutura original, horizontes e conexões macroporos que influenciam o transporte de solutos e compostos de partículas iguais 11,12. De um ponto de vista experimental, abordagens que facilitem uma maior replicação das condições do solo não perturbadas são vantajosos, dada a variabilidade espacial inerente que existe em física do solo e as propriedades químicas 13.
Dois métodos preferenciais têm sido utilizados para a recolha de lisímetros núcleo do solo intacta: martelo de queda e cabeça de corte. O primeiro foi realizado mais comumente, como pode ser conseguido com dispositivos simples como um presunto trenómer (lisímetros menores). Quando realizado adequadamente, recolha amostra de solo com um martelo mecânico foi demonstrado ser relativamente eficientes, especialmente quando comparados com outras técnicas de descaroçamento. No entanto, as forças de corte impostas pela condução de um invólucro de lisímetro para o chão pode provocar manchas e compactação, produzindo condições no interior do lisímetro que não são representativas de solo nativo e pode até favorecer certos tipos de movimento da água (por exemplo, o fluxo de desvio, ou fluir ao longo a extremidade do núcleo do solo). Como resultado, alguns investigadores têm preferido a utilização de corers que cortar um solo intacto com um aparelho de perfuração ou outro dispositivo de escavação 5.
Vários materiais têm sido usados como invólucros para lisímetros núcleo solo. Tubos e caixas de aço são relativamente de baixo custo, resistentes e facilmente disponíveis e podem ser usadas para recolher lisímetros maiores devido à sua força 14-17. No entanto, enquanto o aço é satisfatória para avaliar a lixiviação de reltivamente compostos não reactivos, tais como o nitrato, o ferro no aço reage com fosfato e deve, portanto, ser revestidos ou de outro modo tratado para o estudo de lixiviação de fósforo. Comumente, invólucros de plástico são usados para estudar a lixiviação de fósforo, tais como paredes espessas (Tabela 80) de tubo de PVC que podem resistir ao impacto de um martelo mecânico (se utilizado) e manter a sua estrutura quando são obtidas amostras de solo de diâmetro maior (por exemplo, ≥30 cm) 18-22.
Em geral, os lisímetros de núcleo do solo são analisadas ex situ. Depois de coletados, os lisímetros de núcleo do solo pode ser instalado no exterior "fazendas lisímetros", onde em torno do solo e acima de climas terrestres representam as condições naturais de campo. Por exemplo, na Suécia, a Universidade Agrícola sueco manteve três fazendas lisímetros separados ao longo das últimas três décadas, analisando as práticas de pesticidas destino e transporte de carga, os ensaios de fertilidade do solo a longo prazo, e de gestão que podem ser dimensionadas para inta 30 cm de diâmetroct núcleos 23. Lisímetros de solo também foram submetidos a experiências de lixiviação interior onde há um maior controlo das condições climáticas 24,25. Liu et al. Utilizaram um simulador de chuva para irrigar regularmente lisímetros núcleo solo sob uma variedade de culturas intercalares 26. Kibet e Kun todas as técnicas de irrigação mão empregadas para estudar o arsénio e lixiviação de nutrientes através de amostras de solo 27,28.
Uma variedade de processos edáficas e hidrológicas pode ser inferida a partir de lisímetros núcleo do solo. Kun et al. (2015) utilizaram 30 cm de diâmetro lisímetros coluna PVC para investigar a lixiviação de nitrogênio após a aplicação de uréia 28. Através da recolha de lixiviados em diferentes intervalos de tempo após um evento de irrigação, eles foram capazes de diferenciar entre fluxos rápidos e graduais, com o primeiro assumiu a ser dominado pelo fluxo de macroporos, e mais tarde assumiu a ser dominado pelo fluxo matriz. Desde a ureia é rapidamente hidrolisada quando em contato with solo, que interpretou a presença de concentrações elevadas de ureia em lixiviados recolhidos logo após a aplicação de ureia como uma prova de transporte dos macroporos que foram desviados da matriz do solo. Com o tempo, eles detectaram concentrações elevadas de diferentes formas de azoto em lixiviados, acompanhando a transformação da uréia aplicada a amônio após hidrólise inicial, então a transformação de amónio a nitrato por nitrificação.
Para ilustrar considerações na concepção, realização e interpretação de experimentos em lisímetros núcleo do solo, realizou-se uma investigação de quatro diferentes solos encontrados na planície costeira mid-Atlantic dos EUA. A concentração de lixiviação estudo mediu e perda de nitrato de antes e depois da aplicação de estrume seco de aves (ou seja, aves "lixo") 28. As perdas de nutrientes a partir da aplicação de cama de frango para os solos são uma preocupação chave para a saúde da Chesapeake Bay, e entender a interação de aplicadocama de frango e propriedades dos solos agrícolas é necessário para melhorar recomendações de gestão de nutrientes. Apresentamos aqui um método detalhado para extrair lisímetros núcleo do solo intactos, monitoramento da umidade do solo, e interpretação de perdas por lixiviação de nitrato diferencial desses solos.
Esta experiência faz parte de um estudo maior realizado para avaliar a lixiviação de nutrientes dos solos agrícolas da Península Delmarva, EUA 27,28. lisímetros núcleo de solo foram coletadas a partir de sites em Delaware, Maryland e Virginia em 2010. Aqui nós apresentamos resultados inéditos obtidos nestes estudos. Embora as experiências iniciais foram realizados para avaliar a lixiviação de fósforo, lixiviação de nitrato em teses solos foi também monitorizada.
Quatro solos agrícolas comuns da planície costeira do Atlântico da Chesapeake Bay Watershed foram amostrados: Bojac (coarse-argilosa, misturado, semiactive, térmico Typic Hapludult); Evesboro (mesic, revestido Lamellic Quartzarênico); Quindocqua (fine-argilosa, misturado, Ativo, mesic Typic Endoaquult); Sassafrás (fine-argilosa, siliceous, semiactive, mesic Typic Hapludult). Para cada tipo de solo, morfologia horizonte foi descrito a partir dos perfis expostos pela escavação das colunas (Tabela 1). texturas superficiais dos solos variou de areia (Evesboro) para argilosa / arenoso areia fina (Bojac e sassafrás) para argiloso (Quindocqua). Apesar de todos os solos tinham sido historicamente fertilizado com cama de frango, nenhum tinha sido aplicada nos 10 meses anteriores ao estudo. Todos os solos tinha sido em plantio direto produção de milho, pelo menos, uma temporada antes da coleta lisímetro núcleo do solo.
Após a coleta, os lisímetros de núcleo de solo foram transportados para a instalação de simulatorium USDA-ARS em State College, PA. Lá estavam sujeitos a experimentos de irrigação interiores (22-26 ° C) para avaliar a lixiviação de nutrientes relacionados com a aplicação de cama de frango. Especificamente,lisímetros foram irrigados com 2 cm de água semanalmente durante 8 semanas até nitrato em percolado foi equilibrada entre os solos. Cama de frango (estrume de aves seco) foi então aplicada sobre a superfície de todos os solos à taxa de 162 kg ha-1 de N. total de irrigação foi continuada durante mais de 5 semanas. sensores de umidade registrou índice de umidade volumétrica em intervalos de 5 minutos de forma contínua, durante todo o ciclo de irrigação e lixiviação. Lixiviado foi recolhido após 24 h e 7 dias mais tarde de novo imediatamente antes da irrigação.
dados dos lixiviados provenientes do lisímetros núcleo de solo foram analisados pela estatística descritiva simples para ilustrar as diferenças de quantidade e qualidade dos lixiviados entre solos, bem como as diferenças antes e após a aplicação de maca. Como os sensores de umidade do solo foram colocados em apenas dois dos lisímetros núcleo réplica do solo para cada solo (Evesboro, Bojac, sassafrás, Quindocqua), as estatísticas do conteúdo de umidade do solo foram baseados em N = 2, enquanto que sSTATÍSTICAS para a profundidade de lixiviados, nitrato-N concentração e nitrato-N fluxo foram derivados de lisímetros de núcleo 10 do solo para Evesboro, Bojac e sassafrás e 5 lisímetros núcleo do solo para Quindocqua. Para avaliar a importância de replicação dentro de solos, os coeficientes de variação (CV) de profundidade lixiviados foram calculados para diferentes números de se replicar. Uma abordagem de simulação de Monte Carlo foi utilizado para amostrar repetidamente um subconjunto de lisímetros núcleo do solo (n = 3) a partir do número total de repetições dentro de cada grupo do solo (10 para Evesboro, Bojac, sassafrás, 5 para o Quindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
Importantes passos de Coleção lisímetro
Estudos de lixiviação ilustrar a influência das propriedades do solo e manejo de dejetos sobre as perdas de azoto para as águas subterrâneas rasas. Propriedades físicas do solo, tais como a textura do solo, estrutura agregada e densidade a granel mediar a percolação da água e os solutos. Com precisão a determinação das concentrações de volume lixiviados e soluto é dependente de reter a integridade dessas propriedades físicas do solo …
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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