Методическая статья

Интегрированный полевой Lysimetry и поровой воде Отбор проб для оценки химической мобильности в почвах и создания растительности

14.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51862

⸱

4 июля 2014 г.

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

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

Поле lysimetry и отбор проб вода в поре позволяют исследователям оценить судьбу химических веществ, применяемых в почву и установившейся растительности. Целью этого протокола является продемонстрировать, как установить требуемую приборы и собирать образцы для химического анализа во встроенной lysimetry поля и поровой воде экспериментов выборки.

Аннотация

Потенциально токсичные химикаты регулярно вносятся в почву для удовлетворения растущих потребностей в области обработки отходов и производства продуктов питания, но судьба этих химических веществ часто не очень хорошо понял. Здесь мы показываем, интегрированный поле lysimetry и поровой воде метод выборки для оценки мобильности химических веществ, применяемых в почву и установившейся растительности. Лизиметрах, открытые колонны, сделанные из металла или пластика, что они попали в bareground или растительностью почвах. Поровой воды пробоотборники, которые коммерчески доступны и используют вакуум для сбора просачивающейся воды почвы, установлены в заданных глубинах в пределах лизиметрах. В заранее подготовленных времена следующих химической применении к опытных участках, вода в поре собирается, и лизиметры, содержащий почву и растительность, которые эксгумировали. Анализируя химические концентрации в лизиметра почвы, растительности, и поровой воде, вниз скорости выщелачивания, удержания почвы мощностей и поглощения растениями для химического вещества может быть количественно.Поскольку поле lysimetry и отбор проб вода в поре проводятся в естественных условиях окружающей среды и с минимальным нарушением почвенного, полученные результаты проекта сценарии реального дела и дать ценную информацию для управления химическими веществами. Как химические вещества все чаще применяется на землю по всему миру, описанные методы могут быть использованы для определения представляют неблагоприятные последствия для здоровья человека или для окружающей среды, применяемые химикаты.

Введение

Потенциально токсичные химикаты регулярно вносятся в почву из таких источников, как пестициды, удобрения, канализации / твердых веществ биологического происхождения, промышленных отходов и бытовых отходов 1,2. Судьба этих химических веществ - которые могут включать питательные вещества, микроэлементы, органические, и связанные с ними метаболитов - часто не очень хорошо понял 3. Если химические вещества не удалось должным образом, у них есть потенциал для создания угрозы для здоровья человека и окружающей среды посредством их передачи и накопления в растениях, поверхностных вод и подземных вод. С мирового населения, которые могут достичь 10 миллиардов человек к 2050 году, есть растущий спрос на утилизации отходов и производства продуктов питания 2, и земля применение многих химических веществ увеличивается 3,4. Соответственно, исследование необходимо, что количественно преобразования, мобильность, лимиты загрузки, и в целом экологических рисков от химических веществ, требующих утилизации земли или, что мы зависим от для укрепления здоровья сельскохозяйственных культури доходность.

Ряд стратегий были использованы для оценки угрозы от химических веществ, применяемых в окружающей среде. Лабораторные основе, модель-система исследования были проведены для предоставления информации о фундаментальных механизмов, контролирующих подвижность химических веществ в почвах. При анализе химического судьбу в лаборатории, в комплекте манипуляции с "окружающей среды" и входов может быть достигнуто, но они редко совпадают реальных условиях окружающей среды 5,6. Таким образом, экстраполируя результаты лаборатории в полевых условиях может привести к неточным предсказаний о химических угроз. В противоположность этому, измерения широкое поле были использованы для определения химическое поведение в окружающей среде. Тем не менее, выводы о последствиях для окружающей среды от этих измерений часто осложняется из-за часто низким ставкам использования (например, некоторые г -1) прикладных химических веществ, а также сложных взаимодействий между гидрологическими и биогеохимических процессов в электроннойnvironment которые регулируют химические распределения.

Lysimetry, в том числе поля lysimetry, исторически использовались почв и сельскохозяйственных культур ученых систематически оценивать вниз подвижность химических веществ, применяемых в почву и установившейся растительности. Лизиметрические является устройство, сделанное из металла или пластика, который помещен в почве интереса и используется, чтобы определить судьбу химических веществ, применяемых в известных количествах в ограниченном пространстве. Почвы и растительности образцы, взятые у лизиметрах может быть использован для оценки эволюцию химических распределений с течением времени. Поскольку поле lysimetry осуществляется в естественных условиях окружающей среды, результаты могут быть использованы для прогнозирования сценариев реального тематические полученные из химических приложений к системам почвы. Ранние исследования лизиметрические измеряется испарение, приток влаги, и / или движение питательных веществ. Современные лизиметрические исследования измерения пестицидов и питательных веществ рассеивание, движение пестицидов, изменчивость и баланс массы, наряду с aforementioned измерения 3.

Ограничение традиционной поля lysimetry в том, что химическая мобильность в пределах почвенного профиля во многом определяется измерений твердофазных, в то время меньше внимания уделяется растворенных химических концентрации в воде просачивающихся через почв - критический компонент, которые могут повлиять на потенциал для загрязнения подземных вод от наземного применения химических веществ. Хотя фильтрата из нижней части лизиметрах иногда собирали для анализа, это разрешение по глубине подход ограничивает концентраций поровой воды и, как правило, требует значительных выемку грунта до эксперимента. Вместо этого, чтобы получить данные о химических концентраций в почвенной воде, поровой воды пробоотборники могут быть использованы в полевых условиях. Поровой воде пробоотборники устанавливаются в почвах для сбора воды из дискретных, требуемых глубин и только минимально нарушить систему почвы. Поровой воде пробники были переданы по-разному: лизиметрах, всасывания у.е.р лизиметры или пробники почвенного раствора, свертки их различие с традиционными лизиметрах полевых описанных выше. В этой статье мы будем использовать термин "вода в поре сэмплер", чтобы облегчить путаницу.

Здесь мы демонстрируем экспериментальный подход, который сочетает в поле lysimetry и отбор проб поровой воде для оценки нисходящую выщелачивания потенциала химических веществ, применяемых к растительностью почвы или bareground систем. Lysimetry была мощным инструментом, используемым с 1700-х годов 7, в то время выборки керамическая вода в поре был использован с раннего 1960 8. Интеграция этих надежных методов позволяет определять поля обоих твердых и химическая концентрационных растворенного фаза распределений при минимизации повреждения почвы. Эта статья описывает факторы необходимо учитывать при разработке эксперимент, включая выбор площадки, установки устройств и сбора образцов. Подход проиллюстрирован эксперимента, которые оценивали судьбуОрганический мышьяка пестицидов применяется к bareground и установленной системой Turfgrass. Методики, описанные можно регулировать по мере необходимости изучить судьбу самых разнообразных химических веществ, тем самым обеспечивая неоценимые инструменты для исследователей и политиков, которые стремятся понять в окружающей среде и поведение суше применяется химических веществ.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Выборки поле выполняется в этом эксперименте и в соответствии с полномочиями Северной Каролины Департамента сельского хозяйства и бытового обслуживания населения.

1. Поле Лизиметрические Установка

  1. Выберите экспериментальный сайт, на котором боковое движение, применяемых химических веществ вряд (т.е.. Сайты с мало или вообще не склона). Выберите сайтов на основе почв и растительности свойств интерес.
  2. Если участки растительности, потяните пробки растительности до испарителя установки (рис. 1А).
  3. Заверните лизиметрах вниз в желаемых участков (с или без растительности) с использованием перевернутой драйвер сообщению, оставив ~ 1-2 см лизиметра над поверхностью почвы, чтобы содержать применили химическое и минимизации бокового химическую движение. Для этого, использование проката и сварных стальных листов восемнадцать калибра (91 см глубина х 15 см диаметр) (рис. 1b). Используйте лизиметрах различных материалов и размеров, чтобы соответствовать резнить поиск цели.
  4. Замените штекеры растительности после установки испарителя.
  5. Управление какой-либо растительности, которые необходимы для эксперимента. Если участки должны оставаться голой, использовать выборочные применения глифосата держать области бесплатно растительности.
  6. Убедитесь, что орошение, внесение удобрений, а также любые другие методы управления идентичны в bareground и растительностью участков. Предопределяют орошения для удовлетворения целей исследования.

2. Поровой воде пробоотборник Установка

  1. Установите поровой воде пробники, такие как ПТФЭ / кварца (50/50%), в середине лизиметрах собрать перколлирующий поровой воде.
  2. Поместите 2.5 см из нержавеющей стальной стержень в центре лизиметра и вставьте ее в землю с молотка на желаемую глубину отбора проб.
    ПРИМЕЧАНИЕ: шнек может также использоваться для этого шага.
  3. Подготовка муки кремнезема и водной суспензии с 700 мл воды для орошения до ~ 900 г химически инертного кварцевой муки. Смешайте суспензии thorougHLY до каждый образец помещают в смеси. Надавите между -50 до -70 кПа до пробоотборника от карманного компьютера или с батарейным питанием вакуумного насоса.
  4. Извлеките образец с кварцевой муки суспензии через 10 мин, и тщательно перемешать суспензии диоксида кремния снова. Налейте 60 мл суспензии через воронку, подключенного к 2,5 см диаметром трубы в нижней части отверстие.
  5. Поместите образец в отверстие на нужную глубину дискретизации с пластиковой или металлической трубы. Убедитесь, что трубка от сэмплер распространяется из отверстия. Используйте суспензии обработанном, родной земле и воде, чтобы засыпать оставшееся отверстие.
  6. Дайте время во засыпки для почвы для урегулирования; использовать канал, чтобы набить дополнительное почву по мере необходимости.
  7. Засыпьте почву к исходному уровню. При необходимости замены растительности в верхней части отверстие.
  8. Прикрепите сэмплер трубки к вакуумному бутылки через раздел фторированных этилена пропилена (FEP) насосно-компрессорных труб. С зажимом пластиковая трубка, подключить вторую линию труб извакуумный баллон с вакуумным насосом.
  9. Покрытие труб и сбора бутылки с черной пластмассы или лента если химический (ы) интерес подвержен фотодеградации (рис. 1в).
  10. Применить разрежение примерно -50 до -70 кПа через вакуумную бутылку с пробниками неоднократно в течение нескольких дней до экспериментов, чтобы обеспечить правильную установку сэмплер.

3. Химический Применение к лизиметрах

  1. Позвольте по крайней мере двух недель акклиматизации перед химические приложения сделаны.
  2. Сбор фоновых проб поровой воде до лечения лизиметрические количественно фоновых концентраций химических (ы), представляющие интерес.
  3. Применить химикат интереса к почве или растительности на типичных методов, таких, как с ручным СО 2 под давлением стрелы опрыскивателя (рис. 1D) или путем распределения гранулированного состава непосредственно на поверхности сюжета, содержащего лизиметра. Если несколько химические приложения необходимы для эффективности, применять их в типичном сценарии или направления этикеток. Оставьте некоторые лизиметрах лечить, чтобы служить в качестве контроля.

4. Поровой воде Сбор и анализ

  1. Применить примерно от -50 до -70 кПа вакуума к вода в поре сэмплер вакуумных бутылок накануне или в день отбора проб. Вода, окружающая образец будет составлен через пробоотборник в трубку, течет к вакуумному бутылки, где собирается, пока не пробовали. Объем почвы, из которой вода в поре, собирают и времени сбора воды может зависеть от таких факторов, как тип почвы, структуры почвы, влажность почвы и глубины отбора проб.
  2. Сбор образцов через определенные промежутки времени после химической приложения, как заранее определенное исследователем.
  3. Измеряют объем воды, собранной в градуированный цилиндр для каждого поровой воды пробоотборником. Если фильтрация необходимо, поместите воду в си Luer-LokRinge (размер будет зависеть от объема воды) и проходить через образец нейлоновый фильтр 25 мм 0,2 мкм.
  4. Если различные методы консервации образца необходимы и достаточны образец собирают, разделить пробу в уникальных контейнеров.
  5. Используйте ручной измеритель рН для определения рН неподкисленному образцов.
  6. Доводят рН путем добавления достаточного объема соответствующей кислотой, если это необходимо для сохранения выборки.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Концентрированные кислоты могут вызвать коррозию или окислители и следует позаботиться при их использовании.
  7. Образцы место на льду в холодильнике или поставить в холодильник до анализа. С помощью аналитических методов химического измерения, такие как индуктивно-связанной плазмой Масс-спектрометрия (ICP-MS), с индуктивно связанной плазмой-оптический эмиссионной спектроскопии (ICP-OES), атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) или высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с анализа проб.

5. Лизиметрические Эксгумация, почвы / Растительность КоллекцияАнализ й

  1. Эксгумировать лизиметрах, содержащий почву и растительность, через определенные промежутки времени следующих химической применения. Exhume необработанные лизиметрах в каждый момент времени выборки для определения фоновых концентраций химических веществ в почве и растительности.
  2. Exhume лизиметрах использующие баррель зажимы, прикрепленные к трактору реализации. Опустите ведро в положение, которое позволяет зажимов, размещаемых на открытой края лизиметра в.
  3. Поднимите реализации вызывая зажимы понять подвергается край, потянув столбец лизиметрические из почвы (рис. 1E).
  4. Крышка эксгумированы лизиметрические концы с изоляционных листов нарезанные по диаметру лизиметрах. Держите крышки в месте с полиэтиленовыми галлон размера сумки, вставленных на концы лизиметрические и безопасных мешки с клейкой лентой.
  5. Транспортировать лизиметрах в полевой лаборатории для почвы и образцов растительности дивизии. Процесс необработанные лизиметрах первым для предотвращения загрязнения утраOng лизиметры.
  6. Используйте сабельная пила, оснащенный металлической режущего лезвия, чтобы сократить лизиметра продольно на одной стороне. Вырезать столбцы снизу (зона предполагаемого низкой концентрации) к началу (зона предполагаемого высокой концентрации) для обеспечения почва на больших глубинах не загрязняется почва на меньших глубинах.
  7. Сплит открыть лизиметра. Используйте металлические разделительные пластины отдельных дискретных почв и растительности разделах. Выберите приращения глубины почвы, основанные на длине целей лизиметрические и исследований.
  8. Используйте ложки или лопатки, чтобы выкопать разделяемую почву и растительность. Место каждого образца в соответствующей маркировкой полиэтилен сумке морозильника. Не собирайте почву в непосредственном контакте с лизиметра.
  9. Следуйте протокол раскопки для каждого нужную глубину образца. Наведите пакетики для образцов в холодильнике со льдом и транспортировать их в лабораторию. Храните образцы в морозильник до анализа.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Этот метод позволяет накопление данных о судьбе химических веществ применительно к bareground и растительностью системы почвенные 5,10. Этот подход был использован для оценки мышьяк (As) вниз выщелачивание, поглощения и транслокации в растения для бермудской (Cynodon dactylon) системы следующие применение органического мышьяка гербицидов мононатрия метил арсената (MSMA) 9. С 1960-х MSMA был использован в не-пахотных земель, Turfgrass и производства хлопка, но есть растущее беспокойство, чт...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Используя интегрированный полевой lysimetry и поровой воде выборки подход позволяет исследователям оценить пространственные и временные распределения широкого спектра наземных применяется химических веществ. Судьба химических веществ в почвах и растительностью систем можно контролировать путем ряда экологических процессов и атрибутов, таких как вниз выщелачивания, выпариванием, гидролиз, фотолиз микробной трансформации / деградации, поглощения растениями, тип почвы, и рН почвы 16,17. В отличие от теплице или ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

Авторы признают, что персонал в научно-исследовательской станции NCDA Sandhills для помощи по установке испарителя и эксгумации. Финансирование экспериментов, описанных в Представитель Результаты была предоставлена ​​Центром Turfgrass экологических исследований и образования. Видео и рукопись производства была поддержана Университета штата Северная Каролина кафедр почвоведения и Crop Science.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Пробоотборники Prenart Super Quartz (PFTE/Quartz)Prenart Equipment ApSN/AМожно использовать любые пробоотборники для анализа следов металлов (например SoilMoisture Equipment Corp.)
Установочный комплект PrenartОборудование Prenart ApSN/AСодержит все необходимые элементы для установки пробоотборников поровых вод
2 л Бутылки для сбораPrenart Equipment ApSтакже можно приобрести в Fisher Scientific (02-923-2) или других компаниях-поставщиках лабораторных материалов, но фитинги необходимо будет отрегулировать. Бутылки могут быть покрыты темным материалом, если можно использовать светочувствительный
портативный вакуумный насосPrenart Equipment ApSN/AVacuporter от Decagon Devices или другой полевой аккумуляторный или ручной вакуумный насос
унция HDPE Nalgene бутылкиFisher Scientific03-313-4AТип образца бутылки будет зависеть от интересующего аналита и может быть стеклянным
Концентрированная азотная кислотаFisher ScientificA509-P212Для консервации могут потребоваться окисляющие и коррозионно-другие кислоты, и их следует использовать с осторожностью
25 мм 0,2 m нейлоновые шприцевые фильтрыVWR28145-487Можно использовать другие типы фильтров и размеры пор в зависимости от исследуемого аналита и аналитических приборов
60 мл шприцы Luer-LokFisher Scientific13-689-8Другие размеры могут использоваться в зависимости от объема собранной пробы
Портативный pH-метрVWR248481-A01Другие pH-метры могут использоваться после калибровки
Градуированный цилиндрлюбойН/Д
Полевые лизиметры (металлические, пластиковые, <эм> и т.д.)Н/Д/ДЧасто они конструируются на основе спецификаций
исследователей Трактор с перевернутой стойкойН/Д Н/ДЛюбой трактор может быть использован для установки лизиметров
Ручной штанговый опрыскивательН/ДН/ДДля применения нормы, необходимой для внесения 
Полиэтиленовые пакетыJohnson & JohnsonN/AДля хранения грунта можно использовать другие бренды
Сабельная пилаBlack & Декер Н/ДЛюбая сабельная пила может использоваться с насадкой для резки металла
1 Н

Ссылки

  1. Wuana, R. A., Okieimen, F. E. Heavy Metals in Contaminated Soils: A Review of Sources, Chemistry, Risks and Best Available Strategies for Remediation. ISRN Ecology. , 1-20 (2011).
  2. Donaldson, D., Kiely, T., Wu, L. 1-38 U.S. Environmental Protection Agency. , Washington, DC. (2011).
  3. Bergström, L., Bergström, J. Environmental fate of chemicals in soil. Ambio. 27, 16-23 (1998).
  4. Sutton, M. A., et al. Our Nutrient World. The challenge to produce more food & energy with less pollution. Key Messages for Rio +20. , Centre for Ecology & Hydrology. (2012).
  5. Du, W., et al. Fate and Ecological Effects of Decabromodiphenyl Ether in a Field Lysimeter. Environmental Science and Technology. 47, 9167-9174 (2013).
  6. Fuhr, F., Burauel, P., Mittelstaedt, W., Putz, T., Wanner, U. Environmental fate and effects of pesticides. , American Chemical Society. 1-29 (2003).
  7. Hire, D. L. Remarques sur l'eau de la pluie, et sur l'origine des fontaines; avec quelues particularites sur la construction des cisternes. Memoires de l' Academie Royale. , 56-69 (1703).
  8. Wagner, G. H. Use of porous ceramic cups to sample soil water within the profile. Soil Science. 94, 379-386 (1962).
  9. Matteson, A. R., et al. Arsenic Retention in Foliage and Soil Following Monosodium Methyl Arsenate (MSMA) Application to Turfgrass. Journal of Environmental Quality. 43, 379-388 (2014).
  10. Sakaliene, O., Papiernik, S. K., Koskinen, W. C., Kavoliunaite, I., Brazenaitei, J. Using Lysimeters to Evaluate the Relative Mobility and Plant Uptake of Four Herbicides in a Rye Production System. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 57, 1975-1981 (2009).
  11. Cai, Y., Cabrera, J. C., Georgiadis, M., Jayachandran, K. Assessment of arsenic mobility in the soils of some golf courses in South Florida. Science of the Total Environment. 291, 123-134 (2002).
  12. Water quality, pesticide occurrence, and effects of irrigation with reclaimed water at golf courses in Florida. Swancar, A. (ed USGS) Tallahassee. , (1996).
  13. Organic arsenical herbicides (MSMA, DSMA, CAMA, and Cacodylic Acid), reregistration eligibility decision; notice of availability. Environmental Protection Agency, Federal Register Environmental Documents. , Washington D.C. 1-70 (2006).
  14. EPA (not Araujo as stated before) Organic Arsenicals; Amendments to Terminate Uses: Amendment to Existing Stocks Provision. Environmental Protection Agency) 18590-18591 Federal Registrar. 78, Washington, DC. (2013).
  15. Drinking Water Regulations; Arsenic and Clarifications to Compliance and New Source Contaminants Monitoring Final Rule. Environmental Protection Agency. 66, Washington D.C. (2001).
  16. Winton, K., Weber, J. B. A review of field lysimeter studies to describe the environmental fate of pesticides. Weed Technology. 10, 202-209 (1996).
  17. Bergström, L. Use of lysimeters to estimate leaching of pesticides in agricultural soils. Environmental Pollution. 67, 325-347 (1990).
  18. Byron, J. Lysimeters promoted for pesticide research. Environmental Science and Technology. 31, (1997).
  19. Infographic: Pesticide Planet. Science. 341, 730-731 (2013).
  20. Severson, R., Grigal, D. Soil solution concentrations: effects of extraction time using porous ceramic cups under constant tension. Water Resources Bulletin. 12, 1161-1170 (1976).
  21. Allaire, S. E., Roulier, S., Cessna, A. J. Quantifying preferential flow in soils: A review of different techniques. Journal of Hydrology. 378, 179-204 (2009).
  22. Weihermüller, L., Kasteel, R., Vanderborght, J., Püz, T., Vereecken, H. Soil Water Extraction with a Suction Cup. Valdose Zone Journal. 4, 899-907 (2005).
  23. Jury, W. A., Fluhler, H. Advances in Agronomy. 47, Academic Press, Inc. London. 141-201 (1992).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи