Ett protokoll för insamling och konstruera Jord Kärn lysimetrarna

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

Delmarva Peninsula gränsar till östra stranden av Chesapeake Bay, och är hem till en av de största fjäderfäproduktion regioner i USA. Ungefär 600 miljoner kycklingar och uppskattningsvis 750.000 ton gödsel genereras från produktionen av dessa fåglar varje år ^ett. De flesta av gödsel används lokalt som gödningsmedel ändring på åkrar. På grund av historiskt höga gödselspridning, har näringsämnen som kväve och fosfor ackumuleras i marken och är nu utsatta för off-site förluster via ytan urlakning ^2. En stor del av grundvattenflödet är riktad mot ett omfattande nätverk av diken som slutligen rinna till Chesapeake Bay ^3. Näringsämnena transporteras till Bay är kopplade till nedgången i Bay hälsa på grund av övergödning ^4.

Anslutning hantering av näringsämnen med off-site förluster av näringsämnen kräver specialiserade verktyg för att övervaka hydrologiskaflöden och tillhörande närings överföringar. Lysimetrarna utgör en stor kategori av instrument som används för att karakterisera och kvantifiera förflyttningen av näringsämnen genom marken. Lysimetrarna har en lång historia av användning i övervakningen näringsflödet i filtreringsvattnet ^5-7, från spännings lysimetrar som kan justeras för att motverka jordmatris potential så att de bättre uppskattning växttillgängligt vatten, till nollspännings lysimetrarna som är mer representativa för processer inträffar under fri dränering. Alla metoder för lysimetery nuvarande inneboende fördomar. Till exempel vissa lysimetrarna är för små för att helt representerar rumsligt komplexa processer i naturliga jordar, eller är alltför stora och dyra för att ge god statistisk replikering av heterogena jordar ^8. Vidare, pan lysimetrarna kräver jordar ovanför dem att vara mättad för att samla lakvatten och är ineffektiva jämfört med drag lysimetrarna vid mätning av flödesmatris ^9.

Slutna lysimeter system,såsom nollspänningsjordkärn lysimetrarna (även känd som jord monolit lysimetrarna), avsevärt förbättra förtroendet som vattenbudgetar och tillhörande föroreningar budgetar (t.ex. närings budgetar) genomförs ^10. Dessa lysimetrarna är mest representativa när de innehåller intakta kärnor jord; lysimetrarna fyllda med ompackade jordar inte behålla den ursprungliga strukturen, horisonter och makropor anslutningar som påverkar transport av lösta ämnen och partikelföreningar både ^11,12. Från en experimentell stå punkt, metoder som underlättar ökad replikering av ostörda markförhållanden är fördelaktiga med tanke på den inneboende rumslig variabilitet som finns i jord fysiska och kemiska egenskaper ^13.

Två föredragna metoder har använts för uppsamling av intakt jord kärn lysimetrarna: fallhammare och skärhuvudet. Den förstnämnda har mer vanligtvis utförs, eftersom det kan åstadkommas med anordningar så enkelt som en släde skinkamer (mindre lysimetrar). När de utförs på rätt sätt, har jord kärna samling med en droppe hammare visat sig vara relativt kostnadseffektiv, särskilt jämfört med andra kärnborrningsteknik. Däremot kan det stora krafter som genom att köra en lysimeter hölje i marken orsakar utsmetning och packning, producerar förhållandena inne i lysimeter som inte är representativa för befintliga jorden och kan även gynna vissa typer av vattenrörelse (t.ex. förbiflöde, eller flyta längs jorden kärnkanten). Som ett resultat har en del forskare att föredra användningen av corers som skär bort en intakt jorden med en borranordning eller annan utgrävning anordningen ^5.

Olika material har använts som höljen för markkärn lysimetrar. Stålrör och lådor är jämförelsevis låg kostnad, hållbart och lätt tillgängliga och kan användas för att samla större lysimetrarna på grund av sin styrka ^14-17. Även stål är tillfredsställande för att utvärdera läckage av reldevis oreaktiva föreningar, såsom nitrat, reagerar järnet i stål med fosfat och måste därför beläggas eller på annat sätt behandlas för att studera fosforläckaget. Vanligen är plasthöljen som används för att studera fosforläckage, såsom tjockväggig (Schema 80) PVC-rör som kan motstå inverkan av en fallhammare (om den används) och kvarhålla sin struktur när större diameter jordkärnor erhålls (t.ex. ≥30 cm) ^18-22.

I allmänhet jord kärn lysimetrarna analyseras ex situ. När samlas in, jord kärn lysimetrar kan installeras i utomhus "lysimeter gårdar" där omgivande jord och ovan jord klimat företräda fysiska fältförhållanden. Till exempel, i Sverige har Svenska Lantbruksuniversitet underhålls tre separata lysimeter gårdar under de senaste tre decennierna, analysera bekämpningsmedel öde-transport, långsiktiga bördig prövningar, och förvaltningsmetoder som kan skalas till inta diameter 30 cmct kärnor ^23. Markkärn lysimetrarna har också utsatts för inomhus urlaknings experiment där det finns större kontroll av klimatförhållanden ^24,25. Liu m.fl.. Använde en regn simulator att regelbundet vattna marken kärn lysimetrarna under en rad av fånggröda ^26. Kibet och Kun alla anställda handen bevattningsteknik för att studera arsenik och näringsläckage genom jordkärnor ^27,28.

En mängd olika edafiska och hydrologiska processer kan utläsas från jord kärn lysimetrar. Kun et al. (2015) använde 30 cm diameter PVC kolumn lysimetrarna att undersöka kväveutlakning efter urea ansökan ^28. Genom att samla lakvattnet vid olika tidsintervall efter en bevattnings händelse, kunde de skilja mellan snabba och gradvisa flöden, med den förstnämnda antas att domineras av Makroporflöde, och senare antas att domineras av flödesmatrisen. Eftersom urea lätt hydrolyseras vid kontakt with jord, tolkade de förekomsten av förhöjda ureakoncentrationer i lakvatten som samlats strax efter urea ansökan bevis på makroporarea transport som förbijordmatrisen. Med tiden upptäckte de förhöjda halter av olika former av kväve i lakvatten, spåra omvandlingen av tillämpad urea till ammonium efter initial hydrolys, då omvandlingen av ammonium till nitrat med nitrifikation.

För att illustrera överväganden i utformningen, genomföra och tolka markkärn lysimeter experiment genomförde vi en undersökning av fyra olika jordar som finns i mitten av Atlanten kustnära slätten i USA. I studien mättes urlakning koncentration och förlust av nitrat före och efter applicering av torr fjäderfägödsel (dvs. fjäderfä "kullen") ^28. Växtnäringsläckaget från tillämpningen av fjäderfä strö på mark är en viktig fråga för hälsan hos Chesapeake Bay, och förstå samspelet mellan tillämpadbehövs fjäderfäströ och jordbruksmarkegenskaper för att förbättra närings rekommendationer hantering. Vi presenterar här en detaljerad metod för att extrahera intakta jord kärn lysimetrar, spårning markfuktighet och tolka differential nitratutlakning förluster från dessa jordar.

Detta experiment är en del av en större studie för att utvärdera näringsläckage från jordbruksmark i Delmarva Peninsula, USA ^27,28. Jordkärn lysimetrarna samlades in från platser i Delaware, Maryland och Virginia 2010. Här presenterar vi opublicerade resultat från dessa studier. Även inledande experiment genomfördes för att bedöma fosforläckage, nitratläckaget från avhandlingar jordar övervakades också.

Fyra gemensamma jordbruksmark från Atlanten kust- slätten av Chesapeake Bay Watershed provtogs: Bojac (grov lerig, blandat, semiaktiv, termisk typic Hapludult); Evesboro (frisk, belagd Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fin-lerig, blandas, aktiv, frisk typic Endoaquult); Sassafras (fin-lerig, kiselhaltig, semiaktiv, frisk typic Hapludult). För varje jord, var horisont morfologi beskrivs från profilerna exponeras genom utgrävningen av kolonnerna (tabell 1). Ytstrukturer av jordarna varierade från sand (Evesboro) att lerig fin sand / sandig lerjord (Bojac och Sassafras) att silt loam (Quindocqua). Även om alla jordar hade historiskt gödslats med fjäderfäströ, hade ingen tillämpats i 10 månader före studien. Alla jordar hade varit i kombi majs produktion under minst en säsong innan markkärn lysimeter samling.

Efter samling, var markkärn lysimetrarna transporteras till USDA-ARS simulatorium anläggning i State College, PA. Där var föremål för inomhus bevattningsexperiment (22-26 ° C) för att bedöma näringsläckage i samband med fjäderfä strö ansökan. Specifikt,lysimetrarna var bevattnas med 2 cm vatten per vecka under 8 veckor tills nitrat i perkolatet jämviktades mellan jordar. Fjäderfäströ (torr fjäderfägödsel) applicerades därefter på ytan av alla jordar med en hastighet av 162 kg ha ^-1 av total N. Bevattning fortsattes under ytterligare 5 veckor. Fuktsensorer registreras volymetriska fukthalt vid 5 minuters intervaller kontinuerligt, under hela bevattning och utlakning cykel. Lakvatten samlades efter 24 timmar och återigen 7 dagar senare omedelbart före bevattning.

Lakvatten data från markkärn lysimetrarna analyserades med hjälp av enkla beskrivande statistik för att illustrera skillnader i lakvatten kvantitet och kvalitet mellan mark, liksom skillnader före och efter kull ansökan. Eftersom markfuktsensorer placerades i endast två av de replikera markkärn lysimetrarna för varje jord (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistik för mark fukthalt baserades på N = 2, medan sTATISTIK för lakvatten djup, var nitrat-N koncentration och nitratkväve flöde härrörande från 10 jordkärn lysimetrarna för Evesboro, Bojac och Sassafras och 5 jord kärn lysimetrar för Quindocqua. För att bedöma betydelsen av replikering inom jordar, var variationskoefficienter (CV) för lakvatten djup beräknas för olika replikera nummer. A Monte Carlo-simulering tillvägagångssätt användes för att upprepade gånger sampla en delmängd av jord kärn lysimetrarna (n = 3) från det totala antalet replikat inom varje jordgrupp (10 för Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 för Quindocqua).

Protocol

1. Förbereda Material Skär huvuddelen av lysimeter från 30,5 cm (12 tum) diameter (ID, nominellt) schema 80 PVC; detta har en väggtjocklek av 1,9 cm (0,75 tum) (Figur 1A). Skär längd lysimeter kroppen beroende på tjockleken på jordlagret (s) som ska studeras; Här använder en 53 cm (21 inch) lång kropp. Rout en 0,63 cm djup med 45 ° avfasning runt bottenänden av lysimeter för att bilda en skarp framkant på insidan väggen av lysimeter kroppen för att hjälpa till vid skärning …

Representative Results

Markfuktighet, lakvatten djup och lakvatten kemi alla illustrerar variationen över marken, avslöjar skillnader som en funktion av markens egenskaper trots intern variation mellan upprepade jord kärn lysimetrarna av en viss jord. De senare tillfälle optioner särskilt intresse med tanke på experimentell design, som normala variationer i markfuktighet och urlakningsprocesser kräver betydande replikering för att minimera typ 2 statistiska fel. I den aktuella studien, variationskoeffi…

Discussion

Viktiga steg i lysimeter Collection

Urlaknings studier visar påverkan av egenskaper jord och gödselhantering på kväveförlusterna till ytligt grundvatten. Markens fysikaliska egenskaper såsom jordart, aggregatstruktur och skrymdensitet förmedlar genomströmning av vatten och lösta ämnen. Noggrann bestämning lakvatten volym och lösta koncentrationer är beroende av att behålla integriteten hos dessa jord fysikaliska egenskaper under lysimeter samling genom att följa dessa kritiska…

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