방법 논문

통합 필드 Lysimetry 및 Porewater 샘플링 토양에서 화학 이동성의 평가 및 설립 식물

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DOI:

10.3791/51862

⸱

2014년 7월 4일

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

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 연구원은 토양과 설립 식물에 적용되는 화학 물질의 운명을 평가할 수 있습니다. 이 프로토콜의 목적은 필요한 장비를 설치하고 통합 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 실험에서 화학적 분석을위한 샘플을 수집하는 방법을 설명하는 것입니다.

초록

잠재적으로 독성 화학 물질은 정기적으로 폐기물 관리 및 식품 생산에 대한 증가하는 요구를 충족하기 위해 토지에 적용되지만, 이러한 화학 물질의 운명은 종종 잘 이해되지 않습니다. 여기서 우리는 토양과 식물을 설립인가 화학 물질의 이동도를 평가하기위한 통합형 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 방법을 보여준다. 장력 계는 금속 또는 플라스틱으로 만들어진 개방 열, bareground 또는 식물이 토양으로 구동된다. 상업적으로 사용할 수 있으며, 토양의 물을 침출 수집하는 진공 청소기를 사용 Porewater 샘플러는, 장력 계 내에서 소정의 깊이에 설치됩니다. 실험 플롯에 화학 응용 프로그램 다음 미리 지정된 시간에, porewater를 수집하고, 장력 계는 토양과 식물을 포함, 발굴된다. 모형 매립 토양, 식물, 및 porewater, 아래로 침출 속도, 토양 보존 능력, 관심있는 화학 물질에 대한 식물의 흡수에 화학 물질의 농도를 분석하여 정량화 할 수있다.필드 lysimetry 및 porewater 샘플링이 자연 환경 조건에서 최소한의 토양 교란으로 실시되기 때문에 파생 된 결과가 실제의 시나리오 프로젝트 및 화학 물질 관리에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 화학 물질이 점점 세계적 착륙인가됨에 설명한 기술을 적용 화학 물질이 인체 나 환경에 악영향을 초래할 여부를 결정하는 데에 이용 될 수있다.

서론

잠재적으로 독성 화학 물질은 정기적으로 농약, 비료, 하수 / 바이오 솔리드, 산업 폐기물 및 도시 폐기물, 2와 같은 소스에서 토지에 적용됩니다. 이러한 화학 물질의 운명 - 영양소를 포함 요소, 유기물 및 관련 대사 산물을 추적 할 수 있습니다 - 자주도 3을 이해하지 않습니다. 화학 물질이 제대로 관리되지 않는 경우, 식물, 지표수, 지하수에서 자신에 대한 전송 및 축적을 통해 인간과 환경의 건강을 위협 할 가능성이있다. 2050 10 억명에 도달 할 수있는 세계 인구로,이 폐기물 관리 및 식품 생산에 대한 증가하는 요구는, 많은 화학 물질의 토지 응용 프로그램은 3,4 증가하고있다. 따라서, 연구는 토지 처리가 필요하거나 우리가 작물의 건강을 향상시키기에 의존하는 것이 화학 물질에서 변환, 이동, 적재 제한 및 전반적인 환경 위험을 정량화가 필요합니다수율.

전략의 개수는 환경에 적용된 화학 물질로부터의 위협을 평가하기 위해 사용되어왔다. 실험실 기반 모델 시스템 연구는 토양에서 화학 물질의 이동도를 제어하는​​ 근본적인 메커니즘에 대한 정보를 제공하기 위해 실시되었다. 실험실에서 화학적 거동을 분석 할 때, "환경"및 입력의 완료 조작이 달성 될 수 있지만, 이러한 경우는 거의 실제 환경 조건 5,6 일치하지. 따라서, 필드 설​​정에 실험실 결과를 추정하는 것은 화학 위협에 대한 부정확 한 예측으로 이어질 수 있습니다. 대조적으로, 광범위한 분야 측정 환경에서 화학적 거동을 정의하는 데 사용되었다. 그러나, 이러한 측정에서 환경 거동에 대한 결론은 종종 인해 적용 화학 물질의 자주 낮은 사용 비율 (예를 들어, 몇 g의-1)뿐만 아니라, 전자의 수 문학 및 생지 화학 과정 사이의 복잡한 상호 작용에 복잡화학 물질의 분포를 조절 nvironment.

필드 lysimetry 포함 Lysimetry는 역사적으로 체계적으로 토양과 설립 식물에 적용되는 화학 물질의 하향 이동을 평가하기 위해 토양과 작물의 과학자들에 의해 사용되어왔다. 모형 매립은 그 토양에 배치되고, 한정된 지역에 확정 된 금액으로 적용 화학 물질의 운명을 결정하는 데 사용되는 금속 또는 플라스틱으로 만든 장치입니다. 장력 계에서 수집 된 토양과 식물 시료는 시간이 지남에 따라 화학적 분포의 변화를 평가하기 위해 사용될 수있다. 필드 lysimetry는 자연의 환경 조건 하에서 수행되기 때문에, 결과는 토양 시스템에 응용 화학 유래 실제의 시나리오를 예측하는데 사용될 수있다. 조기 모형 매립 연구 증산, 수분 흐름, 및 / 또는 영양 움직임을 측정 하였다. 현대의 모형 매립 연구는 aforeme과 함께, 농약 및 영양 손실, 농약 운동, 변동성, 질량 균형을 측정ntioned 측정 3.

지하수 오염의 가능성에 영향을 미칠 수있는 중요한 구성 요소 - 기존의 필드 lysimetry의 한계는 더 적은주의가 토양을 침출 물에 용해 된 화학 물질의 농도에 지불하는 동안 토양의 프로파일 내 화학 물질의 이동이 크게 고체 위상 측정에 의해 정의된다는 점입니다 토지 적용 화학 물질. 장력 계의 바닥에서 침출수가 때로는 분석을 위해 수집되어 있지만, 일반적으로이 방법의 한계를 깊이 porewater 농도의 해상도 및 이전 실험에 중요한 토양의 발굴이 필요합니다. 대신, 토양 물 화학의 농도에 대한 데이터를 구하는, porewater 샘플러는 필드 설​​정에 이용 될 수있다. Pore​​water 샘플러는 이산, 원하는 깊이에서 물을 수집하기 위해 토양에 설치 만 최소한으로 토양 시스템을 방해하고 있습니다. Pore​​water 샘플러는 장력 계, 흡입 CU 등 많은 이름으로 불리고있다P의 장력 계 또는 토양 용액 샘플러, 상술 전통적인 필드 장력 계 그들의 구별을 컨볼 루션. 이 논문에서, 우리는 혼란을 완화하기 위해 "porewater 샘플러"를 사용합니다.

여기, 우리는 식물이 흙이나 bareground 시스템에 적용되는 화학 물질의 하향 침출 가능성을 평가하기위한 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링을 결합한 실험적인 접근 방식을 보여줍니다. 세라믹 porewater 샘플링은 1960 년대 초 8부터 사용하고있는 동안 Lysimetry는, 1700 년대 7부터 사용하는 강력한 도구이다. 이 강력한 기술을 통합 토양의 교란을 최소화하면서 모두 고체 용해 상 화학 물질의 농도 분포의 필드 측정 할 수 있습니다. 이 문서는 사이트 선택, 장치 설치 및 시료 채취를 포함하여 실험을 설계 할 때 고려해야 할 요소를 설명합니다. 접근 방식의 운명을 평가하는 실험으로 설명된다유기 비소 화합물 농약은 bareground 및 설립 잔디가 시스템에 적용. 설명하는 기술함으로써 연구자와 토지 적용 화학 물질의 환경 거동과 행동을 이해하고자 정책 입안자에 매우 중요한 도구를 제공, 다양한 화학의 운명을 검토 할 필요 조정할 수 있습니다.

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프로토콜

이 필드를 샘플링이 실험 수행 및 농업 & 소비자 서비스의 노스 캐롤라이나 부서의 승인하에 있습니다.

1. 필드 모형 매립 설치

  1. 적용되는 화학 물질의 측면 이동이 가능성이있는 실험 사이트를 선택 (예. 거의없는 경사 사이트). 그 토양과 식물 특성에 따라 사이트를 선택합니다.
  2. 플롯이 생장하는 경우, 설치 (그림 1A)를 모형 매립하기 전에 식물의 플러그를 빼냅니다.
  3. ~ 적용되는 화학 물질을 포함하고 측면 화학의 움직임을 최소화하기 위해 토양 표면 위의 모형 매립 1-2 센티미터 떠나, 반전 후 드라이버를 사용 (또는 식물 제외) 원하는 플롯에 아래로 장력 계를 운전. 이를 위해 사용 압연와 18 게이지 스틸 시트 (91 cm 깊이 × 15 cm 직경) (그림 1B)를 용접. 고해상도에 맞게 다른 재료와 크기의 장력 계를 사용하여earch 목표.
  4. 모형 매립 설치 한 후 식물의 플러그를 교체합니다.
  5. 실험에 적합한 모든 식물을 관리 할 수​​ 있습니다. 플롯은, 맨손으로 남아있는 식물의 무료 공간을 유지하기 위해 글 리포 세이트의 현장 응용 프로그램을 사용하는 경우.
  6. 관개, 수정, 및 기타 관리 방법은 bareground 및 식생 플롯에서 동일한 지 확인합니다. 연구 목표를 달성하기 위해 관개를 미리 결정.

2. Porewater 샘플러 설치

  1. 스며 porewater를 수집하는 장력 계의 중간에 같은 PTFE / 쿼츠 (51 / 50 %) 등의 porewater 샘플러를 설치합니다.
  2. 모형 매립의 중심에 2.5 cm 스테인리스 막대를 삽입하고 원하는 샘플러 깊이 망치로 땅을 삽입합니다.
    주 : 오거의이 단계에 사용될 수있다.
  3. 관개 물 700 ㎖를 화학적으로 비활성 실리카 가루로 ~ 900g으로 실리카 밀가루와 물 슬러리를 준비합니다. 슬러리 thoroug 혼합각 샘플러는 혼합물에 배치됩니다 HLY 전에. 휴대용 또는 배터리 전원을 사용하는 진공 펌프에서 샘플러 -50 -70 kPa의 사이에 압력을 적용합니다.
  4. 10 분 후, 실리카 분말 슬러리에서 샘플러를 제거하고 철저하게 다시 실리카 슬러리를 혼합한다. 구멍의 바닥으로 2.5 cm 직경 파이프에 연결된 깔때기를 통해 슬러리 60 ㎖에 붓고.
  5. 플라스틱이나 금속 파이프를 사용하여 원하는 샘플링 깊이 구멍에 샘플러를 놓습니다. 샘플러에서 해당 튜브 구멍 밖으로 빠져 나오 확인합니다. 나머지 구멍을 백필 nontreated, 기본 토양과 물 슬러리를 사용합니다.
  6. 정착 토양 메우기 동안 시간을​​ 허용; 필요에 따라 추가 된 흙을 탐포하는 파이프를 사용합니다.
  7. 원래 수준으로 흙을 채워서. 해당되는 경우, 구멍의 상단에 식물을 교체합니다.
  8. 플루오르 에틸렌 프로필렌 (FEP) 튜브의 섹션을 통해 진공 병에 샘플러 튜브를 연결합니다. 플라스틱 튜브 클램프, 중 두 번째 튜브 라인을 연결진공 펌프로 진공 병.
  9. 그 화학 물질 (들) 광분해 (그림 1C)하는 경향이 경우 검은 색 플라스틱 테이프 튜브 및 수집 병을 커버.
  10. 적절한 샘플러 설치를 확인하기 위해 실험을하기 전에 몇 일에 걸쳐 반복적으로 샘플러에 진공 병을 통해 약 -50 -70 kPa의 진공 압력을 적용합니다.

장력 계 3. 화학 응용 프로그램

  1. 화학 응용 프로그램이되기 전에 순응에 대한 최소 2 주에게 허용합니다.
  2. 그 화학 물질 (들)의 배경 농도를 정량 모형 매립 처리하기 전에 배경 porewater 샘플을 수집합니다.
  3. 이러한 휴대용 CO 2 가압 붐 분무기 (도 1D) 또는 모형 매립 함유 플롯의 표면에 직접 과립 제형을 분배하는 등 일반적인 방법에 의해 토양 또는 식물에 관심 화학적 적용. 여러 화학 응용 프로그램의 효율성을 위해 필요한 경우, 사용 패턴이나 라벨 방향 일반적인 기준에 적용 할 수 있습니다. 제어 역할을하는 치료 약간의 장력 계를 남겨주세요.

4. Porewater 수집 및 분석

  1. porewater 샘플러 진공 병 전날 또는 샘플링의 날을 진공 약 -50 -70 kPa의 적용. 샘플러를 둘러싼 물 샘플까지 수집 된 진공 병에 흐르는 튜브로 샘플러를 통해 그려집니다. porewater를 수집하고 물 수집 시간이 토양 종류, 토양 질감, 토양 수분 함량 및 샘플러 깊이와 같은 요인에 의존 할 수있는 토양의 양.
  2. 연구원에 의해 미리로, 화학 응용 프로그램에 다음과 같은 지정된 시간 간격으로 샘플을 수집합니다.
  3. 각 porewater 샘플러의 눈금 실린더에 수집 물의 부피를 측정한다. 여과가 필요한 경우, 루어 코리아 싸이에 물을 배치ringe (크기는 물의 양에 따라 달라집니다)와 25mm 0.2 μm의 나일론 필터를 통해 샘플을 전달합니다.
  4. 다른 샘플의 보존 방법이 필요하며, 충분한 샘플이 수집되는 경우, 고유 한 용기에 샘플을 나눕니다.
  5. 비 산성 시료의 pH를 확인하기 위해 휴대용 pH 미터를 사용합니다.
  6. 샘플의 보존에 필요한 경우 적절한 산의 충분한 부피를 첨가하여 pH를 조정한다.
    참고 : 농축 산 부식 될 수 있습니다하거나 사용할 때 산화제 및 관리는주의해야한다.
  7. 장소 쿨러에 얼음에 샘플이나 분석 될 때까지 냉장고에 넣어. 예컨대 유도 결합 플라즈마 질량 분석법 (ICP-MS), 유도 결합 플라즈마 광 방출 분광법 (ICP-OES), 원자 흡수 분광법 (AAS) 또는 고속 액체 크로마토 그래피 (HPLC)로 화학적 측정을위한 분석 방법을 사용 샘플을 분석 할 수 있습니다.

5. 모형 매립 출토, 토양 / 식물 컬렉션차 분석

  1. 화학적 응용 다음 지정된 시간 간격으로, 토양과 식물을 포함하는 장력 계를 발굴. 토양과 식물에서 배경 화학 물질의 농도를 결정하기 위해 각각의 샘플링 시간에 nontreated 장력 계를 발굴.
  2. 트랙터 구현에 부착 배럴 클램프를 이용하여 장력 계를 발굴. 모형 매립의 노출 가장자리에 배치되는 클램프를 허용하는 위치에 물통을 낮 춥니 다.
  3. 리프트 클램프 토양 (그림 1E) 밖으로 모형 매립 열을 당겨, 노출 된 가장자리를 잡아 원인이 구현합니다.
  4. 캡은 장력 계의 직경로 잘라 절연 시트와 모형 매립 끝을 발굴. 갤런 크기의 폴리에틸렌 모형 매립 종료에 삽입 된 가방 및 덕트 테이프와 보안 부대와 장소에 캡을 잡습니다.
  5. 토양과 식물 샘플 부문에 대한 필드 실험실에 장력 계를 수송한다. 오염 암을 방지하기 위해 처음 nontreated 장력 계를 처리사연 장력 계.
  6. 한면에 세로로 모형 매립을 잘라 금속 절단 날을 탑재 보았다 왕복을 사용합니다. 깊은 깊이의 토양이 얕은 깊이에서 토양 오염되지 않았는지 (예상보다 높은 농도의 영역)를 맨 아래 (예상 낮은 농도의 영역)에서 열을 잘라.
  7. 모형 매립을 열 분할합니다. 별도의 분리 된 토양과 식물 절에 금속 분할 판을 사용합니다. 모형 매립 및 연구 목표의 길이에 따라 토양 깊이 단위를 선택합니다.
  8. 단면 토양과 식물을 발굴 숟가락이나 주걱을 사용합니다. 적절하게 레이블이 지정된 폴리에틸렌 냉동 백에 각각의 샘플을 놓습니다. 모형 매립과 직접 접촉 토양을 수집하지 않습니다.
  9. 원하는 각 샘플 깊이 발굴 프로토콜을 따르십시오. 얼음으로 가득 쿨러 샘플 가방을 놓고 실험실로 수송한다. 분석 될 때까지 냉장고에 보관 샘플.

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결과

화학 물질의 운명에 대한 자료의 축적이 5,10를 bareground 및 식생, 토양 시스템에 적용이 방법은 수 있습니다. 이 방법은 버뮤다 그래스를위한 식물에 비소 (As) 아래로 침출, 흡수,과 위치를 평가하는 데 사용 된 유기 비소 제초제 모노 나트륨 메틸 비산 (MSMA)의 응용 프로그램을 다음 (Cynodon의 dactylon) 시스템 9. 1960 년대 이후, MSMA 비 농경지, 잔디가, 면화 생산에 사용되었지만으로는 토양을 통해 아래로 용출 지하수 (11, 12)을 오염시킬 수있는 적용 성장 우려가있다. 미국 환경 보호국 (EPA)는 현재 추가로 과학적인 검토 13, 14를 보류, MSMA을 단계적으로 고려하고있다.

bareground하는 MSMA 응용 프로그램 및 버뮤다 그래스의 장력 계에 따라, 같이의 대부분은 1 년의 실험 (그림 2,

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토론

통합 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 방법을 활용하여 연구자 토지 적용 화학 물질의 다양한 공간과 시간적 분포를 평가할 수 있습니다. 토양과 식생 시스템에서 화학 물질의 운명은 아래로 침출, 휘발, 가수 분해, 광분해, 미생물 변환 / 분해, 식물의 흡수, 토양의 종류, 토양의 pH를 16, 17 등의 환경 프로세스와 속성들에 의해 제어 될 수있다. 온실 또는 실험실 기반의 실험과는 달리, 여기에 설명 된 필드 기반의 접근 방식의 결과는 연구의 시스템에 미치는 영향을 최소화를 얻을 수 있습니다 때문에 다른 시스템으로 추정 할 수있다 또는 설정 18. 적용된 화학적의 양을 알면, 모형 매립 영역은, 화학 물질의 잠재적 휘발, 용해시키고, 고체상에서 측정 량 및 토양의 부피 밀도는 화학적 질량 균형 및 로딩의 결정을 허용 지하수에 화학 침출 잠재적 환경 위협을 예측하기위한 유용한 정보 - 그 시스템의 한계 추정.

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공개 사항

저자가 공개하는 게 없다.

감사의 글

저자는 모형 매립 설치 및 발굴에 대한 지원 NCDA에 Sandhills 연구 역에서 직원을 인정합니다. 대표 결과에 기술 된 실험을위한 자금 조달은 잔디가 환경 연구 및 교육을위한 센터에 의해 제공되었다. 비디오 및 원고 생산은 토양 과학 작물 과학의 노스 캐롤라이나 주립 대학의 부서에 의해 지원되었다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Prenart Super Quartz 샘플러 (PFTE/Quartz)Prenart Equipment ApSN/A미량 금속 분석을 위한 모든 샘플러를 사용할 수 있습니다 (예: SoilMoisture Equipment Corp.)
Prenart 설치 키트Prenart Equipment ApSN/A공수 샘플러 설치에 필요한 모든 품목 포함
2L 수집 병Prenart Equipment ApS병은 Fisher Scientific(02-923-2) 또는 기타 실험실 공급 회사에서도 구입할 수 있지만 피팅 조정이 필요합니다. 병은 빛에 민감한 경우 어두운 재질로 덮을 수 있습니다
휴대용 진공 펌프Prenart Equipment ApSN/AVacuporter from Decagon Devices 또는 기타 필드 배터리 작동 또는 수동 진공 펌프를 사용할 수 있습니다
1oz HDPE Nalgene 병Fisher Scientific03-313-4A샘플 병 유형은 관심 분석물에 따라 다르며 유리일 수 있습니다
. 농축 질산Fisher ScientificA509-P212산화 및 부식성 - 다른 산은 보존을 위해 필요할 수 있으며주의해서 사용해야합니다
25 mm 0.2 &마이크로; m 나일론 주사기 필터VWR28145-487관심 분석물 및 분석 기기에 따라 다른 필터 유형 및 기공 크기를 사용할 수
60ml Luer-Lok 주사기Fisher Scientific13-689-8수집된 샘플의 양에 따라 다른 크기를 사용할 수 있습니다
휴대용 pH 측정기VWR248481-A01보정 후 다른 pH 측정기를 사용할 수 있습니다
눈금이 매겨진 실린더모든N/A
필드 용해계(금속, 플라스틱, 등)해당 없음종종 이들은 연구원 사양에 따라 구성됩니다
반전 포스트 드라이버 트랙터N/AN/A모든 트랙터를 사용하여 용해계를 설치할 수 있습니다
휴대용 붐 분무기N/AN/A적용에 필요한 비율을 적용하려면 
폴리에틸렌 백Johnson & JohnsonN/A다른 브랜드는 토양 저장에 사용될 수 있습니다
왕복 톱Black & ; 데커 N/A모든 왕복 톱은 금속 절단 부착물과 함께 사용할 수 있습니다.
. . 있습니다

참고문헌

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