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。

裂解仪法（lysimetry），包括田间裂解仪法，历来被土壤与作物科学家用于系统评估施用于土壤和已建立植被的化学物质的向下迁移能力。裂解仪是一种由金属或塑料制成的装置，被置入目标土壤中，用于确定以已知量施加到限定区域内的化学物质的归趋。从裂解仪中采集的土壤和植被样品可用于评估化学物质分布随时间的变化情况。由于田间裂解仪法是在自然环境条件下进行的，其结果可用于预测化学物质施用于土壤系统后可能出现的实际情景。早期的裂解仪研究主要测量蒸腾作用、水分流动和/或养分迁移。现代裂解仪研究则在上述测量基础上，进一步测量农药和养分的消散、农药的迁移、挥发性以及质量平衡³。

传统田间溶出仪法的一个局限性在于，土壤剖面中化学物质的迁移性主要由固相测定结果定义，而对随水渗过土壤的溶解态化学物质浓度关注较少——这一关键组分可能影响土地施用化学品对地下水造成污染的潜在风险。尽管有时会收集溶出仪底部的淋出液进行分析，但这种方法限制了孔隙水浓度在深度上的分辨率，且通常在实验前需要进行大量的土壤挖掘工作。相反，为了获取土壤水中化学物质浓度的数据，可在田间使用孔隙水采样器。孔隙水采样器被安装于土壤中，用于从特定且目标深度采集水分，且对土壤系统的扰动极小。孔隙水采样器曾被称作多种名称，包括溶出仪、负压抽吸杯溶出仪或土壤溶液采样器，这些名称使其与上述传统田间溶出仪之间的区别变得模糊。本文中，我们将统一使用“孔隙水采样器”这一术语，以避免混淆。

本文展示了一种结合田间溶出液采集器（lysimetry）与孔隙水采样的实验方法，用于评估施用于植被覆盖土壤或裸地系统中化学物质向下淋溶的潜力。溶出液采集技术自18世纪以来已被广泛应用⁷，而陶瓷孔隙水采样技术自20世纪60年代初起即被采用⁸。将这两种成熟技术相结合，可在最小程度干扰土壤的前提下，实现对化学物质在固相和溶解相中浓度分布的野外测定。本文阐述了实验设计时需考虑的若干因素，包括选址、装置安装及样品采集。本方法通过一项实验加以说明，该实验评估了一种有机砷农药在裸地和已建植的草坪系统中的归趋。所述技术可根据需要进行调整，以研究多种不同化学物质的环境行为，从而为致力于了解土地施用化学品环境归趋与行为的研究人员和政策制定者提供极为宝贵的工具。

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中心，用锤子将其敲入地下至目标采样深度。
   注意：此步骤也可使用螺旋钻完成。
3. 用700 ml灌溉水与约900 g化学惰性石英粉配制硅粉浆液。每次放置采样器前均需充分混匀浆液。使用手持式或电池供电的真空泵，对采样器施加-50至-70 kPa的负压。
4. 10分钟后将采样器从硅粉浆液中取出，并再次彻底混匀硅粉浆液。通过连接在直径2.5 cm管道上的漏斗，将60 ml浆液倒入钻孔底部。
5. 使用塑料或金属管将采样器放置于钻孔中目标采样深度处，确保采样器的管路伸出孔外。用未经处理的原位土壤与水配制的浆液回填剩余钻孔。
6. 回填过程中应留出时间使土壤沉降；必要时使用管子进行夯实。
7. 将土壤回填至原始地表高度。如条件允许，在钻孔顶部重新种植植被。
8. 通过一段氟化乙烯丙烯（FEP）管路将采样器管路连接至真空瓶。使用塑料管夹，将另一段管路从真空瓶连接至真空泵。
9. 若目标化学物质易发生光降解，应用黑色塑料或胶带覆盖管路和收集瓶（图1C）。
10. 在实验开始前数天内，通过真空瓶反复对采样器施加约-50至-70 kPa的真空压力，以确保采样器安装到位。

3. 溶质渗漏仪的化学物质施加

1. 在施用化学品之前，至少需要留出两周时间使系统适应环境。
2. 在对渗滤液收集装置（lysimeter）进行处理前，采集背景孔隙水样品，以测定目标化学品的背景浓度。
3. 通过常规方法将目标化学品施用于土壤或植被，例如使用手持式 CO₂ 加压喷雾杆（图 1D），或将颗粒剂直接撒布于含有渗滤液收集装置的试验小区表面。若要达到有效作用需进行多次施用，则应按照典型使用模式或标签说明进行施用。保留部分渗滤液收集装置不施加化学品，作为对照组。

4. 孔隙水的采集与分析

1. 在采样前一天或采样当天，对孔隙水采样器的真空瓶施加约 -50 至 -70 kPa 的负压。采样器周围的水将通过采样器被吸入管路，并流入真空瓶中收集，直至进行采样。所收集孔隙水的土壤体积以及集水时间可能受土壤类型、土壤质地、土壤含水量和采样器埋设深度等因素影响。
2. 根据研究人员预先确定的时间点，在化学物质施用后按指定时间间隔采集样品。
3. 使用量筒测量每个孔隙水采样器所收集的水样体积。如需过滤，将水样装入鲁尔锁式注射器（规格根据水样体积选择），并通过直径为 25 mm、孔径为 0.2 µm 的尼龙滤膜进行过滤。
4. 若需要采用不同的样品保存方法且采集到足够的样品量，应将样品分装至不同的容器中。
5. 使用便携式 pH 计测定未酸化样品的 pH 值。
6. 如需为样品保存而调节 pH，可加入适量的适当酸进行调整。
   注意：浓酸可能具有腐蚀性或氧化性，使用时应格外小心。
7. 将样品置于装有冰块的冷藏箱中或放入冰箱冷藏，直至进行分析。可采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、原子吸收光谱法（AAS）或高效液相色谱法（HPLC）等分析方法对样品进行化学成分测定。

5. 蒸渗仪挖掘、土壤/植被采集与分析

1. 在施用化学品后的指定时间间隔，挖出含有土壤和植被的渗滤液收集器。在每次采样时挖出未经处理的渗滤液收集器，以测定土壤和植被中的背景化学物质浓度。
2. 使用连接在拖拉机装置上的桶夹挖出渗滤液收集器。将铲斗降至合适位置，使夹具能够夹住渗滤液收集器的暴露边缘。
3. 提升装置，使夹具夹紧暴露边缘，将渗滤液收集器柱体从土壤中拉出（图1E）。
4. 用切割成与渗滤液收集器直径相匹配的绝缘板封住挖出的渗滤液收集器两端。将加仑大小的聚乙烯袋套在渗滤液收集器末端以固定盖板，并用 duct tape 密封袋子。
5. 将渗滤液收集器运送到野外实验室，进行土壤和植被样品的分割。优先处理未经处理的渗滤液收集器，以防止不同收集器之间的交叉污染。
6. 使用配备金属切割锯片的往复锯，沿渗滤液收集器一侧纵向切割。从底部（预期浓度较低区域）向顶部（预期浓度较高区域）切割柱体，以确保深层土壤不会被浅层土壤污染。
7. 将渗滤液收集器打开，使用金属分隔板分离出独立的土壤和植被部分。根据渗滤液收集器的长度和研究目标选择土壤分层的深度间隔。
8. 使用勺子或刮刀挖取已分段的土壤和植被。将每个样品放入适当标记的聚乙烯冷冻袋中。不要采集与渗滤液收集器直接接触的土壤。
9. 按照既定的挖掘规程对每个目标采样深度进行操作。将样品袋放入装有冰块的冷藏箱中，并运送至实验室。在分析前将样品保存于冷冻环境中。

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