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The renovation of domestic effluent through a forest soil Bryck, John Michael Guy 1977

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T H E R E N O V A T I O N OF D O M E S T I C E F F L U E N T T H R O U G H A F O R E S T S O I L b y J O H N M I C H A E L GUY B R Y C K B . A . S c . , U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , 1975 A T H E S I S S U B M I T T E D I N P A R T I A L F U L F I L L M E N T OF T H E R E Q U I R E M E N T S FOR T H E D E G R E E OF M A S T E R OF A P P L I E D S C I E N C E T H E F A C U L T Y OF G R A D U A T E S T U D I E S ( D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ) We a c c e p t t h i s t h e s i s a s c o n f o r m i n g t o t h e r e q u i r e d s t a n d a r d T H E U N I V E R S I T Y OF B R I T I S H C O L U M B I A O c t o b e r , 1977 © J o h n M i c h a e l G u y B r y c k , 1977 In p r e s e n t i n g t h i s t h e s i s in p a r t i a l f u l f i l m e n t o f the r e q u i r e m e n t s f o r an advanced d e g r e e at the U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , I a g r e e t h a t t h e L i b r a r y s h a l l make i t f r e e l y a v a i l a b l e f o r r e f e r e n c e and s t u d y . I f u r t h e r a g r e e t h a t p e r m i s s i o n f o r e x t e n s i v e c o p y i n g o f t h i s t h e s i s f o r s c h o l a r l y p u r p o s e s may be g r a n t e d by the Head o f my Depar tment o r by h i s r e p r e s e n t a t i v e s . I t i s u n d e r s t o o d t h a t c o p y i n g o r p u b l i c a t i o n o f t h i s t h e s i s f o r f i n a n c i a l g a i n s h a l l not be a l l o w e d w i t h o u t my w r i t t e n p e r m i s s i o n . n p B a r t m . n f n f CIVIL ENGINEERING u e p a r t m e n t o r The U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a 2075 Wesbrook Place Vancouver, Canada V6T 1W5 D a t e OCTOBER 7, 1977 A B S T R A C T A n i n v e s t i g a t i o n o f t h e t r e n d o v e r t i m e o f t h e c o n -c e n t r a t i o n o f s e l e c t e d s o i l l e a c h a t e c o n s t i t u e n t s c o n t a i n e d i n d o m e s t i c e f f l u e n t a p p l i e d t o a f e r r o - h u m i c p o d z o l f o r e s t s o i l w a s u n d e r t a k e n . F r o m J u l y 1 5 , 1 9 7 6 t o N o v e m b e r 1 2 , 1 9 7 6 , 2 cm o f d o m e s t i c e f f l u e n t , s e l e c t i v e l y s u p p l e m e n t e d w i t h 2 c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r , w a s s p r a y e d t w i c e w e e k l y t o a 9 0 0 m p l o t s i t u a t e d o n a m o u n t a i n s l o p e . T e n p o r o u s p l a t e t e n s i o n l y s i m e t e r s i n s t a l l e d a t v a r i o u s d e p t h s a n d l o c a t i o n s i n t h e f o r e s t s o i l c o n t i n u o u s l y e x t r a c t e d t h e r e s u l t i n g s o i l l e a c h -a t e . T h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d t w i c e p e r w e e k o v e r t h e d u r a t i o n o f t h e s t u d y , a s w e l l a s t h e a p p l i e d e f f l u e n t s a m p l e s , w e r e a n a l y s e d f o r c h l o r i d e , n i t r a t e a n d t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n a n d t o t a l a n d o r t h o p h o s p h o r u s . B a s e d o n . t h e c o n c e n t r a t i o n s o f n i t r a t e n i t r o g e n , t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n , a n d t o t a l p h o s p h a t e i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t a s w e l l a s t h e a v e r a g e v o l u m e o f e f f l u e n t a p p l i e d o v e r t h e t o t a l i r r i g a t i o n p l o t , k8A k g / h a ( ^ 3 . 2 l b / a c r e ) n i t r a t e n i t r o g e n , 9 3 - 7 k g / h a ( 8 3 - 6 l b / a c r e ) t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n , a n d ^ 3 . 5 k g / h a ( 3 8 . 6 l b / a c r e ) o f t o t a l p h o s p h a t e w e r e a p p l i e d t o t h e p l o t d u r i n g t h e p r o j e c t p e r i o d . T h e c h l o r i d e i o n g r a d u a l l y i n c r e a s e d i n c o n c e n t r a t i o n o v e r t h e d u r a t i o n o f t h e s t u d y u n t i l i t e v e n t u a l l y e q u a l l e d t h e v a l u e o f t h e c h l o r i d e i n t h e d o m e s t i c e f f l u e n t . T h i s i i i g r a d u a l i n c r e a s e w a s a p o s s i b l e r e s u l t o f t h e r e t e n t i o n o f t h e i n i t i a l a m o u n t s o f a p p l i e d c h l o r i d e o n t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s i n t h e s o i l , w h i c h w h e n s a t i s f i e d , a l l o w e d s u b s e q u e n t a m o u n t s o f a p p l i e d c h l o r i d e t o m o v e t h r o u g h t h e s o i l w i t h t h e a p p l i e d e f f l u e n t . No o r t h o o r t o t a l p h o s p h o r u s w a s d e t e c t e d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d o v e r t h e d u r a t i o n o f t h e s t u d y . W h i l e r e c o g n i z i n g t h e p o s s i b i l i t y o f m i c r o b i o l o g i c a l i m -m o b i l i z a t i o n o f a p o r t i o n o f t h e a p p l i e d p h o s p h o r u s , t h e m o s t l i k e l y r e t e n t i o n m e c h a n i s m w a s t h e a d s o r p t i o n o f t h e p h o s p h o r u s b y t h e a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i n t h e s o i l . N i t r a t e a n d t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n w e r e d e t e c t e d i n l o w c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s o n l y i n t h e t i m e i n t e r v a l f o l l o w i n g t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t c o n t a i n i n g g r e a t l y i n c r e a s e d e f f l u e n t c o n c e n t r a t i o n s o f n i t r a t e a n d t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n . T h e i n c r e a s e d c o n c e n t r a -t i o n s r e s u l t e d f r o m t h e a d d i t i o n o f c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r s t o t h e t r e a t m e n t l a g o o n . S u c h t r e n d s s u g g e s t m i c r o b i o l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o n w a s p l a y i n g a r o l e i n t h e r e m o v a l o f t h e n i t r o g e n c o m p o u n d s . T h e r e t e n t i o n o f a m m o n i a , t h e m a j o r c o m p o n e n t o f t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n , o n t h e c a t i o n e x c h a n g e s i t e s a n d t h e r e t e n t i o n o f n i t r a t e n i t r o g e n o n t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s w o u l d a l s o b e o c c u r r i n g . I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e m a g n i t u d e o f t h e r e a c t i o n b e t w e e n p h o s p h o r u s a n d t h e i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i n i v t h e p o d z o l s o i l , b a t c h s c a l e l a b o r a t o r y t e s t s w e r e u n d e r t a k e n . T h e t i m e - p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p h o s p h o r u s r e a c t s v e r y q u i c k l y w i t h t h e a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i n t h e s o i l o n t h e p l o t . T h e L a n g m u i r a n d F r e u n d l i c h i s o t h e r m s w e r e c a l c u l a t e d a s w a s t h e . p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n m a x i m u m b a s e d o n t h e L a n g m u i r i s o t h e r m . T h e c a l -c u l a t e d p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n w o u l d p r o b a b l y g i v e a c o n s e r v a t i v e e s t i m a t e o f t h e p h o s p h o r u s r e m o v a l p o t e n t i a l s i n c e t h e i s o t h e r m i s b a s e d o n l y o n t h e i n i t i a l a n d n o t t h e l o n g t e r m p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n r e a c t i o n s . D e s p i t e t h e f a c t t h a t t h e s o i l w a t e r c o n t e n t w a s c o n -t i n u a l l y a b o v e t h e s o i l w a t e r c o n t e n t a t t h e f i e l d c a p a c i t y , n o p h o s p h o r u s a n d v e r y l i t t l e n i t r o g e n w a s d e t e c t e d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s . S u c h r e s u l t s s u g g e s t t h a t a p h o s p h o r u s o r n i t r o g e n b a l a n c e m a y b e a u s e f u l i r r i g a t i o n o p e r a t i n g c r i t e r i o n r a t h e r t h a n t h e c o m m o n l y a c c e p t e d w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n . I n s u c h a s i t u a t i o n t h e p h o s p h o r u s o r n i t r o g e n r e -q u i r e m e n t s o v e r t h e g r o w i n g s e a s o n o f t h e c r o p w o u l d b e e v a l u -a t e d a n d m e t b y t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t . T A B L E OF C O N T E N T S P a g e A B S T R A C T i i T A B L E OF C O N T E N T S v L I S T OF F I G U R E S • x L I S T OF T A B L E S x i i A C K N O W L E D G E M E N T S . . x i i i 1 . 0 I N T R O D U C T I O N 1 1 . 1 R E S E A R C H O B J E C T I V E S 1 0 2 . 0 T H E O R Y A N D L I T E R A T U R E R E V I E W 13 2 . 1 S E C O N D A R Y M I N E R A L S A N D O R G A N I C M A T T E R . Ik 2 . 1 . 1 S o i l O r g a n i c M a t t e r 15 2 . 1 . 2 S e c o n d a r y M i n e r a l s 1 ? 2 . 1 . 2 . 1 C r y s t a l l i n e a n d A m o r p h o u s C l a y P a r t i c l e s 1 7 2 . 1 . 2 . 2 C r y s t a l l i n e C l a y M i n e r a l s 1 8 2 . 1 . 2 . 2 . 1 L a y e r e d S i l i c a t e s 1 8 2 . 1 . 2 . 2 . 2 O x i d e s a n d H y d r o x i d e s o f A l u m i n u m , I r o n a n d S i l i c o n . . . 2 1 2 . 1 . 2 . 3 A m o r p h o u s C l a y M a t e r i a l s 2 2 2 . 1 . 3 S o i l F o r m a t i o n 27 2 . 1 . 3 . 1 G e n e r a l P r i n c i p l e s . . . 27 2 . 1 . 3 . 2 P o d z o l F o r m a t i o n . . . . 2 8 2 . 1 . 4 D e s c r i p t i o n o f a P o d z o l S o i l . . 3 2 2 . 2 I O N E X C H A N G E Jk v v i P a g e 2.2.1 C a t i o n E x c h a n g e 3^ 2.2.1.1 S o u r c e o f C a t i o n E x c h a n g e P h e n o m e n a 34 2.2.1.1.1,Clay M i n e r a l s . 34 2.2.1.1.2 O r g a n i c M a t t e r 37 2.2.1.2 R e p l a c e a b i l i t y o f C a t i o n 38 2.2.2 A n i o n E x c h a n g e . 39 2.3 F A T E OF C H L O R I D E I N E F F L U E N T A P P L I E D TO A F O R E S T S O I L 40 2.4 F A T E OF P H O S P H O R U S A P P L I E D TO A F O R E S T S O I L 41 2.4.1. M i c r o b i o l o g i c a l A s s i m i l a t i o n o f P h o s p h o r u s 42 2.4.2 C h e m i c a l F i x a t i o n o f P h o s p h o r u s . 44 2.4.2.1 R e a c t i o n K i n e t i c s o f t h e C h e m i c a l F i x a t i o n o f P h o s p h o r u s 54 2.4.2.2 P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n I s o t h e r m s 57 2.5 F A T E OF N I T R O G E N I N E F F L U E N T A P P L I E D TO A F O R E S T S O I L 62 2.5-1 N i t r o g e n I m m o b i l i z a t i o n 64 2.5-2 N i t r o g e n A d s o r p t i o n B y M i n e r a l a n d O r g a n i c M a t t e r 66 2.5-3 N i t r o g e n V o l a t i l i z a t i o n 68 v i i P a g e 2.5Chemo- a n d B i o - D e n i t r i f i c a t i o n . 69 2.5-5 N i t r i f i c a t i o n o f A m m o n i a . . . . 70 3 . 0 M A T E R I A L AND M E T H O D S 72 3 . 1 E X P E R I M E N T A L P R O C E D U R E • 72 3 . 1 . 1 S t u d y A r e a 72 3 . 1 . 2 E x p e r i m e n t a l S i t e 72 3 . 1 . 3 D e s c r i p t i o n o f t h e D o m e s t i c S e w a g e T r e a t m e n t L a g o o n s 78 3 . 1 . 3 . 1 T h e E f f l u e n t T r e a t m e n t • P r o c e s s 83J 3 . 1 . 3 . 2 A d d i t i o n o f C o m m e r c i a l F e r t i l i z e r s t o t h e T r e a t m e n t L a g o o n s 85 3 . 1 . ^ I r r i g a t i o n E q u i p m e n t 86 3 . 1 . ^ . 1 L y s i m e t e r I n s t a l l a t i o n . 87 3 . 1 . 5 R a i n f a l l a n d E f f l u e n t M e a s u r e m e n t G a u g e s . 92 3 . 1 . 6 S o i l W a t e r C o n t e n t M e a s u r e m e n t s . 9^ 3 . 2 A N A L Y T I C A L M E T H O D S A N D M A T E R I A L S . . . . 9^ 3 . 2 . 1 E f f l u e n t I r r i g a t i o n S c h e d u l e . . 9^ 3 . 2 . 2 C o l l e c t i o n , S t o r a g e a n d A n a l y s i s o f S o i l L e a c h a t e C o l l e c t e d b y t h e T e n L y s i m e t e r s 95 3 . 2 . 3 P h o s p h o r u s R e m o v a l I s o t h e r m s . . 97 3 . 2 . 3 . I T i m e - A d s o r p t i o n S t u d y . . 97 v i i i P a g e 3.2.3-2 P h o s p h o r u s R e m o v a l I s o t h e r m s 100 4.0 R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N 101 4.1 R A I N F A L L A N D E F F L U E N T V O L U M E M E A S U R E M E N T S 101 4.2 WATER C O N T E N T M E A S U R E M E N T S 106 4 .3 C H L O R I D E C O N C E N T R A T I O N S I N T H E S O I L L E A C H A T E 108 4.4 N I T R O G E N C O N C E N T R A T I O N I N T H E S O I L L E A C H A T E 121 4.4.1 T o t a l K j e l d a h l N i t r o g e n 123 4.4.2 N i t r a t e N i t r o g e n 130 4 .5 P H O S P H O R U S C O N C E N T R A T I O N S I N T H E S O I L L E A C H A T E 14 0 4.5*1 P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n I s o t h e r m s . 146 4.5.1*1 T i m e - P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n R e l a t i o n s h i p s 146 4.5.1.2 L a n g m u i r a n d F r e u n d l i c h . 151 5.0 SUMMARY A N D C O N C L U S I O N 164 6.0 R E F E R E N C E S . 168 A P P E N D I C E S . . . . . . . . . . . . . . . . . A p p e n d i x A . H a n e y R e s e a r c h F o r e s t P l o t S o i l D e s c r i p t i o n 178 A p p e n d i x B . A v a i l a b l e W a t e r S t o r a g e C a p a c i t y o f S o i l S a m p l e s F r o m A r o u n d L y s i m e - -. t e r s . 180 A p p e n d i x C . W a t e r C o n t e n t M e a s u r e m e n t a t L y s i m e t e r L o c a t i o n B 181 i x P a g e A p p e n d i x D . S a m p l e C a l c u l a t i o n , o f P h o s p h a t e A d s o r p t i o n M a x i m u m I 8 3 L I S T OF F I G U R E S F i g u r e P a g e 1 P h o s p h o r u s c y c l e i n s o i l 43 2 P h o s p h a t e p r e c i p i t a t e d a s A l g ( 0 H ) ^ 2 ( H 2 P 0 ^ ) g o r A 1 ( 0 H ) 2 H 2 P 0 ^ " . . 4 9 3 P h o s p h a t e a d s o r b e d b y a m o r p h o u s a l u m i n u m h y d r o x i d e 50 4 R e a c t i o n s r e s p o n s i b l e f o r n i t r o g e n r e m o v a l 63 5 M a x i m u m a n d m i n i m u m t e m p e r a t u r e s ( D . O . T . S t a t i o n L o o n L a k e ) 74 6 W a t e r r e t e n t i o n c u r v e s ( l y s i m e t e r l o c a t i o n A ) 80 7 W a t e r r e t e n t i o n c u r v e s ( l y s i m e t e r l o c a t i o n B ) 8 1 8 W a t e r r e t e n t i o n c u r v e s ( l y s i m e t e r l o c a t i o n C ) 8 2 9 P r e c i p i t a t i o n a n d a p p l i e d e f f l u e n t d a t a . . 102 10 A p p l i e d e f f l u e n t m a s s c u r v e s 105 11 C h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n - l y s i m e t e r l o c a t i o n A 109 12 C h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n - l y s i m e t e r l o c a t i o n B 110 13 C h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n - l y s i m e t e r l o c a t i o n C 111 1 4 T o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n - l y s i m e t e r l o c a t i o n A 1 2 4 15 T o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n - l y s i m e t e r l o c a t i o n B & C 125 16 N i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n - l y s i m e t e r l o c a t i o n A . 131 17 N i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n - l y s i m e t e r l o c a t i o n B 132 x X I Figure Page 18 Nitrate nitrogen concentration - lysimeter l o c a t i o n C 133 19 Total and orthophosphorus concentrations -i n applied effluent 142 20 Contact time - equilibrium concentration for orthophosphate 147 21 Contact time - equilibrium concentration for t o t a l phosphate 148 22 Phosphorus adsorption isotherm (Plotted according to Langmuir equation) 153 23 Relationship between the f i n a l solution concentration and percentage saturation of the adsorption maximum 157 24 Phosphorus removal isotherm (Plotted according to Freundlich equation) 160 L I S T OF T A B L E S T a b l e P a g e 1 C h e m i c a l A n a l y s e s o f s e l e c t e d U p l a n d S o i l P r o f i l e s ?6 2 P h y s i c a l P r o p e r t i e s o f S o i l S a m p l e s f r o m t h e V i c i n i t y o f t h e L y s i m e t e r s 79 3 D e p t h s o f L y s i m e t e r s B e l o w t h e S o i l S u r f a c e 90 4 A m o u n t o f N i t r a t e - N A p p l i e d t o F o r e s t e d P l o t 122 5 A m o u n t o f T K N A p p l i e d t o F o r e s t e d P l o t . . . . 122 6 A m o u n t o f T o t a l - P A p p l i e d t o F o r e s t e d P l o t . . l 4 l 7 L a n g m u i r A d s o r p t i o n I s o t h e r m E q u a t i o n o f L i n e o f B e s t F i t f o r O r t h o a n d T o t a l P h o s p h o r u s D e t e r m i n a t i o n s 152 8 P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n M a x i m a f o r t h e F o r e s t S o i l a s P r e d i c t e d b y t h e L a n g m u i r I s o t h e r m . . 156 9 F r e u n d l i c h A d s o r p t i o n I s o t h e r m E q u a t i o n o f L i n e s o f B e s t F i t f o r O r t h o a n d T o t a l P h o s p h a t e D e t e r m i n a t i o n 159 x i i A C K N O W L E D G E M E N T S In t h e c o u r s e o f t h i s r e s e a r c h , , a g r e a t m a n y p e o p l e h a v e c o n t r i b u t e d i n s o m a n y w a y s . T h i s t h e s i s i s a c u l -m i n a t i o n o f t h e s e i n d i v i d u a l e f f o r t s . I w o u l d l i k e t o e x t e n d my g r a t i t u d e a n d s i n c e r e a p p r e c i a t i o n t o D r . J . d e V r i e s ( A s s o c i a t e P r o f e s s o r o f t h e D e p t . . o f S o i l S c i e n c e , U . B . C . ) a n d : D r . W . K . O l d h a m ( A s s o c i a t e P r o f e s s o r o f C i v i l E n g i n e e r i n g , U . B . C . ) w h o s u p e r v i s e d t h i s r e s e a r c h . T h e i r g u i d a n c e a n d e n c o u r a g e m e n t w a s a p p r e c i a t e d t h r o u g h o u t t h e p e r i o d o f t h e r e s e a r c h p r o g r a m . M y t h a n k s a l s o . ' g o - ; t o ' ; Dr. . N a g p a l ( f o r m e r l y o f t h e D e p t . . o f S o i l , S e l e n e e , U;.-B:.C . ' )• w h o f r e e l y : g a v e o f h i s t i m e , n o t o n l y t o a d v i s e o n ' t e c h n i c a l m a t t e r s b u t t o a i d i n . t h e r e s e a r c h . M y g r a t i t u d e " i s e x t e n d e d t o D r . A . Bomke, - ' . M r ; D a v e M o o n a n d M r . G l e n n S i n g l e t o n o f t h e D e p t . - o f S o i l S c i e n c e a t U . B . C . f o r t h e i r a d v i c e - a n d s u g g e s t i o n s " d u r i n g t h e r e s e a r c h . A l s o t h a n k s g o t o - . D r . , B a l l a r d - o f ; t h e D e p t . ; . o f S o i l S c i e n c e a t U . B . C . f o r - t h e u s e - o f ' I t h e l y s i m e t e r s : - a n d a s s o c i a t e d e q u i p m e n t . -• I e x t e n d my a p p r e c i a t i o n • t o M r s,..':; E l i z a b e t h M a e - D o n a l d , . M a r y a n d : S u s a n o f ' ' t h e - ; P o l l u t i o n , C o n t r o l / L a b o r a t o r y i n ; t h e ' D e p t . . o f - C i v i l E n g i n e e r i n g ' a t - U ^ B ; . C , - . : ' f o r ' g u l d a n e ; e a n d - h e l p ' I n . t h e a n a l y s e s - o f , ' t h e 1 w a t e r ? , s a m p l e s T h a n k s - i s e x t e n d e d t o -Mr.. , ' W a l t e r s ' : a n d ; , , S t a f f ' ' a t - 1 t h e - U . .B . .C . - R e s e a r c h - F o r e s t . ; . I w i s h - t o V t h a n k ' Mr.»-:.-Ron M e n z i e s w h o d r a f t e d t h e g r a p h s . I e x t e n d ' s p e c i a l ' a p p r e c i a t i o n a n d ' ; g r a t i t u d e t o M r s . . A . O l f e r t w h o d i d s u c h a - ' f i n e ' j o b \ t y p i n g t h i s t h e s i s " . . . x i i i x i v M y t h a n k s a l s o g o t o t h e m e m b e r s o f t h e D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g a t U . B . C , e s p e c i a l l y D r . R . D . C a m e r o n , f o r a f i n e o p p o r t u n i t y a n d t o my f r i e n d s f o r t h e i r e n c o u r a g e m e n t . F i n a l l y , a h e a r t f e l t ' t h a n k y o u ' t o my w i f e w h o l a b o u r e d b e s i d e me t h r o u g h o u t t h i s w o r k a n d c o n t r i b u t e d i n e v e r y w a y . I h u m b l y d e d i c a t e t h i s w o r k t o my m o t h e r a n d f a t h e r , my t w o b r o t h e r s a n d my w i f e . 1 . 0 I N T R O D U C T I O N T h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o l a n d h a s r e -c e i v e d a g r e a t d e a l o f c o n s i d e r a t i o n a s a n a l t e r n a t i v e m e t h o d o f t r e a t i n g d o m e s t i c w a s t e w a t e r . T h e i n c e n t i v e t o c o n s i d e r t h e r e c y c l i n g o f d o m e s t i c e f f l u e n t h a s b e e n g e n e r a t e d b y a n i n c r e a s i n g a w a r e n e s s o f t h e p r o b l e m s a s s o c i a t e d w i t h t h e d i s -c h a r g e o f e f f l u e n t t o b o d i e s o f w a t e r . T h e t r e n d t o w a r d s t h e i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n o f p e o p l e i n u r b a n c e n t e r s a n d t h e a c c o m p a n y i n g i n c r e a s e i n t h e w a s t e w a t e r v o l u m e d i s c h a r g e d t o s u r f a c e b o d i e s o f w a t e r h a s l e d t o a g e n e r a l d e t e r i o r a t i o n o f s u r f a c e w a t e r q u a l i t y . I f t h e m a n i f e s t a t i o n o f t h i s d e c l i n e o f w a t e r q u a l i t y w a s n o t a d e p l e t i o n o f t h e d i s s o l v e d o x y g e n i n t h e w a t e r c o u r s e a n d t h e a s s o c i a t e d c h e m i c a l , p h y s i c a l , a n d b i o l o g i c a l i m p l i c a t i o n s o f s u c h a s i t u a t i o n , i t w a s a r a p i d a c c e l e r a t i o n o f t h e e u t r o p h i c a t i o n p r o c e s s . E u t r o p h i -c a t i o n , a g e n e r a l t e r m u s e d t o d e s c r i b e a c o m p l e x s e q u e n c e o f c h a n g e s i n t h e a q u a t i c e n v i r o n m e n t c a u s e d b y t h e p r e s e n c e o f s u f f i c i e n t p l a n t n u t r i e n t s i n w a t e r , i s o c c u r r i n g i n m a n y w a t e r c o u r s e s o v e r a m u c h r e d u c e d t i m e s p a n d u e t o t h e a d d i t i o n o f n u t r i e n t s f r o m m a n ' s a c t i v i t i e s . W h e r e a s t h e n a t u r a l e u t r o p h i -c a t i o n p r o c e s s i n a w a t e r b o d y m a y o c c u r o v e r t h o u s a n d s o f y e a r s , t h e c o n t i n u a l d i s c h a r g e o f w a s t e e f f l u e n t h a s b e e n r e d u c i n g t h i s t i m e s p a n t o d e c a d e s . T h e O k a n a g a n B a s i n , K a m l o o p s L a k e a n d s o m e p a r t s o f K o o t e n a y L a k e a r e t e s t i m o n y t o t h e a c c e l e r a t e d e u t r o p h i c a t i o n p r o c e s s i n s o m e B r i t i s h C o l u m b i a w a t e r s . T h e 2 r a p i d i n c r e a s e i n t h e n a t u r a l p r o c e s s w a s a t t r i b u t e d t o t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e n u t r i e n t c o m p o u n d s o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o -r u s t o t h e w a t e r . T h e l a n d a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t i s v i e w e d a s a m e a n s o f i m p r o v i n g w a t e r q u a l i t y b y d i v e r t i n g n u t r i e n t s f r o m w a t e r t o a g r i c u l t u r a l o r f o r e s t e d l a n d w h e r e i d e a l l y t h e y w o u l d b e u t i l i z e d i n t h e p r o d u c t i o n o f f o o d a n d f i b r e c r o p s . A m o r e f u n d a m e n t a l v i e w o f t h e l a n d a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t i s t h e a t t a i n m e n t o f t h e g o a l o f " r e t u r n i n g t o t h e s o i l t h a t w h i c h c a m e f r o m i t " . T h e p l a n t n u t r i e n t c o m p o u n d s c o n t a i n e d i n t h e w a s t e w a t e r a r e u t i l i s e d t o g r o w f o o d f r o m w h i c h t h e n u t r i e n t s o r i g i n a l l y s t e m m e d , r e s u l t i n g i n t h e r e c y c l i n g o f t h e s e n u t r i e n t s . T h e r e u s e c o n c e p t n o t o n l y i n v o l v e s a r e u s e o f t h e w a t e r c o m p o n e n t o f t h e w a s t e w a t e r , b u t a l s o t h e m a c r o a n d m i c r o n u t r i e n t s c o n t a i n e d i n t h e w a s t e -w a t e r . T h e a d s o r p t i o n b y t h e s o i l a n d t h e u t i l i z a t i o n o f s u c h p l a n t n u t r i e n t s b y p l a n t s c o u l d c o n v e r t a n e c o l o g i c a l l i a b i l i t y t o a n a g r i c u l t u r a l a s s e t . A l t h o u g h t h e v o l u m e a n d m e t h o d o f a p p l y i n g e f f l u e n t t o t h e l a n d m a y d i f f e r w i t h t i m e a n d l o c a t i o n , t h e p r a c t i c e o f r e c y c l i n g d o m e s t i c e f f l u e n t t o t h e l a n d i s n o - t a n e w c o n c e p t . L a n d a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t d a t e s b a c k a t l e a s t f o u r c e n t u -r i e s w i t h s o m e o f t h e s y s t e m s p r e s e n t l y i n u s e b e g i n n i n g o p e r -a t i o n o v e r o n e h u n d r e d y e a r s a g o . H i s t o r i c a l l y , t h e r a t i o n a l e f o r l a n d t r e a t m e n t e m p h a s i z e d d i s p o s a l o f t h e w a s t e w a t e r w h e r e -a s t h e c u r r e n t r a t i o n a l e i s b a s e d o n r e u s e o f t h e n u t r i e n t 3 m a t e r i a l a n d / o r t r e a t m e n t o f t h e w a s t e w a t e r . P r i o r t o t h e m i d 19th c e n t u r y , t h e i n h a b i t a n t s o f u r b a n c e n t e r s w o u l d t e m p o r a r -i l y s t o r e t h e i r w a s t e s i n v a u l t s a n d p r i v i e s . A t p e r i o d i c i n t e r v a l s t h e a c c u m u l a t e d m a t e r i a l w o u l d b e t r a n s p o r t e d t o t h e " s u r r o u n d i n g c o u n t r y s i d e f o r d i s p o s a l . A r e c o g n i t i o n o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e a c c u m u l a t i n g w a s t e s a n d d i s e a s e n e c e s s i t a t e d t h e d e v e l o p m e n t o f s t o r m d r a i n s w h i c h f a c i l i t a t e d t h e r a p i d m o v e m e n t a n d h a n d l i n g o f t h e w a s t e s . T h e i n t r o d u c -t i o n o f t h e c e n t r a l i z e d c o l l e c t i o n s y s t e m a n d a r e c o g n i t i o n o f t h e f e r t i l i z e r v a l u e c o n t a i n e d i n t h e w a s t e w a t e r e n c o u r a g e d t h e e m p h a s i s o n r e u s e a n d t r e a t m e n t o f t h e w a s t e w a t e r . O n e o f t h e e a r l i e s t a t t e m p t s a t r e u s e r a t h e r t h a n t h e d i s p o s a l c o n c e p t w a s t h e s e w a g e f a r m a t B u n z l a u , G e r m a n y t h a t b e g a n o p e r a t i o n i n 1550 ( P o u n d a n d C r i t e s , 1975). T h e l a t e 1800 's w i t n e s s e d a p r o l i f e r a t i o n o f p r o j e c t s t o a p p l y d o m e s t i c e f f l u e n t o n a m a n a g e d a g r i c u l t u r a l b a s i s b y s u c h c i t i e s a s B e r l i n , G e r m a n y s t a r t i n g i n I869, M e l b o u r n e , A u s t r a l i a s t a r t i n g i n 1893. M e x i c o C i t y b e g i n n i n g i n 1902 a n d P a r i s c o m m e n c i n g i n 1923. T h e > l a n d a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t i n t h e U n i t e d S t a t e s a l s o d a t e s t o t h e t u r n o f t h e c e n t u r y . W h i l e t h e a p p l i c a t i o n o f w a s t e w a t e r t o l a n d i s p r e v a l e n t i n m a n y p a r t s o f t h e w o r l d t o d a y , t h e m e t h o d s e m p l o y e d m a y v a r y i n s u c h d e t a i l s a s t h e d e g r e e o f p r e t r e a t m e n t , t h e q u a n t i t y a n d q u a l i t y o f w a s t e w a t e r s a p p l i e d , t h e m a n n e r o f s t o r a g e a n d a p p l i -c a t i o n o f t h e e f f l u e n t , t h e t y p e o f v e g e t a t i o n g r o w n , o r t h e s o i l t y p e b e i n g u s e d . T h e E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n A g e n c y i n 4 t h e U n i t e d S t a t e s p u b l i s h e d a n e x t e n s i v e f i e l d s u r v e y o f 100 f a c i l i t i e s w h e r e d o m e s t i c o r i n d u s t r i a l e f f l u e n t s w e r e a p p l i e d t o t h e l a n d a n d d i s c u s s e d t h e s e o p e r a t i o n s i n d e t a i l ( S u l l i v a n , C o h n a n d B a x t e r , 1973). F o r i n s t a n c e , a t t h e M e l b o u r n e a n d M e t r o p o l i t a n B o a r d o f W o r k s S e w a g e F a r m i n W e r i b e e , A u s t r a l i a , 372,000 m 3 / d a y t o 968,000 m 3 / d a y ( 8 0 I m g p d t o 2 0 8 I m g p d ) o f d o m e s t i c s e w a g e i s a p p l i e d t o 4,200 h a ( 1 0 ,400 a c r e s ) o f c r o p l a n d . O f t h a t a m o u n t , 80% i s s u b j e c t e d t o p r i m a r y t r e a t m e n t w h i l e 20% o f t h e e f f l u e n t v o l u m e i s a p p l i e d u n t r e a t e d . A g r a s s c r o p i s g r o w n w h i c h s u s t a i n s u p t o 15.000 h e a d o f c a t t l e a n d 40 , 0 0 0 t o 50,000 h e a d o f s h e e p d u r i n g t h e s p r i n g a n d s u m m e r . I n M e x i c o C i t y , 47,000 h a (112,000 a c r e s ) o f l a n d a r e c u r r e n t l y b e i n g i r r i g a t e d w i t h 2,166,000 m ^ / d a y t o 17>328,000 m 3 / d a y (456 I m g p d t o 3 , 6 4 8 I m g p d ) o f e f f l u e n t . P l a n s c a l l f o r a n a d d i t i o n a l 40 , 0 0 0 h a (95.100 a c r e s ) o f l a n d t o b e e v e n t u a l l y d e v e l o p e d f o r t h e s a m e p u r p o s e . T h e b a s i c a l l y u n t r e a t e d e f f l u -e n t i s a p p l i e d t o l a n d u s e d t o g r o w v e g e t a b l e s i n c l u d i n g t o m a -t o e s , c o r n , c h i l e s , a n d o t h e r t r u c k g a r d e n c r o p s a s w e l l a s a l f a l f a a n d w h e a t . I n I n d i a , l a n d a p p l i c a t i o n o f r a w d o m e s t i c s e w a g e a c c o u n t s f o r m o s t o f t h e t r e a t m e n t o f 40% o f t h e 2,083,000 m ^ / d a y (440 I m g p d ) o f w a s t e w a t e r p r o d u c e d b y s e w e r e d c o m m u n i t i e s . S u c h t r e a t m e n t i s c a r r i e d o u t o n 132 f a r m s e n c o m p a s s i n g a t o t a l l a n d a r e a o f 12,506 h a (30,902 a c r e s ) . T h e c r o p s p r o -d u c e d o n s u c h s i t e s i n c l u d e f o d d e r g r a s s e s , c e r e a l s , b e a n s , o i l s e e d p l a n t s , c o t t o n , s u g a r c a n e a n d v a r i o u s v e g e t a b l e c r o p s . On t h e s i t e s i r r i g a t e d w i t h u n t r e a t e d d o m e s t i c w a s t e w a t e r a n 5 e f f o r t i s m a d e t o r e s t r i c t g r o u n d c o v e r t o n o n - e d i b l e c r o p s . A c c o r d i n g t o t h e s u r v e y , n o f a c i l i t i e s o f t h e s i z e a n d e x t e n t o f t h o s e i n M e l b o u r n e , M e x i c o C i t y o r I n d i a e x i s t i n t h e U n i t e d S t a t e s . T h e r e v i e w f o u n d t h a t t h e o v e r 500 e f f l u e n t i r r i g a t i o n p r o j e c t s c u r r e n t l y i n o p e r a t i o n i n t h e U n i t e d S t a t e s a r e m u c h s m a l l e r i n l a n d a r e a a n d h a n d l e a s m a l l e r v o l u m e o f w a s t e w a t e r . G e n e r a l l y , t h e w a s t e w a t e r i s t r e a t e d t o a s e c o n d a r y l e v e l p r i o r t o a p p l i c a t i o n t o t h e l a n d . I n m o s t c a s e s a g r a z i n g c r o p i s g r o w n , h a r v e s t e d a n d t h e n f e d t o a n i m a l s . A c c o r d i n g t o a n E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n S e r v i c e s u r v e y o f f a c i l i t i e s i n C a n a d a ( N e u r o h r , 1975) t h e r e a r e 10 - 15 s p r a y i r r i g a t i o n p r o j e c t s i n o p e r a t i o n w i t h a s m a l l n u m b e r i n t h e p l a n n i n g s t a g e s . U s i n g a s p r i n k l e r m o d e o f o p e r a t i o n , t h e c i t y o f V e r n o n , B . C . a p p l i e s 18 , 600 m ^ / d a y (4.0 I m g p d ) o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o a g r i c u l t u r a l l a n d d u r i n g t h e g r o w i n g s e a s o n . T h e e f f l u e n t i s s u b j e c t e d t o s e c o n d a r y t r e a t m e n t p r i o r t o l a n d a p p l i c a t i o n a n d t h e o p e r a t i o n i n c l u d e s a f a c i l i t y t h a t a l l o w s f o r u p t o s e v e n m o n t h s o f e f f l u -e n t s t o r a g e s o t h a t e f f l u e n t i r r i g a t i o n ' i s u n d e r t a k e n o n l y d u r i n g t h e g r o w i n g s e a s o n . A f o r a g e c r o p f o r a n i m a l c o n s u m p t i o n i s g r o w n o n t h e l a n d . S i m i l a r e f f l u e n t i r r i g a t i o n p r o j e c t s a r e b e i n g p l a n n e d f o r S a l m o n A r m , C r a n b r o o k a n d 100 M i l e H o u s e . W h i l e t h e d e t a i l s o f t h e l a n d a p p l i c a t i o n o f s e w a g e m a y v a r y , t h e e s s e n t i a l p u r p o s e r e m a i n s t h e s a m e , t h e e f f e c t i v e d i s p o s a l o f w a s t e w a t e r w h i l e s e c u r i n g t h e h i g h e s t l e v e l o f r e l a t e d b e n e f i t s . T h e m o s t f u n d a m e n t a l o b j e c t i v e w h e n a p p l y i n g d o m e s t i c 6 w a s t e w a t e r t o t h e l a n d i s f o r t h e r e s u l t i n g g r o u n d w a t e r t o c o n -t a i n s m a l l e r a m o u n t s o f c e r t a i n i m p u r i t i e s i n c o m p a r i s o n t o t h e a m o u n t s c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . T h i s r e n o v a t i o n a b i l i t y i s d e r i v e d p r i m a r i l y f r o m t h e p h y s i c a l , c h e m i c a l , a n d b i o l o g i c a l p r o c e s s e s o c c u r r i n g w i t h i n t h e s o i l s t h a t r e s u l t i n s o m e d e g r e e o f c h a n g e i n t h e l e v e l s o f t h e c o n s t i t u e n t s c o n t a i n e d i n t h e w a s t e w a t e r . L e e p e r (1972) c l a s s i f i e d t h e e f f l u e n t - s o i l i n t e r a c t i o n s i n t o f o u r m a i n t y p e s . I n t h e f i r s t c a s e t h e m a t e r i a l c o n t a i n e d i n t h e e f f l u e n t m a y p a s s t h r o u g h t h e s o i l u n c h a n g e d . A g o o d e x a m p l e i s t h e c h l o r i d e i o n w h i c h i s s o m o b i l e i n m a n y s o i l s t h a t i t i s o f t e n u s e d a s a t r a c e r i n g r o u n d w a t e r p e r c o l a t i o n s t u d i e s . S e c o n d l y , s o m e o f t h e a p p l i e d m a t e r i a l m a y b e v o l a t i l i z e d a n d r e l e a s e d t o t h e a t m o s -p h e r e . T h e n i t r o g e n a n d c a r b o n c o m p o u n d s a r e p a r t i c u l a r l y s u s c e p t i b l e t o t h i s t y p e o f r e a c t i o n . C a r b o n c o m p o u n d s m a y b e s u b j e c t e d t o a e r o b i c m i c r o b i o l o g i c a l d e g r a d a t i o n w i t h a s u b s e q u e n t r e l e a s e o f c a r b o n d i o x i d e . A m m o n i a v o l a t i l i z a t i o n a n d d e n i t r i f i c a t i o n o f n i t r a t e s t o n i t r o g e n g a s a n d n i t r o u s o x i d e w i l l o c c u r r e a d i l y u n d e r c e r t a i n e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s . T h i r d l y , c o n s t i t u e n t s o f t h e a p p l i e d e f f l u e n t m a y b e r e m o v e d f r o m t h e s o i l s o l u t i o n b y p l a n t s o r m i c r o - o r g a n i s m s . T h e p l a n t u p t a k e o f n u t r i e n t s c o n t a i n e d i n t h e e f f l u e n t a n d t h e s u b s e -q u e n t h a r v e s t o f t h e s e p l a n t s i s t h e m o s t d e s i r a b l e i n t e r a c t i o n . T h e a s s i m i l a t i o n o f s e w a g e c o n s t i t u e n t s b y m i c r o - o r g a n i s m s r e s u l t s i n t h e i n c o r p o r a t i o n o f t h o s e m a t e r i a l s i n t o t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r . T h e f o u r t h i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e a p p l i e d 7 e f f l u e n t a n d t h e s o i l c o n s t i t u e n t s i s t h e i m m o b i l i z a t i o n o f s p e c i f i c c o n s t i t u e n t s c o n t a i n e d i n t h e e f f l u e n t . S e v e r a l t e m p o r a r y o r p e r m a n e n t c o n s t i t u e n t r e m o v a l m e c h a n i s m s a r e r e -c o g n i z e d : t h e i o n s c o n t a i n e d i n t h e e f f l u e n t m a y d i s p l a c e i o n s a t t a c h e d t o o r g a n i c a n d i n o r g a n i c c o l l o i d s b y i o n e x c h a n g e ; t h e y m a y u n d e r g o c h e l a t i o n i n t o o r g a n i c c o l l o i d s ; t h e y m a y b e a b s o r b e d i n t o s o i l c o n s t i t u e n t s o r t h e y m a y f o r m a m o r p h o u s o r s t o i c h i o m e t r i c m i n e r a l s . T h e d i s t r i b u t i o n o f t h e a p p l i e d c o n s t i t u e n t s c o n t a i n e d i n t h e w a s t e w a t e r a m o n g t h e f o u r m a i n e f f l u e n t - s o i l i n t e r a c t i o n s , a s i d e n t i f i e d b y L e e p e r (1972) i s d e p e n d e n t o n p h y s i c a l c h e m i c a l , a n d b i o l o g i c a l i n t e r a c t i o n s w h i c h t a k e p l a c e i n t h e s o i l . T h e s e i n t e r a c t i o n s a r e i n f l u -e n c e d b y m a n y f a c t o r s r e l a t e d t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e -s p e c i f i c l a n d t r e a t m e n t s i t e a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e . e f f l u e n t . O f p a r t i c u l a r i n t e r e s t i s t h e d i s t r i b u t i o n o f c o n s t i -t u e n t s c o n t a i n e d i n d o m e s t i c w a t e r a p p l i e d t o a f o r e s t s o i l . M o s t f o r e s t s o i l s , u n l i k e g r a s s o r c r o p l a n d , a r e c o v e r e d w i t h a n o r g a n i c l a y e r o f v a r y i n g d e p t h / c o m p o s e d o f t h e p r o d u c t s o f t h e f o r m a t i o n a n d d e c o m p o s i n g a c t i v i t i e s o f m i c r o f l o r a . A s p l a n t o r a n i m a l r e m a i n s f a l l u p o n t h e s o i l , t h e y a r e s u b j e c t e d t o d e c o m p o s i t i o n . A v a r i e t y o f o r g a n i c c o m p l e x e s a r e f o r m e d w h i c h , w i t h t i m e , b e a r n o t r a c e o f t h e o r i g i n a l m a t e r i a l . T h e n a t i v e o r g a n i c f r a c t i o n i n t h e s o i l o r i g i n a t e s f r o m t w o s o u r c e s : t h e o r i g i n a l p l a n t a n d a n i m a l d e b r i s e n t e r i n g t h e s o i l a n d t h e m i c r o - o r g a n i s m s w i t h i n t h e s o i l b o d y . T h e l a t t e r w o r k u p o n 8 t h e f o r m e r a n d s y n t h e s i z e m i c r o b i a l p r o t o p l a s m a n d n e w c o m p o u n d s w h i c h b e c o m e p a r t o f t h e o r g a n i c f r a c t i o n ( A l l i s o n , 1966; A l e x a n d e r , 1965). W h i l e t h e o r g a n i c l a y e r e x i s t s i n a d y n a m i c s t a t e o f c o n t i n u a l d e c o m p o s i t i o n , i n g e n e r a l i t h a s a r e l a t i v e l y h i g h o r g a n i c c a r b o n t o n i t r o g e n r a t i o ( C : N ) a n d a h i g h o r g a n i c c a r b o n t o o r g a n i c p h o s p h o r u s r a t i o ( C : P ) . T h e a d d i t i o n o f a p p l i e d e f f l u e n t t o a s o i l w i t h h i g h C : N a n d C : P r a t i o s w i l l r e s u l t i n t h e b i o l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o n o f t h e r e a d i l y a v a i l -a b l e f o r m s o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s b y t h e s o i l m i c r o - o r g a n i s m s ( A l l i s o n , 1966; A l e x a n d e r , 1965; W e b b e r a n d L y s h o n , 1975). T h e p r e s e n c e o f i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i n a l o w p H m i n e r a l f o r e s t s o i l ( B h o r i z o n ) a l s o h a v e a s i g n i f i c a n t i n f l u e n c e o n t h e p a s s a g e o f p h o s p h o r u s c o m p o u n d s c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . T h e m o v e m e n t t h r o u g h t h e s o i l o f t h e p h o s p h o r u s c o m p o u n d s c o n t a i n e d i n t h e s e w a g e i s r e s t r i c t e d b y t h e c h e m i c a l r e a c t i o n t h a t o c c u r s b e t w e e n p h o s p h o r u s a n d t h e a l u m i n u m a n d i r o n c o m p o u n d s ( H e m w a l l , 1957; K a r d o s a n d H o o k , 1976; B e e k e t a l , 1977; J o h n , 197'+; E n f i e l d a n d B l e d s o e , 1975). A m a j o r r e s e a r c h p r o j e c t o n t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o a f o r e s t s o i l w a s u n d e r t a k e n a t P e n n s y l v a n i a S t a t e U n i v e r s i t y ( P e n n y p a c k e r , S o p p e r a n d K a r d o s , 1967; K a r d o s a n d S o p p e r , 197^). F r o m 1963 t o I969. 2.5 c m t o 5 c m (.98 i n t o 1.9 i n ) o f e f f l u e n t p e r w e e k w a s a p p l i e d a t .64 c m / h r (.025 i n / h r ) t o f o r e s t s o i l p l o t s c o n t a i n i n g s t a n d s o f H a r d w o o d a n d R e d P i n e t r e e s . T h e s o i l t e x t u r e v a r i e d f r o m a s i l t l o a m t o s i l t y c l a y l o a m . S o i l l e a c h a t e s a m p l e s , c o l l e c t e d f r o m d e e p 9 w e l l s a n d f r o m s h a l l o w t e n s i o n l y s i m e t e r s , w e r e a n a l y s e d f o r v a r i o u s c o n s t i t u e n t s a n d c o m p a r e d w i t h t h e c o n s t i t u e n t s c o n -t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . P h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n s w e r e r e d u c e d 97% t o 99% a t t h e 60 c m (23.6 i n ) d e p t h o n t h e H a r d w o o d p l o t a n d t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e d e e p w e l l s r a n g e d f r o m .05 t o .07 m g / l P o n t h e s a m e p l o t s . T h i s r a n g e o f p h o s -p h o r u s c o n c e n t r a t i o n w a s s i m i l a r t o t h a t f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m t h e d e e p w e l l s o n t h e c o n t r o l p l o t s . T h e p h o s p h o r u s r e m o v a l w a s 93% "to 97% i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d a t t h e 60 c m (23.6 i n ) l e v e l o n t h e R e d P i n e p l o t s w h i l e i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s f r o m t h e d e e p w e l l s o n t h e s a m e p l o t t h e p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n r a n g e d f r o m .03 m g / l t o .06 m g / l P . A g a i n , t h i s r a n g e i n p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n v a l u e s w a s s i m i l a r t o t h o s e f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m t h e d e e p w e l l s o n t h e c o n t r o l p l o t s . T h e r e m o v a l e f f i c i e n c y o f a m m o n i a n i t r o g e n f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d a t t h e 15 c m (5-9 i n ) d e p t h i n t h e s o i l o n " b o t h p l o t s w a s 90% t o 99%- N i t r a t e n i t r o g e n r e m o v a l w a s i n i t i a l l y v e r y h i g h b u t i n c r e a s i n g c o n -c e n t r a t i o n s w e r e d e t e c t e d w i t h t i m e . R e s e a r c h i n d i c a t e d t h a t t h e n i t r a t e - N r e m o v a l e f f i c i e n c i e s o f u p t o 85% w e r e a c h i e v e d i n t h e f i r s t y e a r b u t a f t e r s i x y e a r s o f i r r i g a t i o n w i t h d o -m e s t i c e f f l u e n t t h e n i t r a t e - N r e m o v a l e f f i c i e n c y w a s i n t h e r a n g e o f 27% t o 70%. I t w a s a l s o n o t i c e d t h a t a n e f f l u e n t a p p l i c a t i o n r a t e o f 2.5 c m / w e e k (.98 i n / w e e k ) d i d n o t r e s u l t i n a m e a n a n n u a l c o n c e n t r a t i o n o f g r e a t e r t h a n 10 m g / l a t t h e 10 60 c m (23.6 i n ) d e p t h i n t h e s o i l w h i l e a t a d o m e s t i c e f f l u e n t a p p l i c a t i o n r a t e o f 5 c m / w e e k ( I . 9 6 i n / w e e k ) , t h e n i t r a t e - N c o n c e n t r a t i o n l e v e l a t t h e d e p t h o f 60 c m (23-6 i n ) i n t h e f o r e s t s o i l w a s g r e a t e r t h a n 10 m g / l N O ^ - N . T h e f i g u r e o f 10 m g / l w a s u s e d f o r d i s c u s s i o n b e c a u s e i t i s t h e u p p e r l i m i t f o r t h e n i t r a t e - N c o n c e n t r a t i o n a l l o w e d i n d r i n k i n g w a t e r . W h i l e t h e m a j o r c o n c e r n i n t h e s t u d y w a s t h e r e n o v a t i o n o f p h o s p h o r u s a n d n i t r o g e n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t , t h e f a t e o f o t h e r d i s s o l v e d m i n e r a l s s u c h a s M g , C a , C I , M n , N a , a n d B w e r e a l s o s t u d i e d . R e s e a r c h i n d i c a t e d t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f t h e e f f l u e n t n o t o n l y a c c e l e r a t e d t r e e g r o w t h b u t t h e n i t r o -g e n a n d p h o s p h o r u s c o n t e n t s o f t h e h a r v e s t e d c r o p w e r e i n c r e a s e d o v e r t h e c r o p s h a r v e s t e d o n t h e c o n t r o l p l o t s . A b s o l u t e a m o u n t s o f p h o s p h o r u s r e m o v e d i n o n e y e a r r a n g e d f r o m 11.2 t o 68 k g / h a (10 t o 59 l b / a c r e ) w h i l e t h a t o f n i t r o g e n r a n g e d f r o m 40 t o 400 k g / h a (36 t o 356 l b / a c r e ) . T h e p r i n c i p a l s o i l c h e m i c a l c h a n g e w a s a b u i l d u p o f p h o s p h o r u s i n t h e t o p 30 c m (11.8 i n ) o f t h e s o i l p r o f i l e . T h e r e w a s n o i n d i c a t i o n o f a d v e r s e l o n g t e r m b u i l d u p o f h e a v y m e t a l s i n t h e s o i l . T h e c h e m i c a l , b i o -l o g i c a l , a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s o i l a s w e l l a s t h e o p e r a t i o n a l p r o c e d u r e s w e r e t h e m a i n f a c t o r s t h a t d e t e r m i n e d t h e r e s u l t i n g r e n o v a t i o n o f t h e e f f l u e n t w i t h r e s p e c t t o s p e c i f i c c o n s t i t u e n t s i n t h e a p p l i e d d o m e s t i c e f f l u e n t . 1.1 R E S E A R C H O B J E C T I V E S T h e g e n e r a l o b j e c t i v e s o f t h e r e s e a r c h r e p o r t e d h e r e i n w a s t o o b s e r v e t h e r e n o v a t i o n o f s e l e c t e d c o n s t i t u e n t s o f d o m e s t i c s e w a g e a s t h e e f f l u e n t p a s s e d t h r o u g h a c o a s t a l f o r -e s t s o i l . T h r o u g h a p e r m a n e n t s e t i r r i g a t i o n n e t w o r k , t r e a t e d d o m e s t i c e f f l u e n t w a s s p r a y e d o n a s e c o n d g r o w t h f o r e s t s i t u a t e o n a m o u n t a i n o u s s l o p e . G r o u n d w a t e r s a m p l e s w e r e e x t r a c t e d t h r o u g h t h e u s e o f p o r o u s p l a t e t e n s i o n l y s i m e t e r s l o c a t e d a t v a r i o u s d e p t h s i n t h e s o i l p r o f i l e . T h e a n a l y s e s i n v o l v e d a d e t e r m i n a t i o n o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s a s w e l l a s t h e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e n u t r i e n t c o m p o u n d s n i t r o g e n a n d p h o s p h o -r u s i n t h e s o i l l e a c h a t e a n d t h e a p p l i e d e f f l u e n t s a m p l e s . W h i l e i t i s r e c o g n i z e d t h a t l o n g t e r m r e s e a r c h i n t o t h e r e n o -v a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t h r o u g h a f o r e s t f l o o r w o u l d b e a m o r e a c c u r a t e r e f l e c t i o n o f t h e p o s s i b l e e f f e c t s o f i m p l e -m e n t a t i o n o f a f u l l s c a l e p r o g r a m , t i m e l i m i t a t i o n s d i c t a t e d a s u b s t a n t i a l l y s h o r t e r s t u d y . T h e r e s e a r c h p r o g r a m i n v o l v e d t w i c e p e r w e e k a p p l i c a t i o n s o f 2 c m ( . 8 0 i n ) o f d o m e s t i c e f f l u e n t a s w e l l a s t w i c e w e e k l y s a m p l i n g o f t h e r e s u l t i n g s o i l l e a c h a t e b e g i n n i n g J u l y 15» 1976, a n d e n d i n g N o v e m b e r 12, 1976. B a t c h s c a l e l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t s i n v o l v i n g s o i l s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m a r o u n d t h e l y s i m e t e r i n s t a l l a t i o n a r e a s a n d s e c o n d a r y t r e a t e d s e w a g e w e r e u n d e r t a k e n t o d e t e r m i n e t h e t h e o r e t i c a l p h o s p h o r u s r e m o v a l c a p a c i t y o f t h e s o i l a t t h e t e s t s i t e . T h e p h o s p h o r u s r e m o v a l r e s u l t s f r o m t h e b a t c h s c a l e t e s t s w e r e a l s o u s e d t o c o n f i r m t h e p h o s p h a t e c o n c e n t r a -t i o n c h a n g e s o b s e r v e d b e t w e e n t h e a p p l i e d e f f l u e n t s a m p l e s a n d t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s . T h e s p e c i f i c a i m s o f t h e s t u d y w e r e : 1 ) T o r e v i e w t h e s o i l p h y s i c a l , c h e m i c a l , a n d " b i o l o g i c a l p r o p e r t i e s w h i c h m a y i n f l u e n c e t h e p a s s a g e o f c h l o r i d e , t o t a l a n d o r t h o p h o s p h a t e a n d t o t a l K j e l d a h l a n d n i t r a t e n i t r o g e n t h r o u g h a f o r e s t s o i l . 2) • To r e v i e w t h e f o r m a t i o n a n d c o m p o s i t i o n o f t h e p a r t i c u l a r i s o i l f o u n d a t t h e i r r i g a t i o n s i t e . T h e i n t e n t i o n w i l l h e t o s u g g e s t t h a t a s i m i l a r e f f l u e n t s p r a y i n g p r o g r a m o n a s o i l w i t h d i f f e r e n t s o i l c h a r a c t e r i s t i c s t h a n t h o s e f o u n d a t t h e s i t e o f t h i s r e s e a r c h m a y r e s u l t i n d i f f e r e n t r e n o v a t i o n t r e n d s w i t h t i m e . 3 ) T o o b s e r v e a n d e x p l a i n t h e s h o r t t e r m t r e n d s ( o v e r f o u r m o n t h s ) i n t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e s o i l l e a c h a t e r e -s u l t i n g f r o m t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o a f o r e s t p l o t . I n p a r t i c u l a r , t h e t r e n d i n t h e c o n c e n t r a t i o n l e v e l s o f o r t h o a n d t o t a l p h o s p h o r u s , t o t a l K j e l d a h l a n d n i t r a t e n i t r o g e n a n d c h l o r i d e w e r e m o n i t o r e d d u r i n g t h e t e s t p e r i o d . 4 ) T o e v a l u a t e t h e m a x i m u m p o t e n t i a l o f t h e f o r e s t s o i l t o a b s o r b p h o s p h o r u s c o n t a i n e d i n d o m e s t i c e f f l u e n t . T h i s w i l l g i v e a n i n d i c a t i o n o f t h e t h e o r e t i c a l m a x i m u m a m o u n t o f p h o s -p h o r u s t h e s o i l a t t h e t e s t s i t e c a n i m m o b i l i z e i f t h i s w e r e t h e o n l y p h o s p h o r u s r e m o v a l m e c h a n i s m a v a i l a b l e . 13 2 . 0 T H E O R Y AND L I T E R A T U R E R E V I E W T h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o l a n d r e s u l t s i n p h y s i c a l , c h e m i c a l , a n d b i o l o g i c a l i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e c o n s t i t u e n t s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t a n d v a r i o u s c o m p o n e n t s o f t h e s o i l s y s t e m . T h e s e i n t e r a c t i o n s r e s u l t i n t h e a l t e r a -t i o n o f t h e t y p e a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e c o n s t i t u e n t s o r i g i n a l l y c o n t a i n e d i n t h e d o m e s t i c e f f l u e n t a s w e l l a s a l t e r -i n g t h e c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e s o i l s y s -t e m . To e n s u r e a d e s i r e d c o n c e n t r a t i o n l e v e l o f s p e c i f i c c o n -s t i t u e n t s w i t h t i m e i n t h e r e s u l t i n g g r o u n d w a t e r f l o w , a s w e l l a s t o p r e v e n t t h e a c c u m u l a t i o n o f m a t e r i a l s i n q u a n t i t i e s t o x i c t o s p e c i f i c p l a n t s , t h e s e v a r i o u s e f f l u e n t - s o i l i n t e r a c t i o n s m u s t b e u n d e r s t o o d . A g e n e r a l u n d e r s t a n d i n g o f t h e m a g n i t u d e , t h e l i m i t , a n d t h e i n t e r r e l a t i o n s h i p s o f t h e s e v a r i o u s i n t e r -a c t i o n s m a y s u g g e s t t h e d e g r e e a n d t h e e x t e n t t o w h i c h a p a r t i -c u l a r s o i l m a y b e s a f e l y u s e d a s a s i t e f o r t h e r e n o v a t i o n o f e f f l u e n t . A n a p p r e c i a t i o n f o r t h e m a g n i t u d e o f a p a r t i c u l a r e f f l u e n t - s o i l i n t e r a c t i o n i s u l t i m a t e l y a n a t t e m p t t o q u a n t i f y t h e e x t e n t t o w h i c h c e r t a i n r e a c t i o n s w i l l c o n t i n u e t o o c c u r w i t h r e p e a t e d a p p l i c a t i o n s o f e f f l u e n t . F o r e x a m p l e , t h e p o -t e n t i a l f o r t h e c o n t i n u a l i m m o b i l i z a t i o n o f p h o s p h o r u s b y t h e v a r i o u s i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i n t h e s o i l d e p e n d s o n t h e s p e c i e s a n d t h e a m o u n t s o f i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s f o u n d i n t h e s o i l . A g e n e r a l u n d e r s t a n d i n g o f t h e l i m i t s o f t h e s e i n t e r a c t i o n s i s i m p o r t a n t i f a n a t t e m p t i s t o b e m a d e t o m a i n -t a i n a n e n v i r o n m e n t s u i t a b l e f o r l o n g t e r m e f f l u e n t a p p l i c a t i o n . 14 F o r e x a m p l e , t h e i m m o b i l i z a t i o n r e a c t i o n b e t w e e n t h e p h o s p h o r u s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t a n d t h e v a r i o u s c o m p o u n d s o f i r o n a n d a l u m i n u m t a k e s p l a c e u n d e r a e r o b i c c o n d i t i o n s , w i t h a n a e r o b i c c o n d i t i o n s p o t e n t i a l l y c a u s i n g r e s o l u b i l i z a t i o n a n d s u b s e q u e n t m o b i l i z a t i o n o f p h o s p h o r u s . I f t h e i n t e n t i o n i s t o r e m o v e t h e p h o s p h o r u s c o m p o u n d s , t h e f o r m a t i o n o f a n a e r o b i c c o n d i t i o n s i n t h e s o i l e n v i r o n m e n t w o u l d p r o b a b l y d e f e a t t h i s p u r p o s e . L a s t l y , t h e i n t e r r e l a t i o n s h i p o f t h e s e v a r i o u s i n t e r a c t i o n s i s i m p o r -t a n t i n s o f a r a s t h e r e s u l t o f a p a r t i c u l a r s o i l - e f f l u e n t r e -a c t i o n m a y i n f l u e n c e o t h e r s o i l c o n s t i t u e n t s . F o r e x a m p l e , a m m o n i a m a y r e p l a c e a n o t h e r c a t i o n o n t h e c a t i o n e x c h a n g e s i t e s , t h e r e s u l t b e i n g t h e i m m o b i l i z a t i o n o f t h e a m m o n i a i o n a n d t h e l i b e r a t i o n o f t h e p r e v i o u s l y i m m o b i l i z e d c a t i o n . To u n d e r s t a n d t h e e f f l u e n t - s o i l r e l a t i o n s h i p s i s t o r e c o g n i z e t h e n a t u r a l r o l e o f s o i l a s a d y n a m i c m e d i u m f o r t h e d e c o m p o s i t i o n o f o r -g a n i c m a t t e r a n d t h e r e t u r n o f m i n e r a l , e l e m e n t s t o t h e n u t r i -e n t c y c l e . 2.1 S E C O N D A R Y M I N E R A L S AND O R G A N I C M A T T E R A c c o r d i n g t o L a w t o n (1955). s e c o n d a r y m i n e r a l s a n d o r -g a n i c m a t t e r c o n s t i t u t e t h e m o s t a c t i v e p o r t i o n o f t h e s o i l w i t h r e s p e c t t o c h e m i c a l a n d p h y s i c a l p r o p e r t i e s . I n p a r t i c u l a r t h e s o i l c o l l o d i a l f r a c t i o n , c o n s i s t i n g o f t h a t p o r t i o n o f t h e s o i l f r a c t i o n w h i c h l i e s i n t h e p a r t i c l e d i a m e t e r r a n g e .5 m i c r o n s t o 1.0 m i l l i m i c r o n s , i s r e c o g n i z e d a s d e t e r m i n i n g t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l b e h a v i o r o f s o i l s . T h i s f r a c t i o n o f t h e 15 s o i l c o n t a i n s " b o t h m i n e r a l a n d o r g a n i c m a t t e r e x i s t i n g a s m i n e r a l - o r g a n i c c o m p l e x e s o r a s s e p a r a t e p h a s e s . 2.1.1 S o i l O r g a n i c M a t t e r A c c o r d i n g t o F r a s e r (1955) t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r c o n -s i s t s o f p l a n t r e s i d u e s i n v a r i o u s s t a g e s o f d e c o m p o s i t i o n , t h e p r o d u c t s o f d e c o m p o s i t i o n a n d b i o l o g i c a l o r c h e m i c a l s y n -t h e s i s , a n d l a s t l y l i v i n g m i c r o - o r g a n i s m s o r t h e i r d e c o m p o s i n g a n d d e c o m p o s e d r e m a i n s . S c h n i t z e r a n d K h a n (1972) d i v i d e d t h e b u l k o f t h e o r g a n i c m a t t e r i n t h e s o i l i n t o t w o g r o u p s t e r m e d : l ) n o n - h u m i c s u b s t a n c e s a n d 2) h u m i c s u b s t a n c e s . A c c o r d i n g t o S c h n i t z e r a n d K h a n (1972), n o n - h u m i c s u b -s t a n c e s i n c l u d e t h o s e c o m p o u n d s t h a t s t i l l e x h i b i t r e c o g n i z a b l e c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o r i g i n a l m a t e r i a l . S u c h c o m -p o u n d s i n c l u d e a m i n o a c i d s , p r o t e i n s , f a t s , r e s i n s , w a x e s , a n d o t h e r l o w m o l e c u l a r w e i g h t o r g a n i c s u b s t a n c e s f o u n d i n t h e s o i l . T h e n o n - h u m i c p o r t i o n s o f t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r a r e r e a d i l y b r o k e n d o w n b y m i c r o - o r g a n i s m s w h e n b y t h e m s e l v e s b u t m a y s h o w r e s i s t a n c e t o d e g r a d a t i o n p a r t i c u l a r l y i f i n c o m b i n a t i o n w i t h o t h e r o r g a n i c c o m p o u n d s . T h e h u m i c s u b s t a n c e s f o r m t h e m a j o r p o r t i o n o f t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r . F e l b e c k (1965) d e f i n e d t h e h u m i c s u b s t a n c e s a s " T h o s e m a t e r i a l s p r o d u c e d i n t h e s o i l s t h a t a r e e i t h e r y e l l o w o r b r o w n t o b l a c k c o l o u r e d , a c i d i c , p o l y d i s p e r s e d s u b s t a n c e s o f r e l a t i v e l y h i g h m o l e c u l a r w e i g h t . " T h e h u m i c f r a c t i o n o f t h e o r g a n i c m a t t e r i n t h e s o i l i s f u r t h e r s u b d i v i d e d i n t o t h r e e c l a s s e s o f c o m p o u n d s a c c o r d i n g t o t h e i r d i f f e r e n t i a l s o l u b i l i t i e s i n a l k a l i a n d a c i d s o l u t i o n s . T h e t h r e e d i f f e r e n t h u m i c f r a c t i o n s a r e : l ) h u m i c a c i d , 2) f u l v i c a c i d , a n d 3) h u m i n . R e s e a r c h i n d i c a t e s t h a t s t r u c t u r a l l y t h e t h r e e h u m i c s u b g r o u p s h a v e s i m i l a r f u n c t i o n a l g r o u p s a n d h a v e a p p r o x i m a t e e q u a l m o l e c u l a r w e i g h t s , w i t h t h e c h e m i c a l r e a c t i o n s i n s p e c i f i c a c i d a n d a l k a l i s o l u t i o n s f o r m i n g t h e b a s i s o f d i v i s i o n b e t w e e n e a c h g r o u p . T h e h u m i c a c i d , a s d e f i n e d b y S t e v e n s o n (1972) i s , " T h e m a t e r i a l w h i c h i s e x t r a c t e d f r o m s o i l b y a l k a l i n e s o l u t i o n a n d w h i c h i s p r e c i p i t a t e d u p o n a c i d i f i c a t i o n " . A c c o r d i n g t o H a w o r t h (1971) 50 t o 55% o f t h e t o t a l h u m i c m o l -e c u l e h a s b e e n i d e n t i f i e d a s b e i n g c o m p o s e d o f a m i n o a c i d s (10%), h e x o s a m i n e s (3% "to 10%), p o l y c y c l i c a r o m a t i c s (10%) a n d o x y g e n f u n c t i o n a l g r o u p s (26%). T h e o x y g e n f u n c t i o n a l g r o u p s i n c l u d e - C O O H (11.2%), p h e n o l i c g r o u p s (7.2%), a l c o h o l i c OH (3-9%), c a r b o n y l (1.5%) a n d m e t h o x y l (1%). W h i l e t h e s p e c i f i c m o l e c u l a r s t r u c t u r e s a r e u n k n o w n , t h e r e m a i n i n g 45 - 50% o f t h e t o t a l h u m i c m o l e c u l e u n a c c o u n t e d f o r s e e m s t o c o n s i s t o f e a s i l y o x i -d i z e d u n s a t u r a t e d h e t e r o c y c l i c c o m p o u n d s . T h e f u l v i c a c i d p o r t i o n o f t h e h u m i c f r a c t i o n o f o r g a n i c m a t t e r i s " A l k a l i - s o l u b l e m a t e r i a l w h i c h r e m a i n s i n s o l u t i o n " . ( S t e v e n s o n , 1972) F e l b e c k (1965) s u g g e s t e d t h a t t h e f u l v i c a c i d f r a c t i o n o f t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r h a s a l o w e r m o l e c u l a r w e i g h t b u t i s c o n -1 7 s i d e r e a l t o p o s s e s s t h e s a m e " s t r u c t u r a l u n i t s " a s h u m i c a c . i d . T h e d i f f e r e n c e i n s o l u b i l i t i e s b e t w e e n f u l v i c a c i d a n d h u m i c a c i d i s a t t r i b u t e d t o t h e f a c t t h a t f u l v i c a c i d h a s a h i g h e r o x y g e n c o n t e n t p e r u n i t w e i g h t . I t s e e m s t o h a v e l e s s a r o m a t i c c o m p o u n d s a n d m o r e a l i p h a t i c c h a i n s t h a n d o e s h u m i c a c i d . H u m i n i s d e f i n e d a s t h e " A l k a l i - i n s o l u b l e f r a c t i o n " ( S t e v e n s o n , 1 9 7 2 ) b a s e d o n t h e s o l u b i l i t y c h a r a c t e r i s t i c s i n a n a l k a l i s o l u t i o n . T h e h u m i n c o m p o n e n t o f t h e o r g a n i c m a t t e r h a s s i m i l a r c h e m i c a l a n d s t r u c t u r a l p r o p e r t i e s t o h u m i c a c i d b u t i t s i n s o l u b i l i t y i n t h e a c i d a n d a l k a l i n e s o l u t i o n s i s a t t r i b u t e d t o i t s s t r o n g b o n d t o t h e i n o r g a n i c c o n s t i t u e n t s i n t h e s o i l . I t a l s o h a s t h e h i g h e s t m o l e c u l a r w e i g h t . A c c o r d i n g t o W a d a e t a l ( 1 9 7 ^ ) m o s t s o i l o r g a n i c c o n -s t i t u e n t s a r e p r e s e n t i n a n a m o r p h o u s s t a t e ( l a c k i n g o r d e r ) . 2 . 1 . 2 S e c o n d a r y M i n e r a l s 2 . 1 . 2 . 1 C r y s t a l l i n e a n d A m o r p h o u s C l a y P a r t i c l e s T h e s e c o n d a r y m i n e r a l s a r e t h e p r o d u c t s f o r m e d a s t h e r e s u l t o f t h e d e c o m p o s i t i o n o r a l t e r a t i o n o f t h e p r i m a r y m i n -e r a l s . T h e f r a c t i o n o f s e c o n d a r y m i n e r a l s w i t h p a r t i c l e s i z e r a n g e l e s s t h a n 2 m i c r o n s i s t e r m e d a c l a y , w i t h f i n e o r c o l l o -d i a l c l a y b e i n g t h o s e p a r t i c l e s o f e f f e c t i v e d i a m e t e r l e s s t h a n . 2 m i c r o n s . T h e l o w e r s i z e l i m i t o f t h e c o l l o d i a l c l a y i s c o m -p a r a b l e w i t h m o l e c u l a r d i m e n s i o n s . 1 8 R e c o g n i z i n g t h e e x i s t e n c e o f m i n e r a l o g i c d i f f e r e n c e s w i t h -i n t h e t e r m c l a y , M i t c h e l l e t a l (1964) s u g g e s t e d t h a t a s o i l c l a y "be r e g a r d e d a s c o n s i s t i n g o f w e a t h e r e d p r o d u c t s o f p r i m a r y m i n e r a l s w h i c h c a n h e c l a s s i f i e d a s c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l s a n d a m o r p h o u s m a t e r i a l s . B r i n d l e y , a s r e p o r t e d b y W a d a e t a l (19?4), d e f i n e d t h e a m o r p h o u s s t a t e a s o n e w h i c h l a c k s o r d e r a s c o m p a r e d t o t h e c r y s t a l l i n e s t a t e w h i c h h a s o r d e r . T h e t e r m c r y s t a l l i n e r e f e r s t o t h o s e s u b s t a n c e s w h i c h a r e w e l l o r g a n i z e d t o y i e l d X - r a y d i f f r a c t i o n p a t t e r n s w h i l e t h o s e m a t e r i a l s t h a t d o n o t y i e l d X - r a y d i f f r a c t i o n p a t t e r n s a r e n o n c r y s t a l l i n e o r a m o r p h o u s . B r i n d l e y , h o w e v e r , r e c o m m e n d e d t h a t t h e t e r m c r y s -s t a l l i n e r e f e r t o l o n g r a n g e o r d e r a n d t h e t e r m n o n c r y s t a l l i n e r e f e r t o s h o r t r a n g e o r d e r w h e n r e s e a r c h i n d i c a t e d t h a t s o m e m a t e r i a l s w e r e a m o r p h o u s t o X - r a y s b u t y i e l d e d a d i f f r a c t i o n p a t t e r n w h e n s u b j e c t e d t o a n e l e c t r o n b e a m . I n t h i s t e r m i n o l -o g y , l o n g t e r m o r d e r e x h i b i t s u n i t c e l l r e p e t i t i o n g e n e r a l l y i n t h r e e d i r e c t i o n s b u t p o s s i b l y i n t w o o r e v e n o n e d i r e c t i o n . S h o r t t e r m n o n - r e p e t i t i v e o r d e r i s p r e s e n t i n a m o r p h o u s s u b -s t a n c e s . 2.1.2.2 C r y s t a l l i n e C l a y M i n e r a l s 2.1.2.2.1 L a y e r e d S i l i c a t e s G r i m m (1968) i d e n t i f i e d t w o s t r u c t u r a l u n i t s t h a t a r e i n v o l v e d i n t h e s t r u c t u r a l l a t t i c e o f m o s t c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l s . O n e u n i t c o n s i s t s o f t w o s h e e t s o f c l o s e l y p a c k e d o x y g e n a t o m s o r h y d r o x y l g r o u p s i n w h i c h A l , F e , o r M g a t o m s a r e e m b e d d e d i n o c t a h e d r a n c o o r d i n a t i o n . T h e A l , F e , o r M g a t o m s a r e e q u i d i s t a n t f r o m t h e s i x o x y g e n o r h y d r o x y l s . T h e s e c o n d u n i t c o n s i s t s o f a s i l i c a t e t r a h e d r o n w i t h a s i l i c a a t o m e q u i d i s t a n t f r o m f o u r o x y g e n o r h y d r o x y l s . T h e s i l i c a t e t r a -h e d r o n ' g r o u p s a r e a r r a n g e d t o f o r m a h e x a g o n a l n e t w o r k w i t h t h e b a s e s o f t h e t e t r a h e d r o n s i n o n e p l a n e a n d t h e t i p s o f t h e t e t r a h e d r o n s a r r a n g e d i n o n e d i r e c t i o n . T h e r e s u l t i n g s t r u c t u r e c a n b e c o n s i d e r e d t o c o n s i s t o f a p e r f o r a t e d p l a n e o f o x y g e n a t o m s a t t h e b a s e o f t h e t e t r a h e d r o n s t r u c t u r e : a p l a n e o f s i l i c o n a t o m s w i t h e a c h a t o m i n t h e c a v i t y c r e a t e d b y t h e j u n c -t i o n o f t h e t h r e e o x y g e n a t o m s t h a t a r e i n t h e b a s e o f t h e t e t r a h e d r o n a n d a p l a n e o f h y d r o x y l g r o u p s a t t h e t i p o f t h e t e t r a h e d r a l s t r u c t u r e d i r e c t l y a b o v e t h e s i l i c o n a t o m . C o m b i -n a t i o n s o f t h e s e t w o b a s i s s t r u c t u r a l u n i t s , w i t h m o d i f i c a t i o n s , g i v e r i s e t o t h e s t r u c t u r e o f t h e c l a y m i n e r a l s t h a t h a v e b e e n i d e n t i f i e d i n t h e c o l l o d i a l c l a y f r a c t i o n o f s o i l . R i c h a n d T h o m a s ( i960) c l a s s i f i e d t h e l a y e r e d s i l i c a t e s c o m p o s e d o f t h e t w o b a s i c u n i t s a s t w o - l a y e r e d o r t h r e e - l a y e r e d c l a y m i n e r a l s a n d i n t e r - s t r a t i f i e d o r i n t e r - g r a d i e n t c l a y m i n -e r a l s r e s p e c t i v e l y . Two c o m m o n t w o - l a y e r e d c l a y m i n e r a l s a r e k a o l i n i t e a n d h a l l o y s i t e ( G r i m m , 1 9 6 8 ) . T h e k a o l i n i t e c l a y s t r u c t u r e i s c o m -p o s e d o f a s i n g l e s i l i c a t e t r a h e d r a l s h e e t a n d a s i n g l e a l i m i n a o c t a h e d r a l s h e e t c o m b i n e d i n a u n i t s o t h e t i p s o f t h e s i l i c a t e t r a h e d r o n s a n d o n e o f t h e l a y e r s o f t h e o c t a h e d r a l f o r m a c o m m o n l a y e r . T h e m i n e r a l s o f t h e k a o l i n i t e g r o u p c o n s i s t o f 20 u n i t s h e e t s a r r a n g e d i n t h e a b o v e m a n n e r a n d s t a c k e d o n e a b o v e a n o t h e r . I t h a s b e e n s u g g e s t e d ( R i c h a n d T h o m a s , i960) t h a t h a l l o y s i t e c o n s i s t s o f k a o l i n i t e l a y e r s s e p a r a t e d f r o m e a c h o t h e r e i t h e r b y s i n g l e m o l e c u l e s o f w a t e r o r n u m e r o u s w a t e r m o l e c u l e s o f d e f i n i t e c o n f i g u r a t i o n . T h e t h r e e - l a y e r c l a y m i n e r a l s c o n s i s t o f a n o c t a h e d r a l l a y e r a n d t w o t e t r a h e d r a l l a y e r s , o n e o n e a c h s i d e o f t h e o c t a -h e d r a l l a y e r . S u c h c l a y m i n e r a l s i n c l u d e i l l i t e , v e r m i c u l i t e , a n d m o n t m o r i l l o n i t e . Two t h i r d s ' o f t h e o c t a h e d r a l p o s i t i o n s o f t h e d i o c t a h e d r a l m i n e r a l s a r e n o r m a l l y f i l l e d , t h e n o r m a l 3+ c a t i o n o c c u p y i n g t h i s p o s i t i o n b e i n g A l ^ . D i v a l e n t c a t i o n s 3+ m a y b e s u b s t i t u t e d f o r A l ^ a n d m o n o v a l e n t c a t i o n s m a y o c c u p y .4+ t h e v a c a n t o c t a h e d r a l c a t i o n p o s i t i o n s . S i o c c u p i e s t h e 4+ c a t i o n p o s i t i o n i n t h e t e t r a h e d r a l l a y e r b u t S i m a y b e r e -3+ p l a c e d b y p a r t i a l s u b s t i t u t i o n w i t h A l ^ . S u b s t i t u t i o n o f 2+ 2+ 3+ 4+ M g , F e , o r F e ^ i n t h e t e t r a h e d r a l l a y e r f o r S i r e s u l t s i n a n e g a t i v e c h a r g e o n t h e c l a y c r y s t a l w h i c h i s b a l a n c e d b y a d s o r p t i o n o f c a t i o n s t o t h e s u r f a c e o f t h e p a r t i c l e . T h e t h i r d g r o u p o f c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l s c o m p o s e d o f t h e t w o b a s i c u n i t s a r e t h e i n t e r s t r a t i f i e d a n d i n t e r -g r a d i e n t c l a y m i n e r a l s . T h i s s u b g r o u p i s i n c l u d e d b e c a u s e o f t h e r e c o g n i t i o n t h a t i n d i v i d u a l l a y e r s o f d i f f e r e n t c l a y m i n -e r a l s o f t e n a r e i n t e r s t r a t i f i e d i n a r a n d o m o r i r r e g u l a r f a s h -i o n . R e s e a r c h i n d i c a t e s t h a t i n c o m p l e t e h y d r o x y l - A l g r o u p s m a y e x i s t i n t h e i n t e r l a y e r s p a c e o f e x p a n d e d t h r e e l a y e r m i n -3+ e r a l s . T h e h y d r a t e d A l - ' 10ns i n s o l u t i o n a s a r e s u l t o f w e a t h e r i n g m a y b e s o r b e d b y t h e c l a y a s e x c h a n g e a b l e c a t i o n s a n d t h e n m a y p o l y m e r i z e a n d h y d r o l y z e i n t h e s p a c e b e t w e e n l a y -e r s o f t h e c l a y m i n e r a l . 2 .1 .2 .2 .2 . O x i d e s a n d H y d r o x i d e s o f A l u m i n u m , I r o n , a n d S i l i c o n W i t h i n t h e c a t e g o r y o f c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l s a r e i n c l u d e d t h e o x i d e s a n d h y d r o x i d e s o f i r o n , a l u m i n u m , a n d s i l i c o n ( R i c h a n d T h o m a s , i960) . T h e m o s t c o m m o n i r o n o x i d e s a r e h e m a t i t e ( F e 2 0 ^ ) , w h i c h g i v e s t h e b r i g h t r e d c o l o u r i n s o i l s , a n d g e o t h i t e ( F e O O H o r F e g O ^ H g O ) , w h i c h g i v e s t h e s o i l s a b r o w n t o d a r k r e d d i s h b r o w n c o l o u r . A c c o r d i n g t o L a n d a a n d G a s t (1973) t h e h e m a t i t e s t r u c -t u r e i s c o m p o s e d o f f e r r i c i o n s a r r a n g e d i n t e r s t i t i a l l y b e t w e e n o x y g e n l a y e r s i n o c t a h e d r a l g r o u p i n g s . G e o t h i t e c o n s i s t s o f e s s e n t i a l l y t h e s a m e o c t a h e d r a l c o n f i g u r a t i o n w i t h t h e e d g e s o f t h e o c t a h e d r a s h a r e d t o y i e l d l a y e r s t h a t a r e t w o o c t a h e d r a w i d e . T h e i r o n o x i d e s a n d t h e i r h y d r a t e s m a y o c c u r a s p r i m a r y a n d s e c o n d a r y m i n e r a l s o r a s d i s c r e t e p a r t i c l e s i n t h e c r y s -t a l l i n e f o r m . T h e c r y s t a l l i n e m i n e r a l g i b b s i t e ( A 1 ( 0 H ) ^ o r klzQ H g O ) i s t h e m o s t a b u n d a n t f o r m o f f r e e a l u m i n a i n t h e s o i l . T h e b a s i c s t r u c t u r e o f g i b b s i t e c o n s i s t s o f p a i r e d s h e e t s o f h y d r o x y l i o n s h e l d t o g e t h e r d i o c t a h e d r a l l y b y a l u m i n u m i o n s . T h e s e r i e s o f p a i r e d s h e e t s - a r e h e l d t o g e t h e r b y h y d r o g e n b o n d i n g b e t w e e n a d j a c e n t h y d r o x y l s , a r r a n g e d d i r e c t l y a b o v e a n d b e l o w o n e a n o t h e r . O f t e n a s s o c i a t e d w i t h g i b b s i t e i s t h e h y d r o x y 22 a l u m i n u m o x i d e , b o e h m i t e ( A 1 0 0 H ) . I n t h e b o e h m i t e s t r u c t u r e t h e a l u m i n u m i o n s a r e o c t a h e d r a l l y c o o r d i n a t e d b y o x y g e n a n d h y d r o x y l i o n s . T h e s i l i c o n o x i d e s c o n s i s t o f a s i l i c o n t e t r a h e d r o n i n 4 + w h i c h a S i i o n l i e s e q u i d i s t a n t f r o m f o u r o x y g e n i o n s 4 - \ ( S i O ^ ) . T h e e x c e s s n e g a t i v e c h a r g e o f t h e t e t r a h e d r a l u n i t i s d e c r e a s e d b y a n o x y g e n i o n b e i n g s h a r e d b y t w o a d j a c e n t t e t r a h e d r a . T h e s h a r i n g i n t h i s w a y o f t h r e e b a s a l o x y g e n i o n s a l l o w s t h e f o r m a t i o n o f a t e t r a h e d r a l s h e e t . 2.1 .2.3 A m o r p h o u s C l a y M a t e r i a l s A s d e f i n e d e a r l i e r , t h e t e r m a m o r p h o u s c l a y m a t e r i a l r e f e r s t o t h o s e m a t e r i a l s t h a t d o n o t y i e l d X - r a y d i f f r a c t i o n p a t t e r n s a n d d o n o t e x h i b i t l o n g t e r m o r d e r o r u n i t c e l l r e -p e t i t i o n i n t h r e e d i r e c t i o n s . G e n e r a l l y t h e y h a v e o n l y s h o r t r a n g e , n o n - r e p e t i t i v e o r d e r o r l o n g t e r m o r d e r i n o n l y o n e d i r e c t i o n . T h e a m o r p h o u s c l a y m i n e r a l s , u s u a l l y t h e f i n e s t p a r t i c l e s i n t h e c l a y s o i l f r a c t i o n , h a v e a l a r g e s p e c i f i c s u r f a c e a r e a a n d a h i g h c h e m i c a l r e a c t i v i t y . W h e n p r e s e n t i n l a r g e a m o u n t s t h e a m o r p h o u s c l a y m a t e r i a l s h a v e a m a r k e d e f f e c t o n t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l n a t u r e o f t h e s o i l . B y t h e i r v e r y d e f i n i t i o n , t h e a m o r p h o u s s y s t e m a n d t h e m a t e r i a l s t h a t m a k e u p t h e s y s t e m c a n b e d e s c r i b e d o n l y i n g e n e r a l t e r m s . A s o p p o s e d t o t h e c r y s t a l l i n e c l a y p h a s e , t h e a m o r p h o u s c l a y m a -t e r i a l s l a c k h o m o g e n e i t y a n d t h e r e f o r e l a c k t h e u n i q u e r e a c t i o n s t h a t w o u l d d i s t i n g u i s h c e r t a i n p h a s e s o f t h e m a t e r i a l . 23 I n g e n e r a l , t h e p r i n c i p a l f o r m s o f a m o r p h o u s c l a y m a t e r i a l s a r e t h e o x i d e s a n d h y d r o x i d e s o f i r o n , a l u m i n u m , a n d s i l i c o n , a n d t h e s i l i c a t e s o f a l u m i n u m a n d i r o n a l l i n c o m b i n a t i o n w i t h w a t e r a n d o r g a n i c m a t t e r . ( R i c h a n d T h o m a s , I960; W a d a a n d H a r w a r d , 1974; M i t c h e l l , e t a l , 1964; W i k l a n d e r , 1964; B i n M o h a m e d A l i , 1975)• T h e p r i n c i p a l f o r m s o f t h e a m o r p h o u s c l a y m a t e r i a l s m a y o c c u r a s d i s c r e t e p a r t i c l e s , a s c o a t i n g s o n c l a y p a r t i c l e s , o r o n t h e c a t i o n e x c h a n g e s i t e s o f c l a y p a r t i c l e s a n d o r g a n i c m a t t e r ( G r i m m , I968). W a d a a n d H a r w a r d (1974) f o u n d l i t t l e r e s e a r c h i n f o r m a -t i o n o n t h e c o m p o s i t i o n a n d s t r u c t u r e o f t h e a m o r p h o u s o x i d e s a n d h y d r o x i d e s o f a l u m i n u m , i r o n , a n d s i l i c o n b u t G r e e n l a n d (1971) s u g g e s t e d t h a t o r g a n i c c o m p o u n d s ( h u m i c a n d f u l v i c a c i d s ) w e r e u s u a l l y p r e s e n t . I f t h e f o r m o f t h e s e c o m p o u n d s w a s i n d o u b t t h e b a s i s o f t h e f o r m a t i o n o f t h e s e c o m p o u n d s w a s n o t . V i s e n t i n (1974) s u g g e s t e d t h a t t h e klJ a n d F e i o n s i n s o i l s o l u t i o n a a r e c o o r d i n a t e d w i t h a c o m b i n a t i o n o f s i x t H g O m o l e c u l e s o r OH i o n s , w i t h t h e h y d r a t e d i o n s t e n d i n g t o p o l y m e r i z e i n t o a s i x m e m b e r e d r i n g u n i t o r m u l t i p l e s o f t h i s u n i t . T h e r e a s o n f o r t h e f o r m a t i o n o f a s i x m e m b e r r i n g u n i t l i e s w i t h t h e f a c t t h a t a t a p H g r e a t e r t h a n t h r e e t o f o u r , t h e h y d r o x y l i o n w i l l o c c u p y s o m e , i f n o t a l l , o f t h e s i x c o -o r d i n a t i o n p o s i t i o n s a v a i l a b l e a r o u n d t h e i o n i n s t e a d o f w a t e r m o l e c u l e s . E a c h h y d r o x y l a t t a c h m e n t w i l l n e u t r a l i z e h a l f a p o s i t i o n c h a r g e c o n t r i b u t e d b y t h e klJ o r FeJ i o n ( i f a l l 24 c o o r d i n a t i o n s i t e s a r e o c c u p i e d b y 0 H ~ ) , l e a v i n g a n o t h e r h a l f c h a r g e o n t h e , 0 H ~ u n s a t i s f i e d . I f t h i s h y d r o x y l i s s h a r e d e q u a l l y b e t w e e n t w o m e t a l i o n s , i n a b r i d g e f o r m a t i o n , t h e c h a r g e w i l l b e n e u t r a l i z e d . T h e r e s u l t i s t h e f o r m a t i o n o f t h e b a s i c u n i t c o n s i s t i n g o f s i x h y d r a t e d a l u m i n u m o r i r o n i o n s o r m u l t i p l e s o f t h e s e s i x m e m b e r e d u n i t s . T h i s e x p l a n a t i o n i s i n a g r e e m e n t w i t h r e s e a r c h r e s u l t s r e p o r t e d b y H s u a n d B a t e s (1964), Hem (1968) a n d H s u (1965). I f t h e n u m b e r o f b a s i c u n i t s j o i n i n g t o g e t h e r i s a l l o w e d t o i n c r e a s e , e v e n t u a l l y t h e c r y s t a l l i n e c o m p o u n d s o f a l u m i n u m , i r o n a n d s i l i c o n a r e f o r m e d . H o w e v e r , r e s e a r c h ( S c h w e r t m a n , 1966; N g K e e K w o n g a n d H a u n g , 1975) i n d i c a t e s t h a t o r g a n i c c o m p o u n d s m a y i n t e r f e r e w i t h t h e f o r m a t i o n o f t h e s e c r y s t a l l i n e c o m p o u n d s . S c h w e r t m a n (1966) n o t e d t h a t t h e X - r a y a n a l y s i s o f s o i l s a n d s e d i m e n t s i n d i c a t e d l a r g e q u a n t i t i e s o f n o n - c r y s t a l l i n e f o r m s o f h y d r o u s f e r r i c o x i d e . H e f o u n d t h i s s u r p r i s i n g i n v i e w o f t h e f a c t t h a t t e s t s i n d i c a t e d f r e s h l y p r e p a r e d f e r r i c h y d r o x i d e w i l l c r y s t a l i z e t o c r y s t a l l i n e g o e t h i t e o r h e m a t i t e w i t h i n a f e w m o n t h s a t r o o m t e m p e r a t u r e . L a b o r a t o r y w o r k r e -v e a l e d t h a t a s t r o n g a d s o r p t i o n o f o r g a n i c a n i o n s b y t h e f e r r i c h y d r o x i d e d i s t u r b e d o r p r e v e n t e d c r y s t a l l i z a t i o n f r o m o c c u r r i n g . T h e i n h i b i t i o n o r d e l a y i n t h e f o r m a t i o n o f c r y s t a l l i n e a l u m i n u m h y d r o x i d e i n t h e p r e s e n c e o f c i t r i c a c i d w a s r e p o r t e d b y N g K e e K w o n g a n d H a u n g (1975)• T h e c r y s t a l l i z a t i o n o f a l u m i n u m h y d r o x i d e w a s h i n d e r e d b y c i t r i c a c i d b e c a u s e t h e c o o r d i n a t i o n o f t h e c a r b o x y l a t e g r o u p s w i t h a l u m i n u m h a m p e r e d 25 t h e h y d r o l y s i s o f t h e t e r m i n a l g r o u p s o f h y d r a t e d a l u m i n u m i o n s . S c h w e r t m a n n , F i s c h e r a n d P a p e n d o r f (1968) r e p o r t e d o b -s e r v i n g d e l a y s i n t h e c r y s t a l l i z a t i o n o f i r o n o x i d e s , a n d a s h i f t i n t h e n a t u r e o f t h e p r o d u c t s f o r m e d i n t h e p r e s e n c e o f c i t r i c a c i d . T h e y f o u n d t h a t t h e s o r p t i o n o f o r g a n i c s w a s r e s p o n s i b l e f o r t h e s t a b i l i t y o f n o n - c r y s t a l l i n e o r a m o r p h o u s i r o n o x i d e s i n t h e s o i l . C h e n a n d S c h n i t z e r (1976) w e r e a b l e t o o b t a i n s c a n n i n g . e l e c t r o n p h o t o g r a p h s o f h u m i c a c i d a n d f u l v i c a c i d a n d t h e i r 3+ 2+ 3+ 2+ m e t a l c o m p l e x e s w i t h F e ^ , F e , A l - ' a n d C u I n t h e s o i l c o m p l e x t h e n o n - c r y s t a l l i n e i r o n h y d r o x i d e s m a y b e e x p e c t e d t o o c c u r i n s i t u a t i o n s w h e r e t h e i r o n i o n i s f r e s h l y f o r m e d a s w e l l a s w h e r e t h e i r o n i o n s a r e s t a b l i z e d b y a d s o r p t i o n o n t o o r g a n i c m a t t e r ( G r e e n l a n d , 1971). S u c h a s i t u a t i o n i s e x e m p l i f i e d b y t h e p o d z o l B h o r i z o n . G r e e n l a n d (1971) a l s o s u g g e s t e d n o n - c y s t a l l i n e a l u m i n u m h y d r o x i d e s h a v e a w i d e s p r e a d o c c u r r e n c e i n s l i g h t l y a c i d t o a c i d s o i l s s u c h a s t h e p o d z o l s o i l . W a d a a n d H a r w a r d (197*0 i d e n t i f i e d a p o r t i o n o f t h e a m o r p h o u s c l a y m a t e r i a l a s b e i n g c o m p o s e d o f s i l i c a t e s a n d a l u m i n o s i l i c a t e s i n a m o r p h o u s a g g r e g a t i o n s w i t h t h e s e s q u i o x -i d e s . V i s e n t i n (197*0 s u g g e s t e d s u c h a r r a n g e m e n t s c o n s i s t e d o f e i t h e r i r o n - a l u m i n o s i l i c a t e o r a l u m i n o s i l i c a t e c o r e s s u r -r o u n d e d b y p o l y h y d r o x y F e a n d A l p h a s e s . T h e c o r e p h a s e w o u l d h a v e F e a n d A l i n a f o u r - f o l d c o o r d i n a t i o n i n p a r t i a l s u b s t i -t u t i o n f o r t e t r e h e d r a l s i l i c o n . C l o o s e t a l (1969) p r e s e n t e d 26 a s t r u c t u r a l m o d e l w i t h t h e c o m p o s i t i o n v a r y i n g b e t w e e n 0 < A l / ( A l + S i ) < l . I n t h i s m o d e l , a c e n t r a l c o r e c o n s i s t i n g o f a t e t r a h e d r a l n e t w o r k i n w h i c h s i l i c o n i s p a r t i a l l y s u b s t i t u t e d b y a l u m i n u m , c a r r i e s a n e t n e g a t i v e c h a r g e . T h i s n e g a t i v e c h a r g e i s b a l a n c e d b y m o r e o r l e s s p o l y m e r i z e d c a t i o n s f o r m i n g a c o a t -i n g a r o u n d t h e c o r e . O r g a n i c m a t t e r m a y o r m a y n o t b e a s s o c i -a t e d w i t h t h e s e m a t e r i a l s . I n s u m m a r y , i t i s c l e a r t h a t t h e r e a r e d i f f e r e n t c l a s s e s o f a m o r p h o u s c l a y c o n s t i t u e n t s i n s o i l . B y t h e i r v e r y n a t u r e t h e a m o r p h o u s c o m p o u n d s a r e d i f f i c u l t t o d e t e c t a n d f r e q u e n t l y t h e i r p r e s e n c e i s d e t e r m i n e d b y i m p l i c a t i o n . T h e a m o r p h o u s c o m p o n e n t s i n a s o i l s y s t e m h a v e a c o m m o n c h a r a c t e r i s t i c d u e t o s t r u c t u r a l r a n d o m n e s s b u t r e a c t d i f f e r e n t l y i n s o i l b e c a u s e o f d i f f e r e n c e s i n c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n d s t r u c t u r e . T h e i m p o r t a n c e o f d i s t i n g u i s h i n g b e t w e e n c r y s t a l l i n e a n d a m o r p h o u s s e s q u i o x i d e s i n s o i l s w a s e x p a n d e d u p o n b y M i t c h e l l , F a r m e r a n d M c H a r d y (1964) . T h e y s u g g e s t t h a t a m o r -p h o u s i r o n o x i d e s w i l l a b s o r b 109 t i m e s a s m u c h p h o s p h a t e a s c r y s t a l l i n e i r o n o x i d e w h i l e a m o r p h o u s a l u m i n a c a n a b s o r b 137 t i m e s a s m u c h p h o s p h a t e a s c r y s t a l l i n e a l u m i n a . T h u s t h e v e r y f a c t t h a t a s o i l c o n t a i n s a m o r p h o u s s e s q u i o x i d e s h a s i m p o r t a n t r a m i f i c a t i o n s o n t h e u s e o f t h a t s o i l f o r t h e r e c y c l i n g o f d o m e c t i c e f f l u e n t . 27 2.1.3 S o i l F o r m a t i o n 2.1.3.1 G e n e r a l P r i n c i p l e s T h e t y p e a n d e x t e n t o f t h e o r g a n i c a n d m i n e r a l c l a y c o n s t i t u e n t s t h a t a r e p a r t o f a s o i l a r e t h e r e s u l t o f t h e l e n g t h y p r o c e s s o f s o i l g e n e s i s . T h e u l t i m a t e c h a r a c t e r o f a s o i l a n d t h e t y p e o f i n t e r r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e s o i l a n d t h e a p p l i e d e f f l u e n t d e p e n d s o n t h e s t a g e o f t h e d e v e l o p m e n t a n d t h e v a r i a b l e s t h a t s h a p e d t h a t d e v e l o p m e n t . A c c o r d i n g t o S i m o n s o n (1959) "the m o d e r n c o n c e p t o f s o i l g e n e s i s c o n s i s t s o f t w o o v e r l a p p i n g s t e p s : 1) T h e a c c u m u l a t i o n o f t h e p a r e n t m a t e r i a l 2) T h e d i f f e r e n t i a t i o n o f t h e h o r i z o n s i n t h e p r o f i l e . I t i s n o t t o i m p l y t h a t t h e r e a r e t w o d i s t i n c t s t a g e s o f s o i l d e v e l o p m e n t - t h e f a c t i s t h a t t h e t w o p r o c e s s e s o v e r l a p a n d m e r g e . O f m a j o r i m p o r t a n c e i n d e t e r m i n i n g t h e e f f l u e n t - s o i l i n t e r r e l a t i o n s h i p s i s t h e e x t e n t o f t h e d i f f e r e n t i a t i o n o f h o r i z o n s i n a s o i l p r o f i l e . T h i s p r o c e s s o f h o r i z o n d i f f e r e n t i -a t i o n i n s o i l s i s d u e t o f o u r k i n d s o f c h a n g e s : l ) a d d i t i o n s , 2) r e m o v a l s , 3) t r a n s f o r m a t i o n s , a n d 4) t r a n s f e r s i n t h e s o i l s y s t e m . .-. T h e s e f o u r c h a n g e s h a v e a g r e a t b e a r i n g o n t h e c o m p o -n e n t s t h a t m a k e u p a s o i l s y s t e m . A s a n e x a m p l e S i m o n s o n (1959) s u g g e s t e d t h a t t h e r e m a y b e a d d i t i o n s , r e m o v a l s , t r a n s f e r s , a n d t r a n s f o r m a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r , s o l u b l e s a l t s , c a r b o n a t e s , s e s q u i o x i d e s o r s i l i c a t e c l a y m i n e r a l s . O r g a n i c m a t t e r a d d e d t o t h e s o i l w i l l u n d e r g o t r a n s f o r m a t i o n s d u e t o m i c r o b i a l d e -2 8 g r a d a t i o n a n d t h e r e s u l t i n g p r o d u c t m a y h e e v e n t u a l l y t r a n s -f e r r e d t h r o u g h t h e s o i l h o r i z o n s . S i m i l a r l y , t h e t r a n s f o r m a -t i o n o f p r i m a r y m i n e r a l s m a y l e a d t o t h e f o r m a t i o n o f s i l i c a t e c l a y m i n e r a l s , s e s q u i o x i d e m i n e r a l s o r a m o r p h o u s c o m p o u n d s w h i c h m a y h e t r a n s f e r r e d t o t h e l o w e r s o i l h o r i z o n s . I n t h e g e n e s i s o f s o i l s , t r a n s f o r m a t i o n s o f o n e s u b s t a n c e i n t o a n o t h e r s u b -s t a n c e o c c u r s i n a l l h o r i z o n s w i t h t h e r e s u l t i n g p r o d u c t p o s -s i b l y b e i n g t r a n s f e r r e d t o a n o t h e r h o r i z o n . T h e n a t u r e o f t h e s o i l t h e n , i s t h e r e s u l t o f t h e b a l a n c e a m o n g i n d i v i d u a l p r o c -e s s e s a c t i n g i n c o m b i n a t i o n . A s h i f t i n t h i s b a l a n c e o f t h e v a r i o u s c o m b i n a t i o n s a c c o u n t s f o r t h e d e v e l o p m e n t o f s o i l d i f f e r e n c e s . I n o t h e r w o r d s , a d d i t i o n s , r e m o v a l s , t r a n s f e r s , a n d t r a n s f o r m a t i o n s o f t h e s a m e p a r e n t m a t e r i a l s i n m o s t s o i l s r e s u l t i n h o r i z o n d i f f e r e n t i a t i o n . T h e d i s c r e p a n c i e s b e t w e e n s o i l t y p e s o c c u r b e c a u s e t h e r e l a t i v e e m p h a s i s o f e a c h p r o c e s s i s n o t u n i f o r m b e t w e e n s o i l l o c a t i o n s . I n f a c t , t h e r e l a t i v e i m p o r t a n c e o f e a c h p r o c e s s i n a h o r i z o n m a y c h a n g e w i t h t i m e . T h e n a t u r e o f a s o i l t h e n i s t h e r e s u l t o f t h e b a l a n c e a m o n g t h e i n d i v i d u a l p r o c e s s e s a c t i n g i n c o m b i n a t i o n i n t h e s o i l . A s h i f t i n t h i s b a l a n c e o f t h e v a r i o u s c o m b i n a t i o n s a c c o u n t s f o r t h e d e v e l o p m e n t o f s o i l d i f f e r e n c e s . 2 . 1 . 3 . 2 P o d z o l F o r m a t i o n T h e t e r m p o d z o l i z a t i o n r e f e r s t o a p a r t i c u l a r c o m b i n a -t i o n o f t h e f o u r m a j o r s o i l g e n e s i s p r o c e s s e s t h a t r e s u l t s i n t h e f o r m a t i o n o f t h e g r e a t s o i l g r o u p , t h e p o d z o l . O f p a r t i -29 c u l a r c o n c e r n i n t h e f o r m a t i o n o f a p o d z o l s o i l i s t h e a l t e r a -t i o n o f p a r e n t m a t e r i a l a n d t h e s u b s e q u e n t r e l e a s e o f t h e i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s . T h e s e m e t a l c a t i o n s , i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e o r g a n i c m a t t e r p r e s e n t , f o r m t h e a m o r p h o u s s e s q u i -o x i d e p a r t i c l e s t h a t h a v e t h e p o t e n t i a l t o u n i q u e l y i n f l u e n c e t h e r e m o v a l o f s p e c i f i c c o n s t i t u e n t s c o n t a i n e d i n a p p l i e d d o m e s t i c e f f l u e n t . S t o b b e a n d W r i g h t (1959) w r o t e t h a t : " T h e t e r m s ' p o d z o l i z a t i o n p r o c e s s 1 a n d ' p o d z o l i z a -t i o n ' a r e o f t e n u s e d a s g e n e r a l t e r m s f o r t h e o v e r -a l l r e a c t i o n a n d p r o c e s s e s w h i c h h a v e r e s u l t e d i n t h e f o r m a t i o n o f p o d z o l s . M o r e r e c e n t l y t h e s e t e r m s h a v e b e e n a s s o c i a t e d b y s o m e w o r k e r s m o r e s p e c i f i c a l l y w i t h r e a c t i o n s w h i c h a r e i n v o l v e d i n t h e m o v e m e n t a n d a c c u m u l a t i o n o f s e s q u i o x i d e s a n d o r g a n i c m a t t e r , f e a t u r e s w h i c h a r e c l o s e l y a s s o c i - . a t e d w i t h t h e m o r p h o l o g y o f p o d z o l s . " I n t h e c o n c l u s i o n o f t h e i r p a p e r , S t o b b e a n d W r i g h t (1959) s u m m a r i z e t h e p r e v a i l i n g v i e w o n t h e g e n e s i s o f p o d z o l s o i l s . A c c o r d i n g t o s o i l s c i e n t i s t s , t h e d e c o m p o s i t i o n o f o r -g a n i c m a t e r i a l a n d t h e s u b s e q u e n t r e l e a s e a n d m o v e m e n t o f o r -g a n i c a c i d s t h r o u g h t h e p a r e n t m a t e r i a l b r i n g s a b o u t t h e c h e m -i c a l d e g r a d i n g o f t h e s a m e p a r e n t m a t e r i a l . T h e s i g n i f i c a n t r e a c t i o n p r o d u c t s o f t h e d e c o m p o s i t i o n o f t h e p a r e n t m a t e r i a l b y o r g a n i c a c i d s a r e t h e a l u m i n u m a n d i r o n w h i c h a r e r e l e a s e d t o t h e s o i l s o l u t i o n . I n a d i s c u s s i o n o f t h e p o s s i b l e f o r m s o f a l u m i n u m a n d i r o n , S c h e f f e r f i e l d a n d U l r i c h , a s r e p o r t e d b y W r i g h t a n d S c h n i t z e r (1963), s u g g e s t e d t h a t t h e f e r r i c i o n s i n s o l u t i o n i n e q u i l i b r i u m w i t h F e ( O H ) ^ a r e Fe(K^O b e l o w p H 2.5, F e ( 0 H ) + 2 ' (H«0)- a b o v e p H 3.0 a n d F e ( 0 H ) „ + 1 " ( H ^ O k a b o v e 30 p H 7'5« A l u m i n u m i o n s i n s o l u t i o n i n e q u i l i b r i u m w i t h A 1 ( 0 H ) ^ a r e A 1 ( H 2 0 ) 6 + 3 b e l o w p H 4 a n d A 1 ( 0 H ) + 2 * ( H ^ O ) ^ a l o n g w i t h A 1 ( 0 H ) 2 + 1 ' ( H 2 0 ) ^ a n d p o s s i b l y A l ( O H ) " 1 ^ " ( H 2 0 ) 2 a b o v e p H 4 .5 . T h e f o r m a t i o n o f t h e p o l y m e r i c h y d r o x y a l u m i n u m c o m p o u n d a n d f e r r i c h y d r o x y ' d i m e r s i s a l s o r e c o g n i z e d b y M a r t i n a n d R e e v e ( i960) . W r i g h t a n d S c h n i t z e r (1963) c o n c l u d e t h a t i n a p o d z o l , t h e f e r r i c i o n c a n m i g r a t e a s F e ( H 2 0 ) F e ( O H ) ( H g O ) ^ , F e ( 0 H ) 2 ' ( H g O ) ^ a n d a s a f e r r i c h y d r o x i d e d i m e r ; b u t s i n c e t h e s e i o n s h a v e l o w s o l u b i l i t i e s u n d e r f i e l d c o n d i -t i o n s , r e a c t i o n s b e t w e e n t h e c a t i o n a n d t h e o r g a n i c m a t t e r i s a p r e r e q u i s i t e p r i o r t o s i g n i f i c a n t m i g r a t i o n o f i r o n a n d a l u m i n u m . M o r t e n s e n ( I 9 6 3 ) s u g g e s t e d t h a t t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r f o r m s c o m p l e x e s w i t h m e t a l s b y i o n e x c h a n g e , s u r f a c e a d s o r p t i o n , c h e l a t i o n r e a c t i o n s a n d c o m p l e x c o a g u l a t i o n a n d p e p t i z a t i o n r e a c t i o n s . T h e n a t u r e o f t h e l i g a n d s i n p o l y m e r i c c o m p o n e n t s o f t h e s o i l o r g a n i c m a t t e r u s u a l l y i n v o l v e c a r b o x y l , h y d r o x y l , a n d a m i d e g r o u p s w h i c h o c c u r o n p o l y m e r s o f l i g n i n , p o l y s a c - ^ c h a r i d e s , t a n n i n s , a n d p r o t e i n s o r o n l o w m o l e c u l a r w e i g h t c o m p o u n d s s u c h a s a m i n o a c i d s . T h e l i g a n d s o n p o l y m e r s a r e r e s t r i c t e d b y t h e s i z e o f t h e p o l y m e r a n d u s u a l l y s e r v e a s s i t e s f o r i o n i c e x c h a n g e r a t h e r t h a n i n a l i g a n d e x c h a n g e i n v o l v i n g t h e m e t a l c a t i o n . T h e s i n g l e l i g a n d g r o u p s w i l l b i n d w i t h t h e m e t a l i o n . W r i g h t a n d S c h n i t z e r (1963) c o n c l u d e d t h a t f u l v i c a c i d i s t h e d o m i n a n t f r a c t i o n o f o r g a n i c m a t t e r i n v o l v e d i n p o d z o l -31 i z a t i o n . T h e f u n c t i o n a l g r o u p s s u c h a s c a r b o x y l , h y d r o x y l , a n d c a r b o n y l g r o u p s c o m p o s e u p t o 60% o f f u l v i c a c i d . T h e s e g r o u p s c o m b i n e w i t h t h e p o l y v a l e n t c a t i o n s t o f o r m w a t e r s o l -u b l e c o m p l e x e s , s o m e o f w h i c h i n v o l v e t w o o r m o r e l i g a n d g r o u p s r e s u l t i n g i n a m e t a l c h e l a t e f o r m a t i o n . I n a n o t h e r p a p e r , S c h n i t z e r (1968) r e i t e r a t e d t h a t f u l v i c a c i d w a s a m a j o r h u m i c c o m p o u n d a f f e c t i n g m o s t s o i l r e a c t i o n s . T h e m a j o r r e a c t i o n l e a d i n g t o a m e t a l - o r g a n i c c o m p l e x i s t h e r e a c t i o n b e t w e e n t h e m e t a l i o n ( F e ^ o r klJ ) a n d t h e h y d r o x y l p o r t i o n o f t h e c a r b o x y l a n d p h e n o l i c g r o u p s . T h e m o r e s t a b l e c o m p o u n d s w e r e f o r m e d b y t h e r e a c t i o n s i n v o l v i n g t h e o r g a n i c c o m p o u n d s a n d t r i v a l e n t c a t i o n s ( F e ^ a n d A l ^ ) , r a t h e r t h a n t h e d i v a l e n t m e t a l i o n s . A t l o w p H t h e s t a b i l i t y o f m e t a l - f u l v i c a c i d c o m -p l e x e s a r e : F e 3 + > A l 3 + > C u 2 + > N i 2 + > C 0 2 + > P b 2 + = C a 2 + > Z n 2 + > M n 2 + > M g 2 + ( S c h n i t z e r a n d K a h n , 1972). I n a p o d z o l t h e s e s q u i o x i d e s a r e f o u n d m a i n l y i n t h e s o i l B h o r i z o n . . P o n o m a r e v a (1969) c o n c l u d e d t h a t t h e m o b i l i t y o f t h e c o m p l e x c o m p o u n d s w i t h h y d r a t e d s e s q u i o x i d e s d e p e n d e d o n b o t h t h e r a t i o o f t h e r e a g e n t s a n d t h e d e g r e e o f d i l u t i o n o f t h e s o l u t i o n s . H e f o u n d t h a t d e c r e a s i n g t h e R g O y F A r a t i o ( w h e r e F A i s f u l v i c a c i d . ' . a n d R i s t h e m e t a l c a t i o n F e o r A l ) a n d d e c r e a s i n g t h e ^2^3 c o n c e n t r a t i o n s , c a u s e d a n i n c r e a s e i n t h e m o b i l i t y o f t h e c o m p l e x . F o r a F e g O ^ F A r a t i o o f 20:1 a n d a A l g O ^ F A r a t i o o f 3;1> c o m p l e t e p r e c i p i t a t i o n o c c u r s . H e a l s o c o n c l u d e d t h a t t h e F e c o m p l e x i s 20 t i m e s m o r e m o b i l e t h a n 32 t h e A l c o m p l e x . T h u s c o n d i t i o n s t h a t e n s u r e t h e m o b i l i t y o f t h e s e s q u i o x i d e - f u l v i c a c i d c o m b i n a t i o n o c c u r w h e n f u l v i c a c i d i s i n a l a r g e r c o n c e n t r a t i o n t h a n R 2 ^ 3 a n d w n e n ^ h e s o l u t i o n s a r e d i l u t e . T h e s e a r e t h e c o n d i t i o n s i n a n e l u v i a t e d h o r i z o n . C o n v e r s e l y , p r e c i p i t a t i o n o f t h e m e t a l - o r g a n i c c o m p l e x o c c u r s w h e n t h e s e s q u i o x i d e s a r e p r e d o m i n a n t a n d t h e s o l u t i o n s a r e n o t d i l u t e s u c h a s i n t h e i l l u v i a t e d h o r i z o n . T h e d e g r e e o f p o d z o l i z a t i o n d e p e n d s o n s o i l t e m p e r a t u r e , t h e r e l a t i v e s u p p l y a n d c o n c e n t r a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r , t h e t y p e o f p a r e n t m a t e r i a l a n d t h e r e s i s t a n c e t o c h e m i c a l d e g r a d -3 + 3 + . a t i o n t o r e l e a s e F e ^ a n d A l - ' , t h e o x i d a t i o n - r e d u c t i o n c o n d i -t i o n s , t h e c h a n g e s i n s o i l m o i s t u r e a s d e t e r m i n e d b y r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e r e a c t i o n s i n t h e v a r i o u s h o r i z o n s . 2.1.4 D e s c r i p t i o n o f a P o d z o l S o i l T h e g e n e s i s o f a s o i l b y t h e p r o c e s s o f p o d z o l i z a t i o n l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f a p o d z o l s o i l w i t h d i s t i n c t s o i l c h a r a c t e r i s t i c s . T h e p o d z o l i s o n e g r e a t s o i l g r o u p o r a g r o u p o f s o i l s h a v i n g a w i d e d i s t r i b u t i o n . O c c u r r i n g i n r e g i o n s o f c o o l h u m i d c l i m a t e w i t h a n a n n u a l r a i n f a l l r a n g i n g b e t w e e n 50 c m (19'7 i n ) a n d 75 c m (29-5 i n ) a n d a m e a n a n n u a l t e m p e r -a t u r e o f 40 C , t h e p o d z o l g r e a t s o i l g r o u p c o v e r s t h e l a r g e s t p o r t i o n o f t h e h a b i t a b l e a r e a o n t h e e a r t h ' s s u r f a c e . G e n e r a l l y d e v e l o p e d o n w e l l d r a i n e d , a c i d , c o a r s e t e x t u r e d p a r e n t m a t e r i a l , t h e p o d z o l e x h i b i t s a n e x t r a o r d i n a r y p r o f i l e d e v e l o p m e n t . T h e L h o r i z o n i s c o m p o s e d o f r e a d i l y i d e n t i f i a b l e , f r e s h l y 33 d e p o s i t e d o r g a n i c m a t t e r t h a t i s d e p o s i t e d o v e r a l a y e r o f p a r -t i a l l y d e c a y e d o r g a n i c m a t t e r , t h e F l a y e r . A l s o p a r t o f t h e L F H h o r i z o n a n d u n d e r l y i n g t h e s e t w o f o r e s t f l o o r h o r i z o n s i s t h e H l a y e r , a r a w h u m u s l a y e r w h i c h i s t h e s i t e f o r t h e f o r m -a t i o n o f a c i d d e c o m p o s i t i o n p r o d u c t s o f o r g a n i c m a t t e r . T h e A h h o r i z o n i s a m i n e r a l h o r i z o n . I t c o n t a i n s a n a c c u m u l a t i o n o f o r g a n i c m a t t e r a t o r n e a r t h e s u r f a c e , w i t h t h e d o m i n a n t f e a t u r e " b e i n g t h e a b s e n c e o f c l a y , h y d r o u s o x i d e s o f i r o n a n d a l u m i n u m o r b o t h . I n t h e l o w e r p o r t i o n o f t h e A h o r i z o n , t e r m e d t h e A g h o r i z o n o r e l u v i a t e d l a y e r , a l i g h t e r c o l o u r d e v e l o p s d u e t o t h e l e a c h i n g o f i r o n a n d a l u m i n u m c o m -p o u n d s d u r i n g t h e p o d z o l i z a t i o n p r o c e s s . A l s o t h e l o w e r p o r t i o n o f t h e A h o r i z o n i s l o w e r i n o r g a n i c m a t t e r c o n t e n t , e to T h e A h o r i z o n i s u n d e r l a i n b y a d a r k e r c o l o u r e d B h o r -i z o n , o r i l l u v i a t e d l a y e r , w i t h t h e m a j o r r e a c t i o n p r o d u c t s d e p o s i t e d a n d a c c u m u l a t e d i n t h i s h o r i z o n b e i n g t h e a m o r p h o u s s e s q u i o x i d e s a n d o r g a n i c m a t t e r . T h e a c c u m u l a t e d m a t e r i a l s i n t h e B h o r i z o n m a y b e p r e d o m i n a n t l y o r g a n i c , p r e d o m i n a n t l y s e s q u i o x i d i c o r p r e d o m i n a n t l y o r g a n i c c o v e r i n g a p r e d o m i n a n t l y s e s q u i o x i d i c h o r i z o n ( l o w e r B h o r i z o n ) . T h e c o n s i s t e n c e i n t h e B h o r i z o n m a y v a r y f r o m l o o s e a n d f r i a b l e t o c e m e n t e d a n d h a r d . T h e s o i l m u s t a l l o w u n i m p e d e d d r a i n a g e o f t h e m o d e r a t e t o h i g h r a i n f a l l i n o r d e r t o f a c i l i t a t e p e r c o l a t i o n o f t h e s o i l s o l u t i o n c o n t a i n i n g t h e e l u v i a t i o n p r o d u c t s f o r m e d i n t h e u p p e r h o r i z o n s ' . T h e u n r e s t r i c t e d d r a i n a g e a n d t h e m o d e r a t e t o h i g h r a i n f a l l i s r e f l e c t e d i n t h e a b s e n c e o f c a r b o n a t e s a n d o t h e r 3^ s a l t s . T h e C h o r i z o n i s t h e u n a l t e r e d p a r e n t m a t e r i a l . I t i s t h e m a t e r i a l f r o m w h i c h t h e A a n d B h o r i z o n s d e v e l o p e d . I t i s r e l a t i v e l y u n a f f e c t e d "by t h e s o i l f o r m i n g p r o c e s s e s . 2.2 I O N E X C H A N G E 2.2.1 C a t i o n E x c h a n g e M o s t s o i l s e x h i b i t t h e p h y s i c a l c h e m i c a l p r o p e r t y o f a d s o r b i n g c a t i o n s t o n e g a t i v e l y c h a r g e d c l a y p a r t i c l e s a n d s o i l o r g a n i c m a t t e r . T h e p r o c e s s , t e r m e d c a t i o n e x c h a n g e , i s a r e v e r s i b l e p r o c e s s i n w h i c h c a t i o n s a r e e x c h a n g e d b e t w e e n t h e l i q u i d s o i l s o l u t i o n p h a s e a n d t h e s o l i d c l a y o r o r g a n i c m a t t e r p h a s e s . I n t h e c a t i o n e x c h a n g e p r o c e s s a c a t i o n a t ^ t a c h e d t o a c l a y o r o r g a n i c m a t t e r p a r t i c l e i s r e p l a c e d b y a n -o t h e r ' c a t i o n f o u n d i n t h e s o i l s o l u t i o n , w i t h t h e f o r m e r c a t i o n s u b s e q u e n t l y b e i n g r e l e a s e d t o t h e s o i l s o l u t i o n . T h e e x c h a n g e i s s t o i c h i o m e t r i c i n n a t u r e . T h e t o t a l n u m b e r o f e x c h a n g e s i t e s p e r u n i t m a s s o f s o i l i s r e f e r r e d t o a s t h e c a t i o n e x c h a n g e c a p a c i t y ( C E C ) . T h i s c a p a c i t y i s g e n e r a l l y r e p o r t e d i n m i l l i e q u i v a l e n t s p e r g r a m o f s o i l ( m e q / g ) o r m i l l i e q u i v a l e n t s p e r 100 g r a m s o f s o i l (meq/100 g ) ( G r i m m , 1968). 2.2.1.1 S o u r c e - o f C a t i o n E x c h a n g e P h e n o m e n a 2.2.1.1.1 C l a y M i n e r a l s R e s e a r c h i n d i c a t e s t h a t t h e c l a y s u r f a c e c o n t a i n s a n e t 35 n e g a t i v e c h a r g e w h i l e t h e e d g e o f t h e c l a y m a t e r i a l c o n t a i n s a p o s i t i v e c h a r g e ( G r i m m , 1968; W a y m a n , 1967; W i k l a n d e r , 1964; R i c h a n d T h o m a s , i960) . T h r e e m e c h a n i s m s a r e b e l i e v e d t o b e r e s p o n s i b l e f o r t h e c h a r g e p h e n o m e n a o n t h e c l a y p a r t i c l e ; i s o m o r p h o u s s u b s t i t u t i o n , b r o k e n b o n d s a n d l a t t i c e d e f e c t s . I s o m o r p h o u s s u b s t i t u t i o n o f t r i v a l e n t a l u m i n u m f o r q u a d -r i v a l e n t s i l i c o n i n t h e t e t r a h e d r a l s h e e t a n d t h e s u b s t i t u t i o n o f t h e d i v a l e n t m a g n e s i u m o r t h e d i v a l e n t o r t r i v a l e n t i r o n c a t i o n f o r t r i v a l e n t a l u m i n u m i n t h e o c t a h e d r a l s h e e t r e s u l t s i n u n b a l a n c e d c h a r g e s o n t h e c l a y p a r t i c l e . I n t h e f o r m e r c a s e t h e l a r g e r d i a m e t e r a l u m i n u m i o n w i l l r e p l a c e t h e t e t r a v a l e n t s i l i c o n a t o m i n t h e s i l i c a s h e e t a n d f o r c e t h e f o u r o x y g e n a t o m s i n t h e t e t r a h e d r o n a r r a n g e m e n t f u r t h e r a p a r t . T h e s u b -s t i t u t i o n w i l l d e c r e a s e t h e p o s i t i v e c h a r g e b y o n e a n d i n c r e a s e t h e n e g a t i v e c h a r g e b y o n e . T h i s n e g a t i v e c h a r g e m u s t b e b a l a n c -e d b y a n e x t r a c a t i o n b e c o m i n g a t t a c h e d t o t h e c l a y p a r t i c l e . S i m i l a r l y , t h e l a r g e d i a m e t e r d i v a l e n t m a g n e s i u m a n d f e r r o u s i o n s a n d t h e t r i v a l e n t f e r r i c i o n w i l l c r e a t e s t r a i n s w i t h i n t h e o c t a h e d r a l u n i t s w h e n t h e y r e p l a c e t h e t r i v a l e n t a l u m i n u m c a t i o n . T h e s u b s t i t u t i o n o f t h e d i v a l e n t i o n s f o r t h e t r i v a l e n t i o n s w i l l i n c r e a s e t h e n e g a t i v e c h a r g e w h i c h m u s t b e b a l a n c e d a t t h e p l a n a r c l a y s u r f a c e b y t h e a d d i t i o n o f c a t i o n s . B r o k e n b o n d s o c c u r a l o n g t h e c r y s t a l l i n e e d g e s o f t h e c l a y p a r t i c l e s i n e i t h e r t h e t e t r a h e d r a l o r o c t a h e d r a l l a y e r s . I n t h e o c t a h e d r a l l a y e r t h e b o n d i n g b e t w e e n t h e a l u m i n u m a n d o x y g e n i s A l - 0 - A l - 0. I f t h e b r e a k i n g o f t h e b o n d o c c u r s 36 b e t w e e n t h e o x y g e n a r i d a l u m i n u m a t o m s t h e n t h e s i t e b e c o m e s n e g a t i v e d u e t o t h e e x p o s e d o x y g e n a t o m . I n t h e t e t r a h e d r a l a r r a n g e m e n t t h e b o n d i n g b e t w e e n t h e s i l i c o n a n d o x y g e n a t o m i s u s u a l l y S i - 0 - S i - 0 . I f t h e b r e a k a g e o c c u r s i n t h e o x y g e n - s i l i c o n b o n d t h e n t h e s i t e s i m i l a r l y a s s u m e s a n e g a t i v e c h a r g e . L a t t i c e d e f e c t s g e n e r a l l y o c c u r i n t h e i n t e r - l a y e r b e -t w e e n t h e t e t r a h e d r a l a n d o c t a h e d r a l l a y e r s . I f t h e d e f e c t s w e r e d u e t o a d e f i c i t o f a l u m i n u m i o n s t h e n a n e g a t i v e c h a r g e w o u l d a r i s e . T h e n e t n e g a t i v e c h a r g e o n t h e s u r f a c e o f t h e c l a y m i n e r a l s a n d t h e b a l a n c i n g c a t i o n s a t t r a c t e d t o t h e c l a y s u r -f a c e fo:r<m a n e l e c t r i c a l d o u b l e l a y e r . T h e i n n e r l a y e r i s t h e n e g a t i v e l y c h a r g e d l a y e r a s s o c i a t e d w i t h t h e n e t n e g a t i v e c h a r g e o n t h e p a r t i c l e . T h e l a y e r i s s u r r o u n d e d b y t h e d i f f u s e 2+ d o u b l e l a y e r c o m p o s e d o f e x c h a n g e a b l e c a t i o n s s u c h a s C a , M g 2 + , N a + , K + , N H ^ + , H + , a n d A l 3 + . T h e d i f f u s e d o u b l e l a y e r ( G o u y L a y e r ) i n v o l v e s a h i g h c o n c e n t r a t i o n o f c o u n t e r i o n s a t t h e p a r t i c l e s u r f a c e , w i t h t h e c o n c e n t r a t i o n t e n d i n g t o d i f f u s e a w a y t o w a r d t h e s o l u t i o n w h e r e t h e c o n c e n t r a t i o n i s l o w e r . I n o t h e r w o r d s , t h e c o n c e n t r a t i o n o f c a t i o n s d e c r e a s e s w i t h t h e d i s t a n c e f r o m t h e c l a y p a r t i c l e u n t i l a t s o m e p o i n t i n t h e s o l u t i o n , t h e c o n c e n t r a t i o n o f c a t i o n s a n d a n i o n s a r e e q u a l . T h e G o u y c o n c e p t o f t h e d i f f u s e d o u b l e l a y e r h a s b e e n m o d i f i e d b y H e l m h o i t z a n d S t e r n ( v a n O l p h e n , 1962). S t e w a r t a n d W e b b e r (19?6) l i s t a r a n g e o f C E C v a l u e s f o r 37 t h e d i f f e r e n t s i z e f r a c t i o n s f o u n d i n t h e s o i l . F o r s o i l p a r -t i c l e s g r e a t e r t h a n .02 mm i n d i a m e t e r ( s a n d ) t h e C E C i s 0, w h i l e f o r t h e p a r t i c l e d i a m e t e r " b e t w e e n .02 a n d .002 mm i n d i a m e t e r ( s i l t ) t h e C E C r a n g e s f r o m 3 t o 7 m e q / l O O g . F o r s o i l p a r t i c l e s l e s s t h a n .002 mm i n d i a m e t e r ( c l a y ) t h e C E C r a n g e s f r o m 22 t o 63 m e q / l O O g . T h e g e n e r a l r u l e i s t h a t t h e s o i l s r i c h i n c l a y h a v e h i g h e r a d s o r p t i v e c a p a b i l i t i e s t h a n t h o s e t h a t c o n t a i n s m a l l a m o u n t s o f c l a y . 2.2 .1 .1 .2 O r g a n i c M a t t e r T h e m o r e a c t i v e p o r t i o n o f t h e s o i l , o n a w e i g h t b a s i s , i n t h e i o n e x c h a n g e p r o c e s s , i s t h e o r g a n i c m a t t e r f r a c t i o n ( A l e x a n d e r , I96I) . T h e m a j o r p o r t i o n o f t h e s o i l o r g a n i c m a t -t e r i s c o m p o s e d o f t h e h u m u s s u b s t a n c e s o f u n s p e c i f i e d c h e m i -c a l d e s c r i p t i o n ( S c h n i t z e r a n d K a h n , 1 9 7 2 ; F e l b e c k , 1965; S t e v e n s o n , 1972). T h e i o n e x c h a n g e c a p a c i t y o f t h e s e o r g a n i c c o m p o u n d s i s b a s e d o n t h e i r h i g h c o n t e n t o f o x y g e n - c o n t a i n i n g f u n c t i o n a l g r o u p s , i n c l u d i n g - C O O H , C=0., p h e n o l i c - O H , e n o l i c - O H , a n d a l i p h a t i c - OH s t r u c t u r e s o f v a r i o u s t y p e s . S t e v e n s o n l i s t s t h e C E C r a n g e o f v a l u e s f o r f u l v i c a c i d a s 890 - 1 4 0 0 m e q / l O O g w h i l e t h e C E C r a n g e o f v a l u e s f o r h u m i c a c i d i s r e -p o r t e d t o b e 485 t o 870 m e q / l O O g . T h e f u l v i c a c i d s , o f l o w e r m o l e c u l a r w e i g h t , h a v e l o w e r c a r b o n c o n t e n t b u t h i g h e r o x y g e n c o n t e n t b e c a u s e o f a g r e a t e r n u m b e r o f t h e f u n c t i o n a l - C O O H g r o u p s w h e n c o m p a r e d t o t h e h u m i c a c i d s . T h e r e s u l t i s a h i g h e r C E C f o r t h e f u l v i c a c i d s t h a n t h e h u m i c a c i d s . S t e w a r t a n d 38 W e b b e r (1976) g i v e t h e C E C o f s o i l o r g a n i c m a t t e r a s b e t w e e n 200 t o 4 0 0 meq / 1 0 0 g . 2.2.1.2 R e p l a c a b i l i t y o f C a t i o n s A c c o r d i n g t o W a y m a n (1967) a n d W i k l a n d e r (1964), c a t i o n e x c h a n g e i s a r e d i s t r i b u t i o n o f i o n s b e t w e e n t h e b u l k s o l u t i o n a n d t h o s e s u r r o u n d i n g a c h a r g e d p a r t i c l e . F o r i n s t a n c e t h e c a t i o n e x c h a n g e m a y b e r e p r e s e n t e d a s f o l l o w s : a ) f o r i o n s o f t h e s a m e v a l e n c e N a X + K + ^ K X + N a + w h e r e X i s t h e e x c h a n g e s i t e b ) f o r h e t e r o v a l e n t i o n s 2 N a X + C a 2 + ^ C a X + 2 N a + G r i m m (I968) w a s o f t h e o p i n i o n t h a t a l l a t t e m p t s t o d e v e l o p a t h e o r y o f c a t i o n e x c h a n g e t h a t w o u l d p e r m i t t h e q u a n t i t a t i v e e x p r e s s i o n o f e x c h a n g e d a t a i n t h e s o i l b y m a t h -e m a t i c a l r e l a t i o n s h i p s h a v e f a i l e d . T h e r e a s o n l i e s w i t h t h e l a r g e n u m b e r o f v a r i a t i o n s o n t h e n a t u r e o f t h e c l a y m i n e r a l a n d t h e o r g a n i c m a t t e r , n a t u r e o f t h e i o n , c o n c e n t r a t i o n o f t h e i o n , c o n c e n t r a t i o n o f t h e e x c h a n g e s i t e s , e t c . W h i l e t h e c a t i o n e x c h a n g e r e a c t i o n s a r e h i g h l y c o m p l e x a n d p o o r l y u n d e r s t o o d , t h e l i t e r a t u r e c o n t a i n s s o m e g e n e r a l i z a t i o n s a b o u t t h e e x c h a n g e p r o c e s s ( G r i m m , 1968; W i k l a n d e r , 1965; W a y m a n , 1967): a ) T h e c a t i o n e x c h a n g e i s r a p i d , r e a c h i n g e q u i l i b r i u m i n a f e w m i n u t e s . ( W i k l a n d e r ) b ) A n i n c r e a s e i n t e m p e r a t u r e w i l l i n c r e a s e t h e r e a c -t i o n r a t e s l i g h t l y ( W i k l a n d e r ) b u t i t m a y r e d u c e 39 t h e C E C a n d c h a n g e t h e r e p l a c e a b i l i t y o f c a t i o n s . ( G r i m m ) c ) T h e C E C i s a s t o i c h i o m e t r i c r e a c t i o n a n d t h e l a w s o f m a s s a c t i o n h o l d . I n g e n e r a l , i n c r e a s e d c o n -c e n t r a t i o n o f t h e r e p l a c i n g c a t i o n c a u s e s g r e a t e r e x c h a n g e "by t h a t c a t i o n b u t t h i s i s n o t t h e s o l e f a c t o r t h a t e x p l a i n s t h e p h e n o m e n o n . ( G r i m m ) d ) A l l t h i n g s b e i n g e q u a l , t h e h i g h e r t h e v a l e n c e o f t h e i o n t h e g r e a t e r i s i t s r e p l a c i n g p o w e r a n d t h e m o r e d i f f i c u l t i t i s t o r e p l a c e . I n d i l u t e s o l u t i o n t h e i o n i c r e p l a c e m e n t f o l l o w t h e s e r i e s m o n o v a l e n t < < d i v a l e n t < t r i v a l e n t o r N a + < K + - ^ N % f < H + < M g + + C a < A 1 ( W a y m a n ) e ) F o r i o n s o f t h e s a m e v a l e n c e , t h e r e p l a c i n g p o w e r t e n d s t o i n c r e a s e a s t h e s i z e o f i o n i n c r e a s e s . T h e a d s o r p t i o n o f i o n s w o u l d b e a s f o l l o w s : L i < N a + < K + = N H ^ + < , R b < C s + ( M o n o v a l e n t ) M g + + < C a + + < S r + + ( D i v a l e n t ) ( G r i m m ) f ) M a x i m u m a d s o r p t i o n o c c u r s a t a h i g h r a t i o o f c h a r g e t o i o n i c s i z e ( W a y m a n ) g ) T h e C E C i s p H d e p e n d e n t w i t h t h e C E C i n c r e a s i n g w i t h i n c r e a s i n g p H ( B l a c k ) 2 . 2 . 2 A n i o n E x c h a n g e W h i l e t h e a n i o n e x c h a n g e c a p a c i t y m a y b e i n s i g n i f i c a n t i n m o s t s o i l s , t h e r e t e n t i o n o f a n i o n s i s h i g h i n a s o i l w i t h l o w p H a n d a s u b s t a n t i a l c o n t e n t o f a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s ( W i k l a n d e r , 1964; T i s d a l e a n d N e l s o n , 1975; G r i m m , 1968; R i c h a n d T h o m a s , I960; W a d a a n d H a r w a r d , 1974). S u c h s o i l s o c c u r i n t h e p o d z o l g r e a t s o i l g r o u p . T h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s i n a p o d z o l f a l l i n t o t w o g e n e r a l c a t e g o r i e s . T h e f i r s t c a t e g o r y i n c l u d e s t h e f u n c t i o n a l g r o u p s 40 o n t h e o r g a n i c m a t t e r p r e s e n t i n t h e s o i l , w h i l e t h e s e c o n d c a t e g o r y i s c o m p r i s e d o f t h e a m o r p h o u s a l u m i n o s i l i c a t e s a n d h y d r o u s i r o n a n d a l u m i n u m o x i d e s ( W a d a a n d H a r w a r d , 197*1-) • A t a l o w p H t h e b a s i c g r o u p s a r e a c t i v a t e d b y i n c r e a s e d a c c e p t -a n c e o f p r o t o n s . F o r i n s t a n c e t h e f o l l o w i n g e x a m p l e s o f a n i o n e x c h a n g e r e a c t i o n s a r e g i v e n b y W i k l a n d e r ( 1 9 6 4 ) . R - OH + H + C 1 " ^ ± R - 0 H 2 + C 1 " R - N H 2 + H + C 1 " ^ ± R - NH + C 1 ~ T h e a n i o n s ( 0 1 , N 0 ^ , S 0 ^ , H 2 P 0 ^ ) t h e n f u n c t i o n a s c o u n t e r i o n s a n d a r e e x c h a n g e a b l e w i t h o t h e r a n i o n s i n a m a n n e r s i m i l a r t o c a t i o n e x c h a n g e . R - 0 H 2 + C 1 " + N 0 3 " ^ R - 0 H 2 + N 0 ~ + C I " T h e d i s t r i b u t i o n o f e x c h a n g e a b l e a n i o n s a n d t h e f a c t o r s t h a t a f f e c t t h i s d i s t r i b u t i o n s e e m t o b e s i m i l a r t o t h a t f o r c a t i o n s a s e x p l a i n e d e a r l i e r ( W i k l a n d e r , 1 9 6 4 ) . I n g e n e r a l t h e l o w e r t h e s o i l p H , t h e g r e a t e r i s t h e a n i o n a d s o r p t i o n . T h e b o n d i n g s t r e n g t h i s i n t h e o r d e r s C l ' ^ N O ^ " < S o ^ 2 " <<C P 0 ^ 3 " 2 . 3 F A T E OF C H L O R I D E I N E F F L U E N T A P P L I E D TO F O R E S T S O I L I n m o s t s o i l s t h e c h l o r i d e i o n i s v e r y m o b i l e , f r e q u e n t -l y b e i n g e m p l o y e d a s a t r a c e r o f t h e m o v e m e n t o f s o i l w a t e r ( W e t s e l a a r , 1962; S m i t h , 1 9 7 2 ) . T h e f a c t t h a t m o s t s o i l s u s u -a l l y h a v e a s m a l l a n i o n e x c h a n g e c a p a c i t y a n d t h e f a c t t h a t t h e r e i s n o m i c r o b i o l o g i c a l a s s i m i l a t i o n u s u a l l y e x p l a i n s t h e m o b i l i t y o f t h e c h l o r i d e i o n . 4 1 I n p r e v i o u s s o i l w a t e r q u a l i t y s t u d i e s d u r i n g t h e a p p l i -c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o l a n d , c h l o r i d e w a s f o u n d t o m o v e t h r o u g h t h e s o i l u n c h a n g e d , ( B a a r s , 1964; S t o n e a n d G a r b e r , 1952; G r e e n b e r g a n d M c G a u h e y , 1955)• T h e s e r e s u l t s w e r e n o t s u b s t a n t i a t e d b y r e s u l t s o b t a i n e d i n w a t e r q u a l i t y s t u d i e s t h a t i n v o l v e d t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o f o r e s t l a n d a t P e n n s y l v a n i a S t a t e U n i v e r s i t y (1974). S u b s t a n t i a l q u a n t i t i e s o f c h l o r i d e s w e r e r e m o v e d i n h a r v e s t e d c r o p s a n d , a s w e l l , s i g n i f i c a n t a m o u n t s w e r e a d s o r b e d b y t h e s o i l . T u l l o c k , C o l e m a n a n d P r a t t (1975) • c a r r i e d o u t c h l o r i d e m o v e m e n t s t u d i e s w i t h a Ca('NQ^) ^  s o l u t i o n a n d 17 s o i l c o l u m n s c o n t a i n i n g 17 d i f f e r e n t s o i l s . T h e y f o u n d t h a t t h e c h l o r i d e i o n m o v e d 2% t o 25% f a s t e r t h a n t h e s o i l w a t e r i n 16 o f t h e 17 s o i l c o l u m n s . T h e o n e e x c e p t i o n w a s a c o l u m n o f s o i l t h a t c o n t a i n e d a n ' a p p r e c i a b l e a m o u n t o f f r e e i r o n o x i d e s ( 2 . 4 0 $ ) . T h e s e p a r t i c u l a r s o i l c o n s t i t u e n t s d e m o n s t r a t e d a s i g n i f i c a n t p o s i t i v e c h a r g e o r a n i o n e x c h a n g e c a p a c i t y u n d e r a c i d i c c o n d i -t i o n s t h a t e x i s t e d i n t h e s o i l . T h i s a n i o n e x c h a n g e c a p a c i t y h a d t o b e s a t i s f i e d b e f o r e c h l o r i d e c o u l d m o v e f r e e l y t h r o u g h t h e s o i l c o l u m n . W i k l a n d e r (1964), a l s o o b s e r v e d a h i g h a n i o n e x c h a n g e c a p a c i t y i n s o i l s c o n t a i n i n g s u b s t a n t i a l q u a n t i t i e s o f a m o r p h o u s s e s q u i o x i d e s . 2.4 F A T E OF P H O S P H O R U S A P P L I E D TO A F O R E S T S O I L P h o s p h o r u s , n i t r o g e n a n d p o t a s s i u m a r e t h e t h r e e m a j o r m i n e r a l n u t r i e n t s r e q u i r e d b y p l a n t s a n d m i c r o - o r g a n i s m s . T h e 4 2 f u n c t i o n o f p h o s p h o r u s i n p l a n t s i s t h e a c c u m u l a t i o n a n d r e -l e a s e o f e n e r g y d u r i n g c e l l u l a r m e t a b o l i s m . O n e o f t h e p r i n -c i p a l g o a l s i n a p p l y i n g d o m e s t i c e f f l u e n t t o t h e l a n d i s t h e a s s i m i l a t i o n o f t h e p h o s p h o r u s b y a c r o p t h a t c a n e v e n t u a l l y b e h a r v e s t e d . A c c o r d i n g t o A l e x a n d e r ( 1 9 6 1 ) , h o w e v e r , t h e p h o s p h o r u s c o m p o u n d s a l s o m a y b e a s s i m i l a t e d b y m i c r o - o r g a n i s m s o r f i x e d c h e m i c a l l y b y i n o r g a n i c c o n s t i t u e n t s i n t h e s o i l . T h e p h o s p h o r u s c y c l e a s v i s u a l i z e d b y A l e x a n d e r (I96I) i s p r e s e n t e d i n F i g 1 . T h e i n o r g a n i c p h o s p h a t e i o n m a y b e a s s i m i l a t e d i n t o c e l l p r o t o p l a s m o f m i c r o - o r g a n i s m s a n d / o r a p o r t i o n m a y b e f i x e d b y c h e m i c a l r e a c t i o n s w i t h p o r t i o n s o f t h e s o i l m a t r i x . 2 . 4 . 1 M i c r o b i o l o g i c a l A s s i m i l a t i o n o f P h o s p h o r u s M i c r o b i a l g r o w t h r e q u i r e s t h e p r e s e n c e o f a v a i l a b l e f o r m s o f p h o s p h o r u s . S i n c e t h i s e l e m e n t i s e s s e n t i a l f o r c e l l s y n t h e s i s , t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o f l o r a i s g o v e r n e d b y t h e q u a n t i t y o f u t i l i z a b l e p h o s p h o r u s c o m p o u n d s i n t h e e n v i r o n m e n t . I n e n v i r o n m e n t s w h e r e p h o s p h o r u s i s l i m i t i n g , i t s a d d i t i o n w i l l t h e r e f o r e s t i m u l a t e m i c r o b i o l o g i c a l a c t i v i t i e s a n d r e s u l t i n a n i n c r e a s e i n t h e i m m o b i l i z a t i o n r a t e . R e s e a r c h i n d i c a t e s t h a t i f t h e o r g a n i c c a r b o n : o r g a n i c P ( C : P ) r a t i o i n s o i l i s g r e a t e r t h a n a p p r o x i m a t e l y 300:1, t h e m i c r o b i o l o g i c a l i m m o b i l -i z a t i o n o f a d d e d p h o s p h o r u s w i l l o c c u r , w h i l e i f t h e C : P r a t i o i s l e s s t h a n 2 0 0 : 1 m i n e r a l i z a t i o n o f o r g a n i c p h o s p h a t e s w i l l o c c u r ( A l e x a n d e r , 1 9 6 l ; S t e v e n s o n , 1 9 6 4 ) . k3 FIGURE I P H O S P H O R U S C Y C L E IN SOIL ( A F T E R A L E X A N D E R , I 9 6 0 ANIMAL *(DOMESTIC EFFLUE *( FERTILIZER) HUMUS MICROBIAL P AVAILABLE P f C H E M I C A L L Y FIXED P m m = MINERLIZATION - CONVERSION OF ORGANIC P TO THE INORGANIC STATE » = IMMOBILIZATION " C O N V E R S I O N OF INORGANIC P TO C E L L PROTOPLAIM f = FIXATION * AUTHORS ADDITIONS TO DIAGRAM 44 A s a c o n s e q u e n c e , t h e o r g a n i c l a y e r ( L F H h o r i z o n ) i n a p o d z o l s o i l h a s t h e c a p a c i t y t o m i c r o b i o l o g i c a l l y i m m o b i l i z e a p o r t i o n o f t h e a d d e d p h o s p h o r u s i n t h e d o m e s t i c s e w a g e . S u c h p r o o f i s i n d i r e c t . S t e v e n s o n (1964) s u g g e s t e d t h a t m i n -e r a l i z a t i o n a n d i m m o b i l i z a t i o n o f n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s o c c u r a t - a n e q u a l r a t e w h e n t h e r a t i o o f o r g a n i c c a r b o n : o r g a n i c n i t r o g e n : o r g a n i c p h o s p h o r u s ( C : N : P ) i s 100:10:1. I f t h e r a t i o i s s m a l l e r t h e m i n e r a l i z a t i o n p r o c e s s w i l l d o m i n a t e . I f t h e r a t i o i s l a r g e r ( i . e . m o r e c a r b o n ) t h e i m m o b i l i z a t i o n r e a c t i o n w i l l d o m i n a t e . A B r i t i s h C o l u m b i a D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e s u r v e y o f t h e l o w e r F r a s e r V a l l e y ( L u t t m e r d i n g a n d S p r o u t , 1968), r e p o r t e d t h a t a s o i l s a m p l e s i m i l a r t o t h e s o i l s u b j e c t e d t o i r r i g a t i o n h a d C : N r a t i o s o f 37-7.1 a n d 33«9*1 i n t h e L h o r i z o n a n d t h e H F h o r i z o n r e s p e c t i v e l y . W h i l e n o o r g a n i c p h o s p h o r u s d e t e r m i n a t i o n w a s u n d e r t a k e n , t h e C : N r a t i o s s u g g e s t t h a t i f e f f l u e n t w e r e a d d e d t o t h e s o i l , t h e n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w o u l d b e i m m o b i l i z e d b y m i c r o b i o l o g i c a l a c t i o n . 2.4.2 C h e m i c a l F i x a t i o n o f P h o s p h o r u s T h e f i x a t i o n o f i n o r g a n i c p h o s p h o r u s i n a m i n e r a l a c i d s o i l i s d u e p r i m a r i l y t o t h e f o r m a t i o n o f i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s o f t h e f o r m ( M t H g O ^ t O H ^ H g P O ^ ) > w h e r e t h e s y m b o l M r e p r e s e n t s i r o n o r a l u m i n u m ( H e m w a l l , 1957; B a c h e , 1964; H s u , 1965; K i t t r i c k a n d J a c k s o n , 195*0. T h e s o u r c e s o f i r o n a n d a l u m i n u m a r e t h e o x i d e s a n d 45 h y d r o x i d e s o f t h e s e m e t a l s i n t h e a m o r p h o u s o r c r y s t a l l i n e f o r m , m e t a l i o n s , o r t h e i r o n a n d a l u m i n u m c o n t a i n e d i n t h e c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l s ( H s u , 1965; J a c o b s , 1964; . H s u a n d R e n n i e , 1962; B a l l a r d a n d F i s k e l l , 1974; H a r t e r , 1969; M u l j a d i e t a l , 1966; C h e n e t a l , 1973a). W h i l e i t i s c l e a r t h a t t h e m e c h a n i s m o f p h o s p h a t e r e m o v a l i n v o l v e s t h e f o r m a t i o n o f n e w i r o n o r a l u -m i n u m p h o s p h a t e p h a s e s ( K i t t r i c k a n d J a c k s o n , 1954; H e m w a l l , 1957; H s u , 1965; v a n R i e m s d i j k e t a l , 1977)» t h e r e i s c o n f u s i o n o v e r t h e a c t u a l r e m o v a l m e c h a n i s m . K i t t r i c k a n d J a c k s o n (1956) p r o p o s e d t h e U n i f i e d T h e o r y o f p h o s p h o r u s f i x a t i o n i n t h e s o i l . T h e U n i f i e d T h e o r y p r o -p o s e s t h e f o r m a t i o n a n d g r o w t h o f s e p a r a t e p h a s e p h o s p h a t e p r e c i p i t a t e s o f v a r y i n g c o m p o s i t i o n d e p e n d i n g o n t h e o r i g i n a l F e a n d A l c o m p o u n d s . T h e m e c h a n i s m i s o n e o f c h e m i c a l p r e c i p -i t a t i o n . A c c o r d i n g t o K i t t r i c k a n d J a c k s o n (1956) p h o s p h o r u s f i x a t i o n i n s o i l h a s b e e n a t t r i b u t e d t o e i t h e r i s o m o r p h o u s s u b s t i t u t i o n o f P f o r S i i n t h e t e t r e h e d r a l s t r u c t u r e o f a s i l i c a t e m i n e r a l o r t o a d s o r p t i o n . T h e a u t h o r s d i s m i s s t h e f o r m e r m e c h a n i s m c o m p l e t e l y . T h e y s u g g e s t t h a t t h e s u b s t i t u -t i o n o f P f o r S i i n t h e t e t r e h e d r a l s t r u c t u r e o f t h e s o i l s i l i c a t e m i n e r a l s h a s b e e n d i s p r o v e n e x p e r i m e n t a l l y , w h i l e t h e P O ^ s p e c i e s i s t o o l a r g e t o r e p l a c e 0 H ~ i n t h e c r y s t a l s t r u c t u r e . A d s o r p t i o n , o r t h e p r o c e s s o f c o n c e n t r a t i n g i o n s f r o m t h e s o i l s o l u t i o n a t a s o l i d p h a s e e i t h e r b y c h e m i c a l o r p h y s i c a l f o r c e s , i s o n l y s a t i s f a c t o r y i n e x p l a i n i n g t h e i n i t i a l 46 r e a c t i o n b e t w e e n p h o s p h o r u s a n d t h e s o i l m i n e r a l s . T h e a u t h o r s r e a c h e d t h i s c o n c l u s i o n a f t e r o b s e r v i n g , u n d e r t h e e l e c t r o n m i c r o s c o p e , t h e g r o w t h o f a n e w c r y s t a l l i n e p h o s p h a t e p h a s e u p o n e x p o s u r e o f p h o s p h o r u s t o a l u m i n u m a n d i r o n o x i d e s , a p h e n o m e n o n t h a t c o u l d n o t b e e x p l a i n e d b y a n a d s o r p t i o n m e c h -a n i s m . T h e e x p l a n a t i o n f o r t h e f i x a t i o n o f p h o s p h o r u s t h e r e -f o r e s e e m s t o l i e w i t h c h e m i c a l p r e c i p i t a t i o n o r t h e r e m o v a l o f p h o s p h a t e i o n s f r o m s o l u t i o n a n d t h e i r c h e m i c a l b o n d i n g t o t h e s o l i d p h a s e . T h e s o l i d p h a s e f o r m e d m a y b e a s m o n o l a y e r a d d i t i o n s o n t h e s u r f a c e o f a s o l i d p h a s e o f t h e s a m e k i n d ( c r y s t a l g r o w t h ) o r a d d i t i o n t o a s e c o n d s o l i d p h a s e ( c h e m i -s o r p t i o n ) . T h e s o l i d p h a s e m a y a l s o b e i n t h e f o r m o f a n e w p a r t i c l e . E l e c t r o n m i c r o s c o p e o b s e r v a t i o n s o f t h e r e a c t i o n b e t w e e n p h o s p h a t e s a n d t h e m i n e r a l s i n d i c a t e t h e f o r m a t i o n o f s e p a r a t e p h a s e p h o s p h a t e c r y s t a l s w i t h t h e n e w s p e c i e s f o r m e d b e i n g d e p e n d e n t o n t h e t e m p e r a t u r e a t w h i c h t h e e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d . T h e y a l s o o b s e r v e d t h a t t h e f i x a t i o n o f p h o s p h o r u s o c c u r r e d i n t w o s t a g e s . T h e s l o w r e a c t i o n i n v o l v e s t h e f i x -a t i o n o f p h o s p h o r u s b y i r o n a n d a l u m i n u m r e l e a s e d d u r i n g t h e w e a t h e r i n g o f s o i l m i n e r a l s . T h e i n i t i a l r a p i d r e a c t i o n o f p h o s p h a t e i s a t t r i b u t a b l e t o t h e m o r e r e a d i l y a v a i l a b l e f o r m s o f a l u m i n u m a n d i r o n s u c h a s a m o r p h o u s i r o n o x i d e s a n d a l u m i n u m h y d r o x i d e s ( K i t t r i c k a n d J a c k s o n , 1 9 5 5 ) • T h e d e c o m p o s i t i o n o f i r o n - a n d a l u m i n u m - b e a r i n g m i n e r a l s i n t h e p r e s e n c e o f p h o s p h a t e i n d i c a t e d t o t h e a u t h o r s t h a t t h e c h e m i c a l p r e c i p -i t a t i o n m e c h a n i s m f o r p h o s p h a t e f i x a t i o n i s c o n t r o l l e d b y 47 s o l u b i l i t y p r o d u c t p r i n c i p l e s . B a c h e (1964) a c k n o w l e d g e d a n d e x p a n d e d o n t h e w o r k o f K i t t r i c k a n d J a c k s o n . I n a p a p e r o n p h o s p h a t e f i x a t i o n b y a l u m i n u m a n d i r o n , h e f o u n d t h a t P u p t a k e o c c u r s i n t h r e e s t a g e s i n v o l v i n g t w o s o r p t i o n s i t e s i n a d d i t i o n t o p r e c i p i t -a t i o n o f p h o s p h a t e . A c c o r d i n g t o B a c h e , a d s o r p t i o n r e a c t i o n i n v o l v e s t h e r e m o v a l o f a c o m p o n e n t i n s o l u t i o n ( s u c h a s p h o s -p h a t e ) b y i t s c o n c e n t r a t i o n i n a s o l i d p h a s e ( o x i d e s o r h y -d r o x i d e s o f a l u m i n u m o r i r o n ) . Two s o r p t i o n r e a c t i o n s a r e i d e n t i f i e d : t h e u s u a l l y i r r e v e r s i b l e c h e m i s o r p t i o n i n v o l v i n g a l a r g e d e c r e a s e i n e n e r g y ; o r p h y s i c a l s o r p t i o n w h i c h i s u s -u a l l y r e v e r s i b l e a n d i n v o l v e s a s m a l l d e c r e a s e i n e n e r g y . P r e c i p i t a t i o n o n t h e o t h e r h a n d i s t h e r e m o v a l o f t w o o r m o r e c o m p o n e n t s f r o m a s o l u t i o n b y t h e i r m u t u a l c o m b i n a t i o n i n t o a n e w s o l i d p h a s e . A c c o r d i n g t o B a c h e , a h i g h e n e r g y c h e m i -s o r p t i o n o f s m a l l a m o u n t s o f p h o s p h a t e o v e r a w i d e p H r a n g e b y t h e h y d r o u s o x i d e s o f F e a n d A l o c c u r s . I n t h e p r e s e n c e 3+ 3+ . o f l a r g e r a m o u n t s o f p h o s p h a t e , A l ^ a n d F e - ' i o n s a r e p r e c i p -i t a t e d a s i n s o l u b l e p h o s p h a t e s . F i n a l l y , i f t h e a c t i v i t i e s 3+ 3+ o f F e ^ a n d A l ^ a r e r e d u c e d t o l o w v a l u e s i n c r e a s i n g a m o u n t s o f p h o s p h a t e a r e s o r b e d a t l o w e n e r g y e i t h e r b y p h y s i c a l s o r p t i o n o r b y r e p l a c i n g p h o s p h a t e i o n s w h i c h m a y d i f f u s e i n t o t h e s o l i d p r e c i p i t a t e l a t t i c e . H s u (1965) e l a b o r a t e d o n t h e d i s c u s s i o n o f t h e m e c h a n i s m o f p h o s p h a t e f i x a t i o n b y p r o p o s i n g a m o l e c u l a r m o d e l t h a t r e -i t e r a t e d t h e o b s e r v a t i o n s a n d c o n c l u s i o n s o f K i t t r i c k a n d 48 J a c k s o n ( 1 9 5 6 ) . T h e a u t h o r n o t e d t h a t i t h a s h e e n s u g g e s t e d t h a t t h e r e a r e n o s p e c i a l a d s o r p t i v e f o r c e s , w i t h t h e f o r c e s . b i n d i n g a m o l e c u l e o r i o n t o t h e s u r f a c e o r a n o t h e r p h a s e e x a c t l y t h e s a m e a s t h o s e o c c u r r i n g b e t w e e n b o u n d a t o m s i n m o l e c u l e s o r b e t w e e n m o l e c u l e s i n c o m p o u n d s . I t f o l l o w s t h a t a d s o r p t i o n i s a s p e c i a l c a s e o f p r e c i p i t a t i o n i n w h i c h F e a n d A l r e m a i n a s c o n s t i t u e n t s i n t h e o r i g i n a l p h a s e a n d p h o s p h a t e f i x a t i o n o c c u r s b e c a u s e o f a n a t t r a c t i o n b e t w e e n p h o s p h a t e a n d i r o n o r a l u m i n u m . P r e c i p i t a t i o n o c c u r s w h e n t h e a l u m i n u m o r i r o n i s c o m p l e t e l y r e m o v e d f r o m t h e l a t t i c e a n d r e - p r e c i p i t a t e s w i t h p h o s p h a t e t o f o r m a n e w p h a s e . A d s o r p t i o n o c c u r s w h e n p h o s p h a t e c a n b r e a k o n l y p a r t o f t h e A l a n d F e l i n k a g e w h i l e l e a v i n g t h e i r o n a n d a l u m i n u m i n t a c t i n t h e l a t t i c e . W h e t h e r p r e c i p i t a t i o n o r a d s o r p t i o n o c c u r s i s d e p e n d e n t o n t h e a l u m i n u m a n d / o r i r o n p r e s e n t i n t h e s o i l . A t a l o w p H ( p H < 4 ) t h e h y d r a t e d a l u m i n u m i o n i s t h o u g h t t o b e s t a b l e a s a s i n g l e i o n b e c a u s e t h e i n d i v i d u a l p o s i t i v e l y c h a r g e d u n i t s r e p e l o n e a n o t h e r . W i t h a n i n c r e a s e i n p H , t h e p o s i t i v e c h a r g e s d i m i n i s h o n t h e i n d i v i d u a l i o n s a l l o w i n g t h e f o r m a t i o n o f t h e b a s i c s i x - s i d e d p o l y m e r w i t h F e o r A l a t t h e s i x c o r n e r s . I n t h i s c a s e t h e r e a c t i o n b e t w e e n A l a n d / o r F e a n d p h o s p h a t e m a y b e a t y p i c a l p r e c i p i t a t i o n r e a c t i o n s u m m a r i z e d b y t h e f o l l o w i n g d i a g r a m a n d t w o e q u a t i o n s . 6 A 1 3 + + 6 H 2 P 0 4 " = A l 6 ( 0 H ) 1 2 ( H 2 P 0 4 ) 6 + 1 2 H + o r ( A 1 6 ( 0 H ) 1 2 ) 6 + * 6 H 2 P C V = A 1 6 ( 0 H ) 1 2 ( H 2 P 0 ^ ) 6 49 X X = a l u m i n u m = p h o s p h a t e F i g 2 P h o s p h a t e p r e c i p i t a t e d a s A 1 / - ( 0 H ) . o ( H ~ P 0 i . ) , o r A 1 ( 0 H ) 2 H 2 P 0 ^ 6 1 2 2 4 6 A b o v e pH=5 t h e a c t i v i t y o f A l - ' o r F e ^ i s l i m i t e d a c c o r d i n g t o H s u a n d B a t e s (1964) . T h e b a s i c s i x - s i d e d u n i t s w i l l j o i n t o g e t h e r t o f o r m m u l t i - u n i t p o l y m e r i c s t r u c t u r e s w h i c h m a y b e c r y s t a l l i n e o r a m o r p h o u s i n n a t u r e a s e x p l a i n e d e a r l i e r . T h e p h o s p h a t e f i x a t i o n w i l l i n v o l v e a n a d s o r p t i o n p r o c e s s i n w h i c h t h e p h o s p h a t e m o l e c u l e w i l l b e a d s o r b e d a t t h e s u r f a c e o f t h e o x i d e a n d h y d r o u s o x i d e s o f F e o r A l . I n t h i s c a s e , t h e A l o r F e d o e s n o t l e a v e t h e l a t t i c e o f t h e a m o r p h o u s c o m p o u n d . I n m o s t s o i l s , b e c a u s e o f t h e e f f e c t o f p H , t h e s u r f a c e r e a c t i v e a l u m i n u m h y d r o x i d e s a n d i r o n o x i d e s d o m i n a t e t h e p h o s p h a t e f i x a t i o n . T h i s i s e s p e c i a l l y t r u e i n a p o d z o l s o i l w h e r e t h e f o r m a t i o n o f c r y s t a l l i n e i r o n o x i d e s a n d a l u m i n u m h y d r o x i d e s i s i n t e r r u p t e d b y t h e p r e s e n c e o f o r g a n i c a c i d s . I n t h e p o d z o l 50 s o i l t h e i r o n o x i d e s a n d a l u m i n u m h y d r o x i d e s a r e i n t h e a m o r -p h o u s f o r m . X X X X X F i g 3 P h o s p h a t e A d s o r b e d b y A m o r p h o u s A l u m i n u m H y d r o x i d e A c c o r d i n g t o M a l j a d i e t a l (1966a), t h e a m o r p h o u s a l u m i n u m o x i d e , p s e u d o b o e h m i t e , h a s a g r e a t e r c a p a c i t y t o a d s o r b p h o s p h a t e t h a n d o e s t h e c r y s t a l l i n e a l u m i n u m o x i d e g i b b -s i t e . T h e c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l k a o l i n i t e w a s f o u n d t o h a v e t h e s m a l l e s t a d s o r b i n g p o t e n t i a l . T h i s i s i n a g r e e m e n t w i t h H a r t e r (1969) w h o s e r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f p h o s p h o r u s a d s o r p -t i o n a s a f u n c t i o n o f f i v e s o i l c h a r a c t e r i s t i c s i n d i c a t e d t h a t c r y s t a l l i n e h y d r o u s o x i d e s a n d i n t e r l a y e r a l u m i n u m p r o v i d e f e w a d s o r p t i o n s i t e s f o r p h o s p h a t e . B a l l a r d a n d F i s k e l l (197*0 a n d C h e n e t a l (1973a) a l s o r e a c h e d s i m i l a r c o n c l u s i o n s . 51 R e s e a r c h b y a n u m b e r o f a u t h o r s h a s f o c u s e d o n t h e i d e n t -i f i c a t i o n o f t h e p h o s p h a t e r e a c t i v e s i t e s o n t h e a m o r p h o u s i r o n o x i d e s a n d a l u m i n u m h y d r o x i d e s a s w e l l a s t h e c r y s t a l l i n e c l a y m i n e r a l s . H i n g s t o n e t a l (1972) i v e s t i g a t e d t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n v a r i o u s a n i o n s a n d t h e o x i d e s u r f a c e o f g o e t h i t e ( F e O - O H ) a n d a s g i b b s i t e ( A l g O ^ ^ f t ^ O ) . S o l u t i o n s c o n t a i n i n g o r t h o p h o s p h a t e , p y r o p h o s p h a t e , t r i p o l y p h o s p h a t e , a r s e n a t e , s i l i c a t e , s e l e n i t e , s u l p h a t e , m o l y b d a t e , a n d f l o u r i d e w e r e s h a k e n w i t h k n o w n q u a n t i t i e s o f t h e a d s o r b e n t . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a d s o r p t i o n o f t h e a n i o n s b y t h e m i n e r a l s i n v o l v e d t h e f o r m a t i o n o f a c o o r d i n a t i o n c o m p l e x a t t h e o x i d e s u r f a c e . T h e a u t h o r s s u g g e s t e d t h a t t h e t e r m i n a l m e t a l a t o m s ( F e o r A l ) o n t h e s u r f a c e o f a n o x i d e c o m p l e t e t h e i r c o o r d i n -a t i o n s h e l l w i t h OH g r o u p s a n d w a t e r m o l e c u l e s . A c c o r d i n g t o c o o r d i n a t i o n t h e o r y , t h e c e n t r a l a t o m o r i o n o f t h e c o m p l e x ( A l o r F e ) b i n d s t h e c o o r d i n a t i n g g r o u p s o r l i g a n d s ( O H o r H g O ) t o f o r m a c o o r d i n a t i o n s p h e r e . T h e a d s o r p t i o n m e c h a n i s m i n v o l v e s a n e x c h a n g e o f t h e 0 H ~ o r t h e H g O l i g a n d s f o r t h e P O ^ i o n . T h e 0 H ~ i o n o r HgO m o l e c u l e a r e r e l e a s e d t o t h e s o i l s o l u t i o n . T h e a u t h o r s o b s e r v e d t h a t t h e d i s p l a c e m e n t o f a h y d r o x o g r o u p w o u l d b e p r e c e d e d b y i t s c o n v e r s i o n t o a n a q u o g r o u p , t h e p r o t o n b e i n g s u p p l i e d b y t h e c o n j u g a t e a c i d . R a j a n e t a l (197*0 i n v e s t i g a t e d t h e f i x a t i o n o f p h o s -p h a t e c o n t a i n e d i n a YL^PO^ s o l u t i o n b y h y d r o u s a l u m i n a o x i d e . T h e h y d r o u s a l u m i n a o x i d e c o n t a i n e d b a y e r i t e ( A l ( O H ) ^ ) a n d p s e u d o b o e h m i t e ( A 1 0 0 H ) . H y d r o u s a l u m i n u m o x i d e h a s a s t r u c t u r e i n w h i c h a l u m i n u m a t o m s a r e l i n k e d b y OH g r o u p s ( t e r m e d OL g r o u p s ) a n d 0 g r o u p s ( t e r m e d 0 X 0 g r o u p s ) . T h e c o o r d i n a t e p o s i t i o n s o n t h e s u r f a c e a l u m i n u m a t o m o f t h e p o l y m e r i c c o m p l e x a r e o c c u p i e d b y h y d r o x o o r a q u o g r o u p s . T h e r e l a t i v e p r o p o r t i o n o f t h e h y d r o x o a n d a q u o g r o u p s a r e d e t e r -m i n e d b y t h e s o l u t i o n p H w h i c h i n t u r n d i c t a t e s t h e s u r f a c e c h a r g e . T h e r e s u l t s o f t h e r e s e a r c h c o n f i r m e d t h a t t h e a d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e c a n o c c u r b y l i g a n d e x c h a n g e w i t h t h e a q u o , h y d r o x o o r OL g r o u p s o n t h e p a r t i c l e s u r f a c e . A t a c i d p H v a l u e s t h e r e a c t i v i t y o f t h e s e g r o u p s t o l i g a n d e x c h a n g e i s i n t h e o r d e r 53 o f a q u o > ; h y d r o x o ^ > OL. I n s u c h a s i t u a t i o n , a t l o w p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n , t h e m o r e r e a c t i v e a q u o g r o u p s w o u l d "be e x c h a n g -e d w i t h p h o s p h a t e , r e s u l t i n g i n t h e a d d i t i o n o f a n e g a t i v e c h a r g e t o t h e h y d r o u s a l u m i n u m o x i d e s u r f a c e b u t w i t h n o r e -l e a s e o f OH i o n s . A l - H 2 0 J 1 + + HgPOj^" ^± Al-HgPO^ •°+ H 2 0 W i t h i n c r e a s i n g p h o s p h a t e s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n t h e h y d r o x o g r o u p s w o u l d b e r e p l a c e d w i t h p h o s p h a t e i o n s . T h e e f f e c t w o u l d b e a n i n c r e a s e i n 0 H ~ i o n s i n t h e s o l u t i o n b u t n o c h a n g e i n t h e s u r f a c e , c h a r g e . A1 -0HD° + HgPO^"^ A l-HgPO^q 0 + OH" A t h i g h e r p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n s t h e l e s s r e a c t i v e OL g r o u p s w o u l d b e c o m e t h e m a j o r a d s o r p t i o n s i t e s d u e t o t h e b r e a k i n g o f OL b r i d g e . * 2 E V A l l r OH , 0 A 1 - H 2 P 0 ^ 2 Al-HgPO^ 1F_ H' AI.-H2.O: T h e b r e a k i n g o f OL g r o u p s a n d t h e f o r m a t i o n o f n e w a d s o r p t i o n s i t e s s e e m s t o d e p e n d o n t h e s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n a n d s u r f a c e 5^ c o v e r a g e o f p h o s p h a t e . F i n a l l y , f o r t h e 0 X 0 g r o u p s t o a d s o r b p h o s p h a t e t h e y m u s t f i r s t b e c o n v e r t e d t o OL g r o u p s t h r o u g h t h e v e r y s l o w p r o c e s s o f d e o x o l a t i o n . 2 . 4 . 2 . 1 R e a c t i o n K i n e t i c s o f t h e C h e m i c a l F i x a t i o n o f P h o s p h o r u s T h e k i n e t i c s o f t h e r e a c t i o n o f p h o s p h a t e s w i t h a l u m i n u m a n d i r o n c o m p o u n d s h a s r e c e i v e d a g r e a t d e a l o f a t t e n t i o n ( K i t t r i c k a n d J a c k s o n , 1955; O l s e n a n d W a t a n a b e , 1957. H s u , 1964; C h e n e t a l 1973b; K u o a n d L o t s e , 197^; v a n R i e m s d i j k e t a l , 1977)• K i t t r i c k a n d J a c k s o n (1955) n o t e d t h a t t h e r e a c t i o n o f K g P O ^ w i t h v a r i o u s s o i l s w a s c o m p l e t e d w i t h a f e w m i n u t e s . A h i g h e r i n i t i a l s o l u t i o n p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d t h e r a t e o f r e a c t i o n b e t w e e n p h o s p h o r u s a n d t h e s o i l s f o r t h e f i r s t h o u r b u t t h e r e a f t e r t h e s o l u t i o n p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n h a d l i t t l e e f f e c t o n t h e r e a c t i o n r a t e . H e m w a l l (1957) d e m o n s t r a t e d a r a p i d f i x a t i o n o f p h o s -p h a t e b y k a o l i n i t e a n d m o n t m o r i l l i t e d u r i n g t h e f i r s t f o u r h o u r s o f a n e x p e r i m e n t w i t h a m u c h s l o w e r p h o s p h o r u s f i x a t i o n o c c u r r i n g o v e r t h e n e x t t h i r t y d a y s . C h e n e t a l (1973a), i n v e s t i g a t i n g t h e k i n e t i c d a t a f o r p h o s p h a t e r e a c t i o n w i t h A l ^ O ^ a n d k a o l i n i t e , c o n c l u d e d t h e p h o s p h a t e r e m o v a l w a s v e r y r a p i d f o r t h e f i r s t t w o h o u r s . F o r t h e p e r i o d 2 t o 2 4 h o u r s t h e r e a c t i o n r a t e d e c r e a s e d b u t w a s s t i l l r e l a t i v e l y f a s t . A f t e r o n e d a y t h e r e a c t i o n r a t e s l o w e d a p p r e c i a b l y a n d c o u l d b e d e s c r i b e d b y a f i r s t o r d e r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n o f t h e f o r m : ~ ^ P ) = K O B S ( P ) ( t > 2 4 h o u r s ) W h e r e P i s t h e t o t a l s o l u b l e p h o s p h a t e t i s t h e r e a c t i o n t i m e K 0 B S ^ s " k h e ° b s e r v e d s p e c i f i c r e a c t i o n r a t e c o n s t a n t I n a c o m p a n i o n p a p e r , C h e n e t a l (1973"b) s u g g e s t e d t h a t a d -s o r p t i o n e q u i l i b r i u m i s e s t a b l i s h e d i n a f e w h o u r s w h e r e a s t h e e f f e c t s o v e r a l o n g e r t i m e s p a n a r e m o s t l i k e l y d u e t o l e a c h i n g o f A l f o l l o w e d b y n u c l e a t i o n a n d g r o w t h o f a n e w c r y -s t a l p h a s e . T h e a u t h o r s f e l t t h a t t h e n u c l e a t i o n a n d g r o w t h p h a s e w a s t h e r a t e - d e t e r m i n i n g s t e p . H s u (1964) r e c o g n i z e d t w o p h o s p h a t e f i x i n g r e a c t i o n s o p e r a t i n g a t d i f f e r e n t r a t e s . T h e o n e o p e r a t i n g a t t h e r a p i d r a t e w a s d u e t o s u r f a c e a d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e o n t h e a m o r -p h o u s a l u m i n u m h y d r o x i d e s a n d i r o n o x i d e s a l r e a d y i n t h e s o i l . R e n n i e a n d M c K e r c h e r (1959), i n v e s t i g a t i n g t h e a d s o r p t i o n o f p h o s p h o r u s b y S a s k a t c h e w a n s o i l s , f o u n d t h i s r e a c t i o n t o b e c o m p l e t e i n a f e w h o u r s . T h e s e c o n d s l o w e r r e a c t i o n i s d u e t o o t h e r s i m i l a r a m o r p h o u s h y d r o x i d e a n d o x i d e a d s o r p t i o n s i t e d e v e l o p e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t . T h i s r e a c t i o n i n v o l v e s t h e f i x a t i o n o f p h o s p h o r u s o v e r a t i m e s p a n s t r e t c h i n g m a n y m o n t h s A f t e r l a b o r a t o r y w o r k w i t h a l u m i n u m s y s t e m s , H s u a n d R e n n i e ( I 9 6 2 ) c o n c l u d e d t h a t t h e s l o w p h o s p h a t e r e a c t i o n s o c c u r w h e n t h e a c t i v i t y p r o d u c t o f a l u m i n u m , p h o s p h a t e a n d h y d r o x y l i o n s e x c e e d t h e s o l u b i l i t y p r o d u c t o f a l u m i n u m p h o s p h a t e . T h e s o l i p h a s e a l u m i n u m p h o s p h a t e i s p r e c i p i t a t e d i n t h e p r o c e s s i n d u e -56 i n g f u r t h e r d e c o m p o s i t i o n o f a l u m i n u m h y d r o x i d e . T h i s d e c o m -p o s i t i o n p r o c e s s c o n t i n u e s u n t i l t h e a c t i v i t y p r o d u c t s o f a l u m i n u m , p h o s p h a t e a n d h y d r o x y l i o n s i n s o l u t i o n a r e e q u a l t o t h e s o l u b i l i t y p r o d u c t o f b o t h a l u m i n u m p h o s p h a t e a n d a l u m i n u m h y d r o x i d e . T h e a u t h o r s s u g g e s t t h a t i f t h e a m o u n t o f p h o s p h a t e i s h i g h e n o u g h , e v e n t u a l l y a l l t h e a l u m i n u m h y d r o x -i d e w i l l b e t r a n s f o r m e d t o a l u m i n u m p h o s p h a t e . T h e p r o c e s s m a y n e v e r o c c u r i f t h e p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n i s a t , o r i s r e d u c e d t o , a l o w e n o u g h l e v e l b y t h e r a p i d a d s o r p t i o n p r o c e s s . T h a t a n e w c r y s t a l p h a s e i s f o r m e d h a s b e e n d o c u m e n t e d b y e l e c t r o n m i c r o g r a p h s ( K i t t r i c k a n d J a c k s o n , 195*+; C h e n e t a l 1973; v a n R i e m s d i j k e t a l , 1977). C h e n e t a l (1973a) c a u t i o n t h a t t h e g r o w t h o f t h e n e w c r y s t a l i s m o r e c o m p l i c a t e d t h a n a s i m p l e s t o i c h i o m e t r i c r e a c t i o n t o f o r m A l P 0 ^ ' n H 2 0 . I n g e n e r a l , s e v e r a l p o i n t s c o n c e r n i n g t h e r e a c t i o n k i -n e t i c s i n v o l v e d i n t h e f i x a t i o n o f p h o s p h a t e b y t h e i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s s e e m t o b e c o n s i s t e n t t h r o u g h o u t t h e l i t e r -a t u r e : t h e i n i t i a l r a p i d r e a c t i o n o c c u r s w i t h i n 3° m i n u t e s t o 1 h o u r ; t h e s l o w e r p h o s p h a t e f i x a t i o n p r o c e s s o c c u r s o v e r s e v e r a l m o n t h s a n d c a n b e m o d e l l e d m a t h e m a t i c a l l y b y a f i r s t o r d e r d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n ; h i g h i n i t i a l p h o s p h a t e c o n c e n t r a -t i o n s i n c r e a s e t h e r a t e o f p h o s p h a t e f i x a t i o n b u t a f t e r 1 t o 2 h o u r s t h e p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n h a d l i t t l e i n f l u e n c e o n t h e r e a c t i o n r a t e ; t e m p e r a t u r e a f f e c t s t h e s l o w r e a c t i o n b u t d o e s n o t i n f l u e n c e p h o s p h a t e f i x a t i o n d u r i n g t h e f a s t r e a c t i o n ; a n d p h o s p h a t e f i x a t i o n m a y b e h i n d e r e d w h e n t y p i c a l c o m p l e x i n g 57 a g e n t s a r e i n s o l u t i o n . 2.4.2.2 P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n I s o t h e r m s P h o s p h a t e a d s o r p t i o n d a t a o n s o i l s a r e u s u a l l y d e s c r i b e d b y t h e F r e u n d l i c h o r L a n g m u i r a d s o r p t i o n i s o t h e r m s ( O l s e n a n d W a t a n a b e , 1957; H s u a n d R e n n i e , 1962; M u l j a d i e t a l , 1966a; H i n g s t o n e t a l , 1972; C h e n e t a l , 1973a; K u o a n d L o t s e , 1974; R e n n i e a n d M c K e r c h e r , 1959)• T h e L a n g m u i r i s o t h e r m w a s o r i g i n a l l y a p p l i e d t o a d s o r p -t i o n o f g a s e s o n a p l a n e s u r f a c e w i t h t h e m a t h e m a t i c a l d e r i v a -t i o n c o n t a i n i n g a s s u m p t i o n s p e r t i n e n t t o t h a t s i t u a t i o n . T h e a s s u m p t i o n s w e r e f i r s t l y t h a t t h e r e w e r e d i s c r e t e p o i n t s f o r p o t e n t i a l a d s o r p t i o n o n t h e a d s o r b i n g m a t e r i a l a n d s e c o n d l y t h a t e a c h o f t h e s e d i s c r e t e p o i n t s c o u l d i n d e p e n d e n t l y h o l d o n e a d s o r b e d m o l e c u l e . I n t h e a p p l i c a t i o n o f t h e L a n g m u i r a d s o r p t i o n t o a p h o s p h a t e - s o i l s i t u a t i o n s e v e r a l p r o b l e m s a r i s e . F i r s t l y , t h e i s o t h e r m i s a s s u m e d t o b e a n e q u i l i b r i u m i s o t h e r m . A s w a s d i s c u s s e d e a r l i e r , t h e e q u i l i b r i u m b e t w e e n p h o s p h a t e a n d t h e s o i l i s n o t i n s t a n t a n e o u s a n d i n f a c t t h e p h o s p h o r o u s f i x a t i o n p r o c e s s m a y o c c u r o v e r m a n y y e a r s ( v a n R i e m s d i j k e t a l , 1977). S e c o n d l y , t h e L a n g m u i r i s o t h e r m d o e s n o t r e c o g n i z e t h a t t h e l o n g t e r m p h o s p h a t e f i x a t i o n i n v o l v e s t h e d e c o m p o s i t i o n o f s o i l m i n e r a l s e x p o s i n g n e w p h o s p h a t e a d s o r p t i o n s i t e s . T h e s l o w r e a c t i o n c o n t i n u e s b y t h e g r a d u a l i n c r e a s e i n c r y s t a l s i z e o f p r e c i p i t a t e d i r o n a n d a l u m i n u m p h o s p h a t e s , w i t h t h e m e t a l i o n s b e i n g c o n t r i b u t e d b y t h e g r a d -58 u a l b r e a k d o w n o f c l a y m i n e r a l s a n d h y d r o u s o x i d e s . T h i r d l y , t h e p o s s i b i l i t y o f i n t e r n a l a d s o r p t i o n w h e n d e a l i n g w i t h p o -r o u s b o d i e s i s n o t r e c o g n i z e d i n t h e L a n g m u i r e q u a t i o n . F o u r t h l y , t h e d i f f e r e n t r e g i o n s o f t h e a d s o r b i n g s u r f a c e h a v e d i f f e r e n t a f f i n i t i e s f o r t h e p h o s p h a t e ( R a j a n e t a l , 197'+. M u l j a d i e t a l , 1966a). A t a n a p p a r e n t p h o s p h o r u s s a t u r a t i o n o f t h e s o i l s u r f a c e , o n l y a s m a l l p e r c e n t a g e o f t h e t o t a l a r e a i s c o v e r e d . C h e n e t a l (1973a) f o u n d t h a t t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s a r e h i g h e r t h a n p r e d i c t e d b y t h e L a n g m u i r i s o t h e r m a t t h e l o w e s t c o n c e n t r a t i o n r a n g e s . T h e y s u g g e s t t h a t a s m a l l m i n o r i t y o f t h e t o t a l s i t e s h a v e a h i g h e r a f f i n i t y f o r p h o s -p h a t e t h a n t h e m a j o r i t y o f t h e s i t e s . O l s e n a n d W a t a n a b e (1957). w h i l e r e c o g n i z i n g t h e s e l i m i t a t i o n s , n o t e d t h a t i t s e e m e d p l a u s i b l e t o s u g g e s t t h a t t h e e x t e n t o f t h e i n i t i a l a d s o r p t i o n r e a c t i o n b e t w e e n p h o s p h a t e a n d a l u m i n u m a n d / o r i r o n c a n g e n e r a l l y b e r e p r e s e n t e d b y t h e L a n g m u i r i s o t h e r m . T h e L a n g m u i r e q u a t i o n w r i t t e n i n i t s l i n e a r f o r m i s : C 1 C ( X / M ) = K b " + b W h e r e C = E q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n X / M = A m o u n t o f a d s o r b a t e p e r u n i t w e i g h t o f a d s o r b e n t K = c o n s t a n t r e l a t i n g t h e b o n d i n g e n e r g y o f t h e a d s o r b e n t f o r t h e a d s o r b a t e b = A d s o r p t i o n m a x i m u m o r t h e a m o u n t a d s o r b e d w h e n a l l t h e s i t e s a r e o c c u p i e d . T h e F r e u n d l i c h a d s o r p t i o n e q u a t i o n i s a n e m p i r i c a l f o r m u l a t i o n t h a t r e l a t e s t h e a m o u n t o f a d s o r b a t e t o t h e f i n a l c o n c e n t r a t i o n o f t h e s o l u t i o n f r o m w h i c h t h e a d s o r p t i o n o c c u r s . 59 B a s e d o n t h e r m o d y n a m i c c o n s i d e r a t i o n s , t h e r e l a t i o n s h i p u s e s e m p i r i c a l m e t h o d s t o d e t e r m i n e t h e c h a n g e i n s u r f a c e t e n s i o n w i t h c h a n g e s i n c o n c e n t r a t i o n . A c c o r d i n g t o t h e F r e u n d l i c h r e l a t i o n s h i p , t h e a m o u n t o f p h o s p h o r u s a d s o r b e d i n c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n , t h e r e l a t i o n s h i p b e i n g l i n e a r w h e n p l o t t e d o n l o g a r i t h m i c p a p e r . A s w i t h t h e L a n g m u i r i s o t h e r m , t h e F r e u n d l i c h i s o t h e r m i s b a s e d o n a n e q u i l i b r i u m s i t u a t i o n b u t a s w a s n o t e d e a r l i e r , e q u i l i b r i u m i s f a r f r o m i n s t a n t a n e o u s . T h e l i n e a r f o r m o f t h e F r e u n d l i c h i s o t h e r m i s : L O G ( X / M ) = L O G K + ( l / n ) L O G C W h e r e X / M = a m o u n t o f a d s o r b a t e p e r u n i t w e i g h t o f a d s o r b e n t C = e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n K & n a r e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n t c o n s t a n t s O l s e n a n d W a t a n a b e (1957), i n a c o m p a r i s o n o f t h e t w o i s o t h e r m s s u g g e s t e d t h a t t h e L a n g m u i r e q u a t i o n w a s m o r e a p -p l i c a b l e t o s m a l l a m o u n t s o f a d s o r b e d p h o s p h a t e w h i l e t h e F r e u n d l i c h i s o t h e r m w a s a p p l i c a b l e t o a w i d e r r a n g e o f p h o s -p h a t e c o n c e n t r a t i o n s . A l s o , t h e L a n g m u i r i s o t h e r m e n a b l e s t h e c a l c u l a t i o n o f a n a d s o r p t i o n m a x i m u m v a l u e t h a t i s c l o s e l y r e l a t e d t o t h e s u r f a c e a r e a o f t h e s o i l . H s u a n d R e n n i e (1962) f o u n d t h a t b o t h i s o t h e r m s s e e m e d t o b e f o l l o w e d d u r i n g t h e a d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e b y s o i l . M u l j a d i e t a l (1966a) i n v e s t i g a t e d t h e m e c h a n i s m o f p h o s p h a t e a d s o r p t i o n b y t w o p o t a s s i u m k a o l i n i t e s a n d t w o 6o a l u m i n u m o x i d e s a t v a r i o u s p H v a l u e s a n d a t c o n c e n t r a t i o n s o f _ k _ 2 p h o s p h a t e r a n g i n g f r o m 10 t o 10 M . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e d i s t i n c t r e g i o n s a c c o r d i n g t o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n . . T h e t h r e e r e g i o n s a r e r e l a t e d t o t h e a f f i n i t y o f p h o s p h a t e f o r t h r e e e n e r g e t i c a l l y d i f f e r e n t r e a c t i v e s i t e s . T h e a u t h o r s d e s c r i b e t h e r e g i o n s a s f o l l o w s : R e g i o n I - a t l o w p h o s p h a t e e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n (<1 x 10 M) t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m r i s e s s t e e p l y a n d r e m a i n s c l o s e t o t h e Y - a x i s . T h i s r e g i o n r e p r e s e n t s s i t e s w i t h h i g h a f f i n i t y f o r p h o s p h a t e s . R e g i o n I I - t h e s e c o n d r e g i o n b e g i n s a p p r o x i m a t e l y a t - 4 a n e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n o f 10 M w h e n t h e i s o t h e r m b e c o m e s c o n v e x t o t h e Y - a x i s . R e g i o n I I I - T h e t h i r d p a r t o f t h e i s o t h e r m i s l i n e a r a n d o c c u r s a t m e d i u m t o h i g h e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n s ( 1 0 " 3 M t o 1 0 - 1 M ) T h e a u t h o r s p r o p o s e d t h a t t h e t h r e e d i s t i n c t r e g i o n s a r i s e d u e t o t h r e e e n e r g e t i c a l l y d i f f e r e n t t y p e s o f r e a c t i v e s i t e s . T h e s i t e s f o r a d s o r p t i o n i n r e g i o n s I a n d I I a r e : R e g i o n I I I i s t h o u g h t t o i n v o l v e t h e o c c l u s i o n o r a d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e i n t o t h e l e s s o r d e r e d a r e a s o f t h e c l a y s u r f a c e . R a j a n e t a l (197*4-) f o u n d t h a t t h e a d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e s b y ) P " a n d - l A l i r o n a n d a l u m i n u m r e s u l t e d i n t h e s a m e p a t t e r n w h e n p l o t t e d a c c o r d i n g t o t h e i s o t h e r m s . A s e x p l a i n e d e a r l i e r , t h e i r e x -p l a n a t i o n s o f s u c h r e s u l t s a r e " b a s e d o n t h e d i s p l a c e m e n t s o f a q u o , h y d r o x o , a n d OL g r o u p s b y t h e p h o s p h a t e r a t h e r t h a n w i t h t h e e x p l a n a t i o n o f f e r e d b y M u l j a d i e t a l (1966a). W h e n t h e P s o r p t i o n r a t e i s e q u a l t o t h e P d e s o r p t i o n r a t e i n s o i l s , t h e s y s t e m i s i n e q u i l i b r i u m a n d t h e e q u i l i b -r i u m r e l a t i o n s h i p i s d e s c r i b e d b y t h e F r e u n d l i c h o r L a n g m u i r i s o t h e r m s . W h i l e t h e t w o i s o t h e r m s a r e u s e d i n p h o s p h a t e a d -s o r p t i o n s t u d i e s i n s o i l , i t m u s t b e r e c o g n i z e d t h a t e q u i l i b -r i u m i n t h e t r u e s e n s e o f t h e w o r d i s n o t a c h i e v e d i n t h e s o i l i n t h e f a c e o f r e p e a t e d a p p l i c a t i o n s o f e f f l u e n t c o n t a i n i n g p h o s p h o r u s c o m p o u n d s . A c c o r d i n g t o N o v a k a n d A d r i a n o (1975) t h e i s o t h e r m s m a y d e s c r i b e t h e a d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e o n l y f o r t h e i n i t i a l r a p i d a d s o r p t i o n r e a c t i o n w h i c h i s e s s e n t i a l l y c o m p l e t e w i t h i n t h e f i r s t h o u r o f t h e i n t r o d u c t i o n o f p h o s -p h o r u s t o t h e s o i l . T h e l o n g t e r m f i x a t i o n o f p h o s p h o r u s i n -v o l v e s a r e l e a s e o f i r o n a n d a l u m i n u m f r o m c l a y l a t t i c e s a n d t h e r e a c t i o n o f t h e s e i o n s w i t h p h o s p h a t e t o f o r m n e w c r y s t a l p h a s e s . T h i s c a n n o t b e d e s c r i b e d b y t h e i s o t h e r m s . R a j a n e t a l (1974) a l s o n o t e d t h a t t h e L a n g m u i r a d s o r p t i o n m a x i m u m p r o b a b l y e s t i m a t e s t h e a d s o r p t i o n d u e t o t h e r e p l a c e m e n t o f a q u o a n d h y d r o x o g r o u p s a l o n e . A s a c o n s e q u e n c e t h e c a l c u l a -t i o n o f a t h e o r e t i c a l L a n g m u i r a d s o r p t i o n m a x i m u m w i l l n o t i n d i c a t e , o t h e r t h a n i n a g e n e r a l w a y , t h e p h o s p h o r u s a d s o r p -t i o n m a x i m u m t o e x p e c t i n t h e s o i l . 62 2.5 F A T E OF N I T R O G E N I N E F F L U E N T A P P L I E D TO A F O R E S T S O I L N i t r o g e n i s t h e n u t r i e n t w h i c h p l a n t s r e q u i r e i n t h e g r e a t e s t q u a n t i t y . T h e e l e m e n t s e r v e s a s t h e k e y s t o n e o f p r o t e i n a c e o u s m a t t e r i n l i v i n g t i s s u e . A s w i t h t h e c a s e o f p h o s p h o r u s , t h e p r i n c i p a l g o a l i n a p p l y i n g d o m e s t i c e f f l u e n t t o t h e l a n d i s t o h a v e t h e n i t r o g e n c o m p o u n d s a s s i m i l a t e d b y a c r o p t h a t c a n e v e n t u a l l y b e h a r v e s t e d . L a n c e (1975) d i s -c u s s e d t h e f a t e o f n i t r o g e n c o n t a i n e d i n s e w a g e e f f l u e n t a p p l i -e d t o s o i l . H e s u g g e s t e d t h e f o l l o w i n g r e a c t i o n s r e s p o n s i b l e f o r n i t r o g e n r e m o v a l . T h e y a r e : ( i ) V o l a t i l i z a t i o n o f N H 3 ( i i ) C h e m o D e n i t r i f i c a t i o n ( i i i ) B i o l o g i c a l D e n i t r i f i c a t i o n o f N 0 2 a n d N 0 ^ ~ ( i v ) A d s o r p t i o n b y o r g a n i c m a t t e r ( v ) A d s o r p t i o n b y c l a y i n v o l v i n g C E C o r f i x a t i o n ( v i ) I n c o r p o r a t i o n b y m i c r o - o r g a n i s m s ( v i i ) L e a c h i n g o f N 0 2 ~ o r N 0 ^ ~ ( v i i i ) E r o s i o n a n d s u r f a c e r u n o f f T h e s e m e c h a n i s m s a r e d e p i c t e d o n F i g 4 . O t h e r a u t h o r s h a v e d i s c u s s e d t h e f a t e o f n i t r o g e n i n d o m e s t i c s e w a g e a p p l i e d t o t h e s o i l ( W a l s h , S u m n e r a n d C o r e y , 1976; M i l l e r , 197'+; O l d h a m , 1975; W e b b e r a n d L y s h o n , 1975). No r e f e r e n c e t o t h e f a t e o f n i t r o g e n c o m p o u n d s c o n t a i n e d i n s e w a g e a p p l i e d t o a p o d z o l s o i l w a s f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e . I n a n a t t e m p t t o e x p l a i n t h e r e s u l t s o f t h i s r e s e a r c h , r e f e r -e n c e i s f r e q u e n t l y m a d e t o t h e f a t e o f u r e a f e r t i l i z e r a p p l i e d t o f o r e s t e d p o d z o l s o i l . 63 R E A C T I O N S FIGURE 4 R E S P O N S I B L E F O R N I T R O G E N R E M O V A L S E C O N D A R Y S E W A G E E F F L U E N T 9 0 - 9 5 % O F N IS A T M O S P H E R E \ V O L A T I L I Z A T I O N \ NH3 INCORPORATION \ INTO \ V E G E T A T I O N A N D H A R V E S T C H E M O DENITRIF ICATION I N2 N 2 OR N O A D S O R P T I O N B Y C L A f CATION E X C H A N G E / NH4*-£>! N O 2 D E N I T R I FICATION " 0 2 » 0 2 N 0 3 / A D S O R P T I O N B Y O R G A N I C M A T T E R F I X A T I O N - NITRIFICATION -. IMMOBILIZATION I N C O R P O R A T I O N B Y M I C R O B E S E X C E S S GROUND W A T E R 64 2.5-1 N i t r o g e n I m m o b i l i z a t i o n I m m o b i l i z a t i o n i s t h e m i c r o b i o l o g i c a l c o n v e r s i o n o f i n o r g a n i c n i t r o g e n (N0^~, NOg , N H ^ , N H ^ + ) t o o r g a n i c a l l y b o u n d n i t r o g e n . N i t r o g e n m i n e r a l i z a t i o n i s t h e c o n v e r s i o n o f o r g a n i c n i t r o g e n t o t h e i n o r g a n i c s t a t e ( A l e x a n d e r , 1961). W h i l e t h e t w o p r o c e s s e s a r e o c c u r r i n g s i m u l t a n e o u s l y i n t h e s o i l , t h e n i t r o g e n t r a n s f o r m a t i o n s m a y b e g r e a t e r f o r o n e p r o c e s s t h a n t h e o t h e r a t a g i v e n t i m e . S t e v e n s o n (1964) s u g g e s t e d t h a t b o t h t h e m i n e r a l i z a t i o n a n d i m m o b i l i z a t i o n o f n i t r o g e n i n s o i l s a r e m a r k e d l y a f f e c t e d b y t h e o r g a n i c c a r b o n : o r g a n i c n i t r o g e n ( C : N ) r a t i o o f t h e o r g a n i c r e s i d u e s i n t h e s o i l . T h e a c t i v e d e c o m p o s i t i o n o f o r g a n i c m a t t e r r e q u i r e s a n a c t i v e m i c r o b i o -l o g i c a l p o p u l a t i o n w h i c h r e q u i r e s n i t r o g e n f o r i t s g r o w t h p r o c -e s s e s . I f t h e a m o u n t o f n i t r o g e n i m m o b i l i z e d i s t o e x c e e d t h e a m o u n t o f n i t r o g e n t h a t i s m i n e r a l i z e d t h e a d d e d n i t r o g e n m u s t n o t b e i n a m o u n t s s u r p l u s t o t h e m i c r o b i a l r e q u i r e m e n t s . A s a g e n e r a l r u l e , t h e c r i t i c a l r a t i o f a l l s b e t w e e n a C : N r a t i o o f 20 a n d 2 5s i w i t h w i d e r r a t i o s f a v o r i n g i m m o b i l i z a t i o n a n d c l o s e r r a t i o s f a v o r i n g m i n e r a l i z a t i o n . S t e v e n s o n (1964) c a u -t i o n e d t h a t w h i l e t h e C : N r a t i o s a r e a p r i m e s o i l f a c t o r i n t h e m i n e r a l i z a t i o n o r i m m o b i l i z a t i o n o f n i t r o g e n , t h e d e g r e e o f r e s i s t a n c e o f t h e s e s u b s t a n c e s t o b i o l o g i c a l d e c o m p o s i t i o n i s a l s o i m p o r t a n t . T h e m o r e a v a i l a b l e t h e o r g a n i c m a t e r i a l t o d e c o m p o s i t i o n , t h e g r e a t e r t h e p r o l i f e r a t i o n o f t h e m i c r o -o r g a n i s m s a n d t h e g r e a t e r t h e i m m o b i l i z a t i o n o f a d d e d n i t r o g e n . A l s o , t h e i m m o b i l i z a t i o n o f a d d e d n i t r o g e n i s d e p e n d e n t o n s u c h 65 e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s a s m o i s t u r e , p H , a e r a t i o n , t e m p e r a t u r e , a n d t h e i n o r g a n i c n u t r i e n t s u p p l y o f t h e s o i l . • W o r k i n g w i t h f o r e s t s o i l s , O v e r r e i n (1967) f o u n d t h e i m m o b i l i z a t i o n o f u r e a ( C C K N H g ^ ) t o b e e x t e n s i v e i n t h e l i t t e r l a y e r a n d a l s o i n t h e h u m u s l a y e r u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s . T h e i m m o b i l i z a t i o n o f u r e a w a s v e r y t e m p e r a t u r e - d e p e n d e n t w i t h t h e a m o u n t s o f u r e a - N i m m o b i l i z e d d u r i n g a 9 0 - d a y p e r i o d b e i n g a b o u t 25%, ^Ofo, a n d 65% o f t h e t o t a l a d d e d a t t e m p e r a t u r e s o f 4 ° , 12°, a n d 20° C r e s p e c t i v e l y . S a l o n i u s ( 1 9 7 2 ) f o u n d t h a t u r e a f e r t i l i z a t i o n i n c r e a s e d p H , m i c r o b i a l a c t i v i t y a n d i m m o b i l i z a t i o n o f e x c h a n g e a b l e a m -m o n i u m n i t r o g e n i n s o i l s . B r o a d b e n t a n d T y l e r (1962), w o r k i n g w i t h t w o s o i l s i n a g r e e n h o u s e , f o u n d t h a t i n a n o r g a n i c s o i l . t h e a d d e d a m m o n i a w a s i m m o b i l i z e d b y m i c r o b i o l o g i c a l a c t i o n w h i l e n i t r a t e n i t r o -g e n w a s i m m o b i l i z e d t o a c o n s i d e r a b l e e x t e n t w h e n i t w a s t h e n i t r o g e n f o r m p r e s e n t i n t h e l a r g e s t c o n c e n t r a t i o n . W h i l e n o l i t e r a t u r e r e s u l t s o n t h e i m m o b i l i z a t i o n o f n i t r a t e a n d a m m o n i u m n i t r o g e n c o n t a i n e d i n e f f l u e n t a p p l i e d t o a p o d z o l f o r e s t s o i l c o u l d b e f o u n d , M i l l e r (197*+) w r o t e t h a t t h e a d d i t i o n o f e f f l u e n t t o a f o r e s t s o i l p r o b a b l y w i l l i n c r e a s e t h e m i c r o b i a l p o p u l a t i o n d r a m a t i c a l l y . P r e s u m a b l y t h e n i t r a t e n i t r o g e n a n d a m m o n i u m n i t r o g e n i n t h e e f f l u e n t c o u l d b e r e a d i l y a v a i l a b l e a s n i t r o g e n s o u r c e s ( L a n c e , 1975)-W a l s h e t a l (1976), i n a d i s c u s s i o n o n t h e i m m o b i l i z a t i o n o f n i t r o g e n c o n t a i n e d i n d o m e s t i c s e w a g e a p p l i e d t o a s o i l , 66 s u g g e s t e d t h a t i m m o b i l i z a t i o n u n d o u b t e d l y r e d u c e s t h e l e a c h i n g o f N O ^ ' - N . 2.5 '2 N i t r o g e n A d s o r p t i o n b y M i n e r a l a n d O r g a n i c M a t t e r T h e a d s o r p t i o n o f n i t r a t e n i t r o g e n c o n t a i n e d i n d o m e s -t i c e f f l u e n t a p p l i e d t o a s o i l c o l u m n i n t h e l a b o r a t o r y w a s f o u n d t o b e p H d e p e n d e n t ( P r e u l a n d S c h r o e f f e r , 1968). A t a p H o f 6.3, s i g n i f i c a n t a d s o r p t i o n o f N 0 ^ ~ - N o c c u r r e d w h i l e a t a p H o f 7.0 n o s i g n i f i c a n t a d s o r p t i o n o c c u r r e d . T h i s a g r e e s w i t h W i k l a n d e r (1964) w h o w r o t e t h a t a t a l o w p H , N O ^ ~ - N ( a n d o t h e r a n i o n s ) c o u l d b e d i r e c t l y a b s o r b e d b y t h e o r g a n i c a n d i n -o r g a n i c c o n s t i t u e n t s i n t h e s o i l . T h i s a n i o n a d s o r p t i o n c a p a -c i t y w o u l d i n c r e a s e a t l o w p H e s p e c i a l l y i n t h e p r e s e n c e o f a m o r p h o u s s e s q u i o x i d e c l a y m a t e r i a l s . T h e a d s o r p t i o n o f a m m o n i a a n d a m m o n i u m c o n t a i n e d i n d o m e s t i c s e w a g e a p p l i e d t o a n a g r i c u l t u r a l s i t u a t i o n w a s d i s -c u s s e d b y P r e u l a n d S c h r o e f f e r (1968), B o u w e r a n d C h a n e y (1974), a n d L a n c e ' ( 1 9 7 5 ) * P r e u l a n d S c h r o e f f e r (1968) a p p l i e d a r t i f i -c i a l d o m e s t i c e f f l u e n t m a d e w i t h l a b o r a t o r y c h e m i c a l s t o a s e r i e s o f s o i l c o l u m n s p a c k e d w i t h t h r e e d i f f e r e n t t e x t u r e d s o i l s . T h e i n t e n t i o n w a s t o m o n i t o r t h e m o v e m e n t o f n i t r o g e n - t h r o u g h t h e c o l u m n s . T h e y f o u n d t h a t a d s o r p t i o n , a l o n g w i t h b i o l o g i c a l a c t i o n , w a s o n e o f t h e m a i n f a c t o r s w h i c h c o n t r o l l e d t h e m o v e -m e n t o f n i t r o g e n t h r o u g h t h e s o i l e s p e c i a l l y i f n i t r o g e n w a s p r e s e n t a s a m m o n i u m . U n d e r w e l l - a e r a t e d c o n d i t i o n s , t h e a m -m o n i u m w a s c o n v e r t e d t o t h e m o r e m o b i l e n i t r a t e i o n , w h i l e 67 u n d e r l i m i t e d o x y g e n c o n d i t i o n s a d s o r p t i o n o f a m m o n i u m o c c u r r e d w i t h o n l y m i n o r b i o l o g i c a l i n t e r f e r e n c e . M o r e p e r t i n e n t t o t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s u n d e r w h i c h t h i s r e s e a r c h w a s c o n d u c t e d i s t h e e x p e r i m e n t a l w o r k o n t h e a d s o r p t i o n o f a m m o n i a a n d a m m o n i u m i n t h e u r e a f o r m i n a f o r e s t s o i l . ( S o h n a n d P e e c h , 1958; Y o u n g , 1964; H e i l m a n , 1974; Y o u n g a n d C a t t a n i , 1962; C h i n a n d K r o o n t j e , 1962). Y o u n g (1964) i n v e s t i g a t e d t h e r e t e n t i o n a n d f i x a t i o n o f N H ^ a n d N H ^ + b y 76 s o i l H o r i z o n s a m p l e s f r o m 20 P a c i f i c N o r t h w e s t ( P N W ) s o i l s d u r i n g t h e a p p l i c a t i o n o f a q u a a n d a n -h y d r o u s N H ^ a n d N H ^ C l u n d e r d i f f e r e n t d e g a s s i n g a n d f i x i n g c o n -d i t i o n s . T h e m a j o r p o r t i o n o f t h e r e t a i n e d N H ^ w a s a s s o c i a t e d w i t h t h e o r g a n i c f r a c t i o n w h i l e t h e m i n e r a l f r a c t i o n a l s o r e -t a i n e d a m m o n i a . A p o r t i o n o f t h e r e t a i n e d a m m o n i a w a s l o s t o v e r t h e f o l l o w i n g m o n t h s . A c o r r e l a t i o n o f N H ^ r e t e n t i o n t o C E C w a s a l s o d e t e r m i n e d i n s o m e P . N . W . s o i l s . F o r s u r f a c e h o r i z o n s o f 19 P . N . W . s o i l s t h e a u t h o r f o u n d t h a t N H ^ r e t e n t i o n ( P P M ) c o u l d b e e x p r e s s e d b y t h e e q u a t i o n 338 + 92.1 * C E C ( m e q / 100 g ) . T h e a u t h o r c a u t i o n e d t h a t t h e r e i s l i m i t e d s p e c i f i c d a t a a b o u t w h a t p a r t v a r i o u s c o n t r i b u t i n g s o i l f r a c t i o n s a n d s o r p t i o n o r r e t e n t i o n m e c h a n i s m s m a y a c t u a l l y p l a y i n t h e s e r e a c t i o n s u n d e r d i f f e r i n g s o i l c o n d i t i o n s . C h i n a n d K r o o n t j e ( I 9 6 2 ) , w o r k i n g w i t h u r e a a n d a n u m b e r o f s o i l s c o n c l u d e d t h a t p h y s i c a l l y a d s o r b e d u r e a m a y b e e a s i l y d e s o r b e d b y d i l u t i o n w h i l e t h e c h e m i s o r b e d u r e a e x i s t e d p r i -m a r i l y i n t h e f o r m o f a r e l a t i v e l y s t a b l e o r g a n i c m a t t e r - u r e a 68 c o m p l e x w h i c h m a y s l o w l y b e d e s o r b e d b y d i l u t i o n . O r g a n i c m a t -t e r i n c r e a s e d t h e r e t e n t i o n o f a m m o n i a w h i l e w e t s o i l s h a d a l o w e r c a p a c i t y f o r u r e a a d s o r p t i o n t h a n d r y s o i l s . M o r t l a n d (1958) w r o t e t h a t a m m o n i a i s c h e m i c a l l y s o r b e d i n g r e a t e s t q u a n t i t i e s b y c l a y m i n e r a l s u n d e r a c i d c o n d i t i o n s o r b y o r g a n i c m a t t e r u n d e r a l k a l i n e c o n d i t i o n s . H e c o n c l u d e d b y s t a t i n g t h a t a c o m b i n a t i o n o f t h e s e t w o s o i l c o n s t i t u e n t s w i l l p r o v i d e f o r c h e m i c a l s o r p t i o n o f a m m o n i a o v e r a w i d e r a n g e o f p H . 2.5•3 N i t r o g e n V o l a t i l i z a t i o n N i t r o g e n m a y b e l o s t b y t h e v o l a t i l i z a t i o n o f a m m o n i a e i t h e r d u r i n g o r a f t e r a p p l i c a t i o n t o t h e f o r e s t s o i l . N i t r o g e n i n w a s t e w a t e r i s p r e d o m i n a n t l y i n t h e o r g a n i c a n d a m m o n i u m f o r m ( B o u w e r a n d C h a n e y , 1974). I f i t i s a p p l i e d t h r o u g h a s p r i n k l e r s y s t e m i n t h i s f o r m , t h e r e w i l l b e n o v o l a t i l i z a t i o n o f n i t r o g e n . I f t h e p H o f t h e e f f l u e n t w e r e t o i n c r e a s e a b o v e p H 7 t o p H 8, a p o r t i o n o f t h e a m m o n i u m ( N H ^ + ) w o u l d b e c o n v e r t e d t o a m m o n i a g a s ( N H ^ ) . S t a l e y (1971) f o u n d t h a t t h e r e w a s a 0 - 2Vfo v o l a t i l i z a t i o n l o s s o f a m m o n i a w h e n s w i n e e f f l u e n t w a s a p p l i e d t o a g r i c u l t u r a l l a n d . T h e o r i g i n a l a m m o n i a n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s w i n e e f f l u e n t b e i n g a p -p l i e d t o t h e s o i l b y s p r i n k l e r i r r i g a t i o n w a s 15*1-0 m g / l a m m o n i a n i t r o g e n . T h e s e r e s u l t s m a y n o t b e i n d i c a t i v e o f t h e v o l a t i l -i z a t i o n l o s s e s o f a m m o n i a t h a t w o u l d o c c u r i f d o m e s t i c e f f l u e n t w a s b e i n g a p p l i e d t o a g r i c u l t u r a l l a n d . 69 No i n f o r m a t i o n o n t h e c o n v e r s i o n o f a m m o n i u m t o a m m o n i a a n d t h e r e s u l t i n g v o l a t i l i z a t i o n o f a m m o n i a o n t h e f o r e s t f l o o r c o u l d b e f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e . I t i s c l e a r t h a t u r e a a p p l i e d t o a f o r e s t f l o o r i s c o n v e r t e d t o a m m o n i a i n p r o p o r t i o n t o t h e r a t e o f u r e a a p p l i c a t i o n a s l o n g a s u r e a s e c o n c e n t r a t i o n i s a d e q u a t e i n t h e s o i l . V o l a t i l e a m m o n i a l o s s e s t e n d t o i n c r e a s e e x p o n e n t i a l l y w i t h a n i n c r e a s e i n t h e r a t e o f u r e a a p p l i c a t i o n ( O v e r r e i n a n d M o e , I967) . T h i s m a y o r m a y n o t b e i n d i c a t i v e o f t h e s i t u a t i o n w h e n e f f l u e n t i s a p p l i e d t o a f o r e s t f l o o r . 2 . 5 - 4 C h e m o - a n d B i o - D e n i t r i f i c a t i o n D e n i t r i f i c a t i o n i s t h e r e d u c t i o n o f N 0 2 ~ ~ - N o r N O ^ ~ - N t o g a s e o u s f o r m s o f n i t r o g e n ( m o l e c u l a r n i t r o g e n o r o x i d e s o f n i t r o g e n ) ( A l l i s o n , 1966). T h e m i c r o b i o l o g i c a l r e d u c t i o n o f n i t r a t e s a n d n i t r i t e s i s b r o u g h t a b o u t b y a n u m b e r o f f a c u l t a -t i v e a n a e r o b i c s o i l h e t e r o t r o p h s . I n t h e a b s e n c e o f o x y g e n , t h e s e o r g a n i s m s u s e h y d r o g e n a s a t e r m i n a l e l e c t r o n a c c e p t o r b u t m a y u s e N 0 ^ ~ a n d N 0 2 ~ a s s u b s t i t u t e s . C h e m o - d e n i t r i f i c a t i o n i n v o l v e s t h e c h e m i c a l o r n o n e n z y m a t i c r e a c t i o n s r e s u l t i n g i n t h e d e c o m p o s i t i o n o f N 0 2 ~ - N . D e n i t r i f i c a t i o n i n a c i d f o r e s t s o i l s i s l i m i t e d d u e t o t h e u n f a v o r a b l e p H e n v i r o n m e n t f o r t h e a n a e r o b i c o r g a n i s m s ( O v e r r e i n , 1967). A l s o , a w e l l - d r a i n e d p o r o u s s o i l w i l l a l l o w f o r t h e i n f i l t r a t i o n o f o x y g e n t h u s p r e v e n t i n g a n a e r o b i c c o n -d i t i o n s f r o m - d e v e l o p i n g . A l l i s o n (1966) s u g g e s t e d t h a t d e n i -t r i f i c a t i o n m a y o c c u r i n s m a l l m i c r o p o r e s o f t h e s o i l a g g r e g a t e s 70 w h e r e o x y g e n m a y h e d e f i c i e n t b u t s u c h a n i t r o g e n l o s s i s i n -s i g n i f i c a n t c o m p a r e d t o t h e t o t a l n i t r o g e n l o s s i n t h e s o i l . 2 . 5 . 5 N i t r i f i c a t i o n o f A m m o n i a N i t r i f i c a t i o n i s t h e b i o l o g i c a l f o r m a t i o n o f n i t r a t e ( N 0 ^ ~ ) o r n i t r i t e ( N O , , - ) f r o m c o m p o u n d s c o n t a i n i n g r e d u c e d n i t r o g e n ( A l e x a n d e r , I 9 6 I ) . I t i n v o l v e s t w o d i s t i n c t s t e p s a n d t w o d i s t i n c t m i c r o - o r g a n i s m s . T h e f i r s t s t e p i n v o l v e s a c o n v e r s i o n o f a m m o n i u m t o n i t r i t e b y t h e n i t r o s o m o n a s b a c t e r i a f a m i l y . N H ^ + + 1^0 —> N 0 2 ~ + 2 H + + H 2 0 T h e s e c o n d s t e p i s t h e c o n v e r s i o n o f n i t r i t e t o n i t r a t e b y t h e n i t r o b a c t e r f a m i l y o f b a c t e r i a . 2 N 0 2 " + 0 2 > 2 N 0 3 " L a n c e (1975) r e v i e w e d s o m e f a c t o r s t h a t a f f e c t n i t r i f i -c a t i o n o f s e w a g e i n s o i l . T h e o p t i m u m t e m p e r a t u r e f o r n i t r i f i -c a t i o n i s b e t w e e n 30°C a n d 35°C b u t i t m a y p r o c e e d s l o w l y a t 2°C a n d w i l l s t o p a t t h e f r e e z i n g p o i n t o f w a t e r . T h e n i t r i -f i c a t i o n p r o c e s s r e q u i r e s 4.56 mg o f o x y g e n f o r e v e r y m i l l i g r a m o f n i t r o g e n o x i d i z e d a n d i s l i m i t e d i n c o n d i t i o n s w h e r e t h e p H i s l e s s t h a n 5. F r e e z i n g w i l l r e d u c e t h e n i t r i f i e r s w i t h 2 t o 3 w e e k s r e q u i r e d t o b u i l d t h e p o p u l a t i o n t o t h e p r e - f r e e z i n g l e v e l . O t c h e r e - B o a t e n g (1976) r e v i e w e d t h e l i t e r a t u r e c o n c e r n e d w i t h n i t r i f i c a t i o n o f a m m o n i a i n a n e n v i r o n m e n t s i m i l a r t o t h a t w h i c h e x i s t e d i n t h i s e x p e r i m e n t . I n s e v e r a l e x p e r i m e n t s w i t h 71 u r e a a p p l i c a t i o n t o D o u g l a s F i r f o r e s t s o i l s , n o n i t r i f i c a t i o n w a s d e t e c t e d a t t e m p e r a t u r e s o f 5-5°» 11°» a n d 22°C. T h e c o n -c l u s i o n w a s t h a t t h e a c i d f o r e s t s o i l w a s n o t a c o n d u c i v e e n v i r o n m e n t f o r t h e n i t r i f y i n g o r g a n i s m s t o p r o l i f e r a t e . O n t h e o t h e r h a n d , B o u r g e o i s ( I 9 6 9 ) f o u n d c o n s i d e r a b l e n i t r i f i c a -t i o n i n t h e s o i l s o l u t i o n i n a n a c i d f o r e s t s o i l . O t c h e r e -B o a t e n g (1976) s u g g e s t e d t h a t t h e b i o l o g i c a l p r o d u c t i v i t y o f t h e s i t e , a s w e l l a s t h e t r e e s p e c i e s , m a y e x p l a i n w h y n i t r i -f i c a t i o n m a y o r m a y n o t o c c u r i n P a c i f i c N o r t h w e s t s o i l s a t c e r t a i n l o c a t i o n s . H e i l m a n (197*0 > w o r k i n g w i t h u r e a a p p l i e d t o P a c i f i c N o r t h w e s t s o i l s , f o u n d t h a t a t l o w t e m p e r a t u r e s (2.5 a n d 5 C ) n i t r i f i c a t i o n w a s r e s t r i c t e d w h i l e a t t e m p e r a -t u r e s g r e a t e r t h a n 5 C , n i t r i f i c a t i o n i n c r e a s e d r a p i d l y . 72 3.0 M A T E R I A L S A N D M E T H O D S 3.1 E X P E R I M E N T A L P R O C E D U R E 3.1.1 S t u d y A r e a T h e s t u d y w a s c o n d u c t e d a t t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a R e s e a r c h F o r e s t , l o c a t e d o n t h e s o u t h f r i n g e o f t h e C o a s t a l M o u n t a i n s a p p r o x i m a t e l y 55 K i l o m e t e r s e a s t o f V a n c o u v e r , B r i t i s h C o l u m b i a . K r a j i n a (1969) p l a c e d t h e a r e a i n t h e C o a s t a l W e s t e r n H e m l o c k ( C W H a ) B i o g e o c l i m a t i c Z o n e . T h e c l i m a t e i s M a r i n e H u m i d w i t h t h e a n n u a l p r e c i p i t a t i o n r a n g i n g b e t w e e n 178 c m (70 i n ) a n d 2 8 0 c m (110 i n ) . O f t h a t y e a r l y a m o u n t , 1%> t o 15% i s i n t h e f o r m o f s n o w w i t h m o s t o f t h e p r e c i p i t a t i o n o c c u r r i n g f r o m t h e f a l l s e a s o n t o t h e s p r i n g s e a s o n . T h e a v e r a g e d a i l y t e m p e r a t u r e i s a b o v e 10°C f o r f o u r t o s i x m o n t h s o f t h e y e a r w h i l e i t i s l e s s t h a n 0°C f o r z e r o t o t h r e e m o n t h s o f t h e y e a r . T h e d o m i n a n t t r e e s p e c i e i n t h i s g e o c l i m a t i c z o n e i s t h e W e s t e r n H e m l o c k a n d t o a l e s s e r e x t e n t t h e W e s t e r n R e d C e d a r . A c c o r d i n g t o A r m s t r o n g (1957) t h e a r e a w a s s u b j e c t e d t o f o u r g l a c i a t i o n s i n t h e p a s t ; S e y m o u r , S e m i a m u a n d V a s h o n w e r e m a j o r e v e n t s w h i l e t h e S u m a s g l a c i e r s w e r e r e s t r i c t e d t o t h e v a l l e y s . I n g e n e r a l , g r a n i t i c o r a s s o c i a t e d r o c k t y p e s o c c u r n e a r t h e s u r f a c e a n d u s u a l l y a r e o v e r l a i n w i t h t i l l a n d o u t w a s h . 3 . 1 .2 E x p e r i m e n t a l S i t e T h e e x p e r i m e n t a l s i t e i s l o c a t e d a d j a c e n t t o L o o n L a k e 73 a n d L o o n L a k e F o r e s t r y C a m p a t a n e l e v a t i o n o f 35*+ m (1160 f t ) a b o v e s e a l e v e l . T h e 30 m b y 30 m (100 f t b y 100 f t ) e x p e r i -m e n t a l p l o t i s l o c a t e d o n a w e s t - f a c i n g 25° t o 3 ° ° m o u n t a i n s l o p c o v e r e d w i t h a 15 y e a r o l d s t a n d o f W e s t e r n H e m l o c k , W e s t e r n R e d C e d a r a n d D o u g l a s F i r t r e e s . T h e a r e a h a d b e e n l o g g e d a n d s l a s h - b u r n e d i n 1958. I n a n a t t e m p t t o l i m i t t h e i n t r o d u c t i o n o f g r o u n d s e e p a g e w a t e r f r o m o u t s i d e t h e p e r i m e t e r o f t h e p l o t , i n p a r t i -c u l a r f r o m t h e u p p e r r e a c h e s o f t h e m o u n t a i n s l o p e , a d i t c h a r o u n d t h e p e r i m e t e r o f t h e p l o t w a s c o n s t r u c t e d t o t h e d e p t h o f t h e i m p e r m e a b l e C h o r i z o n . T h e w e s t e r n l o w e r e d g e o f t h e p l o t b o r d e r s o n a l o g g i n g r o a d . T h e m a x i m u m a n d m i n i m u m t e m p e r a t u r e s r e c o r d e d d u r i n g t h e i r r i g a t i o n p e r i o d a t t h e D e p a r t m e n t o f T r a n s p o r t w e a t h e r s t a t i o n a t L o o n L a k e a r e g i v e n i n F i g 5« T h e t e m p e r a t u r e s a r e p l o t t e d f o r e v e r y f i f t h d a y o f t h e s t u d y . T h e s o i l d e s c r i p t i o n ( s e e A p p e n d i x A ) , c a r r i e d o u t b y G . S i n g l e t o n o f t h e D e p a r t m e n t o f S o i l S c i e n c e a t t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a , s h o w s t h e s o i l t o b e a f e r r o - h u m i c p o d z o l , c l o s e l y r e s e m b l i n g t h e d e s c r i p t i o n g i v e n f o r t h e C a r d i n a l s e r i e s i n " S o i l S u r v e y o f M i s s i o n A r e a " b y L u t t m e r d i n g a n d S p r o u t (1968) f o r t h e B r i t i s h C o l u m b i a D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e ( B C D A ) . ( S i n c e t h e a r e a t h a t t h e p l o t i s s i t u a t e d o n w a s l o g g e d 15 y e a r s e a r l i e r , r e s u l t i n g i n d i s t u r b a n c e o f t h e s o i l s u r f a c e , t h e s o i l c l a s s i f i c a t i o n w a s p e r f o r m e d o n a n u n l o g g e d , u n d i s t u r b e d s i t e a p p r o x i m a t e l y 3° m (262 f t ) f r o m t h e e x p e r i -FIGURE 5 MAXIMUM AND MINIMUM TEMPERATURES (D.O.T. STATION LOON L A K E ) TEMPERATURE (CELSIUS) 75 m e n t a l p l o t ) . A s u m m a r y o f t h e r e s u l t s o f t h e c h e m i c a l a n a l y s i s o f a r e p r e s e n t a t i v e C a r d i n a l s i l t l o a m s o i l s a m p l e c o l l e c t e d "by L u t t m e r d i n g a n d S p r o u t (1968) i s p r e s e n t e d i n T a b l e 1. T h e v a l u e s p r e s e n t e d t h e r e i n a r e t y p i c a l e s t i m a t e s o f s e l e c t e d c h e m i c a l p r o p e r t i e s f o r t h e t y p e o f s o i l f o u n d a t t h e e x p e r i -m e n t a l s i t e . A p e r m e a b l e o r g a n i c l a y e r r a n g i n g f r o m 1 c m ( .4 i n ) t o 10 c m (3«9 i n ) i n d e p t h g e n e r a l l y w a s p r e s e n t a t t h e s u r f a c e o f t h e i r r i g a t i o n s i t e . I n p a r t i c u l a r , t h e d e e p e s t o r g a n i c l a y e r w a s f o u n d i n t h e c o n c a v e a r e a s o f t h e p l o t . T h e B H o r i z o n o n t h e p l o t h a s d e v e l o p e d f r o m a b l a t i o n t i l l o v e r l y i n g a d e n s e a n d c o m p a c t e d t i l l . T h e t e x t u r e o f t h e B h o r i z o n w a s g r a v e l l y s a n d y l o a m . A s a r e s u l t o f t h e p r e s e n c e o f l i v e r o o t s , a s w e l l a s c h a n n e l s f o r m e d d u r i n g t h e d e c a y o f t h e r o o t s o f t r e e s s u b j e c t e d t o l o g g i n g , t h e s o i l w a s v e r y p o r o u s a n d p e r m e a b l e . T h e m o u n t a i n - s i d e p l o t w a s c o v e r e d w i t h v a r y i n g a m o u n t s o f d e c a y i n g s l a s h , r e s u l t i n g f r o m t h e l o g g i n g o f t h e p l o t . A s o i l s a m p l e f r o m t h e v i c i n i t y o f e a c h p o r o u s p l a t e t e n s i o n l y s i m e t e r ( s e e s e c t i o n 3.1.4) w a s t a k e n d u r i n g t h e i n s t a l l a t i o n o f t h e l y s i m e t e r s . E a c h o f t h e t e n s o i l s a m p l e s w a s o v e n d r i e d a t 40°C a n d t h e n s u b j e c t e d t o m e c h a n i c a l r o l l i n g i n o r d e r t o b r e a k u p t h e s o i l a g g r e g a t e s r e s u l t i n g f r o m t h e d e h y d r a t i o n o f t h e s o i l s a m p l e s . E a c h s o i l s a m p l e w a s s e p a r a t e d b y m e c h a n i c a l s i e v i n g i n t o t h a t p o r t i o n g r e a t e r t h a n 2 mm i n d i a m e t e r a n d t h a t p o r t i o n l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . T h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ( t e x t u r e ) a n d t h e w a t e r 7 6 T a b l e 1 : C h e m i c a l A n a l y s e s o f S e l e c t e d U p l a n d S o i l P r o f i l e s ( L u t t m e r d i n g a n d S p r o u t ( I 9 6 8 ) ) C a r d i n a l S i l t L o a m - O r t h i c H u m i c P o d z o l p H O r g a n i c T o t a l p H ( 0 . 0 1 M M a t t e r N H o r i z o n D e p t h ( c m ) T e x t u r e 1H201 3.9 C a C l „ ) % % L 3 . 8 1 - 2 . 54 P t 3.5 8 0 . 4 1 . 2 4 H F 2 . 5 4 - 0 . 0 mu 3 .8 3 .0 8 0 . 6 1 .38 A e 0 . 0 - 1 .90 1 4 . 2 3-5 5 . 2 0 . 1 7 B h f 1 . 9 0 - 7.62 s i l 5.4 4.7 1 4 . 2 0 . 39 B f h l 7.62- 2 0 . 3 s i l 5-5 4.9 9.1 0 . 2 4 B f h 2 2 0 . 3 - 38.1 s i l 5.5 5 - 0 " 8 . 2 0 . 2 1 B f g j 3 8 . 1 - 61.0 s i l 5-5 5-1 5.4 0 . 1 3 BC 6 1 . 0 - 7 8 . 7 1 5.5 5 -0 5.4 0 . 16 H C g l 78 .7= - 99.1 f s l 5.6 5.3 2 . 1 0 . 0 5 I I C g 2 99.1 + f s l 6 .0 5-7 - -E x c h a n g e a b l e C a t i o n s a n d E x c h a n g e C a p a c i t y -m i l l i - e q u i v a l e n t s / l O O g r a m s  C - N R a t i o P I p . p . m . C a M g K N a C a t i o n E x c h a n g e C a p a c i t y B a s e S a t u -r a t i o n % 37-7 1 1 .42 2.56 2.50 0.34 139.4 12.1 33.9 - 5.30 2.05 0.65 0.82 132.5 6.6 22.0 12.5 0.94 0.16 0.06 0.06 15.7 7.8 21.5 30.8 0.35 0.10 0.09 0.0? 50.5 1.2 22.2 52.5 0.13 0 . 0 4 0.04 0.03 36.1 0.7 22.8 49.8 0.17 0.05 0.03 0.03 33.^ 0.8 24.8 66.5 0.10 0.02 0.02 0.03 25.3 0.7 19.5 26.3 - - - - - -22.7 32.5 - - - - - -- 29.5 - - - - - -77 T a b l e 1 ( C o n t i n u e d ) : E x c h a n g e a b l e C a t i o n s a n d E x c h a n g e C a p a c i t y  - m i l l i - e q u i v a l e n t s / l O O g r a m s A v a i l a b l e H o r i z o n D e p t h ( c m ) T e x t u r e F e % A l ' ?° S p . p . ! L 3 .81-2 . 5*1- P t „ H F 2.5*+-o.o mu - - -A e 0 . 0 - 1 . 9 0 1 O .36 0 . 4 8 1 2 . 5 B h f 1 .90-7-62 s i l 1 . 3 2 * 4.26 30.8 B f h l 7 . 6 2 - 20 . 3 s i l 1 . 33 4 . 2 0 52.5 B f h 2 2 0 . 3 - 3 8 . 1 s i l 1 .62 4 . 0 8 49 .8 B f h g j 38.1-61.0 s i l 1 . 1 1 3.56 66.5 BC 6 1 . 0 - 7 8 . 7 1 O .83 2 . 9 2 26.3 H C g l 7 8 . 7 - 9 9 . 1 f s l 0 . 7 1 1 .98 32.5 I I C g 2 f s i 0 . 50 O .98 2 9 . 5 A v a i l a b l e a n d O r g a n i c a l l y C o m p l e x e d C u Z n p . p . m . p . p . m . 7 8 r e t e n t i o n p r o p e r t i e s w e r e d e t e r m i n e d f o r t h e l e s s t h a n 2 mm " f r a c t i o n o f e a c h o f t h e t e n s o i l s a m p l e s . T h e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n w a s e v a l u a t e d b y t h e H y d r o m e t e r M e t h o d ' a s d e s c r i b e d b y D a y ( 1 9 6 5 ) • O n e a l t e r a t i o n i n t h e t e s t p r o c e d u r e w a s m a d e ; a c c o r d i n g t o L a m e r i s ( 1 9 6 4 ) t h e c h e m i c a l C a l g o n p r e v i o u s l y u s e d i n t h e H y d r o m e t e r T e s t i s n o t a n e f f e c t i v e p a r t i c l e d i s -p e r s i n g a g e n t s i n c e p h o s p h a t e n o l o n g e r i s i n c l u d e d i n t h e p r o d u c t . A . 0 2 N S o d i u m p y r o p h o s p h a t e N N a ^ P g O ^ ' s o l u t i o n ( w i t h r e g a r d t o N a + ) a d j u s t e d t o p H 9 - 5 w a s t h e r e f o r e u s e d a s a d i s p e r s i n g a g e n t i n t h e H y d r o m e t e r T e s t . U s i n g t h e U n i t e d S t a t e s D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e ( U S D A ) s y s t e m , e a c h s o i l s a m p l e w a s g r o u p e d i n a t e x t u r a l h o m e . T h e s o i l w a t e r c o n t e n t a t . 3 3 i «9> 3 - 0 , a n d 1 5 . 0 b a r s t e n s i o n w a s d e t e r m i n e d b y u s i n g l o w a n d h i g h p r e s s u r e p o r o u s p l a t e e x t r a c t o r s . T h e r e s u l t s o f t h e p a r t i c l e s i z e a n a l y s i s a r e p r e s e n t e d i n T a b l e 2 w h i l e t h e s o i l w a t e r r e t e n t i o n c u r v e s a r e p r e s e n t e d i n F i g s 6 , 7 i a n d 8 . 3 . 1 . 3 D e s c r i p t i o n o f t h e D o m e s t i c S e w a g e T r e a t m e n t L a g o o n s T h e e f f l u e n t a p p l i e d t o t h e f o r e s t e d p l o t w a s t r e a t e d w a s t e w a t e r f r o m t h e L o o n L a k e F o r e s t r y C a m p . L o c a t e d o n t h e s h o r e s o f L o o n L a k e i n t h e U n i v e r s i t y o f B r i t i s h C o l u m b i a R e s e a r c h F o r e s t , t h e f o r e s t r y c a m p i s u s e d m a i n l y f o r e d u c a -t i o n a l a n d r e s e a r c h p u r p o s e s b y t h e u n i v e r s i t y a n d p u b l i c s c h o o l c o m m u n i t i e s . T h e w a s t e w a t e r t r e a t m e n t f a c i l i t y c o n s i s t s o f t w o a d j a c e n t e a r t h e n l a g o o n s l o c a t e d a b o u t 3 ° 0 m ( 9 8 4 f t ) s o u t h 79 T a b l e 2 : P h y s i c a l P r o p e r t i e s o f S o i l S a m p l e s F r o m t h e V i c i n i t y o f t h e L y s i m e t e r s S a m p l i n g L o c a t i o n T e x t u r e P a r t i c l e S i z e <2 mm A n a l y s i s (% o f T o t a l ) >2 mm C l a y S i l t S a n d A l G S L 0.61 28 . 7 2 31.78 38.89 A 2 G S L 2.76 19.32 33.13 44.79 A 3 G S L 2 . 8 1 26.60 40.69 2 9 -84 B 4 G S L D i d n o t a n a l y s e B 5 G S L 4.36 12.29 23.00 60.35 B 6 G S L D i d n o t a n a l y s e B 7 G S L 4.19 24 . 5 7 31.16 40.07 C 8 G S L D i d n o t a n a l y s e C 9 G S L 1.10 2 3 .14 30.85 44.91 C I O G S L . 3 A 9 22.45 23.94 50.12 A v e r a g e V a l u e 2.76 22.44 30.65 4 4 . 14 G S L = G r a v e l l y s a n d y l o a m FIGURE 7 WATER RETENTION CURVES (LYSIMETER LOCATION B) 82 FIGURE 8 WATER RETENTION CURVES (LYSIMETER LOCATION C) WATER CONTENT (% BY VOLUME cmVcm3) 83 o f t h e f o r e s t r y c a m p , w i t h t h e b a s e s o f t h e p o n d s b e i n g a b o u t 5 m (16 f t ) a b o v e l a k e l e v e l . B u i l t i n t o a m o u n t a i n s l o p e , t h e o n e s i d e a n d t h e e n d s o f t h e t w o l a g o o n s w e r e f o r m e d b y t h e m o u n t a i n s l o p e w h i l e t h e s e c o n d s i d e o f t h e l a g o o n s a n d t h e e a r t h e n d i v i d e b e t w e e n t h e l a g o o n s w e r e c o n s t r u c t e d o f m a t e r i a l t a k e n f r o m t h e a r e a e x c a v a t e d f o r t h e l a g o o n s . T h i s m a t e r i a l w a s c o m p a c t e d d u r i n g c o n s t r u c t i o n i n a n a t t e m p t t o m i n i m i z e , i f n o t p r e v e n t , s e e p a g e o f e f f l u e n t t o L o o n L a k e . T h e c o n s t r u c t i o n o f t h e l a g o o n s p a r t i a l l y i n t o t h e s l o p e o f t h e m o u n t a i n s i d e i n t e r r u p t e d t h e n a t u r a l m o v e m e n t o f g r o u n d -w a t e r f l o w i n g f r o m t h e u p p e r s l o p e s t o t h e v a l l e y b o t t o m . To m i n i m i z e t h e f l o w o f g r o u n d w a t e r i n t o t h e l a g o o n s a n d t h e s u b s e q u e n t d i l u t i o n o f t h e e f f l u e n t , a t i l e l i n e w a s i n s t a l l e d a t t h e l e v e l o f t h e i m p e r m e a b l e s o i l h o r i z o n a r o u n d t h e t h r e e s i d e s o f t h e l a g o o n s f o r m e d b y t h e m o u n t a i n s l o p e . T h e t i l e l i n e d r a i n e d t h e g r o u n d w a t e r t o a d i t c h t h a t p a s s e d t h e w a t e r t o L o o n L a k e . 3 . I . 3 . I T h e E f f l u e n t T r e a t m e n t P r o c e s s D u e t o t h e c a m p u s e p a t t e r n s , t h e r e s i d e n t p o p u l a t i o n f l u c t u a t e d o v e r t h e t e r m o f t h e a c t u a l i r r i g a t i o n o f t h e e f f l u -e n t . I n g e n e r a l , n o m o r e t h a n f i v e t o t e n p e o p l e p e r d a y w e r e u s i n g t h e f a c i l i t i e s d u r i n g J u l y , A u g u s t a n d t h e f i r s t h a l f o f S e p t e m b e r w h i l e t h e p o p u l a t i o n v a r i e d b e t w e e n t w e n t y -f i v e a n d s e v e n t y - f i v e p e r s o n s p e r d a y d u r i n g t h e w e e k d a y s f o r t h e d u r a t i o n o f t h e p r o j e c t . T h e f l u c t u a t i n g r e s i d e n t p o p u -84 l a t i o n i n t h e c a m p c a u s e d a l a r g e v a r i a t i o n i n t h e w a s t e w a t e r f l o w t o b e t r e a t e d i n t h e l a g o o n t r e a t m e n t f a c i l i t i e s r e s u l t i n g i n a v a r i a b l e e f f l u e n t d e t e n t i o n t i m e i n t h e l a g o o n s . T h e e f f l u e n t t r e a t m e n t p r o c e s s i n v o l v e d a e r a t i o n o f t h e s e w a g e f o l l o w e d b y s e t t l i n g . T h e f i r s t l a g o o n , o f 144 mJ c a p a c i t y (5085 f t 3 ) , s e r v e d a s a n a e r a t i o n b a s i n . T h r e e r o w s o f p e r f o r a t e d p i p i n g w e r e l o c a t e d a c r o s s t h e l a g o o n a t a d e p t h o f 3 m (9-8 f t ) b e l o w t h e f r e e s u r f a c e a n d s e r v e d t o d i s t r i b u t e t h e a i r t o t h e a e r a t i o n b a s i n . A p i p e , a p p r o x i m a t e l y 7 m (23 f t ) i n l e n g t h , t h r o u g h t h e e a r t h e n b e r m s e p a r a t i n g t h e t w o l a g o o n s t r a n s f e r r e d e f f l u e n t f r o m t h e a e r a t i o n b a s i n t o t h e l a r g e r s e t t l i n g l a g o o n . T h e s e c o n d l a g o o n , w i t h a v o l u m e o f 1200 m 3 (42,378 f t 3 ) s e r v e d a s a s e t t l i n g b a s i n . T h i s l a g o o n h a d a n o v e r f l o w o u t -l e t t h a t a l l o w e d t h e d i s c h a r g e o f t h e t r e a t e d e f f l u e n t ( t r e a t e d m e a n i n g a B . O . D . r e d u c t i o n ) t o a s m a l l c r e e k , w h i c h d r a i n s L o o n L a k e . T h e t r e a t e d e f f l u e n t u s e d f o r i r r i g a t i o n o n t h e m o u n t a i n s l o p e w a s d r a w n t h r o u g h a f l o a t i n g i n t a k e p o s i t i o n e d 1 m ( 3 0 f t ) b e l o w t h e f r e e w a t e r s u r f a c e a n d s i t u a t e d i n t h e c e n t e r o f t h e l a g o o n a r e a . T h e q u a l i t y o f t h e e f f l u e n t d r a w n f r o m t h e s e t t l i n g p o n d a n d a p p l i e d t o t h e m o u n t a i n s i d e p l o t w a s e x t r e m e l y v a r i a b l e w i t h r e g a r d t o t h e c o n s t i t u e n t s t h a t f o r m e d t h e b a s i s o f t h e r e s e a r c h . F r o m t h e o u t s e t o f t h e i r r i g a t i o n o f t h e e f f l u e n t , t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e m o n i t o r e d c o n s t i t u e n t s i n t h e s e t t l i n g l a g o o n g r a d u a l l y d e c r e a s e d u n t i l t h e y f e l l m u c h b e l o w a v e r a g e 85 v a l u e s d o c u m e n t e d f o r d o m e s t i c t r e a t m e n t p l a n t s . T h e r e a s o n f o r s u c h a d e c r e a s e i n t h e c o n c e n t r a t i o n v a l u e s o f t h e s e l e c t e d c o n s t i t u e n t s w a s t h e i n f i l t r a t i o n o f g r o u n d w a t e r i n t o t h e l a g o o n s . N o t o n l y d i d t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e c o n s t i t u e n t s d e c r e a s e s u b s t a n t i a l l y a f t e r a r a i n f a l l e v e n t , b u t t h e e l e v a t i o n l e v e l o f t h e l i q u i d i n t h e s e t t l i n g p o n d i n c r e a s e d d e s p i t e t h e f a c t t h a t n o w a s t e w a t e r w a s o r i g i n a t i n g f r o m t h e f o r e s t r y c a m p . T h e d i l u t i o n e f f e c t w a s e s p e c i a l l y s e v e r e d u r i n g t h e t e r m o f t h e r e s e a r c h b e c a u s e o f t h e a b n o r m a l l y h i g h a m o u n t o f p r e c i p i t a t i o n t h a t f e l l o n t h e a r e a . To c o u n t e r a c t t h i s d e c r e a s e i n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s e l e c t e d c o n s t i t u e n t s a n d i n a n a t t e m p t t o p r o v i d e a n e f f l u e n t f o r i r r i g a t i o n t h a t a c h i e v e d t h e c o n s t i t u e n t c o n c e n t r a t i o n l e v e l s f o u n d i n a n o r m a l d o m e s t i c p l a n t e f f l u e n t , s e l e c t e d c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r s w e r e a d d e d t o t h e e f f l u e n t i n t h e s e t t l i n g b a s i n . 3.1 .3 '2 A d d i t i o n o f C o m m e r c i a l F e r t i l i z e r s t o t h e T r e a t m e n t Zs^o L a g o o n s I n o r d e r t o i n c r e a s e t h e c o n c e n t r a t i o n o f n i t r a t e n i t r o g e n a n d t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n , t w o 22.? k g (50 l b ) b a g s o f p r i l l e d a m m o n i u m n i t r a t e ( N H ^ N O ^ ) (3*+ - 0 - T e r i c o B r a n d ) w e r e a d d e d t o t h e s e t t l i n g l a g o o n o n A u g u s t 20, 1976 a n d t w o m o r e b a g s w e r e a d d e d o n S e p t e m b e r 28, 1976. T h e m a n u f a c t u r e r g u a r a n t e e d t h a t 17% o f t h e t o t a l w e i g h t o f e a c h b a g w o u l d b e n i t r a t e n i t r o g e n w h i l e 17% o f t h e t o t a l w e i g h t o f e a c h b a g w o u l d b e a m m o n i a n i t r o g e n . Two 22.7 k g (50 l b ) b a g s o f a m m o n i u m p h o s p h a t e 86 ( N H ^ H g P O ^ ) ( 1 1 - 5 5 - 0 G r e e n V a l l e y F e r t i l i z e r ) w e r e a d d e d o n A u g u s t 20, 1976, a n d t w o m o r e b a g s w e r e a d d e d o n S e p t e m b e r 2 8 , 1976. T h e m i n i m u m g u a r a n t e e d a n a l y s i s w a s 11% o f t h e t o t a l w e i g h t w o u l d b e t o t a l n i t r o g e n w h i l e 55% o f t h e t o t a l w e i g h t w o u l d b e p h o s p h o r i c a c i d . T h i s w o u l d s u p p l e m e n t t h e t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n ( T . K . N . ) a n d t h e p h o s p h a t e f o u n d i n t h e l a -g o o n s . To i n c r e a s e t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e e f f l u e n t , t e n 22.7 k g (50 l b ) b a g s o f m u r i a t e o f p o t a s h o r p o t a s s i u m c h l o -r i d e ( K C 1 ) (0 - 0 - 60 G r e e n V a l l e y F e r t i l i z e r ) w e r e a d d e d o n A u g u s t 20, 1976 a n d t e n m o r e b a g s w e r e a d d e d o n S e p t e m b e r 28, 1976. T h e m a n u f a c t u r e r g u a r a n t e e d t h a t 60% o f t h e f e r t i l i z e r w o u l d b e s o l u b l e p o t a s h . 3.1.k I r r i g a t i o n E q u i p m e n t T h e e f f l u e n t w a s t r a n s p o r t e d a n d i r r i g a t e d t h r o u g h a p e r m a n e n t s e t p i p e n e t w o r k . A p e r m a n e n t l y i n s t a l l e d 5 h p p u m p l o c a t e d n e x t t o t h e t r e a t m e n t l a g o o n p u m p e d t h e e f f l u e n t f r o m t h e s e t t l i n g b a s i n t o t h e i r r i g a t i o n s i t e a p p r o x i m a t e l y 500 m (1640 f t ) t o t h e w e s t . T h e v o l u m e o f e f f l u e n t b e i n g p u m p e d w a s m e a s u r e d b y a T r i d e n t M e t e r s L i m i t e d v o l u m e m e a s u r i n g d e v i c e s e t d o w n s t r e a m f r o m t h e p u m p i n t h e 5 - 0 8 c m (2 i n ) d i a m e t e r m a i n l i n e . A t t h e i r r i g a t i o n s i t e e i g h t s p r i n k l e r i r r i g a t i o n h e a d s w e r e u s e d t o a p p l y t h e e f f l u e n t t o t h e f o r e s t e d p l o t . T h e s p r i n k l e r s w e r e l o c a t e d s o t h a t t h e e f f l u e n t i n t e n s i t y w a s a s u n i f o r m a s p o s s i b l e o v e r t h e p l o t b e i n g i r r i g a t e d . T h e s p r i n -k l e r h e a d s w e r e a p p r o x i m a t e d 3.7 m (12.1 f t ) a b o v e t h e s o i l 87 s u r f a c e a n d g e n e r a l l y w e r e a b o u t 50 "to 100 c m (19-7 t o 39-4 i n ) a b o v e t h e t r e e t o p s e x c e p t i n t w o c a s e s w h e r e t h e s p r i n k l e r h e a d s w e r e l o w e r t h a n t h e t o p v o f t h e t r e e s i n t h e v i c i n i t y . T h e e f f l u -e n t w a s a p p l i e d a t a r a t e o f .40 c m / h r (.16 i n / h r ) o v e r t h e w h o l e p l o t . T h e i r r i g a t i o n d i s t r i b u t i o n n e t w o r k , t h e p i p e m a i n l i n e r u n n i n g f r o m t h e s e w a g e l a g o o n s t o t h e m o u n t a i n s i d e s l o p e , t h e p u m p a n d t h e a s s o c i a t e d e q u i p m e n t w e r e i n s t a l l e d i n 1972 b y D r . J. d e V r i e s , w i t h t h e c o s t s o f t h e e q u i p m e n t b e i n g b o r n e b y t h e U . B . C . R e s e a r c h F o r e s t . T h e e q u i p m e n t w a s i n s t a l l e d t o f a c i l i t a t e r e s e a r c h o f t h e t y p e r e p o r t e d i n . t h i s t h e s i s , i n a d d i t i o n t o r e s e a r c h o n t h e h y d r o l o g y o f m o u n t a i n s l o p e s u n d e r -t a k e n b y D r . J. d e V r i e s a n d G r a d u a t e S t u d e n t s o f t h e D e p a r t m e n t o f S o i l S c i e n c e i n t h e F a c u l t y o f A g r i c u l t u r a l S c i e n c e s , U . B . C . 3.1.4.1 L y s i m e t e r I n s t a l l a t i o n T e n p o r o u s p l a t e t e n s i o n l y s i m e t e r s w e r e u t i l i z e d t o o b t a i n s o i l l e a c h a t e s a m p l e s o n a c o n t i n u o u s b a s i s d u r i n g t h e i r r i g a t i o n p e r i o d . E a c h p l a t e c o n s i s t e d o f a n a l u n d u m d i s c o f a p p r o x i m a t e r a d i u s 7.2 cm (2.8 i n ) a n d 2 c m (.8 i n ) t h i c k n e s s m o u n t e d o n s u p p o r t s e x t e n d i n g a c r o s s a n a c r y l i c p l a s t i c p l a t e a s s e m b l y . T h e s u p p o r t s c r e a t e d a c h a m b e r b e t w e e n t h e b o t t o m o f t h e a l u n d u m d i s c a n d t h e a c r y l i c p l a t e w h i c h a l l o w e d t h e f r e e m o v e m e n t o f c o l l e c t e d l e a c h a t e t o ' a n a c r y l i c t u b e . T h e t u b e p e r m i t t e d t h e l e a c h a t e t o p a s s t o p l a s t i c t u b i n g a n d u l t i m a t e l y t o t h e c o l l e c t i o n b o t t l e . T h e a c r y l i c p l a t e a l s o w a s a t t a c h e d 88 t o a f r a m e t h a t e x t e n d e d a r o u n d t h e p e r i m e t e r o f t h e a l u n d u m d i s c t o e n s u r e t h a t t h e r e w a s n o a i r l e a k a g e . A m o r e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e d e s i g n , c o n s t r u c t i o n s a n d l i m i t a t i o n s o f p o r o u s p l a t e t e n s i o n l y s i m e t e r s h a s b e e n r e p o r t e d b y C o l e (1958) a n d B o u r g e o i s (19^9)- T h e l y s i m e t e r s w e r e w a s h e d w i t h .001 N H C 1 a n d r i n s e d w i t h d i s t i l l e d w a t e r p r i o r t o i n s t a l l a t i o n . W i t h i n t h e m o u n t a i n s i d e p l o t t h r e e l o c a t i o n s , l a b e l l e d A , B , a n d C w e r e c h o s e n f o r t h e i n s t a l l a t i o n o f t h e p o r o u s p l a t e l y s i m e t e r s . A p i t w a s e x c a v a t e d d o w n t o t h e i m p e r m e a b l e t i l l o n t h e d o w n - s l o p e e d g e o f e a c h o f t h e t h r e e s t u d y a r e a s . A c o n s c i o u s d e c i s i o n t o d i g o n t h e d o w n - s l o p e s i d e o f e a c h s t u d y a r e a w a s m a d e i n o r d e r t o e n s u r e m i n i m u m d i s r u p t i o n o f t h e n a t u -r a l g r o u n d f l o w p a t t e r n t h r o u g h t h e s t u d y a r e a . A t e a c h l o c a t i o n a s e r i e s o f h o r i z o n t a l t u n n e l s w e r e e x c a v a t e d a p p r o x i m a t e l y t o t h e l e n g t h o f a n a r m ' s r e a c h a n d t o a d i a m e t e r t h a t w o u l d a l l o w t h e p a s s a g e o f t h e l y s i m e t e r t o t h e i n s t a l l a t i o n p o i n t . T h e t u n n e l l o c a t i o n s w e r e a l s o c h o s e n s o t h a t t h e n a t u r a l g r o u n d -w a t e r f l o w p a t t e r n t o a n y l y s i m e t e r w o u l d n o t b e d i s r u p t e d b y t h e p l a c e m e n t o f a l y s i m e t e r p l a t e o r t u n n e l a b o v e a n y o t h e r l y s i m e t e r . T h e l y s i m e t e r l o c a t i o n s a t e a c h o f t h e t h r e e s i t e s w e r e s p r e a d o u t a s f a r a s p o s s i b l e . I d e a l l y , t h e l y s i m e t e r s w e r e p l a c e d j u s t b e l o w t h e o r g a n i c l a y e r a n d o n t o p o f t h e C h o r i z o n . P r a c t i c a l l y , t h e s u c c e s s i n f o l l o w i n g t h e l a t t e r g u i d e -l i n e w a s n o t w h o l l y a c c o m p l i s h e d d u e t o m i n i m u m t u n n e l d i a m e t e r r e q u i r e d t o a l l o w t h e l y s i m e t e r s t o b e p u t i n p o s i t i o n . S i n c e i t w a s i m p o s s i b l e t o d i g i n t o t h e C h o r i z o n , t h e t u n n e l h a d t o 89 "be e x c a v a t e d i n t o t h e B h o r i z o n t o a s m a l l d e p t h t h u s p r e v e n t i n g t h e l y s i m e t e r p l a c e m e n t a t t h e t o p o f t h e C h o r i z o n o r c o n v e r s e l y a t t h e b o t t o m o f t h e B h o r i z o n . T h r e e l y s i m e t e r s w e r e l o c a t e d a t l o c a t i o n A a n d l a b e l l e d A l , A 2 , a n d A 3 , w h i l e f o u r l y s i m e t e r s w e r e p l a c e d a t l o c a t i o n B a n d l a b e l l e d B 4 , B 5 , B 6 , a n d B 7 , a n d t h r e e l y s i m e t e r s w e r e l o c a t e d a t s t a t i o n C a n d l a b e l l e d C 8 , C 9 , a n d C I O . T a b l e 3 s u m m a r i z e d t h e d e p t h t o t h e t o p o f e a c h l y s i m e t e r a s m e a s u r e d f r o m t h e f o r e s t s o i l s u r f a c e . G r e a t c a r e w a s t a k e n w h e n i n s t a l l i n g t h e l y s i m e t e r p l a t e s i n o r d e r t o e n s u r e m a x i m u m h y d r a u l i c c o n t a c t b e t w e e n t h e s o i l a n d t h e p o r o u s a l u n d u m p l a t e . F i r s t a l o c a t i o n a t t h e t o p o f t h e h o r i z o n t a l t u n n e l w a s l e v e l l e d t o p r o v i d e a f l a t s i t e f o r t h e a l u n d u m p l a t e t o c o n t a c t t h e s o i l m a t r i x . C a r e w a s t a k e n t o - r e m o v e p r o t r u s i o n s s u c h a s r o c k s , r o o t s , o r s o i l a g g r e g a t e s a s w e l l a s t o f i l l i n m i n o r d e p r e s s i o n s w i t h s o i l m a t e r i a l t a k e n f r o m t h e i m m e d i a t e v i c i n i t y o f t h e l y s i m e t e r . To p r o v i d e a n e v e n g r e a t e r p o t e n t i a l f o r m a x i m u m h y d r a u l i c c o n t a c t b e t w e e n t h e s o i l m a t r i x a n d t h e a l u n d u m p l a t e , a s l u r r y o f i n e r t s i l i c o n c a r -b i d e w a s a p p l i e d t o t h e a l u n d u m p l a t e f a c e . A n e g a t i v e p r e s s u r e w a s a p p l i e d t o t h e t e n s i o n l y s i m e t e r t o s e m i - c o n s o l i d a t e t h e s i l i c o n c a r b i d e s l u r r y t h a t w o u l d m o v e t o f i l l t h e s p a c e s i n t h e p r e p a r e d s o i l f a c e w h e n t h e a s s e m b l y w a s p l a c e d i n p o s i t i o n . T h e i n t e n t i o n w a s t o p r o v i d e a c o n t i n u o u s s i l i c o n c a r b i d e p r e s e n c e b e t w e e n t h e s m a l l s o i l d e p r e s s i o n s a n d t h e a l u n d u m p l a t e t h e r e b y m a x i m i z i n g h y d r a u l i c c o n t a c t a n d h e n c e m a x i m i z i n g : : . 90 T a b l e 3: D e p t h s o f L y s i m e t e r s B e l o w t h e S o i l S u r f a c e L y s i m e t e r L o c a t i o n D e p t h B e l o w S o i l S u r f a c e ( c m ) D e p t h B e l o w S o i l S u r f a c e ( i n ) A l 13-5 5.3 A 2 .3 1 8 . 6 A 3 6.0 2.4 B 4 39.5 15-5 B 5 44.5 17.5 B 6 20.0 7.9 B 7 15.2 6.0 0 8 20.3 8 . 0 C 9 15.1 5.9 C I O 26.5 10.4 91 t h e e a s e o f m o v e m e n t o f s o i l l e a c h a t e t o t h e t e n s i o n l y s i m e t e r . T h e p l a t e w a s t h e n p l a c e d , a g a i n s t t h e p r e p a r e d s o i l f a c e a n d r o t a t e d s l i g h t l y b a c k a n d f o r t h i n a n a t t e m p t t o f o r c e t h e s i l i c o n c a r b i d e i n t o t h e s o i l f a c e . T h e o u t l e t f r o m t h e t e n s i o n l y s i m e t e r w a s f a c i n g o u t o f t h e t u n n e l a n d p o s i t i o n e d a t t h e l o w e s t p o i n t o n t h e b a s e o f t h e l y s i m e t e r p l a t e . I n e a c h c a s e , a s p e c i a l l y p r e p a r e d v e r t i c a l s c r e w j a c k w a s u s e d t o f o r c e a n d p e r m a n e n t l y s u p p o r t t h e l y s i m e t e r p l a t e a g a i n s t t h e t u n n e l r o o f . E a c h s c r e w j a c k c o n s i s t e d o f a 19.05 mm (.75 i n ) t h r e a d e d r o d s c r e w e d t h r o u g h a 10 c m b y 10 c m (3-9 i n b y 3-9 i n ) p l a s t i c b a s e p l a t e . T h e s o i l m a t e r i a l r e m o v e d d u r i n g t h e e x c a v a t i o n o f t h e t u n n e l w a s u s e d t o b a c k f i l l t h e t u n n e l . T h e m a t e r i a l w a s t a m p e d i n t o p l a c e t o e n s u r e a g o o d d e g r e e o f s o i l c o m p a c t i o n a n d a m i n i m u m s o i l h y d r a u l i c d i s r u p t i o n . T h r e e p l y w o o d b o x e s w i t h p l a s t i c c o v e r e d p l y w o o d l i d s w e r e c o n s t r u c t e d a n d p l a c e d i n e a c h o f t h e e x c a v a t e d p i t s . T h e s p a c e s b e t w e e n t h e o u t e r e d g e o f t h e b o x e s a n d t h e e d g e o f t h e p i t s w e r e b a c k f i l l e d i n o r d e r t o m i n i m i z e e v a p o r a t i o n l o s s e s a s w e l l a s t o m a i n t a i n t h e i n t e g r i t y o f t h e l y s i m e t e r p l a c e m e n t a r e a s . T h e i n s t a l l e d l y s i m e t e r s w e r e i n d i v i d u a l l y c o n n e c t e d t o t h e c o l l e c t i n g b o t t l e s u s i n g T y g o n p l a s t i c t u b i n g ( T y g o n R 3603, 4.76 mm (.1875 i n ) i n s i d e d i a m e t e r , a n d 7.94 mm (.3125 i n ) o u t s i d e d i a m e t e r ) . E a c h c o l l e c t i n g b o t t l e a t t h e l y s i m e t e r l o c a t i o n s w a s i n d i v i d u a l l y c o n n e c t e d t o a m a n i f o l d c o m m o n t o e a c h g r o u p o f l y s i m e t e r s a t t h e t h r e e l o c a t i o n s . I n o r d e r t o i s o l a t e t h e c o l l e c t i o n b o t t l e s f o r s o i l l e a c h a t e s a m p l i n g , a 92 v a l v e w a s i n s t a l l e d i n t h e t u b i n g t h a t c o n n e c t e d t h e l y s i m e t e r t o e a c h c o l l e c t i n g b o t t l e a n d a v a l v e w a s i n s t a l l e d i n t h e t u b i n g i n t h e t u b i n g t h a t r a n f r o m e a c h c o l l e c t i n g b o t t l e t o t h e m a n i -f o l d . T h i s a r r a n g e m e n t a l l o w e d t h e l e a c h a t e i n e a c h b o t t l e t o b e c o l l e c t e d w i t h o u t d e p l e t i n g t h e v a c u u m s o u r c e o r r e d u c i n g t h e n e g a t i v e p r e s s u r e i n t h e l y s i m e t e r s . A m a i n l i n e p l a s t i c t u b e c o n n e c t e d t h e t h r e e m a n i f o l d s t o a C a r t e s i a n M a n o s t a t . I t w a s r e c o g n i z e d t h a t v a c u u m l e a k s i n t h e t u b i n g , i n t h e r e c e i v i n g b o t t l e s a n d i n t h e l y s i m e t e r s w e r e i n e v i t a b l e . I n o r d e r t o m a i n t a i n a c o n s t a n t v a c u u m i n t h e l y s i m e t e r s , a v a c u u m s o u r c e h a d t o b e p r o v i d e d t h a t c o u l d r e -p l e n i s h t h e v a c u u m l o s s e s i n t h e l y s i m e t e r s y s t e m . T h e C a r t e s i a n M a n o s t a t w a s u s e d t o r e g u l a t e a n d m a i n t a i n t h e r e q u i r e d t e n s i o n ( a b o u t 50 mm (1.97 i n ) o f m e r c u r y ) i n t h e s y s t e m b y c o n t r o l l i n g t h e n e g a t i v e p r e s s u r e r e l e a s e i n t h e 100 p o u n d p r o p a n e c y l i n d e r u s e d a s a v a c u u m s o u r c e . T h e p r o p a n e c y l i n d e r w a s p e r i o d i c a l l y e v a c u a t e d w i t h a p u m p t o a v a c u u m o f a b o u t 508 mm (20 i n ) o f m e r c u r y . 3.1.5 R a i n f a l l a n d E f f l u e n t M e a s u r e m e n t G a u g e s T h e a m o u n t o f r a i n a n d e f f l u e n t t h a t r e a c h e d t h e f o r e s t f l o o r w a s d e t e r m i n e d t h r o u g h t h e u s e o f s i x t e e n r a i n f a l l g a u g e s . E a c h c o l l e c t o r c o n s i s t e d o f a p l a s t i c c y l i n d e r a p p r o x i m a t e l y 6.5 c m (2.6 i n ) h i g h , a n d e i t h e r 9-55 c m (3.76 i n ) o r 10.35 c m (4.07 i n ) i n d i a m e t e r , a t t a c h e d t o t h e w i d e e n d o f a p l a s t i c f u n n e l . T h e s e a c r y l i c c y l i n d e r s w i t h b e v e l l e d t o p e d g e s w e r e 93 m o u n t e d o n e a c h f u n n e l t o m i n i m i z e s p l a s h i n g l o s s e s . E a c h f u n n e l w a s p l a c e d i n t h e n e c k o f a 1 l i t e r (61.02 i n 3 ) p l a s t i c b o t t l e , w h i c h f o r t h e p u r p o s e s o f s t a b i l i t y , w a s i n t u r n c l a m p e d t o a m e t a l p o s t i n s e r t e d i n t h e g r o u n d . T h e v o l u m e o f e f f l u e n t o r r a i n i n t h e g a u g e s w a s m e a s u r e d w i t h a g r a d u a t e d c y l i n d e r . T h i r t e e n o f t h e g a u g e s w e r e p l a c e d r a n d o m l y o n t h e p l o t w h i l e o n e g a u g e w a s p l a c e d a t e a c h o f t h e l y s i m e t e r l o c a t i o n s A , B , a n d C . T h e g a u g e s a t l y s i m e t e r l o c a t i o n s A , B , a n d C w e r e l o c a t e d i n s u c h p o s i t i o n s t h a t t h e c o l l e c t e d e f f l u e n t s a m p l e s a p p r o x i m a t e d t h e v o l u m e o f e f f l u e n t t h a t w a s f a l l i n g o n t h e s o i l s u r f a c e o v e r l y i n g t h e l y s i m e t e r p l a t e s . T h e a m o u n t o f e f f l u e n t t h a t w a s c o l l e c t e d i n t h e r a i n g a u g e s d u r i n g a n i r r i g a t i o n e v e n t w a s m e a s u r e d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e t e r m i n a t i o n o f t h a t e v e n t . T h e a m o u n t o f r a i n t h a t f e l l b e t w e e n t h e e n d o f o n e i r r i g a t i o n e v e n t a n d t h e c o m m e n c e m e n t o f t h e n e x t i r r i g a t i o n e v e n t w a s m e a s u r e d i m m e d i a t e l y p r i o r t o t h e s t a r t o f t h e l a t e s t i r r i g a t i o n e v e n t . T h e d u r a t i o n o f r a i n f a l l t h a t f e l l d u r i n g t h e i n t e r v a l b e t w e e n t h e c e s s a t i o n a n d t h e c o m -m e n c e m e n t o f i r r i g a t i o n s e v e r a l d a y s l a t e r w a s d e t e r m i n e d p r i o r t o t h e s t a r t o f i r r i g a t i o n b y m e a n s o f a t i l t i n g b u c k e t g a u g e c o n n e c t e d t o a n e v e n t r e c o r d e r . T h e t i l t i n g b u c k e t e m p l o y e d h a d a 20 c m (7.87 i n ) d i a m e t e r r e c e i v e r a n d a b u c k e t c a p a c i t y o f .5 mm (.02 i n ) o f r a i n f a l l . W h i l e t h e 16 r a i n g a u g e s w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e m a g n i t u d e o f t h e r a i n f a l l t h a t h a d o c c u r r e d b e t w e e n e f f l u e n t s p r a y i n g d a t e s , t h e t i l t i n g b u c k e t w a s u s e d t o d e t e r m i n e t h e t i m e a n d d u r a t i o n o v e r w h i c h s u c h a n e v e n t o c c u r r e d . 94 3.1-6 S o i l W a t e r C o n t e n t M e a s u r e m e n t s T h e f l u c t u a t i o n o f t h e s o i l w a t e r c o n t e n t i n r e s p o n s e t o n a t u r a l r a i n f a l l a n d t o t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t w a s m o n i t o r e d t h r o u g h t h e u s e o f a T r o x l e r N e u t r o n M o i s t u r e P r o b e . A s t e e l a c c e s s t u b e w a s l o c a t e d a t l y s i m e t e r l o c a t i o n ' : , B a p p r o x i m a t e l y 100 c m (40 i n ) f r o m t h e f o u r l y s i m e t e r p l a t e s . T h e w a t e r c o n t e n t o f t h e s o i l w a s m e a s u r e d a t d e p t h s o f 15, 3°, 50, a n d 70 c m (5-9, 11.8, 19.7, a n d 27-6 i n ) b e l o w t h e s o i l s u r f a c e i m m e d i a t e l y b e f o r e a n d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t . T h e w a t e r c o n t e n t m e a s u r e m e n t s w e r e t e r m i n a t e d o n S e p t e m b e r 21, 1976 d u e t o a m a l f u n c t i o n i n g p o r t a b l e S c a l e r R a t e M e t e r . 3.2 A N A L Y T I C A L M E T H O D S AND M A T E R I A L S 3.2.1 E f f l u e n t I r r i g a t i o n S c h e d u l e T h e f o r e s t e d p l o t w a s i r r i g a t e d w i t h e f f l u e n t t w i c e p e r w e e k d u r i n g t h e p e r i o d J u n e 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976. A n e f f l u e n t v o l u m e o f e i g h t e e n c u b i c m e t e r s (3962 i m p e r i a l g a l l o n s ) , 2 a s m e a s u r e d b y t h e v o l u m e m e t e r , w a s a p p l i e d o v e r t h e 900 m (10,000 f t ) p l o t o n e a c h i r r i g a t i o n s e s s i o n . T h i s s c h e d u l e r e s u l t e d i n t h e a p p l i c a t i o n o f a n e f f l u e n t d e p t h o f 2 c m (.79 i n ) p e r i r r i g a t i o n . S i n c e t h e p u m p d e l i v e r e d .40 c m (.16 i n ) o f e f f l u e n t p e r h o u r , e a c h o f t h e 31 i r r i g a t i o n s e s s i o n s r e q u i r e d 5 h o u r s . T h e r e w e r e t w o e x c e p t i o n s t o t h i s a r r a n g e m e n t . No i r r i -g a t i o n w a s u n d e r t a k e n o n S e p t e m b e r 24 a s t h e p u m p w a s b e i n g u s e d 95 t o d e l i v e r l a k e w a t e r t o a n a d j a c e n t p l o t . On J u l y 15. 1976 a n d o n J u l y 29, 1976 l e s s t h a n 2 c m (.79 i n ) o f e f f l u e n t w a s a p p l i e d t o t h e p l o t . T h i s w a s i n k e e p i n g w i t h t h e o r i g i n a l i n t e n t i o n o f a p p l y i n g 2 c m (.79 i n ) o f e f f l u e n t p e r i r r i g a t i o n s e s s i o n m i n u s t h e a m o u n t o f r a i n t h a t f e l l i n t h e i n t e r v a l b e t w e e n t h e e n d o f t h e l a s t i r r i g a t i o n e v e n t a n d t h e n e x t i r r i -g a t i o n s e s s i o n . A b n o r m a l l y h i g h a m o u n t s o f r a i n f a l l d u r i n g t h e f i r s t w e e k o f A u g u s t w o u l d h a v e f u r t h e r d e l a y e d t h e a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t i n t h e p l a n n e d a m o u n t s i f t h e o r i g i n a l s c h e d u l e w a s f o l l o w e d . I t w a s t h e n d e c i d e d t o a l t e r t h e o r i g i n a l i r r i -g a t i o n s c h e d u l e t o o n e t h a t i n v o l v e d t h e s p r a y i n g o f k c m (1.60 i n ) o f e f f l u e n t p e r w e e k r e g a r d l e s s o f t h e a m o u n t o f p r e c i p i t a t i o n t h a t f e l l o n t h e f o r e s t e d p l o t . 3.2.2 C o l l e c t i o n , S t o r a g e a n d A n a l y s i s o f S o i l L e a c h a t e C o l l e c t e d b y t h e T e n L y s i m e t e r s T h e t e n l y s i m e t e r s w e r e c o n n e c t e d t o t h e m a i n v a c u u m s o u r c e o n J u l y 7. 1976. T h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d o v e r t h e n e x t s e v e r a l d a y s w a s u s e d t o f l u s h o u t t h e l y s i m e t e r s , t h e t u b i n g a n d t h e r e c e i v i n g b o t t l e s , w i t h t h e l e a c h a t e b e i n g d i s c a r d e d . W i t h t h e c o m m e n c e m e n t o f t h e i r r i g a t i o n p r o g r a m t o a p p l y 2 c m (.79 i n ) o f d o m e s t i c s e w a g e t w i c e p e r w e e k t o t h e f o r e s t e d p l o t , a p r o g r a m t o s a m p l e t h e r e s u l t i n g s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s w a s b e g u n . P r i o r t o t h e c o m m e n c e m e n t o f i r r i -g a t i o n o n a n y o n e o f t h e 31 i r r i g a t i o n d a y s , t h e l e a c h a t e s a m p l e s r e s u l t i n g f r o m t h e p r e v i o u s i r r i g a t i o n s e s s i o n a n d a n y r a i n t h a t 96 f e l l i n t h e t i m e i n t e r v a l b e t w e e n i r r i g a t i o n e v e n t s w e r e c o l -l e c t e d f r o m a l l t h e r e c e i v i n g b o t t l e s . T h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d o n e a c h o f t h e 31 i r r i g a t i o n d a y s h a d b e e n g a t h e r e d c o n t i n u o u s l y b y t h e l y s i m e t e r s d u r i n g t h e t i m e s p a n f r o m t h e s t a r t o f s p r a y i n g o n a n y o f t h e 31 i r r i g a t i o n d a y s t h r o u g h t o j u s t p r i o r t o t h e c o m m e n c e m e n t o f i r r i g a t i o n o n t h e n e x t i r r i -g a t i o n d a t e . U p t o 2 l i t e r s o f s o i l l e a c h a t e i n e a c h o f t h e t e n r e c e i v i n g b o t t l e s w e r e r e t a i n e d f o r a n a l y s i s o f t h e s e l e c t e d w a t e r c o n s t i t u e n t s . A n y e x c e s s s a m p l e w a s d i s c a r d e d f r o m t h e r e c e i v i n g b o t t l e s . Two s a m p l e s o f s e w a g e e f f l u e n t b e i n g a p p l i e d t o t h e m o u n -t a i n s l o p e w e r e c o l l e c t e d d u r i n g e a c h i r r i g a t i o n e v e n t . T h e c o l l e c t i o n o f s u c h s a m p l e s w a s f a c i l i t a t e d b y t h e i n s e r t i o n o f a t a p i n t h e i r r i g a t i o n p i p e m a i n l i n e a t t h e i r r i g a t i o n s i t e . T h e t e n s o i l l e a c h a t e s a m p l e s a n d t h e t w o a p p l i e d e f f l u e n t s a m p l e s w e r e p l a c e d i n i c e - f i l l e d c o o l e r s u n t i l t h e y c o u l d b e s t o r e d i n a l a b o r a t o r y r e f r i g e r a t o r ( t e m p e r a t u r e a t 4 ° C ) l a t e r t h e s a m e d a y . No p r e s e r v a t i v e s w e r e a d d e d t o t h e s a m p l e s . O v e r t h e n e x t t h r e e d a y s t h e s a m p l e s w e r e a n a l y s e d f o r n i t r a t e - n i t r o -g e n , t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n ( T K N ) , t o t a l p h o s p h a t e , o r t h o p h o s -p h a t e a n d c h l o r i d e . T h e s e w a g e a n d s o i l l e a c h a t e s a m p l e s w e r e a n a l y z e d a c c o r d -i n g t o t h e p r o c e d u r e s o u t l i n e d i n S t a n d a r d M e t h o d s f o r t h e E x a m i n a t i o n o f W a t e r a n d W a s t e w a t e r ( 1 4 t h e d i t i o n 1976). T h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s a m p l e s w a s d e t e r m i n e d b y t h e U l t r a v i o l e t S p e c t r o p h o t o m e t r i c M e t h o d e m p l o y i n g t h e 97 B a u s c h a n d L o m b S p e c t r o n i c 600 S p e c t r o p h o t o m e t e r . T h e c o n c e n -t r a t i o n o f a m m o n i a a n d o r g a n i c n i t r o g e n w a s d e t e r m i n e d b y t h e t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n m e t h o d . T h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e t o t a l p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s a m p l e s i n v o l v e d t h e P e r s u l p h a t e D i g e s t i o n M e t h o d t o c o n v e r t a l l t h e p h o s p h a t e p r e s e n t t o o r t h o -p h o s p h a t e . T h e s e s a m p l e s w e r e s u b j e c t e d t o t h e S t a n n o u s C h l o ^ -r i d e C o l o u r D e v e l o p m e n t M e t h o d t o d e t e r m i n e t h e o r t h o p h o s p h a t e p r e s e n t i n t h e d i g e s t e d s a m p l e s . T h e i n t e n s i t y o f t h e b l u e c o l o u r w a s m e a s u r e d p h o t o m e t r i c a l l y b y a B a u s c h a n d L o m b S p e c t r o n i c 88 S p e c t r o p h o t o m e t e r . T h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e c o n -c e n t r a t i o n o f o r t h o p h o s p h a t e i n t h e a p p l i e d s e w a g e a n d s o i l l e a c h a t e s a m p l e s i n v o l v e d t h e S t a n n o u s C h l o r i d e M e t h o d a s o u t -l i n e d f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e t o t a l p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n . T h e c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s a m p l e s w a s d e t e r m i n e d b y t h e M e r c u r i c N i t r a t e M e t h o d . 3.2.3 P h o s p h o r u s R e m o v a l I s o t h e r m s 3.2.3.1 T i m e - A d s o r p t i o n S t u d y T y p i c a l t i m e - a d s o r p t i o n c u r v e s f o r p h o s p h o r u s i n d i c a t e a n i n i t i a l f a s t r e a c t i o n f o l l o w e d b y a s e c o n d a r y r e a c t i o n w h i c h o c c u r s a t a s l o w e r r a t e , o f t e n d e s c r i b e d b y a f i r s t o r d e r r e a c t i o n e q u a t i o n . I n o r d e r t o e s t a b l i s h t h e c o n t a c t t i m e r e q u i r e d t o r e a c h e q u i l i b r i u m b e t w e e n t h e s o i l a n d t h e p h o s p h o r u s i n t h e s e w a g e e f f l u e n t , t h r e e t i m e a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s w e r e u n d e r -t a k e n i n t h e l a b o r a t o r y . T h e c o n t a c t t i m e w a s t h e n u s e d t o i n d i c a t e a n e q u i l i b r i u m c o n d i t i o n i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e 98 p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n i s o t h e r m s . T h e s o i l s a m p l e s u s e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h e t i m e -a d s o r p t i o n c u r v e s a n d t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m s w e r e t h e s a m e s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m t h e i m m e d i a t e v i c i n i t y o f t h e t e n l y s i m -e t e r s d u r i n g t h e i r i n s t a l l a t i o n . S u b s a m p l e s o f t h e s e c o l l e c t e d s a m p l e s h a d a l s o b e e n e v a l u a t e d f o r w a t e r r e t e n t i o n p r o p e r t i e s a n d p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n . I n p r e p a r a t i o n f o r t h e d e t e r m i n -a t i o n o f t h e t i m e a d s o r p t i o n c u r v e s a n d t h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n i s o t h e r m s , t h e t e n s o i l f r a c t i o n s o f g r e a t e r t h a n 2 mm i n d i a m -e t e r w e r e c o n s o l i d a t e d i n t o o n e l a r g e s a m p l e a s w e r e t h e t e n s o i l f r a c t i o n s o f l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . T h e p u r p o s e o f c o n s o l i d a t i n g t h e i n d i v i d u a l s a m p l e s w a s t o o b t a i n t i m e a d s o r p -t i o n c u r v e s a n d p h o s p h a t e a d s o r p t i o n i s o t h e r m s r e p r e s e n t a t i v e o f t h e e n t i r e p l o t . T h r e e d i f f e r e n t t i m e - p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s w e r e u n d e r t a k e n i n t h e l a b o r a t o r y w i t h o n l y t h e t o t a l s o i l w e i g h t a d d e d t o t h e d o m e s t i c e f f l u e n t b e i n g v a r i e d b e t w e e n e x -p e r i m e n t s . T h e e f f l u e n t w a s o b t a i n e d f r o m t h e s e c o n d a r y s e w a g e t r e a t m e n t p l a n t a t M a p l e R i d g e , B r i t i s h C o l u m b i a . I n t h e f i r s t e x p e r i m e n t a t o t a l o f 60 g o f s o i l w a s a d d e d t o a f l a s k c o n t a i n -i n g 2 1 o f e f f l u e n t w h i l e i n t h e s e c o n d s t u d y 100 g o f s o i l w a s a d d e d t o a f l a s k c o n t a i n i n g 2 1 o f e f f l u e n t . I n t h e t h i r d t i m e -p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n s t u d y , 200 g o f s o i l w a s a d d e d t o 2 1 o f e f f l u e n t . A r a n g e o f t o t a l w e i g h t s w a s u s e d t o d e t e r m i n e i f a v a r i a t i o n i n t o t a l s o i l w e i g h t o r t h e n u m b e r o f p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n s i t e s w o u l d i n f l u e n c e t h e c o n t a c t t i m e t o r e a c h 99 e q u i l i b r i u m b e t w e e n t h e p h o s p h o r u s i n t h e e f f l u e n t a n d t h e s o i l . O f t h e 60 g o f t o t a l s o i l w e i g h t u s e d i n t h e f i r s t t i m e - p h o s -p h o r u s a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t , 45 g o r 75% o f t h e s o i l w e i g h t w a s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . I n t h e s e c o n d t i m e - a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t , 70% o f t h e 100 g t o t a l s o i l w e i g h t u s e d w a s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r w h i l e 175 g o r 87% b y w e i g h t o f t h e 200 g o f t o t a l s o i l w e i g h t u s e d i n t h e t h i r d t i m e - a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t w a s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . E a c h o f t h e t h r e e s o i l s a m p l e s w e r e p l a c e d i n b e a k e r s : c o n t a i n i n g 2 l i t e r s o f e f f l u e n t . E a c h . s o i l - e f f l u e n t s o l u t i o n w a s s u b j e c t e d t o s t i r r i n g w i t h a m a g n e t i c s t i r r i n g b a r . A t v a r i o u s t i m e s r a n g i n g f r o m o n e m i n u t e t o 1 4 0 m i n u t e s a f t e r t h e c o m m e n c e -m e n t o f s t i r r i n g , s a m p l e s w e r e r e m o v e d f r o m t h e b e a k e r s . E a c h s a m p l e w a s i m m e d i a t e l y s u b j e c t e d t o c e n t r i f u g i n g a t 2500 R . P . M . f o r 30 m i n u t e s t o r e d u c e t h e s u s p e n d e d m a t e r i a l i n t e r f e r e n c e t h a t m i g h t o c c u r d u r i n g t h e p h o s p h a t e a n a l y s i s . T h e r e m o v a l o f t h e s u s p e n d e d m a t e r i a l a l s o a v e r t e d t h e r e - e n t r y o f p h o s p h o r u s f r o m t h e s o l i d p h a s e t o t h e l i q u i d p h a s e d u r i n g t h e p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n a n a l y s i s . A t t h e c o m p l e t i o n o f t h e c e n t r i f u g i n g , t h e c e n t r a t e w a s a n a l y z e d f o r t o t a l a n d o r t h o p h o s p h a t e a s p r e v i o u s l y d e s c r i b e d . T h e r e s u l t i n g d a t a i n d i c a t e d t h a t a o n e a n d o n e h a l f h o u r s t i r r i n g t i m e w o u l d p e r m i t t h e c o m p l e t i o n o f t h e i n i t i a l p h o s p h o r u s r e m o v a l s t e p ( f o r a m o r e d e t a i l e d d e -s c r i p t i o n s e e s e c t i o n 4 . 5 . 1 . 1 ) . 100 3 .2 .3»2 P h o s p h o r u s R e m o v a l I s o t h e r m s T o t a l a n d o r t h o p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n r e m o v a l i s o t h e r m d a t a w e r e g e n e r a t e d i n a s e r i e s o f l a b o r a t o r y b a t c h s c a l e e x -p e r i m e n t s . S i n c e b o t h t h e i n i t i a l o r t h o a n d t o t a l p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n s w e r e f i x e d v a l u e s i n t h e d o m e s t i c s e w a g e s a m p l e s , t h e s o i l s a m p l e w e i g h t s i n t h e a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s h a d t o b e v a r i e d . A l s o f o r t h e p h o s p h o r u s r e m o v a l i s o t h e r m s t h e p e r -c e n t a g e o f t h e t o t a l s o i l w e i g h t t h a t w a s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r w a s a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e a v e r a g e p e r c e n t a g e v a l v e o f t h e t o t a l s o i l w e i g h t o f p a r t i c l e s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r a v e r a g e d o v e r t h e t e n i n d i v i d u a l s a m p l e s . F r o m T a b l e 2 i t c a n b e s e e n t h a t o v e r t h e s o i l s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m a r o u n d t h e t e n l y s i m e t e r l o c a t i o n s , a n a v e r a g e o f 56% o f t h e t o t a l s o i l w e i g h t w a s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . A s a c o n s e q u e n c e , a p p r o x i m a t e l y 60% o f t h e t o t a l w e i g h t o f e a c h s o i l s a m p l e u s e d i n t h e a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s w a s l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r . ' O n e , t h r e e , f i v e a n d o n e h u n d r e d g r a m s o f s o i l w e r e a d d e d t o b e a k e r s c o n t a i n i n g 1 1 o f e f f l u e n t w h i l e f o u r , f i v e , s i x , s e v e n , e i g h t , t e n , f i f t e e n , t w e n t y , a n d t w e n t y - f i v e g r a m s t o t a l s o i l w e i g h t w e r e a d d e d t o b e a k e r s c o n t a i n i n g .5 1 o f d o m e s t i c e f f l u e n t . T h e e f f l u e n t - s o i l c o m b i n a t i o n s w e r e s u b j e c t e d t o m a g n e t i c s t i r r i n g f o r o n e a n d o n e h a l f h o u r s . A t t h e e n d o f t h i s t i m e t h e f i l t r a t e i n e a c h b e a k e r w a s s u b j e c t e d t o c e n t r i f u g i n g f o l l o w e d b y t h e a n a l y s i s f o r o r t h o a n d t o t a l p h o s p h a t e i n t h e s a m e m a n n e r a n d m e t h o d a s i n t h e t i m e - a d s o r p t i o n s t u d y . 101 4.0 R E S U L T S AND D I S C U S S I O N 4.1 R a i n f a l l a n d E f f l u e n t V o l u m e M e a s u r e m e n t s T h e a m o u n t o f e f f l u e n t a n d r a i n f a l l t h a t r e a c h e d t h e p f o r e s t f l o o r w a s n o t u n i f o r m o v e r t h e 900 m p l o t . N o t o n l y d i d t h e t r e e b r a n c h e s a l t e r t h e p a s s a g e o f e f f l u e n t a n d r a i n t o t h e f o r e s t f l o o r , b u t e a c h o f t h e e i g h t s p r i n k l e r h e a d s a l s o s e t u p u n i q u e s p r a y i n g p a t t e r n s f o r t h e s e c t i o n o f t h e p l o t t h a t t h e y i n d i v i d u a l l y c o v e r e d . W i n d , a c c o r d i n g t o M c K a y (1970), w i l l a l t e r t h e r a i n f a l l o r e f f l u e n t p a t t e r n s i g n i f i c a n t l y a s w i l l e v a p o r a t i o n b e t w e e n i r r i g a t i o n e v e n t s h e l d o n t w o d i f f e r -e n t d a y s . T h e r e s u l t w a s a v a r y i n g a m o u n t o f r a i n o r e f f l u e n t c o l l e c t e d i n e a c h o f t h e s i x t e e n r a i n g a u g e s o v e r t h e s a m e i r r i -g a t i o n o r r a i n f a l l e v e n t a n d b e t w e e n d i f f e r e n t i r r i g a t i o n e v e n t s . T h e r a i n f a l l a n d a p p l i e d e f f l u e n t a m o u n t s t h a t f e l l o n t h e p l o t d u r i n g t h e e x p e r i m e n t a l p e r i o d a r e p r e s e n t i n F i g 9. T h e a m o u n t o f e f f l u e n t f o r e a c h o f t h e 31 i r r i g a t i o n e v e n t s , m e a s u r e d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e c e s s a t i o n o f e a c h i r r i g a t i o n e v e n t , i s a n a v e r a g e v a l u e o f t h e a m o u n t o f e f f l u e n t c o l l e c t e d i n e a c h o f t h e 16 r a i n g a u g e s . A p r o b l e m a r o s e w h e n t h e 5 h o u r s r e q u i r e d t o a p p l y 2 c m (.79 i n ) o f e f f l u e n t o c c u r r e d d u r i n g t h e p e r i o d o f a r a i n f a l l e v e n t . T h e r a i n g a u g e s w o u l d b e c o l l e c t i n g n o t o n l y t h e a p p l i e d e f f l u e n t b u t a l s o t h e f a l l i n g r a i n . I n o r d e r t o a d j u s t t h e a p p l i e d e f f l u e n t v o l u m e f o r s u c h o c c a s i o n s , t h e a v e r a g e e f f l u e n t v a l u e s o v e r t h e 16 r a i n g a u g e s f o r n o n -r a i n o r n e g l i g i b l e r a i n f a l l - i r r i g a t i o n d a y s w e r e a v e r a g e d . O f t h e 31 d a y s o n w h i c h t h i s i r r i g a t i o n o f e f f l u e n t w a s u n d e r t a k e n , FIGURE 9 PRECIPITATION AND APPLIED EFFLUENT DATA (AVERAGE VALUES FROM 16 RAIN GAUGES SITUATED THOUGHOUT PLOT) OO (O T CM RAINFALL AND APPLIED EFFLUENT (cm) 103 2 4 d a y s h a d n o r a i n o r n e g l i g i b l e a m o u n t s o f r a i n . T h e a m o u n t o f a p p l i e d e f f l u e n t a s a r e s u l t o f a v e r a g i n g t h e e f f l u e n t v a l u e s r e c o r d e d o n t h o s e 2 4 d a y s w a s 2 . 8 1 cm (1.11 i n ) . On t h e 7 d a y s t h a t r a i n o c c u r r e d s i m u l t a n e o u s l y w i t h t h e i r r i g a t i o n o f e f f l u e n t , t h e a v e r a g e a m o u n t o f e f f l u e n t c o l l e c t e d o v e r t h e 16 r a i n g a u g e s h a d 2 . 8 1 cm (1.11 i n ) s u b t r a c t e d f r o m i t . T h e d i f f e r e n c e w a s a s s u m e d t o b e t h e a m o u n t o f r a i n t h a t f e l l d u r i n g t h e i r r i g a t i o n p e r i o d . T h e t o t a l a v e r a g e a m o u n t o f e f f l u e n t t h a t w a s a p p l i e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e p r o j e c t w a s 8 0 . 1 4 c m (31.55 i n ) . P r i o r t o t h e c o m m e n c e m e n t o f i r r i g a t i o n , t h e a m o u n t o f r a i n t h a t f e l l i n t h e t i m e i n t e r v a l b e t w e e n t h e c e s s a t i o n o f t h e l a s t i r r i g a t i o n a n d t h e b e g i n n i n g o f t h e c u r r e n t i r r i g a t i o n w a s m e a s u r e d . A n a v e r a g e r a i n f a l l d e p t h w a s c a l c u l a t e d b y a v e r a g i n g t h e m e a s u r e d r a i n f a l l d e p t h i n e a c h o f t h e s i x t e e n g a u g e s . S i n c e t h e r a i n d i d n o t f a l l o v e r t h e c o m p l e t e t i m e p e r i o d b e t w e e n i r r i g a t i o n e v e n t s , t h e s t a r t a n d d u r a t i o n o f e a c h s t o r m w a s d e t e r m i n e d f r o m t h e t i l t i n g b u c k e t d a t a r e c o r d e d o n t h e e v e n t r e c o r d e r . T h e a v e r a g e d e p t h o f r a i n f a l l o v e r t h e 16 r a i n g a u g e s , i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e s t a r t a n d d u r a t i o n o f t h e s a m e r a i n f a l l e v e n t s f r o m t h e o p e r a t i o n o f t h e t i l t i n g b u c k e t i s s h o w n i n F i g 9-T h e u n e v e n d i s t r i b u t i o n o f a p p l i e d e f f l u e n t o v e r t h e f o r e s t e d p l o t r e s u l t e d i n a r a n g e o f e f f l u e n t d e p t h s m e a s u r e d i n t h e 16 r a i n g a u g e s , n o t o n l y o v e r e a c h i r r i g a t i o n p e r i o d , b u t o v e r t h e t e r m o f t h e e x p e r i m e n t . O f p a r t i c u l a r c o n c e r n w a s t h e a m o u n t o f e f f l u e n t t h a t r e a c h e d t h e f o r e s t f l o o r o v e r -104 l y i n g t h e l y s i m e t e r s . T h e a m o u n t w o u l d i n f l u e n c e t h e s o i l l e a c h a t e c h a r a c t e r i s t i c s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t e a c h o f t h e s e l o c a t i o n s . T h e m a s s c u r v e s o f a c c u m u l a t e d e f f l u e n t d e p t h s o v e r t h e t e r m o f t h e e x p e r i m e n t a s m e a s u r e d b y t h e r a i n g a u g e s a t l y s i m -e t e r l o c a t i o n s A , B , a n d C a r e p r e s e n t e d i n F i g 10. A l s o p r e s e n t e d i n t h e s a m e f i g u r e i s t h e m a s s c u r v e f o r a p p l i e d e f f l u e n t a s d e t e r m i n e d b y a v e r a g i n g t h e e f f l u e n t d e p t h s m e a s u r e d i n t h e 16 r a i n g a u g e s . F r o m F i g 10, i t i s c l e a r t h a t l y s i m e t e r l o c a t i o n B r e c e i v e d t h e g r e a t e s t a m o u n t o f e f f l u e n t o v e r t h e i r r i g a t i o n p e r i o d w h i l e l y s i m e t e r l o c a t i o n C r e c e i v e d t h e s m a l l e s t a m o u n t . L y s i m e t e r l o c a t i o n B r e c e i v e d a t o t a l o f 122.50 c m (48.23 i n ) w h i l e l y s i m e t e r l o c a t i o n A r e c e i v e d a t o t a l o f 84.41 c m (38.23 i n ) a n d l y s i m e t e r l o c a t i o n C r e c e i v e d a t o t a l o f 34.25 c m (13.48 i n ) o v e r t h e p e r i o d o f s t u d y . I n t h e s a m e p e r i o d t h e a v e r a g e a m o u n t o f e f f l u e n t a p p l i e d t o t h e t o t a l p l o t a s m e a s u r e d o v e r t h e 16 r a i n g a u g e s w a s 80.14 c m (31-55 i n ) . B a s e d o n t h e c o n c e n t r a t i o n s o f n i t r a t e n i t r o g e n , t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n a n d t o t a l p h o s p h a t e i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t a s w e l l a s t h e a v e r a g e v o l u m e o f e f f l u e n t a p p l i e d o v e r t h e t o t a l i r r i g a t i o n p l o t , 48.4 k g / h a (43.2 l b / a c r e ) n i t r a t e n i t r o g e n , 93.7 k g / h a (83.6 l b / a c r e ) t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n a n d 43 .5 k g / h a (38.6 l b / a c r e ) o f t o t a l p h o s p h a t e w e r e a p p l i e d t o t h e p l o t d u r i n g t h e p r o j e c t p e r i o d . FIGURE 10 APPLIED EFFLUENT MASS CURVES 105 ACCUMULATED EFFLUENT (cm) 106 4.2 W a t e r C o n t e n t M e a s u r e m e n t s T h e w a t e r c o n t e n t r e a d i n g s i n t h e s o i l a t d e p t h s o f 15, 30, 50, a n d 70 cm ( 5 . 9 , 11 .8, 19.7. a n d 27.6 i n ) a t l y s i m e t e r l o c a t i o n B a r e s u m m a r i z e d i n A p p e n d i x C . T h e r e a d i n g s w e r e t a k e n j u s t p r i o r t o a n d a f t e r t h e t e r m i n a t i o n o f t h e a p p l i c a -t i o n s o f d o m e s t i c e f f l u e n t o n t h e i r r i g a t i o n d a y s t h a t o c c u r r e d b e t w e e n J u l y 19, 1976 a n d S e p t e m b e r 17, 1976. T h e w a t e r c o n t e n t v a l u e s a t t h e s o i l f i e l d c a p a c i t y (.33 b a r ) f o r t h e s o i l s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m t h e t e n s i o n l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n B a r e g i v e n i n F i g 7. F o r t h e s o i l s a m p l e c o l l e c t e d f r o m t h e v i c i n i t y o f l y s i m e t e r l o c a t i o n B 4 , t h e w a t e r c o n t e n t a t f i e l d c a p a c i t y i s .260 c m 3 / c m 3 . S i m i l a r l y , f o r s o i l s a m p l e s c o l l e c t e d n e a r l y s i m e t e r l o c a t i o n s B 5 , B 6 , a n d B 7 , t h e w a t e r c o n t e n t a t t h e f i e l d c a p a c i t y i s . 2 8 6 , .321, a n d .316 c m 3 / c m 3 r e s p e c t i v e l y . F i e l d c a p a c i t y h a s b e e n d e f i n e d b y B a v e r , G a r d n e r a n d G a r d n e r (1972) a s . " T h e w a t e r c o n t e n t o f a s o i l p r o f i l e , u s u a l l y t h e r o o t i n g z o n e , w h i c h h a s b e e n t h o r o u g h l y w e t t e d b y i r r i g a t i o n o r r a i n f a l l a n d a f t e r s u b s e q u e n t r a t e o f d r a i n a g e o u t o f t h e p r o f i l e h a s b e c o m e n e g l i g i b l y s m a l l . " I t w a s c o m m o n l y a s s u m e d t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f a c e r t a i n q u a n -t i t y o f w a t e r t o t h e s o i l w i l l f i l l a n y s o i l w a t e r d e f i c i t t o f i e l d c a p a c i t y . W h e n i r r i g a t i n g , i t i s a l m o s t u n i v e r s a l p r a c t i c e t o c a l c u l a t e t h e a m o u n t o f i r r i g a t i o n w a t e r t o b e a p p l i e d t o t h e s o i l a t a n y p a r t i c u l a r t i m e o n t h e b a s i s o f t h e d e f i c i t t o f i e l d c a p a c i t y o f t h e s o i l l a y e r t o b e w e t t e d . T h e 107 d e v e l o p m e n t o f t h e t h e o r y a n d m o r e p r e c i s e e x p e r i m e n t a l t e c h n i q u e s i n t h e s t u d y o f u n s a t u r a t e d f l o w h a s d e m o n s t r a t e d t h e l i m i t a t i o n s o f t h e c o n c e p t o f f i e l d c a p a c i t y ( B a v e r , G a r d n e r a n d G a r d n e r , 1972; H i l l e l , 1971; K i r k h a m a n d P o w e r s , 1972). I n s p i t e o f d e m o n s t r a t e d s h o r t c o m i n g s , t h e w a t e r c o n t e n t a t t h e s o c a l l e d f i e l d c a p a c i t y i s s t i l l c o n s i d e r e d t o b e t h e w a t e r c o n t e n t t o b e a c h i e v e d w h e n i r r i g a t i o n i s u n d e r t a k e n t o c o r r e c t a s o i l w a t e r d e f i c i t c o n d i t i o n . T h e u s u a l ; p r o c e d u r e i s t o a l l o w t h e w a t e r c o n t e n t t o d e p l e t e t o a v a l u e t h a t i s a p e r c e n t a g e o f t h e w a t e r c o n t e n t d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s o i l w a t e r c o n t e n t a t - l / 3 b a r a n d t h e w a t e r c o n t e n t a t -15 b a r s , w h e r e t h e - l / 3 b a r w a t e r c o n t e n t i s t h e l a b o r a t o r y e s t i m a t e . o f t h e f i e l d c a p a c i t y a n d t h e -15 b a r s w a t e r c o n t e n t i s t h e l a b o -r a t o r y e s t i m a t e o f t h e s o c a l l e d w i l t i n g p o i n t , ( t h e d i f f e r e n c e i n t h e w a t e r c o n t e n t s a t t h e s e t w o p o i n t s i s t e r m e d t h e a v a i l -a b l e w a t e r s t o r a g e . c a p a c i t y ( A W S C ) ) . W h e n t h i s w a t e r c o n t e n t d e f i c i t i s r e a c h e d , t h e s o i l i s i r r i g a t e d u n t i l t h e w a t e r c o n -t e n t r e a c h e s a v a l u e e q u a l t o t h e w a t e r c o n t e n t v a l u e a s s o c i a t e d w i t h - l / 3 b a r m a t r i x p o t e n t i a l o r t h e f i e l d c a p a c i t y ( I r r i g a t i o n D e s i g n M a n u a l , B r i t i s h C o l u m b i a D e p a r t m e n t o f A g r i c u l t u r e , 1975)• A c o n s i d e r a t i o n o f t h e f i e l d c a p a c i t y f o r t h e s o i l s a m p l e s t a k e n f r o m n e a r t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n B a n d t h e m e a s u r e d s o i l w a t e r c o n t e n t v a l u e s i n d i c a t e t h a t a t a l l t i m e s d u r i n g t h e a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t t h e s o i l w a t e r c o n t e n t w a s a b o v e t h e s o - c a l l e d f i e l d c a p a c i t y o f t h e s o i l . T h u s , a c c o r d i n g t o 108 a w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n , t h e f o r e s t s o i l w a s o v e r l o a d e d w i t h w a t e r . I n s u c h a s i t u a t i o n t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u -e n t w o u l d n o r m a l l y n o t b e c o n s i d e r e d i f t h e c o m m o n l y a c c e p t e d i r r i g a t i o n g u i d e l i n e s h a d b e e n f o l l o w e d . T h i s s h o u l d b e c o n -s i d e r e d i n a n y d i s c u s s i o n o f t h e c o n s t i t u e n t c o n c e n t r a t i o n r e -s u l t s f r o m . t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d o v e r t h e t e s t p e r i o d . 4.3 C h l o r i d e C o n c e n t r a t i o n s i n t h e S o i l L e a c h a t e 1 F o r t h e p e r i o d A u g u s t 16, 1976 t o N o v e m b e r 23, 1976, d u r i n g w h i c h c h l o r i d e d e t e r m i n a t i o n s w e r e u n d e r t a k e n , a l l t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d i n t h e t e n l y s i m e t e r s c o n t a i n e d c h l o r i d e . D u e t o l o w c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e e f f l u e n t f r o m t h e f o r e s t r y c a m p , t h e c h l o r i d e d e t e r m i n a t i o n s o f t h e s o i l l e a c h a t e a n d t h e a p p l i e d l a g o o n e f f l u e n t w e r e n o t b e g u n u n t i l A u g u s t 16, 1976, f o u r d a y s b e f o r e t h e c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r , m u r i a t e o f p o t a s h ( K C l ) , w a s a d d e d t o t h e t r e a t m e n t l a g o o n s . T h e a d d i t i o n o f t h e f e r t i l i z e r w a s . i n t e n d e d t o i n c r e a s e t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s o i t c o u l d b e u s e d a s a t r a c e r o f t h e m o v e m e n t o f t h e a p p l i e d e f f l u e n t t h r o u g h t h e f o r e s t s o i l . T h e c o n c e n t r a t i o n o f c h l o r i d e i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t , a s w e l l a s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d a t l y s i m e t e r l o c a t i o n s A , B , a n d C , f o r t h e p e r i o d A u g u s t 6, 1976 t o N o v e m b e r 23, 1976, a r e s h o w n i n F i g s 11, 12, a n d 13 r e s p e c t i v e l y . T h e . c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t f o r a p a r t i -c u l a r i r r i g a t i o n e v e n t a r e p l o t t e d o n t h e s a m e d a y o n w h i c h t h e s o i l l e a c h a t e r e s u l t i n g f r o m t h a t p a r t i c u l a r i r r i g a t i o n 109 F I G U R E II C H L O R I D E C O N C E N T R A T I O N - L Y S I M E T E R L O C A T I O N A C I - ( m g / l ) 110 FIGURE 12 CHLORIDE CONCENTRATION - LYSIMETER LOCATION B C r ( m g / l ) I l l FIGURE 13 CHLORIDE CONCENTRATION - LYSIMETER LOCATION C „ ^ E u * o Ul _ l u Ul CC HI. SUR 20.3 in 26.5 u. _ i DE SOU cr z Ul r> IMET CATII cp u cn o CIO to o > _ l _ i o in 8 o CD o (0 C l " ( m g / l ) 112 e v e n t w a s c o l l e c t e d . F o r e x a m p l e , o n e a c h d i a g r a m t h e l a g o o n c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s h o w s a d r a m a t i c i n c r e a s e a f t e r A u g u s t 2 4 , 1976 a n d O c t o b e r 2, 1976 d u e t o t h e a d d i t i o n o f t h e m u r i a t e o f p o t a s h ( K C 1 ) o n A u g u s t 20, 1976 a n d S e p t e m b e r 2 8 , 1976 r e s p e c t i v e l y . T h e e f f l u e n t t h a t c o n t a i n e d t h e K C 1 a d d i t i o n w a s f i r s t a p p l i e d o n A u g u s t 2 4 , 1976 a n d O c t o b e r 2, 1976 b u t t h e s o i l l e a c h a t e r e s u l t i n g f r o m t h e s e i r r i g a t i o n e v e n t s w a s - n o t c o l l e c t e d u n t i l A u g u s t 27, 1976 a n d O c t o b e r 5, 1976. A s a c o n s e q u e n c e , t h e i n c r e a s e d l a g o o n c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n a p p l i e d t o t h e f o r e s t e d a r e a w a s p l o t t e d o n t h e d a y s o n w h i c h t h e r e s u l t a n t s o i l l e a c h a t e s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d , n a m e l y A u g u s t 27, 1976 a n d O c t o b e r 5, 1976. T h i s p r o c e d u r e w a s f o l l o w e d f o r t h e n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s a p p l i e d e f f l u e n t c o n c e n t r a t i o n s o v e r t h e d u r a t i o n o f t h e e x p e r i m e n t . T h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w e r e n e v e r a c o n s t a n t v a l u e d u r i n g t h e t i m e p e r i o d t h e y w e r e b e i n g t e s t e d f o r . I t c a n b e o b s e r v e d i n F i g s 11, 12, a n d 13 t h a t t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e e f f l u e n t w a s i n c r e a s e d : t o 102 m g / l c h l o r i d e w i t h t h e a d d i t i o n o f K C 1 . T h e c o n t i n u a l i n t r o -d u c t i o n o f g r o u n d w a t e r a n d r a i n f a l l t o ' t h e e f f l u e n t l a g o o n s g r a d u a l l y d e c r e a s e d t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n t o a v a l u e o f 56 m g / l c h l o r i d e o v e r a p e r i o d o f f i v e w e e k s . , A t t h a t p o i n t a f u r t h e r a d d i t i o n o f ' K C 1 i n c r e a s e d t h e c h l o r i d e l e v e l i n t h e l a g o o n t o a c o n c e n t r a t i o n o f 154 m g / l ' c h l o r i d e . ' . - S u b s e q u e n t g r o u n d w a t e r d i l u t i o n a n d r a i n f a l l - d e c r e a s e d t h e c h l o r i d e c o n - . c e n t r a t i o n t o a v a l u e o f 7*+ m g / l c h l o r i d e o v e r " a f i v e w e e k p e r i o 113 T h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s , c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n A a r e s h o w n i n F i g 11. I n g e n e r a l , t h e r e w a s a s t e a d y i n c r e a s e o f t h e c h l o r i d e c o n -c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s A l , A 2 , a n d A3. T h e r e s p o n s e t o t h e i n c r e a s e d c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w a s m o r e p r o n o u n c e d i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d n e a r t h e s o i l s u r f a c e . T h e l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s A l (13.5 c m (5'3 i n ) b e l o w t h e s o i l s u r f a c e ) a n d A3 (6.0 cm ( 2 . 4 i n ) b e l o w t h e s o i l s u r f a c e ) s h o w e d a r a p i d i n c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n r e s p o n s e t o t h e a p p l i -c a t i o n o f t h e e f f l u e n t c o n t a i n i n g t h e h i g h c h l o r i d e c o n c e n t r a -t i o n . T h i s t r e n d c o n t i n u e d , w i t h t h e t w o l y s i m e t e r s c o l l e c t i n g l e a c h a t e s a m p l e s t h a t c o n t a i n e d s t e a d i l y i n c r e a s i n g c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s . T h e e x c e p t i o n t o t h i s t r e n d w a s a d e c r e a s e i n t h e s o i l l e a c h a t e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d i n l y s i m e t e r s A l a n d A3 o v e r t h e p e r i o d S e p t e m b e r 7, 1976 t o S e p t e m b e r 10, 1976. T h i s w a s a d e l a y e d r e s p o n s e t o t h e 8.4 c m (3-3° i n ) o f r a i n t h a t f e l l o v e r t h e 4 2 h o u r p p e r i o d f r o m 0600 h o u r s S e p t e m b e r 4, 1976 t o 2 4 0 0 h o u r s S e p t e m b e r 5» 1976. T h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t a l s o i n f l u e n c e d t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n v a l u e s i n t h e s o i l l e a c h a t e . T h e i n c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n o f t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s A l a n d A3 w a s s m a l l i n t h e p e r i o d S e p t e m b e r 2 4 , 1976 t o O c t o b e r 30, 1976 i n c o m p a r i s o n t o t h e i n c r e a s e d u r i n g t h e p e r i o d O c t o b e r 2 , 1976 1 1 4 t o O c t o b e r 1 4 , 1976. I n t h e f o r m e r t i m e s p a n , t h e c h l o r i d e i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s A l a n d A3 w a s a l m o s t t h e s a m e a s c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u -e n t , w h i l e i n t h e l a t t e r c a s e t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e l a g o o n w a s a l m o s t d o u b l e t h a t f o u n d i n l e a c h a t e c o l l e c t e d "by t h e s a m e t w o l y s i m e t e r s . T h e p e a k c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e '•-s a m p l e s c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s A l a n d A3 w a s r e a c h e d o n O c t o b e r 26, 1976. T h e s u b s e q u e n t d e c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n w a s d u e t o a c o m b i n a t i o n o f t h e t w o f a c t o r s d i s c u s s e d a b o v e . On O c t o b e r 22, 1976, t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s A l a n d A3 w e r e j u s t b e l o w t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . On O c t o b e r 26, 1976, t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w a s l e s s t h a n t h a t i n t h e r e s u l t i n g s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s A l a n d A 3 . T h e n e x t a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t o n O c t o b e r 26, 1976 r e s u l t e d i n a s h a r p d e c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n t e n t o f t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b e t w e e n O c t o b e r 26 a n d O c t o b e r 29, 1976. T h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r A3 o v e r t h e p e r i o d , d r o p p e d f r o m 120 m g / l t o 72 m g / l w h i l e t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y A l d r o p p e d f r o m 120 m g / l t o 100 m g / l . N o t o n l y d i d t h e d e -c r e a s i n g c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t c a u s e a d e c r e a s e i n t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e , b u t t h e r e s u l t i n g d i l u t i o n b y t h e r a i n f a l l a l s o c o n t r i b u t e d t o t h e d e c r e a s e . O v e r t h e p e r i o d 0600 h o u r s O c t o b e r 2 4 , 1976 t o 115 1000 h o u r s O c t o b e r 25, 1976, 6.7 c m (2.6 i n ) o f r a i n f e l l o n t h e p l o t w h i l e 3-5 c m (1.4 i n ) o f r a i n f e l l b e t w e e n 2100 h o u r s O c t o b e r 27, 1976 t o 1000 h o u r s O c t o b e r 2 8 , 1976 a n d 4 .3 c m ,' (1.7 i n ) o f r a i n f e l l b e t w e e n 1800 h o u r s O c t o b e r 30, 1976 a n d 1100 h o u r s O c t o b e r 31, 1976 o n t h e f o r e s t e d p l o t . I t w a s n o t u n t i l t h e p e r i o d N o v e m b e r 5, 1976 t o N o v e m b e r 16, 1976 t h a t t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s A l a n d A3 b e g a n t o i n c r e a s e a g a i n . No r a i n f e l l d u r i n g t h i s p e r i o d a n d t h e a p p l i e d e f f l u e n t c h l o r i d e c o n c e n t r a -t i o n w a s g r e a t e r t h a n t h a t f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e . T h e l a s t i r r i g a t i o n o f e f f l u e n t t o o k p l a c e o n N o v e m b e r 12, 1976. S o i l l e a c h a t e f r o m l y s i m e t e r s A l a n d A3 w a s c o l l e c t e d o n N o -v e m b e r 16, 1976 a n d N o v e m b e r 23, 1976. W i t h n o e f f l u e n t b e i n g a p p l i e d o n N o v e m b e r 16, 1976, t h e s u b s e q u e n t d r o p i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b e t w e e n N o v e m b e r 16, 1976 a n d N o v e m b e r 23, 1976 w a s d u e t o t h e d i l u t i o n e f f e c t s o f t h e r a i n f a l l o v e r t h e s a m e p e r i o d . F r o m 1800 h o u r s N o v e m b e r 15, 1976 t o 0900 h o u r s N o v e m b e r 17, 1976, 8.7 c m (3.4 i n ) o f r a i n f a l l w a s r e c o r d e d b y t h e r a i n g a u g e s o n t h e p l o t . T h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e d e e p l y s i m e t e r A2 e x h i b i t e d t h e s a m e t r e n d i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n o v e r t h e p e r i o d A u g u s t 6, 1976 t o N o v e m b e r 23, 1976 a s t h a t f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s A l a n d A3. T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l -l e c t e d o n s i m i l a r d a y s i n t h e t w o s i t u a t i o n s w a s o n e o f m a g n i t u d e . T h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e 116 c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r A2 w a s c o n s i s t e n t l y m u c h l o w e r i n v a l u e w h e n c o m p a r e d t o t h a t i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s A l a n d . A3. A l s o t h e r e s p o n s e t o t h e e f f e c t s o f d i l u t i o n o n t h e c h l o r i d e l e v e l s i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r A2 w a s l e s s p r o n o u n c e d , ; a n d w a s o n a m o r e t i m e d e l a y e d b a s i s t h a n t h e f l u c t u a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e s h a l l o w l y s i m e t e r . A c o n s i d e r a t i o n o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n B ( F i g 12) a n d C ( F i g 13), o v e r t h e p e r i o d o f s t u d y i n d i c a t e s t h e s a m e t r e n d a s n o t e d a b o v e f o r t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d a t l y s i m e t e r l o c a t i o n A . I n g e n e r a l , t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d a t t h e s e l o c a t i o n s i n -c r e a s e d a t a s t e a d y r a t e i n r e s p o n s e t o t h e h i g h c h l o r i d e c o n -c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . T h e e x c e p t i o n , a s n o t e d w i t h t h e c h l o r i d e i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d a t l y s i m e t e r l o c a t i o n A , w a s t h e c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 7, 1976 t o O c t o b e r 10, 1976, f o r t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s , a n d o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 10 t o O c t o b e r 1 4 , 1976 f o r t h e d e e p l y s i m e t e r s . T h e d e c r e a s e w a s c a u s e d b y t h e d i l u t i o n o f t h e s o i l l e a c h a t e b y r a i n . I n g e n e r a l , t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d i n t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n B a n d C w e r e o f h i g h e r m a g n i t u d e t h a n t h o s e i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d f r o m t h e d e e p l y s i m e t e r s a t t h e s a m e l o c a t i o n s . T h e d i l u t i o n e f f e c t s o n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d 1 1 7 b y t h e d e e p l y s i m e t e r s a t l y s i m e t e r l o c a t i o n s B i a n d C w e r e o n a d e l a y e d b a s i s , w i t h t h e r e s u l t i n g c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e b e i n g m u c h l o w e r i n m a g n i t u d e . A g r a d u a l r a t h e r t h a n a s u d d e n i n c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e t e n l y s i m e t e r s w i t h t i m e w a s p r o b a b l y d u e t o t h e a n i o n s o r p t i o n p r o p e r t i e s o f s o i l o n t h e i r r i g a t e d p l o t . A c c o r d i n g t o s e v e r a l a u t h o r s ( W i k l a n d e r , 1964; G r i m m , 1968; a n d T i s d a l e a n d N e l s o n , 1966) t h e c h l o r i d e i o n i s v e r y m o b i l e i n m o s t s o i l s . S m i t h (1972) i n d i c a t e d t h a t t h e c h l o r i d e i o n s c a n m o v e t h r o u g h t h e s o i l f a s t e r t h a n t h e a s s o c i a t e d s o i l w a t e r b e c a u s e o f a n i o n e x c l u s i o n ( a n i o n s a r e e x c l u d e d b o t h f r o m t h e v i c i n i t y o f t h e n e g a t i v e l y c h a r g e d s o i l p a r t i c l e s w h e r e t h e s o i l w a t e r i s r e l a -t i v e l y m o b i l e a n d f r o m t h e n a r r o w p o r e s w h e r e s o i l w a t e r v e l o -c i t i e s a r e l o w ) . T h u s , i t c o u l d b e e x p e c t e d t h a t t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s w o u l d r a p i d l y a t t a i n a l e v e l o f t h e c h l o r i d e i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . B u t a s d i s c u s s e d e a r l i e r , t h i s w a s n o t o b s e r v e d e v e n i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s A 2 , A 3 , B6, B 7 , C 8 , a n d C9 w h i c h w e r e a l l l e s s t h a n 20 c m (7-9 i n ) b e l o w t h e s o i l s u r f a c e . T h e r e t a r d a t i o n a t s h a l l o w d e p t h s o f t h e m o v e m e n t o f t h e c h l o r i d e i o n w a s m o s t l i k e l y d u e t o t h e r e t e n t i o n o f c h l o r i d e o n t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s o f t h e o r g a n i c m a t t e r w h i l e t h e p o s i t i v e l y c h a r g e d a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m s u r f a c e s p r o b a b l y i m p e d e d t h e p a s s a g e o f t h e c h l o r i d e i o n a t d e e p e r d e p t h s i n t h e s o i l h o r i z o n . 11-8 T h e c h l o r i d e i o n i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w a s i n i t i a l l y r e m o v e d b y t h e p o s i t i v e l y c h a r g e d p o r t i o n s o f t h e o r g a n i c m a t t e r f o u n d i n t h e L F H h o r i z o n o f t h e s o i l p r o f i l e . A s t h e s e r e a c t i v e s i t e s w e r e o c c u p i e d , l e s s c h l o r i d e i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w a s b e i n g r e m o v e d f r o m t h e s o i l s o l u t i o n a n d t h e s o i l l e a c h a t e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h i s a r e a g r a d u a l l y i n c r e a s e d i n m a g n i t u d e . T h i s p h e n o m e n o n w a s r e f l e c t e d i n t h e t r e n d t h a t s a w t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s g r a d u a l l y i n c r e a s e w i t h t i m e i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s . T h e c h l o r i d e c o n t a i n e d i n t h e s o i l l e a c h a t e t h a t m o v e d d e e p e r i n t h e s o i l h o r i z o n w a s c a p a b l e o f b e i n g r e t a i n e d b y t h e p o s i -t i v e l y c h a r g e d a m o r p h o u s a l u m i n u m a n d i r o n c o m p o u n d s . A s t h e s e r e a c t i v e s i t e s w e r e s a t i s f i e d t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e d e e p l y s i m e t e r s A 2 , B 4 a n d C I O i n c r e a s e d i n m a g n i t u d e . T h e i n c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n -c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d f r o m t h e d e e p l y s i m e t e r s w a s d e l a y e d i n c o m p a r i s o n w i t h t h e i n c r e a s e t h a t o c c u r r e d i n t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s b e c a u s e t h e d e e p e r t h e l e a c h a t e m o v e d i n t o t h e s o i l p r o f i l e , t h e g r e a t e r t h e n u m b e r o f a n i o n e x c h a n g e s i t e s t h e c h l o r i d e w o u l d h a v e t o s a t i s f y . I n a c o m p a r i s o n o f t h e t r e n d s i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a -t i o n s o f t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n s A , B , a n d C o v e r t h e t e s t p e r i o d , s e v e r a l a n o m a l i e s a r e e v i d e n t . W h i l e t h e t r e n d s i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s b e t w e e n s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s w e r e s i m i l a r o v e r t i m e , t h e m a g n i t u d e s o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s o n s i m i l a r d a y s w e r e d i f f e r e n t . F o r i n s t a n c e , t h e c o n c e n t r a -t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n s A , B , a n d C w e r e m a r k e d l y v a r i a b l e . F r o m F i g s 11 a n d 12 i t i s e v i d e n t t h a t t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n A a n d l o c a t i o n B c o l l e c t e d s o i l l e a c h a t e s a m p l e s t h a t c o n t a i n e d c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s o f a p p r o x i m a t e l y e q u a l m a g n i t u d e o n t h e s a m e d a y s . S o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n C , h o w e v e r , w e r e m u c h l o w e r i n c h l o r i d e c o n e e n t r a i o n s ( F i g 13)• T h e s e d i f f e r e n c e s w e r e p r o b a b l y c a u s e d b y t h e f a c t t h a t l y s i m e t e r l o c a t i o n C r e c e i v e d o n l y 3^-2 c m (13«*f- i n ) o f e f f l u e n t w h i l e l y s i m e t e r l o c a t i o n s A a n d B r e c e i v e d 84.4 c m (33.2 i n ) a n d 122.5 c m (48 .2 i n ) o f e f f l u e n t r e s p e c - : t i v e l y . S i n c e t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e e f f l u e n t a p p l i e d t o a l l t h r e e l y s i m e t e r l o c a t i o n s w e r e e q u a l o n s i m i l a r d a y s , i t f o l l o w s t h a t o n a m a s s b a s i s , t h e l y s i m e t e r l o c a t i o n s A a n d B r e c e i v e d a h i g h e r a m o u n t o f c h l o r i d e t h a n l y s i m e t e r l o c a t i o n C . A s a r e s u l t , t h e a n i o n e x c h a n g e r e a c t i v e s i t e s w e r e p r o b -a b l y o c c u p i e d i n a s h o r t e r p e r i o d o f t i m e i n t h e f o r m e r c a s e t h a n i n t h e l a t t e r c a s e . A c o n s i d e r a t i o n o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n o v e r t i m e i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r B 5 ( F i g 12) r e v e a l s a s e c o n d a n o m a l y . D e s p i t e t h e f a c t t h a t l y s i m e t e r B5 w a s p o s i -t i o n e d 44.5 c m (17-5 i n ) b e l o w t h e s u r f a c e , t h e c h l o r i d e c o n -c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s a r e v e r y s i m i l a r i n m a g n i t u d e t o t h o s e f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d i n t h e s h a l l o w l y s i m e t e r s B 6 a n d B 7 o v e r t h e s a m e p e r i o d . T h e 120 e x i s t e n c e o f c h a n n e l s l e f t b e h i n d b y d e c a y e d r o o t s t h a t m a y h a v e t r a n s m i t t e d t h e a p p l i e d e f f l u e n t t o t h e l y s i m e t e r a n d t h u s p a r t i a l l y b y p a s s e d t h e s o i l m a t r i x , h a s b e e n s u g g e s t e d b y C h a m b e r l i n (1972), a n d c o n f i r m e d b y d e V r i e s a n d C h o w (1973) a n d N a g p a l a n d d e V r i e s (1976). T h e i n t e n t i o n w h e n m o n i t o r i n g t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s w a s t o e m p l o y t h e c h l o r i d e a n i o n a s t r a c e r t o i n d i c a t e t h e p r e s e n c e o f t h e a p p l i e d e f f l u e n t i n t h e s o i l l e a c h a t e . T h e r e s u l t s s u g g e s t t h a t t h e c h l o r i d e a n i o n , r a t h e r t h a n b e i n g c o m p l e t e l y m o b i l e a n d m o v i n g w i t h t h e s o i l l e a c h a t e , i n f a c t i s a d s o r b e d b y t h e p o s i t i v e c h a r g e s e x i s t i n g o n t h e o r -g a n i c m a t t e r a n d t h e a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m p a r t i c l e s i n t h e p o d z o l s o i l . O n c e t h o s e e x c h a n g e s i t e s w e r e o c c u p i e d w i t h t h e c h l o r i d e i o n , s u b s e q u e n t a p p l i c a t i o n s o f d o m e s t i c e f f l u e n t r e s u l t e d i n a g r a d u a l i n c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s . O v e r t h e t e r m o f t h e e x p e r i m e n t , t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d c l o s e r t o t h e s o i l s u r f a c e c o n t a i n e d t h e c h l o r i d e i o n i n h i g h e r c o n c e n t r a t i o n s t h a n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d d e e p e r i n t h e s o i l h o r i z o n . I f t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t h a d b e e n c o n t i n u e d o v e r a l o n g e r p e r i o d o f t i m e t h e r e p r o b a b l y w o u l d h a v e b e e n l i t t l e d i f f e r e n c e s i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d a t t h e t w o g e n e r a l l o c a t i o n s . T h e c h l o r i d e c o n c e n t r a -t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e w a s a l s o i n f l u e n c e d b y r a i n f a l l . R a i n f a l l a c t e d a s a d i l u t a n t , r e s u l t i n g i n a d e c r e a s e i n t h e s o i l l e a c h a t e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n . T h i s w a s o b s e r v e d a l m o s t 121 I m m e d i a t e l y i n t h e l y s i m e t e r s c l o s e t o t h e s o i l s u r f a c e b u t w a s d e t e c t e d o n a d e l a y e d b a s i s i n t h e d e e p l y s i m e t e r s . I f t h e a n i o n a d s o r p t i o n c a p a b i l i t i e s o f t h e s o i l a n d t h e s u b s e q u e n t i n f l u e n c e o n t h e p a s s a g e t h r o u g h t h e s o i l o f t h e c h l o r i d e i o n a r e r e c o g n i z e d , t h e n i t i s c l e a r t h a t a m a j o r p o r t i o n o f t h e s o i l l e a c h a t e r e s u l t e d f r o m t h e a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t . W h i l e t h i s o b s e r v a t i o n m a y s e e m o b v i o u s , i t w a s f e l t t h a t i t m u s t b e c o n f i r m e d . T h e r e a s o n f o r s u c h a c o n f i r m a t i o n , a s w i l l b e e x p a n d e d u p o n l a t e r , i s t h e f a c t t h a t n o t o t a l o r o r t h o p h o s p h a t e , a n d o n l y s m a l l c o n c e n t r a t i o n s o f T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n w e r e d e t e c t e d i n t h e s o i l l e a c h a t e . I n t h e a b s e n c e o f p r o o f t o t h e c o n t r a r y , i t c o u l d b e s u s p e c t e d t h a t t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y a l l t h e l y s i m e t e r s m a y h a v e b e e n g r o u n d w a t e r f l o w o r i g i n a t i n g f r o m b e y o n d t h e e x p e r i m e n t a l p l o t p e r i -m e t e r . 4.4 N I T R O G E N C O N C E N T R A T I O N S I N T H E S O I L L E A C H A T E T h e a v e r a g e a m o u n t o f t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n ( T K N ) a n d n i t r a t e n i t r o g e n a p p l i e d t o t h e f o r e s t e d p l o t , a l o n g w i t h t h e s p e c i f i c a m o u n t s o f T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n a p p l i e d t o l y s i m -e t e r l o c a t i o n s A , B , a n d C d u r i n g t h e s t u d y a r e p r e s e n t e d i n T a b l e s 4 a n d 5. T h e v a l u e s p r e s e n t e d a r e a s u m m a t i o n o f t h e a m o u n t s o f T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n a p p l i e d o n t h e i n d i v i d u a l i r r i g a t i o n d a y s . T h e a v e r a g e a m o u n t o f T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n a p p l i e d o n a n y i n d i v i d u a l i r r i g a t i o n d a y w a s c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e a v e r a g e e f f l u e n t d e p t h m e a s u r e d o v e r t h e 16 r a i n g a u g e s 122 T a b l e 4 : A m o u n t o f N i t r a t e - N A p p l i e d t o F o r e s t e d P l o t A m o u n t o f N i t r a t e - N a p p l i e d f r o m J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12 , 1976 k g / h a l b / a c r e O v e r w h o l e p l o t ( a v e r a g e v a l u e ) 48 .4 4 3 . 2 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n A 5 2 . 1 46.5 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n B 7 2 . 9 6 5 . 1 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n C 2 0 . 2 18.0 T a b l e 5 : A m o u n t o f T K N A p p l i e d t o F o r e s t e d P l o t A m o u n t o f T K N a p p l i e d f r o m J u l y 15 , 1976 t o N o v e m b e r 12 , 1976 k g / h a l b / a c r e O v e r w h o l e p l o t ( a v e r a g e v a l u e ) 9 3 . 7 8 3 . 6 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n A 1 0 0 . 6 8 9 . 8 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n B 141.4 1 2 6 . 2 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n C 3 9 . 0 3 4 . 9 123 i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e e f f l u e n t a p p l i e d o n t h a t p a r t i c u l a r d a y . T h e a m o u n t o f T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n a p p l i e d t o t h e l y s i m e t e r l o c a t i o n s A , B , a n d C o n a n y i n d i v i d u a l i r r i g a t i o n d a y w a s c a l c u l a t e d "by u s i n g t h e e f f l u e n t d e p t h a s m e a s u r e d b y t h e r a i n g a u g e s a t t h e i n d i v i d u a l l y s i m e t e r l o c a t i o n s i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s m e a s u r e d i n t h e e f f l u e n t o n t h a t p a r t i c u l a r d a y . T h e d i f f e r e n c e s i n t h e m a s s o f T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n a p p l i e d b e t w e e n l y s i m e t e r l o c a t i o n s i s d u e t o t h e n o n - u n i f o r m a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t a s d i s c u s s e d e a r l i e r . 4.4.1 T o t a l K j e l d a h l N i t r o g e n F i g u r e s 1 4 a n d 15 p r e s e n t t i m e p l o t s o f T K N c o n c e n t r a -t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o -c a t i o n A a n d a t l o c a t i o n s B a n d C r e s p e c t i v e l y . T h e c o n c e n -t r a t i o n s o f T K N i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t o v e r t h e s a m e p e r i o d a r e s h o w n i n b o t h f i g u r e s a l s o . T h e T K N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r s B 4 , B 7 , C9, a n d C I O c o u l d n o t b e d e t e r -m i n e d d u e t o i n a d e q u a t e s a m p l e v o l u m e s o b t a i n e d w i t h t h e l y s i m -e t e r s i n q u e s t i o n . T h e 500 m l o f l e a c h a t e r e q u i r e d f o r t h e a n a l y s i s o f T K N a t t h e l o w c o n c e n t r a t i o n s f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s w a s c o n s i s t e n t l y a v a i l a b l e o n l y f r o m t h e l y s i m e t e r s A l , A 2 , A 3 , B 5 , B 6 , a n d C8. A s w a s t h e p r o c e d u r e w i t h t h e c h l o r i d e i o n , t h e T K N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w e r e p l o t t e d o n t h e 1 2 5 FIGURE 15 TOTAL KJELDAHL NITROGEN-LYSIMETER LOCATION B S C 126 s a m e d a y s o n w h i c h t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s r e s u l t i n g f r o m t h a t p a r t i c u l a r i r r i g a t i o n e v e n t w e r e c o l l e c t e d . T h e T K N c o n c e n t r a t i o n i n t h e e f f l u e n t a p p l i e d o n t h e 31 i r r i g a t i o n d a y s w a s n o t c o n s t a n t a s c a n b e s e e n i n F i g u r e s 1 4 a n d 15. I t g r a d u a l l y d e c l i n e d i n v a l u e b e t w e e n J u l y 15, 1976 a n d A u g u s t 20, 1976. T h e a d d i t i o n o f t h e c o m m e r c i a l f e r -t i l i z e r o n A u g u s t 20, 1976 i n c r e a s e d t h e T K N v a l u e t o 15-5 m g / l a s N . M o s t o f t h i s T K N w a s i n t h e a m m o n i u m f o r m s i n c e t h e c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r a d d e d w a s a m m o n i u m p h o s p h a t e a n d a m m o n i u m n i t r a t e . S e e p a g e o f g r o u n d w a t e r a n d t h e a d d i t i o n o f r a i n w a t e r t o t h e l a g o o n d e c r e a s e d t h e T K N c o n c e n t r a t i o n t o 7.19 m g / l b y S e p t e m b e r 2 8 , 1976. A f u r t h e r a d d i t i o n o f f e r t i l i z e r o n S e p t e m b e r 2 8 , 1976 i n c r e a s e d t h e T K N v a l u e u p t o 19-9 m g / l w i t h f u r t h e r d i l u t i o n d e c r e a s i n g t h e T K N c o n c e n -t r a t i o n t o 15-1 m g / l i n t h e e f f l u e n t l a g o o n s b y N o v e m b e r 12, 1976. F r o m a c o n s i d e r a t i o n o f t h e T K N c o n c e n t r a t i o n s f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s o v e r t h e i r r i g a t i o n p e r i o d ( F i g s 1 4 a n d 15), i t i s e v i d e n t t h a t v e r y l i t t l e o f t h e T K N c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t m o v e d w i t h t h e e f f l u e n t t h r o u g h t h e s o i l . T h e i n c r e a s e i n t h e T K N i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e s i x l y s i m e t e r s w a s i n t w o s t a g e s , w i t h t h e c o n c e n t r a t i o n d e c r e a s i n g t o l e s s t h a n .15 m g / l i n t h e p e r i o d b e t w e e n t h e t w o g e n e r a l i n c r e a s e s . T h e i n c r e a s e s i n s o i l l e a c h a t e T K N w e r e f i r s t d e t e c t e d i m m e d i a t e l y a f t e r t h e f i r s t a p p l i c a t i o n o f t h e e f f l u e n t c o n t a i n i n g t h e 127 f e r t i l i z e r a d d i t i o n s . E f f l u e n t c o n t a i n i n g t h e a d d e d f e r t i l i z e r w a s f i r s t s p r a y e d o n t h e p l o t o n A u g u s t 2 4 , 1976. T h e s o i l s o l u t i o n r e s u l t i n g f r o m t h i s a p p l i c a t i o n w a s c o n t i n u o u s l y g a t h e r e d i n t h e l y s i m e t e r s d u r i n g t h e i n t e r v a l A u g u s t 2 4 , 1976 t o A u g u s t 27, 1976, w h e n i t w a s c o l l e c t e d f o r a n a l y s i s . T h e a n a l y s e s o f t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s f r o m a l l t h e l y s i m e t e r s i n d i c a t e d l a r g e i n c r e a s e s i n T K N c o n c e n t r a t i o n , a l t h o u g h t h e n u m e r i c a l v a l u e s w e r e s t i l l l o w . T h e m e a s u r e d T K N c o n c e n t r a -t i o n s u b s e q u e n t l y d e c r e a s e d t o t h e l o w l e v e l s t h a t e x i s t e d p r i o r t o A u g u s t 27, 1976. F e r t i l i z e r w a s a g a i n a d d e d t o t h e s e t t l i n g l a g o o n o n S e p t e m b e r 2 8 , 1976, w i t h t h e f i r s t a p p l i c a -t i o n o f t h e a m m e n d e d l a g o o n e f f l u e n t o c c u r r i n g o n O c t o b e r 2, 1976. T h e T K N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d i n t h e l y s i m e t e r s f r o m O c t o b e r 2, 1976 t o O c t o b e r 5, 1976 a g a i n i n c r e a s e d i n m a g n i t u d e o n l y t o d e c r e a s e o v e r t h e f o l l o w i n g w e e k s , r e t u r n i n g t o t h e p r e - A u g u s t 27, 1976 T K N c o n -c e n t r a t i o n l e v e l s . To e x p l a i n t h e o b s e r v e d T K N c o n c e n t r a t i o n t r e n d s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s i t i s n e c e s s a r y t o a c c o u n t f o r t h e a m -m o n i u m i o n , s i n c e t h e b u l k o f t h e T K N c o n c e n t r a t i o n i n t h e d o m e s t i c e f f l u e n t a p p l i e d t o t h e f o r e s t s o i l w a s i n t h e a m -m o n i u m f o r m r e s u l t i n g f r o m t h e a d d i t i o n o f a m m o n i u m p h o s p h a t e a n d a m m o n i u m n i t r a t e t o t h e l a g o o n . T h e m o s t p r o b a b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e o b s e r v e d T K N c o n -c e n t r a t i o n p h e n o m e n o n l i e s w i t h t h e i m m o b i l i z a t i o n o f t h e a p p l i e d a m m o n i u m i o n b y t h e m i c r o - o r g a n i s m s i n t h e L F H h o r i z o n o f t h e 128 f o r e s t f l o o r . A c c o r d i n g t o A l e x a n d e r ( 1 9 6 l ) , f o r a s o i l C : N r a t i o g r e a t e r t h a n 20:1, a p o r t i o n o f a n y a d d e d n i t r o g e n w o u l d h e s u b j e c t t o i m m o b i l i z a t i o n a s a r e s u l t o f m i c r o - o r g a n i s m c e l l u l a r a c t i v i t y . I n t h e a n a l y s i s o f a s o i l s a m p l e f r o m t h e s a m e s o i l s e r i e s a s t h a t f o u n d o n t h e i r r i g a t e d f o r e s t e d p l o t , t h e C : N r a t i o o f t h e L s o i l h o r i z o n w a s 37.7:1 w h i l e t h e C : N r a t i o o f t h e H F s o i l h o r i z o n w a s 33-9:1 ( s e e T a b l e l ) ( L u t t -m e r d i n g a n d S p r o u t , 1968). P r i o r t o t h e a p p l i c a t i o n o f t h e e f f l u e n t s u p p l e m e n t e d w i t h f e r t i l i z e r , t h e s o i l m i c r o - o r g a n i s m p o p u l a t i o n w a s a s s u r e d l y a t a l e v e l t h a t c o u l d a s s i m i l a t e a p o r t i o n o f t h e a d d e d a m m o n i u m . T h e s a m e m i c r o - o r g a n i s m p o p -u l a t i o n c o u l d n o t c o m p l e t e l y a s s i m i l a t e t h e i n c r e a s e d n i t r o g e n l o a d w h e n t h e e f f l u e n t c o n t a i n i n g t h e c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r w a s a d d e d t o t h e f o r e s t e d p l o t . A s a r e s u l t t h e T K N l e v e l i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s i n c r e a s e d a s a p o r t i o n o f t h e a p p l i e d a m m o n i u m m o v e d t h r o u g h t h e s o i l w i t h t h e s e w a g e e f f l u e n t . T h e m i c r o - o r g a n i s m p o p u l a t i o n m u l t i p l i e d i n r e s p o n s e t o t h e i n c r e a s e i n t h e r e a d i l y a v a i l a b l e a m m o n i u m a n d w i t h i n a s h o r t p e r i o d o f t i m e w a s a b l e t o a s s i m i l a t e a n i n c r e a s e d a m o u n t o f t h e a m m o n i u m n i t r o g e n . T h i s r e s u l t e d i n a d e c r e a s e i n t h e s o i l l e a c h a t e T K N c o n c e n t r a t i o n s . A s c a n b e s e e n f r o m F i g u r e s 14 a n d 15 , t h e T K N c o n c e n -t r a t i o n l e v e l i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t s l o w l y d e c r e a s e d w i t h t i m e o v e r t h e p e r i o d A u g u s t 17 , 1976" t o O c t o b e r 5 , 1976. T h e d e c r e a s i n g T K N l e v e l s w o u l d r e d u c e t h e a m o u n t o f n i t r o g e n a v a i l a b l e f o r m i c r o - o r g a n i s m a c t i v i t y a n d a s a c o n s e q u e n c e t h e 129 p o p u l a t i o n w o u l d d e c r e a s e . A s u d d e n i n c r e a s e i n t h e l e v e l o f n i t r o g e n a p p l i e d t o t h e p l o t w h e n t h e e f f l u e n t w a s s u p p l e m e n t e d w i t h f e r t i l i z e r o n O c t o b e r 2, 1976 w o u l d c a u s e t h e s a m e p h e n o m -e n o n t o o c c u r i n t h e o r g a n i c l a y e r o f t h e s o i l a s o u t l i n e d a b o v e . W h i l e i t s e e m s c l e a r t h a t t h e T K N c o n c e n t r a t i o n p a t t e r n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s a r e r e l a t e d t o m i c r o - o r g a n i s m a c t i v i t y i n t h e o r g a n i c h o r i z o n o f t h e f o r e s t f l o o r , t h e e x -p e r i m e n t a l d a t a g i v e s n o i n d i c a t i o n o f t h e a m o u n t o f a p p l i e d a m m o n i u m t h a t w a s i m m o b i l i z e d . B l a c k (1968) s u g g e s t e d t h a t a p o r t i o n o f t h e a p p l i e d a m m o n i u m i s r e a d i l y a v a i l a b l e f o r p l a n t u p t a k e b y t h e p l a n t r o o t s . T h e t h r i v i n g f l o r a a n d f a u n a o n t h e p l o t w o u l d h a v e t a k e n u p a p o r t i o n o f t h e a p p l i e d n i t r o g e n . A l s o a p o r t i o n o f t h e a m m o n i u m m a y h a v e b e e n r e t a i n e d o n t h e c a t i o n e x c h a n g e s i t e s e x i s t i n g i n t h e s o i l , e s p e c i a l l y i n t h e o r g a n i c h o r i z o n . Y o u n g (1964) f o u n d t h a t t h e r e t e n t i o n o f N H ^ / N H ^ + i n t h e o r g a n i c h o r i z o n s o f 19 P a c i f i c N o r t h w e s t s o i l s w a s r e l a t e d t o t h e C E C b y t h e f o l l o w i n g l i n e a r r e l a t i o n s h i p : N H ^ r e t e n t i o n (ppm)=338 + 9 2 . 1 * (CEC ( m e q / l O O g ) ) . F r o m T a b l e 1, t h e C E C o f t h e L h o r i z o n a n d t h e H F h o r i z o n o f a s o i l i n t h e s a m e s e r i e s a s t h e s o i l f o u n d o n t h e e x p e r i m e n t a l p l o t w e r e 139.4 a n d 132.5 m e q / l O O g r e s p e c t i v e l y . B a s e d o n Y o u n g ' s f o r m u l a , a l a r g e p r o p o r t i o n o f t h e a p p l i e d T K N w a s p r o b a b l y r e t a i n e d o n t h e c a t i o n e x c h a n g e s i t e s i n t h e s o i l , e s p e c i a l l y i n t h e o r g a n i c h o r i z o n . A s w a s p o i n t e d o u t e a r l i e r , s o m e r e s e a r c h e r s h a v e i n d i c a t e d t h a t t h e n i t r i f i c a t i o n o f a 130 p o r t i o n o f t h e a p p l i e d a m m o n i u m m a y h a v e o c c u r r e d d u r i n g t h e i r r i g a t i o n p e r i o d i n s p i t e o f t h e l o w s o i l p H . T h e e x p e r i m e n -t a l r e s u l t s d o n o t g i v e a n i n d i c a t i o n a s t o w h e t h e r t h i s d i d o r d i d n o t h a p p e n d u r i n g t h e e x p e r i m e n t a l p e r i o d a l t h o u g h t h e t r e n d i n t h e T K N c o n c e n t r a t i o n a s s u m e d t o b e d u e t o m i c r o b i o -l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o n m a y i n f a c t h a v e b e e n p a r t i a l l y d u e t o n i t r i f i c a t i o n . 4.4.2 N i t r a t e N i t r o g e n T h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d o v e r t h e p e r i o d J u l y 9, 1976 t o N o v e m b e r 23, 1976 b y l y s i m e t e r s A l , A 2 , a n d A 3 a r e s h o w n o n F i g 16. T h o s e c o l l e c t e d o v e r t h e s a m e p e r i o d b y l y s i m e t e r s B 4 , B 5 , B6, a n d B 7 a r e s h o w n i n F i g 17 a n d l y s i m e t e r s C 8 , C 9 , a n d C I O i n F i g 1 8 . T h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s i n t h e a p p l i e d e f f l u -e n t f o r t h e p e r i o d J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976 a r e s h o w n i n a l l t h r e e f i g u r e s . T h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w e r e p l o t t e d o n t h o s e d a y s o n w h i c h t h e r e s u l t i n g s o i l l e a c h a t e s a m p l e s w e r e c o l l e c t e d f o r a n a l y s i s a s w a s t h e p r o c e d u r e w i t h t h e p l o t t i n g o f t h e a p p l i e d e f f l u e n t c o n c e n t r a -t i o n s f o r T K N a n d c h l o r i d e . A c o n s i d e r a t i o n o f t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e t e n l y s i m e t e r s o v e r t h e p e r i o d o f s t u d y ( F i g s 16, 17, a n d 1 8 ) r e v e a l s a g e n e r a l p a t t e r n s i m i l a r t o t h a t d i s p l a y e d b y t h e T K N c o n c e n t r a -132 FIGURE 17 NITRATE NITROGEN CONCENTRATION-LYSIMETER LOCATION B • -CM _l 1 H — : 1 : h cvj cn <D ro O N03-N (mg/l) 133 FIGURE 18 NITRATE NITROGEN CONCENTRATION - LYS IMETER LOCATION C N 0 3 - N ( m g / I ) 134 t i o n s . T h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s i n t h e l e a c h a t e s a m p l e s w e r e g e n e r a l l y l e s s t h a n .05 m g / l u n t i l A u g u s t 27, 1976. I n r e s p o n s e t o t h e f i r s t a p p l i c a t i o n o f e f f l u e n t s u p p l e m e n t e d w i t h f e r t i l i z e r , t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s e d i n a l m o s t a l l o f t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b e t w e e n A u g u s t 2 4 , 1976 a n d A u g u s t 27, 1976. A t l y s i m e t e r l o c a t i o n A , t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l -l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s A l a n d A3 i n c r e a s e d t o .85 m g / l w h i l e i n t h e d e e p l y s i m e t e r A 2 (47.3 c m ( 1 8 . 6 i n ) ; b e l o w t h e s o i l s u r f a c e ) i t r e m a i n e d a t 0.0 m g / l . T h e l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n B o v e r t h e p e r i o d A u g u s t 2 4 , 1976 t o A u g u s t 27, 1976 s h o w e d a d e f i n i t e i n c r e a s e i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n ( F i g 17)- T h e e x c e p t i o n w a s t h e d e e p l y s i m e t e r B 4 (39-5 c m (15-5 i n ) b e l o w t h e f o r e s t f l o o r ) w h e r e t h e n i t r a t e n i t r o g e n i n t h e c o l l e c t e d s o i l l e a c h -a t e s a m p l e r e m a i n e d u n c h a n g e d a t 0.0 m g / l . O v e r t h e s a m e p e r i o d o f t i m e , t h e n i t r a t e n i t r o g e n i n t h e l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n C ( F i g 1 8 ) i n c r e a s e d s l i g h t l y i n v a l u e e x c e p t f o r t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e d e e p l y s i m e t e r C 1 0 (26.5 c m (10.4 i n ) b e l o w t h e f o r e s t f l o o r ) w h i c h r e m a i n e d a t 0 . 0 m g / l . I n a p a t t e r n s i m i l a r t o t h a t o b s e r v e d w i t h t h e T K N i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s , t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s p r o g r e s s i v e l y d e c r e a s e d i n m a g n i t u d e o v e r t h e f o l l o w i n g w e e k s . T h e n i t r a t e n i t r o g e n i n t h e l e a c h -a t e s a m p l e s c o l l e c t e d d u r i n g t h e p e r i o d O c t o b e r 2 , 1976 t o O c t o b e r 5, 1976 t h e n r e v e r s e d t h i s t r e n d a n d a g a i n i n c r e a s e d 135 i n c o n c e n t r a t i o n . T h i s i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n i n t h e n i -t r a t e n i t r o g e n l e v e l i n t h e s a m p l e s w a s i n r e s p o n s e t o t h e a p p l i c a t i o n o f t h e e f f l u e n t s u p p l e m e n t e d w i t h t h e f e r t i l i z e r o n S e p t e m b e r 2 8 , 1976. B e g i n n i n g w i t h t h e s o i l l e a c h a t e s a m -p l e s c o l l e c t e d w i t h t h e l y s i m e t e r s o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 2, 1976 t o O c t o b e r 5, 1976, t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e b e g a n t o i n c r e a s e a t a s t e a d y r a t e u n t i l t h e l a s t i r r i g a t i o n d a y N o v e m b e r 12, 1976. T h e e a r l y t r e n d t h a t s a w a n i n c r e a s i n g n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s a m p l e s c o l l e c t e d a f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f t h e f e r t i l i z e r s u p -p l e m e n t e d e f f l u e n t w a s s i m i l a r t o t h a t d i s p l a y e d b y t h e T K N c o n c e n t r a t i o n s o v e r t h e s a m e p e r i o d . T h e f a c t t h a t t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n s c o n t i n u e d t o i n c r e a s e w i t h t i m e u n t i l t h e l a s t i r r i g a t i o n d a y w a s o p p o s i t e t o t h e p h e n o m e n o n d i s -p l a y e d b y t h e T K N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d o v e r t h e s a m e p e r i o d . I n t h e l a t t e r c a s e t h e c o n c e n t r a t i o n s o f T K N i n t h e s o i l l e a c h a t e r e t u r n e d t o v a l u e s l e s s t h a n .15 m g / l a s N a n d r e m a i n e d a t t h i s l e v e l u n t i l t h e l a s t i r r i g a t i o n d a y . A s a n e x a m p l e , t h e t r e n d i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n -c e n t r a t i o n s i n t h e s a m p l e s c o l l e c t e d a f t e r O c t o b e r 2, 1976 b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n A ( F i g 16) c a n b e s t u d i e d . T h e l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e s h a l l o w l y s i m e t e r A3 (6 .0 c m (2.4 i n ) b e l o w t h e s o i l s u r f a c e ) i n c r e a s e d t o a p e a k v a l u e o f k.lk m g / l N 0 ^ ~ - N o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 2, 1976 t o O c t o b e r 26, 1976. T h e d i l u t i o n c a u s e d b y t h e 6.7 c m (2.6 i n ) o f . r a i n 136 t h a t f e l l o v e r t h e p e r i o d 0400 h o u r s O c t o b e r 25, 1976 t o 1000 h o u r s O c t o b e r 26, 1976 a n d t h e 4.2 c m (1.7 i n ) o f r a i n t h a t f e l l o v e r t h e p e r i o d 1900 h o u r s O c t o b e r 30, 1976 t o 1000 h o u r s O c t o b e r 31, 1976 c a u s e d t h e n i t r a t e n i t r o g e n l e v e l t o f a l l t o .95 m g / l N 0 ^ ~ - N . S u b s e q u e n t a p p l i c a t i o n s o f e f f l u e n t i n c r e a s e d t h e n i t r a t e n i t r o g e n l e v e l t o a c o n c e n t r a t i o n o f J.k m g / l N 0 ^ ~ - N b y N o v e m b e r 16, 1976. A s i m i l a r t r e n d w a s d i s p l a y e d b y t h e n i t r a t e n i t r o g e n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r A l . T h e o n l y d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t w o s i t u a t i o n s w a s t h e f a c t t h a t t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n l e v e l s i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r A l w e r e l o w e r t h a n t h o s e c o l -l e c t e d b y l y s i m e t e r A3. T h e n i t r a t e n i t r o g e n l e v e l s i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e d e e p l y s i m e t e r A 2 w e r e s i m i l a r i n m a g n i t u d e t o t h o s e d e t e r m i n e d i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r A l o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 2, 1976 t o O c t o b e r 23, 1976. T h e n i t r a t e n i t r o g e n i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d b y A 2 r e a c h e d t h e s a m e l e v e l s a s t h e l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r A l b u t o n a d e l a y e d b a s i s . F r o m a c o n s i d e r a t i o n o f F i g 16, i t c a n b e s e e n t h a t t h e n i t r a t e n i t r o g e n i n s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d i n l y s i m e t e r A l o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 22, 1976 t o O c t o b e r 29, 1976 g r a d u a l l y r e a c h e d a v a l u e o f .90 m g / l N 0 ^ - N w h i l e t h e s a m e l e v e l w a s a c h i e v e d i n t h e l e a c h a t e f r o m l y s i m e t e r A 2 o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 22, 1976 t o N o v e m b e r 2, 1976. L e a c h a t e c o l l e c t e d f r o m t h e f o u r l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n B s h o w e d s i m i l a r r e s p o n s e s t o t h a t c o l l e c t e d a t l o c a t i o n A 137 e x c e p t f o r d e e p l y s i m e t e r B 5 . T h e r e s p o n s e o f t h i s l y s i m e t e r w a s s i m i l a r t o t h e s h a l l o w o n e s , t h u s i n d i c a t i n g a s d i s c u s s e d p r e v i o u s l y , t h a t a c h a n n e l l e f t i n t h e s o i l b y a d e c a y e d r o o t w a s p r o b a b l y p e r m i t t i n g a p p l i e d e f f l u e n t t o b y p a s s a p o r t i o n o f t h e s o i l m a t r i x a s i t p a s s e d t h r o u g h t h e v a r i o u s s o i l h o r i z o n s . T h e m a g n i t u d e o f t h e n i t r a t e n i t r o g e n i n c r e a s e s i n t h e l e a c h a t e c o l l e c t e d w i t h t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n C o v e r t h e p e r i o d O c t o b e r 2, 1976 t o N o v e m b e r 16, 1976 w e r e n o t a s p r o -n o u c e d a s t h o s e w h i c h o c c u r r e d a t l o c a t i o n s A a n d B . I n f a c t , t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n t r e n d i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y l y s i m e t e r C 9 w a s t h e o n l y t r e n d s i m i l a r t o t h e o n e s o b s e r v e d f o r t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s a t l o c a t i o n s A a n d B . T h e r e a s o n l i e s w i t h t h e f a c t t h a t l o c a t i o n C r e c e i v e d a t o t a l o f o n l y 20.2 k g / h a ( 18.0 l b / a c r e ) o f n i t r a t e n i t r o g e n o v e r t h e p e r i o d J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976, w h e r e a s 72.9 k g / h a (6.5 l b / a c r e ) o f n i t r a t e n i t r o g e n f e l l o n l o c a t i o n B a n d 52.1 k g / h a (65 . I l b / a c r e ) f e l l o n l o c a t i o n A . S i n c e l o c a t i o n s A a n d B w e r e s u b j e c t e d t o h i g h e r v o l u m e s o f e f f l u e n t a n d c o r r e s p o n d i n g g r e a t e r a m o u n t s o f n i t r a t e n i t r o g e n t h a n t h a t r e c e i v e d b y l o -c a t i o n C , a n y s u b s e q u e n t s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d a t l o c a t i o n s A a n d B s h o u l d c o n t a i n h i g h e r c o n c e n t r a t i o n s o f n i t r a t e n i t r o g e n . T h e t r e n d s i n t h e n i t r a t e - N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s w e r e a d i r e c t r e f l e c t i o n o f m i c r o b i o l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o n i n t h e s o i l h o r i z o n . A s w a s d i s c u s s e d w i t h 1 3 8 t h e r e s u l t s o f t h e T K N c o n c e n t r a t i o n s o v e r t i m e , t h e m i c r o -o r g a n i s m p o p u l a t i o n w o u l d r e a c h a p o p u l a t i o n l e v e l s u f f i c i e n t t o i m m o b i l i z e a s p e c i f i c a m o u n t o f N 0 ^ ~ - N c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . No N 0 ^ ~ - N w o u l d t h e r e f o r e m o v e w i t h t h e a p p l i e d e f f l u e n t t h r o u g h t h e . s o i l a s l o n g a s s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s w e r e m a i n t a i n e d . I n t h e t i m e f r a m e f o l l o w i n g t h e a p p l i c a t i o n o f a n i n c r e a s e d c o n c e n t r a t i o n o f n i t r a t e n i t r o g e n t o t h e p l o t , a t i m e l a g i n t h e i n c r e a s e i n t h e m i c r o - o r g a n i s m p o p u l a t i o n c a p a b l e o f i m m o b i l i z i n g t h e N O ^ - N a l l o w e d f o r s o m e n i t r a t e - N t o m o v e w i t h t h e l i q u i d t h r o u g h t h e s o i l . W h i l e t h e p r e v i o u s d i s c u s s i o n w a s c o n c e r n e d w i t h t h e t r e n d s i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n o n t h e s o i l l e a c h a t e o v e r t h e t e r m o f t h i s e x p e r i m e n t , i t i s p r o b a b l e t h a t i f t h e e f f l u e n t a p p l i c a t i o n w a s t o c o n t i n u e o v e r a l o n g t e r m t i m e p e r i o d s u c h t r e n d s w o u l d c h a n g e . I n t h e a b s e n c e o f d e n i t r i f i c a t i o n , t h e a p p l i e d n i t r a t e n i t r o g e n w o u l d a l l o w t h e m i c r o b i o l o g i c a l p o p u l a t i o n t o r e a c h a l e v e l t h a t c o u l d i m -m o b i l i z e t h e n i t r o g e n . E v e n t u a l l y t h e r a t e o f r e l e a s e o f n i t r o g e n b y m i n e r a l i z a t i o n w o u l d p r o b a b l y a p p r o x i m a t e t h e r a t e o f i n p u t f r o m t h e a p p l i e d e f f l u e n t w i t h a c o r r e s p o n d i n g i n -c r e a s e i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n s o i l l e a c h a t e c o n c e n t r a t i o n . T h e c o n t i n u a l i n c r e a s e i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n -c e n t r a t i o n a f t e r a p p r o x i m a t e l y S e p t e m b e r JO, 1 9 7 6 m a y h a v e b e e n d u e t o t h e d e c r e a s e d m i c r o b i o l o g i c a l a c t i v i t y i n r e s p o n s e t o c o o l e r s o i l t e m p e r a t u r e s . B e g i n n i n g a t t h i s t i m e , t h e m i n -o i m u m d a i l y a i r t e m p e r a t u r e w a s u s u a l l y l e s s t h a n 0 C w h i l e t h e 139 m a x i m u m d a i l y t e m p e r a t u r e w a s c o n s i s t e n t l y l e s s t h a n 10°C ( s e e F i g u r e 5)« T h e c o o l e r t e m p e r a t u r e s r e d u c e d t h e m i c r o b i a l a c t i v i t y a n d c u r t a i l e d t h e l e v e l o f n i t r a t e - N i m m o b i l i z a t i o n . A l t e r n a t i v e l y t h e c o n t i n u a l i n c r e a s e i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n m a y h a v e b e e n t h e f i r s t i n d i c a t i o n o f a n i t r a t e n i t r o g e n b r e a k t h r o u g h i n t h e s o i l . T h e c o n t i n u a l a p p l i c a t i o n o f n i t r a t e n i t r o g e n i n t h e e f f l u e n t a l o n g w i t h a n y f o r m e d b y t h e n i t r i f i c a t i o n o f a m m o n i u m ' m a y h a v e g r a d u a l l y s a t i s f i e d t h e C E G i n t h e s o i l o v e r t h e c o u r s e o f t h e e x p e r i -m e n t . T h e g r a d u a l r e t e n t i o n o f n i t r a t e n i t r o g e n o n t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s ' w o u l d , a l l o w s u b s e q u e n t a m o u n t s o f a p p l i e d o r f o r m e d n i t r a t e n i t r o g e n t o m o v e w i t h t h e s o i l l e a c h a t e , . a p h e n o m e n o n d e m o n s t r a t e d b y ' t h e c h l o r i d e i o n o v e r t h e t e r m o f t h e e x p e r i m e n t . ' T h e f a c t t h a t T K N d i d n o t i n c r e a s e i n c o n c e n -t r a t i o n i n ' t h e s o i l - l e a c h a t e s a m p l e s a f t e r S e p t e m b e r 30, 1976 i n a m a n n e r s i m i l a r t o t h a t o f n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n i n d i c a t e s t h a t i n f a c t m i c r o b i o l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o n w a s n o t c u r t a i l e d a s s u g g e s t e d a b o v e b u t i n f a c t t h e i n c r e a s i n g n i t r a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e w a s a r e f l e c t i o n o f ' a n i -t r a t e n i t r o g e n b r e a k t h r o u g h . ' A c c o r d i n g t o W i k l a n d e r (1964) , N 0 ^ ~ - N a n d C l ~ h a v e a n e q u a l a f f i n i t y f o r t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s . T h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s ' - i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s t o o k u p t o f i v e w e e k s t o a c h i e v e t h e a p p l i e d c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n s . . . T h e c h l o r i d e a n i o n c o u l d n o t b e g i n t o m o v e w i t h t h e s o i l l e a c h a t e t h r o u g h t h e s o i l u n t i l a p o r t i o n o f t h e a p p l i e d c h l o r i d e h a d - 140 s a t i s f i e d t h e a n i o n . e x c h a n g e s i t e s i n t h e s o i l . - . D u e t o t h e h i g h c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n l e v e l s c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t , t h e c h l o r i d e a n i o n w o u l d , d o m i n a t e t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s ( m a s s a c t i o n e f f e c t ) b u t a p o r t i o n o f t h e n i t r a t e n i -t r o g e n w o u l d a l s o b e r e t a i n e d . N o t u n t i l a p o r t i o n o f t h e a n i o n e x c h a n g e s i t e s h a d b e e n o c c u p i e d b y t h e n i t r a t e i o n w o u l d n i t r a t e n i t r o g e n m o v e w i t h - t h e s o i l l e a c h a t e . t h r o u g h t h e s o i l . - - - ' -• F r o m a c o n s i d e r a t i o n o f t h e t r e n d s o f t h e n i t r a t e n i ^ t r o g e n - a n d T K N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l 1 e a c h a t e-^ w i t h t i m e i t i s c l e a r t h a t a n i t r o g e n b a l a n c e m a y b e a s u i t a b l e d e s i g n a n d o p e r a t i n g c r i t e r i o n t o b e u s e d - t o r e c y c l e - d o m e s t i c e f f l u -e n t t o a s o i l s i m i l a r t o t h e - t y p e f o u n d a t t h e r e s e a r c h s i t e . D e s p i t e t h e f a c t t h a t t h e s o i l w a t e r c o n t e n t w a s c o n t i n u a l l y a b o v e f i e l d c a p a c i t y , n o n i t r o g e n w a s f o u n d i n t h e s o i l l e a c h -a t e s a m p l e s e x c e p t a s n o t e d a b o v e . I f i r r i g a t i o n o n s u c h a s i t e w e r e u n d e r t a k e n o n l y d u r i n g t h e g r o w i n g s e a s o n , a n i t r o g e n b a l a n c e c r i t e r i o n m a y b e a m o r e s u i t a b l e d e s i g n b a s i s t h a n a w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n f o r e f f l u e n t a p p l i c a t i o n . 4.5 - P H O S P H O R U S C O N C E N T R A T I O N S I N T H E S O I L L E A C H A T E T h e t o t a l a n d a v e r a g e a m o u n t o f p h o s p h o r u s a p p l i e d t o v a r i o u s p a r t s o f t h e 900 m f o r e s t e d p l o t f r o m J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976, a r e g i v e n i n T a b l e 6. T h e c o n c e n t r a t i o n s o f t o t a l a n d o r t h o p h o s p h a t e c o n -t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t a r e s h o w n i n F i g 19. N e a r l y 141 T a b l e 6: A m o u n t o f T o t a l - P A p p l i e d t o F o r e s t e d P l o t A m o u n t o f t o t a l p h o s p h o r u s a p p l i e d f r o m J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, . 1976 k g / h a l b / a c r e O v e r w h o l e p l o t ( a v e r a g e v a l u e ) ^3-5 38.6 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n A 46 . 7 41 .7 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n B 66.2 59.1 A t l y s i m e t e r l o c a t i o n C 18 .2 16.2 142 FIGURE: 19 TOTAL AND ORTHO PHOSPHORUS CONCENTRATION IN APPLIED EFFLUENT UJ m LU > o T r o - - CM I 1 1 1 1 1-Q CO CO sj" CM O P ( m g / I ) : 143 a l l t h e t o t a l p h o s p h a t e i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w a s c o m p o s e d o f o r t h o p h o s p h a t e . D u r i n g t h e p e r i o d o f t i m e b e t w e e n A u g u s t 19, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976 t h e p h o s p h o r u s i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t o r i g i n a t i n g f r o m t h e f o r e s t r y c a m p w a s s u p p l e m e n t e d w i t h c o m m e r c i a l f e r t i l i z e r a s d e s c r i b e d e a r l i e r . I n t h e d a y s f o l l o w i n g t h e a d d i t i o n o f t h e p h o s p h a t e f e r t i l i z e r , t h e t o t a l a n d o r t h o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n s g r a d u a l l y d e c r e a s e d i n v a l u e d u e t o t h e d i l u t i o n e f f e c t s o f g r o u n d w a t e r a n d r a i n f a l l e n t e r i n g t h e s e c o n d l a g o o n . T h e s a m p l i n g o f t h e l e a c h a t e d u r i n g t h e p e r i o d f r o m J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976 i n d i c a t e d n o m e a s u r a b l e t o t a l o r o r t h o p h o s p h a t e i n t h e s o i l l e a c h a t e . D e s p i t e t h e f a c t t h a t 66.2 k g / h a (59-1 l b / a c r e ) o f t o t a l p h o s p h a t e w a s a p p l i e d t o l y s i m e t e r l o c a t i o n B o v e r t h e e x p e r i m e n t a l p e r i o d , n o p h o s p h a t e w a s d e t e c t e d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y e v e n t h e s h a l l o w e s t s o i l l y s i m e t e r s B6 a n d B7. N o r e s u l t s o f s i m i l a r e x p e r i m e n t s o n a s i m i l a r s o i l ( f e r r o h u m i c p o d z o l ) w e r e f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e . K o h r (1973), a p p l y i n g d o m e s t i c e f f l u e n t t o u n d i s t u r b e d s o i l c o r e s s i t u a t e d i n t h e l a b o r a t o r y , f o u n d t h e p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d a t a s o i l d e p t h o f 45 c m (17-7 i n ) t o b e z e r o , e x c e p t o n s e v e r a l s a m p l i n g d a y s o v e r t h e 9 m o n t h e x p e r i m e n t a l p e r i o d w h e n p h o s p h o r u s w a s d e t e c t e d i n l o w c o n c e n t r a t i o n s . S u c h d e t e c t i o n s w e r e o f a n i s o l a t e d n a t u r e . T h e a p p l i e d p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n s w e r e b e t w e e n 4.0 a n d 8.7 m g / l w i t h a t o t a l o f 3 0 . 2 k g P / h a (27 l b P / a c r e ) b e i n g a p p l i e d t o o n e s o i l c o l u m n a n d 59• *+ k g P / h a (53 l b P / a c r e ) b e i n g a p p l i e d t o t h e s e c o n d s o i l c o l u m n . J o h n (197*1-) a d d e d d o m e s t i c e f f l u e n t f r o m t h e K e l o w n a s e w a g e t r e a t m e n t p l a n t t o t h r e e c o l u m n s c o n -t a i n i n g d i s t u r b e d o v e n d r y s o i l s a m p l e s f r o m t h r e e l o c a t i o n s i n B r i t i s h C o l u m b i a . T h e M i l n e r s o i l ( o r t h i c c o n c r e t i o n a r y b r o w n b r u n i s o l ) c o n t a i n i n g h i g h a m o u n t s o f A l a n d F e r e m o v e d 99% o f t h e a p p l i e d p h o s p h o r u s c o n t a i n e d i n t h e e f f l u e n t o v e r 22 c o m p l e t e l e a c h i n g s i n a 77 d a y p e r i o d . T h e l i t e r a t u r e c o n t a i n s m a n y r e f e r e n c e s t o t h e p h o s -p h o r u s c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e r e s u l t i n g f r o m t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t o n a f u l l s c a l e o p e r a t i o n . K a r d o s a n d H o o k (1976) f o u n d t h a t o v e r 9 y e a r s o f t h e i r r i g a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o b o t h a n a g r i c u l t u r a l a n d a f o r e s t r y s i t u a t i o n , t h e s i t e s h a d l e s s t h a n 3% p h o s p h o r u s l e a c h i n g l o s s e s . B e e k e t a l (1977b), i n v e s t i g a t i n g t h e m o v e m e n t a n d a c c u m u l a t i o n o f p h o s p h o r u s a t a s e w a g e f a r m n e a r T i l b u r g , T h e N e t h e r l a n d s , f o u n d t h a t o v e r a 50 y e a r p e r i o d 96% o f t h e p h o s p h o r u s i n t h e a p p l i e d d o m e s t i c e f f l u e n t h a d b e e n r e m o v e d f r o m t h e s o i l l e a c h a t e a n d h a d a c c u m u l a t e d i n t h e t o p 50 c m (19.7 i n ) o f t h e s o i l p r o f i l e . A s t u d y o n t h e s e w a g e f a r m a t M e l b o u r n e , A u s t r a l i a ( J o h n s o n e t a l , 197*+) r e p o r t e d t h a t 91% o f t h e P i s b e i n g r e m o v e d f r o m t h e r a w s e w a g e d u r i n g t h e p a s -s a g e o f t h e e f f l u e n t t h r o u g h t h e s o i l . S o m e p a r t s o f t h e f a r m h a v e r e c e i v e d s e w a g e f o r t h e l a s t 73 y e a r s . T h e a b s e n c e o f p h o s p h o r u s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s i n t h i s p r e s e n t s t u d y i s p r o b a b l y 145 d u e t o t h r e e c a u s e s . I n t h e f i r s t c a s e , i m m o b i l i z a t i o n o f a p p l i e d p h o s p h o r u s b y t h e m i c r o - o r g a n i s m s p r e s e n t i n t h e L F H h o r i z o n i s l i k e l y . T h e h i g h c a r b o n c o n t e n t i n t h e L F H h o r i z o n i n c o m b i n a t i o n w i t h a l a r g e p o o l o f r e a d i l y a v a i l a b l e n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s c o m p o u n d s c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t w o u l d e n c o u r a g e a p r o l i f e r a t i o n o f t h e m i c r o - o r g a n i s m p o p u l a t i o n . S e c o n d l y , H a r t e r (1969) f o u n d t h a t a r e g r e s s i o n a n a l y s i s o f p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n a s a f u n c t i o n o f f i v e s o i l c h a r a c t e r i s t i c s i n d i c a t e d t h a t o r g a n i c m a t t e r w a s i m p o r t a n t i n t h e i n i t i a l b o n d i n g o f p h o s p h o r u s b y s o i l s . H e p r o p o s e d t h a t p h o s p h o r u s i s i n i t i a l l y b o n d e d t o a n i o n e x c h a n g e s i t e s o n o r g a n i c m a t t e r a n d s u b s e q u e n t l y t r a n s f o r m e d t o l e s s s o l u b l e i r o n a n d a l u m i n u m p h o s p h a t e s o r i n c o r p o r a t e d i n t o o r g a n i c m a t t e r . I t s e e m s l i k e l y t h a t t h e i m m o b i l i z a t i o n o f t h e a p p l i e d p h o s p h o r u s i n t h e o r g a n i c l a y e r i s d u e t o t h e m i c r o - o r g a n i s m f i x a t i o n a n d o r g a n i c m a t t e r r e t e n t i o n . T h e t h i r d a n d m o s t s i g n i f i c a n t m e c h a n i s m o f a p p l i e d p h o s p h o r u s r e t e n t i o n i n t h e l o w p H p o d z o l s o i l t a k e s p l a c e w i t h t h e a m o r p h o u s a l u m i n u m a n d i r o n c o m p o u n d s p r e s e n t ( K i t t r i c k a n d J a c k s o n , 1955; C h e n e t a l , 1973a; H s u a n d R e n n i e , 1962). L u t t m e r d i n g a n d S p r o u t (1968), i n a c h e m i c a l a n a l y s i s o f a s o i l i n t h e s a m e s o i l s e r i e s a s t h a t w h i c h w a s i d e n t i f i e d o n t h e f o r e s t e d p l o t , f o u n d t h a t t h e a l u m i n u m c o n t e n t r a n g e d f r o m .48% t o 4.26% o f t h e s o i l w e i g h t i n t h e B h o r i z o n w h i l e i r o n r a n g e d f r o m .36% t o 1.62% o f t h e s o i l w e i g h t . I n a s t u d y o f t h e p h o s p h o r u s r e t e n t i o n c a p a c i t i e s o f f o r e s t s o i l s , B a l l a r d 1 4 6 a n d F i s k e l l (1974) f o u n d t h a t s u c h r e t e n t i o n w a s a t t r i b u t e d t o a m o r p h o u s a l u m i n u m a n d i r o n c o m p o u n d s a n d t h a t o n a u n i t w e i g h t b a s i s , a m o r p h o u s F e i s m o r e a c t i v e i n P r e t e n t i o n t h a n i s a m o r p h o u s A l . B e c a u s e o f s m a l l e r t o t a l q u a n t i t i e s o f a c t i v e F e i n t h e t e s t e d s o i l s , B a l l a r d a n d F i s k e l l (1974) s u g g e s t e d t h a t a c t i v e F e c o n t r i b u t e s l e s s t o o v e r a l l r e t e n t i o n c a p a c i t y t h a n d o e s a c t i v e A l . 4.5.1 P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n J s o t h e r m s 4.5.1 .1 T i m e - P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n R e l a t i o n s h i p s T h e r e s u l t s o f t h e o r t h o p h o s p h a t e a n d t h e t o t a l p h o s -p h a t e t i m e - a d s o r p t i o n s t u d i e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 20 a n d 21 r e s p e c t i v e l y . I n b o t h F i g u r e s , t h e r e s i d u a l p h o s p h a t e c o n -c e n t r a t i o n o f t h e t r e a t m e n t p l a n t e f f l u e n t i s s h o w n a s a f u n c -t i o n o f t h e r e a c t i o n t i m e w i t h t h e s o i l s a m p l e s . T h e t i m e -a d s o r p t i o n r e s p o n s e f o r a r a n g e o f s o i l w e i g h t s i s a l s o s h o w n i n b o t h f i g u r e s . T h e r a t e o f t h e p h o s p h o r u s r e a c t i o n w i t h a l l t h e s o i l c o m b i n a t i o n s w a s i n i t i a l l y h i g h , d i m i n i s h i n g t h e e f f l u e n t o r t h o a n d t o t a l p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n s t o l o w b u t m e a s u r a b l e v a -l u e s i n a m a t t e r o f m i n u t e s . T h e r a t e o f p h o s p h o r u s d e p l e t i o n w a s i n i t i a l l y d e p e n d e n t o n t h e w e i g h t o f s o i l b u t a f t e r 120 m i n u t e s o f e l a p s e d e x p e r i m e n t a l t i m e , t h e a m o u n t o f p h o s p h a t e f i x e d i n e a c h o f t h e s o i l - e f f l u e n t s o l u t i o n s w a s r e l a t i v e l y s i m i l a r . I t c a n b e s e e n i n F i g 20 t h a t t h e i n i t i a l o r t h o p h o s p h a t e FIGURE 21 CONTACT TIME" EQUILIBRIUM CONCENTRATION FOR TOTAL PHOSPHATE 148 4-10 ^ ro CM TOTAL PHOSPHATE ~P (mg/l) 1 4 9 c o n c e n t r a t i o n i n - t h e t h r e e t e s t b e a k e r s w a s a p p r o x i m a t e l y 4.6 m g / l P . A f t e r 1 2 0 . m i n u t e s o f t i m e h a d e l a p s e d f r o m t h e c o m -m e n c e m e n t o f t h e e x p e r i m e n t s , t h e o r t h o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n i n e a c h f l a s k w a s a b o u t 0.25 m g / l P o r 5% o f t h e i n i t i a l o r t h o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n . A f t e r 1.5 m i n u t e s o f r e a c t i o n t i m e t h e o r t h o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s u s p e n s i o n c o n -t a i n i n g 2 0 0 g o f s o i l w a s r e d u c e d t o 10% o f t h e i n i t i a l e f f l u e n t o r t h o p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n ; i t t o o k 1 0 m i n u t e s a n d 70 m i n -u t e s t o r e a c h t h e s a m e l e v e l s i n t h e s u s p e n s i o n c o n t a i n i n g 1 0 0 g a n d 60 g o f s o i l r e s p e c t i v e l y . A f t e r 1 2 0 m i n u t e s o f r e -a c t i o n t i m e h a d e l a p s e d , a f u r t h e r r e d u c t i o n i n o r t h o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n v a l u e s i n t h e t h r e e e x p e r i m e n t s w a s s m a l l . A c o n s i d e r a t i o n o f F i g 2 1 i n d i c a t e s t h a t t h e t w o t i m e -a d s o r p t i o n s t u d i e s i n v o l v i n g a d e t e r m i n a t i o n o f t o t a l p h o s -p h a t e r e s i d u a l g a v e t h e s a m e t r e n d a s f o r t h o s e t i m e - a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s i n v o l v i n g t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e o r t h o p h o s p h a t e r e s i d u a l a s o u t l i n e d p r e v i o u s l y . T h e r e s u l t s o f t h e t i m e - a d s o r p t i o n s t u d i e s u n d e r t a k e n t o e s t a b l i s h a t i m e p e r i o d t o r e a c h e q u i l i b r i u m b e t w e e n t h e p h o s p h o r u s i n t h e s e w a g e e f f l u e n t a n d t h e c o n s o l i d a t e d s o i l s a m p l e s w e r e s i m i l a r t o t h o s e f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e . C h e n e t a l ( 1 9 7 3 " b ) f o u n d t h e p h o s p h a t e r e m o v a l t o b e v e r y r a p i d i n t h e f i r s t t w o h o u r s o f a t i m e - a d s o r p t i o n s t u d y i n v o l v i n g a n a q u e o u s p h o s p h a t e s o l u t i o n r e a c t i n g w i t h a l u m i n a a n d k a o l i n i t e . F o r t h e p e r i o d b e t w e e n 2 h o u r s a n d 2 4 h o u r s t h e r e a c t i o n r a t e d e c r e a s e d , o b e y i n g a f i r s t o r d e r r a t e l a w o v e r t h e n e x t 60 d a y s . 150 R e n n i e a n d I c K e r c h e r (1959), u s i n g f o u r S a s k a t c h e w a n s o i l s a n d a K H g P O ^ s o l u t i o n , w e r e a b l e t o d e m o n s t r a t e t h a t a o n e h o u r s t i r r i n g t i m e w o u l d p e r m i t c o m p l e t i o n o f t h e a d s o r p t i o n r e a c t i o n . N o v a k a n d A d r i a n o (1975) w e r e a b l e t o s h o w t h a t t h e p h o s p h a t e a d s o r p t i o n w a s v e r y r a p i d i n t h e f i r s t 3 h o u r s o f t h e r e a c t i o n b e t w e e n K H ^ P O ^ a n d s o m e s o i l s a m p l e s . T h e r e w a s a n o t i c e a b l e d e c r e a s e i n r e a c t i o n r a t e o c c u r r i n g i n t h e t i m e p e r i o d b e t w e e n 3 h o u r s a n d 2 4 h o u r s . V a n R i e m s d i j k e t a l (1975) a n d K u o a n d L o t s e (1974) o b t a i n e d s i m i l a r r e s u l t s . C h e n e t a l (1973b) d i v i d e d t h e p h o s p h a t e r e m o v a l k i n e t i c s i n t o a r a p i d s t e p w h i c h i s c o m p l e t e w i t h i n 2 4 h o u r s a n d a s l o w e r s t e p w h i c h m a y c o n t i n u e f o r m o n t h s a f t e r w a r d s . T h e i n i t i a l r a -p i d p h o s p h a t e r e m o v a l w a s a t t r i b u t e d t o a d s o r p t i o n w h i l e t h e s l o w e r m e c h a n i s m o f p h o s p h a t e r e m o v a l i n v o l v e s t h e l a t t i c e d i s s o l u t i o n t o r e l e a s e i o n s o f F e a n d A l w h i c h r e a c t w i t h p h o s p h a t e . T h e r e s u l t i s t h e g r o w t h o f a n e w a l u m i n u m p h o s -p h a t e o r i r o n p h o s p h a t e p h a s e . On t h e b a s e s o f e x p e r i m e n t a l w o r k a n d l i t e r a t u r e d a t a , a n i n e t y m i n u t e r e a c t i o n t i m e w a s c h o s e n f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e L a n g m u i r a n d F r e u n d l i c h i s o t h e r m s . A l t h o u g h s u c h a t i m e b a s e w o u l d n o t r e s u l t i n t r u e e q u i l i b r i u m i t w o u l d r e s u l t i n a r e l a t i v e l y s t e a d y s t a t e a f t e r t h e c o m p l e t i o n o f t h e r a p i d s h o r t t e r m p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n c h a n g e s d u e t o a d s o r p t i o n . T h i s w o u l d " b e c o n s i s t e n t w i t h t h e o b s e r v a t i o n s o f N o v a k a n d A d r i a n o (1975) w h o c a u t i o n e d t h a t t h e a d s o r p t i o n i s o t h e r m s o n l y d e s c r i b e t h e i n i t i a l a d s o r p t i o n r e a c t i o n a n d n o t t h e l o n g t e r m 151 p r e c i p i t a t i o n p h e n o m e n o n . Some a u t h o r s , h a v e u s e d a t w e n t y -f o u r h o u r r e a c t i o n t i m e i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f a d s o r p t i o n i s o t h e r m s ( C h e n e t a l , 1973~b; O l s e n a n d W a t a n a b e , 1957', M u l j a d i e t a l , 1966; Z a r n e t t , . 1976) w h i l e o t h e r s h a v e e m p l o y e d e i g h t e e n h o u r s ( H s u a n d R e n n i e , 1962), s i x h o u r s ( R e n n i e a n d M o K e r c h e r , 1959)» t h r e e h o u r s ( R a j a n e t a l , 197*+) a n d o n e h o u r ( H a r t e r a n d F o s t e r , 1976). I n m o s t c a s e s t h e l o n g e r r e a c t i o n t i m e w a s c h o s e n i n o r d e r t o a c h i e v e a h i g h e r d e g r e e o f a g r e e m e n t b e t w e e n d u p l i c a t e d e t e r m i n a t i o n s o f t h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n i s o t h e r m . k.5'1'2. L a n g m u i r a n d F r e u n d l i c h I s o t h e r m T h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n d a t a , p l o t t e d a c c o r d i n g t o t h e L a n g m u i r i s o t h e r m , a r e s h o w n i n F i g 22 f o r t h e a d s o r p t i o n o f o r t h o p h o s p h a t e a n d t o t a l p h o s p h a t e . On T a b l e 7 t h e e q u a t i o n o f t h e l i n e s o f b e s t f i t a n d t h e r e s p e c t i v e c o r r e l a t i o n c o -e f f i c i e n t s b y t h e m e t h o d o f l e a s t s q u a r e s f i t a r e g i v e n f o r t h e a d s o r p t i o n d a t a . T h e d a t a s h o w t h a t s a t i s f a c t o r y a g r e e -m e n t w i t h t h e L a n g m u i r i s o t h e r m e x i s t s a s a s t r a i g h t l i n e r e l a t i o n s h i p o f s t a t i s t i c a l s i g n i f i c a n c e w a s o b t a i n e d f o r t h e a d s o r p t i o n b y t h e s o i l o f t h e t o t a l a n d o r t h o p h o s p h a t e c o n -t a i n e d i n t h e d o m e s t i c e f f l u e n t . T h e s t a t i s t i c a l c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s a r e n o t a s c l o s e t o 1.0 a s s o m e v a l u e s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e . F o r e x a m p l e , R a j a n e t a l (197*+), w o r k i n g w i t h l a b o r a t o r y p r e p a r e d h y d r o u s a l u m i n a o x i d e a n d a K H g P O ^ s o l u t i o n , o b t a i n e d d a t a 152 T a b l e 7 : L a n g m u i r A d s o r p t i o n I s o t h e r m E q u a t i o n o f L i n e o f B e s t F o r f o r O r t h o a n d T o t a l P h o s p h o r u s D e t e r m i n a t i o n s E q u a t i o n o f l i n e o f b e s t f i t C o r r e l a t i o n C o e f f i c i e n t O r t h o - P C / U / M ) = 2.3^9*0 + .122 .916 T o t a l - P C / ( X / M ) = 2 . 4 8 1 * C + .136 .901 W h e r e C i s P h o s p h o r u s e q u l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n ( M i l l i m o l e s / l ) ( X / M ) i s P h o s p h o r u s a d s o r b e d / g o f s o i l (mg P / g o f s o i l ) FIGURE 22 PHOSPHORUS ADSORPTION ISOTHERM (PLOTTED ACCORDING TO LANGMUIR EQUATION) e - E CM A o <t — V O £ H o O (X) 2 « II UJ _ J - J o o to to o tn d — ex 05 , i n * O C / ( X / M ) ( m i l l i m o l e s / I ) / ( m g / g ) 154 t h a t g i v e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s o f .9999 a n d .9993 w h e n p l o t t e d a c c o r d i n g t o t h e L a n g m u i r e q u a t i o n . T h e p r o b a b l e r e a s o n f o r t h e l o w e r c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t w h e n t h e p h o s -p h o r u s a d s o r p t i o n d a t a i n t h e s e s e r i e s o f t e s t s i s p l o t t e d a c c o r d i n g t o t h e L a n g m u i r i s o t h e r m p r o b a b l y l i e s w i t h t h e n o n -u n i f o r m i t y b e t w e e n s o i l s a m p l e s u s e d i n t h e a d s o r p t i o n e x p e r i -m e n t s . I t m u s t b e r e m e m b e r e d t h a t t w o c o n s o l i d a t e d s o i l s a m -p l e s , o n e s a m p l e c o m p r i s e d o f s o i l m a t e r i a l p a s s i n g a 2 mm s i e v e a n d o n e s a m p l e o f m a t e r i a l n o t p a s s i n g a 2 mm s i e v e , w e r e e a c h p r e p a r e d b y a d d i n g t o g e t h e r t h e t e n i n d i v i d u a l h e t e r -o g e n e o u s s o i l s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m t h e v i c i n i t y o f t h e l o c a -t i o n o f t h e t e n l y s i m e t e r p l a t e s . T h e i n d i v i d u a l s o i l s a m p l e s u s e d i n t h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s v a r i e d i n t o t a l w e i g h t f r o m 1 g u p t o 100 g , w i t h e a c h s o i l s a m p l e c o m p o s e d o f 40% g r e a t e r t h a n 2 mm a n d 60% l e s s t h a n 2 mm i n d i a m e t e r o f s o i l f r o m t h e t w o c o n s o l i d a t e d s a m p l e s . R e c o g n i z i n g t h e s o i l h e t e r o g e n i t y i n v o l v e d i n t h e s e c o n s o l i d a t e d s a m p l e s , i t w o u l d b e v e r y u n l i k e l y t h a t e a c h s o i l s a m p l e i n t h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n e x p e r i m e n t s c o n t a i n e d t h e s a m e p e r c e n t a g e s o f t h e s a m e s o i l m i c r o s c o p i c p a r t i c l e s . A l t e r n a t e l y , t h e p o s s i b i l i t y e x i s t s t h a t t h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n d a t a w a s n o t e n t i r e l y d e s c r i b a b l e b y t h e L a n g m u i r a d s o r p t i o n i s o t h e r m . T h e m a j o r a d v a n t a g e o f d e s c r i b i n g t h e p h o s p h a t e a d s o r p -t i o n d a t a b y t h e L a n g m u i r e q u a t i o n i s t h a t a p h o s p h o r u s a d -s o r p t i o n m a x i m u m c a n b e c a l c u l a t e d . S u c h m a x i m u m v a l u e s f o r t h e a d s o r p t i o n o f o r t h o a n d t o t a l p h o s p h a t e b y t h e s o i l f r o m 155 t h e f o r e s t e d p l o t a r e g i v e n i n T a b l e 8 . T h e t h e o r e t i c a l o r t h o a n d t o t a l p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n m a x i m u m s a r e s i m i l a r i n v a l u e . T h i s r e s u l t s f r o m t h e f a c t t h a t t h e t o t a l p h o s p h o r u s c o n t a i n e d i n t h e s e w a g e s a m p l e s t e s t e d , c o n s i s t e d m o s t l y o f t h e o r t h o p h o s p h a t e s p e c i e s . T h e o r i g i n a l o r t h o p h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s e w a g e s a m p l e w a s 4.70 m g / l P w h e r e a s t h e o r i g i n a l t o t a l p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n w a s 5.04 m g / l P . T h e d i s c r e p a n c y b e t w e e n t h e t w o a d s o r p t i o n v a l u e s p r o b a b l y i n v o l v e s t h e n o n - u n i f o r m i t y i n t h e s o i l s a m p l e s u s e d i n t h e p r e p a r a t i o n o f t h e t w o L a n g m u i r i s o t h e r m s . T h e L a n g m u i r i s o t h e r m i s b a s e d o n t h e a s s u m p t i o n t h a t p h o s p h o r u s i s a d s o r b e d b y d i s c r e t e p o i n t s s i t u a t e d o n t h e a d s o r b i n g m a t e r i a l . I n t h e o r y , a s t h e s e d i s c r e t e a d s o r p t i o n s i t e s a r e p r o g r e s s i v e l y o c c u p i e d w i t h p h o s p h o r u s , f u r t h e r a d d i t i o n s o f p h o s p h o r u s w i l l r e s u l t i n a n i n c r e a s e i n t h e p h o s -p h o r u s c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e . A s s h o w n i n F i g 2 3 , a c l o s e r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n t h e p e r c e n t a g e s a t u r a -t i o n o f t h e a d s o r p t i o n m a x i m u m a s p r e d i c t e d f r o m t h e L a n g m u i r e q u a t i o n a n d t h e f i n a l s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n . T h e s i g n i f i c a n t c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s o f . 9 2 8 a n d . 9 3 9 b e t w e e n t h e f i n a l s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n a n d t h e p e r c e n t a g e s a t u r a t i o n o f t h e a d s o r p t i o n m a x i m u m f o r o r t h o p h o s p h a t e a n d t o t a l p h o s p h a t e r e s p e c t i v e l y i n d i c a t e t h e e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n o f o r t h o a n d t o t a l p h o s p h a t e i n a s o i l s u s p e n s i o n c l o s e l y r e f l e c t s t h e d e g r e e o f p h o s p h a t e s a t u r a t i o n o f t h e p o t e n t i a l a d s o r b i n g s i t e s . A s w a s p o i n t e d o u t e a r l i e r , t h e L a n g m u i r i s o t h e r m , u p o n w h i c h 156 T a b l e 8 : P h o s p h o r u s A d s o r p t i o n M a x i m a f o r t h e F o r e s t S o i l a s P r e d i c t e d b y t h e L a n g m u i r I s o t h e r m ( f o r c a l c u l a t i o n s s e e A p p e n d i x D ) A d s o r p t i o n M a x i m u m T o t a l P h o s p h o r u s 403 m i c r o g r a m s t o t a l - P g r a m o f s o i l O r t h o P h o s p h o r u s 426 m i c r o g r a m s o r t h o - P g r a m o f s o i l 157 FIGURE 23 RELATIONSHIP BETWEEN THE FINAL SOLUTION CONCENTRATION AND PERCENTAGE SATURATION OF THE ADSORPTION MAXIMUM x (%) 158 t h e r e l a t i o n s h i p s i n F i g 23 a r e " b a s e d , o n l y a c c o u n t s f o r t h e i n i t i a l r a p i d a d s o r p t i o n r e a c t i o n o f p h o s p h o r u s . T h e o r t h o a n d t o t a l p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n d a t a p l o t t e d a c c o r d i n g t o t h e F r e u n d l i c h a d s o r p t i o n e q u a t i o n a r e p r e s e n t e d i n F i g 2 4 . On T a b l e 9 t h e e q u a t i o n s o f t h e l i n e s o f b e s t f i t a n d t h e r e s p e c t i v e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t s b y t h e m e t h o d o f l e a s t s q u a r e s f i t a r e g i v e n . T h e d a t a s h o w t h a t s a t i s f a c t o r y a g r e e m e n t w i t h t h e F r e u n d l i c h i s o t h e r m w a s o b t a i n e d f o r b o t h t o t a l a n d o r t h o p h o s p h o r u s c o n t a i n e d i n t h e d o m e s t i c e f f l u e n t . I t w a s p o i n t e d o u t e a r l i e r t h a t t h e a d s o r p t i o n o f p h o s -p h o r u s b y s o i l p a r t i c l e s i n v o l v e s a n i n i t i a l r a p i d p h o s p h a t e r e m o v a l s t e p f o l l o w e d b y a s l o w e r p h a s e t h a t m a y t a k e y e a r s f o r a n e q u i l i b r i u m s t a t e t o b e a c h i e v e d . T h e i n i t i a l f a s t r e a c t i o n i s l o o k e d u p o n a s a n a d s o r p t i o n r e a c t i o n w h i l e t h e s l o w e r r e a c t i o n i n v o l v e s t h e r e l e a s e o f i r o n a n d a l u m i n u m i o n s f r o m t h e l a t t i c e o f t h e a m o r p h o u s c o m p o u n d s a n d t h e s u b s e q u e n t n u c l e a t i o n a n d g r o w t h o f a n e w c r y s t a l . T h e i n i t i a l r e a c t i o n r e a c h e s a d e f i n i t e e n d p o i n t w i t h i n a m a t t e r o f h o u r s w h i l e t h e s l o w r e a c t i o n c o n t i n u e s b y t h e g r a d u a l i n c r e a s e i n t h e c r y s t a l s i z e o f t h e p r e c i p i t a t e d i r o n a n d ' a l u m i n u m p h o s p h a t e s , w i t h t h e m e t a l i o n s b e i n g c o n t r i b u t e d b y t h e g r a d u a l b r e a k -d o w n o f c l a y m i n e r a l s a n d h y d r o u s o x i d e s . T h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n m a x i m u m b a s e d o n t h e L a n g m u i r a d s o r p t i o n d a t a r e p r e s e n t s t h e m a x i m u m a m o u n t o f p h o s p h o r u s t h a t c a n b e t r u l y a d s o r b e d b y t h e s o i l p a r t i c l e s o v e r t h e t e r m o f i n i t i a l r a p i d r e a c t i o n . I t i n n o w a y r e p r e s e n t s t h e m a x i m u m 159 T a b l e 9'. F r e u n d l i c h A d s o r p t i o n I s o t h e r m E q u a t i o n s o f L i n e s o f B e s t F i t f o r O r t h o a n d T o t a l P h o s p h a t e D e t e r m i n a t i o n E q u a t i o n o f l i n e o f b e s t f i t C o r r e l a t i o n C o e f f i c i e n t O r t h o P (X/M) = . 1 5 0 c 5 7 9 .973 T o t a l P (X/M) = . 1 3 6 C - 7 1 9 .936 W h e r e C i s p h o s p h o r u s e q u i l i b i u m c o n c e n t r a t i o n ( m i l l i -m i l e s / l ) (X/M) i s p h o s p h o r u s a d s o r b e d / g o f s o i l ( m g P / g o f s o i l ) FIGURE 24 PHOSPHORUS REMOVAL ISOTHERM (PLOTTED ACCORDING TO FREUNDLICH EQUATION) .5T E x + C = TOTAL PHOSPHORUS EQUILIBRIUM CONCENTRATION (mg/l) X= WEIGHT OF PHOSPHORUS REMOVED (mg) M = WEIGHT OF OVEN DRIED SOIL (g) INITIAL ORTHO-P CONCENTRATION = 4.672 mg/l X/M = .l50C-579 INITIAL TOTAL- P CONCENTRATION = 5.042 mg/l X/M = SOIL WEIGHT = 1.0 g - 100.0 g SOIL TEXTURE = 6 0 % 2mm 8 4 0 % 2mm .02 H 1 1—I-.5 H 1 I r-. 2 5 1.0 C(mg OF P/|) 2.5 5.0 161 a m o u n t o f p h o s p h o r u s t h a t c o u l d h e a d s o r b e d b y s o i l c o n s t i t u e n t s i f e f f l u e n t w e r e c o n t i n u a l l y a p p l i e d t o t h e f o r e s t p o d z o l s o i l . T h e s e c o n d s t a g e o f t h e f i x a t i o n o f p h o s p h o r u s w i l l r e s u l t i n a f u r t h e r i m m o b i l i z a t i o n o f t h e a p p l i e d p h o s p h o r u s , a n a m o u n t n o t a c c o u n t e d f o r i n t h e t h e o r e t i c a l a d s o r p t i o n f i x a t i o n m a x i -mum b a s e d o n t h e L a n g m u i r a d s o r p t i o n i s o t h e r m d a t a . C h e n e t a l (1973b) f o u n d t h a t s u c c e s s i v e a d d i t i o n s o f p h o s p h a t e o n a s h o r t t i m e s c a l e (20 t o 60 h o u r s ) r e s u l t e d i n a d e c r e a s e d c a p a c i t y f o r p h o s p h a t e r e m o v a l b u t o n a l o n g t i m e s c a l e (70 d a y s i n t h e i r e x p e r i m e n t ) t h e t o t a l a m o u n t r e m o v e d a n d i t s r a t e o f r e m o v a l w e r e t h e s a m e f o r t h e s e c o n d a d d i t i o n a s t h e f i r s t . M o r e i m p o r t a n t i s t h e w o r k o f K a o a n d B l a n c h a r (1973)- T h e y f o u n d t h a t t h e P a d s o r p t i o n c a p a c i t i e s o f f e r t i l i z e d a n d u n -f e r t i l i z e d s i l t l o a m s o i l s w e r e t h e s a m e . T h e i r d a t a i n d i c a t e d t h a t t h e s o i l f e r t i l i z e d w i t h P f o r 8 2 y e a r s h a d n e a r l y d o u b l e t h e t o t a l P c o n t e n t , b u t t h e a b i l i t y o f t h e s o i l t o a d s o r b a d d i t i o n a l P w a s t h e s a m e . F o r e x a m p l e , t h e y f o u n d t h e P a d -s o r p t i o n m a x i m u m o f P - t r e a t e d a n d u n t r e a t e d s o i l i n t h e s o i l A h o r i z o n w a s t h e s a m e v a l u e o f 116 m i c r o g r a m s P / g r a m s o i l . I n t h e s o i l B h o r i z o n , t h e P a d s o r p t i o n m a x i m u m v a l u e s o f t h e t r e a t e d a n d u n t r e a t e d s o i l w e r e 2 8 8 a n d 335 m i c r o g r a m s P / g r a m s o i l r e s p e c t i v e l y . B e e k e t a l (1977) f o u n d t h a t e v e n a f t e r 30 t o 50 y e a r s o f a p p l i c a t i o n s of-, d o m e s t i c s e w a g e t o a p o d z o l s o i l t h e p h o s p h o r u s w a s s t i l l r e t a i n e d i n t h e t o p 50 c m o f t h e s o i l p r o f i l e . A c o n s i d e r a t i o n o f t h e p h o s p h o r u s c o n c e n t r a t i o n t r e n d s 162 i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s r e s u l t i n g f r o m t h e r e g u l a r a p p l i c a -t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t t o t h e f o r e s t s o i l i n c o n j u n c t i o n w i t h a c o n s i d e r a t i o n o f t h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n r e s u l t s r a i s e s e v e r a l p o i n t s . F i r s t , t h e u s e o f t h e L a n g m u i r a d s o r p -t i o n m a x i m u m t o p r e d i c t t h e t h e o r e t i c a l a m o u n t o f p h o s p h o r u s t h a t c o u l d h e a d s o r b e d b y a s o i l w i l l l e a d t o a v e r y c o n s e r v a -t i v e d e s i g n o f a n e f f l u e n t r e c y c l i n g s y s t e m . T h e L a n g m u i r i s o t h e r m d o e s n o t t a k e a c c o u n t o f t h e s l o w e r l o n g t e r m p h o s -p h o r u s f i x a t i o n p r o c e s s w h i c h m a y h a v e a s u b s t a n t i a l i n f l u e n c e o n t h e i m m o b i l i z a t i o n o f p h o s p h o r u s o v e r a l o n g t i m e s p a n . F o r t h e m o v e m e n t o f p h o s p h o r u s t h r o u g h t h e s o i l a n d t h e posr-s i b l e r e n o v a t i o n l i f e t i m e o f t h e s o i l , s e v e r a l m o d e l s a r e p r e s e n t e d i n t h e l i t e r a t u r e ( E n f i e l d a n d B l e d s o e , 1975. S h a h e t a l , 1975; N o v a k a n d A d r i a n o , 1975; N o v a k e t a l , 1975; S a w h n e y , 1977; H a r t e r a n d F o s t e r , 1976; a n d Z a r n e t t , 1976). S e c o n d l y , t h e u s e o f a p h o s p h o r u s r e m o v a l c r i t e r i o n a s a b a s i s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c s e w a g e t o l a n d r a t h e r t h a n a c o n v e n t i o n a l w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n m a y b e p o s s i b l e . D u r i n g t h e t e r m o f t h i s r e s e a r c h t h e s o i l w a t e r c o n t e n t w a s c o n t i n u a l l y a b o v e t h e w a t e r c o n t e n t o f t h e s o - c a l l e d s o i l f i e l d c a p a c i t y b e c a u s e o f t h e a b n o r m a l l y h i g h a m o u n t o f r a i n f a l l . O n a s t r i c t l y w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n , n o e f f l u e n t w o u l d h a v e b e e n a p p l i e d t o t h e f o r e s t e d p l o t . D e s p i t e t h i s s o i l w a t e r c o n d i t i o n , n o p h o s p h o r u s w a s d e t e c t e d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l -l e c t e d b y t h e t e n s i o n l y s i m e t e r s . I t i s c l e a r t h a t t h e p r e s e n c e o f t h e a m o r p h o u s h y d r o u s o x i d e s i n t h e p o d z o l s o i l a n d t h e 1 6 3 r a p i d i t y o f t h e i n i t i a l p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n r e a c t i o n l i m i t e d t h e m o b i l i t y o f t h e p h o s p h o r u s d e s p i t e t h e w a t e r m o v e m e n t i n t h e s o i l . T h e s e r e s u l t s s u g g e s t t h a t a p h o s p h o r u s b a l a n c e m a y b e a b e t t e r o p e r a t i n g c r i t e r i o n t h a n a w a t e r b a l a n c e . ! I n p a r t i c u l a r , t h e f a s t r e a c t i o n t i m e b e t w e e n p h o s p h o r u s a n d t h e s o i l a n d t h e h i g h c a p a c i t y o f t h e p o d z o l s o i l t o r e m o v e p h o s -p h a t e s o v e r t h e l o n g t e r m m a y a l l o w t h e a d d i t i o n o f p h o s p h a t e s t o t h e s o i l t o b e t h e p r i m a r y f o c u s o f t h e i r r i g a t i o n o f d o m e s -t i c e f f l u e n t , w i t h t h e a d d i t i o n o f w a t e r a s e c o n d a r y c o n c e r n . S u c h a p l a n w o u l d i n v o l v e e v a l u a t i n g t h e p h o s p h a t e r e q u i r e m e n t s o v e r t h e g r o w i n g s e a s o n o f t h e c r o p , a n d m e e t i n g t h e s e r e q u i r e -m e n t s w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f p h o s p h a t e s i n t h e e f f l u e n t . A s o u n d m a n a g e m e n t p o l i c y o f p h o s p h a t e r e m o v a l b y c r o p s a n d s o i l c o n s t i t u e n t s d u r i n g t h e g r o w i n g s e a s o n m a y a l l o w t h e e f f l u e n t t o b e a p p l i e d t o t h e l a n d o n a l o n g t e r m b a s i s . 164 5.0 - SUMMARY AND C O N C L U S I O N T h e p r i m a r y a i m o f t h e r e s e a r c h r e p o r t e d h e r e i n w a s t o o b s e r v e t h e t r e n d o v e r t i m e o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f s p e c i f i c s o i l l e a c h a t e c o n s t i t u e n t s c o n t a i n e d i n d o m e s t i c e f f l u e n t a p -p l i e d t o a f o r e s t e d a r e a . F r o m J u l y 15, 1976 t o N o v e m b e r 12, 1976, 2 c m o f d o m e s t i c e f f l u e n t , t o w h i c h c o m m e r c i a l f e r t i l i z -2 e r h a d b e e n a d d e d , w a s s p r a y - i r r i g a t e d t w i c e w e e k l y t o a 900 m p l o t s i t u a t e d o n a m o u n t a i n s l o p e . T e n p o r o u s p l a t e t e n s i o n l y s i m e t e r s , i n s t a l l e d a t v a r i o u s d e p t h s a n d l o c a t i o n s i n t h e p o d z o l s o i l p r o f i l e , c o n t i n u o u s l y e x t r a c t e d t h e r e s u l t i n g s o i l l e a c h a t e . T h e s o i l w a t e r s a m p l e s c o l l e c t e d t w i c e p e r w e e k o v e r t h e d u r a t i o n o f t h e s t u d y , a s w e l l a s t h e a p p l i e d e f f l u -e n t s a m p l e s , w e r e a n a l y s e d f o r c h l o r i d e , n i t r a t e a n d t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n , a n d t o t a l a n d o r t h o p h o s p h o r u s . T h e c h l o r i d e i o n c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e t e n s i o n l y s i m e t e r s i n c r e a s e d i n m a g n i t u d e o v e r t h e d u r a t i o n o f t h e s t u d y u n t i l i t e v e n t u a l l y e q u a l l e d t h e v a l u e o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e a p p l i e d d o m e s t i c e f f l u e n t . T h i s t r e n d , a n d n o t t h e s u d d e n i n c r e a s e i n t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e a s p r e d i c t -e d b y t h e r e s e a r c h r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e , w a s t h o u g h t t o b e d u e t o t h e s u b s t a n t i a l a n i o n e x c h a n g e c a p a c i t y ( -AEC) i n t h e l o w p H p o d z o l t y p e s o i l f o u n d o n t h e f o r e s t e d p l o t . F r o m a c o n s i d e r a t i o n . o f t h e r e s u l t s o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n t r e n d o v e r t i m e , t h e s a m p l e d s o i l l e a c h a t e w a s a d i r e c t r e s u l t o f t h e a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e f f l u e n t . T h e 165 m o n i t o r i n g o f t h e c h l o r i d e c o n c e n t r a t i o n i n t h e s o i l l e a c h a t e c o l l e c t e d b y o n e l y s i m e t e r a l s o i n d i c a t e s t h a t t h e a p p l i e d e f f l u e n t m a y , f o r a s h o r t d i s t a n c e i n t h e s o i l , b y p a s s t h e s o i l m a t r i x t h r o u g h c h a n n e l s p o s s i b l y f o r m e d b y d e c a y e d t r e e r o o t s . T h e T K N a n d n i t r a t e n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n t r e n d s w i t h t i m e s u g g e s t t h a t m i c r o b i o l o g i c a l i m m o b i l i z a t i o n w a s p l a y i n g a m a j o r r o l e i n t h e r e m o v a l o f t h e n i t r o g e n c o n t a i n e d i n t h e a p p l i e d e f f l u e n t . A m i c r o b i o l o g i c a l p o p u l a t i o n l e v e l s u f f i c i e n t t o s u s t a i n a d e g r e e o f a c t i v i t y a s s o c i a t e d w i t h a - p a r t i c u l a r a m o u n t o f a p p l i e d e f f l u e n t w o u l d b e b u i l t u p . T h e a d d i t i o n o f a l a r g e r a m o u n t o f n i t r o g e n w o u l d n o t b e i m m o b i l i z e d b y t h e m i c r o b i o l o g i c a l p o p u l a t i o n p r e s e n t a n d a f r a c t i o n o f t h i s n i -t r o g e n w o u l d m o v e w i t h t h e e f f l u e n t t h r o u g h t h e s o i l p r o f i l e . I n r e s p o n s e t o t h i s i n c r e a s e d a m o u n t o f r e a d i l y a v a i l a b l e n i t r o g e n , t h e m i c r o b i o l o g i c a l p o p u l a t i o n w o u l d i m m e d i a t e l y b e g i n t o i n c r e a s e i n n u m b e r s u n t i l a l e v e l w a s r e a c h e d t h a t c o u l d b e s u s t a i n e d b y t h e a m o u n t o f n i t r o g e n b e i n g a p p l i e d t o t h e f o r e s t e d p l o t . T h i s w a s r e f l e c t e d b y a d e c r e a s e i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n a n d t o t a l K j e l d a h l n i t r o g e n c o n c e n t r a t i o n l e v e l s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e t e n s i o n l y s i m e t e r s . W h i l e i t i s r e c o g n i z e d t h a t t h e v e g e t a t i o n o n t h e i r -r i g a t i o n s i t e w o u l d a s s i m i l a t e a p o r t i o n o f t h e r e a d i l y a v a i l -a b l e n i t r a t e n i t r o g e n a n d T K N , t h e t r e n d i n t h e n i t r a t e n i t r o g e n a n d T K N c o n c e n t r a t i o n s i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s w a s s h a p e d b y m i c r o b i o l o g i c a l a c t i v i t y i n t h e L F H h o r i z o n o f t h e f o r e s t 1 6 6 f l o o r . C l e a r l y , i f t h e d o m e s t i c e f f l u e n t i s a p p l i e d d u r i n g t h e w a r m s e a s o n t o a f o r e s t e d p l o t c o n t a i n i n g a l i t t e r z o n e s i m i l a r t o t h e o n e f o u n d o n t h e p l o t i n t h i s r e s e a r c h , t h e n a n i t r o g e n b a l a n c e m a y b e u s e d a s a n o p e r a t i n g c r i t e r i o n r a t h e r t h a n a w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n . D e s p i t e a s o i l w a t e r c o n t e n t c o n t i n u a l l y a b o v e t h e f i e l d c a p a c i t y , l i t t l e n i t r o g e n w a s f o u n d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s e x c e p t o n t h e o c c a s i o n s n o t e d a b o v e . T h i s d e m o n s t r a t e s t h a t a n i t r o g e n b a l a n c e b a s e d o n m i c r o b i o l o g i c a l a n d v e g e t a t i o n a s s i m i l a t i o n m a y b e a p o s -s i b l e d e s i g n a n d o p e r a t i n g c r i t e r i o n f o r t h e r e c y c l i n g o f d o -m e s t i c e f f l u e n t t o a s o i l s i m i l a r t o t h e o n e f o u n d a t t h e r e s e a r c h s i t e . O v e r a l o n g t i m e s p a n t h e r a t e o f n i t r o g e n m i n e r a l i z a t i o n w o u l d p r o b a b l y b e g i n t o e q u a l t h e r a t e o f n i -t r o g e n i m m o b i l i z a t i o n a n d r e d u c e d N r e m o v a l w o u l d o c c u r . I n t h e r e s e a r c h r e s u l t s r e p o r t e d h e r e i n , n o p h o s p h o r u s w a s d e t e c t e d i n t h e s o i l l e a c h a t e s a m p l e s c o l l e c t e d b y t h e l y s i m e t e r s s i t u a t e d i n t h e f o r e s t s o i l p r o f i l e . T h e r e a r e s e v e r a l r e a s o n s f o r t h i s p h e n o m e n o n . T h e h i g h c a r b o n c o n t e n t i n t h e d e c a y i n g o r g a n i c m a t t e r c o m p r i s i n g t h e L F H h o r i z o n w o u l d s u s t a i n a n i n c r e a s e d m i c r o b i o l o g i c a l p o p u l a t i o n i n t h e p r e -s e n c e o f t h e r e a d i l y a s s i m i l a t e d n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s c o m -p o u n d s i n d o m e s t i c e f f l u e n t . A l s o , t h e a p p l i e d p h o s p h o r u s w o u l d b e i m m o b i l i z e d b y t h e a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m c o m -p o u n d s f o u n d i n t h e A e a n d B h o r i z o n s o f t h e p o d z o l s o i l p r o -f i l e . T h e s e c o m p o u n d s c o m p r i s e a s i z e a b l e w e i g h t f r a c t i o n o f 1 6 7 t h e p o d z o l s o i l . I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e r e a c t i o n s b e t w e e n p h o s p h o r u s a n d t h e i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i n a p o d z o l s o i l , b a t c h s c a l e t e s t s w e r e u n d e r t a k e n . I t w a s i m m e d i a t e l y o b v i o u s f r o m t h e p h o s p h o r u s t i m e - a d s o r p t i o n r e s u l t s t h a t t h e p h o s p h o r u s r e a c t i o n w i t h t h e a m o r p h o u s i r o n a n d a l u m i n u m c o m p o u n d s i s v e r y f a s t . N o t o n l y w a s t h i s r e i n f o r c e d b y s i m i l a r r e s u l t s r e p o r t e d i n t h e l i t e r a t u r e , b u t t h e l i t e r a t u r e i n d i c a t e d t h a t a s e c o n d s l o w e r r e a c t i o n o c c u r s i n w h i c h i r o n a n d a l u m i n u m a r e r e l e a s e d f r o m t h e l a t t i c e o f a m o r p h o u s c o m p o u n d s a n d r e a c t w i t h p h o s -p h o r u s t o f o r m a n e w c r y s t a l . T h e p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n m a x i -mum, a s c a l c u l a t e d b y t h e L a n g m u i r i s o t h e r m , r e p r e s e n t s t h e m a x i m u m a m o u n t o f p h o s p h o r u s t h a t c a n b e t r u l y a d s o r b e d b y t h e s o i l p a r t i c l e s o v e r t h e t e r m o f t h e i n i t i a l r e a c t i o n . S i n c e i t d o e s n o t t a k e a c c o u n t o f t h e s l o w e r f i x a t i o n o f p h o s -p h o r u s , t h e L a n g m u i r a d s o r p t i o n m a x i m u m w i l l p r e d i c t a l o w e r v a l u e o f t h e a m o u n t o f p h o s p h o r u s t h a n t h a t w h i c h w i l l i n f a c t b e f i x e d b y t h e p o d z o l s o i l . T h e r e a c t i o n o f p h o s p h o r u s w i t h t h e c o n s t i t u e n t s o f a p o d z o l s o i l i n d i c a t e t h a t i t m a y b e p o s s i b l e t o i r r i g a t e d o m e s t i c e f f l u e n t , b a s e d o n a p h o s p h o r u s b a l a n c e c r i t e r i o n r a t h e r t h a n o n a w a t e r b a l a n c e c r i t e r i o n . 1 6 8 R E F E R E N C E S A l e x a n d e r , N . 1961. I n t r o d u c t i o n t o s o i l m i c r o b i o l o g y . J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . , U . S . A . A l l i s o n , F . E . 1966. T h e f a t e o f n i t r o g e n a p p l i e d t o s o i l s . A d v a n . A g r o n . , 1 8 : 219 - 259-A r m s t r o n g , J . E . 1957- S u r f a c i a l G e o l o g y o f N e w W e s t m i n s t e r m a p a r e a , B r i t i s h C o l u m b i a , C a n a d a , D e p t . o f M i n e s a n d T e c h n i c a l S u r v e y s , P a p e r 57-5• B a a r s , J . K . 1964. P r i n c i p l e s a n d a p p l i c a t i o n s o f a q u a t i c m i c r o b i o l o g y . C h a p . 17• J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . U . S . A . B a c h e , B . W . 1964. A l u m i n u m a n d i r o n p h o s p h a t e s t u d i e s r e l a t i n g t o s o i l s . J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e , 15* 110-1 B a l l a r d , R . a n d F i s k e l l , J . G . A . 1974. P h o s p h o r u s r e t e n t i o n i n c o a s t a l p l a i n f o r e s t s o i l s . I . R e l a t i o n s h i p t o s o i l p r o p e r t i e s . S o i l S c i . S b c . A m e r . P r o c . , 38: 250 - 255 B a t e s , T . E . a n d T i s d a l e , S . L . 1957- T h e m o v e m e n t o f n i t r a t e n i t r o g e n t h r o u g h c o l u m n s o f c o a r s e t e x t u r e d s o i l m a t e r i a l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . , 21: 525. B a v e r , L . D . , G a r d n e r , W . H . , a n d G a r d n e r , W . R . 1972. S o i l p h y s i c s . J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . U . S . A . B e e k , J . , d e H a a n , F . A . M . , a n d v a n R i e m s d i j k , W . H . , 1977-P h o s p h a t e s i n s o i l s t r e a t e d w i t h s e w a g e w a t e r : I . G e n e r a l i n f o r m a t i o n o n s e w a g e f a r m , s o i l , a n d t r e a t m e n t r e s u l t s . J . E n v i r o n . Q u a l i t y , 6: 4-7* B e e k , J . , d e H a a n , F . A . M . , a n d v a n R i e m s d i j k , W . H . 1977b. P h o s p h a t e s i n s o i l s t r e a t e d w i t h s e w a g e w a t e r : I I . F r a c t i o n a t i o n o f a c c u m u l a t e d p h o s p h a t e s . J . E n v i r o n . Q u a l i t y , 7- 7-12, B l a c k , C . A . 1968. S o i l p l a n t r e l a t i o n s h i p s . J o h n W i l e y a n d S o n s , I n c . , U . S . A . B i n M o h a m e d A l i , Z . 1975- E v a l u a t i o n o f e x t r a c t i o n a n d p r e -t r e a t m e n t o f s o i l m a n g a n e s e a n d a s s o c i a t e d e l e m e n t s . M . S c . T h e s i s , U . B . C . , V a n c o u v e r . 169 Bourgeois, W.W. I 9 6 9 . A study of s o i l s and leachates from two f o r e s t s i t e s u s i n g tension l y s i m e t e r s . M.Sc. Thesis, U.B.C., Vancouver. Bouwer, H. and Chaney., R.L. 1974. Land treatment of waste water. Advances i n Agronomy, 26: 137-176.' Broadbent, F.E.,and T y l e r , K.B. 1962. Laboratory and green house i n v e s t i g a t i o n s of ni t r o g e n i m m o b i l i z a t i o n . S o i l S c i . Soc. Amer. P r o c , 26: 459-462. Chamberlin, T.W. 1972. I n t e r f l o w i n the mountainous f o r e s t s o i l s of c o a s t a l B r i t i s h Columbia. 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S o p p e r a n d L . T . K a r d o s , ( e d s . ) R e c y c l i n g t r e a t e d m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t h r o u g h f o r e s t a n d c r o p l a n d . P e n n . . S t a t e U n i v . P r e s s , U n i v e r s i t y P a r k . E n f i e l d , C . G . a n d B l e d s o e , B . E . 1975. F a t e o f w a s t e w a t e r p h o s p h o r u s i n s o i l . J o u r n a l o f t h e I r r i g a t i o n a n d D r a i n a g e D i v i s i o n , A s c e . 101: 145-155. E n f i e l d , C . G . , C u r t i s , C . H . , a n d B l e d s o e , B . E . 1976. C o m -p a r i s o n o f f i v e k i n e t i c m o d e l s f o r o r t h o p h o s p h a t e r e a c t i o n s i n m i n e r a l s o i l s . 40: 243-249. F r a s e r , G . K . 1955- S o i l o r g a n i c m a t t e r i n B e a r ( e d ) C h e m -i s t r y o f t h e s o i l A c s M o n o g r . N o . 126, R e i n h o l d P u b l . C o r p o r . , N . Y . , 149-176. F e l b e c k , G . T . , 1965- S t r u c t u r a l c h e m i s t r y o f s o i l h u m i c s u b s t a n c e s . A d v . A g r o n . 17: 327-368. F e l b e c k , G . T . 1971. S t r u c t u r a l h y p o t h e s i s o f s o i l h u m i c a c i d s . S o i l S c i e n c e , 111: 42-48. F l a i g , W. 1971. O r g a n i c c o m p o u n d s i n s o i l . S o i l S c i e n c e , 111: 19-27. G e r b a , C P . , W a l l i s , C, a n d M e l n i c k , J . L . 1975- F a t e o f w a s t e w a t e r b a c t e r i a a n d v i r u s e s i n s o i l . T h e J o u r n a l o f t h e I r r i g a t i o n a n d D r a i n a g e D i v i s i o n , A s c e , 101: 157-174. G r e e n b e r g , A . E . a n d M c G a u h e y , P . H . 1955- C h e m i c a l c h a n g e s i n s e w a g e d u r i n g r e c l a m a t i o n b y s p r e a d i n g . S o i l S c i . 79: 33-39. G r e e n l a n d , D . J . a n d O a d e s , J . M . 1969- I r o n h y d r o x i d e s a n d c l a y s u r f a c e s . 9"th I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o f S o i l S c i e n c e , A d e l a i d e , 1: 657-668. G r e e n l a n d , D . J . 1971. I n t e r a c t i o n s b e t w e e n h u m i c a n d f u l v i c a c i d a n d c l a y s . S o i l S c i e n c e , 111: 34-41. G r i m m , R . E . 1968. C l a y m i n e r a l o g y , M c G r a w H i l l B o o k C o m p a n y , U . S . A . H a r t e r , R . D . 1969- P h o s p h o r u s . a d s o r p t i o n s i t e s i n s o i l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 33: 63O-632. 171 H a r t e r , R . D . a n d F o s t e r , B . B . 1976. C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f p h o s p h o r u s m o v e m e n t t h r o u g h s o i l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 40: 239-242. H a w o r t h , R . D . 1971. T h e c h e m i c a l n a t u r e o f h u m i c a c i d . S o i l S c i e n c e , 111: 71-79-, H e i l m a n , P . ; 1974. E f f e c t o f u r e a f e r t i l i z a t i o n o n n i t r i f i -c a t i o n i n f o r e s t s o i l s o f t h e P a c i f i c N o r t h w e s t . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 38: 664-667. H e m , J . D . 1968. A l u m i n u m s p e c i e s i n w a t e r . A d v . C h e m . S e r i e s , 73* 99-11*+. H e m w a l l , J . B . 1957. T h e f i x a t i o n o f p h o s p h o r u s i n s o i l s . A d v a n c e s i n A g r o n o m y , 9* 95-112. H i l l e l , D . 1971. S o i l a n d w a t e r . A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k . H i n g s t o n , F . J . , P o s n e r , A . M . , a n d Q u i r k , J . P . 1972. A n i o n a d s o r p t i o n h y g o e t h i t e a n d g i b b s i t e . I . T h e r o l e o f t h e p r o t o n i n d e t e r m i n i n g a d s o r p t i o n e n v e l o p e s . J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e , 23: 177-192. H s u , P . H . a n d R e n n i e , D . A . 1962. A d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e . b y X - r a y a m o r p h o u s " a l u m i n u m h y d r o x i d e " . C a n . J . o f S o i l S c i . , 42:197-209. H s u , P . H . a n d R e n n i e , D . A . 1962. P r e c i p i t a t i o n o f p h o s p h a t e i n a l u m i n u m s y s t e m s . C a n . J . o f S o i l S c i . 42: 210-221. H s u , P . H . 1964. A d s o r p t i o n o f p h o s p h a t e b y a l u m i n u m a n d i r o n i n s o i l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 28: 474-478. H s u , P . H . a n d B a t e s , T . F . 1964. F o r m a t i o n o f X - r a y a m o r p h o u s a n d c r y s t a l l i n e a l u m i n u m h y d r o x i d e s . M i n e r a l M a g . 33 : 749-768. H s u , P . H . 1965. F i x a t i o n o f p h o s p h o r u s b y a l u m i n u m a n d i r o n i n a c i d i c s o i l s . S o i l S c i e n c e , 99s 398-402. H s u , P . H . 1968. I n t e r a c t i o n b e t w e e n a l u m i n u m a n d p h o s p h a t e i n a q u e o u s s o l u t i o n . A d v . C h e m . S e r i e s , 73 : 115-127. J o h n , M . K . 197*4-. W a s t e w a t e r r e n o v a t i o n t h r o u g h s o i l p e r c o -l a t i o n . W a t e r , A i r a n d S o i l P o l l u t i o n , 3: 3-10. J o h n s o n , R . D . , J o n e s , R . L . , H i n e s l y , T . D . , a n d D a v i d , D . J . 1974. S e l e c t e d c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s , f o r a g e s , a n d d r a i n a g e w a t e r f r o m t h e s e w a g e f a r m s e r v i n g M e l b o u r n e , A u s t r a l i a . F o r U . S . D e p a r t m e n t o f t h e A r m y C o r p s , o f E n g i n e e r s . 172 K a o , C . W . a n d B l a n c h a r , R . W . 1973- D i s t r i b u t i o n a n d c h e m i s t r y o f p h o s p h o r u s i n a n a i p a q u a l f s o i l a f t e r 82 y e a r s o f p h o s p h a t e f e r t i l i z a t i o n . J . E n v i r o n . Q u a l i t y , 2: 237-240..-' K a r d o s , L . T . a n d S o p p e r , W . E . 1974. R e n o v a t i o n o f m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t h r o u g h l a n d d i s p o s a l b y s p r a y i r r i g a t i o n , i n W . E . S o p p e r a n d L . T . K a r d o s ( e d s . ) R e c y c l i n g o f t r e a t e d m u n i c i p a l w a s t e w a t e r t h r o u g h f o r e s t a n d c r o p -l a n d . P e n n S t a t e U n i v . P r e s s . , U n i v e r s i t y P a r k . K a r d o s , L . T . a n d H o o k , J . E . 1976. B h o r p h o r u s B a l a n c e i n s e w a g e e f f l u e n t t r e a t e d s o i l s . J . E n v i r o n . Q u a l . , 1: 87-90. K i t t r i c k , J . A . a n d J a c k s o n , M . L . 1955• R a t e o f p h o s p h a t e r e a c t i o n w i t h s o i l m i n e r a l s a n d e l e c t r o n m i c r o s c o p e o b s e r v a t i o n s i n t h e r e a c t i o n m e c h a n i s m . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 19: 292-295-K i t t r i c k , J . A . a n d J a c k s o n , M . L . 1956. E l e c t r o n - m i c r o s c o p e o b s e r v a t i o n s o f t h e r e a c t i o n o f p h o s p h a t e s w i t h m i n e r a l s l e a d i n g t o a u n i f i e d t h e o r y o f p h o s p h a t e f i x a t i o n i n s o i l s . J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e , 7" 81-89. K o h r , C . C . 1973- A l y s i m e t e r s t u d y o f d o m e s t i c w a s t e w a t e r r e n o v a t i o n b y f o r e s t s o i l r e n o v a t i o n . M . S c . T h e s i s , U . B . C . , V a n c o u v e r . K u o , S . a n d L o t s e , E . G . , 1974. K i n e t i c s o f p h o s p h a t e a d s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n b y h e m a t i t e a n d g i b b s i t e . S o i l S c i e n c e 116: 400-406. K r a j i n a , U . 1969. E c o l o g y o f W e s t e r n N o r t h A m e r i c a . 2(1). D e p t . o f B o t a n y , U n i v . o f B r i t i s h C o l u m b i a , V a n c o u v e r , B r i t i s h C o l u m b i a . L a m e r i s , C L . 1964. N a p y r o p h o s p h a t e ( N a + P0O7) r a t h e r t h a n c a l g o n . N e t h . J . A g r i c . S c i . , 12: $0-56. L a n c e , J . C 1975• F a t e o f N i t r o g e n i n S e w a g e e f f l u e n t a p p l i e d t o s o i l . J o u r n a l o f t h e I r r i g a t i o n a n d D r a i n a g e D i v i s i o n . A s c e , 101: 131-144. L a n d a , E . ' R . a n d G a s t , R . G . 1973- E v a l u a t i o n o f c r y s t a l l i n i t y i n h y d r a t e d f e r r i c o x i d e s , c l a y s a n d m i n e r a l s , 21: 121-130. L a w t o n , K . 1955• C h e m i c a l c o m p o s i t i o n o f s o i l s . C h e m i s t r y i n t h e S o i l , i n B e a r ( e d ) C h e m i s t r y o f t h e S o i l a c s M o n o g r . N o . 126". R e i n h o l d P u b l . C o r p o r . , N . Y . , 53-84. 1 7 3 L e e p e r , G . W . a s r e p o r t e d b y W e b b e r , L . R . a n d L e y s o n , A . J . 1 9 7 5 - S o i l c h a n g e s . P r o c . s p r a y i r r i g a t i o n o f t r e a t e d w a s t e w a t e r e f f l u e n t , E n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n S e r v i c e , E n v i r o n m e n t C a n a d a , H a r r i s o n H o t S p r i n g s , B . C . L u t t m e r d i n g , H . A . a n d S p r o u t , P . N . 1 9 6 8 . S o i l s u r v e y o f M i s s i o n a r e a - P r e l i m i n a r y r e p o r t N o . 9 o f t h e L o w e r F r a s e r V a l l e y s o i l s u r v e y . B . C . D e p a r t m e n t o f A g r i -c u l t u r e , K e l o w n a , B . C . M a r t i n , A . E . a n d R e e v e , R . i 9 6 0 . C h e m i c a l s t u d i e s o f p o d z o l i c i l l u v i a l h o r i z o n s : I V . T h e f l o c c u l a t i o n o f h u m u s b y a l u m i n u m . J . S o i l S c i . , 1 1 : 3 6 O - 3 8 I . M c K a y , G . A . 1 9 7 0 . P r e c i p i t a t i o n . i n D . M . G r a y ( e d ) : H a n d b o o k o n t h e p r i n c i p l e s o f h y d r o l o g y . S e c r e t a r i a t , C a n a d i a n N a t i o n a l C o m m i t t e e f o r t h e I n t e r n a t i o n a l H y d r o l o g i c a l D e c a d e , O t t a w a . M i l l e r , R . H . 1 9 7 4 . T h e s o i l a s a b i o l o g i c a l f i l t e r . i n W . E . S o p p e r a n d L . T . K a r d o s ( e d s . ) R e c y c l i n g T r e a t e d M u n i c i p a l W a s t e w a t e r t h r o u g h F o r e s t a n d C r o p l a n d . P e r m . S t a t e U n i v . P r e s s . U n i v e r s i t y P a r k . M i t c h e l l , B . D . , F a r m e r , V . C . , a n d M c H a r d y , W . J . 1 9 6 4 . A m o r -p h o u s i n o r g a n i c m a t e r i a l s i n s o i l . A d v a n c e s i n A g r o n o m y , 1 6 : 3 2 7 - 3 7 5 . M o r t e n s e n , J . L . 1 9 6 3 . C o m p l e x i n g o f m e t a l s i n s o i l o r g a n i c m a t t e r . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . - , 2 7 : 186 -197 . M o r t l a n d , M . M . 1 9 5 8 . R e a c t i o n s o f a m m o n i a i n s o i l . A d v a n c e s i n A g r o n o m y , 1 0 : 325-348. M u l j a d i , D . , P o s n e r , A . M . , a n d Q u i r k , J . P . 1 9 6 6 a . T h e M e c h a n i s m o f p h o s p h a t e a d s o r p t i o n o f k a o l i n i t e , g i b b s i t e a n d p s e u d o b o e h m i t e . P a r t I . T h e i s o t h e r m a n d t h e e f f e c t o f p H o n a d s o r p t i o n . J o u r n a l o f S o i l S c i e n c e , 17: 2 1 2 - 2 2 9 . N a g p a l , N . K . a n d d e V r i e s , J . , 1 9 7 6 . H y d r o l o g y o f m o u n t a i n s l o p e s . . I n t e r i m R e p o r t , C a n a d i a n F o r e s t S e r v i c e , E n v i r o n m e n t C a n a d a , O t t a w a . N e u r o h r , G . 1 9 7 5 - S p r a y i r r i g a t i o n i n C a n a d a - a p r e l i m i n a r y o v e r v i e w . - P r o c . s p r a y i r r i g a t i o n o f t r e a t e d w a s t e w a t e r e f f l u e n t s , E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n S e r v i c e , E n v i r o n m e n t C a n a d a , H a r r i s o n H o t S p r i n g s , B . C . N g K e e K w o n g , K . F . a n d H a u n g , P . M . 1 9 7 5 - I n f l u e n c e o f c i t r i c a c i d o n t h e c r y s t a l l i z a t i o n o f a l u m i n u m h y d r o x i d e s , c l a y s a n d c l a y m i n e r a l s , ,2'3: 164 - 1 6 5 . 174 N o v a k , L . T . , A d r i a n o , D . C , C o u l m a n , C A . a n d S h a h , D . B . 1975. P h o s p h o r u s m o v e m e n t i n s o i l s : T h e o r e t i c a l a s p e c t s . J . E n v i r o n . Q u a l . , 4: 93-102. N o v a k , L . T . , A d r i a n o , D . C . 1975. P h o s p h o r u s m o v e m e n t i n s o i l : - o r t h o p h o s p h a t e r e a c t i o n k i n e t i c s . J . E n v i r o n . Q u a l . , 2:261-266. O l d h a m , W . K . 1975- W a t e r p o l l u t i o n p o t e n t i a l o f s p r a y i r r i g a t i o n b y u s i n g s e c o n d a r y e f f l u e n t . P r o c . s p r a y i r r i g a t i o n o f t r e a t e d w a s t e w a t e r e f f l u e n t s . E n v i r o n - , m e n t a l P r o t e c t i o n S e r v i c e , E n v i r o n m e n t C a n a d a , H a r r i s o n H o t S p r i n g s , B . C . O l s e n , S . R . a n d W a t a n a b e , F . S . 1957. A m e t h o d t o d e t e r m i n e , a p h o s p h o r u s a d s o r p t i o n m a x i m u m o f s o i l s a s m e a s u r e d b y t h e L a n g m u i r i s o t h e r m . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . 21: 144-149. O v e r r e i n , L . N . 1967- I m m o b i l i z a t i o n a n d m i n e r a l i z a t i o n o f t r a c e r n i t r o g e n i n f o r e s t r a w h u m u s . 1. E f f e c t o f t e m p e r a t u r e c - o n t h e i n t e r c h a n g e o f n i t r o g e n a f t e r a d d i t i o n o f u r e a - N . S o i l S c i . 106: 280-290. O v e r r e i n , L . N . a n d M o e , P . C 1967- F a c t o r s a f f e c t i n g u r e a h y d r o l y s i s a n d a m m o n i a v o l a t i l i z a t i o n i n s o i l . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 31: 57-61. O t c h e r e - B o a t e n g , J . , 1976. E f f e c t o f u r e a f e r t i l i z a t i o n o n l e a c h i n g i n s o m e f o r e s t s o i l s . P h . D . T h e s i s , U . B . C . , V a n c o u v e r , B . C . P e n n y p a c k e r , S . P . , S o p p e r , W . E . a n d K a r d o s , L . T . I967. R e n o v a t i o n o f w a s t e w a t e r e f f l u e n t b y i r r i g a t i o n o f f o r e s t l a n d . J o u r . W a t e r P o l l . C o n t . F e d . , 39: 285-296. P o n o m a r e v a , V . V . 1969. T h e o r y o f p o d z o l i z a t i o n . T r a n s . R u s s i a n I s r a e l P r o g r a m f o r S c i . T r a n s i . J e r u s a l e m . P o u n d , C . E . a n d C r i t e s , R . W . 1975- T r e a t m e n t o f m u n i c i p a l w a s t e s b y l a n d a p p l i c a t i o n . W a t e r a n d S e w a g e W o r k s , R45: 45-56. P r e u l , H . C a n d S c h r o e f f e r , G . J . , I968, T r a v e l o f n i t r o g e n i n s o i l s . J o u r . W a t e r P o l l . C o n t . F e d . , 40 : 30-48. R a j a n , S . S . S . , P e r r o t t , K . W . , a n d S a u n d e r s , W . M . H . 1974. I d e n t i f i c a t i o n o f p h o s p h a t e - r e a c t i v e s i t e s o f h y d r o u s a l u m i n a f r o m p r o t o n c o n s u m p t i o n d u r i n g p h o s p h a t e a d s o r p t i o n a t c o n s t a n t p H v a l u e s . J o u r n a l o f S o i l ' S c i e n c e , 25: 438-447. 175 R i c h , C . I . a n d T h o m a s , G . W . i960. T h e c l a y f r a c t i o n o f s o i l s . A d v a n c e s i n A g r o n o m y , 12: 1-34. R e n n i e , D . A . a n d M c K e r c h e r , R . B . 1959. A d s o r p t i o n o f p h o s -p h o r u s b y f o u r S a s k a t c h e w a n s o i l s . C a n . J . o f S o i l S c i . , 39: 64-75. S a l o n i u s , P . O . 1972. M i c r o b i o l o g i c a l r e s p o n s e t o f e r t i l i z e r t r e a t m e n t s i n o r g a n i c f o r e s t s o i l s . S o i l S c i e n c e , 113 - 1 1 4 : 12-19. S a w h n e y , B . L . a n d H i l l , D . E . 1975- P h o s p h a t e s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s o i l s t r e a t e d w i t h d o m e s t i c w a s t e -w a t e r . J . E n v i r . Q u a l . , 4: 342-346. S a w h n e y , B . L . 1977- P r e d i c t i n g p h o s p h a t e m o v e m e n t t h r o u g h a s o i l c o l u m n . J . E n v i r o n . Q u a l . , 6: 86-89. S c h n i t z e r , M . 1968. R e a c t i o n b e t w e e n o r g a n i c m a t t e r a n d i n o r g a n i c s o i l c o n s t i t u e n t s . 9th I n t . C o n g r . S o i l S c i . A d e l a i d e , A u s t r a l i a 1: 635-644. S c h w e r t m a n , U . , F i s c h e r , W . R . , P a p e n d o r f , H . 1968. T h e i n f l u e n c e o f o r g a n i c c o m p o u n d s o n t h e f o r m a t i o n o f i r o n o x i d e s . T r a n s . 9th I n t . C o n g r . S o i l S c i . 1, 645-655. S c h n i t z e r , M . a n d K h a n , S . U . 1972. H u m i c s u b s t a n c e s i n t h e E n v i r o n m e n t . M a r c e l D e k k e r , I n c . , N . Y . S c h w e r t m a n n , U . 1966. I n h i b i t o r y e f f e c t o f s o i l o r g a n i c m a t t e r o n t h e c r y s t a l l i z a t i o n o f a m o r p h o u s f e r r i c h y d r o x i d e . N a t u r e . 212: 645-646. S h a h , D . B . , C o u l m a n , G . A . , N o v a k , L . T . , a n d E l l i s , B-v.G. 1975. A m a t h e m a t i c a l m o d e l f o r p h o s p h o r u s m o v e m e n t i n s o i l s . J . E n v i r o n . Q u a l . , 4: 87-92. S i m o n s o n , R . W . 1959- M o d e r n c o n c e p t s o f s o i l g e n e s i s - a s y m p o s i u m . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . , 23: 152-156. S m i t h , S . J . 1972. R e l a t i v e r a t e o f c h l o r i d e m o v e m e n t i n l e a c h i n g o f s u r f a c e s o i l s . S o i l S c i . , 113 - 1 1 4 : 259-263. S o h n , S . B . a n d P e e c h , M . 1958. R e t e n t i o n a n d f i x a t i o n o f a m m o n i a b y s o i l s . S o i l S c i . , 85: 1-9-S t a l e x , L . M . 197*+• N u t r i e n t c h a n g e s i n l i v e s t o c k w a s t e s f r o m s o m e s t o r a g e a n d l a n d s p r e a d i n g m e t h o d s . P r o c . C a n . S o c . A g r i c . E n g . A n n u a l m e e t i n g , V i c t o r i a , B . C . 176 S t a n d a r d . M e t h o d s f o r t h e E x a m i n a t i o n o f w a t e r a n d w a s t e w a t e r 1975- l4 t h e d . , A m e r i c a n P u b l i c H e a l t h A s s o c i a t i o n , U . S . A . S t e v e n s o n , F . J . 1964. S o i l o r g a n i c m a t t e r . i n B e a r ( e d ) . C h e m i s t r y o f S o i l A c s M o n o g r . N o . 160. R e i n h o l d P u b l . C o r p o r . , N . Y . S t e v e n s o n , F . J . 1972. O r g a n i c m a t t e r r e a c t i o n s i n v o l v i n g h e r b i c i d e s i n s o i l . J . E n v i r o n . Q u a l . , 1: 333-343-S t e w a r t , B . A . a n d W e b b e r , L . R . 1976. C o n s i d e r a t i o n o f s o i l s f o r a c c e p t i n g w a s t e s . i n L a n d A p p l i c a t i o n ' o f W a s t e M a t e r i a l s . S o i l C o n s e r v a t i o n S o c i e t y o f A m e r i c a . A n k e n y , I o w a , 8-21. S t o b b e , P . C . a n d W r i g h t , J . R . 1959. M o d e r n c o n c e p t o f t h e g e n e s i s o f p o d z o l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . , 23: 161-164. S t o n e , R . a n d G a r b e r , W . F . 1952. S e w a g e r e c l a m a t i o n b y s p r e a d -i n g b a s i n i n f i l t r a t i o n . P r o c . A m . S o c . C i v i l E n g . , 117: 1189-1217-S u l l i v a n , R . H . , C o n n , M . M . a n d B a x t e r , S . S . 1973. S u r v e y o f f a c i l i t i e s u s i n g l a n d a p p l i c a t i o n o f w a s t e w a t e r . E P A - 430/9 - 73-006. U . S . E n v i r o n . P r o t e c t i o n A g e n c y , W a s h i n g t o n , D . C . T i s d a l e , S . L . a n d N e l s o n , W . L . 1975- S o i l f e r t i l i t y a n d f e r t i l i z e r , T h e M a c M i l l i a n C o m p a n y , N . Y . , U . S . A . T u l l o c k , R . J . , C o l e m a n , N . T . , a n d P r a t t , P . F . 1975. R a t e o f c h l o r i d e a n d w a t e r m o v e m e n t i n s o u t h e r n C a l i f o r n i a s o i l s . J . E n v i r o n . Q u a l . , 4: 127-131. v a n R i e m s d i j k , W . H . , W e s t s t r a t e , F . A . a n d B e e k , J . 1977-P h o s p h a t e s i n s o i l s t r e a t e d w i t h s e w a g e w a t e r : I I I . K i n e t i c s t u d i e s o n t h e r e a c t i o n o f p h o s p h a t e w i t h a l u m i n u m c o m p o u n d s . J . E n v i r o n . Q u a l . , 6: 26-29-v a n O l p h e n , H . 1963- C l a y c o l l o i d c h e m i s t r y . I n t e r s c i e n c e P u b l i s h e r s , N e w Y o r k . V i s e n t i n , G . , 1974. A s p e c t s o f t h e i n o r g a n i c a m o r p h o u s s y s t e m o f humo f e r r i c p o d z o l s o f t h e l o w e r m a i n l a n d . M . S c . T h e s i s , U . B . C . , V a n c o u v e r . W a d a , K . a n d H a r w a r d , M . E . , 1974. A m o r p h o u s c l a y c o n s t i t u -e n t s i n s o i l s . A d v a n c e s i n A g r o n o m y . 26: 211-254. 177 W a l s h , L . M . , S u m n e r , M . R . , a n d C o r e y , R . B , . , 1976. C o n s i d e r a t i o n o f s o i l s f o r a c c e p t i n g p l a n t n u t r i e n t s a n d p o t e n t i a l l y t o x i c n o n e s s e n t i a l e l e m e n t s . i n L a n d A p p l i c a t i o n o f W a s t e M a t e r i a l s . S o i l C o n s e r v a t i o n S o c i e t y o f A m e r i c a , A n k e n y , I o w a , 22-48. W a y m a n , C . H . , 1967. A d s o r p t i o n o n c l a y s , p r i n c i p l e s a n d a p p l i c a t i o n s o f w a t e r c h e m i s t r y . i n P r o c e e d i n g s o f F o u r t h R u d o l p h s C o n f e r e n c e . J o h n W i l e y a n d S o n s , N e w Y o r k , 1 2 7 - 1 6 8 . W e b b e r , L . R . a n d L e y s h o n , A . J . , 1975- S o i l c h a n g e s . P r o c . s p r a y i r r i g a t i o n o f t r e a t e d w a s t e w a t e r e f f l u e n t s , E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n S e r v i c e , E n v i r o n m e n t C a n a d a , H a r r i s o n H o t S p r i n g s , B . C . W e t s e l a a r , R . , 1962. N i t r a t e d i s t r i b u t i o n i n t r o p i c a l s o i l s I I I . D o w n w a r d m o v e m e n t a n d a c c u m u l a t i o n o f n i t r a t e i n s u b s o i l , p l a n t s o i l , 16: 1 9 - 3 1 -W i k l a n d e r , L . 1964. C a t i o n a n d a n i o n e x c h a n g e p h e n o m e n a . C h e m i s t r y o f s o i l . i n B e a r ( e d ) C h e m i s t r y o f s o i l . A c s M o n o g r . N o . 160. R e i n h o l d P u b l . C o r p o r . , N . Y . 1 6 3 - 2 0 5 . W r i g h t , J . R . a n d S c h n i t z e r , M . , 1963. M e t a l l o - o r g a n i c i n t e r -a c t i o n s a s s o c i a t e d w i t h p o d z o l i z a t i o n . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . 27 : 1 7 1 - 1 7 6 . Y o u n g , J . L . , 1964. A m m o n i a a n d a m m o n i u m r e a c t i o n i n P a c i f i c N o r t h w e s t s o i l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c . , 28 : 339 -3^-5. Y o u n g , J . L . , a n d C a t t a n i , R . A . , 1962. M i n e r a l f i x a t i o n o f a n h y d r o u s NH„ b y a i r d r y s o i l s . S o i l S c i . S o c . A m e r . P r o c , 2 6 : ^147 -152. Z a r n e t t , G . D . , 1976. S o r p t i o n c a p a b i l i t i e s o f s o i l s f o r p h o s p h a t e r e m o v a l . A p p l i e d S c i e n c e s S e c t i o n , P o l l u t i o n C o n t r o l B r a n c h , M i n i s t r y o f E n v i r o n m e n t , O n t a r i o . P u b l i c a t i o n N o . 558. 178 A P P E N D I X A H a n e y R e s e a r c h F o r e s t P l o t S o i l D e s c r i p t i o n S l o p e : A s p e c t P a r e n t M a t e r i a l S u b - g r o u p H o r i z o n L F H 3(T W e s t A b l a t i o n t i l l * o v e r l y i n g c o m p a c t e d t i l l F e r r o - h u m i c p o d z o l D e p t h ( c m ) 4 - 0 A e j 0 - 1 B f h I B f h I I 1-24 24 - 49 B f 49 - 71 D e s c r i p t i o n S h a l l o w u n d e c o m p o s e d c o n i f e r o u s m a t e r i a l a n d m o s s l i t t e r o v e r -l y i n g b l a c k ( 5 Y R 2 / l m o i s t ) w e l l t o p a r t i a l l y d e c o m p o s e d c o n i f e r o u s m a t e r i a l . F e w m e d i u m t o f i n e r o o t s . A b r u p t b o u n d r y . B r o w n ( 7 . 5 Y R 5/2 m o i s t ) s a n d y -l o a m . S t r u c t u r e l e s s . V e r y f r i a b l e w h e n m o i s t . T h i n , a n d d i s c o n t i n u o u s h o r i z o n t h i c k n e s s . F e w m e d i u m t o f i n e r o o t s . A b r u p t b o u n d r y . D a r k r e d d i s h - b r o w n ( 2 . 5 Y R 3/4) s a n d y - l o a m . S t r u c t u r e l e s s . V e r y f r i a b l e w h e n m o i s t . C o m m o n m e d i u m t o f i n e r o o t s . W a v y b o u n d r y . D a r k r e d d i s h - b r o w n ( 2 . 5 Y R 3/4) S a n d y - l o a m . S t r u c t u r e l e s s . V e r y f r i a b l e w h e n m o i s t . C o m m o n m e d i u m t o f i n e h a r d s h o t . P l e n t i f u l m e d i u m t o f i n e r o o t s . G r a d u a l b o u n d r y . R e d d i s h - b r o w n ( 5 Y R 4 / 4 ) s a n d y - l o a m . S t r u c t u r e l e s s . V e r y f r i a b l e w h e n m o i s t . C o m m o n m e d i u m t o f i n e h a r d s h o t . F e w f i n e r o o t s . G r a d u a l b o u n d r y . * C o l l u v i u m p r e s e n t i n t h e f i r s t 25 c m o f t h e p r o f i l e . F r a g -m e n t s v a r y f r o m f i n e s t o b o u l d e r s . A P P E N D I X A C o n t i n u e d S o i l D e s c r i p t i o n C o n t i n u e d 179 H o r i z o n D e p t h ( c m ) D e s c r i p t i o n BC 71 - 95 R e d d i s h - b r o w n (5YR k/k) s a n d y - l o a m . S t r u c t u r e l e s s . V e r y f r i a b l e w h e n m o i s t . C o m m o n m e d i u m t o f i n e h a r d s h o t . F e w m e d i u m t o f i n e r o o t s . D i f f u s e b o u n d r y . I I B l 95+ R e d d i s h - b r o w n ( 5 Y R k/k) s a n d y - l o a m w i t h g r a y i s h - b r o w n 10YR 5/2 f i n e s a n d y l o a m p s e u d o - b l o c k s w h i c h g r a d e t o m a s s i v e s t r u c t u r e a t d e p t h . S t r u c t u r e l e s s m a t r i x w i t h v e r y f i r m ( m o i s t ) p s e u d o - b l o c k y f r a g m e n t s . F e w m e d i u m r o o t s . C l a s s i f i c a t i o n * : F e r r o - H u m i c P o d z o l . C l o s e l y r e s e m b l i n g d e s c r i p t i o n g i v e n f o r C a r d i n a l S e r i e s i n " S o i l S u r v e y o f M i s s i o n A r e a " P r e l i m i n a r y R e p o r t N o . 9 B . C . D . A . K e l o w n a 1968. c * C l a s s i f i c a t i o n S c h e m e u s e d w a s t h e C a n a d i a n S y s t e m o f S o i l C l a s s i f i c a t i o n a s r a t i f i e d b y C . S . S . C . i n 1976 1 8 0 A P P E N D I X B • A v a i l a b l e W a t e r S t o r a g e C a p a c i t y o f S o i l S a m p l e s F r o m A r o u n d L y s i m e t e r s L y s i m e t e r L o c a t i o n D e p t h b e l o w S o i l S u r f a c e P a r t i c l e S i z e A n a l y s i s (% o f w e i g h t 2 mm) A v a i l a b l e W a t e r 5 ' 5 S t o r a g e C a p a c i t y " * ( c m ) S a n d S i l t C l a y ( C m 3 / C m 3 ) A l 13 . 5 52 47 1 . 1 6 0 A 2 47 . 3 60 35 5 . 1 3 6 A 3 6 . 0 58 3 8 4 . 1 5 7 B 4 39 . 5 . 1 4 1 B5 44 . 5 58 3 1 ' 1 1 • . 1 2 9 B6 2 0 . 0 . 1 5 7 B7 15 . 2 52 4 1 7 . 1 4 8 C8 20 . 3 . 2 5 5 C9 15 . 1 56 4 2 2 . 2 1 3 C I O 2 6 . 5 48 45 '7 . 1 6 1 A v e r a g e AWSC ( a v e r a g e o v e r 10 l o c a t i o n s ) - Vl6'6 ( C m J / C m ° ) - ' A v a i l a b l e W a t e r S t o r a g e C a p a c i t y . ( A W S C ) = W a t e r C o n t e n t @ - 1 / 3 B a r ( F i e l d c a p a c i t y ) -W a t e r C o n t e n t @ - 1 5 B a r ( P e r m a n e n t W i l t i n g ? P o i n t ) * * S e e F i g u r e s 6 , 7 a n d 8 1 8 1 A P P E N D I X C W a t e r C o n t e n t M e a s u r e m e n t a t L y s i m e t e r L o c a t i o n B ( c m ?/= D a t e D e p t h B e l o w S o i l S u r f a c e ( c m ) 15 30 50 70 J u l y 19/76 B S S • 375 .345 .450 • 370 J u l y 20/76 B S S .395 .340 .445 .365 A S S .440 • 375 .475 .370 J u l y 23/76 .415 .355 .490 .365 J u l y 26/76 B S S • 385 .345 . .440 .365 . A S S .425 • 370 .490 .365 J u l y 29/76 B S S . 4 0 0 .350 .465 .365 A S S . 4 1 0 .370 .485 .360 A u g u s t 3/76 B S S • 385 .345 .455 • 375 A S S .425 • 390 .500 .370 A u g u s t 6/76 B S S . 4 0 0 • 370 . 4 8 0 .360 A S S . 4 2 0 • 385 .490 .360 A u g u s t 9/76 .400 .370 .480 • 355 A u g u s t 12/76 B S S .400 .360 .470 .360 A S S .430 • 390 • 515 .365 A u g u s t I6/76 B S S . 4 2 0 .385 .495 • 365 A S S .425 • 395 .505 .370 A u g u s t 19/76 B S S .400 .365 .480 .365 A S S . 4 2 0 • 395 .520 .38O A u g u s t 24/76 B S S . 4 1 0 .380 .505 • 390 A S S .455 . 4 1 0 .530 • 390 A u g u s t 27/76 B S S .410 .380 .490 .360 A S S .435 .405 .500 .405 A P P E N D I X C C o n t i n u e d D a t e D e p t h 15 B e l o w S o i l 30 S u r f a c e 50 ( c m ) 70 A u g u s t 31/76 B S S -- -- -- --A S S . 4 2 0 .390 .500 • 375 S e p t . 7 / 7 6 B S S .400 • 375 • 505 .385 A S S .425 • 390 .500 • 390 Sept .10/76 B S S -- -- _ _ --A S S .425 • 395 . 4 1 0 .370 S e p t . 1 4 / 7 6 B S S . 4 1 0 • 370 .490 .360 A S S . 4 2 0 .380 .^95 .360 Sept .17/76 B S S . 4 0 0 .370 M5 .385 N e u t r o n s c a l e r n o l o n g e r w o r k i n g B S S - B e f o r e s p r a y i n g s e w a g e A S S - a f t e r s p r a y i n g s e w a g e 183 A P P E N D I X D S a m p l e C a l c u l a t i o n o f P h o s p h a t e ' A d s o r p t i o n - M a x i m u m L a n g m u i r a d s o r p t i o n e q u a t i o n X / M . = ^ 2 j ^ -' i o r i n l i n e a r f o r m = +•.§ W h e r e c = f i n a l s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ( e q u i l i b r i u m c o n c e n -t r a t i o n ) - m i l l i m o l e s / l X / M = mg P a d s o r b e d p e r g o f s o i l b = a d s o r p t i o n m a x i m u m K = A c o n s t a n t r e l a t e d t o t h e b o n d i n g e n e r g y o f t h e s o i l c o l l o i d s f o r t h e p h o s p h o r u s a ) A d s o r p t i o n m a x i m u m f o r t o t a l p h o s p h a t e F r o m a l i n e a r r e g r e s s i o n . o f t h e t o t a l p h o s p h a t e a d s o r p -t i o n d a t a a c c o r d i n g t o t h e L a n g m u i r I s o t h e r m (X/M() = 2 . 4 8 l * C + :.136 ( s e e p a g e 152) W I T = § + K F " o r 2 ^ 8 l * C = § h = t o t a l P -w / g. o f s o i l o r b = .403 mg t o t a l P 1 g 10 m i c r o g P g . o f s o i l 1000 mg 1 g b = 403 m i c r o g r a m s t o t a l P g r a m o f s o i l A d s o r p t i o n M a x i m u m - b i s 403 m i c r o g r a m s t o t a l P g r a m o f s o i l b ) A d s o r p t i o n m a x i m u m f o r o r t h o p h o s p h a t e f r o m , l i n e a r r e -g r e s s i o n o f o r t h o p h o s p h a t e a d s o r p t i o n d a t a a c c o r d i n g t o t h e L a n g m u i r i s o t h e r m c = 2.349*c + .122 ( s e e p a g e 152) ( X / M ) ^ c c 1 X71 b + K b 184-A P P E N D I X D C o n t i n u e d o r 2.349*.c = £ = .426 mg o r t h o P g o f s o i l o r b ~V.'4'26 mg o r t h o P 1 g P . 10 m i c r o g P g o f s o i l 1000 m g P 1 g P b = 426 m i c r o g r a m s o r t h o P g r a m o f s o i l A d s o r p t i o n m a x i m u m - b i s 426 m i c r o g r a m s o r t h o P g r a m o f s o i l 

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