En protokoll for Innsamling og Constructing Jord Kjerne lysimeters

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

Den Delmarva halvøya grenser den østlige bredden av Chesapeake Bay, og er hjemmet til en av største fjærfe produksjonsregioner i USA. Omtrent 600 millioner kyllinger og anslagsvis 750.000 tonn gjødsel er generert fra produksjonen av disse fuglene hvert år ^en. Mesteparten av gjødsla blir brukt lokalt som gjødsel endring på jordbruksland. På grunn av historisk høye priser av gjødsel søknaden har næringsstoffer som nitrogen og fosfor akkumulert i jordsmonnet, og er nå utsatt for tap off-site via undergrunnen utvasking ^to. Mye av grunnvannsstrømning er rettet mot et omfattende nettverk av grøfter som til slutt drenerer til Chesapeake Bay ^3. Næringsstoffene gjennomført til Bay er knyttet til nedgangen i Bay helse på grunn av overgjødsling ^4.

Koble næringsadministrasjon med off-site tap av næringsstoffer krever spesialiserte verktøy for å overvåke hydrologiskemene og tilhørende næringstilskudd. Lysimeters utgjør en stor kategori av instrumenter som brukes for å karakterisere og kvantifisere bevegelsen av næringsstoffer gjennom jordsmonn. Lysimeters har en lang historie med bruk i overvåking næringsflyt i sigevann ^5-7 av spenning lysimeters som kan justeres for å motvirke jordmatriks potensial slik at de bedre estimat plantetilgjengelig vann, null spenning lysimeters som er mer representativ for prosesser oppstår under gratis drenering. Alle tilnærminger til lysimetery stede iboende skjevheter. For eksempel, noen lysimeters er for små til fullt ut å representere romlig komplekse prosesser i naturlig jord, eller de er for store og kostbare til å tilveiebringe god statistisk replikasjon av heterogene jord ^8. Videre pan lysimeters krever jord over dem for å være mettet for å samle sigevann og er ineffektive i forhold til spenning lysimeters på målematrise flyt ^9.

Lukkede lysimeter systemer,slik som null spenning jord kjerne lysimeters (også kjent som jord monolitten lysimeters), betraktelig bedre tillit som vann budsjetter og tilhørende forurensende budsjetter (f.eks nærings budsjetter) gjennomføres ^10. Disse lysimeters er mest representative når de inneholder intakte kjerner av jord; lysimeters fylt med pakket jord ikke opprettholde den opprinnelige strukturen, horisonter og makro-tilkoblinger som påvirker transport av løste stoffer og partikler forbindelser alike ^11,12. Fra en eksperimentell ståsted, tilnærminger som fremmer større replikering av uforstyrrede grunnforholdene er en fordel, gitt den iboende romlige variasjonen som finnes i jord fysiske og kjemiske egenskaper ^13.

To foretrukne metoder har blitt brukt for å samle intakt jord kjerne lysimeters: drop hammer og skjærehodet. Den tidligere er blitt mer vanlig utført, da det kan oppnås med enheter så enkelt som en slede skinkemer (mindre lysimeters). Når utført på riktig måte, har jord kjerne samling med en dråpe hammer vist seg å være forholdsvis kostnadseffektiv, spesielt sammenlignet med andre kjerneboringsteknikker. Imidlertid kan de skjærkrefter som pålegges ved å kjøre en lysimeter foringsrør ned i bakken føre til flekker og kompaktering, fremstilling av forholdene inne i lysimeter som ikke er representative for naturlig jord, og kan til og med favorisere visse typer av vannbevegelse (f.eks bypass-strømning, eller strømme langs jorda kjernen kanten). Som et resultat, har noen forskere foretrukket anvendelse av corers som skjærer bort en intakt jord med et boreapparat eller annen utgravning innretningen ^5.

Ulike materialer har blitt brukt som casings for jord kjerne lysimeters. Stålrør og boksene er forholdsvis lave kostnader, slitesterk og lett tilgjengelig, og kan brukes til å samle større lysimeters på grunn av deres styrke ^14-17. Imidlertid, mens stål er tilfredsstillende for evaluering av utlekking av relatively ikke-reaktive forbindelser, så som nitrat, jern i stål reagerer med fosfat og må derfor være belagt eller behandlet på annen måte for studiet av fosfor utlutning. Vanligvis er plast foringsrør brukes til å studere fosfor utvasking, slik som tykke vegger (Schedule 80) PVC-rør som kan motstå virkningen av en dråpe hammer (hvis det brukes) og beholde sin struktur når større diameter jordkjerner oppnådd (f.eks ≥30 cm) ^18-22.

Generelt er jord kjerne lysimeters analysert ex situ. Når samlet, jord kjerne lysimeters kan installeres i utendørs "lysimeter gårder" der rundt jorda og over bakken klima representerer naturlige feltforhold. For eksempel, i Sverige har det svenske landbruksuniversitetet opprettholdt tre separate lysimeter gårder i løpet av de siste tre tiårene, analysere plantevernmiddel skjebne-og-transport, langsiktige jord fruktbarhet prøvelser, og forvaltningspraksis som kan skaleres til 30 cm diameter intact kjerner ^23. Jordkjerne lysimeters har også vært utsatt for innendørs utlekkingsforsøk hvor det er større kontroll av klimatiske forhold ^24,25. Liu et al. Brukt regn simulator til regelmessig vanne jorda kjerne lysimeters under en rekke fangvekster ^26. Kibet og Kun alle sysselsatte hånd vanning teknikker for å studere arsen og nærings utvasking gjennom jord kjerner ^27,28.

En rekke edaphic og hydrologiske prosesser kan utledes fra jord kjerne lysimeters. Kun et al. (2015) som anvendes 30 cm diameter kolonne PVC lysimeters å undersøke nitrogen utlutning etter urea-søknad ^28. Ved å samle sigevann på ulike tidsintervaller etter en vanning hendelse, var de i stand til å skille mellom raske og gradvis strømmer, med den tidligere antatt å være dominert av makro-flow, og senere antatt å være dominert av matrise flyt. Siden urea lett hydrolyseres ved kontakt with jord, de tolket tilstedeværelsen av forhøyede urea konsentrasjoner i sigevann som samles inn kort tid etter urea programmet som bevis for makro-transport som omgås jord matrise. Over tid vil de oppdaget forhøyede konsentrasjoner av ulike former for nitrogen i sigevann, sporing omdannelsen av tilført urea til ammonium etter innledende hydrolyse, og deretter transformasjonen av ammonium til nitrat med nitrifikasjon.

For å illustrere hensyn i utformingen, gjennomføre og tolke jord kjerne lysimeter eksperimenter, gjennomførte vi en undersøkelse av fire forskjellige jordtyper som finnes i den midtatlantiske kyststripe av USA. Undersøkelse målte utlutning konsentrasjon og tap av nitrat før og etter påføring av tørr fjærfe gjødsel (dvs. fjærkre "kull") ^28. Næringstap fra anvendelsen av fjørfe søppel til jord er en sentral bekymring for helsen til Chesapeake Bay, og forstå samspillet av anvendtfjørfe kullet og landbruksjordegenskaper er nødvendig for å forbedre nærings ledelse anbefalinger. Vi presenterer her en detaljert metode for utvinning av intakte jord kjerne lysimeters, sporing jordfuktighet, og tolke differensial nitrat utlekkings tap fra disse jord.

Dette eksperimentet er en del av en større studie utført for å vurdere nærings utlekking fra jordbruksjord i Delmarva halvøya, USA ^27,28. Jordkjerne lysimeters ble samlet inn fra områder i Delaware, Maryland og Virginia i 2010. Her presenterer vi upubliserte resultater fra disse studiene. Selv om det innledende forsøk ble utført for å vurdere fosfor utvasking, nitrat utlekking fra teser jord ble også overvåket.

Fire vanlige jordbruksjord fra Atlanterhavet kyststripe av Chesapeake Bay Watershed var samplet: Bojac (grov Leir, blandet, semiactive, termisk Typic Hapludult); Evesboro (Mesic, belagt Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fin-Leir, blandet, aktiv, Mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fin-Leir, kiselholdige, semiactive, Mesic Typic Hapludult). For hver jord, ble horisont morfologi beskrevet fra profilene eksponert ved utgravning av kolonnene (tabell 1). Overflatestrukturer av jordsmonnet varierte fra sand (Evesboro) til Leir fin sand / sandholdig leirjord (Bojac og Sassafras) til silt leirjord (Quindocqua). Selv om alle jord hadde blitt historisk befruktet med fjørfe kullet, hadde ingen blitt brukt i de 10 månedene før undersøkelsen. Alle jordsmonn hadde vært på ingen-till mais produksjon i minst en sesong før jord kjerne lysimeter samling.

Etter samlingen, ble jordkjerne lysimeters fraktet til USDA-ARS simulatorium anlegget i State College, PA. Det de ble utsatt for innendørs vannings eksperimenter (22-26 ° C) for å vurdere nærings utlekking knyttet til fjørfe kullet søknad. Nærmere bestemt,lysimeters ble overrislet med 2 cm vann ukentlig i 8 uker før nitrat i sive ble likevekt mellom jord. Fjærfe kull (tørr fjærfegjødsel) ble deretter påført på overflaten av all jord i en mengde av 162 kg ha ^-1 av total N. Vanning ble fortsatt i 5 uker. Fuktighetsgivere registrert volumetrisk vanninnhold med 5 minutters mellomrom kontinuerlig gjennom vanning og utvasking syklus. Utlutningsvæsken ble samlet opp etter 24 timer og 7 dager senere igjen umiddelbart før skylling.

Sigevann data fra jordkjerne lysimeters ble analysert ved hjelp av enkle deskriptiv statistikk for å illustrere forskjellene i sigevann kvantitet og kvalitet mellom jordarter, så vel som forskjeller før og etter påføring kull. Fordi jordfuktighetsgivere ble plassert i bare to av de gjenskape jordkjerne lysimeters for hver jord (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistikk for jordfuktighet var basert på N = 2, mens statistics for sigevann dybde, ble nitrat-N konsentrasjon og nitrat-N flux avledet fra 10 jordkjerne lysimeters for Evesboro, Bojac og Sassafras og 5 jordkjerne lysimeters for Quindocqua. For å vurdere betydningen av replikasjon i jord, ble variasjonskoeffisient (CV) for sigevann dybde beregnet for ulike replikere tall. En Monte Carlo-simulering tilnærmingen ble anvendt for å prøve flere ganger for en undergruppe av jord kjerne lysimeters (N = 3) fra det totale antall replikater innenfor hver gruppe jord (10 for Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 for Quindocqua).

Protocol

1. Klargjøring av materialer Skjær hoveddelen av lysimeter fra 30,5 cm (12 tommer) i diameter (ID; nominell) tidsplan 80 PVC; Dette har en veggtykkelse på 1,9 cm (0,75 tommer) (Figur 1a). Skjær lengden av lysimeter legemet avhengig av tykkelsen av det jordlaget (e) som skal undersøkes; her, bruk en 53 cm (21 tommer) lang kropp. Frese en 0,63 cm dyp ved 45 ° skråkant rundt den nedre ende av den lysimeter for å danne en skarp fremre kant på den indre vegg av lysimeter legemet for å hj…

Representative Results

Jordfuktighet, sigevann dybde og sigevann kjemi all illustrere variasjon over jord, avslører forskjeller som en funksjon av jordegenskaper til tross for intern variabilitet mellom replikere jord kjerne lysimeters av en bestemt jord. De senere punkt warrants spesielt merke fra standpunktet av eksperimentell design, som iboende variasjon i jordfuktighet og utlekkings prosessene krever betydelig replikering for å minimere type 2 statistisk feil. I denne studien, variasjonskoeffisient (CV)…

Discussion

Viktig skritt av lysimeter Collection

Utlekkingen studier viser påvirkning av jordegenskaper og husdyrgjødsel ledelse på nitrogentap til grunne grunnvann. Jord fysiske egenskaper slik som jord tekstur, samlet struktur og bulktetthet mediere perkolering av vann og oppløste stoffer. Nøyaktig bestemmelse av sigevann volum og oppløste konsentrasjoner er avhengig av å beholde integriteten av disse jord fysikalske egenskaper i løpet av lysimeter samling ved å følge disse kritiske trinn: …

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