Artigo de método

Integrado Campo Lysimetry e Porewater Amostragem para Avaliação de Química Mobilidade em Solos e Vegetação Fundada

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DOI:

10.3791/51862

⸱

4 de julho de 2014

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

* These authors contributed equally

Neste artigo

Resumo

Lysimetry campo e amostragem água intersticial permitem aos pesquisadores avaliar o destino dos produtos químicos aplicados aos solos e vegetação estabelecida. O objetivo deste protocolo é para demonstrar como instalar a instrumentação necessária e coletar amostras para análise química durante lysimetry campo integrado e experimentos de amostragem Porewater.

Resumo

Produtos químicos potencialmente tóxicos são rotineiramente aplicado no solo a atender à crescente demanda na gestão de resíduos e produção de alimentos, mas o destino destes produtos químicos muitas vezes não é bem compreendida. Aqui demonstramos um método integrado de amostragem lysimetry campo e água intersticial para avaliar a mobilidade dos produtos químicos aplicados aos solos e vegetação estabelecida. Os lisímetros, colunas abertas feitas de metal ou plástico, são empurrados para bareground ou solos com vegetação. Samplers Porewater, que estão disponíveis comercialmente e usar vácuo para coletar água de percolação do solo, são instalados em profundidades preestabelecidas, dentro dos lisímetros. Na horários preestabelecidos após a aplicação química para parcelas experimentais, água intersticial é recolhida e lisímetros, contendo solo e vegetação, são exumados. Ao analisar as concentrações químicas no solo do lisímetro, vegetação e água intersticial, as taxas de lixiviação para baixo, capacidade de retenção do solo e absorção pelas plantas para a indústria química de interesse pode ser quantificado.Porque lysimetry campo e amostragem água intersticial são realizados em condições ambientais naturais e com o mínimo de perturbação do solo, os resultados derivados projetar cenários de casos reais e fornecer informações valiosas para a gestão de produtos químicos. Como os produtos químicos são cada vez mais aplicado no solo em todo o mundo, as técnicas descritas podem ser utilizados para determinar se produtos químicos aplicados representar efeitos adversos para a saúde humana ou o ambiente.

Introdução

Produtos químicos potencialmente tóxicos são rotineiramente aplicado no solo a partir de fontes, tais como pesticidas, fertilizantes, esgoto / biossólido, resíduos industriais, resíduos urbanos e 1,2. O destino destes produtos químicos - o que pode incluir nutrientes, elementos orgânicos, e seus metabólitos associados traçar - muitas vezes não é bem compreendida 3. Se os produtos químicos não são gerenciados adequadamente, eles têm o potencial de ameaçar a saúde humana e ambiental através da sua transferência para e acúmulo em plantas, águas superficiais e águas subterrâneas. Com uma população global que pode chegar a 10 bilhões de pessoas em 2050, há demandas crescentes sobre a gestão de resíduos de alimentos e produção de 2, e aplicação no solo de muitos produtos químicos vem aumentando 3,4. Assim, são necessárias pesquisas que quantifica as transformações, a mobilidade, limites de carga, e os riscos ambientais globais de produtos químicos que exigem disposição da terra ou que dependem para melhorar a saúde das culturase ceder.

Um certo número de estratégias têm sido utilizadas para avaliar as ameaças de substâncias químicas aplicadas no ambiente. , Estudos de sistemas modelo baseado em laboratório foram realizados para fornecer informações sobre os mecanismos fundamentais que controlam a mobilidade de produtos químicos no solo. Ao analisar a evolução química em laboratório, a manipulação completa do "meio ambiente" e as entradas podem ser alcançados, mas estes raramente se adequar às condições ambientais do mundo real 5,6. Assim, extrapolando os resultados de laboratório para as configurações de campo pode levar a previsões imprecisas sobre ameaças químicas. Em contraste, as medições de campo largo têm sido utilizadas para definir o comportamento químico do ambiente. No entanto, as conclusões sobre o destino ambiental a partir dessas medições são muitas vezes complicado devido às taxas de frequência baixa utilização (por exemplo, alguns g -1) de produtos químicos aplicados, bem como as complexas interações entre processos hidrológicos e biogeoquímicos no environment que regulam a distribuição de produtos químicos.

Lysimetry, incluindo campo lysimetry, tem sido historicamente usado por cientistas do solo e das culturas para avaliar sistematicamente a mobilidade descendente de produtos químicos aplicados aos solos e vegetação estabelecida. Um lysimeter é um dispositivo feito de metal ou de plástico, que é colocado em um solo de interesse e é utilizada para determinar o destino dos produtos químicos aplicados em quantidades conhecidas de uma área restrita. De solo e vegetação amostras colhidas lisimetria pode ser usado para avaliar a evolução das distribuições químicos ao longo do tempo. Porque o campo lysimetry é realizada sob condições ambientais naturais, os resultados podem ser utilizados para prever cenários casos reais derivados de aplicações químicas de sistemas de solo. Os primeiros estudos em lisímetros medido transpiração, o fluxo de umidade e / ou movimento de nutrientes. Estudos em lisímetros modernos medir pesticidas e nutrientes dissipação, o movimento de pesticidas, volatilidade e balanço de massa, juntamente com a aforememedições ntioned 3.

Uma limitação do lysimetry campo tradicional é que a mobilidade química dentro de um perfil do solo é em grande parte definida por medições em fase sólida, enquanto menos atenção é dada às concentrações químicas dissolvidas na água de percolação através dos solos - um componente crítico que pode impactar o potencial de contaminação das águas subterrâneas de produtos químicos aplicados-terra. Embora lixiviados a partir do fundo dos lisimetria é por vezes recolhidos para análise, esta resolução limites de aproximação profundidade de concentrações Porewater e tipicamente requer significativa escavação do solo antes da experimentação. Em vez disso, para obter dados sobre as concentrações químicas da água do solo, samplers Porewater pode ser utilizado em ambientes de campo. Samplers Porewater são instalados em solos para coletar água de discretos, profundidades desejadas e apenas minimamente perturbar o sistema solo. Samplers Porewater ter sido referido por muitos nomes, incluindo lisímetros, cu de sucçãop lisímetros ou samplers solução do solo, convoluting sua distinção com os lisímetros de campo tradicionais descritos acima. Neste artigo, usaremos o termo "amostrador água do subterrâneo" para aliviar a confusão.

Aqui, nós demonstramos uma abordagem experimental que combina lysimetry campo e amostragem água intersticial para avaliar o potencial de lixiviação para baixo de produtos químicos aplicados aos sistemas de solo ou bareground vegetadas. Lysimetry tem sido uma ferramenta poderosa usada desde 1700 7, enquanto amostragem água intersticial de cerâmica tem sido usada desde o início da década de 1960 8. A integração destas técnicas permite a determinação robustos campo de ambas as distribuições contínuas e de concentração química de fase dissolvida, minimizando a perturbação do solo. Este artigo descreve os fatores a considerar ao projetar um experimento, incluindo a escolha do local, a instalação de dispositivos e coleta de amostras. A aproximação é ilustrada com uma experiência que avaliou o destino de umarsénico pesticida orgânico aplicado a um bareground e um sistema estabelecido relvada. As técnicas descritas podem ser ajustados conforme necessário examinar o destino de uma grande variedade de produtos químicos, proporcionando assim ferramentas inestimáveis ​​para os pesquisadores e formuladores de políticas que procuram entender o destino ambiental e comportamento de substâncias químicas aplicadas em terra.

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Protocolo

Amostragem de campo é realizada neste experimento e está sob a autorização do Departamento de Agricultura e Serviços ao Consumidor da Carolina do Norte.

1. Instalação Campo Lysimeter

  1. Escolha um local experimental em que o movimento lateral de produtos químicos aplicados é pouco provável (isto é. Locais com pouca ou nenhuma inclinação). Escolha sites com base em propriedades de solo e vegetação de interesse.
  2. Se parcelas são vegetadas, puxar fichas de vegetação antes de lisímetro de instalação (Figura 1A).
  3. Dirija os lisímetros de queda para as parcelas desejadas (com ou sem vegetação), utilizando um driver pós invertido, deixando ~ 1-2 cm do lisímetro acima da superfície do solo para conter o produto químico aplicado e minimizar o movimento química lateral. Por isso, a utilização de laminados e folhas de aço soldada de calibre dezoito (91 cm de profundidade x 15 cm de diâmetro) (Figura 1B). Use lisimetria de diferentes materiais e dimensões para se ajustar resobjetivos earch.
  4. Substitua as velas de vegetação após a instalação do lisímetro.
  5. Gerenciar qualquer vegetação, conforme apropriado para o experimento. Se parcelas devem permanecer nua, usar aplicativos de ponto de glifosato para manter as áreas livres de vegetação.
  6. Certifique-se de que a irrigação, adubação e quaisquer outras práticas de gestão são idênticos no bareground e parcelas de vegetação. Predeterminar irrigação para atender aos objetivos da pesquisa.

2. Instalação Porewater Sampler

  1. Instale samplers Porewater, como PTFE / quartzo (50/50%), no meio de lisímetros de percolação para coletar água intersticial.
  2. Coloque uma haste de aço inoxidável 2,5 centímetro no centro do lisímetro e inseri-lo no chão com um martelo até a profundidade de amostragem desejada.
    NOTA: Um sem-fim também podem ser utilizados para esta etapa.
  3. Prepare uma farinha de sílica e lama de água com 700 ml de água de irrigação para ~ 900 g de farinha de sílica quimicamente inerte. Misturar a pasta thoroughly antes de cada amostragem é colocado na mistura. Aplique pressão entre -50 e -70 kPa para o amostrador de uma bomba de vácuo portátil ou movidos a bateria.
  4. Remover o dispositivo de amostragem a partir da suspensão de farinha de sílica depois de 10 min, e homogeneizar a suspensão de sílica de novo. Verter 60 ml da lama através de um funil ligado a um tubo de diâmetro de 2,5 cm na parte inferior do furo.
  5. Coloque o amostrador no buraco com a profundidade de amostragem desejada com um plástico ou tubo de metal. Certifique-se de que os tubos do amostrador se estende para fora do furo. Use uma suspensão de, terra natal não tratadas e água para aterrar o buraco restante.
  6. Dê tempo durante aterro do solo de estabelecimento; usar um tubo para apertar solo adicional, conforme necessário.
  7. Backfill solo ao nível original. Se for caso disso, substituir vegetação no topo do furo.
  8. Anexar tubulação amostrador para uma garrafa de vácuo através de uma seção de etileno propileno fluorado (FEP) tubulação. Com uma pinça de tubo de plástico, conecte uma segunda linha de tubulação dea garrafa de vácuo a uma bomba de vácuo.
  9. Cubra tubos e de coleta de garrafas com plástico preto ou fita se o produto químico (s) de interesse é propenso a fotodegradação (Figura 1C).
  10. Aplique uma pressão de vácuo de cerca de -50 a -70 kPa através da garrafa de vácuo para os samplers repetidamente ao longo de vários dias antes da experimentação para garantir a instalação adequada amostrador.

3. Chemical Aplicação de lisímetros

  1. Deixe pelo menos duas semanas para aclimatação antes de aplicações químicas são feitas.
  2. Coletar amostras de água intersticial fundo antes do tratamento lisímetro para quantificar as concentrações da substância química (s) de interesse de fundo.
  3. Aplicar o produto químico de interesse para o solo ou a vegetação, por métodos normais, como por exemplo com um manual de CO 2-pressurizado de um pulverizador (Figura 1D) ou com a distribuição da formulação granular directamente sobre a superfície do terreno que contém o lysimeter. Se várias aplicações de produtos químicos são necessários para a eficácia, aplicá-las por padrões de uso ou as instruções do rótulo típico. Deixe alguns lisímetros não tratada para servir de controle.

4. Porewater Coleta e Análise

  1. Aplicar aproximadamente -50 a -70 kPa de vácuo para os água intersticial amostrador garrafas térmicas no dia anterior ou no dia da colheita. Água em torno do amostrador será elaborado através do amostrador na tubulação, que flui para o frasco de vácuo, onde é coletado até amostrado. O volume de solo a partir do qual água intersticial é recolhida eo tempo de coleta de água pode depender de fatores como tipo de solo, textura do solo, umidade do solo e profundidade de amostragem.
  2. Coletar amostras em intervalos de tempo especificado após aplicação de produtos químicos, como pré-determinado pelo pesquisador.
  3. Meça o volume de água recolhida em um cilindro graduado para cada amostrador água intersticial. Se a filtração for necessário, coloque a água em um sy Luer-Lokringe (tamanho dependerá do volume de água) e passam da amostra através de um filtro de nylon 0,2 um 25 milímetros.
  4. Se forem necessários diferentes métodos de preservação de amostras e amostra suficiente é coletado, dividir a amostra em recipientes únicos.
  5. Use um medidor de pH portátil para determinar o pH de amostras não acidificadas.
  6. Ajustar o pH pela adição de um volume adequado do ácido apropriado, se necessário para a preservação das amostras.
    NOTA: os ácidos concentrados pode ser corrosivo ou oxidantes e cuidados devem ser tomados quando usá-los.
  7. Colocar as amostras em gelo em um refrigerador ou colocar no frigorífico até a análise. Utilizar métodos analíticos para medições químicas, tais como espectrometria de plasma indutivamente acoplado de massa (ICP-MS), espectroscopia de emissão de plasma indutivamente acoplado óptica (ICP-OES), espectroscopia de absorção atómica (EAA), ou cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) para analisar as amostras.

5. Lysimeter Exumação, Solo / Vegetação Coleção umAnálise ª

  1. Exumar os lisímetros, contendo solo e da vegetação, em intervalos específicos de tempo após a aplicação de produtos químicos. Exumar lisímetros não tratados em cada tempo de amostragem para determinar as concentrações químicas fundo dentro do solo e da vegetação.
  2. Exumar lisímetros utilizando grampos barril ligados a um trator implementar. Abaixe o balde para uma posição que permite que os grampos sejam colocados em borda exposta do lisímetro.
  3. Levante a implementar fazendo com que os grampos para segurar a borda exposta, puxando a coluna lisímetro fora do solo (Figura 1E).
  4. Tampão exumação extremidades lisimétricas com folhas de isolamento de corte com o diâmetro das lisimetria. Mantenha as tampas no lugar com sacos de polietileno galão de tamanho inseridos sobre as extremidades do lisímetro, e sacos seguras com fita adesiva.
  5. Transportar os lisímetros para um laboratório de campo para solos e divisão da amostra de vegetação. Processe lisímetros não tratadas primeiro para evitar a contaminação amlisímetros ong.
  6. Use uma serra oscilante equipado com uma lâmina de corte de metal para reduzir o lysimeter longitudinalmente de um lado. Cortar as colunas do fundo (zona de menor concentração antecipada) para cima (zona de maior concentração antecipada) para garantir o solo a profundidades maiores não está contaminado pelo solo em profundidades rasas.
  7. Dividir abrir o lisímetro. Use placas divisórias de metal para seções separadas de solo e vegetação discretos. Escolha incrementos de profundidade do solo com base no comprimento dos objectivos lisimétricas e de investigação.
  8. Use colheres ou espátulas para escavar o solo seccionados e vegetação. Coloque cada amostra em um saco de freezer polietileno devidamente rotulados. Não coletar solo diretamente em contato com o lisímetro.
  9. Siga o protocolo de escavação para cada profundidade de amostra desejada. Coloque sacos de amostras em um refrigerador com gelo e transportá-las para um laboratório. Armazene as amostras em um freezer até a análise.

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Resultados

Este método permite a acumulação de dados no destino de produtos químicos aplicados às bareground e sistemas de solo vegetação 5,10. Esta abordagem foi utilizada para avaliar arsênio (As) de lixiviação para baixo, absorção e translocação nas plantas para sistemas bermuda (Cynodon dactylon), após a aplicação do herbicida arseniato arsênico monossódico metil orgânica (MSMA) 9. Desde 1960, MSMA tem sido usado em não-terras agrícolas, gramado, e produção de algodão, mas há uma crescente preocu...

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Discussão

Utilizando um lysimetry campo abordagem integrada e amostragem água intersticial permite aos pesquisadores para avaliar as distribuições espaciais e temporais de uma grande variedade de substâncias químicas aplicadas em terra. O destino dos produtos químicos no solo e sistemas de vegetação pode ser controlada por um certo número de processos e os atributos do ambiente, tais como lixiviação de queda, a volatilização, hidrólise, fotólise, microbiano de transformação / degradação, a absorção pelas plantas, o tipo de solo, ...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Os autores reconhecem a equipe da Estação de Pesquisa NCDA Sandhills para a assistência com a instalação do lisímetro e exumação. O financiamento para as experiências descritas nos resultados representativos foi fornecido pelo Centro de Pesquisa e Turfgrass Educação Ambiental. Vídeo e produção manuscrito foi apoiada pelos Departamentos da Universidade Estadual da Carolina do Norte de Ciência do Solo e Fitotecnia.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Amostradores de Super Quartzo Prenart (PFTE/Quartzo)Equipamento Prenart ApSN/AQualquer amostrador para  análise de metais traços pode ser usado (por exemplo SoilMoisture Equipment Corp.)
Kit de instalação PrenartEquipamento Prenart ApSN/AContém todos os itens necessários para instalar amostradores de água porosa
Garrafas coletoras de 2 LPrenart Equipment ApStambém podem ser adquiridas na Fisher Scientific (02-923-2) ou em outras empresas de suprimentos de laboratório, mas os acessórios precisarão ser ajustados. As garrafas podem ser cobertas com material escuro se forem sensíveis à luz
Bomba de vácuo portátilPrenart Equipment ApSN/AVacuporter da Decagon Devices ou outra bomba de vácuo manual ou operada por bateria de campo pode ser usada
Garrafas de HDPE Nalgene de 1 ozFisher Scientific03-313-4AO tipo de garrafa de amostra dependerá do analito de interesse e pode ser de vidro
Ácido nítrico concentradoFisher ScientificA509-P212Ácidos oxidantes e corrosivos podem ser necessários para preservação e devem ser usados com cautela
25 mm 0,2 µ m filtros de seringa de nylonVWR28145-487Podem ser utilizados outros tipos de filtros e tamanhos de poros, dependendo da substância a analisar e da instrumentação analítica
Seringas Luer-Lok de 60 mlFisher Scientific13-689-8Podem ser utilizados outros tamanhos, dependendo do volume da amostra recolhida
Medidor de pH portátilVWR248481-A01Podem ser utilizados outros medidores de pH após a calibração
Cilindro graduadoqualquerN/A
Lisímetros de campo (metal, plástico, etc.)N/A N/AMuitas vezes estes são construídos com base nas especificações dos pesquisadores
Trator de acionamento de poste invertidoN/AN/AQualquer trator pode ser usado para instalar os lisímetros
Pulverizador de barra portátilN/AN/APara aplicar a taxa necessária para a aplicação 
Sacos de polietilenoJohnson & JohnsonN/AOutras marcas podem ser usadas para armazenamento de solo
Serra sabreBlack & Decker N/AQualquer serra alternativa pode ser usada com um acessório de corte de metal
As garrafas

Referências

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