JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
环境科学

Een protocol voor het uitvoeren van Rainfall Simulatie voor in grond Berkel

Published: April 03, 2014
doi:
10.3791/51664
, , , , , ,
1Department of Agriculture, Food and Resource Sciences,University of Maryland Eastern Shore, 2Pasture Systems and Watershed Management Research Unit,USDA – Agricultural Research Service, 3Department of Natural Sciences,University of Maryland Eastern Shore

Summary

Een regenval simulator werd gebruikt om een ​​consistente snelheid van uniforme neerslag voor volle grond dozen in een studie van het lot en het transport van ureum, een diffuse milieucontaminant toepassing. Onder uniforme bodem en regenval voorwaarden, antecedent bodemvocht uitgeoefend sterke controle over ureum verlies van oppervlakkige afstroming.

Abstract

Neerslag is een drijvende kracht voor het vervoer van milieuverontreinigende stoffen door landbouwgronden aan oppervlakkige waterlichamen via oppervlakkige afstroming. Het doel van deze studie was om de effecten van antecedent vochtgehalte van de bodem over het lot en het transport van het oppervlak aangebracht commerciële ureum, een veel voorkomende vorm van stikstof (N) meststof, na een regenval gebeurtenis die plaatsvindt binnen 24 uur na bemesting karakteriseren. Alhoewel ureum wordt verondersteld gemakkelijk worden gehydrolyseerd tot ammonium en daarom niet vaak beschikbaar voor transport, recente studies suggereren dat ureum kan worden vervoerd van landbouwgrond kustwateren waar het is betrokken bij schadelijke algengroei. Een regenvalsimulator werd gebruikt om een ​​constante snelheid van uniforme neerslag in dozen verpakt bodem die waren voorbevochtigd met verschillende inhoud bodemvocht toepassing. Door het beheersen van regenval en bodem fysieke kenmerken, de gevolgen van antecedent bodemvocht op ureum verlies waren isolated. Nattere gronden tentoongesteld kortere tijd van regenval initiatie tot runoff initiatie, groter totaal volume van afvoer, hogere ureum concentraties in afvoer, en grotere massa ladingen van ureum in afvoer. Deze resultaten tonen ook het belang van het controleren voor antecedent bodemvochtgehalte in studies ontworpen om andere variabelen, zoals grond fysische of chemische eigenschappen, helling, bodembedekking, management, of neerslagkenmerken isoleren. Omdat neerslagsimulatoren zijn ontworpen om druppels van gelijke grootte en snelheid als natuurlijke regenval leveren, kunnen studies uitgevoerd onder een gestandaardiseerd protocol waardevolle gegevens die op hun beurt kunnen worden gebruikt om modellen te ontwikkelen voor het voorspellen van het lot en het transport van verontreinigingen in afvoer verkregen.

Introduction

De milieueffecten van de landbouw zijn een wereldwijde en snel toenemende bezorgdheid, vooral in het licht van de onzekerheden van global change. Neerslag is een drijvende kracht voor het vervoer van milieuverontreinigende stoffen door landbouwgronden aan oppervlakkige waterlichamen via oppervlakkige afstroming. Een grote hoeveelheid onderzoek is gericht op het beter begrijpen van de interacties tussen de neerslag en de bodemgesteldheid als zij bepalen nietpuntsbronnen van sediment, nutriënten en bestrijdingsmiddelen verliezen uit landbouwgrond. Het doel van deze studie was om de effecten van antecedent vochtgehalte van de bodem over het lot en het transport van het oppervlak aangebracht commerciële ureum, een veel voorkomende vorm van stikstof (N) meststof, na een regenval gebeurtenis die plaatsvindt binnen 24 uur na bemesting karakteriseren.

Er zijn weinig studies van het lot en het transport van ureum in de bodem, omdat ureum wordt snel gehydrolyseerd tot ammonium volgende bemesting en Therefore niet vaak beschikbaar voor transport. Echter, recente waterscheiding studies suggereren dat ureum kan worden vervoerd van landbouwgrond naar de kustwateren en de oorzaak verschuivingen in de richting van populaties van organismen die schadelijke toxines 1,2 produceren. Zowel laboratorium-en experimenten hebben aangetoond dat wanneer de domoic melkzuur producerende diatomee Pseudo-nitzschia australis (P. Australi s) werd gekweekt in ureum verrijkte zeewater, de hoeveelheid domoic zuur was groter dan wanneer gekweekt op nitraat-of ammonium-verrijkte zeewater 3. Deze studie gebruikt gesimuleerde regenval om de processen die het potentieel voor ureum-N verliezen in runoff volgende commerciële meststoffen controle onderzoeken.

Vanwege de variabiliteit van de natuurlijke regenval, zijn neerslag simulatoren gebruikt om uniforme neerslag tarieven toe te passen dan het landoppervlak of verpakt bodem dozen om afvalmateriaal te evalueren onder gecontroleerde omstandigheden. Neerslagsimulatoren werden aanvankelijk gebruikt om de bodem te bestuderenerosie 4. In de loop der jaren hebben ze gebruikt om andere bestanddelen meten oppervlakkige afstroming en percolaat uit bodems 5-7. Veldonderzoek met behulp van natuurlijke regenval zijn ook uitgevoerd om de verliezen van de bodem bestanddelen in afvoer beoordelen. Trends tussen natuurlijke neerslag en neerslag simulatie data volgen een vergelijkbaar patroon, wijzend naar een consistentie in processen. Daarom neerslag simulatie kan worden gebruikt in studies naar de mogelijke aanwezigheid van wat er onder natuurlijke regenval 8 voorspellen.

Een verscheidenheid van regenval simulatoren zijn ontwikkeld, en meestal gebruiken ze mondstuk sproeiers aan water toe te passen op de gewenste tarieven en looptijden. In termen van grootte, neerslagsimulatoren variëren van een eenvoudige, kleine, draagbare infiltrometer met een 6 in diameter regenval gebied 9 van het complex Kentucky regenval simulator, die een perceel 14,75 ft x 72 ft (4,5 mx 22 m) 10 covers. Een tekortkoming in het lichaam van het onderzoek dat empgelegeerd regenval simulatie is dat er geen gestandaardiseerde ontwerp of protocol voor het uitvoeren van regenval simulaties 11. In feite, op de 2011 "International regenvalsimulator Workshop" in Trier University, Duitsland, een samenwerkende gemeenschap van wetenschappers uit 11 deelnemende landen tot de conclusie dat een standaardisering van de neerslag simulatie en simulatoren is nodig om de vergelijkbaarheid van de resultaten te waarborgen en verder te bevorderen technische ontwikkelingen fysieke belemmeringen en beperkingen 12 overwinnen. Dit onderzoek beoogt ten dele tegemoet aan die behoefte door het presenteren van een gedetailleerde beschrijving van een gestandaardiseerd protocol voor het uitvoeren van regenval simulaties met behulp van een simulator die al op grote schaal wordt goedgekeurd voor gebruik in Noord-Amerika.

Dit experiment is onderdeel van een grotere studie ontworpen om de bron van ureum beoordelen estuariene wateren van de Chesapeake Bay, waar giftige algenbloei is bekend dat jaarlijks plaatsvinden. De specifieke objectiviteit e van het experiment was om het effect van voorafgaande bodemvochtgehalte op ureum verliezen afvoer bepalen. Dubbele gelijkmatig verpakt bodem dozen werden voorbevochtigd met zes verschillende vochtgehalten die 50, 60, 70, 80, 90 en 100% van veldcapaciteit. Ureum was oppervlak toegepast pril vorm met een snelheid van 150 kg N / ha. Binnen 24 uur de dozen werden onderworpen aan uniforme neerslag van 40 min duur met een snelheid van 3,17 cm / uur, wat overeenkomt met een natuurlijke neerslag gebeurtenis die vaak optreedt op jaarbasis op de oostelijke oever van de Chesapeake Bay in Maryland. Afvoer monsters werden verzameld op 2 minuten tussenpozen direct gefilterd met een glasfilter (0,45 urn) en bewaard bij 4 ° C totdat ze werden geanalyseerd binnen 24 uur na afname. Ureum-N werden bepaald door stroominjectie analyse colorimetrie 13. De gegevens werden geanalyseerd met behulp van SAS v.9.1 14 en statistische resultaten waren significant bij p ≤ 0,05 beschouwd.

e_content "> De draagbare regenvalsimulator dat werd gebruikt in dit onderzoek voldoet aan de specificaties van het ontwerp 15 en protocol dat werd ontwikkeld door de Nationale Phosphorus Project 16. In de VS en Canada, heeft deze simulator ontwerp en protocol op grote schaal aangenomen als de standaard methode voor gebruiken bij het bepalen van stikstof-deeltjes gebonden fosfor verlies afvoer. Hoewel afvoer monsters werden geanalyseerd op ureum plaats fosfor, de werkwijze voor het aanbrengen uniforme en consistente neerslag bodem dozen verpakt is hetzelfde als dat kort wordt beschreven in de National Fosfor Project regenval simulatie protocol.

Protocol

1. Bodem verzamelen en bereiden Verzamel de bodem van het oppervlak horizon van het bodemprofiel om nauwkeurig te vertegenwoordigen fysische en chemische omstandigheden van het bodemoppervlak. Opmerking: Indien mogelijk grond moet worden afgehaald bij de bovenste 5 cm van het oppervlak. Het gebied voor grond verzameling klein genoeg variatie in de bodem fysische en chemische eigenschappen te beperken. Zeef de bodem door een grove (20 mm) scherm om stenen te verwijderen. Opmerking: Zeven is gemakkelijker als de grond ietwat vochtig. Verdeel de gezeefde grond op een zware zeildoek in een dunne laag aan het drogen te vergemakkelijken, bij voorkeur in een groen huis of warm binnenmilieu. Meng de bodem met een schop, hark of door aan de randen van het zeil van de ene kant naar de andere als het vouwen van een grote Calzone. Opmerking: Wees voorzichtig niet te rippen of scheur het zeil met de rand van een schop of hark. Herhaal dit proces een paar keer tot de bodem goed wordt gemengd. Neem 10 monsters vanverschillende plaatsen in de stapel van grondig gemengde bodem en voeren een Mehlich-3 fosfor-test 17 ​​om te testen op homogeniteit. Opmerking: homogeniteit wordt bereikt wanneer de resultaten van de 10 monsters een variatiecoëfficiënt (CV) van <0,05. Waar: CV = standaarddeviatie / gemiddelde. Als het CV van de Mehlich-3 fosfor test is> 0,05, meng de grond en herhaal de homogeniteit test. 2. Verpakking Bodem Dozen Opmerking: Grond dozen moet uniform volume met identieke afmetingen van lengte, breedte en diepte (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) met negen 5-mm afvoergaten in de bodem. Dozen zou een 5 cm lip en een verzameling goot aan een uiteinde (Figuur 1) te hebben. Bekleed de bodem van de dozen met 4 lagen kaasdoek om de bodem te houden van het wassen van de gaten in de doos terwijl het water doorheen kan stromen als de grond verzadigd is. Verpak de eerste bodem doos door scheppen genoeg gedroogd, gezeefd, en homokend bodem in de doos te vullen ongeveer de helft diep toen gladgestreken (ongeveer 3,5 cm). Spreid de bodem gelijkmatig en goed inpakken met een platte steen. Opmerking: De bodem moet voldoende droog zijn, zodat het niet compact onder de druk van de baksteen. Voeg nog een 2 cm van de bodem en het niveau het uit met een vlaktemeter voor een volle diepte van 5 cm, de hoogte van de lip van het vak dat gemorst in de goot (Figuur 2). Weeg de hoeveelheid grond die werd toegevoegd aan de eerste verpakt in en voeg hetzelfde gewicht van de bodem om alle resterende vakken. Pak elke doos een bodem diepte van 5 cm en uniforme dichtheid te bereiken. Stofzuig de goten van de bodem dozen om elke grond die tijdens het verpakkingsproces gemorst in de goot te verwijderen. 3. Montage Bodem Dozen in de regenvalsimulator Plaats een frame opgebouwd uit 2 in x 6 in druk behandeld hout in het midden van de regenval simulator waarop de bodem dozen wziek worden geplaatst. Opmerking: Het frame moet een kruis lid hebben in het midden om stijfheid te bieden. Het plaatsen bodem dozen op een bodemloze lijst minimaliseert splash die anders zou ontstaan ​​door een solide platform direct onder de bodem dozen en laat drainage van de gaten in de bodem van de dozen. Plaats het frame op cement blokken op een hoogte die de plaatsing van de collectie flessen maakt en trechters onder de uitlopen op de collectie goten aan de voorzijde van de bodem boxen gemonteerd op het platform. Verder verhogen de achterkant van het platform, met stenen, hout en vulstukken, zodat de achterkant van een bodem box geplaatst op het platform 3 cm hoger dan de voorkant van de doos, waardoor een helling 3%. Meet de helling door het plaatsen van een bord (> 100 cm lengte) op de achterkant van een bodem doos gemonteerd op het platform. Met behulp van een waterpas, houdt de raad van bestuur niveau en verhogen de achterkant van het platform zodanig dat de voorkant van de doos is 3 cm onder het niveau board (figuur 3 </strong>). Opmerking: Zorg ervoor dat de voor-en achterkant van het platform recht staat van links naar rechts. Zoek het punt direct onder het mondstuk boven en vermijd een doos in die positie te grote druppels uit het mondstuk aan het begin of einde van een neerslag gebeurtenis vallen op een bodem vak voorkomen leg vijf of zes dozen gelijkmatig op het platform . Positie van de dozen en kisten altijd plaats in dezelfde posities. 4. De bron selecteren van irrigatiewater Selecteer een irrigatie waterbron die relatief vrij van alle elementen en verbindingen, met name die van belang zijn voor de studie. Analyseer de waterbron van tevoren van de studie tot zuiverheid van het water te bepalen. Opmerking: Indien nodig, moet de uitwisseling harsen worden gebruikt om de gewenste zuiverheid van het water te bereiken. Vormen een belangrijke waterbron de regenvalsimulator dat een druk van 8 psi en een stroomsnelheid van 5 gpm overschrijdt. Opmerking: Normaal gemeentelijke bronnen meer dan deze minimumeisenmenten. Bij gebruik van water tanks en pompen, moet u de pompen zijn in staat om het leveren van een waterleiding die de minimale druk overschrijdt en debiet. 5. Het selecteren van de Nozzle Size te gebruiken Selecteer een van de vier standaard nozzle formaten die worden gebruikt voor neerslag simulaties. Opmerking: Elke spuitmond heeft een optimale prestatie druk en stroming juiste druppelgrootte en intensiteit (tabel 1) te bereiken. Selectie van nozzle grootte voor gebruik in een bepaalde studie wordt bepaald in verhouding tot de intensiteit (cm / h) van de natuurlijke regenval gebeurtenis vertegenwoordigen. 6. Neerslag Simulator Operation Plaats de (1) enkele hendel kogelkraan (figuur 4) naar de gesloten positie, hefboom bij 90 graden over pijp, en zet de belangrijkste waterbron (gemeentelijk of pomp). Draai het plein stelschroef op de top van de (3) drukregelaar klep (figuur 4) tegen de klok in te reduce de druk en open de volgende-in-lijn (4) in-line flow control valve. Open de (1) enkele hendel kogelkraan (Figuur 4) volledig en pas de (3) drukregelaar ventiel door de stelschroef rechtsom om ongeveer 8 psi in de (6) manometer gelegen nabij de top van de regenvalsimulator bereiken. Opmerking: Als de (3) drukregelventiel is ingesteld enigszins boven de gewenste spuitstukdruk moet niet tijdens de werking van de regenvalsimulator tenzij het belangrijkste waterbron drukveranderingen worden aangepast. Gedeeltelijk af te sluiten van de (4) in-line flow control valve (figuur 4), totdat de (5) debietmeter leest de geschatte debiet in liter per min voor het mondstuk in gebruik is en de (6) drukmeter de geschatte psi voor de nozzle gebruikt (tabel 1). Sluit de (1) enkele hendel kogelkraan (Figuur 4) om de stroom te stoppen zonder dat dedebiet en de druk instellingen. 7. Nozzle Kalibratie en Regenval Uniformiteit Bedek de gaten in de bodem van 5 of 6 lege bodem dozen met duct tape te voorkomen dat er water lekt uit de dozen en plaats ze in de gemarkeerde posities op de houten lijst (zie stap 3.4). Positie en het bezit van een 10 ft lengte van 2 inch PVC pijp met een 45 ° bocht bevestigd aan het uiteinde over het mondstuk en open het (1) enkele hendel kogelkraan. Verzamel de afvoer van de PVC-buis in een grote maatcilinder voor 10 sec. Maak kleine aanpassingen aan de (4) in-line flow control klep en herhaal de 10 sec collecties tot de 10 sec debiet overeenkomt met de overeenkomstige waarde voor het mondstuk in gebruik (tabel 1). Zodra de juiste stroomsnelheid wordt bereikt, gebruik dan de waarde van de debietmeter als middelen voor de detectie variatie in flow vanwege mogelijke drukschommelingen. Opmerking: Voor correct kalibreren van de nozzle, the 10 sec debiet is een meer nauwkeurige maatstaf dan de lezing van de flowmeter. Verwijder de 10 voet lengte van PVC pijp om neerslag naar het vak gebied nat en let op de tijd van de regenval initiatie. Na exact 10 minuten abrupt stoppen met de regenval door het plaatsen van de 10 meter PVC pijp over het mondstuk om stroom af te leiden en sluit de (1) enkele hendel kogelkraan. Meet de hoeveelheid water (ml) in elk vak verzameld door gieten in een maatcilinder en bereken neerslag diepte door deling volume door het oppervlak van de bodem van de doos (2000 cm2). Bereken de variatiecoëfficiënt voor regenval diepte. Opmerking: Neerslag uniformiteit wordt bereikt wanneer regenval diepte in de 5 of 6 dozen heeft een variatiecoëfficiënt <0,05. Waar: CV = standaarddeviatie / gemiddelde. Als de CV is niet minder dan 0,05, draai het mondstuk kwartslag strakker en herhaal de kalibratie. Opmerking: Het mondstuk nodig heeft herhaaldelijk worden gedraaideen CV van minder dan 0,05 te bereiken. Zodra een CV van minder dan 0,05 wordt bereikt, herhaal calibratie meerdere malen om ervoor te zorgen dat de intensiteit van de regenval over runs consistent is. 8. Het uitvoeren van een Regenval Simulatie Na kalibratie, plaatst verpakt bodem dozen in de gemarkeerde posities op de houten lijst (zie stap 3.4). Positie afvoer collectie flessen en trechters onder de afvoer tuiten en te voorkomen dat neerslag uit dat direct in de goot met behulp van een paperclip een schild over de goot (figuur 5) te bevestigen. Herhaal de stappen 7,2-7,5 te mondstuk debiet herijken onmiddellijk voorafgaand aan een neerslag simulatie evenement en initiëren regenval. Noteer het tijdstip van afvoer initiatie voor elk vak bij de waterafvoer uit de afvoer tuit verandert van een langzaam infuus om een ​​continue stroom. Verzamel afvoer monsters op voorgeschreven tijdstippen tijdens het evenement door over te schakelen collectie flessen of ophet einde van een geval van voorafbepaalde duur. Om een ​​regenval geval stop, stop de regen door het plaatsen van de 10 meter PVC pijp over het mondstuk te abrupt af te leiden stroom en sluit de (1) enkele hendel kogelkraan. Verzamel de afvoer monsters en opnemen volume met behulp van een maatcilinder of massa in de veronderstelling dat het water weegt 1 g / cm 2. Meng de monsters grondig zodat alle sediment in suspensie en vervolgens een subgroep voor laboratoriumanalyse.

Representative Results

Een reden voor het uitvoeren van de huidige experiment factoren die kunnen bijdragen aan slechte resultaten van een eerder experiment waarbij ureum verlies afvoer werd vergeleken tussen verschillende vormen van meststoffen en dierlijke mest die ureum verkennen. Alle behandelingen werden aangebracht op de bodem die was verzadigd en afgetapt in veldcapaciteit. Resultaten vijf replicaten van het ureum prill behandeling varieerde van concentraties van 1-12 mg / l ureum-N in de afvoer. Deze orde van grootte variatie tussen replicaten onaanvaardbaar onder gecontroleerde omstandigheden en verward de resultaten van het experiment. Een sterke positieve relatie tussen de totale omvang van de afvoer en ureum-N-concentratie in runoff gesuggereerd dat de fysieke omstandigheden, zoals verpakking of variabele antecedent vocht omstandigheden als gevolg van verschillende drainage en drogen voorwaarden, waren oorzakelijke factoren. Om de oorzaak van deze extreme variaties in ur onderzoekenea concentraties in afvoer werden alle vakken in het huidige experiment zorgvuldig verpakt met gelijke gewichten uniform gemengd slib leemgrond zoals afgebeeld in figuren 1 en 2 de variatie in fysische omstandigheden minimaliseren. Om te bereiken 50, 60, 70, 80, 90, en 100% van de geschatte veldcapaciteit bepaald door bevochtigen, vervolgens in een oven drogen van een kleine hoeveelheid gezeefde grond van het gewicht van water nodig is om de natte bodem overeenkomstige antecedent vochtige bodem van 14 , 17, 19, 22, 25 en 27% werd berekend, toegevoegd aan de vakken, en men O / N equilibreren Het neerslag simulatie volgde het exacte protocol hierboven beschreven en weergegeven in figuren 3-5. De 17 WSQ Volledige Jet 3/8 HH nozzle (tabel 1) werd gebruikt om een neerslagintensiteit van 3,2 cm / uur te leveren via een 40 min periode die gelijk is aan een natuurlijke neerslag gebeurtenis die vaak optreedt op jaarbasis op de oostelijke oever van de Chesapeake Bay in Maryland. <pclass > De resulterende totale afvoer volumes, belastingen, en flow gewogen concentraties zijn samengevat in Tabel 2. Er was een significant positief verband tussen de totale hoeveelheid afvalmateriaal en antecedent vochtconditie (figuur 6). Nattere gronden had minder capaciteit voor het opslaan van water en lagere infiltratie tarieven resulteert in een grotere afvoer volumes. Er was een significante negatieve relatie tussen tijd om afvoer en antecedent vochtconditie (figuur 7). Water geïnfiltreerd in drogere gronden voor een langere periode van tijd voordat ze werd nat in de buurt van het oppervlak, waardoor afstroming optreden. Niet verrassend, was er een positieve relatie tussen de totale belasting ureum-N in de afvoer en totale afvoer volume (figuur 8). Het is welbekend in hydrologische studies die uitmonden volume meestal een sterke voorspeller van totale belasting. Hoe concentratie gedragen in reactie op een gebeurtenis afvoer minder voorspelbaar. Flow gewogen concentration is berekend door de werklast voor elke 2 minuten afvalmateriaal verzamelen en te delen door de totale afvoer volume. Het is gelijk aan de concentratie in een verzameling van afvoer aan het einde van de 40 minuten periode neerslag. In deze studie was er een significant positief verband tussen debiet gewogen concentratie in afvoer en antecedent vochtconditie (Figuur 9). Gezien de positieve lineaire relatie tussen afvoer volume en antecedent bodemvocht en stromen gewogen concentratie en antecedent vochtconditie, een significant positief verband tussen de totale belasting ureum-N en antecedent vochtconditie werd verwacht. Werd echter significante relatie best beschreven door een exponentiële vergelijking (Figuur 10). Om ureum-N verlies in afvoer in de tijd, individuele 2 min concentraties en cumulatieve lasten te visualiseren in een herhaling van een bodem doos die elk antecedent vocht Condition werd uitgezet via 40 min neerslag tijdsinterval (Figuur 11). Hoewel de concentraties in de afvoer enigszins onregelmatig kan variëren in de tijd (bijvoorbeeld in het geval van de 90% vocht), concentraties algemeen beginnen hoog en de tijd afnemen. Cumulatieve belasting na verloop van tijd zijn veel soepeler functies, en ze illustreren de belangrijke relaties eerder besproken. Tijd om afspoeling is langer, ureum-N concentraties in runoff zijn lager, en cumulatieve lasten zijn minder voor drogere gronden. Hoewel ureum hydrolyseert snel in de bodem, als regen valt binnen uur oppervlaktetoepassing, veel van de N nog in ureum en onder het verlies in afvoer. Ureum is een neutraal molecuul en is niet sterk gesorbeerd aan de oppervlakken van gronddeeltjes. Als water infiltreert de drogere gronden tijdens het eerste deel van een neerslag gebeurtenis het draagt ​​opgeloste ureum naar beneden in de grond en uit de buurt van de oppervlakkige afstroming zone. Bij afvoer begint wel, is er minder ureum prESENT en concentraties in de afvoer lager. Vanuit een praktische zin, ureum zou vrijwel altijd onder drogere omstandigheden toegepast zoals landbouwmachines niet bodems die op veldcapaciteit kon doorkruisen. Figuur 1. Schematische voorstelling van vaste ondergronden afvoer doos. Een metalen doos (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) met een 5 cm lip op het voorste uiteinde zit vol met grond tot een diepte van 5 cm. Afvalmateriaal dat loopt over de 5 cm lip wordt opgevangen in een bijgevoegd goot die is afgeschermd tegen regen direct in de goot vallen. Negen 5 mm diameter gaten zodat het water dat de bodem uit te lekken uit de dozen en plassen voorkomen infiltreert. Een tepel bevestigd nabij de voorste rand van de bodem van de goot laat runoff water afwateren in trechters en collectie flessen positionder de tepel oned. Figuur 2. Box verpakkingsmateriaal. Ongeveer 4 lagen kaasdoek in de bodem van de doos verhinderen bodemverlies maar water gemakkelijk te laten uitlekken. Een vlaktemeter bestaande uit acrylglas ingeklemd tussen twee houten planken zo breed doos (20 cm) en diep (2,5 cm) als het verschil tussen de zijden van de doos (7,5 cm) en de bovenzijde van de goot (5 cm). Door te rusten van de raad van bestuur op de lip van de doos het acrylglas wordt gebruikt om de rang bodem aan de diepte van de goot. Figuur 3. Popositionere het platform. Plaats het platform zodat wanneer de bodem verpakte dozen in positie, ze allemaal dezelfde helling. Voor deze studie, de gewenste helling was 3%. Terwijl een raad van bestuur niveau, plaatst het platform, zodat de helling, goot einde van de doos is 3 cm onder de upslope einde. Het platform moet waterpas in de dwarshelling richting. Figuur 4. Regenvalsimulator controles beginnen vanaf de waterbron en het doorlopen van het sanitair systeem om de spuitmond (1) Eengreeps kogelkraan:. Dit is een snelle afsluiter. Hendel in lijn met de pijp op; hendel aan hoek van 90 graden over pijp uit is. Gebruik deze klep om de stroom in-en uitschakelen zonder verstoring van kleppen die onder controle en debiet. Volledig open en sluit volledig. Do niet proberen om deze klep te gebruiken om debiet te regelen. (2) Sediment filter: Controleer het filter regelmatig en vervang element als nodig is om verstopping te voorkomen met sediment. (3) Drukregelkraan: Deze klep regelt de druk in de lijn van dit punt naar voren. Te veel druk kan pijpen, slangen of aansluitingen breken. (4) In-line stroomregelklep (schuifafsluiter): Deze klep wordt gebruikt selecteerbaar om stroom naar het mondstuk om de gewenste stroomsnelheid nozzle druk bereiken. (5) Flow meter: Maatregelen bij benadering debiet. (6) Manometer: Maatregelen bij benadering druk bij het mondstuk. Figuur 5. Boxes geplaatst op het platform voor regenval simulatie. Breng 5 of 6 dozen in gemarkeerde posities voor elke regenval simulatie evenement. Vermijd het plaatsen van een doosdirect onder het pijpje in direct druppelt op een doos oppervlak te voorkomen. Figuur 6. Totale afvoer volume is positief gecorreleerd met antecedent bodemvocht (R2 = 0,64). Figuur 7. Tijd om runoff is negatief gecorreleerd met antecedent bodemvocht (R2 = 0,48). Het oppervlak van een natte bodem verzadigd snel. Neerslag dat de doorlatendheid van de verzadigde bodem overschrijdt genereert afvoer. <img alt="Figuur 8" fo: content-width = "5in" src ="/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" "> Figuur 8. Totale belasting ureum-N is positief gecorreleerd met afvoer volume (R2 = 0,81). Verschillen in afvoer volume overweldigen verschillen in concentratie van ureum-N in de afvoer. Figuur 9. Flow gewogen concentratie van ureum-N is positief gecorreleerd met antecedent bodemvocht (R2 = 0,66). Drogere bodems toe infiltratie die ureum-N loogt in de bodem en weg van het bodemoppervlak. Bij afvoer optreedt, minder ureum-N is beschikbaar op de oppervlakte voor beweging in afvoer. 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/> Figuur 10. Totale belasting ureum-N is positief gecorreleerd met antecedent bodemvocht (R2 = 0,74). De positieve relatie tussen de totale afvoer volume en antecedent bodemvocht en tussen flowgewogen concentratie van ureum-N en antecedent vochtgehalte combineren leiden tot een exponentiële relatie (y = 0,2043 e 0.0405x). Figuur 11. Ureum-N-concentratie en cumulatieve belasting relaties in de tijd voor een exemplaar van elk antecedent bodemvocht conten t. Hoewel ureum-N-concentratie is niet altijd een vlotte functie door de tijd, de belangrijke relaties vorige ly besproken kunnen worden gevisualiseerd. Nozzle Size Intensiteit Optimale Pressure Flow 10 sec Flow cm / hr psi gpm ml 17 WSQ Volledige Jet 3/8 HH 3.2 6.0 1.5 940 : 173px; "> 24 WSQ Volledige Jet 3/8 HH 3.3 6.0 1.8 1140 30 w Volledige Jet 1/2 HH 6.0 5.0 2.2 1250 50 w Volledige Jet 1/2 HH 7.0 4.1 3.7 2300 Tabel 1. Nozzle maattabel. Nozzle maten die zijn bedoeld voor gebruik met deze regenval simulator en de bijbehorende intensiteit van de regenval, druk en debiet parameters worden gepresenteerd. Selectie van nozzle hangt af van de gewensteintensiteit van de regenval. Neerslag intensiteit en de duur overeenkomen met een neerslag van een zekere return periode voor een bepaalde studie locatie. Dopmaat 17 WSQ werd gebruikt voor dit onderzoek. Neerslag van 40 min duur met een intensiteit van 3,2 cm / uur is gelijk aan een natuurlijke neerslag gebeurtenis die vaak optreedt op jaarbasis op de oostelijke oever van de Chesapeake Bay in Maryland. Bodemvocht Totale afvoer Flow gewogen Totale belasting % volume (L) concentratie (Mg ureum -N) (Mg L -1 ureum-N) 27 † 2.96 4.99 13.66 27 2,87 4,37 12.55 25 2.52 3.57 8.62 25 1.81 px; "> 2,33 4.21 22 2.52 2.18 5.50 22 2,47 1,54 3.81 19 1.99 1.72 3.41 19 2.35 3.70 8.68 17 1.91 h: 129px; "> 1,69 3.22 17 1,66 0.90 1.50 14 1.51 0,78 1.18 † Dubbele cijfers vertegenwoordigen twee herhalingen voor elk vochtgehalte Tabel 2. Antecedent vochtgehalte van de bodem, de totale afvoer volume, stroom gewogen ureum-N-concentratie en de totale ureum-N belasting na regenval simulatie. Dubbele cijfers vertegenwoordigen twee herhalingen voor elk vochtgehalte

Discussion

Afvalmateriaal wordt voornamelijk gegenereerd door twee mechanismen, infiltratie overtollige afvoer en verzadiging overtollige afvoer 18 en wordt beïnvloed door bodemeigenschappen, antecedent bodemvocht, topografie, en intensiteit van de regenval. Neerslag simulatie kan worden gebruikt om de neerslag intensiteit variabele oplossen en bestuderen een of meer van de overige variabelen. Neerslag intensiteit en duur kan ook bediend worden over een beperkt bereik voor onderzoek door het veranderen van de nozzle grootte. De meest kritische stappen voor het uitvoeren van regenval simulatie studies over verpakt bodem dozen zijn: 1) zorgen voor een uniforme verpakking van de bodem dozen; 2) het regelen van antecedent bodemvochtgehalte; 3) kalibreren debiet voor de geselecteerde mondstuk zodat druppelgrootte en snelheid benadert natuurlijke regenval; en 4) het aanpassen mondstuk positie om uniforme regenval zorgen in alle bodem dozen.

Aan het einde van het kalibratieproces, wordt eenmaal een CV van minder dan 0,05 verwezenlijkt neerslag uniformiteit in alle bodemdozen moet de 10 min kalibratie meerdere malen worden herhaald dat regenvalintensiteit over runs garanderen consistent. Een CV kan ook worden berekend voor uniformiteit in runs. Als de CV voor uniformiteit in runs kleiner is dan die voor de uniformiteit van de neerslag in alle vakken, beter groeperen herhaalde behandelingen binnen de individuele punten om variatie tussen de behandelingen te minimaliseren. Anders de foutenbronnen bij POSITION verminderen en over runs willekeurig beide behandelingen en gerepliceerd volgens vak positie stappen te beperken plaatsen van een behandeling in staat meerdere malen.

Met deze regenvalsimulator ontwerp en een standaard protocol voor correct kalibreren van de simulator zal verbeteren vergelijking van resultaten tussen studies uitgevoerd door verschillende onderzoekers. De gegevens die op deze wijze kunnen worden gebruikt om te voorspellen wat er onder natuurlijke regenval en beter inzicht in de processen en factoren die verliezen naar de omgeving en van geennpoint bronnen van verontreinigingen. Dergelijk onderzoek kan waardevolle gegevens opleveren voor gebruik in de ontwikkeling van modellen voor het voorspellen van het lot en het transport van sediment en chemische verontreinigingen in afstromend onder natuurlijke regenval omstandigheden.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd deels gefinancierd door een Capacity Building Grant toegekend aan de Universiteit van Maryland Eastern Shore (UMES) door het Nationale Instituut van Voedsel en Landbouw. De auteurs willen graag Don Mahan (UMES) bedanken voor zijn hulp bij het opzetten van de regenval simulator en in het uitvoeren van simulaties regenval. Dankzij zijn ook uitgebreid naar Janice Donohoe (UMES) voor het uitvoeren van laboratoriumanalyses en studenten studenten (UMES) voor hun hulp bij het uitvoeren van de neerslag simulatie-experiment en de verwerking van de monsters.

Materials

Rainfall Simulator  Joern's Inc. TLALOC 3000 Size 1.5m x 2.0m (size optional)
Rainfall Simulator  Joern's Inc. TLALOC 4000 Size 2.0m x 2.0m (size optional)
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS17WSQ Size 17 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS24WSQ Size 24 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 1/2HH-SS30WSQ Size 30 nozzle
Rainfall Nozzle Spraying Systems Inc. 3/8HH-SS50WSQ Size 50 nozzle
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Glibert, P. M., Trice, T. M., Michael, B., Lane, L. Urea in the tributaries of the Chesapeake and Coastal Bays of Maryland. Water Air Soil Poll. 160, 229-243 (2005).
  2. Glibert, P. M., Harrison, J., Heil, C., Seitzinger, S. Escalating worldwide use of urea-a global change contributing to coastal eutrophication. Biogeochemistry. 77, 441-463 (2006).
  3. Howard, M. D. A., Cochlan, W. P., Ladizinsky, N., Kudela, R. M. Nitrogenous preference of toxigenic Pseudo-nitzschia australis (Bacillariophyceae) from field and laboratory experiments. Harmful Algae. 6 (2), 206-217 (2007).
  4. Mutchler, C. K., Hermsmeier, L. F. A review of rainfall simulators. Trans. ASAE. 8 (1), 67-68 (1965).
  5. Kleinman, P. J. A., Sharpley, A. N., Veith, T. V., Maguire, R. O., Vadas, P. A. Evaluation of phosphorus transport in surface runoff from packed soil boxes. J. Environ. Qual. 33, 1413-1423 .
  6. Kibet, L. C., et al. Phosphorus runoff losses from a no-till coastal plain soil with surface and subsurface-applied poultry litter. J. Environ. Qual. 40, 412-420 (2011).
  7. Feyereisen, G. W., et al. Effect of direct incorporation of poultry litter on phosphorus leaching from coastal plain soils. J. Soil Water Cons. (4), 243-251 (2010).
  8. Vadas, P. A., et al. A model for phosphorus transformation and runoff loss for surface-applied manures. J. Environ. Qual. 36, 324-332 (2007).
  9. Bhardwaj, A., Singh, R. Development of a portable rainfall simulator infiltrometer for infiltration runoff and erosion studies. Ag. Water Manage. 22 (3), 235-248 (1992).
  10. Moore, I. D., Hirschi, M. C., Barfield, B. J. Kentucky rainfall simulator. Trans. ASAE. 26, 1085-1089 (1983).
  11. Grismer, M. Standards vary in studies using rainfall simulators to evaluate erosion. Ca. Agri. 66 (3), 102-107 (2012).
  12. Ries, J. B., Iserloh, T., Seeger, M., Gabriels, D. Rainfall simulations – constraints, needs and challenges for a future use in soil erosion research. Z. Geomorphol. Suppl. 57 (1), 1-10 (2013).
  13. Liao, N. L., Egan, L. Determination of urea brackish and seawater by flow injection analysis colorimetry. QuickChem Method. , (2001).
  14. . SAS Institute. The SAS system, version 8.0. , (2000).
  15. Humphry, J. B., Daniel, T. C., Edwards, D. R., Sharpley, A. N. A portable rainfall simulator for plot-scale runoff studies. Appl. Eng. Agric. 18, 199-204 .
  16. . National Phosphorus Research Project. National research project for simulated rainfall- surface runoff studies: Protocol [Online]. , (2013).
  17. Mehlich, A. Mehlich No. 3 soil test extractant: A modification of Mehlich No. 2 extractant. Comm. Soil Sci. Plant Anal. 15, 1409-1416 (1984).
  18. Dunne, T., Black, R. D. An experimental investigation of runoff production in permeable soils. Water Res. Res. 6 (2), 478-490 (1970).

Tags

Rainfall SimulationSoil RunoffSoil MoistureUreaNitrogen FertilizerContaminant TransportRunoff InitiationRunoff VolumeRunoff ConcentrationMass Loading

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Kibet, L. C., Saporito, L. S., Allen, A. L., May, E. B., Kleinman, P. J. A., Hashem, F. M., Bryant, R. B. A Protocol for Conducting Rainfall Simulation to Study Soil Runoff. J. Vis. Exp. (86), e51664, doi:10.3791/51664 (2014).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image