Een protocol voor het verzamelen en Constructing Soil Core 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

De Delmarva schiereiland grenst aan de oostelijke oever van de Chesapeake Bay, en is de thuisbasis van een van de grootste productie van pluimvee regio's in de Verenigde Staten. Ongeveer 600 miljoen kippen en naar schatting 750.000 ton mest uit de winning van deze vogels per jaar ^1. Het grootste deel van de mest wordt lokaal gebruikt als meststof amendement over de akkers. Vanwege de historisch hoge tarieven van de mest, voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor hebben opgebouwd in de bodem en zijn nu gevoelig voor off-site verliezen via ondergrondse uitspoeling ^2. Een groot deel van de grondwaterstroming is gericht op een uitgebreid netwerk van sloten die uiteindelijk drain naar de Chesapeake Bay ^3. De vervoerd naar de Bay voedingsstoffen zijn gekoppeld aan de achteruitgang van de gezondheid van de Bay's als gevolg van eutrofiëring ^4.

Aansluiten nutriëntenbeheer met off-site verliezen van nutriënten vereist gespecialiseerde tools waarmee hydrologische controlerenstromen en bijbehorende transfers voedingsstoffen. Lysimeters vertegenwoordigen een belangrijke categorie van instrumenten die worden gebruikt voor het karakteriseren en kwantificeren van de beweging van voedingsstoffen door de bodem. Lysimeters hebben een lange geschiedenis van gebruik in de controle van voedingsstoffen stroming in sijpelt water ^5-7, van spanning lysimeters die kunnen worden aangepast aan de bodem matrix potentiële tegen te gaan, zodat ze betere inschatting fabriek beschikbare water, tot nul-spanning lysimeters die meer representatief zijn voor processen die tijdens vrije drainage. Alle benaderingen om de huidige inherent vooroordelen lysimetery. Trouwens, lysimeters te klein ruimtelijk complexe processen volledig weer in natuurlijke grond, of te groot en duur om goede statistische replicatie van heterogene bodem ⁸ voorzien. Verder pan lysimeters vereisen bodems boven hen worden verzadigd met percolaat te verzamelen en zijn inefficiënt in vergelijking met de spanning lysimeters op het meten van matrix stroming ^9.

Gesloten lysimeter systemen,zoals zero-spanning bodem kern lysimeters (ook bekend als bodem monoliet lysimeters), sterk verbeteren van het vertrouwen waarmee water budgetten en de bijbehorende vervuilende budgetten (bijvoorbeeld nutriëntenhuishouding) worden ¹⁰ uitgevoerd. Deze lysimeters zijn het meest representatief als ze intact kernen van de bodem bevatten; lysimeters gevuld met herverpakt bodems niet handhaven van de oorspronkelijke structuur, de horizon en macroporiediameter verbindingen die het transport van opgeloste stoffen en deeltjes verbindingen zowel ^11,12 beïnvloeden. Uit een experimentele stand punt, benaderingen die grotere replicatie van ongestoorde bodemgesteldheid te vergemakkelijken zijn gunstig, gezien de inherente ruimtelijke variabiliteit die in de bodem fysische en chemische eigenschappen ¹³ bestaat.

Twee geprefereerde methoden zijn gebruikt voor het verzamelen van intacte bodem kern lysimeters: daling hamer en snijkop. Eerstgenoemde is vaker uitgevoerd omdat het kan worden verkregen met inrichtingen zo eenvoudig als een slee hammer (kleinere lysimeters). Wanneer goed uitgevoerd, heeft bodem kerncollectie met een valblok aangetoond relatief kosteneffectief, vooral in vergelijking met andere technieken uitboren. Echter, de enorme krachten opgelegd door het besturen van een lysimeter behuizing in de grond vlekken veroorzaken en verdichting, het produceren van omstandigheden in de lysimeter die niet representatief zijn geboortegrond en kan zelfs bepaalde vormen van beweging van het water (bijvoorbeeld bypass doorstroming bevorderen, of stroming langs de bodem kern rand). Als gevolg daarvan hebben sommige onderzoekers de voorkeur het gebruik van corers die weggesneden een intacte bodem met een boorinrichting of andere uitgraving apparaat ^5.

Diverse materialen zijn gebruikt als omhulsels voor bodem kern lysimeters. Stalen buizen en dozen zijn relatief goedkoop, duurzaam en gemakkelijk beschikbaar en kunnen worden gebruikt om grotere lysimeters innen hun kracht ^14-17. Hoewel staal is bevredigend voor het evalueren van de uitloging van reltief reactieve verbindingen zoals nitraat, ijzer staal reageert met fosfaat en moet worden bekleed of anderszins behandeld voor de studie van fosfor uitloging. Gewoonlijk worden plastic omhulsels gebruikt fosfor uitspoeling, zoals dikwandige (Schema 80) PVC pijp die het effect van een valblok (indien gebruikt) kan weerstaan ​​bestuderen en structuur behouden als grotere diameter bodem kernen worden verkregen (bijv ≥30 cm) ^18-22.

In het algemeen worden de bodem kern lysimeters geanalyseerd ex situ. Eenmaal verzameld, bodem kern lysimeters kunnen in de buitenlucht "lysimeter boerderijen" worden geïnstalleerd waar de omringende grond en boven de grond klimaten vertegenwoordigen natuurlijke veldomstandigheden. Bijvoorbeeld, in Zweden, de Zweedse Landbouw Universiteit heeft drie afzonderlijke lysimeter boerderijen gehandhaafd in de afgelopen drie decennia, het analyseren van pesticide lot-vervoert, op lange termijn vruchtbaarheid van de bodem proeven, en het management praktijken die kan worden geschaald tot 30 cm diameter INTAct ²³ kernen. Soil kern lysimeters zijn ook onderworpen aan indoor uitloging experimenten waar sprake is van een grotere controle over de klimatologische omstandigheden ^24,25. Liu et al. Gebruikte een regenval simulator om regelmatig te irrigeren bodem kern lysimeters onder een scala van vanggewassen ^26. Kibet en Kun alle werknemers de hand irrigatietechnieken arseen en uitspoeling van voedingsstoffen in de bodem te bestuderen kernen ^27,28.

Een verscheidenheid aan edafische en hydrologische processen kunnen worden afgeleid uit de bodem kern lysimeters. Kun et al. (2015) gebruikt 30 cm diameter PVC kolom lysimeters stikstof uitspoeling na ureum applicatie ²⁸ onderzoeken. Door het verzamelen van percolaat op verschillende tijdstippen na een irrigatie-evenement, waren ze in staat om onderscheid te maken tussen een snelle en geleidelijke stromen, met de voormalige verondersteld te worden gedomineerd door macroporiediameter flow, en de later aangenomen te worden gedomineerd door matrix flow. Sinds ureum gemakkelijk wanneer wordt gehydrolyseerd in contact with bodem, geïnterpreteerd zij de aanwezigheid van verhoogde ureum concentraties in percolaat kort verzameld na ureum toepassing als bewijs van macroporiediameter transport dat de bodem matrix omzeild. Tijd, ze ontdekt verhoogde concentraties van verschillende stikstofvormen in percolaat, volgen de transformatie toegepaste ureum ammonium na initiële hydrolyse, wordt de omzetting van ammonium in nitraat nitrificatie.

Om te illustreren overwegingen bij het ontwerpen, uitvoeren en interpreteren van de bodem kern lysimeter experimenten, voerden we een onderzoek naar vier verschillende bodems gevonden in het midden van de Atlantische kustvlakte van de Verenigde Staten. De studie gemeten uitloging concentratie en verlies van nitraat voor en na toepassing van droge pluimveemest (dat wil zeggen, gevogelte "nest") ^28. Nutriëntenverliezen van de toepassing van pluimveemest naar de bodem zijn een belangrijke zorg voor de gezondheid van de Chesapeake Bay, en het begrijpen van de interactie van de toegepastepluimveemest en landbouwgrond eigenschappen is nodig om voedingsstoffen aanbevelingen te verbeteren. Wij presenteren hier een gedetailleerde methode voor het extraheren van intacte bodem kern lysimeters, het bijhouden van bodemvocht, en het interpreteren van differentieel de nitraatuitspoeling verliezen als gevolg van deze gronden.

Dit experiment maakt deel uit van een grotere studie uitgevoerd om de uitspoeling van nutriënten beoordelen van landbouwgronden van de Delmarva schiereiland, USA ^27,28. Soil kern lysimeters werden verzameld van sites in Delaware, Maryland en Virginia in 2010. Hier gepubliceerde resultaten van deze studies presenteren wij. Hoewel de eerste experimenten werden uitgevoerd om fosfor uitspoeling, nitraatuitspoeling beoordelen van scripties bodem werd ook gecontroleerd.

Vier gemeenschappelijke landbouwgronden van de Atlantische kustvlakte van de Chesapeake Bay Watershed werden bemonsterd: Bojac (grof-leem, gemengd, semiactive, thermische typic Hapludult); Evesboro (Mesic, gecoat Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fine-leem, gemengd, actief, Mesic typic Endoaquult); Sassafras (fine-leemachtige, kiezelhoudende, semiactive, Mesic typic Hapludult). Voor elke bodem werd horizon morfologie beschreven van profielen blootgelegd door het uitgraven van de kolommen (tabel 1). Oppervlaktestructuren van de gronden varieerde van zand (Evesboro) naar fijn zand / zanderig leem leem (Bojac en Sassafras) naar leem dichtslibben (Quindocqua). Hoewel alle bodems historisch gezien bevrucht met pluimveemest, was geen toegepast in de 10 maanden voorafgaand aan het onderzoek. Alle gronden waren geweest no-till maïs productie gedurende ten minste één seizoen voorafgaand aan de bodem kern lysimeter collectie.

Na inzameling, werden bodem kern lysimeters vervoerd naar de USDA-ARS simulatorium faciliteit in State College, PA. Er waren ze onderworpen aan indoor irrigatie experimenten (22-26 ° C) om de uitspoeling van nutriënten in verband met pluimveemest aanvraag te beoordelen. specifiek,lysimeters werden geïrrigeerd met 2 cm water per week gedurende 8 weken tot nitraat in het percolaat werd in evenwicht tussen de bodems. Pluimveemest (droge pluimveemest) werd vervolgens aangebracht op het oppervlak van alle bodems met een snelheid van 162 kg ha ^-1 van de totale N. Irrigatie werd 5 weken voortgezet. Vochtsensoren opgenomen volumetrisch vochtgehalte interval van 5 minuten voortdurend, gedurende de irrigatie en uitspoeling cyclus. Percolaat werd na 24 uur opnieuw 7 dagen later onmiddellijk voor irrigatie.

Percolaat data uit de grond kern lysimeters werden geanalyseerd met eenvoudige beschrijvende statistieken verschillen in percolaat kwantiteit en kwaliteit tussen bodem, en de verschillen voor en na toepassing strooisel illustreren. Omdat bodemvochtsensoren in slechts twee van de repliceren bodem kern lysimeters werden geplaatst voor elke grond (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistieken voor de bodem vochtgehalte waren gebaseerd op N = 2, terwijl statistics voor percolaat diepte, nitraat-N-concentratie en nitraat-N flux werden afgeleid uit 10 bodem kern lysimeters voor Evesboro, Bojac en Sassafras en 5 bodem kern lysimeters voor Quindocqua. Om het belang van replicatie binnen de bodem te beoordelen, werden variatiecoëfficiënten (CV) voor percolaat diepte berekend voor verschillende repliceren nummers. Een Monte Carlo simulatie benadering werd gebruikt om herhaaldelijk monsters een subset grond kern lysimeters (N = 3) van het totale aantal herhalingen binnen elke groep bodem (10 voor Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 voor de Quindocqua).

Protocol

1. Voorbereiding van de Materialen Snijd het belangrijkste orgaan van de lysimeter van 30,5 cm (12 inch) diameter (ID; nominaal) schema 80 PVC; Dit heeft een wanddikte van 1,9 cm (0,75 inch) (figuur 1a). Snijd de lengte van de lysimeter instantie afhankelijk van de dikte van de grondlaag (en) te bestuderen; Hier, gebruik dan een 53 cm (21 inch) lang lichaam. Rout een 0,63 cm diep en 45 ° afschuining rond het ondereinde van de lysimeter een scherpe voorrand op de binnenwand van de lysimeter l…

Representative Results

Bodemvocht, percolaat diepte en percolaat chemie illustreren variabiliteit over de bodem, het onthullen van verschillen in functie van bodemeigenschappen ondanks interne variatie tussen repliceren bodem kern lysimeters van een bepaalde bodem. De latere punt warrants bijzonder belang vanuit het oogpunt van de experimentele opzet, zoals inherente variabiliteit in bodemvocht en uitspoeling processen vereist aanzienlijke replicatie om type 2 statistische fout te minimaliseren. In de huidige …

Discussion

Belangrijke stappen van lysimeter Collection

Uitspoeling illustreren de invloed van bodemeigenschappen en mest beheer op stikstofverliezen te ondiep grondwater. Soil fysische eigenschappen zoals bodemtextuur, aggregaat structuur en de dichtheid bemiddelen de percolatie van water en opgeloste stoffen. Nauwkeurig bepalen van percolaat volume en de concentraties van opgeloste stoffen is afhankelijk van het behoud van de integriteit van deze bodem fysische eigenschappen tijdens lysimeter collect…

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