Un protocolo de recogida y la construcción de Lisímetros testigo del suelo
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
La península de Delmarva bordea la costa oriental de la Bahía de Chesapeake, y es el hogar de una de las mayores regiones de producción de aves de corral en los EE.UU.. Aproximadamente 600 millones de pollos y un estimado de 750.000 toneladas de estiércol se generan a partir de la producción de estas aves cada año 1. La mayor parte del estiércol se utiliza localmente como enmienda del fertilizante en los campos agrícolas. Debido históricamente altas tasas de aplicación de estiércol, nutrientes como el nitrógeno y el fósforo se han acumulado en el suelo y ahora son susceptibles a las pérdidas fuera del sitio a través del subsuelo lixiviación 2. Gran parte del flujo de agua subterránea se dirige a una extensa red de acequias que drenan en última instancia, a la bahía de Chesapeake 3. Los nutrientes transportados a la bahía están relacionados con la disminución de la salud de la bahía debido a la eutrofización 4.
Conexión de manejo de nutrientes con las pérdidas fuera de sitio de nutrientes requiere herramientas especializadas para supervisar hidrológicoflujos y transferencias de nutrientes asociados. Lisímetros representan una importante categoría de los instrumentos utilizados para caracterizar y cuantificar el movimiento de nutrientes a través de los suelos. Lisímetros tienen una larga historia de uso en el flujo de nutrientes en el seguimiento de infiltración 5-7, de lisímetros de tensión que se pueden ajustar para contrarrestar el potencial matriz del suelo para que la planta mejor estimación disponible del agua, a lisímetros de tensión cero que son más representativos de procesos que ocurre durante el drenaje libre. Todos los enfoques para lysimetery presentes los sesgos inherentes. Por ejemplo, algunos lisímetros son demasiado pequeños para representar plenamente los procesos espacialmente complejos en los suelos naturales, o son demasiado grandes y caros para proporcionar una buena repetición estadística de los suelos heterogéneos 8. Además, lisimetros pan requieren suelos por encima de ellos para ser saturados para recoger los lixiviados y son ineficientes en comparación con lisímetros de tensión en la medición de flujo de la matriz 9.
lisimétricos sistemas cerrados,tales como tensión cero lisimetros testigo del suelo (también conocidos como lisimetros monolito de suelo), mejorar en gran medida la confianza con la que los presupuestos de agua y los presupuestos de contaminantes asociados (por ejemplo, los presupuestos de nutrientes) se llevan a cabo 10. Estos son lisimetros más representativo cuando contienen núcleos intactos de suelo; lisimetros llenos de suelos repacked no mantienen la estructura original, horizontes y conexiones de macroporos que influyen en el transporte de solutos y compuestos de partículas semejantes 11,12. Desde un punto de vista experimental, los enfoques que facilitan una mayor replicación de las condiciones del suelo no perturbados son ventajosos, dada la variabilidad espacial inherente que existe en física del suelo y propiedades químicas 13.
Dos métodos preferidos han sido utilizados para la recogida de lisimetros testigo del suelo intacto: martinete y la cabeza de corte. El primero ha sido realizado más comúnmente, ya que se puede lograr con dispositivos tan simple como un jamón trineomer (lisimetros más pequeños). Si se realiza correctamente, colección núcleo suelo con un martillo gota se ha demostrado ser relativamente rentable, especialmente cuando se compara con otras técnicas de extracción de núcleos. Sin embargo, las fuerzas de cizallamiento impuestas por la conducción de una carcasa lisímetro en el suelo pueden producir manchas y la compactación, la producción de condiciones dentro del lisímetro que no son representativos de la tierra natal e incluso pueden favorecer ciertos tipos de movimiento del agua (por ejemplo, el flujo de derivación, o fluir a lo largo el borde de núcleo suelo). Como resultado, algunos investigadores han recomendado el uso de sacatestigos que cortó un suelo intacto con un aparato de perforación o de otro dispositivo de excavación 5.
Diversos materiales se han utilizado como carcasas para lisímetros testigo del suelo. Tubos de acero y las cajas son relativamente de bajo coste, duradero y fácilmente disponibles y se pueden utilizar para recoger lisímetros más grandes debido a su fuerza 14-17. Sin embargo, mientras que el acero es satisfactoria para la evaluación de la lixiviación de relcompuestos tivamente no reactivos tales como nitrato, el hierro en acero reacciona con fosfato y por lo tanto debe ser revestido o tratado de otro modo para el estudio de la lixiviación de fósforo. Comúnmente, carcasas de plástico se utilizan para estudiar la lixiviación de fósforo, tales como de paredes gruesas (Cuadro 80) de tubería de PVC que puede resistir el impacto de un martillo de caída (si se utiliza) y conservar su estructura cuando se obtienen muestras de suelo de mayor diámetro (por ejemplo, ≥30 cm) 18-22.
En general, lisimetros testigo del suelo se analizaron ex situ. Una vez recogidos, lisimetros testigo del suelo pueden instalarse en "granjas lisimétricos" al aire libre donde los alrededores del suelo y por encima de los climas terrestres representan las condiciones naturales de campo. Por ejemplo, en Suecia, la Universidad de Agricultura de Suecia ha mantenido tres granjas separadas lisimétricos en las últimas tres décadas, el análisis de las prácticas de pesticidas destino y de transporte, ensayos de fertilidad del suelo a largo plazo, y de gestión que se pueden ampliar a 30 cm de diámetro INTAct 23 núcleos. Lisimetros testigo del suelo también han sido sometidos a experimentos de lixiviación de interior donde hay mayor control de las condiciones climáticas 24,25. Liu et al., Utilizó un simulador de lluvia para regar regularmente lisimetros testigo del suelo bajo una gran variedad de los cultivos intermedios 26. Kibet y Kun todas las técnicas de riego mano empleadas para estudiar el arsénico y la lixiviación de nutrientes a través de muestras de suelo 27,28.
Una variedad de procesos edáficos e hidrológicos puede deducirse de lisímetros testigo del suelo. Kun y col. (2015) utilizaron 30 lisímetros columna de PVC cm de diámetro para investigar la lixiviación de nitrógeno después de la aplicación de urea 28. Mediante la recopilación de lixiviados en diferentes intervalos de tiempo después de un evento de riego, fueron capaces de diferenciar entre las corrientes rápidas y graduales, con el anterior supone que está dominada por el flujo de macroporos, y la posterior supone que ser dominado por flujo de la matriz. Dado que la urea se hidroliza fácilmente cuando está en contacto wiTH suelo, ellos interpretaron la presencia de concentraciones de urea elevada en los lixiviados recogidos poco después de la aplicación de urea como evidencia de transporte de macroporos que omite la matriz del suelo. Con el tiempo, detectaron concentraciones elevadas de diferentes formas de nitrógeno en el lixiviado, el seguimiento de la transformación de urea aplicada a amonio después de la hidrólisis inicial, entonces la transformación del amonio a nitrato con nitrificación.
Para ilustrar las consideraciones en el diseño, la realización y la interpretación de los experimentos lisimétricos testigo del suelo, se llevó a cabo una investigación de cuatro suelos diferentes que se encuentran en la llanura costera del Atlántico medio de los EE.UU.. La concentración de lixiviación estudio midió y la pérdida de nitrato de antes y después de la aplicación de estiércol seco de aves de corral (es decir, las aves de corral "camada") 28. Las pérdidas de nutrientes a partir de la aplicación de la cama de pollo a los suelos son una preocupación clave para la salud de la Bahía de Chesapeake, y la comprensión de la interacción de los aplicadaSe necesita cama de pollo y propiedades de los suelos agrícolas para mejorar las recomendaciones de manejo de nutrientes. Presentamos aquí un método detallado para la extracción de lisimetros testigo del suelo intactas, el seguimiento de la humedad del suelo, y la interpretación de las pérdidas por lixiviación de nitrato diferencial de estos suelos.
Este experimento es parte de un estudio más amplio realizado para evaluar la lixiviación de nutrientes de los suelos agrícolas de la península de Delmarva, EE.UU. 27,28. lisimetros testigo del suelo se obtuvieron de los sitios en Delaware, Maryland y Virginia en 2010. A continuación se presentan los resultados no publicados de estos estudios. Aunque los experimentos iniciales se realizaron para evaluar la lixiviación del fósforo, la lixiviación de nitrato de tesis suelos también se controló.
Se tomaron muestras de cuatro suelos agrícolas comunes de la llanura costera atlántica de la bahía de Chesapeake de cuencas: Bojac (francos gruesos, mezclado, semiactiva, térmico Typic Hapludult); Evesboro (mésico, recubierto Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fino-arcilloso, mezclado, vivo, mésico Typic Endoaquult); Sassafras (fino-arcillosa, silícea, semiactiva, mésico Typic Hapludult). Para cada suelo, la morfología horizonte se describe a partir de los perfiles expuestos por la excavación de las columnas (Tabla 1). texturas de la superficie de los suelos variaron de arena (Evesboro) al suelo franco arenoso franco fino / arena (Bojac y sasafrás) a franco limoso (Quindocqua). Aunque todos los suelos habían sido históricamente fertilizado con cama de pollo, ninguno había sido aplicada en los 10 meses previos al estudio. Todos los suelos habían estado en la labranza cero la producción de maíz durante al menos una temporada antes de la recogida lisimetro muestra de suelo.
Tras la recogida, lisimetros testigo del suelo fueron transportados a las instalaciones de simulatorium USDA-ARS en State College, PA. Allí estaban sujetos a experimentos de riego de interior (22-26 ° C) para evaluar la lixiviación de nutrientes relacionados con la aplicación de gallinaza. Específicamente,lisímetros se regaron con 2 cm de agua por semana durante 8 semanas hasta que el nitrato de percolado se equilibró entre los suelos. Cama de pollo (gallinaza seca) y luego se aplicó a la superficie de todos los suelos, a razón de 162 kg ha -1 de riego total de N. se continuó durante 5 semanas más. sensores de humedad contenido de humedad volumétrica registraron en intervalos de 5 minutos de forma continua, durante todo el ciclo de riego y la lixiviación. El lixiviado se recogió después de 24 horas y 7 días más tarde de nuevo inmediatamente antes de la irrigación.
datos de los lixiviados de los lisímetros testigo del suelo fueron analizados utilizando estadística descriptiva simple para ilustrar las diferencias en la cantidad y calidad de los lixiviados entre los suelos, así como las diferencias antes y después de la aplicación de arena. Debido a que los sensores de humedad del suelo se colocaron en sólo dos de los lisímetros testigo del suelo réplica para cada suelo (Evesboro, Bojac, sasafrás, Quindocqua), las estadísticas de la humedad del suelo se basaron en N = 2, mientras que sSTADÍSTICAS para la profundidad de lixiviados, nitrato-N y concentración de nitrato-N flujo se derivan de los lisímetros núcleo 10 del suelo para Evesboro, Bojac y sasafrás y 5 lisimetros testigo del suelo para Quindocqua. Para evaluar la importancia de la replicación dentro de los suelos, se calcularon los coeficientes de variación (CV) para la profundidad de lixiviado para diferentes números replicados. Un enfoque de simulación Monte Carlo se utiliza para muestrear repetidamente un subconjunto de lisímetros testigo del suelo (N = 3) desde el número total de repeticiones dentro de cada grupo de suelo (10 para Evesboro, Bojac, Sassafras; 5 para la Quindocqua).
Protocol
Representative Results
Discussion
Los pasos importantes de la colección lisimetro
Estudios de lixiviación ilustran la influencia de las propiedades del suelo y manejo del estiércol en las pérdidas de nitrógeno a las aguas subterráneas poco profundas. propiedades físicas del suelo tales como la textura del suelo, estructura agregada y la densidad aparente median la percolación de agua y solutos. determinar con precisión las concentraciones de volumen de lixiviados y de soluto depende de retener la integridad de estas…
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).
