The authors are grateful to the staff of USDA-ARS Pasture Systems and Watershed Management Unit. David Otto was important to both the design and construction of the custom made drop hammer (aka 'The Intimidator'). Michael Reiner and Terry Troutman assisted in the collection and construction of the lysimeters reported in this study. Sarah Fishel, Charles Montgomery and Paul Spock performed all of the nutrient analyses reported in this manuscript.

1. Vorbereitung des Materials <ol><li> Schneiden Sie den Hauptkörper der Lysimeter von 30,5 cm (12 Zoll) Durchmesser (ID; nominal) Schedule 80 PVC; Dies hat eine Wandstärke von 1,9 cm (0,75 inch) (Abbildung 1a). Schneiden Sie die Länge des Lysimeter Körper auf die Dicke der Bodenschicht in Abhängigkeit (en) studiert werden; Hier wird ein 53 cm (21 Zoll) langen Körper verwenden. Rout ein 0,63 cm tief von 45 ° Abschrägung um das untere Ende des lysimeter an der Innenwand des lysimeter Körper eine scharfe Vorderkante zu bilden, in Schneiden durch den Boden zu unterstützen. </li><li> Ändern einer 34,5 cm ID, flacher Boden PVC - Kappe durch einen 15,3 cm hoch 30,5 cm ID Ring von Schedule 80 PVC in die Kappe Verklebung um einen ungehinderten Abfluss des Wassers zu ermöglichen und Speicherkapazität für Sickerwasser vor der Entnahme (Abbildung 1b) zur Verfügung stellen. Schneiden Sie den Ring aus dem gleichen Lager wie der Hauptkörper als Kupplung dienen die Kappe mit dem Körper zu verbinden. Die Kappe wird mit einer flexiblen Kupplung und Schlauchschellen an den Körper verbunden werden (Figur 1c und 1d). Installieren Sie einen Port für die Probenentnahme durch ein 1,27 cm großes Loch gebohrt und mit einem 1,27 cm 14 NPT Rohrhahn tippen und drehen ein 1,27 cm Nylon Stachel-Stecker - Adapter (Abbildung 1e) in den äußeren Rand der Kappe , wo die Seitenwand und Boden treffen. </li><li> Schneiden Sie ein 34 cm - Durchmesser - Scheibe von 1,27 cm dicken Flachmaterial PVC , die verwendet wird , um den Boden der Lysimeter (Abbildung 1 g) zu decken. Drill 180, in gleichmäßigem Abstand von 0,32 cm. Löcher mit einem Durchmesser in die Scheibe Entwässerung von der Unterseite des Bodens gefüllten Lysimeter zu ermöglichen, die Kappe zu gelangen. Kleber Boden Tuch oder einem anderen Filtergewebe auf der einen Seite der Scheibe Boden, um zu verhindern, die durch die untere Platte während des Sickerwasserdrainage. </li><li> Bauen Sie heben Schere von 2,5 cm flach Eisen und 2,5 cm Wasserrohr (Abbildung 2). Schneiden Sie zwei der 2,5 cm-Bands von Flacheisen bis 50,0 cm Länge und biegen in einen Halbkreis der Außenseite des Lysimeter Körper als Leitfaden. Weld 5 cm bund an jedem Ende jeder Halbkreis Band. Registriert jedem der Bänder mit einem Scharnierstift. Schweißen Sie die Wasserleitung auf dem äußeren Ring der Bänder einander gegenüber. </li></ol> 2. Fahren Lysimeter Gehäuse in den Boden mit dem Gesenkschmieden <ol><li> Entfernen Oberfläche Vegetation, Felsen und andere Verunreinigungen aus Sammelgebiet. Position 2 Lysimeter Körper auf der Ebene , wo Lysimeter sind genommen werden (Abbildung 3a). Stellen Sie sicher, dass Lysimeter Ebene sind so, dass der Boden in der Säule einer einheitlichen Tiefe ist. </li><li> Fahren Sie einen speziell entwickelten, Anhänger montiert, Fallhammer an ihren Platz über die Lysimeter Körper. Wenn der Fallhammer vorhanden ist, einsetzen hydraulisch angetriebene Abstützungen, bis die Stahlplatte der Lysimeter Körper mit dem Boden und oben zu nivellieren. Die Ausleger stellen auch Stabilität für den Fallhammer (Abbildung 3b). </li><li> Teilweise hissen die 10,2 cm dick, 1,52 m von 1,52 m quadratische Stahlplatte der 1.180 kg ein 3-m-Turm mit Hilfe von Wiegeeine mechanische Winde (Abbildung 3b). Lassen Sie die Stahlplatte die Spalten in den Boden zu hämmern. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 2.3 mehrmals , bis die Säule Felge 2 cm über der Bodenoberfläche (3c). </li><li> Prüfen, zur Bodenverdichtung in der lysimeter durch die Tiefe des Bodens Messung innerhalb als auch außerhalb der Kolonne. Wenn der Boden in der Säule mehr als 1 cm niedriger als Boden außerhalb der Kolonne, werden Böden kompaktiert und sind für die Forschung nicht geeignet. </li></ol> 3. Entfernen der Bodenkern <ol><li> Legen Sie eine perforierte PVC - Platte (Abbildung 1c) und flexible Rohrkupplung (Abbildung 1d) über die Säule Kontamination durch Boden und andere Verunreinigungen während des Abbauprozesses zu verhindern. </li><li> Einen Graben neben dem Erdkern und etwas tiefer als die Kolonnenboden mit einem Baggerlader (4a). </li><li> Widen das Loch mit einer Schaufel oder Pick (4b) und freizulegen , wie much von der Außenseite des Zylinders wie möglich. </li><li> Schieben Sie ein Schwermetallgrabstange entlang der gesamten Länge der Seite der Säule nach unten , so dass er zwischen dem Boden und außerhalb Säulenwand (4c) ist. </li><li> Lösen Sie die Grabstange hin und her, bis der Boden-Schnittstelle am unteren Ende der Säule gebrochen ist. </li><li> Rahmen , um die Aufhebung einer Schere um die Spitze des Lysimeter (siehe Abbildung 2) in Vorbereitung für die Boden Entkernung. Mit einer Person jeden Takt halten, nach oben ziehen, bis die Schere fest um die Säule zu schließen und heben Sie die Lysimeter aus dem Loch. Legen Sie die Lysimeter auf eine ebene Arbeitsfläche wie Stück Sperrholz. </li></ol> 4. Vorbereitung der Bodenkern für Lysimeter Montage <ol><li> Klappen Sie den Boden Kern über, so dass die Unterseite nach oben. Die hölzerne Sperrholz Platte im Schritt installiert 3.1 wird die Erde in Position zu halten. </li><li> Sanft ebnen den Boden ein, auch mit dem Rand des PVC (5a) with einer geraden Kante. Entfernen Sie Steine ​​oberhalb der Ebene des Randes mit einem Stift Messer oder Schraubendreher vorsteht. </li><li> Füllen Sie alle Hohlräume mit chemisch inerten Spielsand und vorsichtig packen (Abbildung 5b). </li><li> Grade der Sand auch mit dem Kolonnenboden mit einer geraden Kante und entfernen Sie überschüssigen Sand (5c und d). </li><li> Reinigen Sie Boden von der Felge und die äußeren Seitenwände der Lysimeter mit einem Pinsel oder mit leichtem Schlag den Rand und dafür sorgen, dass der Rand sauber ist für Klebstoffe zu halten und für eine eng anliegende Pass der Kappe. </li></ol> 5. Montage der Lysimeter <ol><li> Extrudieren eine kontinuierliche runde Perle aus klarem Silizium abdichten um den Rand des Lysimeter (Abbildung 6a). Die abdichten sollte dick genug sein, um die Lochscheibe unten auf die Lysimeter zu versiegeln und zu verhindern undicht. </li><li> Legen Sie die Lochscheibe (Abbildung 1c) auf die Felge mit dem Filtergewebe um den Sand mit Blick auf unddrücken Sie fest guten Kontakt der Platte und Lysimeter zu ermöglichen. </li><li> Bohren Sie acht gleichmäßig verteilte Vorbohrungen um den Rand der Platte und befestigen Sie die Lochscheibe mit 1,0 - Zoll - Edelstahlschrauben mit einem Bohrschrauber (Abbildung 6b). </li><li> Verrutschen die flexible Rohrkupplung auf die lysimeter Basis so dass etwa 2 cm der Kupplung ist über dem lysimeter Rand (5c) hervorsteht . </li><li> Den modifizierten PVC - Kappe in die flexible Rohrverbindung (6c), und drücken Sie die Kappe nach unten , bis es Kontakt mit dem Lysimeter Körper macht. Mit einem Holzblock auf der Oberseite der Kappe einen Holzhammer vorsichtig auf die Kappe an der Stelle tippen. </li><li> Legen Sie die Befestigungsbänder in den Rillen der Kupplung und sichern die leichte Schulter, ohne die Kupplung einzuengen. Ziehen Sie die Metallkomponenten um die Kopplung mit einer Hand gehalten 1/4 Zoll-Inbusschlüssel, bis die Lysimeter Kappe fest an ihrem Platz gehalten wird. Die Lysimeter ist bereit, zu einem Klima cont gekippt und transportiert werdengewalzten Anlage. </li></ol> 6. Installieren der Feuchtesensoren <ol><li> Scribe eine 5 cm lange, horizontale Linie auf dem Lysimeter Wand bei 5 und 25 cm Tiefe. Messen Sie von der Bodenoberfläche und nicht den Rand des Lysimeter. </li><li> Bohren Sie ein 1,0 cm Durchmesser Loch durch die Wand des Lysimeter an jedem Ende der markierten Linien. </li><li> Schneiden Sie die restlichen 3 cm aus Kunststoff zwischen den Bohrungen entfernt mit einem rotierenden Schneidwerkzeug. </li><li> Meißel eine 1 cm dicke von 5 cm langen Schlitz in den Boden des Gehäuses eines Feuchtigkeitssensors aufzunehmen (zB Decagon). </li><li> Schieben Sie den Feuchtigkeitssensor in das Loch in den Schlitz gereinigt, bis die Sensor Zinken fest im Boden vergraben sind und dass nur der Draht aus dem Lysimeter klebt. </li><li> Saubere Erde von den Wänden des Schlitzes mit einer Bürste oder Lappen. </li><li> Tragen Sie eine dicke Raupe aus Silikon abdichten in den Schlitz, damit kein Wasser austritt. Nach dem abdichten getrocknet ist, einen zweiten Zyklus von Silikon zu en geltensicher, dass alle Lücken in dem Loch, um den Sensor umgebenden abgedichtet sind. </li></ol> 7. Vorbereitung Lysimeter für Sickerwassersammel <ol><li> Seal Lücken zwischen dem Boden und Lysimeter Wand mit abdichten das Risiko einer bevorzugten Strömung nach unten die Innenwände des Lysimeter zu reduzieren. <ol><li> Pierce und in einem Standard-Verteilerpistole ein Rohr aus klarem Silikon abdichten laden. </li><li> Legen Sie Spitze abdichten Röhre zwischen Leere im Boden gefüllt werden und der Innenseite des Lysimeter Körpers. Drücken Sie die Spitze des abdichten Pistole unter dem Boden etwa 2 cm. Drücken Sie die caulk aus der Röhre, bis sie die Leere und sickert über der Bodenoberfläche ausfüllt. </li></ol></li><li> Set Lysimeter auf einer Bank oder einer flachen Oberfläche und robust genug , um das Gewicht von mehreren Lysimeter und hoch genug zu handhaben freien Abfluss von Wasser in einen 4,0 l Krug (Abbildung 7) zu ermöglichen. </li><li> Überprüfen Sie, dass Bodenkern Lysimeter nivelliert werden in allen Richtungen mit einem kleinen (15 cm) Wasserwaage. Bei Bedarf place Unterlegscheiben unter Lysimeter, bis die Bodenoberfläche vollständig nivelliert ist. </li><li> Wickeln Sie Teflonband um das Gewinde Nylon Rohrverbindung (0,5 Zoll NPT) und drehen Sie den Beschlag im Uhrzeigersinn in die Kappe. Ziehen Sie die Armatur mit einem verstellbaren Schraubenschlüssel, bis keiner der Fäden sichtbar sind. </li><li> Schieben Sie eine 0,5-Zoll-Schlauch auf den stacheligen Ende des Nylon-Fitting und schneiden Sie den Schlauch so, dass es etwa 4,0 cm in den Mund der Sammlung Krug geht. </li><li> Stellen Sie den Behälter unter dem Lysimeter und legen Sie den Schlauch in der Sammlung Krug. </li></ol> 8. Bewässern Lysimeter und Sammeln von Sickerwasser <ol><li> Decken Sie die Bodenoberfläche mit Mull oder anderen durchlässigen, chemisch inerte Stoff zu schützen und Bodenaggregate und Oberflächen Rückstand bewahren. </li><li> Messen Sie 1.450 ml VE-Wasser in einen Messzylinder und gießen Sie sie in Gießkanne, mit Duschkopf ausgestattet. Sanft und gleichmäßig streuen das Wasser über das Gewebe mit einer Geschwindigkeit, die nicht distu nichtrb die Bodenoberfläche. </li><li> Warten Sie eine Zeit für Wasser eine Perkolat durch die Bodensäule in die Kappe und Sammelbehälter zu infiltrieren. </li><li> Tipp Lysimeter in der Richtung auf die Austrittsöffnung, bis das gesamte Wasser aus dem Lysimeter Behälterdeckel in den Auffangbehälter abgelassen wird. </li><li> Messen Sie die Masse von Sickerwasser mit einer Skala gesammelt und konvertieren Masse in Gramm zu ml (unter der Annahme, dass 1,0 g Wasser ist äquivalent zu 1,0 ml). Gießen Sie die Sickerwasserprobe in 350 ml sterilen Plastikprobenflasche. Filter sofort 50 ml mit einem Absaugtrichter mit 0,45 um Filterpapier in Vorbereitung auf die Analyse Nitrat über Fließinjektionsanalyse 31 unter Verwendung von Kolorimetrie. </li><li> Store gefiltertem und ungefiltertem Teile der Proben in einem Kühlschrank und 4 ° C bis zur Analyse. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interests.

Wichtige Schritte der Lysimeter-Sammlung Leaching Studien zeigen den Einfluss von Bodeneigenschaften und Gülle-Management auf Stickstoffverluste zu flachen Grundwasser. Bodenphysikalische Eigenschaften wie Bodenbeschaffenheit, Aggregatstruktur und Schüttdichte vermitteln die Versickerung von Wasser und gelöste Stoffe. Genaue Konzentrationen Sickerwasser Volumen und Stoff Bestimmung hängt von der Integrität dieser bodenphysikalischen Eigenschaften während der Lysimeter Sammlung Halte du...

Die Delmarva Halbinsel grenzt an das östliche Ufer der Chesapeake Bay und ist die Heimat einer der größten Geflügelproduktion Regionen in den USA. Rund 600 Millionen Hühner und schätzungsweise 750.000 Tonnen Gülle aus der Produktion dieser Vögel erzeugt jedes Jahr 1. Der größte Teil der Gülle wird lokal als Düngemittel Änderung auf landwirtschaftlichen Feldern verwendet. Aufgrund der historisch hohen Raten der Ausbringung von Dung, Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor sind im Boden angesammelt und sind jetzt anfällig für Off-Site - Verluste über unterirdische Auslaugung 2. Ein großer Teil der Grundwasserströmung in Richtung auf ein ausgedehntes Netz von Gräben gerichtet , die letztlich 3 an die Chesapeake Bay abtropfen lassen. Die Nährstoffe in die Bucht durchgeführt werden , um den Rückgang der Gesundheit 4 aufgrund von Eutrophierung Bay verbunden. Anschließen Nährstoffmanagement mit Off-Site-Verluste von Nährstoffen erfordert spezielle Werkzeuge Hydrologie zu überwachenStröme und die damit verbundenen Nährstofftransfer. Lysimeter sind eine große Kategorie von Instrumenten zur Charakterisierung und die Bewegung von Nährstoffen durch Böden zu quantifizieren. Lysimeter haben eine lange Geschichte der Verwendung bei der Überwachung der Nährstoffzufuhr in Wasser durchsickert 5-7, von Spannung Lysimeter , die angepasst werden kann , um Bodenmatrix Potential entgegenzuwirken , so dass sie bessere Schätzung Anlage verfügbar Wasser, auf Null-Spannung Lysimeter repräsentativere von Prozessen während der freien Entwässerung auftreten. Alle Ansätze vorhanden inhärenten Verzerrungen zu lysimetery. Zum Beispiel sind einige Lysimetern zu klein , um vollständig räumlich komplexe Prozesse in natürlichen Böden, oder sind zu groß und teuer , um eine gute statistische Replikation von heterogenen Böden 8 darstellen. Ferner über ihnen Pfanne Lysimeter erfordern Böden Sickerwasser zu sammeln gesättigt zu sein und ineffizient sind im Vergleich zu Spannung Lysimeter bei Strömungs Matrix Messung 9. Geschlossene Lysimeter Systeme,wie Null-Spannung Bodenkern Lysimeter (auch als Bodenmonolithen Lysimeter bekannt), verbessern die Sicherheit , mit der Wasserhaushalt und die damit verbundenen Schadstoff Budgets (zB Nährstoffbilanzen) werden 10 durchgeführt. Diese Lysimeter sind die meisten Vertreter, wenn sie intakt Kerne des Bodens enthalten; Lysimeter mit umgepackt Böden gefüllt nicht die ursprüngliche Struktur, Horizonte und MacroPore Verbindungen pflegen, die den Transport von gelösten Stoffen und Partikelverbindungen gleich 11,12 beeinflussen. Von einem experimentellen Standpunkt, Ansätze , die größer ist die Replikation von ungestörten Bodenbedingungen zu erleichtern sind von Vorteil, da die inhärente räumliche Variabilität , die 13 im Boden physikalischen und chemischen Eigenschaften existiert. Fallhammer und Schneidkopf: Zwei bevorzugte Verfahren wurden für das Sammeln von intakten Bodenkern Lysimeter eingesetzt. Erstere hat häufiger durchgeführt worden ist, wie es mit den Geräten so einfach wie ein Schlitten Schinken erreicht werden kannmer (kleinere Lysimeter). Wenn sie richtig durchgeführt wird, Bodenkern Sammlung mit einem Fallhammer wurde relativ erwiesen kostengünstig, vor allem im Vergleich mit anderen Entkernungs Techniken. Allerdings verhängten die Scherkräfte durch ein Lysimeter Gehäuse in den Boden fahren kann Verschmieren und Verdichtung führen, Bedingungen innerhalb der Lysimeter produzieren , die nicht repräsentativ für Scholle und können sogar bestimmte Arten von Wasserbewegung (zB Bypass - Strömung oder entlang begünstigen der Bodenkern Kante). Als Ergebnis haben einige Forscher die Verwendung von Loten bevorzugt , dass eine intakte Boden mit einer Bohrvorrichtung oder andere Aushubvorrichtung 5 abgeschnitten. Verschiedene Materialien wurden als Gehäuse für Bodenkern Lysimetern verwendet. Stahlrohre und Gehäuse sind vergleichsweise kostengünstig, haltbar und leicht erhältlich und können verwendet werden größere Lysimetern zu sammeln aufgrund ihrer Stärke 14-17. Während jedoch Stahl ist zufriedenstellend für die Auslaugung von rel Bewertunglativ unreaktive Verbindungen wie Nitrat, reagiert das Eisen in Stahl mit Phosphat und damit beschichtet werden müssen oder auf andere Weise für das Studium von Phosphor Laugung behandelt. Üblicherweise werden Kunststoffhüllen verwendet Phosphor Auslaugung, wie dickwandige (Schedule 80) PVC - Rohr zu untersuchen, die die Auswirkungen eines Fallhammers standhalten kann (falls verwendet) und seine Struktur beibehält , wenn größeren Durchmesser Bodenkerne erhalten werden (beispielsweise ≥30 cm) 18-22. Im Allgemeinen sind Erdkern Lysimeter ex situ analysiert. Einmal gesammelt, Bodenkern Lysimeter kann im Freien &quot;Lysimeter Farmen&quot;, wo umgebenden Boden und über dem Boden Klimata natürlichen Feldbedingungen darstellen installiert werden. Zum Beispiel in Schweden hat die schwedische Agricultural University drei separate Lysimeter Betriebe in den letzten drei Jahrzehnten aufrechterhalten, Pestizid Schicksal-Transport, langfristige Bodenfruchtbarkeit Studien und Management-Praktiken zu analysieren, die zu 30 cm Durchmesser inta skaliert werden kannct - Kerne 23. Bodenkern Lysimeter haben auch Innen-Auslaugung Experimenten unterzogen worden , wo es eine größere Kontrolle der klimatischen Bedingungen 24,25 ist. Liu et al. Verwendet , um einen Niederschlag - Simulator regelmäßig Bodenkern Lysimeter unter einer Reihe von Zwischenfrüchten 26 bewässern. Kibet und Kun alle Hand Bewässerung verwendeten Techniken Arsen und Nährstoffauswaschung durch Bodenkerne 27,28 zu studieren. Eine Vielzahl von edaphic und hydrologischen Prozesse können von Bodenkern Lysimeter zu entnehmen. Kun et al. (2015) verwendet , 30 cm Durchmesser PVC Säule Lysimeter Stickstoffauswaschung nach Harnstoff - Anwendung 28 zu untersuchen. Durch das Sammeln von Sickerwasser zu verschiedenen Zeitintervallen nach einer Bewässerungs Ereignis konnten sie zwischen An- und Abschwellen Ströme zu differenzieren, wobei ersteres dominiert werden durch Makropore Strömungs angenommen, und die angenommene später von Matrix Fließ dominiert. Da Harnstoff wird leicht bei Kontakt wi hydrolisiertth Boden, interpretiert sie das Vorhandensein von erhöhten Harnstoffkonzentrationen in Sickerwasser kurz nach Harnstoff-Anwendung als Beweis für MacroPore Transport gesammelt, die die Bodenmatrix umgangen. Im Laufe der Zeit sie erhöhte Konzentrationen von verschiedenen Formen von Stickstoff in Sickerwasser, Verfolgen der Transformation angewendet Harnstoff zu Ammonium nach der anfänglichen Hydrolyse, dann ist die Umwandlung von Ammonium zu Nitrat mit Nitrifikation detektiert. Zur Veranschaulichung Überlegungen bei der Gestaltung, Durchführung und Bodenkern Lysimeterexperimente Interpretation führten wir eine Untersuchung von vier verschiedenen Böden in der Mitte des Atlantischen Küstenebene USA herausgefunden. In der Studie wurde Auslaugung Konzentration und den Verlust von Nitrat vor und nach der Anwendung von trockenem Geflügelmist (dh Geflügel &quot;Wurf&quot;) 28. Nährstoffverluste aus der Anwendung von Geflügel Streu Böden sind ein wichtiges Anliegen für die Gesundheit der Chesapeake Bay, und das Verständnis der Interaktion der angewandtenHühnermist und landwirtschaftlichen Bodeneigenschaften erforderlich Nährstoffmanagement Empfehlungen zu verbessern. Wir stellen Ihnen hier eine detaillierte Verfahren für intakte Bodenkern Lysimeter Extrahieren, Bodenfeuchte Verfolgung und Interpretation der Differenz Nitratauswaschung Verluste aus diesen Böden. Dieses Experiment ist Teil einer größeren Studie Nährstoffauswaschung aus landwirtschaftlichen Böden der Delmarva Halbinsel, USA 27,28 zu beurteilen. Bodenkern Lysimeter wurden von Standorten in Delaware, Maryland und Virginia gesammelt im Jahr 2010. Hier sind wir nicht veröffentlichte Ergebnisse aus diesen Studien präsentieren. Obwohl die ersten Experimente durchgeführt wurden, Phosphor Auslaugung, Nitratauswaschung aus Thesen Böden zu beurteilen, wurde ebenfalls überwacht. Vier gemeinsame landwirtschaftliche Böden vom Atlantischen Küstenebene der Chesapeake Bay Watershed beprobt: Bojac (grob lehmig, gemischt, semi-aktiven, thermische Typic Hapludult); Evesboro (mesic, beschichtet Lamellic Quartzipsamment); Quindocqua (fein lehmig, gemischt, lebendig, mesic Typic Endoaquult); Sassafras (fein lehmig, silikatischen, semi-aktiven, mesic Typic Hapludult). Für jeden Boden wurde horizon Morphologie aus den Profilen von der Grabungs der Säulen (Tabelle 1) ausgesetzt beschrieben. Oberflächenstrukturen der Böden reichten von Sand (Evesboro) feinem Sand / sandiger Lehm bis lehmig (Bojac und Sassafras) Lehm zu versanden (Quindocqua). Obwohl alle Böden historisch mit Hühnermist gedüngt worden war, hatte keiner in den 10 Monaten vor der Studie angewendet wurde. Alle Böden hatten mindestens eine Saison in Direktsaat-Maisproduktion seit vor der Bodenkern Lysimeter Sammlung. Nach der Entnahme Bodenkern Lysimeter wurden dem USDA-ARS simulatorium Anlage in State College, PA transportiert. Da waren sie unterliegen Innen Bewässerung Experimente (22-26 ° C) Nährstoffauswaschung zu beurteilen, zu Geflügel Streu-Anwendung zusammen. Speziell,Lysimeter wurden für 8 Wochen mit 2 cm Wasser pro Woche bewässert, bis Nitrat in Perkolat zwischen den Böden ins Gleichgewicht gebracht wurde. Geflügel Streu (trocken Geflügelmist) wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 162 kg ha an der Oberfläche aller Böden aufgebracht -1 von insgesamt N. Die Bewässerung wurde für 5 weitere Wochen fortgesetzt. Feuchtesensoren kontinuierlich volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt in Abständen von 5 Minuten aufgezeichnet, während des Be- und Auslaugung Zyklus. Sickerwasser wurde nach 24 Stunden gesammelt und wieder 7 Tage später zurück unmittelbar vor der Bewässerung. Sickerwasser Daten aus den Bodenkern Lysimeter wurden mit einfachen deskriptiven Statistiken analysiert Unterschiede in Sickerwassermenge und Qualität zwischen Böden zu verdeutlichen, sowie Unterschiede vor und nach dem Wurf-Anwendung. Da Bodenfeuchtesensoren in nur zwei der Wiederholungs Erdkern Lysimeter für jeden Boden gelegt wurden (Evesboro, Bojac, Sassafras, Quindocqua), Statistiken für die Bodenfeuchtigkeitsgehalt wurden auf N basierend = 2, während statistiken für Sickerwasser Tiefe, Nitrat-N-Konzentration und Nitrat-N-Fluss wurden aus 10 Bodenkern Lysimeter abgeleitet für Evesboro, Bojac und Sassafras und 5 Bodenkern Lysimeter für Quindocqua. Um die Bedeutung der Replikation innerhalb Böden Variationskoeffizienten (CV) für Sickerwasser Tiefe zu bewerten wurden verschiedene Wiederholungszahlen berechnet. Eine Monte-Carlo-Simulationsansatz wurde verwendet, wiederholt eine Teilmenge der Bodenkern Lysimeter Probe (N = 3) von der Gesamtzahl der Wiederholungen innerhalb jeder Bodengruppe (10 für Evesboro, Bojac, Sassafras, 5 für die Quindocqua).

<table><tbody><tr><td>Schedule 80 PVC Pipe</td><td>Fry&#039;s Plastic</td><td>Call</td><td>Sold in 10 ft lengths</td></tr><tr><td>Fernco Fittings</td><td>Fry&#039;s Plastic</td><td>Call</td><td>12 inch diameter</td></tr><tr><td>Type II PVC plates for perforated discs</td><td>AIN Plastic</td><td>Call</td><td>Sold in 4&#039; x 8&#039; sheets of PVC II Vintec II&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Schedule 40 PVC Caps</td><td>Fry&#039;s Plastic</td><td>Call</td><td>12 inch diameter</td></tr><tr><td>Stainless Steel Screws</td><td>Fastenal</td><td>135716</td><td>#8 Bugle Head Phillips Drive Sharp Point Grade 18-8 Stainless Steel</td></tr><tr><td>Silicone II Caulk</td><td>Lowe&#039;s</td><td>447488&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Nylon Tube Fitting</td><td>United State&#039;s Plastic Corp.</td><td>61137</td><td>0.5 inch NPT</td></tr><tr><td>Foodgrade Tubing</td><td>Lowe&#039;s</td><td>443209</td><td>0.5 inch vinyl</td></tr></tbody></table>

a protocol for collecting and constructing soil core lysimeters

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact. 
Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L-1 before litter application to 40.3 mg L-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).

Bodenfeuchte, Sickerwasser Tiefe und Sickerwasser Chemie alle zeigen Variabilität über Böden, Unterschiede in Abhängigkeit von Bodeneigenschaften trotz interner Variabilität zwischen Replikat Erdkern Lysimeter einen bestimmten Boden enthüllt. Die späteren Punkt garantiert besonderer Bedeutung im Hinblick auf die experimentellen Design, als inhärente Variabilität der Bodenfeuchte und die Auslaugung Prozesse erfordert erhebliche Replikation Typ-2-statistische Fehler zu minimieren....

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A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters

A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.

Ein Protokoll zum Sammeln und Konstruieren von Bodenkern Lysimeter

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Environment

11.6K Aufrufe.  USDA - Agricultural Research Service. A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.

Serie: A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters

Laboratory-determined Phosphorus Flux from Lake Sediments as a Measure of Internal Phosphorus Loading

Eutrophication is a water quality issue in lakes worldwide, and there is a critical need to identify and control nutrient sources. Internal phosphorus (P) loading from lake sediments can account for a substantial portion of the total P load in eutrophic, and some mesotrophic, lakes. Laboratory determination of P release rates from sediment cores is one approach for determining the role of internal P loading and guiding management decisions. Two principal alternatives to experimental determination of sediment P release exist for estimating internal load: in situ measurements of changes in hypolimnetic P over time and P mass balance. The experimental approach using laboratory-based sediment incubations to quantify internal P load is a direct method, making it a valuable tool for lake management and restoration.
Laboratory incubations of sediment cores can help determine the relative importance of internal vs. external P loads, as well as be used to answer a variety of lake management and research questions. We illustrate the use of sediment core incubations to assess the effectiveness of an aluminum sulfate (alum) treatment for reducing sediment P release. Other research questions that can be investigated using this approach include the effects of sediment resuspension and bioturbation on P release.
The approach also has limitations. Assumptions must be made with respect to: extrapolating results from sediment cores to the entire lake; deciding over what time periods to measure nutrient release; and addressing possible core tube artifacts. A comprehensive dissolved oxygen monitoring strategy to assess temporal and spatial redox status in the lake provides greater confidence in annual P loads estimated from sediment core incubations.

Lake eutrophication is a water quality issue worldwide, making the need to identify and control nutrient sources critical. Laboratory determination of phosphorus release rates from sediment cores is a valuable approach for determining the role of internal phosphorus loading and guiding management decisions.

Labor-Phosphor bestimmt Flux von Seesedimenten als Maß der internen Phosphorbelastung

Eutrophication is a water quality issue in lakes worldwide, and there is a critical need to identify and control nutrient sources. Internal phosphorus (P) ...

Forschung

Umwelt

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals is often not well understood. Here we demonstrate an integrated field lysimetry and porewater sampling method for evaluating the mobility of chemicals applied to soils and established vegetation. Lysimeters, open columns made of metal or plastic, are driven into bareground or vegetated soils. Porewater samplers, which are commercially available and use vacuum to collect percolating soil water, are installed at predetermined depths within the lysimeters. At prearranged times following chemical application to experimental plots, porewater is collected, and lysimeters, containing soil and vegetation, are exhumed. By analyzing chemical concentrations in the lysimeter soil, vegetation, and porewater, downward leaching rates, soil retention capacities, and plant uptake for the chemical of interest may be quantified. Because field lysimetry and porewater sampling are conducted under natural environmental conditions and with minimal soil disturbance, derived results project real-case scenarios and provide valuable information for chemical management. As chemicals are increasingly applied to land worldwide, the described techniques may be utilized to determine whether applied chemicals pose adverse effects to human health or the environment.

Field lysimetry and porewater sampling allow researchers to evaluate the fate of chemicals applied to soils and established vegetation. The goal of this protocol is to demonstrate how to install required instrumentation and collect samples for chemical analysis during integrated field lysimetry and porewater sampling experiments.

Integrierte Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme für die Bewertung von Chemical Mobilität in Böden und Vegetation Gegründet

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

This study presents an excavation method for investigating subsurface hydrological, geochemical, and microbiological heterogeneity of a soil lysimeter. The lysimeter simulates an artificial hillslope which was initially under homogeneous condition and had been subjected to approximately 5,000 mm of water over eight cycles of irrigation in an 18-month period.

Boden Lysimeter Ausgrabung Gekoppelte hydrologische, geochemische und mikrobiologische Untersuchungen

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonate (CaCO3) profiles. The objective is to describe a simple conceptual model and detailed protocol for repeatable field and laboratory measurements of these quantities. Here, accurate elevation is measured using a ground-based differential global positioning system (GPS); other data acquisition methods could be applied to the same basic method. Soil samples are collected from prescribed depth intervals and analyzed in the lab using an efficient and precise modified pressure-calcimeter method for quantitative analysis of inorganic carbon concentration. Standard statistical methods are applied to point data, and representative results show significant correlations between changes in soil surface layer CaCO3 and changes in elevation consistent with the conceptual model; CaCO3 generally decreased in depositional areas and increased in erosional areas. Maps are derived from point measurements of elevation and soil CaCO3 to aid analyses. A map of erosional and depositional patterns at the study site, a rain-fed winter wheat field cropped in alternating wheat-fallow strips, shows the interacting effects of water and wind erosion affected by management and topography. Alternative sampling methods and depth intervals are discussed and recommended for future work relating soil erosion and deposition to soil CaCO3.

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonates. Repeatable methods for field and laboratory measurements of these quantities and data analysis methods are described here.

Messung und Mapping-Muster von Erosion und Ablagerung im Zusammenhang mit Boden-Karbonat-Konzentrationen unter Landbewirtschaftung

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Wastewater Irrigation Impacts on Soil Hydraulic Conductivity: Coupled Field Sampling and Laboratory Determination of Saturated Hydraulic Conductivity

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. Rather than discharging treated wastewater to a stream, and thereby directly impacting the stream quality, the effluent is applied to forested and cropped land managed by the University. Concerns related to reductions in soil hydraulic conductivity occur when considering wastewater reuse. The methodology described in this manuscript, matching soil sample size with the size of the laboratory-based hydraulic conductivity measurement apparatus, provides the benefits of a relatively rapid collection of samples with the benefits of controlled laboratory boundary conditions. The results suggest that there may have been some impact of wastewater reuse on the soil&#39;s ability to transmit water at deeper depths in the depressional areas of the site. Most of the reductions in the soil hydraulic conductivity in the depressions appear to be related to the depth from which the sample was collected, and by inference, associated with the soil structural and textural differences.

Here we present a methodology which matches a soil sample size and a hydraulic conductivity measurement device to prevent the so-called wall flow along the inside of the soil container from being erroneously included in water flow measurements. Its use is demonstrated with samples collected from a wastewater irrigation site.

Abwasser Bewässerung Auswirkungen auf Boden hydraulische Leitfähigkeit: Bereich Probenahme und Labor-Bestimmung der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit in Verbindung

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. ...

Sampling Soils in a Heterogeneous Research Plot

Soils are highly heterogeneous. In general, the number of soil samples required for soil research has always been determined arbitrarily and the associated accuracy is unknown. Here, we present a detailed protocol for efficient and clustered soil sampling in a research plot and, relying on a pilot sampling using this design, for demonstrating soil spatial heterogeneity and informing reasonable sample sizes and associated accuracy for future study. The protocol mainly comprises four steps: sampling design, field collection, soil analysis, and geostatistical analysis. The step-by-step procedure is modified according to former publications. Two examples will be presented to demonstrate contrasting spatial distributions of soil organic carbon (SOC) and soil microbial biomass carbon (MBC) under different management practices. In addition, we present a strategy to determine the sample size requirement (SSR) given a certain level of accuracy based on the plot-level coefficient of variation (CV). The field sampling protocol and the quantitative determination of the sample size will assist researchers in seeking feasible sampling strategies to meet research needs and resources' availability.

The traditional soil-sampling procedure determines the number of soil samples arbitrarily. Here, we provide a simple yet efficient clustered soil-sampling design to demonstrate soil spatial heterogeneity and quantitatively determine the number of soil samples required and the associated sampling accuracy.

Plot-Probenahme Böden in einer heterogenen Forschung

Soils are highly heterogeneous. In general, the number of soil samples required for soil research has always been determined arbitrarily and the ...

Monitoring Pedogenic Inorganic Carbon Accumulation Due to Weathering of Amended Silicate Minerals in Agricultural Soils.

The present study aims to demonstrate a systematic procedure for monitoring inorganic carbon induced by enhanced weathering of comminuted rocks in agricultural soils. To this end, the core soil samples taken at different depth (including 0-15 cm, 15-30 cm, and 30-60 cm profiles) are collected from an agriculture field, the topsoil of which has already been enriched with an alkaline earth metal silicate containing mineral (such as wollastonite). After transporting to the laboratory, the soil samples are air-dried and sieved. Then, the inorganic carbon content of the samples is determined by a volumetric method called calcimetry. The representative results presented herein showed five folded increments of inorganic carbon content in the soils amended with the Ca-silicate compared to control soils. This compositional change was accompanied by more than 1 unit of pH increase in the amended soils, implying high dissolution of the silicate. Mineralogical and morphological analyses, as well as elemental composition, further corroborate the increase in the inorganic carbon content of silicate-amended soils. The sampling and analysis methods presented in this study can be adopted by researchers and professionals looking to trace pedogenic inorganic carbon changes in soils and subsoils, including those amended with other suitable silicate rocks such as basalt and olivine. These methods can also be exploited as tools for verifying soil inorganic carbon sequestration by private and governmental entities to certify and award carbon credits.

The verification method described here is adaptable for monitoring pedogenic inorganic carbon sequestration in various agricultural soils amended with alkaline earth metal silicate-containing rocks, such as wollastonite, basalt, and olivine. This type of validation is essential for carbon credit programs, which can benefit farmers that sequester carbon in their fields.

Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.

The present study aims to demonstrate a systematic procedure for monitoring inorganic carbon induced by enhanced weathering of comminuted rocks in ...

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture data has been slow due to inconsistent data collection, poor standardization, and typically short record duration. Soil moisture, or quantitatively volumetric soil water content (SWC), is measured using buried, in situ sensors that infer SWC from an electromagnetic response. This signal can vary considerably with local site conditions such as clay content and mineralogy, soil salinity or bulk electrical conductivity, and soil temperature; each of these can have varying impacts depending on the sensor technology.
Furthermore, poor soil contact and sensor degradation can affect the quality of these readings over time. Unlike more traditional environmental sensors, there are no accepted standards, maintenance practices, or quality controls for SWC data. As such, SWC is a challenging measurement for many environmental monitoring networks to implement. Here, we attempt to establish a community-based standard of practice for in situ SWC sensors so that future research and applications have consistent guidance on site selection, sensor installation, data interpretation, and long-term maintenance of monitoring stations.
The videography focuses on a multi-agency consensus of best-practices and recommendations for the installation of in situ SWC sensors. This paper presents an overview of this protocol along with the various steps essential for high-quality and long-term SWC data collection. This protocol will be of use to scientists and engineers hoping to deploy a single station or an entire network.

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

The determination of soil water content is a critical mission requirement for many state and federal agencies. This protocol synthesizes multi-agency efforts to measure soil water content using buried in situ sensors.

In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture ...

JenaTron - An Experimental Approach to Study the Effects of Plant History and Soil History on Grassland Ecosystem Functioning

The global loss of biodiversity has motivated many studies that experimentally vary plant species richness and examine the consequences for ecosystem functioning. Such experiments generally show a positive relationship between above- and below-ground biodiversity and the functioning of terrestrial ecosystems. Moreover, this relationship tends to strengthen over time, seen as enhanced functioning of diverse plant communities and reduced functioning of low-diversity plant communities. Differences in multitrophic community assembly and biotic interactions in high- versus low-diversity plant communities are hypothesized to affect plant performance by altering consumer community structure and function and driving plastic or micro-evolutionary responses of plant species in the plant communities. To resolve this complex interplay of community history, we separated these effects into plant and soil history. Plant history refers to all plant-level responses to past abiotic and biotic selection pressures experienced in their communities, while soil history relates to all abiotic and biotic soil properties developed as a legacy of plant-soil interactions under variable plant diversity. We set up a biodiversity experiment in an Ecotron, a terrestrial mesocosm facility that allows controlling environmental conditions above- and below-ground, to test whether the strengthening biodiversity-ecosystem functioning relationship is due to soil history, plant history, or a combination of both. We established a plant diversity gradient consisting of 1, 2, 3, and 6 grassland plant species and factorially nested with soil history and plant history treatments for each level of plant species richness. Representative results demonstrate the successful establishment of target treatments in the Ecotron experiment, observing the effects of plant and soil history on initial plant development and final plant growth. Additionally, we provide a case study for data analysis of individual response variables. We outline research objectives and methods to comprehensively assess the multifunctional responses to the experimental treatments necessary to ultimately address the overarching hypothesis.

Here we present a study established in the iDiv Ecotron, terrestrial mesocosm chambers with controlled environmental conditions above- and below-ground, to study the independent and interactive effects of plant history and soil history on ecosystem functioning of grassland communities along a plant diversity gradient.

JenaTron - Ein experimenteller Ansatz zur Untersuchung der Auswirkungen von Pflanzen- und Bodengeschichte auf die Funktionsweise von Grünlandökosystemen

The global loss of biodiversity has motivated many studies that experimentally vary plant species richness and examine the consequences for ecosystem ...

Verbesserung der CO2 -Sequestrierung: Ein Ansatz für Bodenbiota zur Förderung der mineralischen Verwitterung

Design and Construction of an Experimental Setup to Enhance Mineral Weathering through the Activity of Soil Organisms

Enhanced weathering (EW) is an emerging carbon dioxide (CO2) removal technology that can contribute to climate change mitigation. This technology relies on accelerating the natural process of mineral weathering in soils by manipulating the abiotic variables that govern this process, in particular mineral grain size and exposure to acids dissolved in water. EW mainly aims at reducing atmospheric CO2 concentrations by enhancing inorganic carbon sequestration. Until now, knowledge of EW has been mainly gained through experiments that focused on the abiotic variables known for stimulating mineral weathering, thereby neglecting the potential influence of biotic components. While bacteria, fungi, and earthworms are known to increase mineral weathering rates, the use of soil organisms in the context of EW remains underexplored. 
 This protocol describes the design and construction of an experimental setup developed to enhance mineral weathering rates through soil organisms while concurrently controlling abiotic conditions. The setup is designed to maximize weathering rates while maintaining soil organisms' activity. It consists of a large number of columns filled with rock powder and organic material, located in a climate chamber and with water applied via a downflow irrigation system. Columns are placed above a fridge containing jerrycans to collect the leachate. Representative results demonstrate that this setup is suitable to ensure the activity of soil organisms and quantify their effect on inorganic carbon sequestration. Challenges remain in minimizing leachate losses, ensuring homogeneous ventilation through the climate chamber, and avoiding flooding of the columns. With this setup, an innovative and promising approach is proposed to enhance mineral weathering rates through the activity of soil biota and disentangle the effect of biotic and abiotic factors as drivers of EW.

Autor im Rampenlicht: Die Rolle von Regenwürmern bei der Verbesserung der mineralischen Verwitterung zur CO2-Entfernung enträtseln 

Here we present the construction and operation of an experimental setup to enhance mineral weathering through the activity of soil organisms while concurrently manipulating abiotic variables known to stimulate weathering. Representative results from the functioning of the setup and sample analyses are discussed together with points for improvement.

Konzeption und Aufbau eines Versuchsaufbaus zur Verbesserung der Mineralverwitterung durch die Aktivität von Bodenorganismen

Enhanced weathering (EW) is an emerging carbon dioxide (CO2) removal technology that can contribute to climate change mitigation. This technology relies ...