Ein Protokoll zum Sammeln und Konstruieren von Bodenkern Lysimeter
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
Die Delmarva Halbinsel grenzt an das östliche Ufer der Chesapeake Bay und ist die Heimat einer der größten Geflügelproduktion Regionen in den USA. Rund 600 Millionen Hühner und schätzungsweise 750.000 Tonnen Gülle aus der Produktion dieser Vögel erzeugt jedes Jahr 1. Der größte Teil der Gülle wird lokal als Düngemittel Änderung auf landwirtschaftlichen Feldern verwendet. Aufgrund der historisch hohen Raten der Ausbringung von Dung, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sind im Boden angesammelt und sind jetzt anfällig für Off-Site – Verluste über unterirdische Auslaugung 2. Ein großer Teil der Grundwasserströmung in Richtung auf ein ausgedehntes Netz von Gräben gerichtet , die letztlich 3 an die Chesapeake Bay abtropfen lassen. Die Nährstoffe in die Bucht durchgeführt werden , um den Rückgang der Gesundheit 4 aufgrund von Eutrophierung Bay verbunden.
Anschließen Nährstoffmanagement mit Off-Site-Verluste von Nährstoffen erfordert spezielle Werkzeuge Hydrologie zu überwachenStröme und die damit verbundenen Nährstofftransfer. Lysimeter sind eine große Kategorie von Instrumenten zur Charakterisierung und die Bewegung von Nährstoffen durch Böden zu quantifizieren. Lysimeter haben eine lange Geschichte der Verwendung bei der Überwachung der Nährstoffzufuhr in Wasser durchsickert 5-7, von Spannung Lysimeter , die angepasst werden kann , um Bodenmatrix Potential entgegenzuwirken , so dass sie bessere Schätzung Anlage verfügbar Wasser, auf Null-Spannung Lysimeter repräsentativere von Prozessen während der freien Entwässerung auftreten. Alle Ansätze vorhanden inhärenten Verzerrungen zu lysimetery. Zum Beispiel sind einige Lysimetern zu klein , um vollständig räumlich komplexe Prozesse in natürlichen Böden, oder sind zu groß und teuer , um eine gute statistische Replikation von heterogenen Böden 8 darstellen. Ferner über ihnen Pfanne Lysimeter erfordern Böden Sickerwasser zu sammeln gesättigt zu sein und ineffizient sind im Vergleich zu Spannung Lysimeter bei Strömungs Matrix Messung 9.
Geschlossene Lysimeter Systeme,wie Null-Spannung Bodenkern Lysimeter (auch als Bodenmonolithen Lysimeter bekannt), verbessern die Sicherheit , mit der Wasserhaushalt und die damit verbundenen Schadstoff Budgets (zB Nährstoffbilanzen) werden 10 durchgeführt. Diese Lysimeter sind die meisten Vertreter, wenn sie intakt Kerne des Bodens enthalten; Lysimeter mit umgepackt Böden gefüllt nicht die ursprüngliche Struktur, Horizonte und MacroPore Verbindungen pflegen, die den Transport von gelösten Stoffen und Partikelverbindungen gleich 11,12 beeinflussen. Von einem experimentellen Standpunkt, Ansätze , die größer ist die Replikation von ungestörten Bodenbedingungen zu erleichtern sind von Vorteil, da die inhärente räumliche Variabilität , die 13 im Boden physikalischen und chemischen Eigenschaften existiert.
Fallhammer und Schneidkopf: Zwei bevorzugte Verfahren wurden für das Sammeln von intakten Bodenkern Lysimeter eingesetzt. Erstere hat häufiger durchgeführt worden ist, wie es mit den Geräten so einfach wie ein Schlitten Schinken erreicht werden kannmer (kleinere Lysimeter). Wenn sie richtig durchgeführt wird, Bodenkern Sammlung mit einem Fallhammer wurde relativ erwiesen kostengünstig, vor allem im Vergleich mit anderen Entkernungs Techniken. Allerdings verhängten die Scherkräfte durch ein Lysimeter Gehäuse in den Boden fahren kann Verschmieren und Verdichtung führen, Bedingungen innerhalb der Lysimeter produzieren , die nicht repräsentativ für Scholle und können sogar bestimmte Arten von Wasserbewegung (zB Bypass – Strömung oder entlang begünstigen der Bodenkern Kante). Als Ergebnis haben einige Forscher die Verwendung von Loten bevorzugt , dass eine intakte Boden mit einer Bohrvorrichtung oder andere Aushubvorrichtung 5 abgeschnitten.
Verschiedene Materialien wurden als Gehäuse für Bodenkern Lysimetern verwendet. Stahlrohre und Gehäuse sind vergleichsweise kostengünstig, haltbar und leicht erhältlich und können verwendet werden größere Lysimetern zu sammeln aufgrund ihrer Stärke 14-17. Während jedoch Stahl ist zufriedenstellend für die Auslaugung von rel Bewertunglativ unreaktive Verbindungen wie Nitrat, reagiert das Eisen in Stahl mit Phosphat und damit beschichtet werden müssen oder auf andere Weise für das Studium von Phosphor Laugung behandelt. Üblicherweise werden Kunststoffhüllen verwendet Phosphor Auslaugung, wie dickwandige (Schedule 80) PVC – Rohr zu untersuchen, die die Auswirkungen eines Fallhammers standhalten kann (falls verwendet) und seine Struktur beibehält , wenn größeren Durchmesser Bodenkerne erhalten werden (beispielsweise ≥30 cm) 18-22.
Im Allgemeinen sind Erdkern Lysimeter ex situ analysiert. Einmal gesammelt, Bodenkern Lysimeter kann im Freien "Lysimeter Farmen", wo umgebenden Boden und über dem Boden Klimata natürlichen Feldbedingungen darstellen installiert werden. Zum Beispiel in Schweden hat die schwedische Agricultural University drei separate Lysimeter Betriebe in den letzten drei Jahrzehnten aufrechterhalten, Pestizid Schicksal-Transport, langfristige Bodenfruchtbarkeit Studien und Management-Praktiken zu analysieren, die zu 30 cm Durchmesser inta skaliert werden kannct – Kerne 23. Bodenkern Lysimeter haben auch Innen-Auslaugung Experimenten unterzogen worden , wo es eine größere Kontrolle der klimatischen Bedingungen 24,25 ist. Liu et al. Verwendet , um einen Niederschlag – Simulator regelmäßig Bodenkern Lysimeter unter einer Reihe von Zwischenfrüchten 26 bewässern. Kibet und Kun alle Hand Bewässerung verwendeten Techniken Arsen und Nährstoffauswaschung durch Bodenkerne 27,28 zu studieren.
Eine Vielzahl von edaphic und hydrologischen Prozesse können von Bodenkern Lysimeter zu entnehmen. Kun et al. (2015) verwendet , 30 cm Durchmesser PVC Säule Lysimeter Stickstoffauswaschung nach Harnstoff – Anwendung 28 zu untersuchen. Durch das Sammeln von Sickerwasser zu verschiedenen Zeitintervallen nach einer Bewässerungs Ereignis konnten sie zwischen An- und Abschwellen Ströme zu differenzieren, wobei ersteres dominiert werden durch Makropore Strömungs angenommen, und die angenommene später von Matrix Fließ dominiert. Da Harnstoff wird leicht bei Kontakt wi hydrolisiertth Boden, interpretiert sie das Vorhandensein von erhöhten Harnstoffkonzentrationen in Sickerwasser kurz nach Harnstoff-Anwendung als Beweis für MacroPore Transport gesammelt, die die Bodenmatrix umgangen. Im Laufe der Zeit sie erhöhte Konzentrationen von verschiedenen Formen von Stickstoff in Sickerwasser, Verfolgen der Transformation angewendet Harnstoff zu Ammonium nach der anfänglichen Hydrolyse, dann ist die Umwandlung von Ammonium zu Nitrat mit Nitrifikation detektiert.
Zur Veranschaulichung Überlegungen bei der Gestaltung, Durchführung und Bodenkern Lysimeterexperimente Interpretation führten wir eine Untersuchung von vier verschiedenen Böden in der Mitte des Atlantischen Küstenebene USA herausgefunden. In der Studie wurde Auslaugung Konzentration und den Verlust von Nitrat vor und nach der Anwendung von trockenem Geflügelmist (dh Geflügel "Wurf") 28. Nährstoffverluste aus der Anwendung von Geflügel Streu Böden sind ein wichtiges Anliegen für die Gesundheit der Chesapeake Bay, und das Verständnis der Interaktion der angewandtenHühnermist und landwirtschaftlichen Bodeneigenschaften erforderlich Nährstoffmanagement Empfehlungen zu verbessern. Wir stellen Ihnen hier eine detaillierte Verfahren für intakte Bodenkern Lysimeter Extrahieren, Bodenfeuchte Verfolgung und Interpretation der Differenz Nitratauswaschung Verluste aus diesen Böden.
Dieses Experiment ist Teil einer größeren Studie Nährstoffauswaschung aus landwirtschaftlichen Böden der Delmarva Halbinsel, USA 27,28 zu beurteilen. Bodenkern Lysimeter wurden von Standorten in Delaware, Maryland und Virginia gesammelt im Jahr 2010. Hier sind wir nicht veröffentlichte Ergebnisse aus diesen Studien präsentieren. Obwohl die ersten Experimente durchgeführt wurden, Phosphor Auslaugung, Nitratauswaschung aus Thesen Böden zu beurteilen, wurde ebenfalls überwacht.
Vier gemeinsame landwirtschaftliche Böden vom Atlantischen Küstenebene der Chesapeake Bay Watershed beprobt: Bojac (grob lehmig, gemischt, semi-aktiven, thermische Typic Hapludult); Evesboro (mesic, beschichtet Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fein lehmig, gemischt, lebendig, mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fein lehmig, silikatischen, semi-aktiven, mesic Typic Hapludult). Für jeden Boden wurde horizon Morphologie aus den Profilen von der Grabungs der Säulen (Tabelle 1) ausgesetzt beschrieben. Oberflächenstrukturen der Böden reichten von Sand (Evesboro) feinem Sand / sandiger Lehm bis lehmig (Bojac und Sassafras) Lehm zu versanden (Quindocqua). Obwohl alle Böden historisch mit Hühnermist gedüngt worden war, hatte keiner in den 10 Monaten vor der Studie angewendet wurde. Alle Böden hatten mindestens eine Saison in Direktsaat-Maisproduktion seit vor der Bodenkern Lysimeter Sammlung.
Nach der Entnahme Bodenkern Lysimeter wurden dem USDA-ARS simulatorium Anlage in State College, PA transportiert. Da waren sie unterliegen Innen Bewässerung Experimente (22-26 ° C) Nährstoffauswaschung zu beurteilen, zu Geflügel Streu-Anwendung zusammen. Speziell,Lysimeter wurden für 8 Wochen mit 2 cm Wasser pro Woche bewässert, bis Nitrat in Perkolat zwischen den Böden ins Gleichgewicht gebracht wurde. Geflügel Streu (trocken Geflügelmist) wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 162 kg ha an der Oberfläche aller Böden aufgebracht -1 von insgesamt N. Die Bewässerung wurde für 5 weitere Wochen fortgesetzt. Feuchtesensoren kontinuierlich volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt in Abständen von 5 Minuten aufgezeichnet, während des Be- und Auslaugung Zyklus. Sickerwasser wurde nach 24 Stunden gesammelt und wieder 7 Tage später zurück unmittelbar vor der Bewässerung.
Sickerwasser Daten aus den Bodenkern Lysimeter wurden mit einfachen deskriptiven Statistiken analysiert Unterschiede in Sickerwassermenge und Qualität zwischen Böden zu verdeutlichen, sowie Unterschiede vor und nach dem Wurf-Anwendung. Da Bodenfeuchtesensoren in nur zwei der Wiederholungs Erdkern Lysimeter für jeden Boden gelegt wurden (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), Statistiken für die Bodenfeuchtigkeitsgehalt wurden auf N basierend = 2, während statistiken für Sickerwasser Tiefe, Nitrat-N-Konzentration und Nitrat-N-Fluss wurden aus 10 Bodenkern Lysimeter abgeleitet für Evesboro, Bojac und Sassafras und 5 Bodenkern Lysimeter für Quindocqua. Um die Bedeutung der Replikation innerhalb Böden Variationskoeffizienten (CV) für Sickerwasser Tiefe zu bewerten wurden verschiedene Wiederholungszahlen berechnet. Eine Monte-Carlo-Simulationsansatz wurde verwendet, wiederholt eine Teilmenge der Bodenkern Lysimeter Probe (N = 3) von der Gesamtzahl der Wiederholungen innerhalb jeder Bodengruppe (10 für Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 für die Quindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
Wichtige Schritte der Lysimeter-Sammlung
Leaching Studien zeigen den Einfluss von Bodeneigenschaften und Gülle-Management auf Stickstoffverluste zu flachen Grundwasser. Bodenphysikalische Eigenschaften wie Bodenbeschaffenheit, Aggregatstruktur und Schüttdichte vermitteln die Versickerung von Wasser und gelöste Stoffe. Genaue Konzentrationen Sickerwasser Volumen und Stoff Bestimmung hängt von der Integrität dieser bodenphysikalischen Eigenschaften während der Lysimeter Sammlung Halte du…
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 |
References
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