Summary
Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme Forschern erlauben, die das Schicksal von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet zu beurteilen. Das Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie erforderliche Instrumentierung installieren und sammeln Proben für die chemische Analyse im integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme Experimenten.
Abstract
Potenziell toxische Chemikalien werden routinemäßig angewendet, um zu landen, um wachsenden Anforderungen an die Abfallwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion gerecht zu werden, aber das Schicksal dieser Chemikalien ist oft nicht gut verstanden. Hier zeigen wir ein integriertes Feld Lysimetrie und Porenwasserprobenahmeverfahren für die Bewertung der Mobilität von Chemikalien in Böden und Vegetation fest aufgebracht. Lysimeter, offene Spalten aus Metall oder Kunststoff, in bareground oder bewachsenen Böden angetrieben. Porenwassersammler, die im Handel erhältlich sind und mit Vakuum zu sammeln sickert Bodenwasser, in vorgegebenen Tiefen innerhalb der Lysimeter installiert. Am verabredeten Zeiten folgende chemische Anwendung auf Versuchsflächen wird Porenwasser gesammelt und Lysimeter, Boden und Vegetation enthalten, werden exhumiert. Durch die Analyse von chemischen Konzentrationen im Lysimeter Boden, Vegetation und Porenwasser, nach unten Auslaugraten, Bodenrückhaltevermögen und Pflanzenaufnahme für die Chemie von Interesse kann quantifiziert werden.Da Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme werden unter natürlichen Umweltbedingungen und mit minimalen Bodenstörung durchgeführt, abgeleitet Projektergebnisse real-case-Szenarien und liefern wertvolle Informationen für die chemische Management. Als Chemikalien werden weltweit zunehmend angewendet, um zu landen, können die beschriebenen Techniken verwendet, um zu bestimmen, ob brachten Chemikalien stellen Risiken für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt werden.
Introduction
Potenziell toxische Chemikalien werden routinemäßig angewendet, um aus Quellen wie Pflanzenschutzmittel, Dünger, Abwasser / biosolids, Industrieabfälle und Siedlungsabfälle 1,2 landen. Das Schicksal dieser Chemikalien - die Nährstoffe zählen kann, Spurenelemente, organische und die damit verbundenen Stoffwechselprodukte - wird oft nicht gut verstanden 3. Wenn die Chemikalien nicht richtig verwaltet, haben sie das Potenzial, die menschliche Gesundheit und Umwelt durch Übertragung an und wuchs in Pflanzen, Oberflächenwasser und Grundwasser gefährden. Mit einer Weltbevölkerung von 10 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050 erreichen kann, gibt es wachsenden Anforderungen an die Abfallwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion 2 und Ausbringen von vielen Chemikalien hat zugenommen 3,4. Dementsprechend wird die Forschung benötigt, die die Transformationen, Mobilität, Belastungsgrenzen, und die allgemeine Umweltrisiken von Chemikalien, die Land entsorgt werden müssen oder dass wir hängen von den Pflanzengesundheit zu verbessern quantifiziertund zu erhalten.
Eine Anzahl von Strategien wurden verwendet, um Bedrohungen von Chemikalien in der Umwelt angewendet auszuwerten. Labor-basierte Modellsystem Studien wurden durchgeführt, um Informationen über grundlegende Mechanismen, die die Mobilität von Chemikalien in Böden bereitzustellen. Bei der Analyse der Verbleib in einem Labor, kann eine vollständige Manipulation der "Umwelt" und Eingänge erreicht werden, die aber nur selten entsprechen realen Umweltbedingungen 5,6. So Extrapolation Laborergebnisse auf Feldeinstellungen können zu ungenauen Vorhersagen über chemische Bedrohungen führen. Im Gegensatz dazu breiten Feldmessungen wurden zur chemischen Verhalten in der Umwelt zu definieren. Allerdings sind Rückschlüsse auf Umweltverhalten aus diesen Messungen oft aufgrund der häufig geringen Einsatz Raten (zB ein paar g A -1) der angewandten Chemie, sowie die komplexen Wechselwirkungen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozesse in der E kompliziertnvironment, die chemische Verteilungen regulieren.
Lysimeter, einschließlich Feld Lysimetrie, war historisch von Boden-und Futter Wissenschaftlern verwendet, um die Abwärtsmobilität von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet systematisch zu evaluieren. Ein Lysimeters ist eine Vorrichtung aus Metall oder Kunststoff, die in einer Boden von Interesse platziert und wird verwendet, um das Schicksal von Chemikalien in bekannten Mengen zu einem begrenzten Bereich aufgebracht zu bestimmen. Boden-und Pflanzenproben gesammelt Lysimeter kann verwendet werden, um die Entwicklung von chemischen Verteilungen über die Zeit zu beurteilen. Da Feld Lysimetrie wird unter natürlichen Umweltbedingungen durchgeführt wird, können die Ergebnisse verwendet werden, um Echt-Case-Szenarien von chemischen Anwendungen zu Bodensystemen abgeleitet vorherzusagen. Frühe Lysimeterstudien gemessen Transpiration, Feuchtigkeit Fluss und / oder Nährstoff Bewegung. Die heutigen Lysimeterstudien messen Pestizid-und Nährstoffabfuhr, Pestizid-Bewegung, Volatilität und Massenbilanz, zusammen mit der aforementioned 3 Messungen.
Eine Einschränkung der traditionellen Bereich Lysimetrie ist, dass chemische Mobilität innerhalb einer Bodenprofil ist weitgehend durch Festphasen-Messungen definiert, während weniger Aufmerksamkeit wird auf gelöste chemische Konzentrationen in Wasser sickert durch die Böden bezahlt - eine wichtige Komponente, die das Potenzial des Grundwassers auswirken können vom Land aufgebrachten Chemikalien. Obwohl Sickerwasser aus dem Boden der Lysimeter ist manchmal für die Analyse gesammelt, dieser Ansatz Grenzen Tiefenauflösung von Porenwasserkonzentrationen und erfordert in der Regel erhebliche Bodenaushub vor dem Experiment. Stattdessen, um Daten über chemische Konzentrationen im Bodenwasser zu erhalten, Porenwassersammler kann im Feld Einstellungen genutzt werden. Porenwassersammler sind im Boden installiert, um Wasser aus diskreten, gewünschte Tiefe zu sammeln und nur minimal stören die Boden-System. Porenwassersammler haben viele Namen einschließlich Lysimeter-, Saug-cu bezeichnetp Lysimeter oder Bodenlösung Sampler, Falten ihrer Unterscheidung mit den oben beschriebenen traditionellen Bereich Lysimeter. In diesem Papier werden wir den Begriff "Porenwasser-Sampler" zu verwenden, um Verwirrung zu lindern.
Hier zeigen wir einen experimentellen Ansatz, der Feld-und Porenwasser Lysimetrie Probenahme für die Bewertung der Auslaugung nach unten Potenzial von Chemikalien zu bewachsenen Boden oder bareground Systeme angewendet verbindet. Lysimeter ist ein leistungsfähiges Werkzeug, seit der 1700er 7 verwendet, während keramische Porenwasserproben haben seit den frühen 1960er Jahren 8 verwendet. Die Integration dieser Techniken ermöglicht eine robuste Feldbestimmung der beiden Festkörper-und gelöste Phase chemischen Konzentrationsverteilungen bei gleichzeitiger Minimierung Bodenstörung. Dieses Papier beschreibt Faktoren, die bei der Gestaltung ein Experiment, einschließlich Standortauswahl, Installation der Geräte und Beispielsammlung. Der Ansatz wird mit einem Experiment, das das Schicksal der ein ausgewertet dargestelltorganische Arsenhaltiges Pestizid zu einem bareground und einem etablierten Rasen System angewendet. Die beschriebenen Techniken können bei Bedarf angepasst werden, um das Schicksal einer Vielzahl von Chemikalien zu untersuchen, um dadurch wertvolle Werkzeuge für Forscher und Politiker, die das Umweltverhalten und das Verhalten der Landbrachten Chemikalien zu verstehen suchen.
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Protocol
Feld-Abtastung wird in diesem Experiment durchgeführt und steht unter der Zulassung des North Carolina Department of Agriculture & Consumer Services.
1. Feld Lysimeter-Installation
- Wählen Sie eine experimentelle Website, auf der seitlichen Bewegung des aufgebrachten Chemikalien ist unwahrscheinlich (dh. Websites mit wenig oder ohne Steigung). Wählen Sie Websites basierend auf Boden und Vegetation Eigenschaften von Interesse.
- Vor der Installation (Abbildung 1A) Lysimeter Wenn bewachsenen Grundstücke sind, ziehen Vegetation Steckern.
- Fahren Sie die Lysimeter nach unten in die gewünschten Grundstücke (mit oder ohne Vegetation) mit einem inversen Post Fahrer, so ~ 1-2 cm der Lysimeter über der Bodenoberfläche, um die angewandte chemische enthalten und laterale chemische Bewegung zu minimieren. Hierzu gerollt und verschweißt Verwendung achtzehn Gauge Stahlplatten (91 cm tief x 15 cm Durchmesser) (1B). Verwenden Lysimeter aus verschiedenen Materialien und Abmessungen passen resSuche Ziele.
- Ersetzen Vegetation Stecker folgenden Lysimeter-Installation.
- Verwalten die Vegetation als geeignet für das Experiment. Wenn Grundstücke sind nackt zu bleiben, verwenden Sie vor Ort Anwendungen von Glyphosat, die Bereiche frei von Vegetation zu halten.
- Stellen Sie sicher, dass die Bewässerung, Düngung, und alle anderen Management-Praktiken sind identisch in der bareground und bewachsenen Grundstücken. Vorbestimmen Bewässerung Forschungsziele zu erreichen.
2. Porenwasser Sampler Installations
- Installieren Porenwassersammler, wie PTFE / Quarz-(50/50%), in der Mitte der Lysimeter zu sickert Porenwasser zu sammeln.
- Legen Sie eine 2,5 cm Edelstahl-Stab in der Mitte der Lysimeter und legen Sie sie in den Boden mit einem Holzhammer auf die gewünschte Probentiefe.
HINWEIS: Eine Schnecke kann auch für diesen Schritt verwendet werden. - Bereiten Sie eine Quarzmehl und Wasser-Schlamm mit 700 ml Wasser zur Bewässerung zu ~ 900 g chemisch inerte Quarzmehl. Mischen Sie den Brei thoroughly vor jeder Abtaster in der Mischung gegeben. Üben Sie Druck zwischen -50 bis -70 kPa zum Sampler von einem Handheld-oder Akku-Vakuumpumpe.
- Entfernen Sie die Sampler aus dem Quarzmehl Brei nach 10 min, und mischen die Siliciumdioxidaufschlämmung wieder. Pour 60 ml der Aufschlämmung durch einen Trichter auf eine 2,5 cm Durchmesser Rohr in den Boden des Loches verbunden ist.
- Setzen Sie den Sampler in das Loch an der gewünschten Probentiefe mit einem Kunststoff-oder Metallrohr. Sicherzustellen, dass Schlauch von dem Abtaster erstreckt sich aus dem Loch. Verwenden Sie einen Brei aus unbehandelten, heimischen Boden und Wasser, um das verbleibende Loch zu verfüllen.
- Nehmen Sie sich Zeit beim Hinterfüllen für Boden absetzen; verwenden Sie ein Rohr zu zusätzlichen Boden stampfen, wie gebraucht.
- Backfill Boden auf das ursprüngliche Niveau. Gegebenenfalls ersetzen Vegetation an der Spitze der Bohrung.
- Befestigen Sampler Schlauch mit einer Vakuumflasche über einem Abschnitt von fluorierten Ethylen-Propylen (FEP)-Schlauch. Mit einem Kunststoffrohrklemme, schließen Sie eine zweite Schlauchleitung ausdie Vakuumflasche zu einer Vakuumpumpe.
- Decken Schläuche und Flaschen Sammlung mit schwarzem Kunststoffband oder ob die Chemikalie (n) von Interesse ist anfällig für Photoabbau (Abbildung 1C).
- Bewerben Vakuumdruck von etwa -50 bis -70 kPa über die Vakuumflasche zu den Samplern immer wieder im Laufe von mehreren Tagen vor dem Experiment, um die ordnungsgemäße Installation zu gewährleisten Sampler.
3. Chemical Anwendung auf Lysimeter
- Mindestens zwei Wochen Akklimatisierung vor der chemischen Anwendungen hergestellt werden.
- Sammeln Hintergrund Porenwasserproben vor Lysimeter-Behandlung, um Hintergrundkonzentrationen der chemischen (e) von Interesse zu quantifizieren.
- Tragen Sie die chemische von Interesse für den Boden oder Vegetation durch die typischen Methoden, wie mit einem Hand CO 2-Druck-Boom Spritze (1D) oder durch die Verteilung der Granulatformulierung direkt auf der Oberfläche des Grundstücks mit der Lysimeter. Wenn mehrere chemischen Anwendungen für Wirksamkeit notwendig sind, gelten sie pro typische Nutzungsmuster oder Etikett. Lassen Sie einige Lysimeter unbehandelt als Kontrolle dienen.
4. Porenwassersammlung und-analyse
- Bewerben etwa -50 bis -70 kPa Vakuum an die Porenwasser Sampler Vakuum-Flaschen am Tag vor oder am Tag der Probenahme. Wasser rund um den Sampler wird oben durch den Sampler in den Schlauch gezogen werden, mit der Vakuumflasche, wo es gesammelt, bis abgetastet fließt. Die Bodenvolumen, aus dem Porenwasser wird gesammelt und das Wassersammelzeit kann aufgrund von Faktoren wie Bodenart, Bodenbeschaffenheit, Bodenfeuchte und Sampler Tiefe ab.
- Die Proben werden in bestimmten Zeitabständen folgende chemische Anwendung, wie die Forscher vorgegeben.
- Messen des Volumens des aufgefangenen Wassers in einen Meßzylinder für jeden Porenwasser-Probennehmer. Wenn Filtration notwendig ist, legen Sie das Wasser in einem Luer-Lok syringe (Größe auf Wassermenge ab) und übergeben Probe durch ein 25 mm 0,2 um Nylonfilter.
- Wenn verschiedene Probenkonservierungsverfahren sind erforderlich und ausreichend Probe wird gesammelt, teilen Sie die Probe in einzigartige Containern.
- Mit einem Hand pH-Meter, um den pH-Wert der nicht angesäuerten Proben zu bestimmen.
- Der pH-Wert durch Zugabe einer ausreichenden Volumen der entsprechenden Säure, wenn für Probenkonservierung erforderlich.
HINWEIS: Konzentrierte Säuren können ätzend sein oder Oxidationsmittel und es sollte, wenn mit ihnen eingenommen werden. - Proben auf Eis in einem Kühler oder im Kühlschrank bis zur Analyse gebracht. Verwenden Analysemethoden für chemische Messungen, wie induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS), induktiv gekoppelte Plasma-optische Emissionsspektroskopie (ICP-OES), Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) oder Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC), um die Proben analysieren.
5. Lysimeter Exhumierung, Boden / Vegetation Sammlung einnd Analyse
- Exhumieren die Lysimeter, Boden und Vegetation enthält, in bestimmten Zeitabständen folgenden chemischen Anwendung. Exhumieren unbehandelten Lysimeter zu jedem Probenahmezeit, um Hintergrund chemischen Konzentrationen im Boden und Vegetation zu bestimmen.
- Exhumieren Lysimeter Verwendung Barrel Schellen an einem Traktor befestigt umzusetzen. Senken Sie den Eimer in eine Position, die für die Klammern, um auf der Lysimeter exponierte Kante gelegt werden können.
- Heben Sie das Gerät verursacht die Klammern um die freiliegende Kante fassen und zog den Lysimeter-Säule aus dem Boden (Abb. 1E).
- Cap exhumiert Lysimeter Enden mit Dämmplatten auf den Durchmesser der Lysimeter geschnitten. Halten Kappen an Ort und Stelle mit Gallonen-Größe Polyethylen-Beutel in den Lysimeter Enden eingefügt und sicheren Taschen mit Klebeband.
- Transportieren Sie die Lysimeter mit einem Feldlabor für Boden und Vegetation Probenteilung. Prozess ersten unbehandelten Lysimeter, um eine Kontamination zu verhindern Uhrong Lysimeter.
- Verwenden Sie eine Säbelsäge mit einem Metallschneidmesser, um die Lysimeter der Länge nach auf einer Seite geschnitten ausgestattet. Schneiden Sie die Spalten aus dem Boden (Zone der erwarteten geringeren Konzentration) nach oben (Zone der erwarteten höheren Konzentration), um sicherzustellen, dass der Boden in größeren Tiefen nicht durch Boden in geringeren Tiefen kontaminiert.
- Split öffnen Sie die Lysimeter. Verwenden Metalltrennplatten, separate diskrete Boden und Vegetation Abschnitte. Wählen Bodentiefe Schritten bezogen auf die Länge der Lysimeter-und Forschungsziele.
- Verwenden Löffel oder Spatel, um die geschnittenen Boden und Vegetation auszugraben. Platzieren Sie jede Probe in einem entsprechend gekennzeichneten Polyethylen-Gefrierbeutel. Boden sammeln Sie nicht direkt in Kontakt mit dem Lysimeter.
- Folgen Sie der Grabungsprotokoll für jede gewünschte Probentiefe. Zeigen Probenbeutel in einen Kühler mit Eis gefüllt und transportieren sie zu einem Labor. Lagern Sie die Proben in einem Gefrierschrank bis zur Analyse.
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Representative Results
Diese Methode ermöglicht die Anhäufung von Daten über das Schicksal von Chemikalien angewandt, um bareground und bewachsenen Bodensystemen 5,10. Dieser Ansatz wurde verwendet, um Arsen (As) nach unten Auslaugung, Absorption und Translokation in Anlagen zur Bermuda bewerten (Cynodon dactylon)-Systeme nach Anwendung von organischen Arsen Herbizid Mononatrium-Methyl-Arsenat (MSMA) 9. Seit den 1960er Jahren hat MSMA in Nicht-Kulturflächen, Rasen, und die Baumwollproduktion verwendet worden, aber es wächst die Sorge, die Wie unten durch Böden auslaugen und verunreinigen das Grundwasser 11,12 aufgebracht. Die US Environmental Protection Agency (EPA) prüft derzeit Ausstieg aus MSMA, bis weitere wissenschaftliche Überprüfung 13,14.
Nach MSMA Anwendung bareground und Bermuda Lysimeter wurde die Mehrheit der innerhalb des Bodens als feste Phasen und Vegetation während 1-Jahres-Experimente (Abbildung 2, beibehaltenTabelle 1). Innerhalb der Böden wurden die höchsten Festphasen Wie Konzentrationen bei 0-2 cm Tiefe gefunden. Arsenkonzentrationen in MSMA-behandelten Proben wurden Lysimeter über unbehandelten Proben zum 15.8 cm Tiefe Schritt erhöht, und in größeren Tiefen, Unterschiede in der Festphasen Wie Konzentrationen zwischen behandelten und nicht-behandelten Lysimeter waren statistisch nicht signifikant mit einem 2-tailed t-Test mit ungleicher Varianz (p ≥ 0,05). Arsen wurde auch in die Vegetation aufgenommen, und obwohl sie über die Zeit verändert, As-Konzentrationen im Bermudagrün aus behandelten Parzellen waren immer deutlich höher als die von unbehandelten Parzellen. Insgesamt dürfen bis zu 101% des angelegten Wie in Boden und Vegetation festen Phasen von den Bermudabedeckten Lysimeter erholt, während ein Maximum von 66% der Wie im bareground Lysimeter-Proben (Tabelle 1) gewonnen.
Als Porenwasserkonzentrationen in MSMA behandelten Parzellen waren abhängig von der Tiefe mitim Bodenprofil (Fig. 3). Bei 30 cm Tiefe, gelöste Phase-Konzentrationen überschritten Wie der EPA 10 ug / L maximale Trinkwasserschadstoffgrenze 15 mit zunehmenden Konzentrationen unmittelbar folgenden MSMA Anwendung und dann anschließend im Laufe der Zeit abnimmt. Im Gegensatz dazu Porenwassertiefe von 76,2 cm im Bodenprofil gesammelt hatte als Konzentrationen, die ähnlich zu den Hintergrundwerten und konsequent unter der EPA Grenze waren, was darauf hinweist, dass aufgetragen Wie nicht unter die Grenzen der experimentellen System zu migrieren.
Die hier diskutierten Studie zeigt viele der oben genannten Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme experimentellen Design-Überlegungen. Das Feld Bereich enthalten etwa keinen Hang, und ~ 1,5 cm der Lysimeter wurde über der Erde gelassen, um Querkontamination Grundstück Probleme zu verhindern, aber auch für eine angemessene Bermudamanagement. Das Feld Gebiet wurde aufgrund seiner geringen organischen Substanz und hohen Sand conten gewähltt (88% Sand, Schluff 7%, 5% Ton), was einem "worst-case"-Szenario Laugung in Bezug auf Bodentextur und als Rückhaltepotential 9. Porenwasser-Probennehmer wurden so gewählt, dass sie innerhalb der Lysimeter passen, und mehrere Wochen wurden System Äquilibrierung vor der chemischen Anwendung erlaubt. Schließlich wurde episodischen Porenwasser-Probenahme stark in den frühen Phasen des Experimentierens, wenn unten Auswaschung von Chemikalien angewandt wurde als wahrscheinlichste konzentriert.
Abbildung 1. Fotografien Darstellung wählen Schritte bei der Installation von Lysimeter-und Porenwassersammler. (A) Vegetation Stecker sind vor der Installation entfernt Lysimeter. (B) Lysimeter sind mit einem inversen Pfostentreiber in den Boden getrieben. (C) Bedeckt 2-L Vakuum-Flaschenwerden verwendet, um Wasser von Porenwassersammler zu sammeln. (D) Chemische von Interesse randomisierten Lysimeter Grundstücke aufgebracht. (E) Lysimeter Boden-Kerne werden mit einem Traktor zu implementieren exhumiert.
.. Abbildung 2 Tiefenprofile der Gesamt Wie Konzentrationen im Lysimeter Boden und Bermuda Vegetation im Laufe der Zeit folgende MSMA Anwendung Symbol Tiefen darstellen Boden-und Vegetationsproben aus den folgenden Schritten Tiefe: 0 = oberirdische Laub; -1 = 0 bis 2 cm Tiefe; -3 = 2 bis 4 cm; -6 = 4 bis 8 cm Tiefe; -11.5 = 8 bis 15 cm Tiefe; -22.5 = 15 bis 30 cm Tiefe; und -37.5 = 30 bis 45 cm Tiefe. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung der Messwerte von Parallelproben und Lysimeter. Sternchen stehen für Proben, für die die gemessene Wie concentrations in MSMA behandelten Lysimeter waren signifikant höher als Konzentrationen von den jeweiligen unbehandelten Proben Lysimeter. Abbildung von Matteson et al modifiziert 2014 9. siehe Referenz für weitere Details.
Abbildung 3. Porenwasser Wie Konzentrationen aus zwei Tiefen (30 und 76,2 cm) im MSMA-behandelt, Bermudagras bewachsenen Lysimeter.
| Tage nach Behandlung MSMA | Begrünte oder Bare | Wie in Boden gewonnen (%) | Wie in Vegetation Gewonnen (%) | Als Gesamtgewonnen (%) |
| 36 | Begrünte | 83 | 10 | 93 |
| 36 | Blank | 62 | - | 62 |
| 64 | Begrünte | 47 | 3 | 50 |
| 64 | Blank | 60 | - | 60 |
| 119 | Begrünte | 83 | 9 | 92 |
| 119 | Blank | 66 | - | 66 |
| 364 | Begrünte | 98 | 4 | 101 |
| 364 | Blank | 55 | - | 55 |
Tabelle 1. Berechnete Gesamt Wie Erholungen in Lysimeter Boden und Vegetation Bermuda folgenden MSMA-Anwendung. Recovery-Werte geben die Gesamt Wie in Lysimeter-Proben von MSMA-behandelten Parzellen insgesamt minus Wie in unbehandelten Proben, die alle von der Menge aufgeteilt Alsdded dem System über MSMA Anwendung. Tabelle aus Matteson et al modifiziert 2014 9. siehe Referenz für weitere Details.
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Discussion
Mit Hilfe einer integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasserstichprobenansatz ermöglicht es Forschern, räumliche und zeitliche Verteilung von einer Vielzahl von Land-brachten Chemikalien beurteilen. Das Schicksal von Chemikalien in Böden und bewachsenen Systeme können durch eine Reihe von Umweltprozessen und Attribute, wie unten Auslaugung, Verflüchtigung, Hydrolyse, Photolyse, mikrobielle Umwandlung / Zersetzung, Pflanzenaufnahme, Bodentyp, Boden-pH 16,17 und gesteuert werden. Anders als Gewächshaus oder Labor-basierten Experimenten werden die Ergebnisse von der hier beschriebenen Feld-basierten Ansatz mit minimaler Unterbrechung des Systems der Studie erhalten und kann daher auf andere Systeme extrapoliert werden oder Einstellungen 18. Die Kenntnis der Menge der Chemikalie aufgebracht wird, die Fläche des Lysimeters das Potential Verflüchtigung der chemischen, ermöglicht die Menge an gelösten und festen Phasen gemessen und die Schüttdichte des Bodens zur Bestimmung der chemischen Massenbilanz und Lade Grenze Schätzungen für das System von Interesse - wertvolle Informationen für die Vorhersage von möglichen Umweltbedrohungen, wie z. B. chemische Laugung das Grundwasser.
Das hier beschriebene Protokoll zeigt eine Möglichkeit, ein Experiment beschäftigt integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasserstichproben durchführen. Viele Teile dieser Methode können die Forscher angepasst, um ihre spezifischen Ziele anzugehen. Zum Beispiel sollte Lysimeter Größe und Art berücksichtigt werden, wenn der Vorbereitung eines Versuchs, und Entscheidungen sollte die chemische-, Boden-und Pflanzeneigenschaften von Interesse 17 reflektieren. Platzierung der Lysimeter müssen ebenfalls berücksichtigt, um die Variabilität der Umweltbedingungen und die Steigung auf der Versuchsfläche zu minimieren. Management-Praktiken (Mähen, Düngen, Ernten, etc.) bestimmen nicht nur die Größe der Lysimeter, kann aber Einbautiefen und Funktionalität beeinflussen und sollte in Betracht gezogen, um reale imitieren praktiziert 17,19.
e_content "> Viele Arten von Porenwassersammler sind im Handel erhältlich, und sie haben eine relativ kostengünstige Möglichkeit, den Boden Wasser aus verschiedenen Tiefen zu sammeln darstellen. Die Größe des Samplers, Tiefe, Sampler pro Lysimeter und Häufigkeit der Probenahme sollte bei der Gestaltung von Experimenten werden. Wenn die gewählte Porenwasserprobennehmer ist nicht groß genug ist, kann nur angewendet, Saug sammeln aus der unmittelbaren Umgebung und die gesamte Lysimeter Bereich 20 nicht decken. Eine vorgeschlagene Lösung ist die Porenwasser-Platten, die eine größere Fläche abdecken würde 21 zu verwenden, obwohl dies erfordern umfangreiche kann und unerwünschte Bodenaushub auf Sampler Installation aufnehmen und kann auch Wasserdurchfluss zu begrenzen unterhalb der Tiefe des Samplers. Ein weiteres Anliegen mit Porenwasserprobennahme ist, dass, je nach Bodenart, Sampler Installation und Vakuumanwendung kann zu Porenwasser, um vorzugsweise in Richtung der Sampler oder entlang fließen Lysimeter Wände eher als natürlich durch das System möglicherweise ändern chemical Distributionen 17,22. Schließlich, um richtig zu bewerten Abwärts chemischen Auslaugen wird eine ausreichende zeitliche Abtastung Porenwasser notwendig, damit der Chemikalie nicht über den Abtaster auslaugen manchmal nicht durch die Routine Probenahme 23 erfasst.Einer der Hauptzwecke der Feld Lysimetrie ist, um die Abwärts Auslaugung Potenzial der aufgebrachten Chemikalien quantifizieren. Jedoch absichtlich begrenzt, ist dieser Ansatz die Auswirkungen der natürlichen Untergrund seitlich über chemische Transport fließen. Um diese Einschränkung zu überwinden, können die Wissenschaftler untersuchen Verbleib und Verhalten Bodensonden nutzen, um Bodenkerne sammeln, welche Vor-und Nachteile über Feld Lysimetrie hat. Sobald der interessierende Bereich behandelt wird, eine Hand-oder Traktor montierte Sonde entfernt Kerne von Plots, die kleiner sind als typische Lysimeter sind, die weniger Fläche für Experimente und ermöglicht eine schnellere Abtastung. Jedoch ist eine Folge der Verwendung einer Sonde, dass es zu schiebenVegetation, Boden, oder Wurzeln nach unten, potenziell verunreinigende größeren Tiefen, Bodenverdichtung und das Verändern der Schüttdichten. Boden-Sondentechniken bieten auch weniger Schutz gegen Cross-Plot-Kontamination durch Oberflächenabfluss und seitlichen Untergrundfluss.
Eine Einschränkung der Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme ist, dass 100% Erholung der angewandte chemische selten 17. Es gibt Unbekannten beim Ausfüllen dieser Art der Forschung auf dem Gebiet verglichen mit Gewächshaus oder Labor-Umgebungen, in denen mehr Kontrolle in Bezug auf Wetter, Bodeneigenschaften und Pflanzenwachstum erreicht; folglich kann Ergebnisse in experimentellen Studien 3 variieren. Forschungs Verwendung sowohl Feld-und Labor Ansätze bieten die umfassende Untersuchung der Prozesse beeinflussen das Schicksal von Chemikalien in der Umwelt. Dennoch Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme bieten leistungsstarke, gut etablierte Techniken zur Beurteilung der potenziellen Umweltbelange einmit Chemikalien bestimungsbahnhof. In der Zukunft wird wahrscheinlich mehr Studien mit diesen Techniken, um das Schicksal von Chemikalien im Gesicht, die eine angemessene Versorgung mit Lebensmitteln, die ordnungsgemäße Entsorgung von Abfällen und Aufrechterhaltung hoher Standards des Umweltschutzes besser zu verstehen, durchgeführt werden.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Die Autoren erkennen die Mitarbeiter an der Sandhills NCDA Forschungsstation für die Unterstützung bei der Installation und Lysimeter Exhumierung. Die Finanzierung in Repräsentative Ergebnisse beschriebenen Experimenten wurde vom Zentrum für Umweltforschung Turfgrass & Bildung zur Verfügung gestellt. Video-und Manuskript-Produktion wurde durch die North Carolina State University Departments für Bodenkunde und Pflanzenbau unterstützt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Prenart Super Quartz Samplers (PFTE/Quartz) | Prenart Equipment ApS | N/A | Any samplers for trace metal analysis can be used (e.g. SoilMoisture Equipment Corp.) |
| Prenart installation kit | Prenart Equipment ApS | N/A | Contains all items necessary to install porewater samplers |
| 2 L collecting bottles | Prenart Equipment ApS | Bottles can also be purchased from Fisher Scientific (02-923-2) or other laboratory supply companies, but fittings will need to be adjusted. Bottles can be covered with dark material if light sensitive | |
| Portable vacuum pump | Prenart Equipment ApS | N/A | Vacuporter from Decagon Devices or other field battery-operated or hand vacuum pump may be used |
| 1 oz HDPE Nalgene bottles | Fisher Scientific | 03-313-4A | Sample bottle type will depend on analyte of interest and may be glass |
| Concentrated nitric acid | Fisher Scientific | A509-P212 | Oxidizing and corrosive-other acids may be needed for preservation and should be used with caution |
| 25 mm 0.2 µm nylon syringe filters | VWR | 28145-487 | Other filter types and pore sizes may be used, dependent on the analyte of interest and analytical instrumentation |
| 60 ml Luer-Lok syringes | Fisher Scientific | 13-689-8 | Other sizes may be used depending on sample volume collected |
| Portable pH meter | VWR | 248481-A01 | Other pH meters can be used following calibration |
| Graduated cylinder | any | N/A | |
| Field lysimeters (metal, plastic, etc.) | N/A | N/A | Often these are constructed based on the researchers specifications |
| Inverted post driver tractor | N/A | N/A | Any tractor can be used to install the lysimeters |
| Handheld boom sprayer | N/A | N/A | To apply the rate needed for application |
| Polyethylene bags | Johnson & Johnson | N/A | Other brands may be used for soil storage |
| Reciprocating saw | Black & Decker | N/A | Any reciprocating saw can be used with a metal cutting attachment |
References
- 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).
- Donaldson, D., Kiely, T., Wu, L. 1-38 U.S. Environmental Protection Agency. , Washington, DC. (2011).
- Bergström, L., Bergström, J. Environmental fate of chemicals in soil. Ambio. 27, 16-23 (1998).
- 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).
- Du, W., et al. Fate and Ecological Effects of Decabromodiphenyl Ether in a Field Lysimeter. Environmental Science and Technology. 47, 9167-9174 (2013).
- Fuhr, F., Burauel, P., Mittelstaedt, W., Putz, T., Wanner, U. Environmental fate and effects of pesticides. , American Chemical Society. 1-29 (2003).
- 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).
- Wagner, G. H. Use of porous ceramic cups to sample soil water within the profile. Soil Science. 94, 379-386 (1962).
- 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).
- 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).
- 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).
- Water quality, pesticide occurrence, and effects of irrigation with reclaimed water at golf courses in Florida. Swancar, A. (ed USGS) Tallahassee. , (1996).
- 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).
- 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).
- Drinking Water Regulations; Arsenic and Clarifications to Compliance and New Source Contaminants Monitoring Final Rule. Environmental Protection Agency. 66, Washington D.C. (2001).
- Winton, K., Weber, J. B. A review of field lysimeter studies to describe the environmental fate of pesticides. Weed Technology. 10, 202-209 (1996).
- Bergström, L. Use of lysimeters to estimate leaching of pesticides in agricultural soils. Environmental Pollution. 67, 325-347 (1990).
- Byron, J. Lysimeters promoted for pesticide research. Environmental Science and Technology. 31, (1997).
- Infographic: Pesticide Planet. Science. 341, 730-731 (2013).
- 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).
- 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).
- Weihermüller, L., Kasteel, R., Vanderborght, J., Püz, T., Vereecken, H. Soil Water Extraction with a Suction Cup. Valdose Zone Journal. 4, 899-907 (2005).
- Jury, W. A., Fluhler, H. Advances in Agronomy. 47, Academic Press, Inc. London. 141-201 (1992).
