综合田间溶出法与孔隙水采样法评估土壤及定植植被中化学物质的迁移性

摘要

原位溶质渗漏法和孔隙水采样可使研究人员评估施用于土壤及已建立植被的化学物质的归趋。本实验方案的目的是演示如何在整合的原位溶质渗漏法与孔隙水采样实验中安装所需仪器并采集用于化学分析的样品。

摘要

为满足日益增长的废物管理和粮食生产需求，潜在的有毒化学物质被常规地施用于土地，但这些化学物质的归宿往往并不清楚。本文展示了一种整合的野外溶出液收集器（lysimetry）与土壤孔隙水取样方法，用于评估施用于土壤和已建立植被的化学物质的迁移性。溶出液收集器是由金属或塑料制成的开口柱状装置，可插入裸露或有植被覆盖的土壤中。土壤孔隙水取样器为市售产品，利用真空收集下渗的土壤水，安装于溶出液收集器内预定深度处。在实验小区施用化学物质后的预定时间点，采集孔隙水，并挖出包含土壤和植被的溶出液收集器。通过分析溶出液收集器中土壤、植被及孔隙水内的目标化学物质浓度，可量化其向下淋溶速率、土壤持留能力以及植物吸收情况。由于野外溶出液收集与孔隙水取样在自然环境条件下进行，且对土壤扰动最小，所得结果能够反映真实情景，为化学物质管理提供有价值的信息。随着全球范围内施用于土地的化学物质不断增加，所述技术可用于判断这些化学物质是否对人类健康或环境造成不利影响。

引言

农药、化肥、污水/生物固体、工业废物和城市垃圾等来源通常会将潜在有毒化学物质施用于土地上^1,2。这些化学物质——可能包括养分、微量元素、有机物及其相关代谢产物——的归趋往往尚不明确³。如果未能妥善管理这些化学物质，它们可能通过向植物、地表水和地下水的迁移与累积，对人类和环境健康构成威胁。随着全球人口预计到2050年可能达到100亿，废物管理和粮食生产面临日益增长的压力²，许多化学物质的土地施用量也在持续增加^3,4。因此，亟需开展研究，定量评估那些需要土地处置或依赖其改善作物健康与产量的化学物质在环境中的转化过程、迁移性、负荷限值及整体环境风险。

已采用多种策略来评估环境中施用化学品所带来的风险。基于实验室的模型系统研究已被用于提供有关控制化学品在土壤中迁移的基本机制的信息。在实验室中分析化学品归趋时，可实现对“环境”及输入条件的完全操控，但这些条件很少能与真实环境状况相符。^5,6因此，将实验室结果外推至野外环境可能导致对化学危害的预测不准确。相比之下，大范围的野外测量已被用于确定化学品在环境中的行为。然而，由于化学品的使用量通常较低，从这些测量结果中得出关于环境归趋的结论往往较为复杂。例如 几克 A^-1所施加化学品的量，以及环境中调节化学品分布的水文与生物地球化学过程之间的复杂相互作用。

方案

本实验的野外采样工作是在北卡罗来纳州农业部门的授权下进行的 & 消费者服务。

1. 野外溶质渗漏仪安装

1. 选择一个不易发生施用化学品侧向移动的实验地点（即坡度很小或无坡度的地点）。根据感兴趣的土壤和植被特性选择地点。
2. 如果样地有植被，应在安装渗滤仪之前移除植被土块（图1A）。
3. 使用倒置的打桩器将渗滤仪垂直压入目标样地（无论有无植被），使渗滤仪顶部约有 ~1–2 cm 高出土壤表面，以容纳施用的化学品并最大限度减少化学品的侧向移动。本实验采用卷制焊接的18号镀锌钢板（91 cm 深度 × 15 cm 直径）制成的渗滤仪（图1B）。可根据研究目标选用不同材质和尺寸的渗滤仪。
4. 在安装渗滤仪后，将移除的植被土块重新放回原位。
5. 根据实验需要对植被进行适当管理。若样地需保持无植被状态，可局部施用草甘膦以清除杂草。
6. 确保裸地样地与有植被样地的灌溉、施肥及其他管理措施保持一致。灌溉方案应根据研究目标预先确定。

2. 孔隙水采样器安装

1. 在渗滤柱中间安装孔隙水采样器，例如聚四氟乙烯/石英（50/50%）采样器，用于收集渗滤的孔隙水。
2. 将一根2.5 cm的不锈钢杆置于渗滤柱....

结果

该方法可用于积累有关施用于裸露土壤和植被土壤系统中化学物质归趋的数据^5,10。该方法已被用于评估有机砷除草剂甲基砷酸一钠（MSMA）施用于狗牙根（Cynodon dactylon）系统后，砷（As）在土壤中的向下淋溶、植物吸收及转运情况⁹。自20世纪60年代以来，MSMA一直被用于非耕地、草坪草和棉花种植中，但人们日益担忧施用的砷可能通过土壤向下淋溶，进而污染地下水^11,12。美国环境保护署（EPA）目前正在考虑逐步淘汰MSMA，具体将视进一步的科学评审结果而定^13,14。

在对裸地和百慕大草蒸渗仪施用甲基砷酸（MSMA）后，为期1年的实验表明，大部分砷（As）均保留在土壤固相和植被中（图2，表1）。在土壤中，固相砷的最高浓度出现在0–2 cm深度。经MSMA处理的蒸渗仪样品中，砷浓度在8–15 cm深度范围内高于未处理样品；而在更深的土层中，处理组与未处理组之间固相砷浓度的差异无统计学意义（采用双尾t检验，方差不等，p≥0.05）。砷也被植物.......

讨论

采用集成的野外溶滤系统（lysimetry）与孔隙水采样方法，可使研究人员评估多种土地施用化学品在空间和时间上的分布情况。化学品在土壤及植被系统中的归趋可能受多种环境过程和属性的控制，例如向下淋溶、挥发、水解、光解、微生物转化/降解、植物吸收、土壤类型以及土壤pH值^16,17。与温室或基于实验室的实验不同，本文所述的野外方法在对研究系统干扰最小的情况下获得结果，因此可将所得结论外推至其他系统或实际环境¹⁸。若已知施用化学品的量、溶滤系统的面积、化学品潜在的挥发性、在溶解相和固相中测得的含量，以及土壤的容重，则可确定目标系统的化学物质质量平衡并估算其负荷极限——这些信息对于预测潜在的环境威胁（如化学品向地下水的淋溶）具有重要价值。

本方案介绍了一种利用原位综合渗滤仪与孔隙水采样技术开展实验的方法。研究人员可根据具体研究目标对本方法的多个部分进行调整。例如，在实验设计阶段应考虑渗滤仪的尺寸和类型，其选择需反映所关注的化学物质、土壤及植物特性¹⁷. 赖西米器（lysimeters）的布设也需加以考虑，以尽量减少实验区域内环.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
普瑞纳特超纯石英采样器（PTFE/石英）	Prenart Equipment ApS	N/A	可用于痕量金属分析的任何采样器均可使用（ 例如 SoilMoisture Equipment Corp.）
普瑞纳特安装套件	Prenart Equipment ApS	N/A	包含安装孔隙水采样器所需的所有物品
2 L 收集瓶	Prenart Equipment ApS		也可从 Fisher Scientific（02-923-2）或其他实验室耗材公司购买此类瓶子，但需调整配件。若样品对光敏感，可用深色材料覆盖瓶子
便携式真空泵	Prenart Equipment ApS	N/A	可使用 Decagon Devices 的 Vacuporter 或其他野外用电池驱动或手动真空泵
1 oz HDPE Nalgene 瓶	Fisher Scientific	03-313-4A	样品瓶类型取决于目标分析物，也可使用玻璃瓶
浓硝酸	Fisher Scientific	A509-P212	具有氧化性和腐蚀性；其他酸类可能也需要用于样品保存，使用时应谨慎
25 mm 0.2 µm 尼龙注射器滤器	VWR	28145-487	可根据目标分析物和分析仪器选择其他类型和孔径的滤膜
60 ml 鲁尔锁注射器	Fisher Scientific	13-689-8	可根据采集的样品体积选用其他规格的注射器
便携式 pH 计	VWR	248481-A01	其他 pH 计在完成校准后也可使用
量筒	任意	N/A
田间溶出仪（金属、塑料、等）	N/A	N/A	通常根据研究人员的具体要求定制制作
倒置打桩机拖拉机	N/A	N/A	任何拖拉机均可用于安装溶出仪
手持式喷雾器	N/A	N/A	用于施加所需施用量的试剂
聚乙烯袋	Johnson & Johnson	N/A	其他品牌也可用于土壤储存
往复锯	Black & Decker	N/A	任何配备金属切割附件的往复锯均可使用