Meting van de fosfor afgifte in laboratorium Microcosms voor de beoordeling van de water kwaliteit

Samenvatting

Nauwkeurige kwantificering van fosfor (P) desorptie potentiaal in verzadigde bodems en sedimenten is belangrijk voor P Modeling en transport mitigatie inspanningen. Om beter rekening te kunnen maken voor in situ bodem-water redox dynamiek en P mobilisatie onder langdurige verzadiging, werd een eenvoudige aanpak ontwikkeld op basis van herhaalde bemonstering van laboratorium microcosm's.

Samenvatting

Fosfor (P) is een kritische beperkende nutriënt in agroecosystemen die een zorgvuldige beheersing vereist om het transportrisico voor aquatische omgevingen te verminderen. Routine matige laboratorium maatregelen van P biologische beschikbaarheid zijn gebaseerd op chemische extracties uitgevoerd op gedroogde monsters onder oxiderende omstandigheden. Hoewel nuttig, zijn deze tests beperkt met betrekking tot het karakteriseren van P-afgifte onder verlengde water verzadiging. Labiele ORTHOFOSFAAT gebonden aan geoxideerde ijzer en andere metalen kan snel desorptie naar oplossing in het verminderen van omgevingen, verhogen van het risico op de oppervlakte afvoer en grondwater. Voor een betere kwantificatie van P desorptie potentiaal en mobiliteit tijdens uitgebreide verzadiging, werd een microkosmos-laboratoriummethode ontwikkeld op basis van herhaalde bemonstering van poreywater en overliggende schijn water in de loop van de tijd. De methode is nuttig voor het kwantificeren van de P-vrijgave potentiaal van bodems en sedimenten die variëren in fysisch-chemische eigenschappen en kan de sitespecifieke P-beperkings inspanningen verbeteren door het risico op het vrijgeven van P in hydrologisch actieve gebieden beter te karakteriseren. Voordelen van de methode zijn het vermogen om in situ dynamiek, eenvoud, lage kosten en flexibiliteit te simuleren.

Inleiding

Fosfor (P) is een kritische beperkende voedingsstof voor zowel gewas-als aquatische biomassa-productiviteit. Oppervlaktewater hydrologie is een hoofdbestuurder van P-lot en transport, omdat het het fysieke transport van sediment en p regelt, terwijl het ook het mobilisatie-potentieel beïnvloedt tijdens aflopend en overstromingen/ponderende gebeurtenissen. Verschillende laboratorium-gebaseerde extractiemethoden worden meestal gebruikt om P-afgifte op de veld schaal te schatten onder oxiderende omstandigheden. Hoewel verschillende mechanismen kunnen bijdragen aan P-afgifte, is reductieve ontbinding van ijzer-fosfaten een goed opgezet reactiemechanisme dat kan leiden tot grote ORTHOFOSFAAT-P-fluxen naar water^{1,2,3, 4}. In een herziening van de mechanismen die P biogeochemie in wetlands beheersen, was de redox-status veronderstelde de belangrijkste variabele die P-afgifte op bodems en ondiep grondwater⁵. Als zodanig kunnen traditionele P-tests geen betrouwbare voorspellers zijn van P-afgifte onder langdurige verzadiging.

Gezien het belang van de water woontijd en de redox status op het lot en het vervoer van P, kunnen laboratorium benaderingen die zijn ontworpen om in-situ omstandigheden beter te simuleren, leiden tot betere P-transportrisico-indices voor landbouw-en wetland-ecosystemen die onderhevig zijn variabele verzadiging. Aangezien het ORTHOFOSFAAT onmiddellijk biologisch beschikbaar is, kan de snelheid en de mate van desorptie tijdens verzadiging worden gebruikt als een index van het risico op verontreiniging van de nonpoint-bron P. Onze methode is ontworpen om P desorptie te kwantificeren naar poreo (PW) en mobilisatie naar overliggende water (FW), een typische aandoening in gebieden met een variabele brongebied hydrologie (bijv. overstroomde agrarische velden, wetlands, drainage sloten, en riparian/ near-stream zones). De methode werd oorspronkelijk ontwikkeld om P-vrijgave potentieel te karakteriseren in seizoen overstroomde bodems uit het noorden van New York (VS) en werd recentelijk toegepast om het desorptie potentieel van de riparische bodems te kwantificeren uit het noordwesten van Vermont in het Champlain-bekken⁶ . Hier bieden we een protocol voor de laboratoriummicrocosm-methode en markeren we resultaten van een recent gepubliceerde studie waaruit blijkt dat ze de mogelijkheid hebben om P-desorptie potentieel te kwantificeren. We tonen ook de relatie tussen de P-vrijgave potentiaal en de betrouwbaarheid van routinematige bodem tests (labile extraheerbare P, pH) om vrijgave op verschillende locaties te voorspellen.

Het uitvoeren van de methode vereist toegang tot een analytisch laboratorium met adequate klimaatbeheersing, ventilatie, water en een goed verwijderingssysteem voor zuur afval. De methode veronderstelt de toegang tot routinematige chemische reagentia en laboratoriumapparatuur (gootstenen, afzuigkappen, glaswerk, enz.). Naast routinematige laboratorium behoeften is een membraanfiltratie (≤ 0,45 μm) systeem vereist en een UV-spectrofotometer om P te meten. Een pH-meter of multiparameter waterkwaliteit sonde worden ook aanbevolen, maar niet vereist. De laboratorium temperatuur is een belangrijke factor en moet constant worden gehouden, tenzij de temperatuur zelf wordt onderzocht als een experimentele factor (20 °C wordt aanbevolen). Onbelemmerde toegang tot een adequaat analytisch laboratorium met de juiste apparatuur is een vereiste om de methode correct uit te voeren en zinvolle resultaten te genereren.

Protocol

1. monsterverzameling

1. Verzamel ongeveer 4 L grond (of sediment) van de gewenste plaatsen. Verzamelgebieden moeten relatief klein zijn om ruimtelijke variatie in P-en bodemeigenschappen te beperken.
2. Zeef monsters door een grof (20 mm) scherm gevolgd door een 2 mm scherm. Zorgvuldig hand-mix monsters na het zeven.
3. Weeg 100 g veld-vochtige grond of sediment af. Droog in een oven bij 105 °C gedurende 24 uur en bereken het gravimetrische watergehalte (bodem watermassa/droge bodem massa).
4. Neem een 500 ml aselecte deelsteekproef voor chemische analyse.
   Opmerking: bodem pH, organisch materiaalgehalte en labiele anorganische P (PI) concentratie worden aanbevolen bodem proeven. Hier werd de beschikbaarheid van labiele Soil Pi beoordeeld door: 1) Pi geëxtraheerd door 1,25 mol L^-1 ammonium-acetaat (pH = 4,8; hierna aangeduid als gewijzigd Morgan extraheerbare P) gemeten colorimetrisch^7,8, 2) Pi geëxtraheerd door gedistilleerd water, en 3) P geëxtraheerd door 1,25 mol L^-1 ammonium-acetaat (pH = 4,8) gemeten door inductief gekoppeld plasma-optische emissie SPECTROSCOPIE (ICP)⁸.
5. Gebruik overgebleven gezeefde grond voor microkosmos-studies of bewaar in polyethyleenzakken bij 5 °c voor later gebruik.
   Let op: de bodems drogen in de koelkast gedurende lange perioden (> 30 dagen) en vereisen remoistening. Bodemmonsters niet bevriezen omdat het microbiële integriteit en P-vrijgave potentieel beïnvloedt.

2. Microcosm-constructie

1. Gebruik één-liter (1 L) gegradueerde polypropyleen of andere niet-reactieve plastic bekers als individuele experimentele eenheden (micro cosm's). Wassen bekers in 10% zoutzuur en Triple spoelen met gedestilleerd water.
2. Meet 2 cm van de bodem en plaats een markering naast de beker schaal. Boor een gat van 1,25 cm diameter voor afvoer poorten.
3. Plaats een kleine kraal silicone rond de binnenrand van de slang mantel en de buitenste omtrek van het boorgat. Plaats de afvoerpoort voorzichtig in het gat.
   Opmerking: laat de lucht drogen gedurende ten minste 24 uur voordat u verdergaat met stap 2,4.
4. Traceer de buitenomtrek van slang weerhaken op het nylon mesh filter scherm en knip met een schaar. Breng een dunne kraal silicone aan rond de omtrek van elk filter aan de buitenrand en druk op de filters op de slang-inlaten. Laat ten minste 24 uur droogtijd voor gebruik.
   Opmerking: voor de meeste toepassingen wordt een poriegrootte van 100 μm aanbevolen; fijnere-gestructureerde bodems kunnen echter een grotere filter poriegrootte vereisen om buitensporig lange PW-monsterafname tijd te voorkomen.
5. Monteer een kort stukje van 0,625 cm doorsnede latex slang aan slang verbindings uiteinden. Bevestigd een 3,3 cm brede papier Binder clip op de slang om stroming te voorkomen.

3. het uitvoeren van een fosfaat afgifte proef

1. Plaats 500 mL monster in dubbele micro cosm's en breng voorzichtig gedistilleerd water langs de wanden van het glas aan totdat FW de 1 L-markering bereikt.
   Opmerking: laat kosmos voor het nemen van eerste monsters voor 24 − 48 uur equilibraten.
2. Unclip papier bindmiddelen om te induceren PW stroom door afvoerpoort. Verzamelmonsters door schone 30 mL bekers direct onder de PW drainage poorten te plaatsen. Laat enkele mL PW uitlekken, gooi en gebruik de volgende 10 mL als representatief monstervolume.
3. Filter PW-monsters via 0,45 μm-membraanfilters en analyseer onmiddellijk voor oplosbare reactieve P (SRP). Noteer de extinctiewaarden en de tijd van de metingen.
   Opmerking: SRP wordt over het algemeen verondersteld ORTHOFOSFAAT te zijn; molybdaat-reactieve P kan echter ook complexen vormen met colloïden en/of nanodeeltjes die door 0,45 μm filters⁴passeren.
4. Neem het initiële FW-monster door een pipet met een gloeilamp van 10 mL halverwege de waterkolom te plaatsen en een monster met een cirkelvormige beweging op te trekken. Leeg in bekers, filter en analyseer onmiddellijk voor SRP.
5. Vervang het gesamplede water door de bekers op 1 L te vullen met gedistilleerd water.
   Opmerking: verdampings verliezen zullen variëren. Het doel is om consequent een totaal volume (overstroomde bodem + waterkolom) van 1 L in alle micro cosm's te handhaven. Het vervangen van verdampings waterverliezen heeft verwaarloosbare verdunnings effecten op SRP.
6. Herhaal stap 3,2 tot en met 3,5 op basis van het gewenste aantal P-vrijgavetijd punten voor analyse.
   Opmerking: het aantal monsters dat in de loop van de tijd wordt genomen, is afhankelijk van de doelstellingen. Een tot drie keer per week bemonsteren is voldoende voor veel toepassingen die ervan uitgaan dat incubaties dicht bij 20 °C liggen. Incuberen bij hogere temperaturen verhoogt SRP afgiftetarieven en zal vaker bemonstering vereisen. De bedoeling hier is om het nut van de microkosmos-methode te laten zien in plaats van te focussen op gegevensanalyse van experimenten. Zowel op kinetisch gebaseerde als empirische modellen die passen op de desorptie-/sorptie gegevens van de P worden elders^9,10weergegeven. Aangezien de methode microkosmos is gebaseerd op een herhaalde maatregelen ontwerp en geschikt voor replicatie en verschillende behandelingen, zijn gegeneraliseerde lineaire gemengde modellering benaderingen ook geschikt¹¹.

Resultaten

De resultaten van een recente studie gericht op de P-vrijgave potentieel van oever gebieden zijn gemarkeerd om aan te tonen dat de methode de mogelijkheid heeft om de P-release Dynamics⁶op siteniveau te karakteriseren. Hoewel sommige bodems in de loop van de tijd minimale veranderingen in SRP vertoonden, hadden anderen een grote toename van de PW-en FW-SRP-concentraties (Figuur 1). Twee sites met contrasterende trends worden weergegeven in Figuur ...

Discussie

Een belangrijke technische voordeel van de microkosmos-aanpak is de mogelijkheid om in-situ omstandigheden te simuleren waarbij verzadigde grond of sediment onmiddellijk altijd wordt door FW die aanzienlijk kan verschillen in redox-en P-status. Landschappen met variabel brongebied hydrologie zoals drainage sloten, overstroomde bouw gebieden, wetlands, en riparian/near-stream zones zijn allemaal voorbeelden van waar verminderde PW periodiek altijd door meer geoxideerd water met lagere Pi concentraties. Deze redox...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
1.25 cm plastic hose barbs	numerous	NA
Chemische reagentia voor fosforbepaling	numerous	NA	P-analysecapaciteit wordt verondersteld; raadpleeg de vermelde referenties voor details over de methode
Snoerloze of elektrische boor met 1.25 cm bit	numerous	NA
Gegradueerde plastic bekers (1L)	numerous	NA
Laboratorium met afzuigkappen, temperatuurregeling en systeem voor afvoer van zuur afval	NA	NA
Nylon gaasfilterscherm (100um)	numerous	NA
Silicone	numerous	NA
UV Spectrofotometer	numerous	NA