Zintegrowana lizymetria polowa i pobieranie próbek wody porowej w celu oceny mobilności chemicznej w glebach i zastanej roślinności

Podsumowanie

Lizymetria terenowa i pobieranie próbek wody porowej pozwalają badaczom ocenić los substancji chemicznych stosowanych w glebach i ustalonej roślinności. Celem tego protokołu jest zademonstrowanie, w jaki sposób zainstalować wymagane oprzyrządowanie i pobrać próbki do analizy chemicznej podczas zintegrowanych eksperymentów z lizymetrią polową i pobieraniem próbek wody porowej.

Streszczenie

Potencjalnie toksyczne chemikalia są rutynowo stosowane na ziemi, aby sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie gospodarki odpadami i produkcji żywności, ale los tych chemikaliów często nie jest dobrze poznany. W tym miejscu demonstrujemy zintegrowaną metodę lizymetrii polowej i pobierania próbek wody porowej do oceny mobilności chemikaliów stosowanych na glebach i ustalonej roślinności. Lizymetry, otwarte kolumny wykonane z metalu lub tworzywa sztucznego, są wbijane w gołą ziemię lub glebę porośniętą roślinnością. Próbniki wody porowej, które są dostępne na rynku i wykorzystują próżnię do zbierania przesączającej się wody glebowej, są instalowane na określonych głębokościach w lizymetrach. W ustalonych wcześniej godzinach po zastosowaniu substancji chemicznej na poletkach doświadczalnych pobierana jest woda porowa, a lizymetry zawierające glebę i roślinność są ekshumowane. Analizując stężenia chemiczne w glebie lizymetrycznej, roślinności i wodzie porowej, można określić ilościowo wskaźniki wymywania w dół, zdolności retencyjne gleby i pobieranie przez rośliny substancji chemicznej będącej przedmiotem zainteresowania. Ponieważ lizymetria polowa i pobieranie próbek wody porowej są przeprowadzane w naturalnych warunkach środowiskowych i przy minimalnym naruszeniu gleby, uzyskane wyniki pozwalają na opracowanie rzeczywistych scenariuszy i dostarczają cennych informacji na potrzeby zarządzania chemikaliami. Ponieważ chemikalia są coraz częściej stosowane na gruntach na całym świecie, opisane techniki mogą być wykorzystane do określenia, czy stosowane chemikalia mają niekorzystny wpływ na zdrowie ludzkie lub środowisko.

Wprowadzenie

Potencjalnie toksyczne chemikalia są rutynowo stosowane na ziemi z takich źródeł jak pestycydy, nawozy, ścieki/odpady organiczne, odpady przemysłowe i odpady komunalne^1,2. Los tych substancji chemicznych – które mogą obejmować składniki odżywcze, pierwiastki śladowe, substancje organiczne i związane z nimi metabolity – często nie jest dobrze poznany³. Jeśli chemikalia nie są odpowiednio zarządzane, mogą potencjalnie zagrażać zdrowiu ludzi i środowiska poprzez ich przenoszenie i gromadzenie się w roślinach, wodach powierzchniowych i gruntowych. Biorąc pod uwagę, że do 2050 r. liczba ludności na świecie może osiągnąć 10 miliardów, rosną wymagania dotyczące gospodarowania odpadami i produkcji żywności² , a wykorzystanie wielu chemikaliów na gruntach^{wzrasta 3,4}. W związku z tym potrzebne są badania, które określą ilościowo przemiany, mobilność, limity obciążenia i ogólne zagrożenia środowiskowe związane z chemikaliami, które wymagają utylizacji gruntów lub od których jesteśmy zależni w celu poprawy zdrowia upraw i plonów.

Zastosowano szereg strategii do oceny zagrożeń ze strony chemikaliów stosowanych w środowisku. Przeprowadzono badania laboratoryjne oparte na modelach systemowych, aby dostarczyć informacji na temat podstawowych mechanizmów kontrolujących ruchliwość substancji chemicznych w glebie. Analizując los chemiczny w laboratorium, można osiągnąć pełną manipulację "środowiskiem" i danymi wejściowymi, ale rzadko odpowiadają one rzeczywistym warunkom środowiskowym^5,6. W związku z tym ekstrapolacja wyników laboratoryjnych na warunki terenowe może prowadzić do niedokładnych przewidywań dotyczących zagrożeń chemicznych. W przeciwieństwie do tego, pomiary szerokiego pola zostały wykorzystane do zdefiniowania zachowania chemicznego w środowisku. Jednak wnioski dotyczące losów środowiska na podstawie tych pomiarów są często skomplikowane ze względu na często niskie wskaźniki zużycia (np. kilka g ^A-1) stosowanych chemikaliów, a także złożone interakcje między procesami hydrologicznymi i biogeochemicznymi w środowisku, które regulują rozmieszczenie chemiczne.

Lizymetria, w tym lizymetria polowa, była historycznie używana przez naukowców zajmujących się glebą i uprawami do systematycznej oceny mobilności w dół chemikaliów stosowanych na glebie i ustalonej roślinności. Lizymetr to urządzenie wykonane z metalu lub tworzywa sztucznego, które umieszcza się w glebie będącej przedmiotem zainteresowania i służy do określania losu chemikaliów stosowanych w znanych ilościach na zamkniętym obszarze. Próbki gleby i roślinności pobrane za pomocą lizymetrów można wykorzystać do oceny ewolucji rozkładu chemicznego w czasie. Ponieważ lizymetria polowa jest przeprowadzana w naturalnych warunkach środowiskowych, wyniki można wykorzystać do przewidywania rzeczywistych scenariuszy wynikających z zastosowań chemicznych w systemach glebowych. Wczesne badania lizymetryczne mierzyły transpirację, przepływ wilgoci i/lub ruch składników odżywczych. Współczesne badania lizymetryczne mierzą rozpraszanie pestycydów i składników odżywczych, ruch pestycydów, lotność i bilans masy, wraz z wyżej wymienionymi pomiarami³.

Ograniczeniem tradycyjnej lizymetrii polowej jest to, że mobilność chemiczna w profilu glebowym jest w dużej mierze definiowana przez pomiary fazy stałej, podczas gdy mniej uwagi poświęca się stężeniom rozpuszczonych substancji chemicznych w wodzie przesączającej się przez gleby - krytyczny składnik, który może wpływać na potencjalne zanieczyszczenie wód gruntowych przez chemikalia stosowane na lądzie. Chociaż odcieki z dna lizymetrów są czasami zbierane do analizy, takie podejście ogranicza rozdzielczość głębokości stężeń wody porowej i zazwyczaj wymaga znacznych wykopów glebowych przed eksperymentami. Zamiast tego, aby uzyskać dane o stężeniach chemicznych w wodzie glebowej, próbniki wody porowej mogą być wykorzystywane w warunkach polowych. Próbniki wody porowej są instalowane w glebie w celu zbierania wody z dyskretnych, pożądanych głębokości i tylko w minimalnym stopniu zakłócają system glebowy. Próbniki wody porowej są określane wieloma nazwami, w tym lizymetrami, lizymetrami z przyssawką lub próbnikami roztworów glebowych, co utrudnia ich odróżnienie od tradycyjnych lizymetrów terenowych opisanych powyżej. W tym artykule będziemy używać terminu "próbnik wody porowej", aby złagodzić zamieszanie.

Tutaj demonstrujemy eksperymentalne podejście, które łączy lizymetrię polową i pobieranie próbek wody porowej w celu oceny potencjału wymywania w dół chemikaliów stosowanych na glebie porośniętej roślinnością lub systemach bez gruntu. Lizymetria jest potężnym narzędziem używanym od 1700 roku⁷, podczas gdy ceramiczne pobieranie próbek wody porowej jest używane od wczesnych lat 1960.⁸. Integracja tych niezawodnych technik pozwala na określenie w terenie rozkładu stężeń chemicznych zarówno w fazie stałej, jak i rozpuszczonej, przy jednoczesnej minimalizacji ingerencji w glebę. W tym artykule opisano czynniki, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania eksperymentu, w tym wybór lokalizacji, instalację urządzenia i pobieranie próbek. Podejście to zostało zilustrowane eksperymentem, w którym oceniono los organicznego pestycydu arsenowego zastosowanego na gołym terenie i ustalonym systemie traw darniowych. Opisane techniki mogą być w razie potrzeby dostosowywane do badania losów szerokiej gamy substancji chemicznych, dostarczając w ten sposób nieocenionych narzędzi badaczom i decydentom, którzy starają się zrozumieć los i zachowanie chemikaliów stosowanych na lądzie.

Protokół

Pobieranie próbek w terenie jest wykonywane w tym eksperymencie i jest autoryzowane przez Departament Rolnictwa i Usług Konsumenckich Karoliny Północnej.

1. Instalacja lizymetru polowego

1. Należy wybrać miejsce doświadczalne, w którym ruch poprzeczny zastosowanych substancji chemicznych jest mało prawdopodobny (tj. miejsca o niewielkim nachyleniu lub bez niego). Wybierz miejsca na podstawie interesujących właściwości gleby i roślinności.
2. Jeśli działki są porośnięte roślinnością, przed instalacją lizymetru należy wyciągnąć korki wegetacyjne (Rysunek 1A).
3. Skieruj lizymetry w dół na żądane działki (z roślinnością lub bez) za pomocą odwróconego wkrętaka słupka, pozostawiając ~1-2 cm lizymetru nad powierzchnią gleby, aby zatrzymać zastosowaną substancję chemiczną i zminimalizować boczny ruch chemiczny. W tym celu należy użyć walcowanych i spawanych blach stalowych o grubości osiemnastu (91 cm głębokości x 15 cm średnicy) (Rysunek 1B). Używaj lizymetrów z różnych materiałów i wymiarów, aby dopasować je do celów badawczych.
4. Wymień korki wegetacyjne po zainstalowaniu lizymetru.
5. Zarządzaj wszelką roślinnością zgodnie z potrzebami eksperymentu. Jeśli działki mają pozostać nienagie, należy zastosować punktowe stosowanie glifosatu, aby utrzymać obszary wolne od roślinności.
6. Upewnij się, że nawadnianie, nawożenie i wszelkie inne praktyki zarządzania są identyczne na poletkach z gołą ziemią i porośniętymi roślinnością. Z góry określ nawadnianie, aby osiągnąć cele badawcze.

2. Instalacja próbnika wody porowej

1. Zainstaluj próbniki wody porowej, takie jak PTFE/kwarc (50/50%), w środku lizymetrów, aby zbierać przesączającą się wodę porową.
2. Umieść pręt ze stali nierdzewnej o średnicy 2,5 cm na środku lizymetru i włóż go w ziemię młotkiem na żądaną głębokość próbnika.
   UWAGA: Do tego kroku można również użyć świdra.
3. Przygotuj mączkę kwarcową i zawiesinę wodną z 700 ml wody do nawadniania na ~900 g chemicznie obojętnej mąki krzemionkowej. Dokładnie wymieszać gnojowicę przed umieszczeniem każdego próbnika w mieszaninie. Zastosować ciśnienie w próbniku z ręcznej lub akumulatorowej pompy próżniowej pod ciśnieniem od -50 do -70 kPa.
4. Po 10 minutach wyjąć próbnik z zawiesiny mączki krzemionkowej i ponownie dokładnie wymieszać zawiesinę krzemionkową. Wlać 60 ml gnojowicy przez lejek podłączony do rurki o średnicy 2,5 cm na dno otworu.
5. Umieścić próbnik w otworze na żądanej głębokości pobierania próbek za pomocą plastikowej lub metalowej rury. Upewnij się, że rurka z próbnika wystaje z otworu. Użyj gnojowicy z nieoczyszczonej, rodzimej gleby i wody, aby zasypać pozostały otwór.
6. Podczas zasypywania odczekaj czas, aby gleba się uspokoiła; użyj rury, aby w razie potrzeby ubić dodaną glebę.
7. Zasyp glebę do pierwotnego poziomu. W razie potrzeby wymień roślinność w górnej części otworu.
8. Przymocuj rurkę próbnika do butelki próżniowej za pomocą odcinka rurki z fluorowanego etylenu i propylenu (FEP). Za pomocą plastikowej rurki clamp podłącz drugi przewód rurowy z butelki próżniowej do pompy próżniowej.
9. Przykryj rurki i butelki zbiorcze czarnym plastikiem lub taśmą, jeśli substancja chemiczna będąca przedmiotem zainteresowania jest podatna na fotodegradację (rysunek 1C).
10. Przykładać podciśnienie około -50 do -70 kPa za pomocą butelki próżniowej do próbników wielokrotnie w ciągu kilku dni przed eksperymentami, aby zapewnić prawidłową instalację próbnika.

3. Zastosowanie chemiczne do lizymetrów

1. Odczekaj co najmniej dwa tygodnie na aklimatyzację przed zastosowaniem środków chemicznych.
2. Pobrać próbki wody porowej w tle przed poddaniem działaniu lizymetru, aby określić ilościowo stężenia tła substancji chemicznej będącej przedmiotem zainteresowania.
3. Badaną substancję chemiczną należy nanieść na glebę lub roślinność typowymi metodami, takimi jak ręczny opryskiwacz polowy pod ciśnieniem CO₂ (rysunek 1D) lub rozprowadzając granulowany preparat bezpośrednio na powierzchni poletka zawierającego lizymetr. Jeśli dla skuteczności konieczne jest wielokrotne stosowanie środków chemicznych, należy je stosować zgodnie z typowymi wzorcami użycia lub wskazówkami na etykiecie. Pozostaw niektóre lizymetry nieleczone, aby służyły jako kontrola.

4. Zbieranie i analiza wody z porów

1. Zastosować około -50 do -70 kPa próżni w butelkach próżniowych z próbnikiem wody porowej dzień przed lub w dniu pobierania próbek. Woda otaczająca próbnik zostanie wciągnięta przez próbnik do rurki, a następnie przepłynie do butelki próżniowej, skąd jest zbierana do momentu pobrania próbki. Objętość gleby, z której pobierana jest woda porowata, oraz czas zbierania wody mogą zależeć od takich czynników, jak rodzaj gleby, tekstura gleby, wilgotność gleby i głębokość próbnika.
2. Pobieraj próbki w określonych odstępach czasu po zastosowaniu substancji chemicznej, zgodnie z ustaleniami badacza.
3. Zmierzyć objętość wody zebranej w cylindrze miarowym dla każdego próbnika wody porowej. Jeśli konieczna jest filtracja, umieść wodę w strzykawce Luer-Lok (rozmiar zależy od objętości wody) i przepuść próbkę przez filtr nylonowy o średnicy 25 mm 0,2 μm.
4. Jeżeli wymagane są różne metody konserwacji próbki i pobrana jest wystarczająca ilość próbki, należy podzielić próbkę do unikalnych pojemników.
5. Użyj ręcznego pH-metru, aby określić pH próbek niezakwaszonych.
6. Dostosuj pH, dodając odpowiednią objętość odpowiedniego kwasu, jeśli jest to potrzebne do konserwacji próbki.
   UWAGA: Stężone kwasy mogą być lub utleniające i należy zachować ostrożność podczas ich stosowania.
7. Umieść próbki na lodzie w chłodziarce lub wstaw do lodówki do czasu analizy. Do analizy próbek należy stosować metody analityczne do pomiarów chemicznych, takie jak spektrometria mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS), optyczna spektroskopia emisyjna z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-OES), atomowa spektroskopia absorpcyjna (AAS) lub wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC).

5. Ekshumacja lizymetryczna, zbieranie i analiza gleby/roślinności

1. Ekshumować lizymetry, zawierające glebę i roślinność, w określonych odstępach czasu po zastosowaniu substancji chemicznej. Ekshumować lizymetry niepoddane działaniu środka przy każdym pobieraniu próbek w celu określenia stężeń chemicznych tła w glebie i roślinności.
2. Ekshumacja lizymetrów za pomocą zacisków beczkowych przymocowanych do narzędzia ciągnika. Opuść łyżkę do pozycji, która pozwala na umieszczenie zacisków na odsłoniętej krawędzi lizymetru.
3. Podnieś narzędzie, powodując, że zaciski chwytają odsłoniętą krawędź, wyciągając kolumnę lizymetru z gleby (Rysunek 1E).
4. Ekshumowany lizymetr z nasadką zakończony jest arkuszami izolacyjnymi przyciętymi do średnicy lizymetrów. Przytrzymaj nakrętki na miejscu za pomocą worków polietylenowych o rozmiarze galonów włożonych na końce lizymetru i zabezpiecz torby taśmą klejącą.
5. Przetransportować lizymetry do laboratorium terenowego w celu podziału próbek gleby i roślinności. Najpierw przetworzyć lizymetry, które nie zostały poddane obróbce, aby zapobiec zanieczyszczeniu lizymetrów.
6. Użyj piły szablastej wyposażonej w metalowe ostrze tnące, aby przeciąć lizymetr wzdłuż z jednej strony. Przyciąć kolumny od dołu (strefa przewidywanego niższego stężenia) do góry (strefa przewidywanego wyższego stężenia), aby upewnić się, że gleba na większych głębokościach nie jest zanieczyszczona przez glebę na płytszych głębokościach.
7. Rozłup lizymetr. Użyj metalowych płyt dzielących, aby oddzielić dyskretne sekcje gleby i roślinności. Wybierz przyrosty głębokości gleby w oparciu o długość lizymetru i cele badań.
8. Użyj łyżek lub szpatułek, aby wykopać podzieloną na sekcje glebę i roślinność. Umieść każdą próbkę w odpowiednio oznakowanej polietylenowej torbie do zamrażania. Nie zbieraj gleby bezpośrednio stykającej się z lizymetrem.
9. Postępuj zgodnie z protokołem wykopalisk dla każdej żądanej głębokości próbki. Umieść torebki z próbkami w lodówce wypełnionej lodem i przetransportuj je do laboratorium. Próbki należy przechowywać w zamrażarce do czasu analizy.

Wyniki

Metoda ta pozwala na gromadzenie danych na temat losów substancji chemicznych wprowadzanych do nieobsianych oraz zazielenionych systemów glebowych^5,10. Podejście to zostało wykorzystane do oceny wymywania w głąb profilu, absorpcji i translokacji arsenu (As) do roślin w systemach z trawą bermudzką (Cynodon dactylon) po zastosowaniu organicznego herbicydu arsenowego – monosodowego metyloarsenianu (MSMA)⁹. Od lat 60. XX wieku MSMA jest stosowany na terenach nieuprawnych, trawnikach oraz w upra...

Dyskusja

Wykorzystanie zintegrowanej lizymetrii terenowej i metody pobierania próbek wody porowej pozwala naukowcom ocenić przestrzenne i czasowe rozmieszczenie szerokiej gamy chemikaliów stosowanych na lądzie. Los substancji chemicznych w glebach i systemach roślinnych może być kontrolowany przez szereg procesów i atrybutów środowiska, takich jak wymywanie w dół, ulatnianie się, hydroliza, fotoliza, transformacja/degradacja mikrobiologiczna, pobieranie przez rośliny, typ gleby i pH gleby^16,17. W przeciwieństwie do eks...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Próbniki Prenart Super Quartz (PFTE/Quartz)	Sprzęt Prenart ApS	N/A	Można stosować dowolne próbniki do  analizy metali śladowych (np. SoilMoisture Equipment Corp.)
Zestaw instalacyjny Prenart	Sprzęt Prenart ApS	N/A	Zawiera wszystkie elementy niezbędne do zainstalowania próbników wody porowej
Butelki zbierające 2 l	Sprzęt Prenart Butelki ApS		można również kupić w Fisher Scientific (02-923-2) lub innych firmach zajmujących się zaopatrzeniem laboratoriów, ale armatura będzie wymagała regulacji. Butelki można przykryć ciemnym materiałem, jeśli są wrażliwe na światło
Przenośna pompa próżniowa	Prenart Equipment ApS	N/A	Vacuporter firmy Decagon Devices lub inna terenowa pompa próżniowa zasilana bateryjnie lub ręczna pompa próżniowa może być używana
1 uncja butelek HDPE Nalgene	Fisher Scientific	03-313-4A	Typ butelki na próbkę będzie zależał od interesującego analitu i może być szklany
Skoncentrowany kwas azotowy	Fisher Scientific	A509-P212	Do konserwacji mogą być potrzebne kwasy utleniające i, które należy stosować ostrożnie
25 mm 0,2 i mikro; Nylonowe filtry strzykawkowe m	VWR	28145-487	Można stosować inne typy filtrów i wielkości porów, w zależności od interesującego analitu i oprzyrządowania analitycznego
Strzykawki Luer-Lok 60 ml	Fisher Scientific	13-689-8	Można stosować inne rozmiary w zależności od objętości pobranej próbki
Przenośny pH-metr	VWR	248481-A01	Inne pH-metry mogą być używane po kalibracji
Cylinder z podziałką	dowolna	Nie dotyczy
Lizymetry polowe (metalowe, plastikowe, etc.)	N/A	N/A	Często są one konstruowane w oparciu o specyfikacje badaczy
Ciągnik z odwróconym słupkiem Do			montażu lizymetrów można użyć dowolnego ciągnika
Ręczny opryskiwacz polowy	N/A	N/A	Aby zastosować dawkę potrzebną do aplikacji
Worki polietylenowe	Johnson & Johnson	N/A	Inne marki mogą być używane do przechowywania gleby
Piła szablasta	Black & Pokład	Nie dotyczy	Każda piła szablasta może być używana z nasadką do cięcia metalu