Retention and leaching of nitrate and chloride in an andic soil after pig manure amendment

Summary In Réunion, crop fields are commonly amended with nitrogen‐rich pig manure, which is currently a major source of groundwater pollution. We constructed three large andic soil columns in the laboratory to study the impacts of pig manure amendment on (i) global organic carbon and nitrogen decay in the soil, (ii) nitrate and chloride retention in the soil, and (iii) lags in nitrate and chloride breakthrough. One untreated column served as a control, while the two others were amended with pig manure. Over a 15‐month period, the three columns received water applications that matched rainfall under the climatic conditions of Réunion. Carbon and nitrogen balances were determined. The soil moisture regimes and soil‐solution compositions were monitored (at 7.5, 15, 35 and 100 cm depth) to determine carbon and nitrogen transformations and NO 3 − and Cl − transfers. The soil organic matter mineralization rate was low, i.e. 5.1 mg C‐CO 2 day −1 kg −1 soil in the A horizon and 4.2 mg C‐CO 2 day −1 kg −1 soil in the andic B horizon. The rate was higher in the manure‐amended columns, suggesting a priming effect. Rapid manure nitrification led to acidification of the surface soil solution. Nitrate and Cl − flux patterns differed at the column outlet and their interactions with the soil exchange capacity differed in the two soil horizons. Leaching fluxes highlighted an interaction between anions and soil solid phases—a lag of 1.5 to 2.5 pore volumes was observed in the breakthrough curves. About 85% (at 30–40 and 90–100 cm depth) of mineral nitrogen was adsorbed on soil solids. These results highlighted the specific properties of andic soils under tropical conditions and the complexity of assessing nitrate contamination of groundwater after pig manure amendment. Résumé Sur l’île de la Réunion, les épandages de lisiers de porc, très riches en azote sont courants et induisent actuellement des risques élevés de pollution. Pour étudier les impacts de ces apports de lisier, trois larges colonnes d’un cambisol andique ont été reconstituées au laboratoire. Les objectifs de ce travail sont (i) de mesurer les taux de minéralisation du carbone et de l’azote dans le sol amendé par un lisier, (ii) d’évaluer la rétention des nitrates et des chlorures et (iii) d’analyser les différences dans les courbes de percée de ces deux anions. Une colonne a servi de témoin, les deux autres ont reçu un apport de lisier. Pendant quinze mois, sur les trois colonnes, les apports d’eau ont simulé les conditions pluviométriques de l’île. Des bilans de carbone et d’azote ont été réalisés entre le début et la fin de l’expérimentation. Le régime hydrique et la composition de la solution du sol ont été suivi à plusieurs profondeurs (7.5, 15, 35 et 100 cm) afin de déterminer les transformations du carbone et de l’azote et les transferts de NO 3 − et Cl − . Les taux de minéralisation de la matière organique du sol sont faibles : 5,1 mg de C‐CO 2 d −1 kg −1 sol dans l’horizon A et 4,2 mg de C‐CO 2 d −1 kg −1 sol dans l’horizon B andique. Dans les colonnes ayant reçues le lisier ce taux est supérieur au témoin, suggérant un «priming effect». La rapide nitrification du lisier a entraîné une acidification de la solution du sol dans les horizons de surface. Les flux de NO 3 − et de Cl − à l’exutoire des colonnes ont présenté des comportements distincts ; l’interaction de chacun des anions avec la capacité d’échange anionique du sol diffère selon les deux horizons de sols. Les interactions entre la solution du sol et la phase solide entraîne un retard des courbes de percée de NO 3 − et de Cl − qui atteint 1,5 à 2,5 volumes de pores. 84,7 % (à 30–40 cm) et 85.1 % (à 90–100 cm) de l’azote minéral a été adsorbé sur la phase solide du sol. Ces résultats montrent le comportement atypique des sols andiques après un épandage de lisiers de porc dans un contexte tropical et la difficulté d’estimer les risques de pollution des nappes suite à la lixiviation de NO 3 − .