JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

بروتوكول لإجراء محاكاة لدراسة هطول الأمطار والجريان السطحي للتربة

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

تم استخدام جهاز محاكاة سقوط الأمطار لتطبيق معدل ثابت من الأمطار موحدة لصناديق معبأة في التربة دراسة مصير ونقل اليوريا، مصدر الملوثات البيئية غير المحددة. تحت التربة وكمية الأمطار شروط موحدة، سابقة محتوى رطوبة التربة التي تمارس سيطرة قوية على فقدان اليوريا في الجريان السطحي.

Abstract

الأمطار هو القوة الدافعة لنقل الملوثات البيئية من التربة الزراعية إلى المسطحات المائية السطحية عن طريق الجريان السطحي. كان الهدف من هذه الدراسة لوصف آثار سابقة محتوى رطوبة التربة عن مصير ونقل سطح تطبيق اليوريا التجارية، وهو شكل شائع من النيتروجين (N) والأسمدة، وبعد هطول الأمطار الحدث الذي يحدث خلال 24 ساعة بعد استخدام الأسمدة. على الرغم من أن يفترض أن تحلل اليوريا بسهولة إلى الأمونيوم وبالتالي لا تتوفر في كثير من الأحيان للنقل، وتشير الدراسات الحديثة أن اليوريا يمكن أن ينتقل من التربة الزراعية إلى المياه الساحلية حيث تورط في ازدهار الطحالب الضارة. تم استخدام جهاز محاكاة سقوط الأمطار لتطبيق معدل ثابت من الأمطار موحدة عبر صناديق معبأة التربة التي تم prewetted لمختلف محتويات رطوبة التربة. من خلال التحكم في مياه الأمطار والتربة الخصائص الفيزيائية، وكانت آثار رطوبة التربة سابقة على فقدان اليوريا عزلةتيد. رطوبة التربة معارضها وقت أقصر من بدء هطول الأمطار لبدء جولة الاعادة، وزيادة إجمالي حجم الجريان السطحي، وتركيزات أعلى اليوريا في الجريان السطحي، وزيادة شحنات كتلة اليوريا في الجريان السطحي. كما تبرهن هذه النتائج على أهمية السيطرة على سابقة رطوبة التربة في دراسات مصممة لعزل المتغيرات الأخرى، مثل التربة الفيزيائية أو الخصائص الكيميائية، والانحدار، وغطاء التربة، والإدارة، أو خصائص الأمطار. لأنها مصممة لتقديم محاكاة سقوط الأمطار قطرات المطر مشابهة من حيث الحجم والسرعة كما الأمطار الطبيعية، يمكن أن الدراسات التي أجريت في إطار بروتوكول موحد تسفر البيانات القيمة التي، بدورها، يمكن استخدامها لتطوير نماذج للتنبؤ مصير وانتقال الملوثات في الجريان السطحي.

Introduction

الآثار البيئية للزراعة هي مصدر قلق عالمي ويتزايد بسرعة، خاصة في ظل عدم اليقين للتغير العالمي. الأمطار هو القوة الدافعة لنقل الملوثات البيئية من التربة الزراعية إلى المسطحات المائية السطحية عن طريق الجريان السطحي. وتركز مجموعة كبيرة من البحوث على فهم أفضل للتفاعلات بين هطول الأمطار وظروف التربة لأنها تحدد المصادر غير المحددة من الرواسب والمغذيات، والخسائر المبيدات من التربة الزراعية. كان الهدف من هذه الدراسة لوصف آثار سابقة محتوى رطوبة التربة عن مصير ونقل سطح تطبيق اليوريا التجارية، وهو شكل شائع من النيتروجين (N) والأسمدة، وبعد هطول الأمطار الحدث الذي يحدث خلال 24 ساعة بعد استخدام الأسمدة.

هناك عدد قليل من الدراسات عن مصير ونقل اليوريا في التربة، وذلك لأن اليوريا وتحلل بسرعة الى الأمونيوم التالية استخدام الأسمدة والerefore لا تتوفر في كثير من الأحيان للنقل. ومع ذلك، تشير الدراسات الأخيرة أن تحول اليوريا يمكن أن ينتقل من التربة الزراعية إلى المياه الساحلية والتحولات نحو قضية السكان من الكائنات الحية التي تنتج السموم الضارة 1،2. وقد أظهرت كل من التجارب المختبرية والميدانية أنه عندما كانت تزرع domoic المشطورة AUSTRALIS الزائفة nitzschia المنتجة للحمض (P. و استراليا) في اليوريا المخصب مياه البحر، أنتجت كمية حمض domoic كان أكبر مما كانت عليه عندما نمت على نترات الأمونيوم أو المخصب- مياه البحر 3. تستخدم هذه الدراسة الأمطار محاكاة للتحقيق في العمليات التي تتحكم في احتمال حدوث خسائر اليوريا-N في الجريان السطحي التالية استخدام الأسمدة التجارية.

نظرا لتباين الأمطار الطبيعية، وقد استخدمت أجهزة محاكاة سقوط الأمطار لتطبيق معدلات هطول الأمطار على الأسطح موحدة الأرض أو صناديق معبأة التربة لتقييم الجريان السطحي تحت ظروف خاضعة للرقابة. واستخدمت أجهزة محاكاة سقوط الأمطار في البداية لدراسة التربةتآكل 4. ومع ذلك، على مر السنين كانت قد استخدمت لقياس المكونات الأخرى في الجريان السطحي والعصارة من التربة 5-7. كما تم إجراء دراسات ميدانية باستخدام الأمطار الطبيعية لتقييم الخسائر من مكونات التربة في الجريان السطحي. الاتجاهات بين بيانات الأمطار ومحاكاة الأمطار الطبيعية تتبع نمطا مماثلا، مشيرا إلى الاتساق في العمليات. وبالتالي محاكاة سقوط الأمطار يمكن استخدامها في دراسات التنبؤ احتمال حدوث ما يحدث تحت الأمطار الطبيعية 8.

وقد وضعت مجموعة متنوعة من أجهزة محاكاة سقوط الأمطار، وعادة ما تستخدم الرشاشات فوهة لتطبيق المياه بمعدلات المطلوب والمدد. من حيث الحجم، وتتراوح محاكاة سقوط الأمطار من بسيطة، صغيرة، infiltrometer المحمولة مع 6 في منطقة قطرها الأمطار 9 إلى مجمع كنتاكي محاكاة سقوط الأمطار، الذي يغطي مؤامرة 14.75 قدم × 72 قدم (4.5 متر x 22 م) 10. عيب واحد في الجسم من البحوث التي EMPمحاكاة سقوط الأمطار loyed هو أنه لا يوجد تصميم موحد واحد أو بروتوكول لإجراء المحاكاة هطول الأمطار 11. في الواقع، في "ورشة العمل الدولية هطول الأمطار محاكي" 2011 في جامعة ترير، ألمانيا، مجتمع تعاوني من العلماء من 11 دولة تشارك خلصت إلى أن هناك حاجة لتوحيد محاكاة سقوط الأمطار والمحاكاة من أجل ضمان إمكانية المقارنة بين النتائج وتشجيع المزيد من التطورات التقنية للتغلب على القيود المادية والقيود 12. تسعى هذه الدراسة لمعالجة هذه الحاجة جزئيا من خلال تقديم وصفا مفصلا لبروتوكول موحد لإجراء عمليات المحاكاة باستخدام جهاز محاكاة الأمطار التي اعتمدت بالفعل على نطاق واسع لاستخدامها في أمريكا الشمالية.

هذه التجربة هي جزء من دراسة أكبر تهدف لتقييم مصدر لليوريا في مصبات الأنهار على خليج تشيسابيك حيث من المعروف أن الطحالب السامة تحدث سنويا. على الاهداف المحددة وكان (ه) من التجربة لتحديد أثر سابقة محتوى رطوبة التربة على الخسائر اليوريا في الجريان السطحي. تم prewetted صناديق معبأة التربة مكررة بشكل موحد على واحدة من ست محتويات الرطوبة المختلفة التي تمثل 50، 60، 70، 80، 90، و 100٪ من السعة الحقلية. وكان اليوريا سطح تطبيقها في شكل التحبيب بمعدل 150 كجم N / هكتار. في غضون 24 ساعة وتعرض مربعات لهطول الأمطار موحدة من 40 دقيقة مدة بمعدل 3.17 سم / ساعة، أي ما يعادل هطول الحدث الطبيعية التي تحدث عادة على أساس سنوي على الشاطئ الشرقي للخليج تشيسابيك في ميريلاند. تم جمع عينات من الجريان السطحي في 2 فترات دقيقة وتصفيتها على الفور باستخدام فلتر الزجاج (0.45 ميكرون)، وتخزينها في 4 درجات مئوية حتى تم تحليل أنهم في غضون 24 ساعة من جمعها. تم تحديد تركيزات اليوريا-N عن طريق تحليل تدفق الحقن قياس الألوان 13. وقد تم تحليل البيانات باستخدام SAS v.9.1 14، واعتبرت النتائج ذات دلالة إحصائية عند P ≤ 0.05.

e_content "> جهاز محاكاة سقوط الأمطار المحمولة التي استخدمت في هذه الدراسة يلبي مواصفات التصميم 15 والبروتوكول الذي تم تطويره من قبل الفوسفور المشروع الوطني 16. في الولايات المتحدة وكندا، وهذا التصميم محاكاة وبروتوكول اعتمد على نطاق واسع كطريقة قياسية ل استخدام في تحديد كل من المذاب وفقدان الفسفور محددة الجسيمات في الجريان السطحي. على الرغم من أن تم تحليل عينات الجريان السطحي لليوريا بدلا من الفوسفور، وطريقة لتطبيق موحد ومتسق لهطول الأمطار معبأة صناديق التربة هي نفسها التي يتم وصفها لفترة وجيزة في الفوسفور الوطنية الأمطار مشروع بروتوكول المحاكاة.

Protocol

1. جمع وإعداد التربة جمع التربة من الأفق سطح التربة لتمثيل بدقة الظروف الفيزيائية والكيميائية لسطح التربة. ملاحظة: إذا كان ينبغي جمع التربة ممكن من أعلى 5 سم من السطح. يجب أن تكون منطقة لجمع التربة صغيرة بما يكفي للحد من التباين في التربة الفيزيائية والخواص الكيميائية. غربال التربة من خلال الخشنة (20 ملم) الشاشة لإزالة الصخور. ملاحظة: النخل هو أسهل إذا كانت التربة رطبة إلى حد ما. تنتشر التربة منخول خارجا على القماش المشمع الثقيلة في طبقة رقيقة لتسهيل والتجفيف، ويفضل أن يكون في البيت الأخضر أو ​​البيئة الداخلية الدافئة. خلط التربة مع مجرفة، وأشعل النار أو عن طريق سحب حواف قماش القنب من جانب واحد على الآخر كما لو لطي كالزوني العملاقة. ملاحظة: يجب الحرص على عدم تمزيق أو تمزيق قماش القنب مع حافة مجرفة أو الخليع. كرر هذه العملية عدة مرات حتى يتم خلط التربة جيدا. تأخذ عينات من 10أماكن مختلفة في كومة التربة مختلطة بدقة وإجراء اختبار الفوسفور Mehlich 17-3 لاختبار التجانس. ملاحظة: يتم تحقيق التجانس عندما تكون نتائج العينات ال 10 لديها معامل الاختلاف (CV) لل<0.05. حيث: CV = الانحراف المعياري / يعني. إذا كانت السيرة الذاتية من الفوسفور اختبار Mehlich-3> 0.05، مواصلة خلط التربة وتكرار اختبار التجانس. 2. التعبئة صناديق التربة ملاحظة: يجب أن تكون صناديق التربة من حجم موحدة ذات أبعاد متطابقة من طول وعرض وعمق (100 سم x 20 سم x 7.5 سم) مع تسعة ثقوب استنزاف 5 ملم في الأسفل. وينبغي أن يكون صناديق 5 سم، والشفاه ومزراب جمع واحدة على نهاية (الشكل 1). خط أسفل مربعات مع 4 رقائق الجبن القماش للحفاظ على التربة من غسل للخروج من الثقوب في مربع بينما يسمح لتدفق المياه من خلال عندما يتشبع التربة. حزمة مربع التربة أولا شفط يكفي المجففة، منخول، ومتجانسةالمفلكن التربة داخل منطقة الجزاء لملء حوالي نصف العميق عند ممهدة خارج (حوالي 3.5 سم). تنتشر التربة بالتساوي وحزمة مع لبنة مسطحة. ملاحظة: يجب أن تكون التربة جافة بدرجة كافية لذلك لا المدمجة تحت ضغط من الطوب. إضافة 2 سم آخر من التربة ومستوى ذلك مع مقياس الاستواء إلى عمق معبأة من 5 سم، وارتفاع الشفة من المربع الذي يصب في مزراب (الشكل 2). وزن كمية التربة التي تم إضافتها إلى أول مربع معبأة، وإضافة نفس الوزن من التربة لكافة مربعات المتبقية. حزمة كل مربع لتحقيق عمق التربة من 5 سم والكثافة الظاهرية موحدة. فراغ المزاريب من صناديق التربة لإزالة أي التربة التي تسربت الى الحضيض أثناء عملية التعبئة. 3. تصاعد صناديق التربة في هطول الأمطار محاكي وضع إطار شيدت من 2 في العاشر 6 في الضغط على معاملة الخشب في وسط محاكاة الأمطار التي تقوم عليها صناديق التربة ثسوء وضعها. ملاحظة: يجب أن يكون الإطار عضوا الصليب في الوسط لتوفير صلابة. وضع صناديق التربة على إطار قعر يقلل النبأ من شأنه أن يحدث خلاف ذلك من أرضية صلبة مباشرة أسفل صندوق التربة ويسمح الصرف خالية من الثقوب في الجزء السفلي من الصناديق. وضع الإطار على كتل الاسمنت على ارتفاع يسمح وضع زجاجات جمع ومداخل تحت ينبثق على المزاريب جمع في الجزء الأمامي من صناديق التربة التي شنت على المنصة. مزيد من رفع الجزء الخلفي من منصة، وذلك باستخدام الطوب والخشب والحشوات، مثل أن الجزء الخلفي من مربع التربة وضعت على منصة هو 3 سم أعلى من أمام منطقة الجزاء، مما أدى إلى انحدار 3٪. قياس المنحدر من خلال وضع لوحة (> 100 سم طول) على الجزء الخلفي من مربع التربة التي شنت على المنصة. باستخدام مستوى نجارا، والاستمرار على مستوى مجلس الإدارة ورفع الجزء الخلفي من منصة بحيث الجزء الأمامي من مربع هو 3 سم تحت مستوى المجلس (الشكل 3 </stronز>). ملاحظة: تأكد من الأمام والخلف من النظام الأساسي هو مستوى من جانب إلى آخر. تحديد موقع نقطة مباشرة تحت فوهة النفقات العامة وتجنب وضع مربع في هذا الموقف لتجنب قطرات كبيرة من فوهة في بداية أو نهاية الحدث هطول الأمطار من السقوط على مربع التربة، ثم وضع خمس أو ست خانات متباعدة بشكل متساو على منصة . بمناسبة موقف الصناديق وصناديق وضع دائما في مثل هذه المواقف. 4. اختيار مصدر مياه الري حدد مصدر مياه الري التي هي خالية نسبيا من جميع العناصر والمركبات، وخاصة تلك التي تهم الدراسة. تحليل مصدر المياه في وقت مبكر من الدراسة لتحديد نقاء المياه. ملاحظة: إذا لزم الأمر، راتنجات التبادل ينبغي أن تستخدم لتحقيق نقاء المياه المطلوب. توفير مصدر المياه الرئيسي لمحاكاة سقوط الأمطار يتجاوز ضغط 8 رطل ومعدل التدفق من 5 جالون في الدقيقة. ملاحظة: مصادر البلدية عادي تتجاوز هذه الدنيا تتطلبالإدلاء بالبيانات. في حالة استخدام خزانات المياه والمضخات، وتأكد من أن المضخات هي القادرة على إيصال إمدادات المياه التي تتجاوز الحد الأدنى من الضغط ومعدل التدفق. 5. اختيار فوهة الحجم إلى استخدام اختيار واحد من أربعة أحجام فوهة القياسية التي تستخدم لمحاكاة سقوط الأمطار. ملاحظة: كل فوهة لديه ضغط وتدفق الأداء الأمثل لتحقيق حجم القطيرات السليم والكثافة (الجدول 1). يتم تحديد اختيار حجم فوهة للاستخدام في دراسة خاصة فيما يتعلق كثافة (سم / ساعة) لهذا الحدث الأمطار الطبيعية أن تكون ممثلة. 6. الأمطار محاكي تشغيل ضع (1) الكرة صمام رافعة واحدة (الشكل 4) إلى موقف مغلقة، رافعة في 90 زاوية درجة عبر الأنابيب، وبدوره على مصدر المياه الرئيسي (البلدية أو مضخة). تحويل مجموعة مربع المسمار على الجزء العلوي من (3) صمام منظم الضغط (الشكل 4) عكس اتجاه عقارب الساعة لصاستخرج الضغط وفتح (4) صمام المقبل في خط التحكم في التدفق في خط تماما. فتح (1) الكرة صمام رافعة واحدة (الشكل 4) تماما وضبط (3) صمام منظم الضغط عن طريق تحويل اتجاه عقارب الساعة مجموعة المسمار لتحقيق ما يقرب من 8 رطل في (6) قياس الضغط وتقع بالقرب من أعلى جهاز محاكاة سقوط الأمطار. ملاحظة: بمجرد تعيين (3) صمام منظم ضغط يتجاوز قليلا الضغط فوهة المطلوب، فإنه لا ينبغي أن يكون لتعديلها خلال عملية محاكاة سقوط الأمطار ما لم يتغير ضغط مصدر المياه الرئيسي. وثيقة جزئيا (4) في خط صمام التحكم في التدفق (الشكل 4) حتى (5) تدفق متر يقرأ معدل تقريبي في تدفق جالون لكل دقيقة لفوهة في استخدام و(6) قياس الضغط يقرأ رطل التقريبية لل فوهة في الاستخدام (الجدول 1). إغلاق (1) الكرة صمام رافعة واحدة (الشكل 4) لوقف تدفق دون تغييرمعدل وضبط ضغط التدفق. 7. معايرة فوهة وهطول الأمطار التوحيد تغطية الفتحات الموجودة في قيعان من 5 أو 6 خانات فارغة التربة مع شريط لاصق لمنع المياه من التسرب من صناديق ووضعها في مواقف ملحوظ على إطار خشبي (انظر الخطوة 3.4). موقف وعقد طول 10 قدم من 2 بوصة الأنابيب البلاستيكية مع 45 درجة الكوع المرفقة إلى نهاية خلال فوهة وفتح (1) صمام الكرة رافعة واحدة. جمع إفرازات من الأنابيب البلاستيكية في اسطوانة تخرج كبيرة لمدة 10 ثانية. إجراء تعديلات طفيفة على (4) صمام التحكم في التدفق في خط وتكرار مجموعات ثانية 10 حتى 10 ثانية حجم التدفق يطابق القيمة المقابلة لفوهة في الاستخدام (الجدول 1). مرة واحدة ويتم تحقيق معدل التدفق الصحيح، استخدم القيمة على تدفق متر كوسيلة لرصد التغير في التدفق نتيجة لتقلبات الضغط ممكن. ملاحظة: للحصول على معايرة بشكل صحيح فوهة، اله 10 ثانية حجم التدفق هو مقياس أكثر دقة من القراءة على تدفق متر. إزالة طول 10 قدم من الأنابيب البلاستيكية للسماح لهطول الأمطار الرطب منطقة الجزاء، وملاحظة وقت بدء هطول الأمطار. بعد 10 دقيقة بالضبط وقف فجأة هطول الأمطار عن طريق وضع أنبوب PVC 10 قدم فوق فوهة لتحويل تدفق وإغلاق (1) صمام الكرة رافعة واحدة. قياس حجم المياه (مل) التي جمعت في كل مربع عن طريق سكب عليه في اسطوانة تخرج، وحساب عمق الأمطار بقسمة حجم التداول بنسبة منطقة أسفل مربع (2،000 سم 2). حساب معامل الاختلاف لعمق هطول الأمطار. ملاحظة: يتم تحقيق التوحيد عند هطول الأمطار عمق هطول الأمطار في مربعات 5 أو 6 لديه معامل الاختلاف <0.05. حيث: CV = الانحراف المعياري / يعني. إذا كانت السيرة الذاتية ليست أقل من 0.05، وتحويل فوهة ¼ بدوره تشديد وتكرار عملية المعايرة. ملاحظة: فوهة قد تحتاج إلى أن تحول عدة مراتلتحقيق CV أقل من 0.05. مرة واحدة يتم التوصل إلى السيرة الذاتية لأقل من 0.05، كرر المعايرة عدة مرات للتأكد من أن كثافة هطول الأمطار في جميع أنحاء أشواط متناسقة. 8. إجراء محاكاة هطول الأمطار بعد المعايرة، ووضع صناديق معبأة التربة في مواقف ملحوظ على إطار خشبي (انظر الخطوة 3.4). زجاجات جمع موقف الجريان السطحي ومداخل تحت ينبثق هجرة ومنع مياه الأمطار من السقوط مباشرة في البالوعة باستخدام مشبك الورق لإرفاق درع على الحضيض (الشكل 5). كرر الخطوات من 7،2-7،5 لإعادة تقويم معدل تدفق فوهة مباشرة قبل الحدث محاكاة سقوط الأمطار وبدء هطول الأمطار. تسجيل وقت بدء جولة الاعادة لكل مربع عند تجفيف المياه من صنبور نزيف يتحول من بالتنقيط بطيئة إلى تيار مستمر. جمع عينات من الجريان السطحي في فترات زمنية محددة خلال هذا الحدث عن طريق التحول زجاجات جمع أو فينهاية الحدث لمدة محددة سلفا. لإنهاء حال هطول الأمطار، ووقف سقوط الأمطار عن طريق وضع أنبوب PVC 10 قدم فوق فوهة لتحويل تدفق فجأة وإغلاق (1) صمام الكرة رافعة واحدة. جمع عينات الجريان السطحي وسجل حجم باستخدام اسطوانة تخرج من الكتلة أو افتراض أن الماء يزن 1 غرام / سم 2. مزج العينات بدقة حتى يتسنى لجميع الرواسب في التعليق وثم تأخذ عينة فرعية للتحليل المخبري.

Representative Results

وكان أحد الأسباب لإجراء التجربة الحالية لاستكشاف العوامل التي ربما ساهمت في النتائج السيئة من التجربة السابقة حيث كان يجري مقارنة خسارة اليوريا في الجريان السطحي عبر عدة أشكال من الأسمدة والأسمدة التي تحتوي على اليوريا. طبقت كل العلاجات إلى التربة التي كانت مشبعة وسمح لاستنزاف لقدرة الحقل. النتائج لمدة خمس مكررات للمعاملة اليوريا التحبيب تراوحت تركيزات 1-12 ملغم / لتر اليوريا-N في الجريان السطحي. وكان هذا النظام من التباين بين حجم مكررات غير مقبول تحت ظروف خاضعة للرقابة ومرتبك نتائج التجربة. اقترح وجود علاقة إيجابية قوية بين إجمالي حجم الجريان السطحي واليوريا-N التركيز في الجريان السطحي أن الظروف المادية، مثل التعبئة والتغليف أو ظروف الرطوبة سابقة متغير نظرا لمختلف تصريف وتجفيف الظروف، والعوامل المسببة. من أجل التحقيق في قضية لمثل هذا التباين الشديد في اور تركيزات عصام في الجريان السطحي، كانت معبأة كافة مربعات في التجربة الحالية بعناية مع أوزان متساوية من التربة مختلطة موحد الطمي الطميية كما هو مبين في الشكلين 1 و 2 للحد من التباين في الظروف المادية. لتحقيق 50، 60، 70، 80، 90، و 100٪ من السعة الحقلية تقريبي على النحو الذي يحدده ترطيب، ثم فرن تجفيف كمية صغيرة من التربة منخول، ووزن الماء اللازم لترطيب التربة لرطوبة التربة سابقة من المقابلة 14 ، تم احتساب 17، 19، 22، 25، و 27٪، إضافة إلى صناديق، وسمح لتتوازن O / N. يتبع محاكاة سقوط الأمطار البروتوكول المحدد المذكورة أعلاه ومبين في الأرقام 3-5. تم استخدام 17 طائرة WSQ كامل 3/8 سمو فوهة (الجدول 1) لتسليم كثافة هطول الأمطار من 3.2 سم / ساعة على مدى فترة 40 دقيقة وهو ما يعادل هطول الأمطار الحدث الطبيعي الذي يحدث عادة على أساس سنوي على الشاطئ الشرقي من خليج تشيسابيك في ميريلاند. <p الطبقة = "jove_content"> ويلخص مجموع كميات الجريان السطحي، والأحمال، وتدفق تركيزات المرجحة الناتجة في الجدول 2. كانت هناك علاقة إيجابية ذات دلالة إحصائية بين إجمالي حجم الجريان السطحي والرطوبة حالة سابقة (الشكل 6). كان أكثر رطوبة التربة أقل قدرة على تخزين المياه وانخفاض معدلات التسرب مما يؤدي إلى زيادة كميات الجريان السطحي. كان هناك علاقة سلبية ذات دلالة إحصائية بين وقت لجريان المياه وحالة الرطوبة سابقة (الشكل 7). المياه تسللوا الى التربة أكثر جفافا لفترة أطول من الوقت قبل أن تصبح الرطب بالقرب من السطح، مما تسبب في جريان تحدث. وليس من المستغرب، وجود علاقة إيجابية بين إجمالي حمل اليوريا-N في الجريان السطحي وإجمالي حجم الجريان السطحي (الشكل 8). ومن المعروف جيدا في الدراسات الهيدرولوجية التي تتدفق حجم وعادة ما يكون مؤشرا قويا على الحمل الكلي. كيف سوف تتصرف تركيز ردا على جريان الحدث هو أقل قابلية للتنبؤ. تدفق concentratio الموزونتم حساب ن طريق جمع الأحمال لكل مجموعة جريان 2 دقيقة وقسمة إجمالي حجم الجريان السطحي. وهو ما يعادل التركيز في مجموعة واحدة من الجريان السطحي في نهاية فترة هطول الأمطار 40 دقيقة. في هذه الدراسة، كان هناك علاقة إيجابية ذات دلالة إحصائية بين تدفق تركيز المرجح في حالة الجريان السطحي ورطوبة سابقة (الشكل 9). نظرا للعلاقات خطية إيجابية بين حجم الجريان السطحي ورطوبة التربة وتدفق سابقة تركيز الموزون وحالة الرطوبة سابقة، وجود علاقة إيجابية ذات دلالة إحصائية بين إجمالي حمل اليوريا-N وكان من المتوقع حالة الرطوبة سابقة. ومع ذلك، وصفت هذه العلاقة كبيرة أفضل من خلال معادلة الأسي (الشكل 10). من أجل تصور اليوريا-N الخسارة في جولة الاعادة مع مرور الوقت، الفردية تركيزات 2 دقيقة والأحمال المتراكمة في تكرار واحد من مربع التربة يمثل كل كونديت الرطوبة سابقةوقد تآمر أيون خلال 40 دقيقة فاصل زمني هطول الأمطار (الشكل 11). على الرغم من أن التركيزات في الجريان السطحي يمكن أن تختلف إلى حد ما بطريقة متقطعة مع مرور الوقت (على سبيل المثال في حالة الرطوبة 90٪)، وتركيزات عالية وعموما يبدأ الانخفاض مع مرور الوقت. الأحمال المتراكمة على مر الزمن هي وظائف أكثر سلاسة، وأنها توضيح العلاقات المهمة التي نوقشت سابقا. الوقت لجريان أطول، وتركيزات اليوريا-N في الجريان السطحي أقل، والأحمال التراكمي أقل للتربة أكثر جفافا. على الرغم من اليوريا hydrolyzes بسرعة في التربة، وعندما يحدث سقوط الأمطار في غضون ساعات من التطبيق السطح، فإن الكثير من N لا تزال موجودة في شكل اليوريا ويخضع للخسارة في الجريان السطحي. اليوريا هو جزيء محايد وليس الممتص منها بقوة على سطوح حبيبات التربة. كما تتسرب المياه في التربة أكثر جفافا خلال الجزء الأول من الحدث هطول الأمطار أنه يحمل اليوريا الذائبة في التربة أسفل وبعيدا عن منطقة جريان المياه السطحية. متى يبدأ الجريان السطحي، وهناك أقل من اليوريا العلاقات العامةESENT وتركيزات في الجريان السطحي أقل. من الناحية العملية، واليوريا سوف دائما تقريبا يتم تطبيقها في ظل ظروف أكثر جفافا كما المعدات الزراعية لا يمكن أن تعبر التربة التي هي في السعة الحقلية. الشكل 1. التخطيطي معبأة مربع جريان التربة. حزمت صندوق معدني (100 سم x 20 سم x 7.5 سم) مع 5 سم الشفة على نهاية قدما في التربة على عمق 5 سم. يتم جمع جريان المياه التي تسرب على مدى 5 سم الشفة في مزراب المرفقة التي محمية ضد الأمطار السقوط مباشرة في البالوعة. تسعة ثقوب قطرها 5 ملم تسمح للماء أن يخترق التربة لاستنزاف من الصناديق ومنع البرك. A الحلمة تعلق بالقرب من الحافة إلى الأمام من أسفل الحضيض يسمح مياه الجريان السطحي لتصب في مداخل والزجاجات جمع positioned تحت الحلمة. الشكل 2. مواد التعبئة مربع. ما يقرب من 4 طبقات من القماش القطني في أسفل مربع منع فقدان التربة ولكن تسمح لاستنزاف المياه بحرية. ومقياس التسوية تتكون من زجاج الاكريليك تقع بين اثنين من ألواح خشبية واسعة كما هو مربع (20 سم) وعمق (2.5 سم)، والفرق بين الجانبين من مربع (7.5 سم) والجزء العلوي من الحضيض (5 سم). بواسطة يستريح المجلس على الشفة من مربع يتم استخدام زجاج الاكريليك في التربة الصف الى عمق الحضيض. الرقم 3. بوsitioning المنصة. ضع منصة بحيث عند صناديق معبأة التربة في موقف، وأنهم جميعا لديهم نفس المنحدر. لهذه الدراسة، كان المنحدر المطلوب 3٪. في حين عقد على مستوى مجلس الإدارة، ضع منصة بحيث المنحدر إلى أسفل، نهاية مزراب من مربع هو 3 سم تحت نهاية upslope. منصة ينبغي أن يكون مستوى في الاتجاه المنحدر الصليب. الشكل 4. الأمطار الضوابط محاكاة تبدأ من مصدر المياه وتتقدم من خلال نظام السباكة إلى فوهة (1) واحد صمام الكرة ذراع: هذا هو صمام منع تسرب سريعة. رافعة تمشيا مع الأنابيب على؛ رافعة في 90 زاوية درجة عبر الأنابيب هو خارج. استخدام هذا الصمام لتحويل تدفق وخارجها من دون إزعاج الصمامات التي تتحكم في الضغط ومعدل التدفق. فتح بالكامل وإغلاق بالكامل. Dس لا تحاول استخدام هذا صمام للتحكم في معدل التدفق. (2) تصفية الرواسب: التحقق بشكل دوري واستبدال فلتر عنصر حسب الحاجة لمنع انسداد مع الرواسب. (3) صمام منظم الضغط: هذا صمام يتحكم في الضغط في خط من هذه النقطة إلى الأمام. الكثير من الضغط قد كسر المواسير والخراطيم أو اتصالات. (4) صمام التحكم في التدفق في خط (صمام بوابة): ويستخدم هذا الصمام لضبط تدفق إلى فوهة من أجل تحقيق معدل التدفق المطلوب والضغط فوهة. (5) تدفق متر: تدابير معدل تدفق تقريبية. (6) قياس الضغط: تدابير الضغط التقريبية في فوهة. الرقم 5. صناديق وضعه على منصة لمحاكاة سقوط الأمطار. ضع 5 أو 6 خانات في المناصب ملحوظ لكل حدث محاكاة سقوط الأمطار. تجنب المواقع مربعمباشرة تحت فوهة لمنع نازف مباشرة على سطح مربع. الرقم 6. ويرتبط إجمالي حجم الجريان السطحي بإيجابية مع سابقة محتوى رطوبة التربة (R 2 = 0.64). الرقم 7. ويرتبط الوقت لجريان سلبا مع سابقة محتوى رطوبة التربة (R 2 = 0.48). سطح التربة الرطبة التشبع بسرعة. هطول الأمطار التي تتجاوز التوصيل الهيدروليكي للتربة المشبعة يولد الجريان السطحي. <img alt="الرقم 8" FO: محتوى العرض = "5IN" FO: SRC = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" سرك = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" /> الرقم 8. ويرتبط مجموع الحمل اليوريا-N بإيجابية مع حجم الجريان السطحي (R 2 = 0.81). الاختلافات في حجم الجريان السطحي تطغى الاختلافات في تركيز اليوريا-N في الجريان السطحي. الرقم 9. ويرتبط تركيز تدفق المرجحة من اليوريا-N بإيجابية مع سابقة محتوى رطوبة التربة (R 2 = 0.66). التربة أكثر جفافا تسمح التسلل التي الترشيح اليوريا-N في التربة وبعيدا عن سطح التربة. عندما لا يحدث الجريان السطحي، وأقل اليوريا-N تتوفر على السطح للحركة في الجريان السطحي. 5IN "FO: SRC =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/> الرقم 10. ويرتبط مجموع الحمل اليوريا-N بإيجابية مع سابقة محتوى رطوبة التربة (R 2 = 0.74). العلاقات الإيجابية بين إجمالي حجم الجريان السطحي وسابقة محتوى رطوبة التربة وبين تدفق المرجحة تركيز اليوريا-N ومحتوى الرطوبة سابقة تتضافر لتؤدي في علاقة الأسي (ذ = 0.2043 البريد 0.0405x). الرقم 11. اليوريا-N التركيز والعلاقات الحمل التراكمي مع مرور الوقت لتكرار واحد من كل التربة سابقة بطاقة Conten الرطوبة ر. على الرغم من اليوريا-N تركيز ليست دائما على نحو سلس وظيفة من خلال الوقت، والعلاقات الهامة السابقة ناقش لاي يمكن تصور. فوهة الحجم كثافة الضغط الأمثل تدفق 10 ثانية التدفق سم / ساعة رطل جالون في الدقيقة مل 17 WSQ جيت كامل 3/8 سمو 3.2 6.0 1.5 940 : 173px؛ "> 24 WSQ جيت كامل 3/8 سمو 3.3 6.0 1.8 1،140 30 ث جت كامل 1/2 سمو 6.0 5.0 2.2 1،250 50 ث جت كامل 1/2 سمو 7.0 4.1 3.7 2،300 الجدول 1. يتم عرض حجم فوهة المخطط. أحجام الخرطوم التي تم تحديدها للاستخدام مع هذا محاكاة سقوط الأمطار وكثافة سقوط الأمطار المرتبطة بها والضغط والمعلمات التدفق. اختيار حجم فوهة يعتمد على المطلوبهطول الأمطار كثافة. كثافة الأمطار ومدة تتوافق مع هطول حالة وجود فترة معينة لعودة موقع الدراسة المحددة. تم استخدام حجم فوهة 17 WSQ لهذه الدراسة. هطول الأمطار من 40 دقيقة في مدة وكثافة 3.2 سم / ساعة ما يعادل هطول الحدث الطبيعية التي تحدث عادة على أساس سنوي على الشاطئ الشرقي للخليج تشيسابيك في ميريلاند. رطوبة التربة مجموع الجريان السطحي تدفق المرجحة مجموع الحمل ٪ حجم (L) تركيز (اليوريا ملغ -N) (ملغ L-N اليوريا -1) 27 † 2.96 4.99 13.66 27 2.87 4.37 12.55 25 2.52 3.57 8.62 25 1.81 مقصف؛ "> 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 ح: 129px؛ "> 1.69 3.22 17 1.66 0.90 1.50 14 1.51 0.78 1.18 † أرقام مكررة تمثل اثنين من مكررات لكل مستوى الرطوبة تمثل أرقام الجدول 2. سابقة محتوى رطوبة التربة، السعة الإجمالية الجريان السطحي، وتدفق المرجحة اليوريا-N التركيز ومجموع الحمل اليوريا-N بعد محاكاة سقوط الأمطار. مكررة اثنين مكررات لكل مستوى الرطوبة

Discussion

يتم إنشاء الجريان السطحي بشكل رئيسي من قبل اثنين من آليات، وتسلل جريان المياه الزائدة وجريان المياه الزائدة التشبع 18 ويتأثر خواص التربة، ورطوبة التربة سابقة، والتضاريس، وشدة هطول الأمطار. محاكاة سقوط الأمطار يمكن أن تستخدم لإصلاح هطول الأمطار المتغير الشدة ودراسة واحد أو أكثر من المتغيرات المتبقية. ويمكن أيضا أن تسيطر عليها كثافة هطول الأمطار ومدتها على نطاق محدود للدراسة عن طريق تغيير حجم الفوهة. الخطوات الأكثر أهمية لإجراء دراسات محاكاة سقوط الأمطار على صناديق معبأة التربة هي: 1) ضمان التعبئة موحد للصناديق التربة؛ 2) السيطرة سابقة محتوى رطوبة التربة؛ 3) معايرة معدل التدفق لفوهة اختيارها بحيث حجم انخفاض هطول الأمطار وسرعة تقارب الطبيعية؛ و4) ضبط الموقف فوهة لضمان سقوط الأمطار موحدة عبر جميع صناديق التربة.

في نهاية عملية المعايرة، ويتحقق مرة واحدة في السيرة الذاتية لأقل من 0.05 لتوحيد هطول الأمطار في جميع التربةصناديق، وينبغي تكرار المعايرة 10 دقيقة عدة مرات للتأكد من أن كثافة هطول الأمطار في جميع أنحاء أشواط متناسقة. ويمكن أيضا أن تحسب السيرة الذاتية للتوحيد عبر أشواط. إذا كانت السيرة الذاتية للتوحيد عبر أشواط هو أقل من ذلك لتوحيد هطول الأمطار في جميع المربعات، والنظر في تجميع العلاجات تكرار داخل أشواط الفردية للحد من التباين في العلاجات. خلاف ذلك، للحد من الخطأ المرتبط موقف مربع وعبر أشواط، بطريقة عشوائية على حد سواء العلاجات ويعيد وفقا لموقف مربع، اتخاذ خطوات للحد من وضع العلاج في موقف أكثر من مرة.

وباستخدام هذا التصميم محاكاة سقوط الأمطار وبروتوكول قياسي لمعايرة بشكل صحيح محاكاة تحسين مقارنات بين النتائج عبر الدراسات التي أجراها باحثون مختلفة. البيانات المستمدة بهذه الطريقة يمكن استخدامها للتنبؤ ما يحدث تحت الأمطار الطبيعية، وفهم أفضل للعمليات والعوامل التي تتحكم في الخسائر التي تلحق بالبيئة من أيمصادر npoint من الملوثات. يمكن أن تسفر مثل هذه الدراسات بيانات قيمة لاستخدامها في وضع نماذج للتنبؤ مصير وانتقال الملوثات الكيميائية في الرواسب والجريان السطحي في ظل ظروف الأمطار الطبيعية.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

وقد تم تمويل هذا العمل في جزء من لسعة منحت منحة لبناء جامعة ميريلاند شرق شور (UMES) من قبل المعهد الوطني للأغذية والزراعة. فإن الكتاب أود أن أشكر دون ماهان (UMES) لمساعدته في إعداد محاكاة سقوط الأمطار وإجراء المحاكاة في هطول الأمطار. وشكره أيضا إلى جانيس دونوهو (UMES) لأداء التحاليل المخبرية والجامعيين الطلاب (UMES) لمساعدتهم في إجراء تجربة محاكاة سقوط الأمطار وتجهيز العينات.

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