En protokol til Indsamling og Konstruktion Jord Core lysimetre

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 halvøen grænser den østlige bred af Chesapeake Bay, og er hjemsted for en af ​​største fjerkræproduktionssystemer regioner i USA. Omkring 600 millioner kyllinger og en anslået 750.000 tons gylle er genereret ud fra produktionen af disse fugle hvert år ^en. Det meste af gødningen anvendes lokalt som gødning ændringsforslag om marker. På grund af historisk høje tilførsel af husdyrgødning, har næringsstoffer som kvælstof og fosfor ophobet i jorden og er nu modtagelige for tab off-site via undergrunden udvaskning ^2. En stor del af strømmen grundvand er rettet mod et omfattende netværk af grøfter, der i sidste ende dræne til Chesapeake Bay ^3. De næringsstoffer transporteres til Bay er knyttet til faldet i bugten helbred på grund af eutrofiering ^4.

Tilslutning næringsstofforvaltning med tab off-site af næringsstoffer kræver specialiserede værktøjer til at overvåge hydrologiskestrømme og tilhørende overførsler næringsstoffer. Lysimetre udgør en stor kategori af instrumenter, der anvendes til at karakterisere og kvantificere flytning af næringsstoffer gennem jord. Lysimetre har en lang tradition for brug i overvågningen af næringsstoffer flow i nedsivende vand ^5-7, fra spændinger lysimetre, der kan justeres til at modvirke jordens matrix potentiale, så de bedre estimat plante tilgængeligt vand, til nul-spænding lysimetre, der er mere repræsentative for processer forekommer under fri dræning. Alle metoder til lysimetery nuværende iboende fordomme. For eksempel, nogle lysimetrene er for små til fuldstændigt repræsentere rumligt komplekse processer i naturlige jorde eller er for store og dyre at tilvejebringe god statistisk replikation af heterogene jord ^8. Endvidere pan lysimetrene kræver jord over dem til at være mættet for at indsamle perkolat og er ineffektive i forhold til spænding lysimetre på måling matrix flow ^9.

Lukkede lysimeter- systemer,såsom nul-spænding jord core lysimetre (også kendt som jord monolitiske lysimetre), i høj grad forbedre den tillid, med hvilken vand budgetter og tilhørende forurenende budgetter (fx budgetter næringsstoffer) udføres ^10. Disse lysimetre er mest repræsentative, når de indeholder intakte kerner af jord; lysimetre fyldt med ompakkede jorder ikke opretholde den oprindelige struktur, horisonter og makroporer forbindelser, der har indflydelse på transporten af opløste stoffer og partikler forbindelser både ^11,12. Fra en eksperimentel stå punkt, tilgange, der letter større replikation af uforstyrrede jordbundsforhold er fordelagtige på grund af den iboende rumlig variation, der eksisterer i jord fysiske og kemiske egenskaber ^13.

To foretrukne fremgangsmåder er blevet anvendt til opsamling intakt jordkerne lysimetre: drop hammer og skærehovedet. Førstnævnte er blevet mere almindeligt udførte, da det kan opnås med anordninger så simpelt som en slæde skinkemer (mindre lysimetre). Når de udføres korrekt, har jordkerne samling med en dråbe hammer vist sig at være forholdsvis omkostningseffektive, især sammenlignet med andre coring teknikker. De stejle kræfter pålagt ved at køre en lysimeter kabinet i jorden, kan dog forårsage udtværing og komprimering, der producerer betingelser inden i lysimeter, der ikke er repræsentative for indfødte jord og måske endda favorisere visse typer vand bevægelse (fx bypass flow, eller flyde sammen jorden kerne kant). Som følge heraf har nogle forskere foretrukket brugen af corers der skåret væk en intakt jord med en boring apparat eller anden udgravning indretning ^5.

Forskellige materialer er blevet anvendt som tarme til jord core lysimetre. Stålrør og kasser er forholdsvis lave omkostninger, holdbar og let tilgængelige og kan anvendes til at indsamle større lysimetre grund af deres styrke ^14-17. Men mens stål er tilfredsstillende til vurdering af udvaskning af reltivt ikke-reaktive forbindelser, såsom nitrat, jern i stål reagerer med phosphat og derfor skal overtrækkes eller på anden måde behandlet for studiet af fosfor udvaskning. Almindeligvis plasthylstre anvendes til at studere fosfor udvaskning, såsom tykke vægge (Schedule 80) PVC-rør, der kan modstå virkningen af en dråbe hammer (hvis anvendt) og bevare sin struktur, når der opnås større diameter jordkerner (f.eks ≥30 cm) ^18-22.

Generelt er jordkerne lysimetre analyseres ex situ. Når indsamlet, jord core lysimetre kan installeres i udendørs "lysimeter- gårde", hvor omkringliggende jord og over jorden klimaer repræsentere fysiske markforhold. For eksempel, i Sverige har den svenske Landbohøjskole opretholdt tre separate lysimeter- gårde i de seneste tre årtier, analysere pesticider skæbne-og-transport, langsigtede jordens frugtbarhed forsøg, og forvaltningspraksis, der kan skaleres til inta diameter 30 cmct cores ^23. Jord core lysimetre er også blevet udsat for indendørs udvaskning eksperimenter, hvor der er større kontrol over klimatiske forhold ^24,25. Liu et al. Brugt en nedbør simulator til regelmæssigt overrisle jorden kerne lysimetre under en vifte af efterafgrøder ^26. Kibet og KUN alle beskæftigede hånd kunstvanding teknikker til at studere arsen og udvaskning af næringsstoffer gennem jordkerner ^27,28.

En række jordbundsmæssige og hydrologiske processer kan udledes fra jord core lysimetre. Kun et al. (2015), der anvendes 30 cm diameter PVC kolonne lysimetre at undersøge kvælstofudvaskningen efter urea ansøgning ^28. Ved at samle perkolat med forskellige tidsintervaller efter en vanding begivenhed, de var i stand til at skelne mellem hurtige og gradvise strømme, med den tidligere antages at være domineret af makroporer, og senere antages at være domineret af matrix flow. Da urinstof let hydrolyseres ved kontakt with jord, de fortolkede tilstedeværelsen af ​​forhøjede urinstof koncentrationer i perkolat opsamlet kort efter urinstof anvendelse som bevis for makroporer transport, der omgået jorden matrix. Over tid, de har registreret forhøjede koncentrationer af forskellige former for kvælstof i perkolat, tracking omdannelsen af ​​anvendt urea til ammonium efter indledende hydrolyse, så omdannelsen af ​​ammonium til nitrat med nitrifikation.

For at illustrere overvejelser i at designe, gennemføre og fortolke jord core lysimeter- eksperimenter, vi foretaget en undersøgelse af fire forskellige jordtyper findes i midten af ​​Atlanterhavet kystnære sletten USA. Undersøgelsen målte udvaskning koncentration og tab af nitrat før og efter anvendelse af tør fjerkrægødning (dvs. fjerkræ "kuld") ^28. Tab af næringsstoffer fra anvendelsen af ​​fjerkræ kuld til jord er et centralt anliggende for sundheden for Chesapeake Bay, og forstå samspillet mellem anvendtfjerkræ kuld og landbrug jordens egenskaber er nødvendige for at forbedre næringsstof anbefalinger ledelse. Vi præsenterer her en detaljeret metode til udvinding intakte jord core lysimetre, sporing jordfugtighed, og fortolke forskellen nitratudvaskning tab fra disse jorde.

Dette eksperiment er del af en større undersøgelse foretaget for at vurdere udvaskning af næringsstoffer fra landbrugsjorden i Delmarva halvøen, USA ^27,28. Jord core lysimetre blev indsamlet fra lokaliteter i Delaware, Maryland og Virginia i 2010. Her præsenterer vi upublicerede resultater fra disse studier. Selv indledende forsøg blev udført for at vurdere fosfor udvaskning, nitratudvaskning fra disputatser jord også blev overvåget.

Fire fælles landbrugsjord fra Atlanterhavet kystnære almindelig af Chesapeake Bay Watershed blev udtaget: Bojac (grov-lerede, blandet, semiactive, termisk typic Hapludult); Evesboro (Mesic, belagt Lamelic Quartzipsamment); Quindocqua (fin-lerede, blandet, aktiv, Mesic typic Endoaquult); Sassafras (fin-lerede, kiselholdige, semiactive, Mesic typic Hapludult). For hver jord, blev horisont morfologi beskrevet fra profilerne eksponeret ved udgravningen af kolonnerne (tabel 1). Overfladestrukturer af jord varierede fra sand (Evesboro) til lerblandet fint sand / sandet lermuld (Bojac og Sassafras) til silt lerjord (Quindocqua). Selvom alle jordtyper var historisk gødet med fjerkræ kuld, havde ingen været anvendt i de 10 måneder forud for undersøgelsen. Alle jordtyper havde været på ingen-till majs produktion i mindst en sæson før jorden kerne lysimeter kollektion.

Efter samling blev jord core lysimetre transporteres til USDA-ARS simulatorium facilitet i State College, PA. Der var de underlagt indendørs kunstvanding eksperimenter (22-26 ° C) til at vurdere udvaskning af næringsstoffer relateret til fjerkræ kuld ansøgning. specifiktlysimetre blev overrislet med 2 cm vand ugentligt i 8 uger, indtil nitrat i perkolatet blev ligevægt mellem jord. Kuld fjerkræ (tør fjerkrægødning) blev derefter påført overfladen af alle jorder med en sats på 162 kg ha ^-1 af total N. Vanding blev fortsat i endnu 5 uger. Fugtighedsfølere registreres volumetrisk vandindhold med 5 minutters intervaller løbende i hver vanding og udvaskning cyklus. Perkolat blev opsamlet efter 24 timer og igen 7 dage senere umiddelbart før kunstvanding.

Perkolat data fra jord core lysimetrene blev analyseret ved hjælp af simple deskriptiv statistik til at illustrere forskellene i perkolat mængde og kvalitet mellem jord, samt forskelle før og efter kuld ansøgning. Fordi jordfugtighedssensorer blev placeret i kun to af de replikere jord core lysimetre for hver jord (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), statistik for jordens fugtindhold var baseret på N = 2, mens sTATISTIK for perkolat dybde blev nitrat-N koncentrationen og nitrat-N flux stammer fra 10 jord core lysimetre for Evesboro, Bojac og Sassafras og 5 jord core lysimetre for Quindocqua. For at vurdere betydningen af ​​replikation inden jord blev variationskoefficienter (CV) for perkolat dybde beregnet for forskellige replikat numre. En Monte Carlo simulering metode blev brugt til gentagne gange prøve en delmængde af jord core lysimetre (N = 3) fra det samlede antal gentagelser inden for hver jord gruppe (10 for Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 for Quindocqua).

Protocol

1. Forberedelse af Materialer Skær hoveddelen af ​​lysimeter fra 30,5 cm (12 tommer) i diameter (ID, nominel) planlægge 80 PVC; dette har en vægtykkelse på 1,9 cm (0,75 inch) (figur 1a). Skær længden af ​​lysimeter organ afhængigt af tykkelsen af ​​jordlaget (er), der skal undersøges; her, bruge en 53 cm (21 tommer) lange krop. Fræse en 0,63 cm dyb ved 45 ° smig omkring den nederste ende af lysimeter at danne en skarp forkant på den indvendige væg af lysimeter organ ti…

Representative Results

Jordfugtighed, perkolat dybde og perkolat kemi alle illustrerer variation på tværs af jord, afslører forskelle som funktion af jordens egenskaber trods intern variabilitet mellem replikere jord kerne lysimetre af en bestemt jord. De senere punkt garanterer særlige note ud fra eksperimentelle design, som iboende variation i jordens fugtighed og udvaskning processer kræver betydelig replikation at minimere type 2 statistiske fejl. I den aktuelle undersøgelse, variationskoefficienter …

Discussion

Vigtige skridt af lysimeter Collection

Udvaskningsundersøgelser illustrere indflydelsen af ​​jordens egenskaber og gødningshåndtering på kvælstoftab til højtliggende grundvand. Jordens fysiske egenskaber, såsom jordstruktur aggregatstruktur og rumvægt medierer nedsivning af vand og opløste stoffer. Nøjagtig bestemmelse koncentrationer perkolat volumen og opløst stof afhænger bevare integriteten af ​​disse jordens fysiske egenskaber under lysimeter samling ved at følge di…

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