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Lysimetry intégré sur le terrain et l'eau interstitielle d'échantillonnage pour l'évaluation de la mobilité chimiques dans les sols et la végétation établie

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DOI :

10.3791/51862

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4 juillet 2014

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1Department of Soil Science, North Carolina State University, 2Department of Crop Science, North Carolina State University

* These authors contributed equally

Dans cet article

Résumé

lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle échantillonnage permettent aux chercheurs d'évaluer le devenir des produits chimiques appliqués sur les sols et la végétation établie. L'objectif de ce protocole est de démontrer comment installer l'instrumentation nécessaire et recueillir des échantillons pour l'analyse chimique pendant lysimetry de domaine intégré et expériences d'échantillonnage de l'eau interstitielle.

Résumé

Produits chimiques potentiellement toxiques sont systématiquement appliqués à la terre pour répondre aux demandes croissantes en matière de gestion des déchets et la production alimentaire, mais le sort de ces produits chimiques ne sont souvent pas bien compris. Ici, nous démontrons une méthode d'échantillonnage intégrée de lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle pour évaluer la mobilité des substances chimiques appliquées sur les sols et la végétation établie. Lysimètres, colonnes ouvertes en métal ou en plastique, sont entraînés dans dénudé ou les sols de végétation. échantillonneurs eau interstitielle, qui sont disponibles dans le commerce et utilisent vide pour recueillir les eaux de percolation du sol, sont installées à des profondeurs prédéterminées dans les lysimètres. À certains moments préétablis suivantes application de produits chimiques à des parcelles expérimentales, l'eau interstitielle est recueilli, et lysimètres, contenant de la terre et de la végétation, sont exhumés. En analysant les concentrations de produits chimiques dans le sol de lysimètre, la végétation et l'eau interstitielle, les taux de lixiviation à la baisse, les capacités de rétention du sol, et l'utilisation des plantes pour la molécule d'intérêt peut être quantifié.Parce que lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle échantillonnage sont menés dans des conditions naturelles de l'environnement et à la perturbation minimale du sol, les résultats issus de projets immobiliers scénarios et fournissent des renseignements précieux pour la gestion des produits chimiques. Comme les substances chimiques sont de plus en plus appliquées à la terre à travers le monde, les techniques décrites peuvent être utilisées pour déterminer si les produits chimiques appliqués posent des effets néfastes pour la santé humaine ou l'environnement.

Introduction

Produits chimiques potentiellement toxiques sont systématiquement appliqués à la terre à partir de sources telles que les pesticides, les engrais, les eaux usées / biosolides, les déchets industriels et les déchets municipaux 1,2. Le sort de ces produits chimiques - qui peut inclure des éléments nutritifs, des oligo-éléments, matières organiques, et de leurs métabolites associés - n'est souvent pas bien compris 3. Si les produits chimiques ne sont pas gérés correctement, ils ont le potentiel de menacer la santé humaine et l'environnement grâce à leur transfert et à l'accumulation dans les plantes, les eaux de surface et des eaux souterraines. Avec une population mondiale qui pourrait atteindre 10 milliards de personnes d'ici à 2050, il ya une demande croissante en matière de gestion et de production de déchets alimentaires 2, et l'épandage de nombreux produits chimiques a augmenté 3,4. En conséquence, la recherche est nécessaire, qui quantifie les transformations, la mobilité, les limites de charge, et les risques environnementaux globaux de produits chimiques qui nécessitent la mise en décharge ou que nous en dépendent pour améliorer la santé des cultureset le rendement.

Un certain nombre de stratégies ont été utilisées pour évaluer les menaces de produits chimiques appliqués dans l'environnement. , Des études modèle-système en laboratoire ont été menées pour fournir des informations sur les mécanismes fondamentaux qui régissent la mobilité des produits chimiques dans les sols. En analysant le devenir chimique dans un laboratoire, la manipulation complète de «l'environnement» et les entrées peut être atteint, mais ceux-ci correspond rarement dans le monde réel des conditions environnementales 5,6. Ainsi, l'extrapolation des résultats de laboratoire aux réglages sur le terrain peut conduire à des prévisions inexactes sur les menaces chimiques. En revanche, les mesures de champs larges ont été utilisés pour définir le comportement chimique dans l'environnement. Cependant, les conclusions sur le devenir environnemental de ces mesures sont souvent compliquées en raison des taux souvent faible utilisation (par exemple, un peu g A -1) de produits chimiques appliqués, ainsi que les interactions complexes entre les processus hydrologiques et biogéochimiques dans l'environnement qui régissent la distribution de produits chimiques.

Lysimetry, y compris le terrain lysimetry, a toujours été utilisé par les sols et des cultures scientifiques d'évaluer systématiquement la mobilité descendante de produits chimiques appliqués sur les sols et la végétation établie. Un lysimètre est un dispositif en métal ou en plastique qui est placé dans un sol d'intérêt et est utilisé pour déterminer le sort des produits chimiques utilisés dans des quantités connues d'un espace confiné. Les échantillons de sol et de végétation prélevés lysimètres peuvent être utilisés pour évaluer l'évolution des distributions chimiques au cours du temps. Parce que le champ lysimetry est réalisée dans des conditions naturelles de l'environnement, les résultats peuvent être utilisés pour prédire des scénarios réels cas dérivés des applications chimiques de systèmes de sol. Études lysimétriques début mesurés transpiration, flux d'humidité et / ou le mouvement des éléments nutritifs. Études lysimétriques modernes mesurent pesticides et des nutriments dissipation, le mouvement des pesticides, la volatilité et le bilan de masse, avec la aforememesures ntioned 3.

Une limitation de lysimetry de champ traditionnel est que la mobilité du produit chimique dans un profil de sol est en grande partie définie par des mesures en phase solide, tandis que moins d'attention est accordée à des concentrations de produits chimiques dissous dans l'eau de percolation à travers les sols - un élément essentiel qui peut influer sur le risque de contamination des eaux souterraines de produits chimiques épandues. Bien que le lixiviat du fond des lysimètres est parfois prélevé pour analyse, cette résolution limites d'approche en profondeur des concentrations dans l'eau interstitielle et nécessite généralement des travaux d'excavation importante avant l'expérimentation. Au lieu de cela, pour obtenir des données sur les concentrations de produits chimiques dans l'eau du sol, échantillonneurs d'eau interstitielle peuvent être utilisés en milieu de terrain. échantillonneurs eau interstitielle sont installés dans les sols pour recueillir l'eau de discrètes, profondeur désirée et que très peu perturber le système du sol. échantillonneurs eau interstitielle ont été appelés par beaucoup de noms, y compris lysimètres, aspiration culysimètres p, ou échantillonneurs la solution du sol, convolution leur distinction avec les lysimètres de terrain traditionnels décrits ci-dessus. Dans cet article, nous allons utiliser le terme «eau interstitielle sampler" pour atténuer la confusion.

Ici, nous démontrons une approche expérimentale qui combine lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle échantillonnage pour évaluer le potentiel de lixiviation vers le bas des produits chimiques appliqués aux systèmes de sol ou dénudées de végétation. Lysimetry a été un outil puissant utilisé depuis les années 1700 7, tandis que l'échantillonnage de l'eau interstitielle céramique a été utilisé depuis le début des années 1960 8. L'intégration de ces techniques robustes permet de déterminer sur le terrain des deux distributions solides et la concentration chimique en phase de dissolution, tout en minimisant les perturbations du sol. Ce document décrit les facteurs à considérer lors de la conception d'une expérience, y compris le choix du site, l'installation de l'appareil, et la collecte de l'échantillon. L'approche est illustrée par une expérience qui a évalué le sort d'unarsenical pesticide biologique appliqué à un sol dénudé et un système de gazon établi. Les techniques décrites peuvent être ajustées si nécessaire pour examiner le sort d'une grande variété de produits chimiques, fournissant ainsi des outils précieux pour les chercheurs et les décideurs qui cherchent à comprendre le devenir dans l'environnement et le comportement des produits chimiques épandues.

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Protocole

échantillonnage sur le terrain est effectué dans cette expérience et est sous l'autorisation du ministère de la Caroline du Nord de l'Agriculture et des Services aux consommateurs.

1. Champ Lysimètre installation

  1. Choisissez un site expérimental sur lequel le mouvement latéral de produits chimiques appliqués est peu probable (c.. Sites avec peu ou pas de pente). Sélectionnez les sites basés sur le sol et la végétation des propriétés intéressantes.
  2. Si les parcelles sont de végétation, tirer des bouchons de végétation avant lysimètre installation (figure 1A).
  3. Conduire les lysimètres à la baisse dans les parcelles souhaitées (avec ou sans végétation) à l'aide d'un pilote de poste inversé, laissant ~ 1-2 cm du lysimètre-dessus de la surface du sol pour contenir le produit chimique appliqué et minimiser le mouvement chimique latérale. Pour cela, l'utilisation roulé et soudé des tôles d'acier de dix-huit calibre 91 cm (profondeur x 15 cm de diamètre) (figure 1B). Utilisez lysimètres de différents matériaux et dimensions pour s'adapter resobjectifs earch.
  4. Remplacer les bougies de la végétation après l'installation de lysimètre.
  5. Gérer la végétation en fonction de l'expérience. Si les parcelles sont de rester nu, utiliser des applications ponctuelles de glyphosate pour garder les zones sans végétation.
  6. Assurez-vous que l'irrigation, la fertilisation et d'autres pratiques de gestion sont identiques dans le sol dénudé et les parcelles de végétation. Prédéterminer irrigation pour atteindre les objectifs de recherche.

2. Interstitielle Sampler installation

  1. Installez échantillonneurs de l'eau interstitielle, tels que le PTFE / quartz (50/50%), au milieu de lysimètres pour recueillir l'eau de porosité de percolation.
  2. Placez une tige en acier inoxydable de 2,5 cm dans le centre de la lysimètre et l'insérer dans le sol avec un maillet à la profondeur d'échantillonnage souhaitée.
    NOTE: Une vis sans fin peut également être utilisé pour cette étape.
  3. Préparer une farine de silice et la suspension de l'eau avec 700 ml d'eau d'irrigation à ~ 900 g de farine chimiquement inertes de silice. Mélanger la suspension de thoroughly avant chaque échantillonneur est placé dans le mélange. Appliquer une pression entre -50 à -70 kPa à l'échantillonneur à partir d'une pompe à vide ou ordinateur de poche à piles.
  4. Retirer l'échantillonneur à partir de la suspension épaisse de farine de silice après 10 min, puis bien mélanger à nouveau la suspension de silice. Verser 60 ml de la suspension à travers un entonnoir relié à un tuyau d'un diamètre de 2,5 cm dans le fond du trou.
  5. Placer l'échantillonneur dans le trou à la profondeur souhaitée d'échantillonnage avec une matière plastique ou un tuyau en métal. Assurez-vous que les tubes de l'échantillonneur s'étend hors du trou. Utilisez une suspension de non traitée, terre natale et de l'eau pour remblayer le trou restant.
  6. Prévoyez du temps durant le remblayage pour les sols à régler; utiliser un tuyau de tasser le sol supplémentaire au besoin.
  7. Remblayer le sol à son niveau initial. Le cas échéant, remplacer la végétation dans la partie supérieure du trou.
  8. Fixer le tube d'échantillonneur à une ampoule à vide par l'intermédiaire d'une section de l'éthylène propylène fluoré (FEP) tubulure. Avec une pince à tuyau flexible en matière plastique, relier une seconde ligne de rupture de tuyaul'ampoule à vide à une pompe à vide.
  9. Couvrir tubes et de collecte des bouteilles de plastique noir ou bande si le produit chimique (s) d'intérêt est sujette à la photodégradation (figure 1C).
  10. Appliquer une pression de vide d'environ -50 à -70 kPa via l'ampoule à vide pour les échantillonneurs de façon répétée sur une période de plusieurs jours avant l'expérimentation pour assurer une installation correcte de l'échantillonneur.

3. Demande chimique à Lysimètres

  1. Prévoyez au moins deux semaines pour l'acclimatation avant les applications chimiques sont effectués.
  2. Prélever des échantillons d'eau interstitielle de fond avant le traitement de lysimètre de quantifier les concentrations de fond de l'industrie chimique (s) d'intérêt.
  3. Appliquer le produit chimique d'intérêt pour le sol ou la végétation par des méthodes typiques, comme avec un CO 2 sous pression pulvérisateur à rampe à main (figure 1D) ou en distribuant la formulation granulaire directement sur ​​la surface de la parcelle contenant le lysimètre. Si plusieurs applications chimiques sont nécessaires pour l'efficacité, appliquez-les par type modes d'utilisation ou mode d'emploi. Laissez quelques lysimètres non traitée pour servir de contrôle.

4. Interstitielle Collecte et analyse

  1. Appliquer environ -50 à -70 kPa de vide pour les bouteilles thermos eau interstitielle de l'échantillonneur le jour avant ou le jour de l'échantillonnage. Eau entourant l'échantillonneur sera établi par l'échantillonneur dans le tube, qui coule à la bouteille à vide où il est recueilli jusqu'à ce que l'échantillon. Le volume de l'eau interstitielle qui est recueilli et le temps de collecte de l'eau peut dépendre de facteurs tels que le type de sol, la texture du sol, l'humidité du sol et de la profondeur d'échantillonnage des sols.
  2. Prélever des échantillons à des intervalles de temps spécifiés après l'application chimique, tel que prédéterminé par le chercheur.
  3. Mesurez le volume d'eau recueilli dans une éprouvette graduée pour chaque échantillonneur de l'eau interstitielle. Si la filtration est nécessaire, placer l'eau dans un sy Luer-Lokringe (taille dépendra de la quantité d'eau) et de passer l'échantillon à travers un filtre en nylon de 25 mm à 0,2 um.
  4. Si les méthodes de conservation des échantillons sont nécessaires et suffisantes échantillon est recueilli, diviser l'échantillon en conteneurs uniques.
  5. Utiliser un pH-mètre portatif pour déterminer le pH d'échantillons non acidifiés.
  6. Ajuster le pH par addition d'un volume suffisant de l'acide approprié, si nécessaire pour la conservation des échantillons.
    REMARQUE: acides concentrés peuvent être corrosifs ou oxydants et les soins devraient être prises lors de leur utilisation.
  7. Placer les échantillons sur la glace dans une glacière ou mettre au réfrigérateur jusqu'à l'analyse. Utiliser des méthodes d'analyse pour la mesure chimique comme la spectrométrie de plasma à couplage inductif de masse (ICP-MS) spectroscopie d'émission à plasma-optique à couplage inductif (ICP-OES), la spectroscopie d'absorption atomique (AAS), ou la chromatographie, liquide à haute performance (HPLC) à analyser les échantillons.

5. Lysimètre Exhumation, sol / végétation Collection uneAnalyse nd

  1. Exhumer les lysimètres, contenant de la terre et de la végétation, à des intervalles de temps spécifiés après l'application chimique. Exhumer lysimètres non traités à chaque temps d'échantillonnage pour déterminer les concentrations de produits chimiques de base dans le sol et la végétation.
  2. Exhumer lysimètres utilisant des colliers de baril attachés à un tracteur en œuvre. Abaisser le godet à une position qui permet de les pinces à être placés sur le bord de la lysimètre exposée.
  3. Soulevez le mettre en œuvre provoquant les pinces pour saisir le bord exposé, tirant la colonne lysimétrique du sol (figure 1E).
  4. Cap exhumé extrémités lysimétriques avec des feuilles d'isolation réduire le diamètre des lysimètres. Tenez bouchons en place avec des sacs gallon-taille polyéthylène insérés sur les extrémités lysimétriques et sacs sécurisés avec du ruban adhésif.
  5. Transporter les lysimètres à un laboratoire de terrain pour le sol et la division des échantillons de végétation. Traiter lysimètres non traités abord afin d'éviter la contamination hlysimètres ong.
  6. Utilisez une scie sauteuse munie d'une lame de coupe en métal pour couper le lysimètre la longueur d'un côté. Couper les colonnes du bas (zone de faible concentration prévue) en haut (zone de plus forte concentration prévue) pour s'assurer que le sol à des profondeurs plus profondes ne sont pas contaminés par le sol à des profondeurs.
  7. Fendre le lysimètre. Utilisez plaques de séparation de métaux à des sections de sol et de végétation distinctes séparées. Choisissez incréments de profondeur du sol en fonction de la longueur des objectifs lysimétriques et de recherche.
  8. Utilisez des cuillères ou spatules pour creuser le sol et la végétation coupée. Placez chaque échantillon dans un sac de polyéthylène congélateur étiquetés de manière appropriée. Ne pas ramasser la terre directement en contact avec le lysimètre.
  9. Suivre le protocole d'excavation pour chaque profondeur souhaitée de l'échantillon. Placez les sacs d'échantillons dans une glacière remplie de glace et les transporter vers un laboratoire. Conserver les échantillons dans un congélateur jusqu'à l'analyse.

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Résultats

Cette méthode permet l'accumulation de données sur le devenir des produits chimiques appliquée à dénudées et systèmes de sol végétation 5,10. Cette approche a été utilisée pour évaluer l'arsenic (As) de lixiviation à la baisse, l'absorption et la translocation dans les végétaux destinés à chiendent (Cynodon dactylon) systèmes après l'application de l'herbicide de l'arsenic arséniate monosodique de méthyle organique (MSMA) 9. Depuis les années 1960, MSMA a été utilisé dans les terres non ag...

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Discussion

Utilisant un lysimetry de domaine intégré et l'eau interstitielle méthode d'échantillonnage permet aux chercheurs d'évaluer les distributions spatiales et temporelles d'une grande variété de produits chimiques épandues. Le devenir des produits chimiques dans les sols et les systèmes de végétation peut être commandée par un certain nombre de processus et les attributs environnementaux, tels que le lessivage vers le bas, la volatilisation, hydrolyse, la photolyse, microbienne transformation / dégradation, ...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Remerciements

Les auteurs remercient le personnel de la station de recherche Sandhills NCDA pour aide à l'installation de lysimètres et l'exhumation. Le financement pour les expériences décrites dans les résultats représentatifs ont été fournis par le Centre de recherche sur le gazon et l'éducation environnementale. Vidéo et production manuscrit a été pris en charge par les départements universitaires d'État de Caroline du Nord de la science du sol et Crop Science.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Échantillonneurs Prenart Super Quartz (PFTE/Quartz)Prenart Equipment ApSN/ATous les échantillonneurs pour l’analyse des métaux traces peuvent être utilisés (p. ex. SoilMoisture Equipment Corp.)
Kit d’installation PrenartÉquipement Prenart ApSN/AContient tous les éléments nécessaires à l’installation d’échantillonneurs d’eau interstitielle
Bouteilles collectrices de 2 L ÉquipementPrenart Lesauprès de Fisher Scientific (02-923-2) ou d’autres entreprises de fournitures de laboratoire, mais les raccords devront être ajustés. Les bouteilles peuvent être recouvertes d’un matériau sombre si sensibles à la lumière
Pompe à vide portablePrenart Equipment ApSN/AVacuporter de Decagon Devices ou d’autres pompes à vide manuelles ou fonctionnant sur batterie peuvent être utilisées
Bouteilles de 1 oz en PEHD NalgeneFisher Scientific03-313-4ALe type de bouteille d’échantillon dépendra de l’analyte d’intérêt et peut être en verre
Acide nitrique concentréFisher ScientificA509-P212Des acides oxydants et corrosifs-d’autres acides peuvent être nécessaires à la conservation et doivent être utilisés avec prudence
25 mm 0,2 & micro ; m filtres à seringue en nylonVWR28145-487D’autres types de filtres et tailles de pores peuvent être utilisés, en fonction de l’analyte d’intérêt et de l’instrumentation analytique
Seringues Luer-Lok de 60 mlFisher Scientific13-689-8D’autres tailles peuvent être utilisées en fonction du volume d’échantillon prélevé
PH-mètre portableVWR248481-A01D’autres pH-mètres peuvent être utilisés après l’étalonnage
Cylindre graduétoutN/A
Lysimètres de terrain (métal, plastique, etc.)N/AN/ASouvent, ceux-ci sont construits sur la base des spécifications des chercheurs
Tracteur à poteau inverséN/AN/A N/ATout tracteur peut être utilisé pour installer les lysimètres
Pulvérisateur à flèche portatifN/AN/APour appliquer le taux nécessaire à l’application  ;
Sacs en polyéthylèneJohnson & JohnsonN/AD’autres marques peuvent être utilisées pour l’entreposage du sol
Scie sabreBlack & Decker  ;N/AToute scie alternative peut être utilisée avec un accessoire de coupe de métal
bouteilles peuvent également être achetées

Références

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Mots-clés

Analyse du solAbsorption par la v g tationInstallation de lysim tresExtraction sous videExhumation du solDistribution chimiqueDevenir environnemental

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