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Environment

Un protocole pour la conduite de pluie simulation pour étudier le ruissellement des sols

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

Un simulateur de pluie a été utilisé pour appliquer un taux uniforme de précipitations uniforme de boîtes de sol emballés dans une étude du devenir et du transport de l'urée, une source de contamination de l'environnement diffuse. Sous sol et des précipitations des conditions uniformes, antécédent teneur en humidité du sol a exercé une forte perte de contrôle sur l'urée dans les eaux de ruissellement.

Abstract

Les précipitations sont une force motrice pour le transport des contaminants environnementaux des sols agricoles à des organismes de surface de l'eau par le ruissellement de surface. L'objectif de cette étude était de caractériser les effets de l'antécédent de l'humidité du sol sur le sort et le transport de surface appliqué urée commerciale, une forme courante de l'azote (N) des engrais, à la suite d'un épisode de pluie qui se produit dans les 24 heures après l'application d'engrais. Bien que l'urée est supposé être facilement hydrolysé en ammonium et donc pas souvent disponibles pour le transport, des études récentes suggèrent que l'urée peut être transporté par les sols agricoles dans les eaux côtières où il est impliqué dans la prolifération d'algues nuisibles. Un simulateur de pluie a été utilisé pour appliquer un taux uniforme de précipitations uniforme dans les boîtes de sol emballés qui ont été préalablement mouillée à différentes teneurs en humidité du sol. En contrôlant les précipitations et les caractéristiques physiques du sol, les effets de l'humidité antérieure du sol sur la perte de l'urée étaient isolated. Sols humides exposées temps plus court de précipitations initiation au ruissellement initiation, une plus grande volume total des eaux de ruissellement, les concentrations d'urée plus élevées dans les eaux de ruissellement, et plus les charges de masse d'urée dans les eaux de ruissellement. Ces résultats démontrent également l'importance de contrôler sol antécédent teneur en humidité dans les études visant à isoler d'autres variables, telles que physique des sols ou les caractéristiques chimiques, la pente, la couverture du sol, la gestion ou les caractéristiques des précipitations. Parce simulateurs de pluies sont conçus pour offrir les gouttes de pluie de taille similaire et la vitesse que les précipitations naturelles, des études menées dans le cadre d'un protocole normalisé peuvent fournir des données précieuses qui, à son tour, peut être utilisé pour développer des modèles pour prédire le devenir et le transport des polluants dans les eaux de ruissellement.

Introduction

Les impacts environnementaux de l'agriculture sont une préoccupation mondiale et de plus en plus rapidement, en particulier à la lumière des incertitudes liées au changement climatique. Les précipitations sont une force motrice pour le transport des contaminants environnementaux des sols agricoles à des organismes de surface de l'eau par le ruissellement de surface. Un grand corps de recherche est axée sur une meilleure compréhension des interactions entre les précipitations et les conditions du sol, car elles déterminent les sources diffuses de sédiments, nutriments, et les pertes de pesticides dans les sols agricoles. L'objectif de cette étude était de caractériser les effets de l'antécédent de l'humidité du sol sur le sort et le transport de surface appliqué urée commerciale, une forme courante de l'azote (N) des engrais, à la suite d'un épisode de pluie qui se produit dans les 24 heures après l'application d'engrais.

Il existe peu d'études sur le devenir et le transport de l'urée dans le sol, car l'urée est rapidement hydrolysé en ammonium suite à l'application d'engrais et eerefore pas souvent disponibles pour le transport. Cependant, des études récentes suggèrent que les bassins versants de l'urée peut être transporté par les sols agricoles dans les eaux côtières et provoquer des changements à l'égard des populations d'organismes qui produisent des toxines nocives 1,2. Expériences à la fois en laboratoire et sur ​​le terrain ont montré que lorsque les diatomées australis Pseudo-nitzschia produisant de l'acide domoïque (P. s Australi) a été cultivées dans l'eau de mer enrichie d'urée, la quantité d'acide domoïque produit était supérieur lorsqu'il est cultivé sur nitrate ou d'ammonium enrichi l'eau de mer 3. Cette étude a utilisé une pluie simulée pour étudier les processus qui contrôlent le potentiel de l'urée-N pertes en eaux de ruissellement après application d'engrais commercial.

En raison de la variabilité des précipitations naturelles, simulateurs de pluies ont été utilisées pour appliquer des taux de précipitations uniformes sur des surfaces terrestres ou des boîtes de sol emballés pour évaluer le ruissellement dans des conditions contrôlées. simulateurs de précipitations ont d'abord été utilisées pour étudier le sol4 érosion. Cependant, au fil des années, ils ont été utilisés pour mesurer d'autres constituants dans les eaux de ruissellement et les lixiviats de sols 5-7. Les études de terrain à l'aide de précipitations naturelles ont également été menées pour évaluer les pertes de constituants du sol dans les eaux de ruissellement. Les tendances entre les données pluviométriques et de simulation des précipitations naturelles suivent un schéma similaire, montrant une cohérence dans les processus. Par conséquent simulation de pluie peut être utilisée dans les études de prédire la probabilité d'apparition de ce qui se passe sous pluies naturelles 8.

Une variété de simulateurs de pluies ont été développés, et généralement ils utilisent des pulvérisateurs de buses à appliquer de l'eau à des taux et des durées souhaitées. En termes de taille, simulateurs de pluies vont d'un petit, infiltromètre simple, portable avec un 6 de diamètre zone de précipitations 9 à la pluie simulateur complexe Kentucky, qui couvre un terrain de 14,75 pi x 72 pi (4,5 mx 22 m) 10. Une lacune dans le corps de la recherche qui empsimulation de pluie Loyed est qu'il n'ya pas de conception unique et standardisé ou un protocole pour réaliser des simulations de pluie 11. En fait, à la "Simulator Atelier pluie international" 2011 à l'Université de Trèves, en Allemagne, une communauté de collaboration de scientifiques de 11 pays participants a conclu que la normalisation de la simulation de pluie et des simulateurs est nécessaire afin d'assurer la comparabilité des résultats et de promouvoir davantage développements techniques à surmonter les limites physiques et les contraintes 12. Cette étude vise à répondre en partie à ce besoin en présentant une description détaillée d'un protocole standardisé pour réaliser des simulations de pluie en utilisant un simulateur qui est déjà largement adopté pour une utilisation en Amérique du Nord.

Cette expérience fait partie d'une vaste étude visant à évaluer la source de l'urée dans les eaux de l'estuaire de la baie de Chesapeake, où la prolifération d'algues toxiques sont connus pour se produire chaque année. L'objectivité spécifique e de l'expérience était de déterminer l'effet de l'antécédent de l'humidité du sol sur les pertes de l'urée dans les eaux de ruissellement. Boîtes de sol ont été emballées de façon uniforme dupliquée, préalablement mouillée à l'un des six teneurs en humidité différentes représentant 50, 60, 70, 80, 90, et 100% de la capacité au champ. Urée était appliquée en surface sous forme prill à un taux de 150 kg N / ha. Dans les 24 heures les boîtes ont été soumis à une pluie uniforme de 40 min durée à un taux de 3,17 cm / h, soit à un cas de précipitations naturelles qui se produit généralement sur une base annuelle sur la rive orientale de la baie de Chesapeake dans le Maryland. Des échantillons de ruissellement ont été prélevés à des intervalles de 2 min, immédiatement filtrées en utilisant un filtre en verre (0,45 um), et stockés à 4 ° C jusqu'à ce qu'ils soient analysés dans un délai de 24 heures de la collecte. Urée-N concentrations ont été déterminées par analyse par injection de flux colorimétrie 13. Les données ont été analysées en utilisant SAS version 9.1 14, et les résultats statistiques ont été considérées comme significatives à P ≤ 0,05.

e_content "> Le simulateur de pluie portable qui a été utilisé dans cette étude est conforme aux spécifications de conception 15 et le protocole qui a été développé par le Projet Phosphore nationale 16. Aux États-Unis et au Canada, cette conception du simulateur et le protocole a été largement adopté comme méthode standard pour utiliser pour déterminer à la fois dissous et la perte de phosphore particulaire lié au ruissellement. Bien que les échantillons de ruissellement ont été analysés pour l'urée, plutôt que le phosphore, la méthode d'application uniforme et précipitations cohérente emballé boîtes de sol est le même que celui qui est décrit brièvement dans le phosphore nationale précipitations du projet de protocole de simulation.

Protocol

Une. Sol prélèvement et la préparation Recueillir le sol de l'horizon de surface du profil de sol pour représenter avec précision les conditions physiques et chimiques de la surface du sol. Remarque: Si possible, le sol doit être collectées à partir des 5 premiers centimètres de la surface. La zone de collecte de saleté doit être suffisamment faible pour limiter la variation de physique du sol et les propriétés chimiques. Tamisez le sol à travers un tamis grossier (20 mm) pour retirer des roches. Remarque: Le tamisage est plus facile si le sol est un peu humide. Passez le sol tamisé sur une bâche lourde dans une couche mince pour faciliter le séchage, de préférence dans une maison verte ou de l'environnement intérieur chaud. Mélanger le sol avec une pelle, un râteau ou en tirant sur les bords de la bâche d'un côté à l'autre comme si le pliage d'une calzone géante. Remarque: Veillez à ne pas déchirer ou déchirer la bâche avec le bord d'une pelle ou un râteau. Répétez cette opération plusieurs fois jusqu'à ce que le sol soit bien mélangé. Prenez 10 échantillons dedifférents endroits dans le tas de terre soigneusement mélangés et effectuent un test de phosphore Mehlich-3 17 pour tester l'homogénéité. Remarque: L'homogénéité est obtenue lorsque les résultats des 10 échantillons ont un coefficient de variation (CV) de <0,05. Où: CV = écart type / moyenne. Si le CV du test de phosphore Mehlich-3 est> 0,05, continuer à mélanger le sol et répéter le test d'homogénéité. 2. Emballage Boîtes de sol Remarque: les boîtes de sol doivent avoir un volume uniforme avec des dimensions identiques de longueur, largeur et profondeur (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) avec neuf de 5 mm trous de drainage dans le fond. Les boîtes doivent avoir une lèvre de 5 cm et une gouttière de collecte à une extrémité (figure 1). Ligne le fond des boîtes avec de la gaze de 4 plis pour maintenir le sol de lavage hors des trous dans la boîte tout en permettant à l'eau de s'écouler à travers lorsque le terrain est saturé. Emballez la première boîte de sol en creusant suffisamment séché, tamisé, et homonateur sol dans la zone à remplir la moitié environ de profondeur quand lissé (environ 3,5 cm). Étendre uniformément le sol et l'emballer avec une brique plat. Remarque: Le sol doit être suffisamment sec, il le fait pas compact sous la pression de la brique. Ajouter encore 2 cm de terre et niveler avec une jauge de nivellement à une profondeur de 5 cm garnie, la hauteur de la lèvre de la boîte qui se déverse dans la gouttière (figure 2). Peser la quantité de sol qui a été ajoutée à la première boîte emballée, et ajoutez le même poids de sol à toutes les cases restantes. Emballez chaque boîte pour obtenir une profondeur de 5 cm et la densité apparente du sol uniforme. Passez l'aspirateur sur les gouttières des boîtes de sol pour enlever de la terre qui s'est déversé dans le ruisseau au cours du processus d'emballage. 3. Boîtes d'encastrement du sol dans la pluie Simulator Placez un cadre construit à partir de 2 po x 6 en bois traité sous pression au centre du simulateur de précipitations sur laquelle les boîtes de sol wmalade doit être placé. Remarque: Le cadre doit avoir un élément transversal dans le milieu pour assurer la rigidité. Placer des boîtes de sol sur un châssis sans fond minimise les éclaboussures qui se produirait autrement à partir d'une plate-forme solide immédiatement au-dessous des zones de sol et permet le libre écoulement des trous dans le fond des boîtes. Positionner la monture sur des blocs de béton à une hauteur qui permet de placer les bouteilles de collecte et d'entonnoirs au-dessous des becs sur les gouttières de collecte à l'avant de boîtes de sol monté sur la plate-forme. Élever en outre à l'arrière de la plate-forme, en utilisant des briques, du bois et des cales, de telle sorte que le dos d'une boîte de sol placé sur la plate-forme est de 3 cm plus haut que l'avant de la boîte, résultant en une pente de 3%. Mesurer la pente en plaçant un bord (> 100 cm de longueur) sur l'arrière d'une zone du sol monté sur la plate-forme. Utilisation d'un niveau de charpentier, maintenez le niveau du conseil d'administration et d'élever l'arrière de la plate-forme de telle sorte que l'avant de la boîte est de 3 cm en dessous de la carte de niveau (Figure 3 </strong>). Remarque: Assurez-vous l'avant et l'arrière de la plate-forme est de niveau d'un côté à l'autre. Localisez le point directement en dessous de la buse de tête et éviter de placer une boîte dans cette position pour éviter de grosses gouttes de la buse au début ou à la fin d'un épisode de pluie de tomber sur une boîte de sol, puis placer cinq ou six boîtes régulièrement espacés sur la plate-forme . Marquez la position des boîtes et toujours placer des boîtes dans ces mêmes positions. 4. Sélection de la source de l'eau d'irrigation Sélectionnez une source d'eau d'irrigation qui est relativement exempt de tous les éléments et composés, en particulier ceux de l'intérêt pour l'étude. Analyser la source d'eau à l'avance de l'étude pour déterminer la pureté de l'eau. Remarque: Si nécessaire, des résines d'échange doivent être utilisées pour obtenir la pureté désirée de l'eau. Fournir une source d'eau principale pour le simulateur de précipitations qui dépasse une pression de 8 psi et un taux de 5 gpm. Remarque: les sources municipales normales dépassent les exigences miniments. Si vous utilisez des réservoirs d'eau et des pompes, vérifiez que les pompes sont capables de fournir un approvisionnement en eau qui dépasse la pression minimum et le débit. 5. Sélection de la buse Taille utiliser Sélectionnez l'une des quatre tailles de buses standards qui sont utilisés pour les simulations des précipitations. Remarque: chaque buse a une pression d'écoulement et des performances optimales pour atteindre la taille des gouttelettes et de l'intensité correcte (Tableau 1). La sélection de la taille de buse pour une utilisation dans une étude particulière est déterminée en fonction de l'intensité (cm / h) de la chute de pluie naturelle d'être représentés. 6. Précipitations Opération Simulator Placez le (1) levier unique robinet à boisseau sphérique (figure 4) à la position fermée, le levier à angle de 90 degrés sur tube, et tourner sur la principale source d'eau (municipale ou de la pompe). Tournez la vis de raccord sur le dessus de la (3) vanne de régulation de pression (figure 4) dans le sens antihoraire à réduire la pression et ouvrir le (4) vanne suivante dans la ligne de commande en ligne d'écoulement complètement. Ouvrez le (1) levier unique robinet à boisseau sphérique (Figure 4) complètement et ajuster le (3) vanne de régulation de pression en tournant la vis vers la droite pour atteindre environ 8 psi dans l'(6) manomètre situé près du haut du simulateur de pluie. Remarque: Une fois le (3) la soupape de régulation de pression a été réglé à dépasser légèrement la pression de la buse désirée, il ne devrait pas être ajustée pendant le fonctionnement du simulateur de pluie à moins que les principaux changements de pression de la source d'eau. Fermer partiellement l'(4) vanne en ligne de contrôle de flux (Figure 4) jusqu'à ce que le compteur (5) s'écoule lit le taux approximatif de débit en gallons par minute pour la buse dans l'utilisation et l'(6) manomètre indique la psi approximative de la Buse en cours d'utilisation (Tableau 1). Fermez le (1) levier unique robinet à boisseau sphérique (figure 4) pour arrêter l'écoulement sans changer lataux et les paramètres de pression de débit. 7. Calibration de la buse et de pluie uniformité Couvrez les trous dans le fond des 5 ou 6 boîtes de sol vides avec du ruban adhésif pour empêcher l'eau de s'échapper des boîtes et de les placer dans les positions marquées sur le cadre en bois (voir l'étape 3.4). Position et maintenez une longueur de 10 m de tuyau en PVC de 2 pouces avec un coude à 45 ° fixé à l'extrémité sur la buse et ouvrez le (1) vanne à levier unique de balle. Recueillir la décharge du tuyau en PVC dans un grand cylindre gradué pour 10 sec. Faire des ajustements mineurs à la (4) vanne en ligne le contrôle de flux et de répéter les 10 collections sec jusqu'à ce que le volume d'écoulement de 10 secondes correspond à la valeur correspondant à la buse utilisée (tableau 1). Une fois le débit correct est atteint, utilisez la valeur sur le débitmètre comme un moyen de variation de la surveillance du débit en raison des fluctuations de pression possibles. Remarque: Pour calibrer correctement la buse, ee 10 Débit sec est une mesure plus précise de la lecture sur le débitmètre. Retirer la longueur de 10 pieds de tuyau en PVC pour permettre de pluie pour mouiller la zone de boîte et noter le temps de précipitations initiation. Après exactement 10 min arrêter brusquement la pluie en positionnant le tuyau en PVC de 10 pieds sur la buse pour dévier l'écoulement et fermer le (1) robinet à levier unique de balle. Mesurer le volume d'eau (ml) recueilli dans chaque boîte en le versant dans un cylindre gradué, et calculer la profondeur de précipitations en divisant le volume de la zone du fond de la boîte (2000 cm 2). Calculer le coefficient de variation de hauteur de pluie. Remarque: Les précipitations uniformité est atteint lorsque la profondeur de précipitations dans les 5 ou 6 boîtes a un coefficient de variation <0,05. Où: CV = écart type / moyenne. Si le CV n'est pas inférieur à 0,05, tourner la buse ¼ de tour serré et répéter le processus d'étalonnage. Remarque: La buse peut avoir besoin d'être tourné à plusieurs reprisesà réaliser un CV inférieur à 0,05. Une fois un CV inférieur à 0,05 est obtenu, répéter l'étalonnage à plusieurs reprises de sorte que l'intensité des précipitations est conforme à travers pistes. 8. Réalisation d'une simulation de pluie Après étalonnage, placer des boîtes de sol emballés dans les positions marquées sur le cadre en bois (voir l'étape 3.4). Des bouteilles et des entonnoirs en dessous des becs de vidange collecte Position ruissellement et prévenir les précipitations de tomber directement dans la gouttière à l'aide d'un trombone pour attacher un bouclier sur la gouttière (Figure 5). Répéter les étapes 07.02 à 07.05 pour recalibrer le débit de la buse, immédiatement avant un événement de simulation de pluie et amorcer une averse. Noter le temps de ruissellement initiation pour chaque case lors de la vidange de l'eau par le bec de vidange tourne à partir d'une goutte lent à un flux continu. Prélever des échantillons de ruissellement à des intervalles de temps prescrits lors de l'événement en passant bouteilles de collecte ou àla fin d'un événement d'une durée prédéterminée. Pour mettre fin à un épisode de pluie, arrêter la pluie en positionnant le tuyau en PVC de 10 pieds sur la buse de détourner brusquement flux et fermer le (1) robinet à levier unique de balle. Recueillir les échantillons de ruissellement et le volume d'enregistrement à l'aide d'une éprouvette graduée ou en masse en supposant que l'eau pèse 1 g / cm 2. Mélanger soigneusement les échantillons de sorte que tous les sédiments est en suspension, puis prendre un sous-échantillon pour analyse en laboratoire.

Representative Results

Une des raisons de la conduite de l'expérience actuelle était d'explorer les facteurs qui peuvent avoir contribué à de mauvais résultats d'une expérience précédente où la perte de l'urée dans les eaux de ruissellement a été comparé entre plusieurs formes d'engrais et de fumier qui contenaient de l'urée. Tous les traitements ont été appliqués aux sols qui ont été saturés et permis de drainer la capacité au champ. Résultats pour cinq répétitions du traitement de l'urée prill allaient de concentrations de 1-12 mg / L d'urée-N dans les eaux de ruissellement. Cet ordre de grandeur des variations entre les répétitions est inacceptable dans des conditions contrôlées et il confondait les résultats de l'expérience. Une forte relation positive entre le volume total de ruissellement et la concentration d'urée-N dans les eaux de ruissellement a suggéré que les conditions physiques, tels que l'emballage ou variable des conditions d'humidité antécédentes dues aux différentes conditions de drainage et de séchage, ont été des facteurs étiologiques. Afin d'étudier la cause de cette variation extrême urconcentrations ea dans les eaux de ruissellement, toutes les cases dans l'expérience actuelle ont été soigneusement emballés avec des poids égaux de loam limoneux mélangé uniformément comme illustré dans les figures 1 et 2 afin de minimiser la variation des conditions physiques. Pour atteindre 50, 60, 70, 80, 90 et 100% de la capacité approximative de champ telle que déterminée par mouillage, puis le four de séchage d'une petite quantité de sol tamisé, la masse d'eau nécessaire pour mouiller le sol jusqu'à antécédentes humidité du sol de 14 correspondant , 17, 19, 22, 25, et 27% a été calculée, ajouté aux boîtes, et on la laisse s'équilibrer O / N. La simulation de pluie a suivi le protocole exact décrit ci-dessus et représenté sur les figures 3-5. Le 17 WSQ Jet Intégral 3/8 HH buse (tableau 1) a été utilisé pour fournir une intensité des précipitations de 3,2 cm / h sur une période min 40 ce qui équivaut à un événement de précipitation naturel qui se produit généralement sur ​​une base annuelle sur la côte Est de la baie de Chesapeake dans le Maryland. <pclass = "jove_content"> Les volumes totaux de ruissellement, les charges et de l'écoulement des concentrations pondérées en résultent sont résumés dans le tableau 2. Il y avait une relation positive significative entre le volume de l'écoulement total et l'état d'humidité antécédent (Figure 6). Sols humides ont moins de capacité pour stocker l'eau et les taux d'infiltration inférieurs entraînant une augmentation des volumes de ruissellement. Il y avait une relation négative significative entre le temps de ruissellement et de l'état d'humidité antécédent (figure 7). L'eau infiltrée dans les sols secs pour une longue période de temps avant qu'ils ne deviennent humide près de la surface, provoquant le ruissellement de se produire. Sans surprise, il y avait une relation positive entre la charge totale de l'urée-N dans les eaux de ruissellement et le volume de l'écoulement total (figure 8). Il est bien connu dans les études hydrologiques qui se jettent volume est généralement un bon prédicteur de la charge totale. Comment concentration se comportera en réponse à un événement de l'écoulement est moins prévisible. Débit concentratio pondéréen a été calculé en faisant la somme des charges pour chaque collection de ruissellement de 2 min et en divisant par le volume de l'écoulement total. Elle est équivalente à la concentration en une seule collection des eaux de ruissellement à la fin de la période de précipitation de 40 min. Dans cette étude, il y avait une relation positive significative entre le débit concentration pondérée dans les eaux de ruissellement et de l'état d'humidité antécédent (figure 9). Compte tenu des relations linéaires positives entre le volume des eaux de ruissellement et l'humidité du sol et l'écoulement antécédent concentration pondérée et de l'état d'humidité antécédent, une relation positive significative entre la charge totale de l'urée-N et de l'état d'humidité antécédent a été prévu. Cependant, cette relation significative a été bien décrite par une équation exponentielle (Figure 10). Afin de visualiser la perte urée-N dans les eaux de ruissellement au fil du temps, les concentrations individuelles 2 min et charges cumulées à une répétition d'une boîte de sol représentant chacun humidité condit antécédention a été tracée sur la 40 min intervalle de temps de pluie (figure 11). Bien que les concentrations dans les eaux de ruissellement peuvent varier quelque peu erratique dans le temps (par exemple dans le cas des 90% d'humidité), les concentrations commencent généralement élevés et diminuent avec le temps. Charges cumulées au fil du temps sont des fonctions beaucoup plus lisses, et ils illustrent les relations significatives discutés précédemment. Temps de ruissellement est plus longue, l'urée-N concentrations dans les eaux de ruissellement sont plus faibles, et les charges cumulatives sont moins pour des sols plus secs. Bien que l'urée s'hydrolyse rapidement dans les sols, lorsque les précipitations se produit dans les heures suivant l'application de surface, une grande partie du N est toujours présente sous forme d'urée et est soumise à perte dans les eaux de ruissellement. L'urée est une molécule neutre et n'est pas fortement adsorbé à la surface des particules du sol. Comme l'eau s'infiltre dans les sols plus secs au cours de la première partie d'un épisode de pluie porte urée dissoute dans le sol et à l'écart de la zone de ruissellement de surface. Lorsque les eaux de ruissellement ne commence, il est moins pr uréeESENT et les concentrations dans les eaux de ruissellement sont plus faibles. D'un point de vue pratique, l'urée serait presque toujours être appliqué dans des conditions plus sèches que les équipements de ferme ne pouvait pas traverser les sols qui sont à la capacité au champ. Figure 1. Schéma de emballés boîte de ruissellement du sol. Une boîte en métal (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) avec une lèvre de 5 cm sur l'extrémité avant est emballé avec le sol à une profondeur de 5 cm. Les eaux de ruissellement qui se déverse sur les 5 cm lèvre est recueilli dans une gouttière joint qui est protégé contre les précipitations tombant directement dans la gouttière. Neuf trous de 5 mm de diamètre permettent à l'eau qui s'infiltre dans le sol pour drainer des boîtes et d'empêcher la formation de flaques. Un mamelon fixé près du bord avant du fond de la gouttière permet à l'eau de ruissellement de s'écouler dans des entonnoirs et des bouteilles de collecte positiONED dessous du mamelon. Figure 2. Box matériaux d'emballage. Environ 4 couches de gaze dans le fond de la boîte empêchent la perte de sol, mais permettant à l'eau de s'écouler librement. Une jauge à planer composée de verre acrylique prise en sandwich entre deux planches de bois est aussi large que la boîte (20 cm) et une profondeur (2,5 cm) comme la différence entre les côtés de la boîte (7,5 cm) et la partie supérieure de la gouttière (5 cm). En posant le bord de la lèvre de la boîte du verre acrylique est utilisé pour le sol de qualité à la profondeur de la gouttière. Figure 3. Positioning la plate-forme. Positionner la plate-forme de sorte que lorsque les boîtes emballées de sol sont en place, ils ont tous la même pente. Pour cette étude, la pente désirée a été de 3%. Tout en maintenant un niveau de pension, positionner la plate-forme ainsi que la pente vers le bas, fin gouttière de la boîte est de 3 cm en dessous de la fin de pente ascendante. La plate-forme doit être de niveau dans le sens de la pente transversale. Figure 4. Précipitations contrôles de simulateur en commençant à partir de la source d'eau et progressant à travers le système de plomberie de la buse (1) à l'unité vanne levier de boule:. Ceci est une vanne d'arrêt rapide. Levier en conformité avec tuyau est sur; levier à angle de 90 degrés sur tuyau est éteint. Utiliser cette soupape de tourner flux sur et en dehors sans déranger les vannes qui contrôlent la pression et le débit. Ouvrir complètement et fermer complètement. Réo ne pas essayer d'utiliser cette valve pour contrôler le débit. (2) Filtre de sédiment: Vérifiez le filtre périodiquement et remplacer l'élément si nécessaire pour éviter le colmatage des sédiments. (3) vanne de régulation de pression: Cette vanne contrôle la pression dans la conduite de ce point en avant. Trop de pression peut casser des tuyaux, des tuyaux ou des connexions. (4) la soupape de commande d'écoulement dans la ligne (Vanne): Cette vanne est utilisée pour ajuster le débit de la buse afin d'atteindre le débit souhaité et la pression de la buse. (5) Débitmètre: débit approximatif de mesures. (6) Manomètre: Mesures pression approximative à la buse. Figure 5. Boîtes positionnés sur la plate-forme de simulation de pluie. Placez 5 ou 6 boîtes dans des positions marquées pour chaque événement de simulation de pluie. Évitez de placer une boîtedirectement sous la buse pour empêcher des gouttes directement sur une surface de la boîte. Figure 6. Le volume total des eaux de ruissellement est positivement corrélée avec la teneur en humidité du sol antécédent (R 2 = 0,64). Figure 7. Temps de ruissellement est corrélée négativement avec la teneur en humidité du sol antécédent (R 2 = 0,48). La surface d'un sol humide sature rapidement. Les précipitations qui dépasse la conductivité hydraulique du sol saturé génère ruissellement. <img alt="Figure 8" fo: contenu width = "5 po" fo: src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" /> Figure 8. Charge totale d'urée-N est positivement corrélé avec le volume des eaux de ruissellement (R 2 = 0,81). Les différences dans le volume de ruissellement submerger différences de concentration d'urée-N dans les eaux de ruissellement. Figure 9. Concentration de flux pondéré d'urée-N est positivement corrélé avec le sol antécédent teneur en humidité (R 2 = 0,66). Sols secs permettent infiltration s'infiltre que l'urée-N dans le sol et à une distance de la surface du sol. Lorsque les eaux de ruissellement se produit, moins d'urée-N est disponible à la surface pour se déplacer dans les eaux de ruissellement. 5po "fo: src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/> Figure 10. Charge totale d'urée-N est positivement corrélé avec le sol antécédent teneur en humidité (R 2 = 0,74). Les relations positives entre le volume de l'écoulement total et antécédent teneur en humidité du sol et entre flux pondéré concentration d'urée-N et la teneur en humidité antérieure combinent pour aboutir à une relation exponentielle (y = 0,2043 e 0.0405x). Figure 11. Concentration d'urée-N et les relations de charge cumulatifs dans le temps pour une répétition de chaque sol antécédent humidité conten t. Bien que la concentration d'urée-N n'est pas toujours une fonction lisse dans le temps, les relations significatives précédente ment discuté peut être visualisée. Buse Taille Intensité Pression optimale Flux 10 sec de débit cm / h psi gpm ml 17 WSQ Jet Intégral 3/8 HH 3.2 6.0 1.5 940 : 173px; "> 24 WSQ Jet Intégral 3/8 HH 3.3 6.0 1.8 1140 30 w Jet Intégral 1/2 HH 6.0 5.0 2.2 1250 50 w Jet Intégral 1/2 HH 7.0 4.1 3.7 2300 Tableau 1. Taille de la buse graphique. tailles de buses qui ont été identifiées pour une utilisation avec ce simulateur de pluie et leur intensité de précipitations associées, la pression et les paramètres de flux sont présentés. Choix de la taille de la buse dépend du choixintensité des précipitations. L'intensité des précipitations et la durée correspondent à un événement de précipitation d'une période de retour de certains pour un emplacement d'étude spécifié. Taille de la buse 17 WSQ a été utilisé pour cette étude. Précipitations de 40 min durée à une intensité de 3,2 cm / h équivaut à une précipitation naturelle qui se produit généralement sur une base annuelle sur la côte est de la baie de Chesapeake dans le Maryland. L'humidité du sol Écoulement total Pondérée du débit Charge totale % volume (L) concentration (Urée mg -N) (Mg L -1 urée-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 † numéros en double représentent deux répétitions pour chaque niveau d'humidité Numéros Tableau 2. Antécédent l'humidité du sol, le volume d'écoulement total, le flux pondérés concentration d'urée-N et la charge totale de l'urée-N après simulation de pluie. Dupliquer représentent deux répétitions pour chaque niveau d'humidité

Discussion

Ruissellement est principalement généré par deux mécanismes, l'infiltration ruissellement excessif et saturation excès de ruissellement 18 et est influencée par les propriétés du sol, l'humidité antérieure du sol, la topographie et l'intensité des précipitations. simulation de pluie peut être utilisée pour fixer la variable de l'intensité des précipitations et d'étudier un ou plusieurs des variables restantes. L'intensité des précipitations et la durée peuvent également être contrôlés sur une plage limitée pour l'étude en changeant la taille de la buse. Les étapes les plus critiques pour la réalisation d'études de simulation de pluie sur les boîtes de sol repas sont: 1) assurer emballage uniforme de boîtes de sol; 2) le contrôle antécédent teneur en humidité du sol; 3) le calibrage du débit de la buse sélectionnée de telle sorte que la taille des gouttes et de la vitesse se rapproche de précipitations naturelles; et 4) réglage de la position de la buse pour assurer précipitations uniforme dans toutes les boîtes de sol.

A la fin de l'opération de calibrage, une fois un CV inférieur à 0,05 est obtenue pour les précipitations uniformité à travers tout le solboîtes, la calibration de 10 min devrait être répété plusieurs fois pour s'assurer que l'intensité des précipitations est conforme à travers pistes. Un CV peut également être calculée pour uniformité pistes. Si le CV uniformité pistes est inférieur à celui de l'uniformité des précipitations dans toutes les boîtes, pensez à regrouper des traitements répétés au sein de pistes individuelles de minimiser les variations dans les traitements. Dans le cas contraire, de réduire l'erreur associée à la position de la boîte et de l'autre côté court, randomiser les deux traitements et se réplique selon la position de la boîte, en prenant des mesures pour limiter plaçant un traitement dans une position plus d'une fois.

Utilisant cette conception de simulateur de pluie et un protocole standard pour l'étalonnage correctement le simulateur permettra d'améliorer la comparaison des résultats des études menées par différents chercheurs. Les données issues de cette façon peuvent être utilisés pour prédire ce qui se passe sous précipitations naturelles et de mieux comprendre les processus et les facteurs qui contrôlent pertes dans l'environnement de passources de contaminants NPOINT. Ces études peuvent fournir des données précieuses pour une utilisation dans le développement de modèles pour prédire le devenir et le transport des sédiments et des polluants chimiques dans les eaux de ruissellement dans des conditions de précipitations naturelles.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été financé en partie par un renforcement des capacités subvention allouée à l'Université du Maryland Eastern Shore (UMES) par l'Institut national de l'alimentation et de l'agriculture. Les auteurs tiennent à remercier Don Mahan (UMES) pour son aide dans la mise en place du simulateur de pluie et dans la conduite de simulations de pluie. Merci également à remercier Janice Donohoe (UMES) pour effectuer des analyses de laboratoire et étudiants étudiants (Umes) pour leur aide dans la réalisation de l'expérience de simulation de pluie et le traitement des échantillons.

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
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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).

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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).
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