Article de méthode

Mesure de la libération de phosphore dans les microcosmes de laboratoire pour l'évaluation de la qualité de l'eau

DOI :

10.3791/60072

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22 juillet 2019

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1United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service (USDA-ARS), Institute for Environmentally Integrated Dairy Management, 2Department of Plant and Soil Science, University of Vermont

Dans cet article

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La quantification précise du potentiel de desorption du phosphore (P) dans les sols saturés et les sédiments est importante pour la modélisation du P et les efforts d'atténuation des transports. Pour mieux tenir compte de la dynamique in situ des redox sol-eau et de la mobilisation du P sous saturation prolongée, une approche simple a été développée sur la base d'échantillonnages répétés de microcosmes de laboratoire.

Résumé

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Le phosphore (P) est un nutriment limitant essentiel dans les agroécosystèmes qui nécessite une gestion soigneuse pour réduire les risques de transport vers les milieux aquatiques. Les mesures de laboratoire courantes de la biodisponibilité de P sont basées sur des extractions chimiques effectuées sur des échantillons séchés dans des conditions oxydantes. Bien qu'utiles, ces tests sont limités en ce qui concerne la caractérisation de la libération de P sous saturation prolongée de l'eau. L'orthophosphate labile lié au fer oxydé et à d'autres métaux peut rapidement desorb à la solution dans des environnements réducteurs, augmentant le risque de mobilisation de P au ruissellement de surface et aux eaux souterraines. Pour mieux quantifier le potentiel de desorption de P et la mobilité pendant la saturation prolongée, une méthode de microcosme de laboratoire a été développée basée sur l'échantillonnage répété des pores et des eaux de crue sus-jacentes au fil du temps. La méthode est utile pour quantifier le potentiel de rejet de P des sols et des sédiments variant dans les propriétés physicochimiques et peut améliorer les efforts d'atténuation de P spécifiques au site en caractérisant mieux le risque de rejet de P dans les zones hydrologiquement actives. Les avantages de la méthode comprennent sa capacité à simuler la dynamique in situ, la simplicité, le faible coût et la flexibilité.

Introduction

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Le phosphore (P) est un nutriment limitant essentiel pour la productivité des cultures et de la biomasse aquatique. L'hydrologie de surface de l'eau est l'un des principaux moteurs du destin et du transport en P, car elle contrôle le transport physique des sédiments et du P tout en affectant le potentiel de remobilisation pendant les eaux de ruissellement et les inondations et les inondations. Diverses méthodes d'extraction en laboratoire sont généralement utilisées pour estimer la libération de P à l'échelle du champ dans des conditions d'oxydation. Tandis que différents mécanismes peuvent contribuer à la libération de P, la dissolution réductrice des phosphates de fer est un mécanisme bien établi de réaction qui peut mener aux grands flux orthophosphate-P à l'eau1,2,3, 4. Dans un examen des mécanismes contrôlant la biogéochimie de P dans les zones humides, le statut deredox a été présumé être la variable principale contrôlant la libération de P aux sols et aux eaux souterraines peu profondes 5. En tant que tel, les tests P traditionnels peuvent ne pas être des prédicteurs fiables de la libération de P sous saturation prolongée.

Étant donné l'importance du temps de résidence en eau et de l'état redox sur le destin et le transport en P, les approches de laboratoire conçues pour mieux simuler les conditions in situ pourraient conduire à l'amélioration des indices de risque de transport P pour les écosystèmes agricoles et humides soumis à saturation variable. Étant donné que l'orthophosphate est immédiatement biodisponible, le taux et l'étendue de la desorption pendant la saturation peuvent être utilisés comme un indice du risque de pollution par la source Nonpoint P. Notre méthode a été conçue pour quantifier la désorption de P à l'eau de porewater (PW) et la mobilisation aux eaux de crue (FW) qui s'en trouvent les sources excessives ( par exemple, les champs agricoles inondés, les terres humides, les fossés de drainage et les riverains/ zones proches du cours d'eau). La méthode a été développée à l'origine pour caractériser le potentiel de rejet de P dans les sols inondés de façon saisonnière du nord de New York (États-Unis) et a récemment été appliquée pour quantifier le potentiel de desorption P des sols riverains du nord-ouest du bassin du lac Champlain6. . Ici, nous fournissons un protocole pour la méthode de microcosme de laboratoire et soulignons les résultats d'une étude récemment éditée démontrant sa capacité à quantifier le potentiel de desorption de P. Nous démontrons également la relation entre le potentiel de libération de P et la fiabilité des essais de routine sur le sol (P extractible labile, pH) pour prédire la libération à travers les sites.

L'exécution de la méthode nécessite l'accès à un laboratoire d'analyse avec un contrôle climatique adéquat, ventilation, eau, et un système approprié d'élimination des déchets acides. La méthode suppose l'accès à des réactifs chimiques de routine et à de l'équipement de laboratoire (puits, hottes, verrerie, etc.). Au-delà des besoins courants en laboratoire, un système de filtration membranaire (0,45 m) est nécessaire et un spectrophotomètre UV pour mesurer le P. Un compteur de pH ou une sonde multiparamétrique de qualité de l'eau sont également recommandés, mais pas nécessaires. La température de laboratoire est un facteur important et doit être maintenue constante à moins que la température elle-même ne soit étudiée comme facteur expérimental (20 oC est recommandé). L'accès sans entrave à un laboratoire d'analyse adéquat avec un équipement adéquat est une condition préalable pour effectuer la méthode correctement et générer des résultats significatifs.

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Protocole

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1. Collecte d'échantillons

  1. Recueillir environ 4 L de sol (ou de sédiments) à partir des sites désirés. Les zones de collecte devraient être relativement petites pour limiter la variation spatiale des propriétés de P et du sol.
  2. Les échantillons de tamis à l'écran grossier (20 mm) ont suivi un écran de 2 mm. Bien mélanger les échantillons à la main après le tamisage.
  3. Peser 100 g de sol ou de sédiments humides sur le terrain. Sécher au four à 105 oC pendant 24 h et calculer la teneur en eau gravimétrique (masse d'eau du sol/masse sèche du sol).
  4. Prenez un sous-échantillon de 500 ml pour l'analyse chimique.
    REMARQUE : Le pH du sol, la teneur en matière organique et la concentration inorganique labile de P (Pi) sont recommandés par des analyses du sol. Ici, la disponibilité du sol labile Pi a été évaluée par: 1) Pi extrait par 1,25 mol L-1 ammonium-acétate (pH - 4,8; ci-après désigné sous le nom modifié Morgan extrait P) mesuré colorimétriquement7,8, 2) Pi extrait par eau distillée, et 3) P extrait par 1,25 mol L-1 ammonium-acétate (pH 4,8) mesuré par spectroscopie d'émission plasma-optique couplée inductive (ICP)8.
  5. Utilisez le sol tamisé restant pour les études de microcosme ou entreposez-les dans des sacs de polyéthylène à 5 oC pour une utilisation ultérieure.
    REMARQUE : Les sols se dessèchent lorsqu'ils sont réfrigérés pendant de longues périodes (30 jours) et nécessiteront une réhydratation. Ne gèlez pas les échantillons de sol car ils affectent l'intégrité microbienne et le potentiel de libération de P.

2. Construction de microcosme

  1. Utilisez un litre (1 L) de polypropylène gradué ou d'autres béchers en plastique non réactifs comme unités expérimentales individuelles (microcosmes). Laver les béchers à 10 % d'acide chlorhydrique et tripler le rinçage à l'eau distillée.
  2. Mesurez 2 cm vers le haut du fond et placez une marque à côté des graduations de bécher. Percer un trou de 1,25 cm de diamètre pour les ports de drainage.
  3. Placez une petite perle de silicone autour du bord intérieur de la barbe de tuyau et de la circonférence extérieure du trou de forage. Insérez soigneusement le port de drainage dans le trou.
    REMARQUE : Laisser sécher à l'air pendant au moins 24 h avant de passer à l'étape 2.4.
  4. Tracer la circonférence extérieure des barbes de tuyau sur l'écran de filtre en maille en nylon et découper avec des ciseaux. Appliquer une fine perle de silicone autour de la circonférence de chaque filtre sur le bord extérieur et appuyez sur les filtres sur les criques de barbe de tuyau. Prévoyez au moins 24 h de temps de séchage avant de l'utiliser.
    REMARQUE : Une taille de 100 pores est recommandée pour la plupart des applications ; cependant, les sols à texture plus fine peuvent nécessiter une taille plus grande de pores de filtre pour éviter le temps de collecte excessivement long d'échantillon de PW.
  5. Adaptons un court morceau de tuyau en latex de 0,625 cm de diamètre aux extrémités de barbe de tuyau. Attaché un clip de reliure de papier de 3,3 cm de large au tuyau pour empêcher l'écoulement.

3. Mener un essai de libération de phosphore

  1. Placer 500 ml d'échantillon dans des microcosmes en double et appliquer délicatement de l'eau distillée le long des parois des bécherjusqu'à ce que FW atteigne la marque de 1 L.
    REMARQUE : Laisser les microcosmes s'alcaliniser pendant 24 à 48 h avant de prélever les premiers échantillons.
  2. Découpez les liants de papier pour induire le flux de PW par le port de drainage. Recueillir des échantillons en plaçant des béchers propres de 30 ml directement sous les ports de drainage PW. Laisser plusieurs mL de PW pour égoutter, jeter et utiliser les 10 ml suivants comme volume d'échantillon représentatif.
  3. Filtrer les échantillons de PW à travers des filtres à membrane de 0,45 m et analyser immédiatement la recherche de P (SRP) réactif soluble. Enregistrez les valeurs d'absorption et le temps des mesures.
    REMARQUE : On suppose généralement que le SRP est orthophosphate; cependant, le P molybdate-réactif peut également former des complexes avec des colloïdes et/ou des nanoparticules qui passent par des filtres de 0,45 m4.
  4. Prenez l'échantillon initial de FW en insérant une pipette de seringue d'ampoule de 10 ml à mi-chemin dans la colonne d'eau et retirez un échantillon en utilisant un mouvement circulaire. Videz dans des béchers, filtrez et analysez immédiatement pour le SRP.
  5. Remplacer l'eau échantillonnée par le remplissage des béchers au niveau de 1 L par de l'eau distillée.
    REMARQUE : Les pertes d'évaporation varient. L'objectif est de maintenir systématiquement un volume total (sol inondé et colonne d'eau) de 1 L dans tous les microcosmes. Le remplacement des pertes d'eau par évaporation a des effets de dilution négligeables sur le SRP.
  6. Répétez les étapes 3.2 à 3.5 basées sur le nombre désiré de points de sortie P pour l'analyse.
    REMARQUE : Le nombre d'échantillons prélevés au fil du temps dépend des objectifs de l'expérimentateur. L'échantillonnage d'une à trois fois par semaine est suffisant pour de nombreuses applications en supposant que les incubations sont proches de 20 oC. L'incubation à des températures plus élevées augmente les taux de rejet du SRP et nécessitera un échantillonnage plus fréquent. L'intention ici est de montrer l'utilité de la méthode du microcosme plutôt que de se concentrer sur l'analyse des données à partir d'expériences. Les modèles fondés sur la parenté et empiriques pour s'adapter aux données de desorption/sorption de P sont présentés ailleurs9,10. Étant donné que la méthode du microcosme repose sur une conception de mesures répétées et s'adapte à la réplication et aux différents traitements, des approches linéaires généralisées de modélisation mixte sont également appropriées11.

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Résultats

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Les résultats d'une étude récente axée sur le potentiel de rejet De P des zones riveraines sont mis en évidence pour démontrer la capacité de la méthode à caractériser la dynamique de sortie P au niveau du site6. Alors que certains sols ont montré des changements minimes dans le PSR au fil du temps, d'autres ont connu une forte augmentation des concentrations de PW et de SRP (figure1). Deux sites aux tendances contrastées sont présentés à la figur...

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Discussion

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Un avantage technique principal de l'approche de microcosme est sa capacité à simuler des conditions in situ où le sol ou les sédiments saturés sont immédiatement surlais par FW qui peuvent différer sensiblement dans le statut redox et P. Les paysages où l'hydrologie de la zone à source variable, comme les fossés de drainage, les terres cultivées inondées, les terres humides et les zones riveraines/près du cours d'eau, sont tous des exemples d'exemples où la réduction de la teneur en eau par la p. LÉP est périod...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs déclarent que ce travail a été effectué en l'absence de relations commerciales ou financières qui pourraient être interprétées comme un conflit d'intérêts potentiel.

Remerciements

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Le Vermont Water Resources and Lake Studies Center a accordé des fonds dans le cadre d'une entente avec le U.S. Geological Survey. Les conclusions et les opinions sont celles des auteurs et non du Vermont Water Resources and Lake Studies Center ou de l'USGS.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Tuyaux cannelés en plastique de 1,25 cmnombreuxNA
Réactifs chimiques pour la détermination du phosphorenombreuxNAUne capacité d’analyse du P est supposée ; se référer aux références citées pour plus de détails sur la méthode
Perceuse sans corde ou électrique avec mèche de 1,25 cmnombreuxNA
Béchers en plastique gradués (1L)nombreuxNA
Laboratoire avec hottes, contrôle de la température et système d’élimination des déchets acidesNA
NA Écran filtrant en nylon (100um)nombreuxNA
SiliconenombreuxNA
Spectrophotomètre UVnombreuxNA

Références

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  1. Patrick, W. H., Khalid, R. A. Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions. Science. 186 (4158), 53-55 (1974).
  2. Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).
  3. Young, E. O., Ross, D. S. Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study. Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).
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  6. Young, E. O., Ross, D. S. Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA. Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).
  7. McIntosh, J. L. Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials. Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).
  8. Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study. Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).
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Mots-clés

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