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

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

Протокол по проведению Rainfall моделирование по изучению почвы стока

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

Осадков симулятор был использован для применения последовательного скорость равномерного осадков в упакованных почвы коробок в исследовании судьбе и транспорта мочевины, в рассредоточенного источника экологического загрязнителя. Под единым почвы и дождевой условиях, предшественник влажность почвы оказали сильное контроль над потерей мочевины в поверхностного стока.

Abstract

Дождь является движущей силой для перевозки загрязнителей окружающей среды от сельскохозяйственных почв в поверхностных водоемах через поверхностного стока. Целью данного исследования было охарактеризовать последствия предшествующей влажности почвы на судьбе и транспортировки поверхности применяется коммерческую мочевину, общий вид азота (N) удобрений, после события осадков, которое происходит в течение 24 часов после внесения удобрений. Хотя мочевины предполагается легко гидролизуются в аммоний и поэтому не часто доступны для транспорта, недавние исследования показывают, что мочевина может транспортироваться от сельскохозяйственных почв в прибрежных водах, где она, причастных к вредоносного цветения водорослей. Осадков симулятор был использован для применения последовательного скорость равномерного осадков через упакованных почвы коробок, которые были prewetted к различным содержанием влаги в почве. Управляя осадков и почвы физические характеристики, последствия предшествующей влажности почвы на потери мочевины были IsolaТед. Wetter почвы выставлены более короткое время от осадков начала до образования капель посвящения, более общего объема стока, более высоких концентрациях мочевины в сток, и больших массовых нагрузок мочевины в сток. Эти результаты также демонстрируют важность контроля за предшествующей влажности почвы в исследованиях, направленных на изолировать другие переменные, такие как физического почвы или химическими характеристиками, наклон, почвенного покрова, управления, или дождевой характеристик. Потому осадков тренажеры предназначены для доставки капли дождя подобного размера и скорости, как природных осадков, исследования, проведенные в рамках стандартизованного протокола может дать ценные данные, которые, в свою очередь, может быть использован для разработки моделей для предсказания судьбы и переноса загрязняющих веществ в стоки.

Introduction

Воздействие на окружающую среду сельского хозяйства являются глобальной и быстро растет озабоченность, особенно в свете неопределенности глобальных изменений. Дождь является движущей силой для перевозки загрязнителей окружающей среды от сельскохозяйственных почв в поверхностных водоемах через поверхностного стока. Большой объем исследований ориентирована на более глубокое понимание взаимодействия между количеством осадков и почвенных условий, как они определяют рассредоточенных источников осадка, питательных веществ, и убытков пестицидов от сельскохозяйственных почв. Целью данного исследования было охарактеризовать последствия предшествующей влажности почвы на судьбе и транспортировки поверхности применяется коммерческую мочевину, общий вид азота (N) удобрений, после события осадков, которое происходит в течение 24 часов после внесения удобрений.

Есть несколько исследований судьбе и транспорта мочевины в почвах, так как мочевина быстро гидролизуется в аммоний следующие внесения удобрений и гоerefore не часто доступны для транспорта. Однако, недавние исследования показывают, что водораздел мочевины может транспортироваться от сельскохозяйственных почв в прибрежных водах и вызывают смещается в сторону популяций организмов, которые производят вредные токсины 1,2. Лабораторных и полевых эксперименты показали, что когда кислота-продуцирующие диатомовые Псевдо-Nitzschia южный (стр. Australi ы) домоевая выращивали в мочевины обогащенный морской воды, количество домоевой кислоты произведено было больше, чем при выращивании на нитрат аммония или обогащенного морская вода 3. В настоящем исследовании использованы имитации осадки исследовать процессы, которые управляют потенциал для мочевины потерь азота в стоке следующих коммерческого применения удобрений.

Из-за изменчивости природных осадков, осадков тренажеры были использованы применять единые ставки осадков над земной поверхностью или упакованных почвы коробки для оценки стока в контролируемых условиях. Дождь тренажеры первоначально использовались для изучения почвыэрозия 4. Тем не менее, на протяжении многих лет они были использованы для измерения других компонентов поверхностного стока и фильтрата из почв 5-7. Полевые исследования с использованием природных осадков также были проведены для оценки потерь составляющих почвы в сток. Тенденции между природными осадков и осадков моделирования данных следовать аналогичной схеме, указывая на последовательности в процессах. Поэтому количество осадков моделирование может быть использовано в исследованиях для прогнозирования возможного возникновения, что происходит при естественном осадков 8.

Разнообразные осадков тренажеров были разработаны и обычно они используют распылители форсунок применять воду при желаемых скоростей и длительности. С точки зрения размера, осадков тренажеры варьироваться от простой, маленький, портативный инфильтрометр с 6 в диаметре осадков области 9 к сложной Кентукки осадков симулятор, который охватывает участок 14,75 футов х 72 футов (4,5 м х 22 м) 10. Одним из недостатков в теле исследований, которые эмиloyed моделирование осадков, что нет единого стандартизированного дизайна или протокол для проведения осадков Симуляторы 11. В самом деле, в 2011 «Международный Дождь Simulator семинара" в Трир университета, Германия, совместные сообщества ученых из 11 стран-участниц пришли к выводу, что стандартизация моделирования осадков и тренажеров необходима для того, чтобы обеспечить сопоставимость результатов и содействия дальнейшему технические разработки по преодолению физических ограничений и ограничений 12. Это исследование стремится частично решить эту потребность, представив подробное описание стандартизованного протокола для проведения осадков моделирования с помощью имитатора, который уже широко принятую для использования в Северной Америке.

Этот эксперимент является частью более крупного исследования, цель которого оценить источник мочевины в устьевых водах Чесапикского залива, где токсичные цветение водорослей, как известно, ежегодно происходят. Удельный объективность е эксперимента было определить влияние предшествующей влажности почвы на потери мочевины в сток. Дубликат равномерно упакованные почвы коробки были prewetted к одному из шести различным содержанием влаги, представляющих 50, 60, 70, 80, 90 и 100% от полевой влагоемкости. Мочевина было наносится на поверхность в Prill форме в размере 150 кг N / га. В 24 часов ящики были подвергнуты единой осадков 40 продолжительности мин со скоростью 3,17 см / час, что эквивалентно естественное событие осадков, что обычно происходит на ежегодной основе на Восточном побережье Чесапикского залива в штате Мэриленд. Образцы Ливневые были собраны в 2-минутными интервалами, сразу же фильтруют с использованием стеклянного фильтра (0,45 мкм) и хранили при 4 ° С, пока они не были проанализированы в течение 24 часов сбора. Концентрации мочевины N-определяли с помощью анализа потока инъекции колориметрии 13. Данные были проанализированы с помощью SAS v.9.1 14, и статистические результаты считались значимыми при Р ≤ 0,05.

e_content "> портативный тренажер осадков, что была использована в данном исследовании отвечает требованиям к конструкции 15 и протокол, который был разработан Национальным фосфора проекта 16. В США и Канаде, эта конструкция тренажера и протокол был широко принят в качестве стандартного метода для использовать при определении и растворенного и взвешенного с привязкой к потери фосфора в сток. Хотя образцы были проанализированы стоки для мочевины, а не фосфора, способ применения единообразного и последовательного осадки в упакованный почвы коробки такой же, как тот, который кратко описаны в Национальном фосфора Протокол моделирования осадки Проект.

Protocol

1. Почва Сбор и подготовка Сбор почву от поверхностном горизонте почвенного профиля, чтобы точно представлять физические и химические условия поверхности почвы. Примечание: Если возможно Почва должна быть собрана из лучших 5 см от поверхности. Площадь для сбора грунта должен быть достаточно небольшим, чтобы ограничить изменение физического почвы и химических свойств. Просеять почву через грубый (20 мм) экран, чтобы удалить камни. Примечание: просеивание легче, если почва несколько влажной. Распространение просеивают почву на тяжелой брезента в тонком слое для облегчения сушки, предпочтительно в теплице или теплой помещении. Смешайте почву лопатой, граблями или, потянув за края брезента с одной стороны на другую, как будто складной гигантский кальцоне. Примечание: Будьте осторожны, не копировать и не рвите брезент с краю лопатой или граблями. Повторите эту процедуру несколько раз, пока почва не тщательно перемешивают. Возьмите 10 образцов изразличные места в куче тщательно смешанного грунта и провести тест Mehlich-3 фосфора 17, чтобы проверить на однородности. Примечание: Однородность достигается, когда результаты 10 образцов имеют коэффициент вариации (КВ) <0,05. Где: CV = стандартное отклонение / среднее. Если CV теста Mehlich-3 фосфора является> 0,05, еще раз перемешать почву и повторите тест однородности. 2. Упаковка для внесения Коробки Примечание: почвы коробки должны быть одинаковой объема с одинаковыми размерами длины, ширины и глубины (100 см х 20 см х 7,5 см) с девятью 5-мм сливных отверстий в дне. Ящики должны иметь 5-см губу и сбора желоб на одном конце (рис. 1). Линия нижней части коробки с 4-слойные сыра тканью, чтобы сохранить почву от вымывания из отверстий в коробке, позволяя воде течь через когда почва насыщена. Пакет первую коробку почвы, выкапывая достаточно сушат, просеивают и однороднойnized почву в поле, чтобы заполнить его около половины глубоко, когда сглаживаются (около 3,5 см). Распространение почву равномерно и упаковать его с плоской кирпича. Примечание: Почва должна быть достаточно сухой, чтобы он не компактный под давлением кирпича. Добавить еще 2 см почвы и уровень его с выравнивания колеи в переполненном глубине 5 см, высотой выступа коробки, что переливается в канаву (рис. 2). Взвесьте количество почвы, которая была добавлена ​​к первому упакованном рамки, и добавить такой же вес почвы для всех остальных полях. Пакет каждую коробку, чтобы достичь глубины почвы 5 см и равномерной объемной плотности. Вакуумные желобов почвы коробки, чтобы удалить почву, что разлитое в сточную канаву в процессе упаковки. 3. Монтаж почва Коробки в Дождь Simulator Расположите рамку, построенный из 2 х 6 в лечение давления пиломатериалов в центре осадков симулятор, на котором почва коробки шплохо быть размещены. Примечание: рама должна иметь поперечный элемент в середине, чтобы обеспечить жесткость. Размещение почвы коробки на бездонную рамы минимизирует всплеск, которые могли бы произойти из твердого платформы непосредственно под почвенно коробки и позволяет свободный отток из отверстий в нижней части коробки. Установите рамку на цементных блоков на высоте, что позволяет размещение сбора бутылок и воронки ниже носики на желобах сбора на фронте почвенных коробок, установленных на платформе. Далее поднять заднюю часть платформы, используя кирпичи, пиломатериалы и прокладки, например, что в задней части коробки почвы, размещенной на платформе 3 см выше, чем передней панели, в результате чего 3% уклоном. Измерьте наклон, помещая доска (> 100 см длины) на задней коробке почвы, установленных на платформе. Использование уровень плотника, удерживая уровень платы и поднять заднюю часть платформы, так что передняя коробки 3 см ниже борту уровня (рис. 3 </stronг>). Примечание: Убедитесь, что передняя и задняя часть платформы является уровень из стороны в сторону. Найдите точку прямо под верхним сопла и не ставить коробку в таком положении, чтобы избежать больших капель из сопла в начале или в конце мероприятия осадков от падения на коробке почвы, затем поместите пять или шесть ящиков равномерно расположенных на платформе . Отметьте положение коробки и всегда разместить ящики в этих же позициях. 4. Выбор источника воды для орошения Выбор источника воды для орошения, которая является относительно свободной от всех элементов и соединений, особенно интересны исследования. Анализ источник воды заранее исследования, чтобы определить чистоту воды. Примечание: Если необходимо, ионообменные смолы должны быть использованы для достижения желаемой чистоты воды. Предоставить основной источник воды в осадков симулятор, который превышает давление 8 атм и расход 5 галлонов в минуту. Примечание: Обычные муниципальные источники превышать эти минимальные требуютMENTS. При использовании воды баки и насосы, убедитесь, что насосы, способные доставлять водоснабжения, которая превышает минимальное давление и расход. 5. Выбор Размер форсунки для использования Выберите один из четырех стандартных размеров сопел, которые используются для дождевой моделирования. Примечание: Каждое сопло имеет оптимальное давление производительности и потока для достижения нужного размера капель и интенсивность (табл. 1). Выбор размера сопла для использования в конкретном исследовании определяется в зависимости от интенсивности (см / ч) природного случае осадков, которые будут представлены. 6. Дождь Simulator Операция Расположите (1) с одним рычагом шаровой кран (рис. 4) в закрытое положение, рычаг под углом 90 градусов через трубы, и повернуть на основного источника воды (муниципального или насоса). Поверните квадратный установочный винт на верхней части (3) Регулятор давления клапана (рис. 4) против часовой стрелки до гразвиваются давление и открыть (4) в линию клапан управления потоком следующий в очереди полностью. Откройте (1) с одним рычагом шаровой кран (рис. 4) полностью и регулировать (3) регулятора давления вентиль, повернув установочный винт по часовой стрелке для достижения примерно 8 фунтов на квадратный дюйм в манометром (6), расположенный в верхней части осадков симуляторе. Примечание: После того, как (3) Регулятор давления клапан был установлен на слегка превышает требуемое давление сопла, это не должны быть скорректированы в процессе работы с осадков тренажере, если только основных изменений давления источник воды. Частично закройте (4) клапан контроля потока в линию (рис. 4) до метра (5) течь читает приблизительное расход в галлонов в мин для сопла в использовании и (6) манометр показывает приблизительное пси для Сопло в использовании (табл. 1). Закройте (1) с одним рычагом шаровой кран (рис. 4), чтобы остановить поток без измененияскорость и параметры давления потока. 7. Насадка Калибровка и осадков Однородность Обложка отверстия в днищах 5 или 6 пустых почвы коробки с клейкой лентой, чтобы предотвратить попадание воды из коробок и поместите их в отмеченных позициях на деревянной раме (см. шаг 3.4). Статус и удерживайте длину 10 футов 2 дюйма ПВХ трубы с локтя 45 °, закрепленный на конце над соплом и открыть (1) с одним рычагом шаровой кран. Соберите выделения из трубы ПВХ в большом мерном цилиндре в течение 10 сек. Внести незначительные коррективы в (4) в линию клапаном регулировки потока и не повторять сек коллекции 10 до объема потока 10 сек матчей соответствующее значение для сопла в использовании (табл. 1). После того, как необходимый расход достигается, использовать значение по расходомера в качестве средства изменения мониторинга в потоке из-за возможных колебаний давления. Примечание: Для правильной калибровке сопла, Чте 10 расход сек является более точным показателем, чем чтение по расходомера. Снимите длину 10 футов из ПВХ трубы, чтобы позволить осадков смачивать область окна и обратите внимание на время осадков посвящения. Ровно через 10 мин резко остановить осадки, поместив 10 футов ПВХ трубы над соплом, чтобы отвлечь поток и закрыть (1) с одним рычагом шаровой кран. Измеряют объем воды (мл), собранные в каждой коробке, выливая в градуированный цилиндр, и рассчитать глубину осадков путем деления объема на (2000 см 2) площади дна коробки. Рассчитывают коэффициент вариации для глубины осадков. Примечание: Осадки однородность достигается, когда глубина осадков в 5 или 6 коробок имеет коэффициент вариации <0,05. Где: CV = стандартное отклонение / среднее. Если CV составляет не менее 0,05, включите сопло ¼ оборота туже и повторить процесс калибровки. Примечание: сопло, возможно, потребуется быть включена в несколько раздостичь CV менее 0,05. После того, как CV менее 0,05 достигается, повторите калибровку несколько раз, чтобы убедиться, что интенсивность осадков по всей трассы является последовательным. 8. Проведение Rainfall моделирование После калибровки, поместите упакованные почвы коробки в отмеченных позициях на деревянной раме (см. шаг 3.4). Позиция стоки для сбора бутылок и воронки под сливным носиками и предотвратить осадки от непосредственно падения в канаву с помощью скрепки, чтобы прикрепить экран на желоба (рис. 5). Повторите шаги 7,2-7,5 откалибровать расход сопла непосредственно перед событием осадков моделирования и инициировать осадков. Запишите время второго тура инициации для каждого ящика, когда вода слив через сливное отверстие получается от медленного капельного к непрерывным потоком. Соберите образцы стоков через заданные интервалы времени в ходе мероприятия, переключившись сбора бутылок или, по крайнейконец в случае заданный период времени. Для завершения событие осадков, остановить осадки, поместив 10 футов ПВХ трубы над соплом резко отводить поток и закрыть (1) с одним рычагом шаровой кран. Соберите образцы стока и рекордный объем с помощью мерного цилиндра или по массе, считая, что вода весит 1 г / см 2. Смешайте образцы тщательно так, чтобы все осадок в виде суспензии, а затем принять подвыборку для лабораторного анализа.

Representative Results

Одной из причин для проведения текущего эксперимент был исследовать факторы, которые могли способствовать к плохим результатам от предыдущего эксперимента, где потеря мочевины в стоке в настоящее время по сравнению в нескольких форм удобрений и навоза, которые содержали мочевину. Все процедуры были применены к почвам, которые были насыщенными и дают стечь в полевой влагоемкости. Результаты для пяти повторах лечения мочевины Prill варьировались от концентрации 1-12 мг / л мочевины-N в стоке. Этот порядок изменения величины среди повторах было неприемлемо в контролируемых условиях и приводил в замешательство результаты эксперимента. Сильная положительная связь между общим объемом стока и концентрации мочевины-N в стоке предложил, что физические условия, такие как упаковки или переменных предшествующих условий влажности из-за различных дренажных и осушительных условиях, были причинные факторы. Для того чтобы исследовать причину для такого экстремального изменения в Уреконцентрации Е.А. В стока, все коробки в текущем эксперименте были тщательно упакованы с равными весами равномерно смешанной ила суглинистой почве, как изображено на рисунках 1 и 2, чтобы минимизировать различия в физических условиях. Для достижения 50, 60, 70, 80, 90 и 100% емкости приближенного поля, как это определено путем смачивания, то печь сушки небольшое количество просеянного грунта, вес воды, необходимой для смачивания почвы в соответствующие предшествующие почвы увлажняет из 14 , 17, 19, 22, 25, и 27% рассчитывали, добавили в коробках, и оставляли для уравновешивания O / N. Моделирование осадков с последующим описано выше точное протокол и изображено на рисунках 3-5. 17 WSQ Полный Джет 3/8 HH сопло (табл. 1) был использован для доставки интенсивность осадков 3,2 см / час в течение минутного периода 40, что эквивалентно естественное событие осадков, что обычно происходит на ежегодной основе на восточном берегу из Чесапикского залива в штате Мэриленд. <pкласс = "jove_content"> в результате этого общие объемы стока, нагрузки, и поток взвешенных концентрации приведены в таблице 2. Был значительная положительная связь между общим объемом стока и предшествующей состоянии влаги (рис. 6). Wetter почвы было меньше возможностей для хранения воды и более низкие ставки инфильтрации в результате чего больших объемах стока. Существовал значительный отрицательная связь между время стока и предшествующей состоянии влаги (рис. 7). Вода проникла в сухих грунтах в течение более длительного периода времени, прежде чем они стали влажными вблизи поверхности, в результате чего стоки произойти. Не удивительно, что наблюдалась положительная связь между общей нагрузки мочевины-N в стоке и общего объема стока (рис. 8). Как известно в гидрологических исследований, объемный расход, как правило, важным показателем общей нагрузки. Как концентрация будет вести себя в ответ на событие стока менее предсказуема. Расход взвешенное concentratioн была рассчитывается путем суммирования нагрузок для каждого 2 мин коллекции стока и деления на общий объем стока. Это эквивалентно концентрации в одной коллекции стока в конце 40-минутного периода осадков. В этом исследовании, наблюдалось значительное положительная связь между потоком взвешенной концентрации в стоке и предшествующей состоянии влаги (рис. 9). Учитывая положительные линейные связи между объемом стока и предшествующей влажности почвы и поток взвешенного концентрации и предшествующей состояние влаги, значительное положительное соотношение между общей нагрузки мочевины-N и предшественник состояние влаги ожидалось. Однако, это значимая взаимосвязь была лучше описывается экспоненциальной уравнения (рис. 10). Для того чтобы визуализировать карбамидо-N потери в стоке с течением времени, отдельные концентрации 2 мин и кумулятивные нагрузки в одном репликации коробки почвы, представляющей каждый предшествующей CONDIT влагиионный построена на 40 мин времени количество осадков интервала (рис. 11). Хотя концентрации в стоке может несколько отличаться беспорядочно в течение долгого времени (например, в случае с 90% влаги), концентрации обычно начинают высоко и уменьшаться с течением времени. Полезных нагрузок с течением времени стали значительно мягче функции, и они иллюстрируют существенные отношения рассмотренные ранее. Время стока больше, концентрации мочевины-N в стоке ниже, и кумулятивные нагрузки меньше для сухих почвах. Хотя мочевины быстро гидролизуется в почвах, когда осадков выпадает в течение нескольких часов поверхностного внесения, большая часть N-прежнему присутствует в виде мочевины и подлежит потери стока. Мочевина является нейтральной молекулой и не сильно сорбируется на поверхности частиц почвы. Поскольку вода просачивается в более сухих почвах в начале события осадков он несет растворенного мочевины в почву и от поверхностной зоне стока. Когда стоки действительно начинает, там меньше мочевины пр.ESENT и концентрации в стоке ниже. С практической смысле, мочевина почти всегда должны применяться в соответствии сухих условиях, сельскохозяйственная техника не могла пройти почвы, которые на полную мощность поля. Рисунок 1. Схема упакованном стока окне почвы. Металлический ящик (100 см х 20 см х 7,5 см) с 5 см губы на переднем конце упакован с почвой на глубину 5 см. Стоки, что перетекает в 5 см губы собирается в прилагаемой желоба, который защищен от осадков падает прямо в сточную канаву. Девять отверстия диаметром 5 мм, чтобы вода, которая проникает в почву, чтобы слить из ящиков и предотвратить луж. Ниппель прилагается вблизи переднего края нижней части желоба позволяет сток воде стечь в воронок и сбора бутылок PositiONED ниже соска. Рисунок 2. Коробка упаковочные материалы. Около 4 слоя марли в нижней части окна предотвращают потерю почвы, но позволяют воде свободно стекать. Выравнивание калибр, состоящий из акрилового стекла зажатой между двумя досками, ширина которого достигает коробке (20 см) и как глубокий (2,5 см) как разность между боковым сторонам коробки (7,5 см) и в верхней части желоба (5 см). По отдыхает доску на краю коробки акриловое стекло используется для класса почвы на глубину желоба. Рисунок 3. Positioning платформу. Расположите платформу так, чтобы, когда упакованные почвы ящики находятся в положении, все они имеют одинаковый наклон. Для этого исследования, желаемый наклон составлял 3%. Удерживая уровень платы, поместите платформу так, чтобы вниз склон, желоба конец коробке 3 см ниже конца нарастания. Платформа должна быть на одном уровне в поперечном направлении ската. Рисунок 4. Дождь управления симулятор, начинающиеся от источника воды и прогрессирует через инженерного оборудования в сопло (1) Однорычажный шаровой кран:. Это быстрый запорный клапан. Рычаг в соответствии с трубы на; рычаг под углом 90 градусов через трубы выключен. Используйте этот клапан, чтобы включить поток и выключать, не нарушая клапаны, контролирующие давление и расход. Откройте полностью и закрыть полностью. Dо Не пытайтесь использовать этот клапан для контроля расхода. (2) Осадочный фильтр: Периодически проверяйте фильтр и заменить элемент, сколько необходимо для предотвращения засорения осадка. (3) Регулятор давления клапан: Этот клапан регулирует давление в линии с этого момента. Слишком большое давление может привести к поломке трубы, шланги или соединения. (4) управления потоком в линию клапан (задвижка): Этот клапан используется для точной настройки потока к соплу для того, чтобы достичь желаемого расхода и давления сопла. (5) Расходомер: Меры приблизительная расхода. (6) Манометр: Меры приблизительная давление на сопле. Рисунок 5. Коробки, расположенные на платформы для осадков моделирования. Поместите 5 или 6 коробок в отмеченных позициях для каждого события осадков моделирования. Не устанавливайте коробкунепосредственно под соплом для предотвращения попадания капель непосредственно на поверхность муфты. Рисунок 6. Общий объем стока положительно коррелирует с предшествующей влажности почвы (R 2 = 0,64). Рисунок 7. Время стока отрицательно коррелирует с предшествующей влажности почвы (R 2 = 0,48). Поверхность влажной почвы насыщает быстро. Дождь, что превышает гидравлическую проводимость насыщенного почве порождает стока. <img alt="Рисунок 8" FO: содержание-шир = "5 дюймов" FO: Пребывание "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" Первоначально "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" /> Рисунок 8. Общая нагрузка карбамидо-N положительно коррелирует с объемом стока (R 2 = 0,81). Различия в объеме стока сокрушить различия в концентрации мочевины-N в стоке. Рисунок 9. Расход взвешенная концентрация мочевины-N положительно коррелирует с предшествующей почвы содержание влаги (R 2 = 0,66). Сушилка почвы позволяют проникновение, что вымывает мочевины-N в почву и вдали от поверхности почвы. Когда стоки имеет место, меньше мочевины-N доступен на поверхности для движения в сток. 5 дюймов "FO: Пребывание" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "Первоначально" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/> Рисунок 10. Общая нагрузка карбамидо-N положительно коррелирует с предшествующей почвы содержание влаги (R 2 = 0,74). Положительные отношения между общим объемом стока и предшествующей влажности почвы, а также между потока взвешенных концентрации мочевины-N и предшествующей влажности в совокупности привести к экспоненциальной зависимостью (у = 0,2043 электронной 0.0405x). Рисунок 11. Концентрация мочевины-N и кумулятивные отношения нагрузки во времени на один репликации каждой предшествующей почвы conten влаги т. Хотя концентрация мочевины-N не всегда гладкая функция во времени, значительные отношения предыдущая лы обсудили могут быть визуализированы. Размер форсунки Интенсивность Оптимальное давление Поток 10 сек потока см / ч. пси галлонов в минуту мл 17 WSQ Полный Джет 3/8 HH 3.2 6.0 1.5 940 : 173px; "> 24 WSQ Полный Джет 3/8 HH 3.3 6.0 1.8 1140 30 Вт Полное Джет 1/2 HH 6.0 5.0 2.2 1250 50 Вт Полное Джет 1/2 HH 7.0 4.1 3.7 2300 Таблица 1. Размер сопла диаграммы. Размеры дюз, которые были определены для использования с этим осадков симулятора и связанного их интенсивности осадков, давления и параметров потока представлены. Выбор размера сопла зависит от требуемогоинтенсивности дождя. Интенсивность осадков и продолжительность соответствовать осадков случае определенного периода повторения для определенного места исследования. Размер сопла 17 WSQ был использован для этого исследования. Дождь 40 продолжительности мин при интенсивности 3,2 см / час эквивалентно естественное событие осадков, что обычно происходит на ежегодной основе на Восточном побережье Чесапикского залива в штате Мэриленд. Влажность почвы Всего стоки Расход взвешенных Общая нагрузка % Объем (л) концентрация (Мг мочевины -N) (Мг L-1 карбамидо-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 ч: 129px; "> 1,69 3.22 17 1.66 0.90 1.50 14 1.51 0.78 1.18 † цифры Повторяющиеся представляют два репликаций для каждого уровня влажности Таблица 2. Предшествующий влажность почвы, общий объем стока, расхода взвешенных концентрация мочевины-N и всего мочевина-N нагрузка после осадков моделирования. Повторяющиеся цифры представляют два репликаций для каждого уровня влажности

Discussion

Стоки в основном порождается двумя механизмами, инфильтрации избыточного стока и насыщения избыточного стока 18 и зависит от свойств почвы, предшествующей влажности почвы, топографии и интенсивности осадков. Дождь моделирование может быть использован для фиксации переменной интенсивности осадков и изучить один или несколько из оставшихся переменных. Интенсивность осадков и продолжительность может также управляться в ограниченном диапазоне для изучения путем изменения размера сопла. Наиболее важные шаги для проведения осадков моделирования исследования по упакованных почвы коробок являются: 1) обеспечение равномерного прикатывание почвы коробок; 2) контроль предшествующей содержание влаги в почве; 3) калибровки расхода для выбранного сопла так, чтобы размер капель и скорость приближается естественный осадки; и 4) установочное положение сопла в целях обеспечения единообразного осадки во всех почвенных коробки.

В конце процесса калибровки, после CV менее 0,05 достигается за осадков однородности по всей почвекоробки, калибровка 10 мин следует повторить несколько раз, чтобы гарантировать, что интенсивности осадков через трасс соответствует. CV также может быть рассчитана для единообразия через трасс. Если CV для единообразия через трасс меньше, что для равномерности осадков во всех коробках, рассмотреть группировки дублирующие процедуры в рамках отдельных трасс, чтобы минимизировать колебания между процедурами. В противном случае, чтобы уменьшить ошибку, связанную с положением коробки и через трасс, случайный обе процедуры и повторяет в соответствии с положением коробки, предпринимает шаги, чтобы ограничить размещение лечение в состоянии более одного раза.

Используя эту конструкцию осадков симулятор и стандартный протокол для правильной калибровке симулятор улучшит сравнения результатов различных исследований, проведенных различными исследователями. Данные, полученные таким образом, могут быть использованы для прогнозирования, что происходит при природных осадков и лучше понять процессы и факторы, которые контролируют потери в окружающую среду с неnpoint источниками загрязнения. Такие исследования могут дать ценные данные для использования в развивающихся моделей для предсказания судьбы и переноса осадков и химических загрязнителей в стоке в естественных условиях осадков.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа финансировалась частично за счет наращивания потенциала Грант присуждается в Университете штата Мэриленд восточном побережье (Umes) Национальным институтом сельского хозяйства и продовольствия. Авторы хотели бы поблагодарить Дона Махан (Umes) за помощь в создании осадков симулятор и в проведении осадков моделирования. Благодаря распространяются и на Дженис Donohoe (Umes) для выполнения лабораторных анализов и магистрантов студентов (Umes) за помощь в проведении эксперимента осадков моделирования и обработки образцов.

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