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Environment

Ein Protokoll für die Durchführung Regen Simulation zur Bodenabfluss Studieren

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

Ein Niederschlag-Simulator wurde verwendet, um eine einheitliche Rate der einheitlichen Niederschlag zu Boden verpackt Boxen in einer Studie über das Schicksal und den Transport von Harnstoff, ein diffuser Stoff Umweltkontaminant gelten. Unter gleichmäßige Boden-und Niederschlagsbedingungen Vorfeuchte Inhalt ausgeübt starke Kontrolle über Harnstoff Verlust in Oberflächenabfluss.

Abstract

Niederschlag ist eine treibende Kraft für den Transport von Umweltschadstoffen aus landwirtschaftlichen Böden zu oberflächlichen Wasserkörper durch Oberflächenabfluss. Das Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen der Vorgeschichte Bodenfeuchte auf das Schicksal und den Transport der Oberfläche aufgebracht Handels Harnstoff, eine gemeinsame Form von Stickstoff (N)-Dünger, nach einem Regenereignis, das innerhalb von 24 Stunden nach der Düngung tritt charakterisieren. Obwohl angenommen wird, dass Harnstoff zu Ammonium leicht hydrolysiert werden und daher nicht oft für den Transport zur Verfügung, legen neuere Studien, dass Harnstoff aus landwirtschaftlichen Böden in Küstengewässer, wo es in schädliche Algenblüte beteiligt transportiert werden. Ein Niederschlag-Simulator wurde verwendet, um eine einheitliche Rate der einheitlichen Niederschlag in Boden-Boxen verpackt, die auf unterschiedliche Bodenfeuchten vorgenetzt worden anzuwenden. Durch die Steuerung Niederschläge und Boden physikalischen Eigenschaften, waren die Auswirkungen der Vorfeuchte auf Harnstoff Verlust isolated. Wetter Böden wiesen kürzere Zeit von Niederschlag und Abfluss Initiation Initiation, größere Volumen des Abflusses, höhere Harnstoffkonzentrationen im Abfluss, und größere Masse Belastungen von Harnstoff in Abfluss. Diese Ergebnisse zeigen auch die Bedeutung der Kontrolle für Vorfeuchte Gehalt in Studien zur anderen Variablen wie Boden physikalischen oder chemischen Eigenschaften, Neigung, Bodenbedeckung, Management-, oder Regen Eigenschaften zu isolieren. Da Niederschläge Simulatoren wurden entwickelt, um Regentropfen von ähnlicher Größe und Geschwindigkeit als natürliche Niederschlagsmenge liefern, können Studien unter einem standardisierten Protokoll durchgeführt, die wertvolle Daten, die wiederum verwendet werden, um Modelle für die Vorhersage der Transport und Verbleib von Schadstoffen in Stichwahl zu entwickeln ergeben.

Introduction

Die Umweltauswirkungen der Landwirtschaft sind eine globale und schnell wachsende Besorgnis, vor allem in Anbetracht der Unsicherheiten des globalen Wandels. Niederschlag ist eine treibende Kraft für den Transport von Umweltschadstoffen aus landwirtschaftlichen Böden zu oberflächlichen Wasserkörper durch Oberflächenabfluss. Eine große Anzahl von Studien auf ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Niederschlag und Bodenverhältnisse, wie sie diffusen Quellen von Sediment-, Nährstoff-und Pestizidverluste aus landwirtschaftlichen Böden zu bestimmen, konzentriert. Das Ziel dieser Studie war es, die Auswirkungen der Vorgeschichte Bodenfeuchte auf das Schicksal und den Transport der Oberfläche aufgebracht Handels Harnstoff, eine gemeinsame Form von Stickstoff (N)-Dünger, nach einem Regenereignis, das innerhalb von 24 Stunden nach der Düngung tritt charakterisieren.

Es gibt nur wenige Studien über das Schicksal und den Transport von Harnstoff in Böden, weil Harnstoff zu Ammonium rasch folgenden Düngung und th hydrolysierterefore nicht oft für den Transport zur Verfügung. Allerdings deuten die jüngsten Studien, dass die Wasserscheide Harnstoff aus landwirtschaftlichen Böden in Küstengewässer und Grund verschiebt sich Populationen von Organismen, die Giftstoffe produzieren 1,2 transportiert werden. Sowohl Labor-und Feldversuche haben gezeigt, daß, wenn die domoic Säure produzierenden Kieselalge Pseudo-nitzschia australis (P. Australi s) wurde in Harnstoff Enriched Seawater gewachsen, die Menge des domoic Säure war größer, als wenn auf Nitrat-oder Ammonium angereicherte gezüchtet 3 Meerwasser. Diese Studie verwendet simulierten Regen, um die Prozesse, die das Potenzial für Harnstoff-N-Verluste in Abfluss folgenden Handelsdünger Anwendung steuern zu untersuchen.

Aufgrund der Variabilität der natürlichen Niederschlag, Niederschlagssimulatoren verwendet worden, um eine gleichmäßige Niederschlagsraten über Landoberflächen oder Lunchboxen Boden gelten für Stichwahl unter kontrollierten Bedingungen zu beurteilen. Regensimulatoren wurden ursprünglich verwendet, um Boden zu studierenErosion 4. Doch im Laufe der Jahre wurden sie verwendet, um andere Bestandteile in Oberflächenabfluss und Sickerwasser aus Böden 5-7 messen. Feldstudien mit natürlichen Niederschläge wurden auch durchgeführt, um Verluste der Bodenbestandteile in Stichwahl zu beurteilen. Trends zwischen natürlichen Niederschlägen und Niederschlagssimulationsdaten folgen einem ähnlichen Muster, was auf eine Konsistenz in Prozessen. Daher kann Regensimulationen in Studien verwendet, um die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von dem, was unter natürlichen Niederschlagsmenge 8 passiert vorherzusagen.

Eine Vielzahl von Niederschlagssimulatoren entwickelt, und in der Regel, die sie verwenden, um Wasser Sprayer Düse bei gewünschten Zeit und anzuwenden. In Bezug auf Größe, Regensimulatoren reichen von einer einfachen, kleinen, tragbaren Infiltrometer mit einem Durchmesser von 6 Niederschlagsgebiet 9 der komplexen Kentucky Regensimulator, der ein Grundstück 14.75 ft x 72 ft (4,5 mx 22 m) 10 abdeckt. Ein Manko in den Körper der Forschung, dass die empLoyed Regensimulation ist, dass es keinen einzigen standardisierten Design oder Protokoll für die Durchführung von Simulationen Niederschlagsmenge 11. In der Tat, bei der 2011 "Internationaler Regen Simulator Workshop" an der Universität Trier, Deutschland, einer kollaborativen Gemeinschaft von Wissenschaftlern aus 11 teilnehmenden Ländern festgestellt, dass eine Standardisierung der Regensimulationen und Simulatoren wird, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten und weiter zu fördern benötigt technischen Entwicklungen auf körperliche Einschränkungen und Zwänge, 12 zu überwinden. Diese Studie versucht, diese Notwendigkeit anzugehen teilweise durch eine detaillierte Beschreibung eines standardisierten Protokolls zur Durchführung von Simulationen Niederschläge mit einem Simulator, der bereits weit verbreitet für die Verwendung in Nordamerika angenommen wird.

Dieses Experiment ist Teil einer größeren Studie, die die Quelle von Harnstoff in Flussmündungen Wasser der Chesapeake Bay, wo toxische Algenblüten sind dafür bekannt, jährlich auftreten beurteilen. Die spezifische objektiv e des Experiments war, die Wirkung von Vorfeuchte Inhalt Harnstoffverluste Abfluss zu bestimmen. Duplizieren gleichmäßig gepackt Bodenboxen wurden für eine von sechs verschiedenen Feuchtigkeitsgehalten von 50, 60, 70, 80, 90, und 100% der Feldkapazität vorgenetzt. Harnstoff betrug Oberfläche Prillform mit einer Rate von 150 kg N / ha. Innerhalb von 24 Stunden wurden die Kisten mit einer Geschwindigkeit von 3,17 cm / h, das entspricht einer natürlichen Niederschlagsereignis, das häufig auftritt, auf Jahresbasis an der Ostküste der Chesapeake Bay in Maryland, um eine einheitliche Niederschlagsmenge von 40 Minuten Dauer unterzogen. Abflussproben wurden in 2-Minuten-Intervallen unter Verwendung eines Glasfilters (0,45 &mgr; m) filtriert sofort gesammelt und bei 4 ° C gelagert, bis sie innerhalb von 24 h nach ihrer Entnahme analysiert wurden. Harnstoff-N-Konzentrationen wurden durch Fließinjektionsanalyse Farbmetrik 13 bestimmt. Die Daten wurden mittels SAS v.9.1 14 analysiert und statistischen Ergebnisse wurden als signifikant bei p ≤ 0,05.

e_content "> Der tragbare Niederschlag-Simulator, der in dieser Studie verwendet wurde, entspricht den Design-Vorgaben 15 und Protokoll, das von der National Phosphor Projekt 16 entwickelt wurde. In den USA und Kanada, dieser Simulator Design und Protokoll wurde weithin als die Standardmethode für die angenommene Verwendung bei der Bestimmung sowohl gelöste als auch partikelgebundene Phosphorverlust des Abflusses. Obwohl Abflussproben wurden Harnstoff anstatt Phosphor analysiert wird, ist das Verfahren zum Aufbringen einheitliche und konsistente Niederschläge in den Boden verpackt die gleiche wie die, die kurz in der National Phosphor beschriebene Projekt Regensimulationen Protokoll.

Protocol

1. Bodenentnahme und Vorbereitung Sammeln Sie die Erde von der Oberfläche Horizont des Bodenprofils zu physikalischen und chemischen Bedingungen der Bodenoberfläche genau darstellen. Hinweis: Wenn möglich, Boden sollte aus den Top-5 cm von der Oberfläche gesammelt werden. Die Fläche für die Bodenentnahme sollte klein genug, um Unterschiede in Boden physikalischen und chemischen Eigenschaften zu begrenzen. Sieben Sie die Erde durch ein grobes (20 mm) Bildschirm, um Steine ​​zu entfernen. Hinweis: Sieben ist einfacher, wenn der Boden etwas feucht ist. Verbreiten Sie das gesiebte Erde auf einer schweren Plane in einer dünnen Schicht auf das Trocknen zu erleichtern, vorzugsweise in einem Gewächshaus oder warme Raumklima. Mischen Sie den Boden mit einer Schaufel, Rechen, oder indem Sie die Ränder der Plane von einer Seite auf die andere, als ob eine riesige Klapp Calzone. Hinweis: Seien Sie vorsichtig, nicht zu zerreißen oder reißen die Plane mit der Kante einer Schaufel oder Harke. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis der Boden gut durchmischt. Nehmen Sie sich 10 Proben vonverschiedenen Orten in den Stapel der Boden gründlich gemischt und führen eine Mehlich-3-Phosphor-Test für 17 bis Homogenität zu testen. Hinweis: Die Homogenität wird erreicht, wenn die Ergebnisse der 10 Proben einen Variationskoeffizienten (CV) von <0,05. Wo: CV = Standardabweichung / Mittelwert. Wenn der Lebenslauf der Mehlich-3-Phosphor-Test ist> 0,05, weiter vermischen den Boden und wiederholen Sie den Homogenitätstest. 2. Verpackung Bodenboxen Anmerkung: Boden Boxen sollten einheitliche Volumen mit identischen Dimensionen Länge, Breite und Tiefe (100 cm x 20 cm x 7.5 cm) mit neun 5-mm Ablauflöcher im Boden sein. Boxen sollten eine 5-cm-Lippe und eine Auffangrinne an einem Ende (Fig. 1). Den Boden der Boxen mit 4 Lagen Käsetuch in den Boden aus dem Waschen aus den Löchern in der Box, während Wasser durchfließen, wenn der Boden gesättigt zu halten. Verpacken Sie den ersten Bodenfeld mit einer Schöpfkelle genug getrocknet, gesiebt und homogenziert Boden in der Box um ihn zu füllen, wenn etwa die Hälfte tief (etwa 3,5 cm) geglättet. Verbreiten Sie die Erde gleichmäßig und packen Sie es mit einem flachen Stein. Hinweis: Der Boden sollte trocken genug, damit es nicht unter dem Druck der Ziegel kompakt sein. In noch 2 cm des Bodens und ebnen Sie es mit einer Richtlehre auf eine gepackte Tiefe von 5 cm, die Höhe der Lippe der Box, die in die Dachrinne (Abbildung 2) verschüttet. Wiegen Sie die Menge von Erde, die auf den ersten gepackten Feld hinzugefügt wurde, und fügen Sie das gleiche Gewicht des Bodens, den restlichen Boxen. Packen Sie jedes Feld, um eine Bodentiefe von 5 cm und gleichmäßige Schüttdichte zu erreichen. Saugen Sie die Dachrinnen der Bodenfelder, um jeden Boden, die während des Verpackungsprozesses in die Rinne verschüttet entfernen. 3. Bodeneinbauboxen in der Regen Simulator Positionieren Sie einen Rahmen von 2 in x 6 in Druck behandelten Holz in der Mitte des Regensimulator aufgebaut, auf denen die Bodenboxen wschlecht platziert werden. Hinweis: Der Rahmen sollte ein Querelement in der Mitte, um die Steifigkeit bereitzustellen. Platzieren Boden-Boxen auf einem bodenlosen Rahmen minimiert spritzen, die sonst von einer festen Plattform unmittelbar unter den Boden-Boxen auftreten würde, und ermöglicht freien Abfluss aus den Löchern in der Unterseite der Boxen. Positionieren Sie den Rahmen auf Betonblöcke in einer Höhe, die Platzierung der Sammlung Flaschen ermöglicht und Trichter unterhalb der Tüllen auf den Sammelrinnen an der Vorderseite des Boden-Boxen auf der Plattform montiert. Ferner erhöhen die Rückseite der Plattform, mit Steinen, Holz und Unterlegscheiben, so dass die Rückseite des Bodenfeld auf der Plattform platziert ist 3 cm höher als die Vorderseite des Kastens, was zu einer 3% Gefälle. Messen Sie die Steigung, indem Sie ein Board (> 100 cm Länge) auf der Rückseite des Bodenkastens montiert auf der Plattform. Verwenden Sie eine Wasserwaage, halten die Vorstandsebene und erhöhen die Rückseite der Plattform, so dass die Vorderseite der Box ist 3 cm unter dem Niveau Board (Abbildung 3 </strong>). Hinweis: Stellen Sie sicher, dass die Vorder-und Rückseite der Plattform-Ebene von Seite zu Seite. Suchen Sie den Punkt direkt unterhalb der Düse und Overhead vermeiden, dass ein Feld in dieser Position große Tropfen aus der Düse am Anfang oder am Ende eines Regenereignis aus, der auf eine Bodenfeld zu vermeiden, legen Sie dann fünf oder sechs Boxen gleichmäßig auf der Plattform angeordnet . Markieren Sie die Position der Boxen und Boxen immer Platz in den gleichen Positionen. 4. Auswählen der Quelle des Bewässerungswassers Wählen Sie eine Bewässerungsquelle, die relativ frei von allen Elementen und Verbindungen, insbesondere von Interesse für die Studie. Analysieren Sie den Wasserquelle im Vorfeld der Studie, um die Reinheit des Wassers zu bestimmen. Hinweis: Falls erforderlich, sollten Austauschharze verwendet werden, um die gewünschte Wasserreinheit zu erreichen. Einen Hauptwasserquelle zu dem Niederschlag-Simulator, der einen Druck von 8 bar und einer Strömungsgeschwindigkeit von 5 gpm überschreitet. Hinweis: Normal kommunalen Quellen überschreiten diese Mindestanforderungenrungen. Bei der Verwendung von Wassertanks und Pumpen, sicher sein, die Pumpen der Lage, eine Wasserversorgung, die den Mindestdruck übersteigt und der Strömungsgeschwindigkeit. 5. Die Auswahl der Düsengröße verwenden Wählen Sie eine der vier Standard-Düsengrößen, die für die Niederschlagsmenge Simulationen verwendet werden. Hinweis: Jede Düse eine optimale Leistung Druck und Durchfluss, um die ordnungsgemäße Tröpfchengröße und Intensität (Tabelle 1) erreicht hat. Auswahl der Düsengröße für den Einsatz in einer bestimmten Studie ist in Bezug auf die Intensität (cm / h) der natürlichen Regenereignis dargestellt werden bestimmt. 6. Regen Simulator Betrieb Positionieren Sie die (1) Einzelkugelhahn (Abbildung 4) in die geschlossene Position, Hebel bei 90-Grad-Winkel über Rohr-, und schalten Sie den Hauptwasserquelle (Gemeinde-oder Pumpe). Drehen Sie den Platz Stellschraube an der Spitze der (3) Druckregelventil (Abbildung 4) gegen den Uhrzeigersinn bis reduce den Druck und öffnen Sie den nächsten in der Leitung (4) In-Line-Stromregelventil vollständig. Öffnen Sie das (1) Einzelkugelhahn (Abbildung 4) vollständig und die (3) Druckregelventil einstellen, indem Sie die Schraube im Uhrzeigersinn, um ca. 8 psi in (6) Manometer in der Nähe der Spitze der Niederschlag-Simulator befindet erzielen. Hinweis: Wenn der (3) Druckregelventil eingestellt wurde, um die gewünschte Düsendruck leicht übertreffen, sollte es nicht während des Betriebs des Regensimulator sei denn, die Hauptwasserquelle Druckänderungen angepasst werden. Teilweise schließen die (4) In-Line-Stromregelventil (Abbildung 4) bis (5) der Durchflussmesser liest die ungefähre Durchflussmenge in Liter pro min für die Düse im Einsatz und die (6) Manometer liest die ungefähre psi für die Düse verwendet wird (Tabelle 1). Schließen Sie die (1) Einzelkugelhahn (Abbildung 4), um den Fluss zu stoppen, ohne dieDurchfluss-und Druckeinstellungen. 7. Düsen Kalibrierung und Regen Uniformity Bedecken Sie die Löcher in den Böden der 5 oder 6 Boxen leer Boden mit Klebeband, um Wasser aus undichten aus den Boxen zu verhindern und sie in den markierten Stellen auf dem Holzrahmen (siehe Schritt 3.4). Position und halten Sie ein 10 ft Länge von 2 Zoll PVC-Rohr mit einem 45 °-Bogen bis zum Ende über der Düse angebracht und öffnen Sie die (1) Einhebel-Kugelhahn. Sammeln Sie die Entlassung aus dem PVC-Rohr in einem großen Messzylinder für 10 Sekunden. Machen Sie Anpassung an die (4) In-Line-Stromregelventil und wiederholen Sie die 10 Sekunden, bis die Sammlungen 10 sec Durchflussmenge entspricht der entsprechende Wert für die Düse verwendet wird (Tabelle 1). Sobald die korrekte Durchflussmenge erreicht wird, verwenden Sie den Wert auf dem Durchflussmesser als Mittel der Überwachung Variation in Fluss durch Druckschwankungen möglich. Hinweis: Für die Kalibrierung richtig die Düse, thE 10 sec Volumenstrom ist eine genauere Messung als die Lesung zu dem Durchflussmesser. Entfernen Sie die 10-Fuß-Länge PVC-Rohr, damit Niederschlagsmenge, die Box Bereich benetzen und notieren Sie die Zeit der Niederschläge Einweihung. Nach genau 10 min abrupt die Niederschlagsmenge, indem der 10-Fuß-PVC-Rohr über die Düse, um den Fluss umzuleiten und schließen Sie die (1) Einhebel-Kugelhahn. Messung der Wassermenge (ml) in jedem Feld, indem sie in einem Meßzylinder gesammelt, und berechnen Niederschläge Tiefe durch Dividieren Volumen durch die Fläche des Bodens des Kastens (2.000 cm 2). Berechnung des Variationskoeffizienten für die Niederschlagstiefe. Hinweis: Regen Gleichförmigkeit erreicht wird, wenn Niederschlagstiefe in den 5 oder 6-Boxen hat einen Variationskoeffizient <0,05 ist. Wo: CV = Standardabweichung / Mittelwert. Wenn der Lebenslauf ist nicht weniger als 0,05, drehen Sie die Düse ¼ Drehung fester und wiederholen Sie den Kalibrierungsprozess. Hinweis: Die Düse muss möglicherweise mehrmals gedreht werdeneinen Lebenslauf von weniger als 0,05 zu erreichen. Sobald ein CV von weniger als 0,05 erreicht ist, wiederholen Sie die Kalibrierung mehrmals, um sicherzustellen, dass Niederschlagsintensität über Läufe konsistent ist. 8. Die Durchführung einer Simulation Regen Nach der Kalibrierung, legen verpackt Boden-Boxen in den markierten Stellen auf dem Holzrahmen (siehe Schritt 3.4). Position Abfluss Sammlung Flaschen und Trichter unterhalb der Ablaufstutzen und verhindern, dass Niederschlagsmenge aus direkt in die Rinne fallen, indem Sie eine Büroklammer, ein Schild über der Dachrinne (Abbildung 5) zu befestigen. Wiederholen Sie die Schritte 7,2-7,5 Düsendurchsatz unmittelbar vor einem Regensimulationen Ereignis neu zu kalibrieren und zu initiieren Niederschlag. Notieren Sie sich die Zeit des Abflusses Einleitung für jedes Feld, wenn Wasserablauf aus dem Ablaufstutzen dreht sich von einer langsamen Tropf zu einem kontinuierlichen Strom. Sammeln Abflussproben in vorgeschriebenen Zeitintervallen während der Veranstaltung durch Umschalten Sammelflaschen oderdas Ende eines Ereignisses einer vorbestimmten Dauer. Um ein Regenereignis zu beenden, stoppen Sie die Niederschlagsmenge, indem der 10-Fuß-PVC-Rohr über die Düse abrupt Fluss umzuleiten und schließen Sie die (1) Einhebel-Kugelhahn. Sammeln Sie die Stichwahl Proben und Rekordvolumen mit einem Messzylinder oder durch Massen der Annahme, dass Wasser wiegt 1 g / cm 2. Mischen Sie die Proben gründlich, so dass alle Sedimente in Suspension und dann eine Teilstichprobe für die Laboranalyse.

Representative Results

Ein Grund für die Durchführung der laufenden Experiments war es, Faktoren, die zu schlechten Ergebnisse aus einer früheren Experiment, bei dem Harnstoff Verlust des Abflusses wurde über mehrere Formen von Düngemitteln und Dung, die Harnstoff enthalten, verglichen beigetragen haben erkunden. Alle Behandlungen wurden auf Böden, die gesättigten und auf Feldkapazität ablaufen gelassen worden war, aufgetragen. Ergebnisse für fünf Wiederholungen der Harnstoff Prill Behandlung reichte von Konzentrationen von 1-12 mg / L Harnstoff-N im Ablauf. Diese Größenordnung Variation unter den Wiederholungen war inakzeptabel unter kontrollierten Bedingungen und verwechselt die Ergebnisse des Experiments. Eine starke positive Korrelation zwischen der Gesamtmenge des Abflusses und Harnstoff-N-Konzentration im Abfluss vorgeschlagen, physikalische Bedingungen, wie beispielsweise Verpackung oder variable Vorläufer Feuchtigkeitsbedingungen aufgrund unterschiedlicher Entwässerungs-und Trocknungsbedingungen waren die ursächlichen Faktoren. Um die Ursache für eine solche extreme Variation in ur untersuchenea Konzentrationen im Abfluss, wurden alle Felder in der aktuellen experimentieren vorsichtig mit gleichen Gewichten von gleichmäßig vermischt Schluff-Lehm-Boden, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, um Schwankung zu minimieren physikalischen Bedingungen verpackt. Zu erreichen 50, 60, 70, 80, 90 und 100% der ungefähren Bereich Kapazität durch Benetzen, dann im Ofen Trocknen einer kleinen Menge gesiebten Boden bestimmt, das Gewicht des Wassers erforderlich ist, um den Boden zu entsprechenden Vorläufer Bodenfeuchtigkeiten von 14 benetzen wurde 17, 19, 22, 25, und 27% berechnet wird, hinzugefügt, um die Boxen, und man ließ O / N. ins Gleichgewicht Die Beregnung der genaue Protokoll gefolgt oben beschriebenen und in den Fig. 3-5 dargestellt. Der 17-WSQ Voll Jet 8.3 HH Düse (Tabelle 1) wurde verwendet, um eine Niederschlagsintensität von 3,2 cm / h über einen Zeitraum von 40 Minuten, was einem natürlichen Niederschlagsereignis, das häufig auftritt auf einer jährlichen Basis an der Ostküste ist zu liefern der Chesapeake Bay in Maryland. <pclass = "jove_content"> Die daraus resultierenden Gesamtabflussmengen, Lasten und fließen gewichtet Konzentrationen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Es gab eine signifikante positive Beziehung zwischen Gesamtabfluss Volumen und Vorgeschichte Feuchtigkeitszustand (Abbildung 6). Wetter Böden hatten weniger Kapazität, Wasser zu speichern und unteren Infiltrationsraten was zu einer größeren Abflussmengen. Es bestand eine signifikante negative Beziehung zwischen Zeit, Ablauf und Vorgeschichte Feuchtigkeitszustand (Abbildung 7). Wasser in trockeneren Böden für eine längere Zeit infiltriert, bevor sie in der Nähe der Oberfläche nass wurde, was Abfluss auftreten. Nicht überraschend, gab es eine positive Beziehung zwischen der Gesamtlast Harnstoff-N in Abfluss-und Gesamtabflussvolumen (Abbildung 8). Es ist im hydrologischen Studien, die Durchflussmenge ist in der Regel ein starker Prädiktor für Gesamtlast bekannt. Wie Konzentration als Reaktion auf einen Abflussereignis verhalten sich weniger vorhersehbar. Gewichtete Durchfluss concentration wurde durch Addition der Belastungen für jeweils 2 Min Abfluss Sammlung und dividiert durch Gesamtabflussvolumen. Es ist äquivalent zu der Konzentration in einer einzigen Sammlung des Abflusses am Ende der 40 min Niederschläge Zeitraum. In dieser Studie zeigte sich eine signifikante positive Beziehung zwischen Fluss gewichtete Konzentration im Ablauf und Vorgeschichte Feuchtigkeitszustand (Abbildung 9). Angesichts der positiven linearen Beziehungen zwischen Abflussvolumen und Vorfeuchte und fließen gewichtete Konzentration und Vorgeschichte Feuchtigkeitszustand, einen signifikant positiven Zusammenhang zwischen Gesamtbelastung Harnstoff-N und Vorgeschichte Feuchtigkeitszustand erwartet. Dies wurde jedoch signifikante Beziehung besten durch eine exponentielle Gleichung (10) beschrieben. Um Harnstoff-N Verlust des Abflusses über die Zeit, individuelle 2 min Konzentrationen und kumulative Belastungen in einem Replikat eines Bodenfeld, die jede vorhergehende Feuchtigkeit Condit visualisierenIonen wurde über 40 min Niederschläge Zeitintervall (11) aufgetragen ist. Obwohl Konzentrationen im Abfluss kann etwas unregelmäßig über die Zeit (z. B. in dem Fall der 90% Feuchtigkeit) zu variieren, in der Regel Konzentrationen starten hoch und im Laufe der Zeit abnehmen. Kumulierte Lasten im Laufe der Zeit sind viel glatter Funktionen, und sie veranschaulichen die wesentlichen Beziehungen zuvor diskutiert. Zeit bis zum Ablaufen ist länger, Harnstoff-N-Konzentrationen im Abfluss sind niedriger, und kumulative Belastungen sind weniger für trockenere Böden. Obwohl Harnstoff hydrolysiert rasch in Böden, wenn Niederschlagsmenge innerhalb von Stunden nach Auftragen auf die Oberfläche tritt, viel von der N ist noch in Harnstoff Form vor und wird, um den Verlust in Abfluss. Harnstoff ist ein neutrales Molekül nicht stark adsorbiert an den Oberflächen der Bodenpartikel. Da Wasser infiltriert die trockeneren Böden während der frühen Teil eines Regenereignisses sie trägt gelöste Harnstoff in den Boden und weg von der oberflächlichen Abfluss-Zone. Wenn Abfluss anfängt, gibt es weniger Harnstoff prESENT und Konzentrationen im Abfluss niedriger sind. Von einem praktischen Sinne wäre Harnstoff fast immer unter trockeneren Bedingungen angewendet werden, wie Landmaschinen konnte nicht Böden, die bei Feldkapazität sind zu durchqueren. Fig. 1 ist. Schematische Darstellung der Erdboden Abfluss-Box. Ein Metallkasten (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) mit einem 5 cm Lippe am vorderen Ende mit Erde bis zu einer Tiefe von 5 cm verpackt. Abfluss, der über die 5 cm Lippe verschüttet wird in einer Dachrinne angebracht, die gegen Niederschläge abgeschirmt ist, dass direkt in die Dachrinne gesammelt. Neun 5 mm Durchmesser Löcher damit das Wasser, das den Boden, um aus den Boxen abtropfen lassen und verhindern, dass stehendes infiltriert. Ein Nippel in der Nähe der Vorderkante der Boden der Rinne befestigt ermöglicht Abfluss von Wasser in Flaschen Trichter und Sammlung positi ablassenunterhalb der Brustwarze oned. 2. Box Verpackungsmaterialien. Ca. 4 Schichten Käse in der Unterseite der Box verhindern Bodenverlust, aber damit das Wasser frei ablaufen. Ein Ausgleichslehre, bestehend aus Acrylglas zwischen zwei Holzplatten eingeklemmt ist, so breit wie der Kasten (20 cm) und so tief (2,5 cm) als die Differenz zwischen den Seiten des Kastens (7,5 cm) und der Oberseite der Rinne (5 cm). Bleiben Sie mit dem Brett auf den Rand der Box das Acrylglas wird in die Besoldungsgruppe Boden der Tiefe der Rinne eingesetzt. Abbildung 3. PoPositionierungs der Plattform. Positionieren Sie die Plattform, so dass, wenn die Erde gepackt Boxen sind in der Lage, sie alle die gleiche Steigung haben. Für diese Studie wurde das gewünschte Gefälle von 3%. Halten Sie eine Board-Ebene, positionieren Sie die Plattform, so dass die Abwärtsneigung, Dachrinnen Ende der Box ist 3 cm unterhalb der Steigung Ende. Die Plattform sollte Niveau in der Querneigung Richtung sein. 4. Niederschlag-Simulator Kontrollen beginnend von der Wasserquelle und Fortschritte durch das Rohrleitungssystem an der Düse (1) Einhebel-Kugelhahn:. Dies ist eine schnelle Absperrventil. Hebel im Einklang mit Rohr eingeschaltet ist; Hebel bei 90-Grad-Winkel über Rohr ist aus. Verwenden Sie dieses Ventil, um den Fluss ein-und ausschalten, ohne zu stören Ventile, die den Druck und die Strömungsgeschwindigkeit. Öffnen und schließen vollständig voll. Do versuchen Sie nicht, dieses Ventil zu verwenden, um Durchflussmenge zu steuern. (2) Sedimentfilter: Filter regelmäßig überprüfen und bei Bedarf zu ersetzen Element Verstopfung mit Sediment zu verhindern. (3) Druckregelventil: Dieses Ventil regelt den Druck in der Leitung von diesem Punkt an. Zu viel Druck kann Rohren, Schläuchen oder Verbindungen zu brechen. (4) In-Line-Strömungssteuerventil (Schieberventil): Dieses Ventil wird zur Feinabstimmung der Strömung zu der Düse, um die gewünschte Strömungsgeschwindigkeit und Düsendruck zu erzielen. (5) Durchflussmesser: Maßnahmen ungefähre Durchflussrate. (6) Manometer: Maßnahmen ungefähre Druck an der Düse. 5. Boxen auf der Plattform für Regensimulationen positioniert. Zeigen 5 oder 6 Boxen in gekennzeichneten Positionen für jedes Regensimulations Veranstaltung. Vermeiden Sie eine Boxdirekt unter der Düse tropft direkt auf eine Kartonoberfläche zu verhindern. 6. Gesamtabflussvolumen positiv mit Vorfeuchte Inhalt (R 2 = 0,64) korreliert. Abbildung 7. Zeit bis zum Ablaufen negativ mit Vorfeuchte Inhalt (R 2 = 0,48) korreliert. Die Oberfläche einer nassen Boden schnell sättigt. Niederschlag, der die hydraulische Leitfähigkeit der gesättigten Bodenabfluss übersteigt erzeugt. <img alt="Fig. 8" fo: content-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" /> Abbildung 8. Gesamtbelastung Harnstoff-N positiv mit Abflussvolumen (R 2 = 0,81) korreliert. Unterschiede in der Stichwahl Volumen überwältigen Unterschiede in der Konzentration von Harnstoff-N im Ablauf. Abbildung 9. Fluss gewichtet Konzentration von Harnstoff-N positiv mit Vorfeuchte Inhalt (R 2 = 0,66) korreliert. Trockner Böden ermöglichen Infiltration, die Harnstoff-N in den Boden auslaugt und weg von der Bodenoberfläche. Wenn Abfluss auftritt, ist weniger Harnstoff-N an der Oberfläche für eine Bewegung in Abfluss. 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/> Abbildung 10. Gesamtbelastung Harnstoff-N positiv mit Vorfeuchte Inhalt (R 2 = 0,74) korreliert. Die positiven Beziehungen zwischen Gesamtabflussvolumen und Vorfeuchte zwischen Inhalt und Flow gewichteten Konzentration von Harnstoff-N und Vorgeschichte Feuchtigkeitsgehalt zu kombinieren, um in einer exponentiellen Beziehung (y = 0,2043 e 0.0405x) führen. Abbildung 11. Harnstoff-N-Konzentration und Summenlastverhältnisse im Laufe der Zeit für eine Wiederholung jeder Vorfeuchte conten t. Obwohl Harnstoff-N-Konzentration ist nicht immer eine glatte Funktion durch die Zeit, die signifikanten Beziehungen früheren ly diskutiert visualisiert werden. Düsengröße Intensität Optimale Druck Fluss 10 Sek. Fluss cm / h psi gpm ml 17 WSQ Voll Jet 8.3 HH 3.2 6.0 1,5 940 : 173px; "> 24 WSQ Voll Jet 8.3 HH 3.3 6.0 1.8 1140 30 w Voll Jet 1/2 HH 6.0 5,0 2.2 1250 50 w Voll Jet 1/2 HH 7.0 4.1 3.7 2300 Tabelle 1. Düsengröße Diagramm. Düsengrößen, die für die Verwendung mit diesem Niederschlag-Simulator und die damit verbundenen Niederschlagsintensität, Druck-und Strömungsparameter identifiziert wurden, werden vorgestellt. Auswahl der Düsengröße hängt von der gewünschtenNiederschlagsintensität. Niederschlagsintensität und-dauer entsprechen einem Niederschlagsereignis einer bestimmten Rückgabefrist für einen bestimmten Studienort. Düsengröße 17 WSQ wurde für diese Studie verwendet. Niederschlagsmenge von 40 Minuten Dauer bei einer Intensität von 3,2 cm / h entspricht einer natürlichen Niederschlagsereignis, das häufig auftritt, auf Jahresbasis an der Ostküste der Chesapeake Bay in Maryland. Bodenfeuchte Gesamtabfluss Fluss gewichtet Gesamtlast % Volumen (L) Konzentration (Mg Harnstoff -N) (Mg L -1 Harnstoff-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 † Doppelte Zahlen repräsentieren zwei Wiederholungen für jede Feuchtigkeit Tabelle 2. Antecedent Bodenfeuchtigkeitsgehalt, Gesamtabflussvolumen fließen gewichtet Harnstoff-N-Konzentration und der Gesamt Harnstoff-N Belastung nach Regenfällen Simulation. Doppelte Zahlen repräsentieren zwei Wiederholungen für jede Feuchtigkeit

Discussion

Abfluss wird hauptsächlich durch zwei Mechanismen, Infiltration Über Abfluss und Übersättigung Abfluss 18 erzeugt und durch Bodeneigenschaften, Vorfeuchte, Topographie und Regenintensität beeinflusst. Regensimulation lässt sich die Intensität variabel Niederschläge zu beheben und studieren ein oder mehrere der restlichen Variablen werden. Niederschlagsintensität und-dauer können auch über einen begrenzten Bereich für Studien durch Änderung der Düsengröße gesteuert werden. Die wichtigsten Schritte für die Durchführung von Simulationsstudien Niederschläge auf gepackten Kisten Boden sind: 1) die einheitliche Verpackung von Boden-Boxen; 2) Steuerung Vorfeuchte Inhalt; 3) Kalibrierung von Durchflussrate für die ausgewählte Düse, so dass Tropfengröße und Geschwindigkeit annähernd natürlichen Niederschläge; und 4) Einstellen Düsenposition um eine gleichmäßige Niederschlagsmenge in allen Boden-Boxen zu gewährleisten.

Am Ende des Kalibrierungsprozesses wird einmal CV von weniger als 0,05 für Niederschläge weit einheitlichen Boden erreichtKästen, sollte die 10 min Kalibrierung mehrmals wiederholt werden, dass Niederschlagsintensität über Läufen sicherzustellen konsistent ist. Ein Lebenslauf kann auch für Einheitlichkeit in Läufe berechnet werden. Wenn der Lebenslauf für Einheitlichkeit in Läufe ist geringer als die für die Einheitlichkeit der Niederschlagsmenge in allen Boxen, betrachten Gruppierung Wiederholungsbehandlungen innerhalb der einzelnen Läufe Variation über Behandlungen zu minimieren. Ansonsten, um den Fehler mit Box Position zu reduzieren und über Abfahrten, zufällig beide Behandlungen und repliziert nach Kastenlage, Schritte zu beschränken, indem eine Behandlung in der Lage mehr als einmal.

Mit diesem Regensimulator Design und ein Standardprotokoll für richtig Kalibrieren der Simulator Vergleich der Ergebnisse zwischen den Studien von verschiedenen Forschern durchgeführt zu verbessern. Die so gewonnenen Daten können verwendet werden, um vorherzusagen, was unter natürlichen Niederschläge passiert werden und ein besseres Verständnis der Prozesse und Faktoren, die Verluste für die Umwelt aus nicht kontrollierennpoint Quellen von Schadstoffen. Solche Studien können wertvolle Daten für den Einsatz in Entwicklungsmodelle für die Vorhersage des Schicksals und der Transport von Sedimenten und chemische Schadstoffe in Stichwahl unter natürlichen Niederschlagsbedingungen ergeben.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde zum Teil durch einen Zuschuss zum Capacity Building der Universität von Maryland Eastern Shore (UMES) verliehen vom Nationalen Institut für Ernährung und Landwirtschaft gefördert. Die Autoren bedanken sich bei Don Mahan (UMES) für seine Hilfe bei der Einrichtung der Niederschlag-Simulator und in der Durchführung von Simulationen Niederschläge danken. Dank gilt auch Janice Donohoe (UMES) zur Durchführung von Laboranalysen und Studierende Studenten (UMES) für ihre Hilfe bei der Durchführung der Regensimulationsexperiment und die Verarbeitung von Proben erweitert.

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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