פרוטוקול Lysimeters Core קרקע איסוף הבנייה
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
The Peninsula Delmarva גובל בחוף המזרחי של מפרץ צ'סאפיק, והיא הבית לאחד אזורים ייצור עופות גדולים בארה"ב. כ -600 מיליון תרנגולות כ 750,000 טונות של זבל נוצרות מייצור של ציפורים אלו בכל שנה 1. רוב הזבל בשימוש מקומי כמו תיקון דשן על שדות חקלאיים. בגלל שיעור גבוה היסטורית של יישום זבל, חומרים מזינים, כגון חנקן וזרחן צברו בקרקע וכעת הם רגישים הפסדים מחוץ לאתר באמצעות שטיפת מתחת לפני הקרקע 2. הרבה של זרימת מי תהום מכוונת רשת ענפה של תעלות שבסופו של דבר לנקז אל צ'ספיק ביי 3. חומרי ההזנה שנזקפו מפרץ צמודות הירידה של הפגיעה בבריאותו של המפרץ בשל eutrophication 4.
ניהול מזין חיבור עם פסדים מחוץ לאתר של חומרים מזינים דורש כלים מיוחדים כדי לפקח הידרולוגיתזרים והעברות המזין קשור. Lysimeters מייצג קטגוריה עיקרית של מכשירים המשמשים לאפיין ולכמת את התנועה של חומרים מזינים דרך קרקעות. יש Lysimeters היסטוריה ארוכה של שימוש בתזרים מזין ניטור חלחל מי 5-7, מן lysimeters מתח שניתן לכוון נגד פוטנציאל מטריקס האדמה, כך הוא מים זמינים צמח אומדן טוב יותר, כדי lysimeters אפס המתח מייצג יותר של תהליכים המתרחשים במהלך ניקוז חופשי. כל גישות lysimetery הטיות טמונות בהווה. למשל, כמה lysimeters הם קטנים מכדי לייצג באופן מלא תהליכים מורכבים מרחבית בקרקעות טבעיות, או יותר מדי גדולים ויקרים לספק שכפול סטטיסטי טוב הקרקעות הטרוגנית 8. יתר על כן, מחבת lysimeters דורש קרקעות מעליהם להיות רוויים לאסוף התשטיפים והם לא יעילים לעומת lysimeters מתח במדידת מטריקס זרימת 9.
מערכות lysimeter סגורות,כגון lysimeters ליבת קרקע אפס מתח (הידוע גם בשם lysimeters מונולית אדמה), לשפר את הביטחון מאוד שבה תקציבי מים ותקציבים מזהמים נספחים (כגון, תקצוב חומרי הזנה) מתבצעים 10. lysimeters אלה מייצגים ביותר כאשר הם מכילים ליבות שלמות של אדמה; lysimeters מלא קרקעות ארזה לא לשמור על המבנה המקורי, אופקים וקשרים macropore המשפיעים על הובלה של מומסים ותרכובות חלקיקי 11,12 כאחד. מנקודת עמדה ניסיון, גישות מאפשרות שכפול יותר של תנאי קרקע באין מפריע הן יתרון, בהתחשב בשונות מרחבית טמון שקיים פיזי בקרקע ועל תכונות כימיות 13.
שתי שיטות מועדפות שמשו לאיסוף lysimeters ליבת אדמה שלמה: קוּרנָס וראש החיתוך. לשעבר שבוצע נפוץ יותר, כפי שהיא יכולה להיות מושגת באמצעות מכשירים פשוטים כמו חזיר מזחלתmer (lysimeters קטן). כאשר מבוצע כהלכה, גרעין האוספים אדמה עם קוּרנָס הוכח להיות יחסית חסכוני, במיוחד כאשר לעומת טכניקות coring אחרים. עם זאת, הכוחות העצומים שהטילו נהיגת מעטפת lysimeter באדמה יכולים לגרום מריחת דחיסה, ייצור תנאים בתוך lysimeter שאינם נציג האדמה מולדת, ואף עלול להעדיף סוגים מסוימים של תנועת מים (למשל, זרימת מעקפים, או לזרום קצה ליבת האדמה). כתוצאה מכך, כמה חוקרים מעדיפים את השימוש corers כי לחתוך אדמה שלמה עם מנגנון קידוח או מכשיר חפירה אחר 5.
חומרים שונים שמשו תרמילים עבור lysimeters ליבת אדמה. צינורות וקופסות פלדה הן בעלות נמוכה יחסית, עמידים וזמינים וניתן להשתמש בו כדי לאסוף lysimeters הגדול בשל כוחם 14-17. עם זאת, בעוד הפלדה הוא משביע רצון על מנת לאמוד את שטיפת relatively ובלתי-תרכובות כגון ניטראט, ברזל בתוך הפלדה מגיב עם פוספט ולכן חייב להיות מצופה או מטופלים אחרת לחקר שטיפת זרחן. בדרך כלל, תרמילי פלסטיק משמשים ללמוד שטיפת זרחן, כגון קירות עבים (בתוספת 80) צינור PVC שיכולים לעמוד את ההשפעה של קוּרנָס (אם משתמשים בו) ולשמר את המבנה שלה כאשר ליבות אדמה בקוטר גדול יותר מתקבלים (למשל, ≥30 ס"מ) 18-22.
באופן כללי, lysimeters ליבת אדמה מנותח באתרו לשעבר. לאחר שנאסף, lysimeters ליבת קרקע ניתן להתקין ב "חוות lysimeter" חוצות שבו שמסביב אדמה ומעל באקלים הקרקע מייצג בתנאי שטח טבעי. למשל, בשבדיה, האוניברסיטה החקלאית השבדית שמרה שלוש חוות lysimeter נפרדות במהלך שלושת העשורים האחרונים, ניתוח-ו-תחבורת גורל דברה, ניסויי פוריות קרקע לטווח ארוכים, ושיטות ניהול שניתן לשנותם כדי אנת בקוטר 30 סנטימטריםct ליבות 23. Lysimeters הליבה קרקע גם היה נתון ניסויי שטיפת מקורה שבו יש שליטה רבה יותר של תנאי אקלים 24,25. Liu et al. משתמש סימולטור גשמים להשקיית lysimeters אדמת הליבה באופן קבוע תחת מערך של לתפוס יבולי 26. קיבט וקון כל טכניקות השקיה יד מועסקים ללמוד ארסן שטיפת מזין דרך ליבות אדמה 27,28.
מגוון של תהליכי edaphic ו הידרולוגיים יכול להיגזר lysimeters ליבת אדמה. קון et al. (2015) בשימוש 30 ס"מ קוטר PVC טור lysimeters לחקור שטיפת חנקן לאחר יישום אוריאה 28. על ידי איסוף תשטיפים במרווחי זמן שונים לאחר אירוע השקיה, הם הצליחו להבדיל בין תזרים המהיר והדרגתי, עם לשעבר להניח להישלט על ידי זרימת macropore, ואת מאוחר יותר להניח להישלט על ידי זרימת מטריקס. מאז האוריאה היא הידרוליזה כאשר בקלות wi קשראדמת ה, הם פרשו בנוכחות ריכוזי אוריאה גבוהות התשטיפים נאספים זמן קצר לאחר יישום אוריאה כראית תחבורת macropore שעקפה מטריצת האדמה. במשך זמן, הם גילו ריכוזים גבוהים של צורות שונות של חנקן התשטיפים, מעקב הטרנספורמציה של אוריאה להחיל אמוניום לאחר הידרוליזה ראשוני, אזי השינוי של אמוניום חנק כדי עם ניטריפיקציה.
כדי להמחיש שיקולים בעיצוב, ביצוע ופירוש ניסויי אדמת ליבת lysimeter, בצענו חקירה של ארבע קרקעות שונות הנמצאות במישור החוף האטלנטי של ארה"ב. ריכוז שטיפת מחקר מדד ואובדן חנק לפני ואחרי היישום של זבל עופות היבש (כלומר, עופות "המלטה") 28. פסדים מזינים מתחולת פסולת עופות קרקעות הם רעיון מרכזי הבריאות של מפרץ צ'ספיק, והבנת האינטראקציה של הוחלעוף חול ומאפייני אדמה חקלאיים נדרשים כדי לשפר את המלצות לניהול חומרי הזנה. אנו מציגים כאן שיטה מפורטת לחילוץ lysimeters ליבת אדמה השלם, מעקב לחות קרקע, ופירוש הפסדי שטיפה חנק הפרש מקרקע אלה.
ניסוי זה הוא חלק ממחקר גדול נערך על מנת להעריך שטיפת מזין מקרקעות חקלאיות של חצי האי Delmarva, 27,28 ארה"ב. lysimeters הליבה קרקע שנאספו מאתרים בדלוור, מרילנד ווירג'יניה בשנת 2010. כאן אנו מציגים תוצאות לא פורסם ממחקרים אלה. למרות ניסויים ראשוניים נערכו במטרה להעריך שטיפת זרחן, שטיפה חנקה מקרקעות תזות היה פיקוח גם.
ארבע קרקעות חקלאיות נפוצות מהשפלה האטלנטי של פרשת המים במפרץ צ'ספיק נדגמו: Bojac (גס דשן, מעורבב, semiactive, תרמי Typic Hapludult); Evesboro (מסיץ, מצופה Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (בסדר-דשן, מעורב, פעיל, Endoaquult Typic מסיץ); Sassafras (בסדר-דשן, סליקה, semiactive, מסיץ Typic Hapludult). עבור כל קרקע, מורפולוגיה האופק תוארה ומהפרופילים שנחשפו על ידי חפירת עמודות (טבלה 1). טקסטורה של הקרקעות נעה בין חול (Evesboro) כדי דשנים / חול דק חמרת חולית (Bojac ו Sassafras) בסחף טיט (Quindocqua). למרות כל הקרקעות הופרו הסטורית עם עוף חול, אף אחד מהם לא יושם 10 החודשים שקדמו למחקר. כל הקרקעות היו בשום-עד ייצור תירס לפחות עונה אחת לפני לאוסף lysimeter ליבת אדמה.
לאחר איסוף, lysimeters הליבה הקרקע הועברו למתקן simulatorium USDA-ARS ב סטייט קולג ', פנסילבניה. שם הם היו כפופים ניסויי השקיה מקורים (22-26 מעלות צלזיוס) כדי להעריך שטיפת מזין הנוגעת ליישומו עוף חול. באופן ספציפי,lysimeters הושקה עם 2 סנטימטר של שבועון מים למשך 8 שבועות עד החנקות במים למשפט האחרון לחלחל הייתה equilibrated בין הקרקעות. המלטת עופות (זבל עופות יבש) יושמה אז אל פני השטח של כל הקרקעות בשיעור של 162 קילו חה -1 של השקיה נ הכוללת נמשך במשך 5 שבועות נוספים. חיישני לחות רשמו תכולים לחות נפח ב 5 דקות intervals ברציפות, לאורך כל מחזור השקית שטיפה. התשטיפים נאספו לאחר 24 שעות ושוב 7 ימים לאחר מכן ערב ההשקיה.
נתונים התשטיפים מן lysimeters הליבה אדמה נותחו באמצעות סטטיסטיקה תיאורית פשוטה כדי להמחיש הבדלים בכמות ובאיכות התשטיפים בין קרקעות, כמו גם הבדלים לפני ואחרי יישום המלטה. מאחר שחיישני לחות קרקע הושמו רק שתיים lysimeters ליבת האדמה לשכפל לכל אדמה (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), סטטיסטיקה של תוכן לחות הקרקע התבססה על N = 2, ואילו statistics עומק התשטיפים, חנק-N ריכוז השטף חנק-N נגזר 10 lysimeters אדמת ליבת Evesboro, Bojac ו Sassafras ו -5 lysimeters ליבת אדמה עבור Quindocqua. כדי להעריך את החשיבות של שכפול בתוך קרקעות, ומקדמים שונים (CV) עבור עומק התשטיפים חושבו המספרים לשכפל שונים. גישת סימולציית מונטה קרלו שמשה לדגום משנה שוב ושוב של lysimeters ליבת אדמה (N = 3) מן המספר הכולל של משכפל בתוך כל קבוצת אדמה (10 עבור Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 עבור Quindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים חשובים של אוסף lysimeter
מחקרי שטיפה להמחיש את השפעת תכונות קרקע וניהול זבל על פסדי חנקן התהום רדודה. תכונות פיסיקליות של קרקע כגון מרקם קרקע, מבנה המצרפי צפיפות בצובר לתווך חלחול המים מומסים. במדויק קביעת ריכוזי נפח מומס התשטי?…
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
- Patterson, P. H., Lorenz, E. S., Weaver, W. D., Schwart, J. H. Litter production and nutrients from commercial broiler chickens. J. Applied Poultry Res. 7 (3), 247-252 (1998).
- Cullum, R. F. Macropore flow estimations under no-till and till systems. Catena. 78, 87-91 (2009).
- 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).
- Persson, L., Bergstrom, L. Drilling method for collection of undisturbed soil monoliths). Soil Sci. Soc. Am. J. 55 (1), 285-287 (1991).
- Belford, R. K. Collection and evaluation of large soil monoliths for soil and crop studies. J. Soil Sci. 30 (2), 363-373 (1979).
- 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).
- Owens, L. B. Nitrate-nitrogen concentrations in percolate from lysimeters planted to a legume-grass mixture. J. Environ. Qual. 19, 131-135 (1990).
- 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).
- Jemison, J. M., Fox, R. H. Estimation of zero-tension pan lysimeter collection efficiency. Soil Sci. 154, 85-94 (1992).
- Corwin, D. L. Evaluation of a simple lysimeter-design modification to minimize sidewall flow. J. Contaminant Hydrology. 42 (1), 35-49 (2000).
- 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).
- Bergstrom, L., Johanssson, R. Leaching of nitrate from monolith lysimeters of different types of agricultural soils. J. Environ. Qual. 20, 801-807 (1991).
- 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).
- Moyer, J., Saporito, L., Janke, R. Design, construction, and installation of an intact soil core lysimeter. Agronomy J. 88 (2), 253-256 (1996).
- Stout, W. L., et al. Nitrate leaching from cattle urine and feces in northeast US. Soil Sci. Soc. Am. J. 61, 1787-1794 (1997).
- 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).
- 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).
- 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).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Approximating phosphorus release to surface runoff and subsurface drainage. J. Environ. Qual. 30, 508-520 (2001).
- McDowell, R. W., Sharpley, A. N. Phosphorus losses in subsurface flow before and after manure application. Sci. Total Environ. 278, 113-125 (2001).
- 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).
- Svanback, A., et al. Influence of soil phosphorus and manure on phosphorus leaching in Swedish topsoils. Nutr. Cycling Agroecosyst. 96, 133-147 (2013).
- 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).
- Williams, M. R., et al. Manure application under winter conditions: Nutrient runoff and leachate losses. Trans. ASABE. 54 (3), 891-899 (2011).
- 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).
- 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).
- Han, K., et al. Phosphorus and nitrogen leaching before and after tillage and urea application. J. Environ. Qual. 44, 560-571 (2014).
- Day, P. R., Black, C. A. 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. , (1965).
- Kleinman, P. J. A., et al. Phosphorus leaching from agricultural soils of the Delmarva Peninsula, USA. J. Environ. Qual. 44 (2), 524-534 (2015).
- . Lachat Instruments. Determination of nitrate/nitrite in surface and wastewaters by flow injection analysis. QuickChem Method. , (2003).
