土壌コアLysimetersを収集し、構築するためのプロトコル

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

デルマーバ半島は、チェサピーク湾の東岸と国境を接し、そして米国で最大の家禽生産地域の一つに家です。大体6億鶏や肥料の推定75万トンは、毎年¹これらの鳥の生産から生成されています。肥料のほとんどは、農業分野での肥料改正としてローカルで使用されています。そのため肥料のアプリケーションの歴史的に高い率で、例えば、窒素やリンなどの栄養素が土壌に蓄積され、現在地下浸出^2を介して、オフサイトの損失の影響を受けやすいいます。地下水流動の多くは、最終的にはチェサピーク湾³に排水溝の広範なネットワークに向けられています。ベイに運ば栄養素が富栄養化⁴による湾の健康の低下にリンクされています。

栄養素のオフサイトの損失で栄養管理を接続すると、水文学を監視するための専用のツールが必要ですフローおよび関連する栄養素転送。 Lysimetersは土壌を通じて栄養素の動きを特徴付けるし、定量化するために使用される機器の主要なカテゴリを表します。 Lysimetersは、プロセスのより代表的なものであるゼロテンションlysimetersに、彼らはより良い推定工場利用できるように土壌のマトリックスポテンシャルに対抗するために調整することができるテンションlysimetersから、水^5-7の浸透に栄養素の流れを監視するのに使用の長い歴史を持っている水無料の排水中に発生しました。すべてのアプローチが存在する固有のバイアスをlysimeteryします。例えば、いくつかのlysimetersは完全に自然の土壌で空間的に複雑なプロセスを表現するには小さすぎる、または異種の土壌⁸の良好な統計的な複製を提供するには大きすぎる、高価です。また、パンlysimetersは浸出液を収集するために飽和するためにそれらの上に土を必要とし、マトリックスの流れ^9を測定^する時のテンションlysimetersに比べて非効率的です。

クローズドライシメータシステム、このような（また、土壌モノリスlysimetersとして知られている）ゼロテンション土壌コアlysimetersとして、大幅に水の予算と関連する汚染物質の予算が（ 例えば 、栄養予算）が^10を行っているとの自信を向上させます。彼らは土壌の無傷のコアが含まれている場合、これらのlysimetersは、最も代表的なものです。再梱包土壌で埋めlysimetersを問わず、溶質と粒子状化合物^11,12の輸送に影響を与える元の構造、地平線とマクロポアの接続を維持していません。実験的な観点からは、乱されていない土壌条件の大きな複製を促進するアプローチは、土壌の物理的および化学的性質¹³に存在する固有の空間的変動性を考慮すると、有利で ​​す。

ドロップハンマーとカッティングヘッド：2つの好ましい方法は、無傷の土壌コアlysimetersを収集するために使用されてきました。それは、スレッジのハムのような単純なデバイスを用いて達成することができるように、前者は、より一般的に行われていますマー（小さいlysimeters）。適切に実行されたとき、ドロップハンマー土壌コアコレクションは、比較的他のコアリング技術と比較する場合は特に、費用対効果であることが示されています。しかし、地面にライシメータケーシングを駆動することによって課される剪断力は、天然の土壌の代表ではありませんライシメータ内部の条件を生成、スミアと圧密引き起こす可能性があり、さらには水の動き（ 例えば 、バイパス流の特定のタイプを好む、またはに沿って流れることができます。土壌コアエッジ）。その結果、一部の研究者は、掘削装置または他の掘削装置⁵で無傷の土を切り取っcorersの使用が好まれています。

種々の材料は、土壌コアlysimetersためのケーシングとして使用されています。スチールパイプとボックスは、比較的低コストで、耐久性と容易に入手可能であり、それらの強度^14-17に大きなlysimetersを収集するために使用することができます。しかし、鋼はRELの浸出を評価するには十分であるが硝酸塩などのatively非反応化合物、鋼中の鉄は、リン酸と反応し、したがって、コーティングするか、そうでなければリン浸出の研究のために処理しなければなりません。一般に、プラスチックケーシングは、厚肉（スケジュール80）（使用する場合）、ドロップハンマーの衝撃に耐え、より大きな直径の土壌コアが得られたときにその構造を保持することができるPVC管（ 例えば 、として、リン浸出を研究するために使用される≥30センチ^）18-22。

一般に、土壌コアlysimetersは、ex situで分析されます。いったん集め、土壌コアlysimetersは、周囲の土壌や地上気候の上には、自然界の条件を表す屋外」ライシメータファーム」内に設置することができます。例えば、スウェーデンでは、スウェーデン農業大学は、直径30cmのINTAにスケーリングすることができる農薬の運命-と輸送、長期的な土壌肥沃度試験、および経営慣行を分析し、過去30年間にわたって3つの別々のライシメータの農場を維持していますCTコア^23。土壌コアlysimetersも気候条件^24,25のより大きな制御がある屋内の浸出実験に供されています。 Liu らは 、定期的にキャッチのアレイ^26をトリミング下の土壌コアlysimetersを灌漑するために降雨シミュレータを使用しました。キベットとくんは、すべての土壌コア^27,28を介してヒ素や栄養浸出を研究するために手の灌漑技術を採用します。

土壌のと水文プロセスの様々な土壌コアlysimetersから推測することができます。くんら （2015）尿素アプリケーション²⁸の後に窒素溶脱を調査するために直径30cmのPVC列lysimetersを使用。灌漑イベント後の異なる時間間隔で浸出液を収集することにより、彼らはマクロ孔の流れによって支配されているものと、前者で、迅速かつ緩やかな流れを区別することができた、と後で行列の流れによって支配されると仮定しました。ときに、接触のWi中の尿素は、容易に加水分解されるので、目土、彼らは土壌マトリックスをバイパスマクロ孔輸送の証拠として尿素アプリケーションの直後に採取した浸出液中の上昇尿素濃度の存在を解釈しました。時間が経つにつれて、彼らは最初の加水分解後にアンモニウムに適用される尿素の転換を追跡し、浸出液中の窒素の異なる形の高濃度を検出し、その後アンモニウムの変換は、硝化と硝酸塩します。

設計、実施し、土壌コアライシメータ実験を解釈する際に考慮事項を説明するために、我々は、米国の中​​部大西洋沿岸平野で見つかった4の異なる土壌の調査を行いました。研究では、乾燥鶏糞（ すなわち 、家禽「ごみ^」）28を適用する前と後の硝酸塩の浸出濃度や損失を測定しました。土壌への家禽リターのアプリケーションからの養分損失はキーチェサピーク湾の健康への懸念、および適用の相互作用を理解しています家禽のごみや農業土壌特性は、栄養管理の推奨事項を改善するために必要とされます。ここでは、無傷の土壌コアlysimetersを抽出土壌水分を追跡し、これらの土壌からの差動硝酸浸出損失を解釈するための具体的な方法を提示します。

この実験はデルマーバ半島、米国^27,28の農用地の土壌から栄養浸出を評価するために実施大規模な研究の一部です。土壌コアlysimetersは、我々はこれらの研究からの未発表の結果を提示する。ここで2010年にデラウェア州、メリーランド州とバージニア州のサイトから収集しました。最初の実験は、リンの浸出を評価するために実施されたが、論文の土壌からの硝酸浸出も監視しました。

チェサピーク湾流域の大西洋海岸平野からの4つの一般的な農業の土壌をサンプリングした：Bojac（粗ローム、混合、セミアクティブ、サーミックTypic Hapludultを）。 LamellコーティングされたEvesboro（mesic、IC Quartzipsamment）。 Quindocqua（微ローム、混合、アクティブ、mesic Typic Endoaquult）。ササフラス（微ローム質、珪質、セミアクティブ、mesic Typic Hapludult）。各土壌について、地平線の形態は、列（ 表1）の掘削により露出されたプロファイルから説明しました。土壌の表面テクスチャはシルトローム（Quindocqua）に細かい砂/砂壌土（Bojacとササフラス）をロームする砂（Evesboro）の範囲でした。すべての土壌は、歴史的に家禽のごみで受精されていたが、いずれも試験前に10ヶ月の間に適用されていませんでした。すべての土壌は前の土壌コアライシメータコレクションに少なくとも一つのシーズンに向けトウモロコシ生産不耕起していました。

コレクションに続いて、土壌コアlysimetersはペンシルバニア州にあるUSDA-ARSのsimulatorium施設に輸送されました。そこでは、家禽リターアプリケーションに関連する栄養浸出を評価する屋内灌漑実験（22-26℃）での対象となりました。具体的には、浸出液中の硝酸塩が土壌との間で平衡化させたまでlysimetersは8週間にわたって水毎週2cmので灌注しました。家禽用トイレ砂（乾燥鶏糞）を合計N.灌漑の162キロヘクタール^-1の速度で、すべての土壌の表面に適用したが、5週間以上継続しました。水分センサは、灌漑や浸出サイクルを通じて、継続的に5分間隔で体積含水量を記録しました。浸出液は、24時間後に回収し、灌漑に再び7日後に直前ました。

土壌コアlysimetersからの浸出水データは土壌間の浸出水の量と質の違いだけでなく、ごみの適用前と後の違いを説明するために単純な記述統計を用いて分析しました。土壌水分センサは2つだけ、各土壌（Evesboro、Bojac、ササフラス、Quindocqua）の複写土壌コアlysimetersの中に入れたので、土壌水分量の統計をsに対し、N = 2、に基づいていました浸出水の深さのためのtatisticsは、硝酸塩-N濃度と硝酸-NフラックスはEvesboro、BojacとササフラスとQuindocquaための5土壌コアlysimetersのための10の土壌コアlysimetersに由来しました。土壌内のレプリケーションの重要性を評価するために、浸出水の深さに対する変動（CV）の係数は異なる複製数を算出しました。 （Evesboro、Bojac、ササフラス10; 5 Quindocqua用）モンテカルロシミュレーション法を繰り返し、各土壌群内複製の総数からの土壌コアlysimeters（N = 3）のサブセットをサンプリングするために使用されました。

Protocol

1.材料の準備スケジュール80 PVC;直径30.5cm（12インチ）（公称ID）からライシメータの本体をカット。この1.9 cmの（0.75インチ）（ 図1a）の壁の厚さを有しています。検討されるべき土壌層の厚さに応じてライシメータ体の長さを切断し、ここでは、53センチメートル（21インチ）ロングボディを使用。土壌を切断するのを助けるためにライシメータ本体の内壁に鋭い先端を形…

Representative Results

土壌水分、浸出水の深さと浸出水の化学的性質のすべては、特定の土の複製土壌コアlysimeters間の内部変動にもかかわらず、土壌特性の関数としての違いを明らかにし、土壌全体で変動を示しています。後の時点ワラント土壌水分と浸出プロセスにおける固有の変動などの実験デザインの観点から特に注目すべきは、2型統計誤差を最小化するために、かなりのレプリ?…

Discussion

ライシメータコレクションの重要なステップ

浸出の研究では、浅層地下水への窒素の損失上の土壌特性と肥料管理の影響を示しています。このような土壌のテクスチャ、凝集構造と嵩密度などの土壌の​​物理的性質は、水と溶質の浸透を媒介します。正確に浸出水の量と溶質の濃度を決定することは、これらの重要なステップに従うことによってライシメータ収集中に…

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