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Environment

Un protocolo para la realización de precipitaciones simulación para estudiar la escorrentía del suelo

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 simulador de lluvia se utiliza para aplicar una tasa constante de lluvias uniformes para cajas de suelo para llevar en un estudio sobre el destino y transporte de urea, una fuente contaminante ambiental no puntual. Bajo condiciones de suelo y precipitación, antecedente de contenido de humedad del suelo ejerce un fuerte control sobre la pérdida de la urea en el escurrimiento superficial.

Abstract

La lluvia es una fuerza impulsora para el transporte de los contaminantes ambientales de los suelos agrícolas a los cuerpos de agua superficiales a través de la escorrentía superficial. El objetivo de este estudio fue caracterizar los efectos de la humedad del suelo antecedente sobre el destino y el transporte de superficie aplica urea comercial, una forma común de nitrógeno (N) de fertilizantes, a raíz de un evento de lluvia que se produce dentro de las 24 horas después de la aplicación de fertilizantes. Aunque se supone urea para ser hidrolizados fácilmente a amonio y por lo tanto no suelen estar disponibles para el transporte, estudios recientes sugieren que la urea se puede transportar de suelos agrícolas a las aguas costeras en las que está implicada en la proliferación de algas nocivas. Un simulador de lluvia se utiliza para aplicar una tasa constante de lluvias uniformes en cajas de suelo topes que había sido prehumedecida a diferentes contenidos de humedad del suelo. Mediante el control de la precipitación y del suelo características físicas, los efectos de la humedad del suelo antecedente sobre la pérdida de urea eran isolated. Suelos más húmedos exhiben menos tiempo desde el inicio de las lluvias iniciación escorrentía, mayor volumen total de escorrentía, las concentraciones de urea superiores en la escorrentía, y mayores cargas masivas de urea en la escorrentía. Estos resultados también demuestran la importancia de controlar los antecedentes de contenido de humedad del suelo en estudios diseñados para aislar otras variables, como la física del suelo o de las características químicas, la pendiente, la cobertura del suelo, la gestión, o características de las lluvias. Debido a simuladores de lluvia están diseñados para ofrecer las gotas de agua de tamaño y velocidad similar a la lluvia natural, los estudios llevados a cabo en virtud de un protocolo estandarizado pueden dar datos valiosos que, a su vez, puede ser utilizada para el desarrollo de modelos para predecir el destino y transporte de contaminantes en el escurrimiento.

Introduction

Los impactos ambientales de la agricultura son una preocupación mundial y aumentando rápidamente, sobre todo en vista de las incertidumbres del cambio global. La lluvia es una fuerza impulsora para el transporte de los contaminantes ambientales de los suelos agrícolas a los cuerpos de agua superficiales a través de la escorrentía superficial. Un gran cuerpo de investigación se centra en una mejor comprensión de las interacciones entre las precipitaciones y las condiciones del suelo, ya que determinan las fuentes no puntuales de sedimentos, nutrientes, y las pérdidas de plaguicidas procedentes de los suelos agrícolas. El objetivo de este estudio fue caracterizar los efectos de la humedad del suelo antecedente sobre el destino y el transporte de superficie aplica urea comercial, una forma común de nitrógeno (N) de fertilizantes, a raíz de un evento de lluvia que se produce dentro de las 24 horas después de la aplicación de fertilizantes.

Hay pocos estudios sobre el destino y el transporte de la urea en el suelo, porque la urea se hidroliza rápidamente a amonio después de la aplicación de fertilizantes y therefore no suelen estar disponibles para el transporte. Sin embargo, estudios recientes sugieren que las cuencas hidrográficas de la urea se puede transportar de los suelos agrícolas a las aguas costeras y causan cambios hacia las poblaciones de organismos que producen toxinas dañinas 1,2. Tanto los experimentos de laboratorio y de campo han demostrado que cuando las diatomeas australis Pseudo-nitzschia productoras de ácido domoico (P. S Australi) se cultivó en la urea enriquecido de agua de mar, la cantidad de ácido domoico producido era mayor que cuando se crece en nitrato-o enriquecido-amonio agua de mar 3. Este estudio utilizó lluvia simulada para investigar los procesos que controlan el potencial de pérdidas de urea-N en el escurrimiento después de la aplicación de fertilizantes comerciales.

Debido a la variabilidad de la precipitación natural, simuladores de lluvia se han utilizado para aplicar tasas de precipitación uniformes sobre superficies de tierra o cajas de suelo envasados ​​para evaluar la escorrentía en condiciones controladas. Simuladores de lluvia fueron utilizados inicialmente para estudiar el suelola erosión 4. Sin embargo, en los últimos años se han utilizado para medir otros componentes de la escorrentía superficial y lixiviado de los suelos 5.7. Los estudios de campo utilizando la lluvia natural también se han llevado a cabo para evaluar las pérdidas de elementos del suelo en la escorrentía. Tendencias entre los datos de lluvia y de simulación de lluvia naturales siguen un patrón similar, señalando una coherencia en los procesos. Por lo tanto, la simulación de lluvia se puede utilizar en los estudios para predecir la ocurrencia probable de lo que sucede bajo la lluvia natural 8.

Una variedad de simuladores de lluvia se han desarrollado, y por lo general utilizar pulverizadores de boquilla para aplicar agua a tasas y duraciones deseadas. En términos de tamaño, simuladores de lluvia van desde un pequeño infiltrómetros portátil simple, con un 6 en la zona de lluvias diámetro 9 al complejo simulador de lluvia de Kentucky, que cubre una parcela 14.75 pies x 72 pies (4,5 mx 22 m) 10. Un defecto en el cuerpo de investigación que empsimulación de lluvia Loyed es que no existe un diseño estandarizado simple o protocolo para la realización de simulaciones de precipitación 11. De hecho, en el 2011 "Internacional precipitaciones Simulador Workshop" en la Universidad de Trier, Alemania, una comunidad de colaboración de científicos de 11 países participantes llegó a la conclusión de que se necesita una estandarización de simulación de lluvia y simuladores con el fin de garantizar la comparabilidad de los resultados y para promover una mayor desarrollos técnicos para superar las limitaciones físicas y limitaciones 12. Este estudio trata de abordar parcialmente esa necesidad mediante la presentación de una descripción detallada de un protocolo estandarizado para la realización de simulaciones de lluvia utilizando un simulador que ya está ampliamente adoptado para su uso en América del Norte.

Este experimento es parte de un estudio más amplio, diseñado para evaluar la fuente de urea en aguas de estuarios de la bahía de Chesapeake, donde se conocen las floraciones de algas tóxicas que ocurren anualmente. La objetividad específica e del experimento fue determinar el efecto del contenido de humedad antecedente del suelo sobre las pérdidas de urea en la escorrentía. Cajas de suelo duro Duplicar uniformemente se prehumedecida a uno de los seis diferentes contenidos de humedad que representan 50, 60, 70, 80, 90, y 100% de capacidad de campo. La urea fue aplicada por superficie en forma de gránulos, a razón de 150 kg N / ha. Dentro de las 24 horas los cuadros fueron sometidos a una lluvia uniforme de 40 minutos de duración a una velocidad de 3,17 cm / hora, lo que equivale a un evento de precipitación natural que ocurre comúnmente en forma anual en la costa oriental de la Bahía de Chesapeake en Maryland. Muestras de arrastre superficial se recogieron a intervalos de 2 min, se filtró inmediatamente utilizando un filtro de vidrio (0,45 m), y se almacenaron a 4 ° C hasta que se analizaron dentro de las 24 horas de la recogida. Las concentraciones de urea-N se determinaron por análisis de inyección de flujo colorimetría 13. Los datos fueron analizados utilizando SAS V.9.1 14, y los resultados estadísticos se consideraron significativas a P ≤ 0.05.

e_content "> El simulador de lluvia portátil que se utilizó en este estudio cumple con las especificaciones de diseño 15 y el protocolo que fue desarrollado por el Proyecto Nacional de Fósforo 16. En los EE.UU. y Canadá, este diseño del simulador y el protocolo ha sido ampliamente adoptado como el método estándar para utilizar en la determinación tanto disolvió y la pérdida de partículas de fósforo enlazado en el escurrimiento. Aunque se analizaron muestras de arrastre para la urea en lugar de fósforo, el método para aplicar uniforme y precipitaciones consistente para cajas embaladas del suelo es la misma que la que se describe brevemente en el fósforo Nacional protocolo de simulación de lluvia Proyecto.

Protocol

1. Recogida y preparación del suelo Recoger el suelo de la superficie del horizonte el perfil del suelo para representar con precisión las condiciones físicas y químicas de la superficie del suelo. Nota: Si es posible del suelo se recogerá a partir de los 5 cm de la superficie. El área para la recolección del suelo debe ser lo suficientemente pequeño como para limitar la variación en la física del suelo y propiedades químicas. Tamizar el suelo a través de un tamiz grueso (20 mm) para quitar las rocas. Nota: El tamizado es más fácil si el suelo está algo húmedo. Corre la tierra tamizada sobre una lona pesada en una capa delgada para facilitar el secado, preferiblemente en un invernadero o ambiente interior cálido. Mezclar el suelo con una pala, un rastrillo o tirando de los bordes de la lona de un lado a otro como si el plegado de una Calzone gigante. Nota: Tenga cuidado de no rasgar o rasgar la lona con el borde de una pala o un rastrillo. Repetir este proceso varias veces hasta que el suelo se mezcla a fondo. Tomar 10 muestras dediferentes lugares en el montón de tierra bien mezclada y llevan a cabo una prueba de fósforo Mehlich-3 17 para probar la homogeneidad. Nota: La homogeneidad se logra cuando los resultados de las 10 muestras tienen un coeficiente de variación (CV) de <0,05. Dónde: CV = desviación estándar / media. Si el CV del análisis de fósforo Mehlich-3 es> 0,05, continuar mezclando el suelo y repita la prueba de homogeneidad. 2. Embalaje Cajas de suelo Nota: Las cajas de suelo deben ser de volumen uniforme con idénticas dimensiones de longitud, anchura y profundidad (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) con nueve orificios de drenaje de 5 mm en la parte inferior. Las cajas deben tener un labio 5-cm y un canalón de recogida en un extremo (Figura 1). Línea de la parte inferior de las cajas con 4 capas de tela de queso para mantener el suelo de lavado fuera de los agujeros en la caja mientras que el agua fluya a través cuando el suelo está saturado. Embale el primer cuadro del suelo excavando bastante seca, se tamiza y homogéneanized suelo en la caja para llenarlo aproximadamente la mitad de profundidad cuando suavizado (aproximadamente 3,5 cm). Corre la tierra uniformemente y el paquete con un ladrillo plano. Nota: El suelo debe ser lo suficientemente seca para que no se compacta bajo la presión del ladrillo. Agregar otro 2 cm de suelo y nivelar a cabo con un medidor de nivelación a una profundidad lleno de 5 cm, la altura del labio de la caja que se derrama en el canal (Figura 2). Pesar la cantidad de tierra que se ha añadido a la primera caja de empaquetado, y añade el mismo peso de la tierra a todos los cuadros restantes. Embale cada caja para lograr una profundidad de suelo de 5 cm y densidad aparente uniforme. Vacío de las cunetas de las cajas de suelo para eliminar cualquier suciedad que se derramó en la cuneta durante el proceso de envasado. 3. Cajas de montaje de suelo en el simulador de lluvia Coloque un marco construido a partir de 2 de x 6 de madera tratada a presión en el centro del simulador de lluvia sobre la cual las cajas de suelo wenfermo colocar. Nota: El marco debe tener un elemento transversal en el medio para proporcionar rigidez. La colocación de las cajas de suelo sobre un marco de fondo minimiza splash que se produciría a partir de una plataforma sólida inmediatamente debajo de las cajas de suelo y permite el drenaje libre de los agujeros en el fondo de las cajas. Coloque el marco sobre bloques de cemento a una altura que permite la colocación de las botellas de recolección y embudos debajo de los caños en los canalones de recogida en la parte delantera de las cajas de suelo montados en la plataforma. Además elevar la parte posterior de la plataforma, utilizando ladrillos, madera y cuñas, de tal manera que la parte posterior de una caja de suelo colocado sobre la plataforma es 3 cm más alto que la parte delantera de la caja, lo que resulta en una pendiente 3%. Medir la pendiente mediante la colocación de una junta (> 100 cm de longitud) en la parte posterior de una caja de suelo montado sobre la plataforma. El uso de un nivel de carpintero, sostenga el nivel del consejo y elevar la parte posterior de la plataforma de tal manera que la parte frontal de la caja es de 3 cm por debajo de la placa de nivel (Figura 3 </strong>). Nota: Asegúrese de que la parte delantera y trasera de la plataforma esté nivelada de lado a lado. Localizar el punto directamente por debajo de la boquilla de la cabeza y evitar la colocación de una caja en esa posición para evitar grandes gotas de la boquilla al comienzo o al final de un evento de lluvia de caer en una caja de suelo, a continuación, colocar cinco o seis cajas uniformemente espaciados en la plataforma . Marque la posición de los cuadros y siempre colocar las cajas en estas mismas posiciones. 4. Selección de la fuente de agua de riego Seleccione una fuente de agua de riego que está relativamente libre de todos los elementos y compuestos, en particular los de interés para el estudio. Analizar la fuente de agua antes de la estudio para determinar la pureza del agua. Nota: Si es necesario, las resinas de intercambio deben ser utilizados para lograr la pureza deseada del agua. Proporcionar una fuente principal de agua para el simulador de lluvia que excede una presión de 8 psi y una velocidad de flujo de 5 gpm. Nota: Las fuentes municipales normales superan estos requisitos mínimosmentos. Si el uso de tanques de agua y bombas, asegúrese de que las bombas son capaces de entregar un suministro de agua que exceda la presión mínima y la tasa de flujo. 5. Selección del Tamaño de la boquilla de Usar Seleccione uno de los cuatro tamaños estándar de boquillas que se utilizan para las simulaciones de lluvia. Nota: Cada boquilla tiene una presión de rendimiento óptimo y el flujo para lograr el tamaño de gota adecuado y la intensidad (Tabla 1). Selección del tamaño de la boquilla para su uso en un estudio en particular se determina en relación a la intensidad (cm / hr) del evento de lluvia natural a ser representado. 6. Las precipitaciones Simulador Operación Coloque el (1) válvula de bola de una sola palanca (Figura 4) a la posición cerrada, la palanca en ángulo de 90 grados a través de la tubería, y encienda la fuente principal de agua (municipal o de la bomba). Gire el tornillo de ajuste cuadrado en la parte superior de la (3) de la válvula reguladora de presión (Figura 4) en sentido contrario para reducir la presión y abrir el siguiente en la línea (4) de la válvula de control de flujo en línea por completo. Abra la (1) válvula de bola de una sola palanca (Figura 4) y ajuste completo de la (3) de la válvula reguladora de presión girando el tornillo de ajuste hacia la derecha hasta alcanzar aproximadamente 8 psi en el (6) Medidor de presión situado cerca de la parte superior del simulador de lluvia. Nota: Una vez que el (3) válvula de regulador de presión ha sido ajustado a exceder ligeramente la presión de la boquilla deseada, no debería tener que ser ajustada durante el funcionamiento del simulador de lluvia a menos que los principales cambios de presión fuente de agua. Cierre parcialmente la válvula (4) en la línea de control de flujo (Figura 4) hasta que el metro (5) fluir lee la tasa aproximada de flujo en galones por minuto para la boquilla en uso y el (6) manómetro lee la psi aproximada para la boquilla en uso (Tabla 1). Cierre la (1) de válvula de bola única palanca (Figura 4) para detener el flujo sin cambiar lavelocidad y el ajuste de la presión de flujo. 7. Calibración de la boquilla y lluvia Uniformidad Cubra los agujeros en el fondo de los 5 o 6 cajas de suelo vacíos con cinta adhesiva para evitar que el agua se escape de las cajas y colocarlas en las posiciones marcadas en el marco de madera (véase el paso 3.4). Posición y mantenga una longitud de 10 pies de tubería de PVC de 2 pulgadas con un codo de 45 ° unido al extremo sobre la boquilla y abrir la (1) válvula de bola de una sola palanca. Recoger la descarga de la tubería de PVC en un gran cilindro graduado de 10 seg. Hacer pequeños ajustes al (4) de la válvula de control de flujo en línea y repetir las 10 colecciones seg hasta que el volumen de flujo de 10 seg coincide con el valor correspondiente a la boquilla en uso (Tabla 1). Una vez que se consigue la tasa de flujo correcta, utilizar el valor en el medidor de flujo como un medio de variación de seguimiento en el flujo debido a las posibles fluctuaciones de presión. Nota: Para calibrar adecuadamente la boquilla, the 10 seg volumen de flujo es una medida más exacta de la lectura en el medidor de flujo. Quite el largo de 10 pies de tubería de PVC para permitir la lluvia para mojar el área de la caja y tenga en cuenta el momento de la iniciación de las lluvias. Después de exactamente 10 min detener bruscamente la precipitación mediante la colocación de la tubería de PVC de 10 pies sobre la boquilla para desviar el flujo y cerrar el (1) de válvula de bola de una sola palanca. Medir el volumen de agua (ml) recogida en cada cuadro de vertiéndola en un cilindro graduado, y calcular la profundidad precipitaciones dividiendo el volumen por el área de la parte inferior de la caja (2.000 cm 2). Calcular el coeficiente de variación de altura de lluvia. Nota: la uniformidad precipitaciones se logra cuando la profundidad de la precipitación en los 5 o 6 cajas tiene un coeficiente de variación <0,05. Dónde: CV = desviación estándar / media. Si el CV no es inferior a 0,05, gire la boquilla de ¼ de vuelta más apretada y repetir el proceso de calibración. Nota: puede ser que necesite la boquilla que se volvió varias vecespara lograr un CV de menos de 0,05. Una vez que se logra un CV de menos de 0,05, repetir la calibración varias veces para asegurar que la intensidad de lluvia a través de carreras es consistente. 8. La realización de una simulación de lluvia Después de la calibración, colocar cajas de suelo envasados ​​en las posiciones marcadas en el marco de madera (véase el paso 3.4). Botellas de colección Posición escorrentía y embudos debajo de los canalones de desagüe y evitan las precipitaciones caigan directamente a la alcantarilla con un clip para adjuntar un escudo sobre el canalón (Figura 5). Repita los pasos 7.2 a 7.5 para volver a calibrar el caudal de la boquilla inmediatamente antes de un evento de simulación de lluvia e iniciar las lluvias. Registre el momento de la iniciación de escorrentía para cada caja cuando el drenaje de agua de la boquilla de drenaje se vuelve de un goteo lento en un flujo continuo. Recoger muestras de escorrentía en los intervalos de tiempo prescritos durante el evento por el cambio de botellas de recolección o alel final de un evento de duración predeterminada. Para terminar un evento de lluvia, detener la precipitación mediante la colocación de la tubería de PVC de 10 pies sobre la boquilla para desviar bruscamente flujo y cerrar el (1) de válvula de bola de una sola palanca. Recoger las muestras de escorrentía y volumen récord con una probeta o en masa asumiendo que el agua pesa 1 g / cm 2. Mezcle las muestras de fondo para que todos los sedimentos se encuentra en suspensión y luego tomar una submuestra para análisis de laboratorio.

Representative Results

Una de las razones para llevar a cabo el experimento actual fue explorar los factores que pueden haber contribuido a los malos resultados de un experimento anterior, donde la pérdida de la urea en la escorrentía se está comparando a través de varias formas de fertilizantes y abonos que contenían urea. Todos los tratamientos fueron aplicados a los suelos que habían sido saturadas y se deja pasar el líquido hasta la capacidad de campo. Resultados para cinco repeticiones del tratamiento prill urea variaron de concentraciones de 1-12 mg / L de urea-N en el escurrimiento. Este orden de magnitud de variación entre repeticiones fue inaceptable bajo condiciones controladas y confundía a los resultados del experimento. Una fuerte relación positiva entre el volumen total de la escorrentía y la concentración de urea-N en el escurrimiento sugirió que las condiciones físicas, tales como el embalaje o antecedentes condiciones de humedad variable debido a las diferentes condiciones de drenaje y secado, fueron factores causales. Con el fin de investigar la causa de esta variación extrema en urconcentraciones de ea en segunda vuelta, todas las cajas en el experimento actual se embalan cuidadosamente con pesos iguales de mezcla uniformemente sedimento arcilloso del suelo como se representa en las figuras 1 y 2 para minimizar la variación en las condiciones físicas. Para lograr 50, 60, 70, 80, 90, y 100% de capacidad de campo aproximada según lo determinado por humectación, a continuación, horno de secado de una pequeña cantidad de suelo tamizado, el peso de agua requerida para humedecer el suelo a las correspondientes humedades del suelo antecedente de 14 , 17, 19, 22, 25, y 27% se calculó, añadido a las cajas, y se dejó equilibrar O / N. La simulación de lluvia siguió el protocolo exacto descrito anteriormente y representado en las figuras 3-5. El 17 wsq Jet Completo 3/8 HH boquilla (Tabla 1) se utilizó para entregar una intensidad de lluvia de 3,2 cm / h durante un período de 40 minutos, que es equivalente a un evento de precipitación natural que ocurre comúnmente en forma anual en la costa oriental de la Bahía de Chesapeake en Maryland. <pclass = "jove_content"> El volumen total de escorrentía, cargas, y el flujo de las concentraciones ponderadas resultantes se resumen en la Tabla 2. Se encontró una relación positiva significativa entre el volumen de escorrentía total y la condición antecedente de humedad (Figura 6). Suelos más húmedos tenían menos capacidad para almacenar agua y las tasas de infiltración más bajas resultan en mayores volúmenes de escorrentía. Hubo una relación negativa significativa entre el tiempo de escurrimiento y condición de humedad antecedente (Figura 7). Agua infiltrada en suelos más secos para un período de tiempo más largo antes de que se convirtieron en húmedo cerca de la superficie, causando la escorrentía que se produzca. Como era de esperar, hubo una relación positiva entre la carga total de urea-N en el escurrimiento y el volumen total de escorrentía (Figura 8). Es bien conocido en los estudios hidrológicos que flujo de volumen es por lo general un fuerte predictor de carga total. ¿Cómo concentración se comportará en respuesta a un evento de escorrentía es menos predecible. Flujo concentratio ponderadan se calcula sumando las cargas para cada colección de escorrentía 2 min y dividiendo por el volumen total de escorrentía. Es equivalente a la concentración en una única colección de escorrentía al final del período de precipitación 40 min. En este estudio, se encontró una relación positiva significativa entre la concentración ponderada del flujo de la escorrentía y la condición antecedente de humedad (Figura 9). Dadas las relaciones lineales positivas entre el volumen de escorrentía y humedad del suelo antecedente y fluir concentración ponderada y condición de humedad antecedente, una relación positiva significativa entre la carga total de urea-N y se esperaba condición de humedad antecedente. Sin embargo, esta relación significativa fue descrito mejor por una ecuación exponencial (Figura 10). Con el fin de visualizar la pérdida de urea-N en el escurrimiento a través del tiempo, las concentraciones individuales de 2 min y cargas acumuladas en una réplica de una caja de suelo que representa cada Condit humedad antecedentede iones se representó gráficamente sobre el intervalo de tiempo 40 min precipitaciones (Figura 11). Aunque las concentraciones en la escorrentía pueden variar algo de manera irregular en el tiempo (por ejemplo, en el caso de la humedad 90%), las concentraciones generalmente comienzan alta y disminuyen con el tiempo. Cargas acumuladas a través del tiempo son funciones mucho más suaves, y se ilustran las relaciones relevantes discutidos previamente. Es hora de escorrentía es más largo, las concentraciones de urea-N en el escurrimiento son más bajos, y cargas acumuladas son menores para suelos secos. La urea se hidroliza rápidamente en el suelo, cuando la lluvia se produce pocas horas después de la aplicación de la superficie, la mayor parte del N es todavía presente en forma de urea y está sujeto a la pérdida de la escorrentía. La urea es una molécula neutra y no es absorbido fuertemente a las superficies de las partículas del suelo. Cuando el agua se infiltra en los suelos más secos durante la primera parte de un evento de lluvia que lleva urea disuelta abajo en el suelo y lejos de la zona de la escorrentía superficial. Cuando la escorrentía comienza, hay menos pr ureaESENT y las concentraciones en la escorrentía son menores. Desde un punto de vista práctico, la urea casi siempre se aplica en condiciones secas como maquinaria agrícola no podía atravesar los suelos que están en capacidad de campo. Figura 1. Esquema de la caja de la escorrentía suelo duro. Una caja de metal (100 cm x 20 cm x 7,5 cm) con un labio 5 cm en el extremo delantero está lleno de tierra a una profundidad de 5 cm. La escorrentía que se derrama sobre el borde de 5 cm se recoge en un canalón adjunto que está protegido contra la lluvia que cae directamente a la alcantarilla. Nueve hoyos 5 mm de diámetro permiten que el agua que se infiltra en el suelo para drenar de las cajas y evitar el encharcamiento. Un pezón unido cerca de la primera línea de la parte inferior de la cuneta permite que el agua de escorrentía fluya hacia embudos y botellas de recolección positioned debajo del pezón. Figura 2. Materiales de embalaje caja. Aproximadamente 4 capas de gasa en la parte inferior de la caja impiden la pérdida de suelo, pero permiten que el agua drene libremente. Un indicador de nivelación que consiste en vidrio acrílico intercalada entre dos tablas de madera es tan ancha como la caja (20 cm) y una profundidad (2,5 cm) como la diferencia entre los lados de la caja (7,5 cm) y la parte superior de la canaleta (5 cm). Al descansar el tablero en el borde de la caja, el cristal acrílico se utiliza para suelos de grado a la profundidad de la alcantarilla. Figura 3. Positioning la plataforma. Coloque la plataforma de modo que cuando las cajas de suelo duro están en posición, todos ellos tienen la misma pendiente. Para este estudio, la pendiente deseada fue del 3%. Mientras mantiene un nivel de tarjeta, coloque la plataforma de modo que la pendiente hacia abajo, al final del canal de la caja es de 3 cm por debajo del extremo cuesta arriba. La plataforma debe estar nivelada en la dirección de la pendiente transversal. Figura 4. Controles del simulador de lluvia a partir de la fuente de agua y que progresan a través del sistema de tuberías de la boquilla (1) Individual válvula de bola de palanca:. Esto es una válvula de cierre rápido. Palanca en línea con la tubería está encendido; palanca en ángulo de 90 grados a través de la tubería está apagado. Utilice esta válvula para activar el flujo dentro y fuera sin molestar a las válvulas que controlan la presión y el caudal. Abra completamente y cerrarse completamente. Do No intente utilizar esta válvula para controlar el caudal. (2) Filtro de sedimentos: Revise el filtro periódicamente y reemplace el elemento según sea necesario para evitar la obstrucción con sedimentos. (3) de la válvula reguladora de presión: Esta válvula controla la presión en la línea de aquí en adelante. El exceso de presión puede romper las tuberías, mangueras o conexiones. (4) de la válvula de control de flujo en línea (Válvula de compuerta): Esta válvula se utiliza para ajustar con precisión el flujo a la boquilla con el fin de conseguir el caudal deseado y la presión de la boquilla. (5) Metro de flujo: Medidas de caudal aproximado. (6) Manómetro: Mide la presión aproximada en la boquilla. Figura 5. Cajas situadas en la plataforma de simulación de lluvia. Lugar 5 o 6 cajas en las posiciones marcadas para cada evento de simulación de lluvia. Evite colocar una cajadirectamente debajo de la boquilla para evitar el goteo directamente sobre una superficie de la caja. Figura 6. Volumen total de escorrentía se correlaciona positivamente con el antecedente de humedad del suelo (R 2 = 0,64). Figura 7. Es hora de escorrentía se correlaciona negativamente con antecedente de humedad del suelo (R 2 = 0,48). La superficie de un suelo húmedo satura rápidamente. Las precipitaciones que excede la conductividad hidráulica del suelo saturado genera la escorrentía. <img alt="Figura 8" fo: content-width = "5in" fo: src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/51664/51664fig8.jpg" /> Figura 8. Carga total de urea-N se correlaciona positivamente con el volumen de escorrentía (R 2 = 0,81). Las diferencias en el volumen de escorrentía abruman las diferencias en la concentración de urea-N en el escurrimiento. La Figura 9. Concentración de flujo ponderado de urea-N se correlaciona positivamente con antecedente de humedad del suelo (R 2 = 0,66). Suelos más secos permiten la infiltración que se filtra la urea-N en el suelo y lejos de la superficie del suelo. Cuando el escurrimiento ocurre, menos urea-N está disponible en la superficie para el movimiento de la escorrentía. 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51664/51664fig10.jpg "/> Figura 10. Carga total de urea-N se correlaciona positivamente con antecedente de humedad del suelo (R 2 = 0,74). Las relaciones positivas entre el volumen de la escorrentía total y antecedente contenido de humedad del suelo y entre la concentración de flujo ponderado de urea-N y el contenido de humedad antecedente se combinan para dar lugar a una relación exponencial (y = 0,2043 e 0.0405x). Figura 11. La concentración de urea-N y las relaciones de carga acumuladas a través del tiempo por una sola vez los suelos antecedente conten humedad t. Aunque la concentración de urea-N no es siempre una función suave a través del tiempo, las relaciones significativas anterior mente discutida puede ser visualizado. Tamaño de la boquilla Intensidad Presión óptima Flujo 10 Flujo seg cm / hr psi gpm ml 17 wsq Jet Completo 3/8 HH 3.2 6.0 1.5 940 : 173px; "> 24 wsq Jet Completo 3/8 HH 3.3 6.0 1.8 1140 30 w Jet Completo 1/2 HH 6.0 5.0 2.2 1250 50 w Jet Completo 1/2 HH 7.0 4.1 3.7 2300 Tabla 1. Se presentan el tamaño de la boquilla gráfico. Tamaños de boquillas que se han identificado para su uso con este simulador de lluvia y su intensidad de lluvia asociada, la presión y los parámetros de flujo. Selección de tamaño de la boquilla depende de la deseadalas precipitaciones de intensidad. Intensidad de la lluvia y la duración corresponden a un evento de precipitación de un cierto período de retorno para un lugar de estudios especificado. Tamaño de la boquilla 17 WSQ se utilizó para este estudio. Las precipitaciones de 40 min de duración con una intensidad de 3,2 cm / h es equivalente a un evento de precipitación natural que ocurre comúnmente en forma anual en la costa oriental de la Bahía de Chesapeake en Maryland. La humedad del suelo Escorrentía total Flujo ponderado Carga total % volumen (L) concentración (Mg de urea -N) (Mg L -1 de urea-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 † Los números duplicados representan dos repeticiones para cada nivel de humedad Números de la tabla 2. Antecedente contenido de humedad del suelo, el volumen total de escorrentía, flujo ponderados concentración de urea-N y la carga total de urea-N después de la simulación de lluvia. Duplicar representan dos repeticiones para cada nivel de humedad

Discussion

El escurrimiento se genera principalmente por dos mecanismos, la infiltración del exceso de agua y exceso de saturación escorrentía 18 y está influenciado por las propiedades del suelo, la humedad antecedente del suelo, la topografía y la intensidad de las precipitaciones. Simulación de lluvia se puede utilizar para fijar la variable intensidad de la lluvia y el estudio de una o más de las variables restantes. Intensidad de la lluvia y la duración también se pueden controlar en un rango limitado para el estudio cambiando el tamaño de la boquilla. Los pasos más importantes para la realización de estudios de simulación de lluvia en las cajas de suelo para llevar son: 1) garantizar embalaje uniforme de cajas de suelo; 2) controlar el contenido de humedad antecedente del suelo; 3) la calibración de velocidad de flujo para la boquilla seleccionada de manera que el tamaño de gota y la velocidad se aproxima a la lluvia natural; y 4) el ajuste de posición de la boquilla para asegurar la precipitación uniforme a través de todas las cajas de suelo.

Al final del proceso de calibración, se logra una vez un CV de menos de 0,05 para la uniformidad de la precipitación a través de todo el suelocajas, la calibración de 10 min se debe repetir varias veces para asegurar que la intensidad de lluvia a través de carreras es consistente. Un CV también se puede calcular para la uniformidad a través de carreras. Si la CV uniformidad a través de carreras es menor que la de la uniformidad de la precipitación a través de todas las cajas, considerar la agrupación de tratamientos replicarse dentro de carreras individuales para minimizar la variación entre los tratamientos. De lo contrario, para reducir el error asociado con posición de la caja ya través de carreras, aleatorizar ambos tratamientos y replica de acuerdo a la posición de caja, tomar medidas para limitar la colocación de un tratamiento en una posición más de una vez.

El uso de este diseño de simulador de lluvia y un protocolo estándar para la calibración correctamente el simulador mejora la comparabilidad de los resultados entre los estudios realizados por diferentes investigadores. Los datos obtenidos de esta manera pueden ser utilizados para predecir lo que sucede bajo la lluvia natural y comprender mejor los procesos y factores que controlan las pérdidas en el medio ambiente de ningunanpoint fuentes de contaminantes. Tales estudios pueden arrojar datos valiosos para su utilización en el desarrollo de modelos para predecir el destino y el transporte de sedimentos y químicos contaminantes en el escurrimiento en condiciones de temporal naturales.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue financiado en parte por una Capacity Building subvención concedida a la Universidad de Maryland Eastern Shore (UMES) por el Instituto Nacional de Alimentación y Agricultura. Los autores desean agradecer a Don Mahan (UMES) por su ayuda en la creación del simulador de lluvia y en la realización de simulaciones de lluvia. Gracias también se extienden a Janice Donohoe (UMES) para la realización de análisis de laboratorio y estudiantes de pregrado estudiantes (UMES) por su ayuda en la realización del experimento de simulación de la lluvia y el procesamiento de las muestras.

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

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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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