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배수 이벤트 기간 동안 흐름 중 물과 농업 운하에서 일시 중단 된 입자를 캡처

doi: 10.3791/56088 Published: November 7, 2017

Summary

미 립 자 형태로 존재 영양소 농업 배수 물에서 전체 부하에 크게 기여할 수 있다. 이 연구에서는 배수 이벤트의 전체 기간 동안 흐름 중 물과 농장 운하 배수에서 일시 중단 된 입자를 캡처 하는 새로운 방법을 설명 합니다.

Abstract

이 연구의 목적은 물 흐름 가중치를 캡처하는 데 사용 하는 방법을 설명 하 고 배수 중 농장 운하에서 일시 중단 된 입자 방전 이벤트. 농장 운하 수송에 취약 하는 인 (P) 등 영양소에 의해 농축 수 있습니다. 일시 중단 된 미 립 자 형태로 인 배수 물에 전체 P 부하에 크게 기여할 수 있다. 침전 탱크 실험 개별 배수 이벤트 기간 동안 일시 중단 된 입자를 캡처를 실시 했다. 팜 채널 방전 물 물 보직의 복합 subsample 대표 되므로 배수 이벤트의 전체 기간 동안 두 200 L 침전 탱크의 시리즈에서 수집 되었다. 임 호프 안정화 콘 궁극적으로 일시 중단 된 미 립 자 밖으로 정착 하는 데 사용 됩니다. 이 콘을 통해 침전 탱크에서 몰래 물에 의해 이루어집니다. 미 립 자 다음 physico-화학 분석을 위해 수집 됩니다.

Introduction

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운명과 전송 일시 중단 된 입자의 양화, 특히 농업 시스템1,2에 있는 그것의 역할 때문에 수많은 연구의 대상이 되었습니다. 수생 시스템 내에서 미 립 자 물질에 포함 된 양분의 종합 평가 영양분의 내부 순환 등 수많은 환경 문제를 조사 하 고는 overlying 물 열3, 출시 하는 데 필요한 기판의 안정성, 물 열, 그리고 결국 하류 생태계4물 질 우려 내 빛 가용성. 유기 문제 (앙금) 미 립 자 형태로 저장 하는 인 (P)의 양은 일반적으로 물 열5보다 큽니다. Kenney 의해 연구. 6 최근 앙금 호수 Lochloosa, 플로리다에서 예금 되었다 1900의 연령 범위 사이의 2006는 나타났다. 이러한 젊은 앙금 물 열에 존재 했던 그 보다 약 55 배 더 많은 P 포함. 입자는 특정 시스템에 미칠 수 있는 잠재적인 영향을 특성화 하는 한 가지 방법은 인 배수 이벤트 기간 동안 배출 하는 침전 물에 저장 된의 양적 인벤토리를 수행 하는 것입니다. 컬렉션 및 이러한 방전 된 입자의 분석은 다운스트림 영양 농축 민감한 생태계에 미치는 영향을 추정 하는 것을 도울 수 있다.

폭풍 이벤트는 일반적으로 시간의 작은 분수를 나타내는 아직 농장 배수에서 P 부하 방전의 대부분을 기여할 수 있습니다. 이 홍수에서 분야를 방지 하기 위해 많은 양의 물은 시간의 짧은 기간 동안 배수 때문입니다. 강 우 강도와 흐름 요금은 중요 한 육로 결선7에 일시 중단 된 앙금의 농도 제어할 수 있는 요소를 운전. 복합 물 흐름 중 샘플을 캡처 방법을 모니터링 설계 복잡 하 고 높은 강도 비 이벤트와 관련 된 오류가 발생 하지 않도록 도움이 되겠습니다. 폭풍 같은 높은 방전 이벤트, 동안 농도에서 신속 하 고 과감 한 변화 증분 볼륨에 대 한 평균 오염 물질 농도의 대표 않을 수 있습니다. 따라서, 흐름 중 물 샘플 훨씬 더 정확 하 게 방전 이벤트의 농도를 나타냅니다 그것은8시간 동안 부하의 합계. 가장 일반적인 흐름 중 샘플 자동 수집된 개별 또는 복합 샘플이 있습니다. 농장에서 내보낸된 일시 중단 된 입자를 포착 하 여 방전 동안 배수를 P 로드 이벤트의 심각도 정할 수 있습니다. 이 연구 도움 캡처 나중 다양 한 물리적, 화학적 속성 특징 수 입자 메서드를 설명 합니다. 배수 방전 잡아 샘플링 대 연속 합성 흐름 방법을 사용 하 여 샘플링의 참신 배수 이벤트의 전체 기간 동안 필드 조건의 더 나은 표현 다는 것 이다. 반면에, 잡아 샘플링 시간에는 "스냅샷" 완벽 하 게 되지 않을 수 있습니다 전체 이벤트의 효과를 나타냅니다.

미국 사우스 플로리다에 버 글레이즈 농업 지역 (EAA) 채널화 되었고 농업, 상업, 및 주거 개발에 대 한 배수는 원래 버의 큰 창 공 이다. 거의 남쪽 그리고 남동9EAA 통해 물 1100 백만 m3 매년 방전 이다. EAA에 토양은 일반적으로 포함 하는 Histosols 35% 미네랄 콘텐츠10미만 이상 유기 85% 무게에 의해 문제가 있고. 운하 퇴적 물 일반적으로 있다 (0.14 g cm-3 0.35 g c m-3에), 사이 낮은 대량 밀도 높은 유기 물 내용 (31-35%) 사이 총 P (TP) 값은 726-1,089 mg k g-1 11사이.

이 데모에서는 목적에 EAA 내 농장 선정 됐다. 어떻게 물에 EAA 내의 흐름의 hydroscape 펌프와 중력에 따라 달라 집니다. 적어도 하나의 주요 운하에는 EAA에 각 팜 구성 및 여러 필드 랑. 필드는 주요 운하를 실행된 수직을 버렸다고. 펌프는 일반적으로 섬 기는 이중; 그들은 농장을 관개 물을 제공 하 고 또한 방전 배수 물 오프. 필드 배수 될 필요가, 주요 운하에 물을 낮 췄 다 고 필드에서 물도 랑, 유압 기온 변화도 의해 구동으로 빼낸. 필드에 전송에서 토양 프로필을 통해 필드 흐름에서 발생 하는 강우량의 대부분은 표면에 약간의 경사 때문 버렸다고.  관개, 동안 시스템으로 반전 됩니다. 아무 네트워크 타일 배수는 EAA에의 있다. 물 테이블 토양 석회석 암반 부하의 confining 계층 인해 특정 높이에서 유지 됩니다.  주요 운하; 물 올린 필드 랑 가득, 그리고 물 침투 토양 프로필 필드에 물 테이블 레벨을 올릴 수 있습니다. 일반적으로, 요구는 EAA에 관개 물에 대 한 3 월, 4 월, 5 월 (건기) 중 아주 작은 배수 방전 발생합니다. 반면, 6 월과 10 월 (우기) 사이 보직 물 볼륨 크게 높은 수준 이다. 농장에 P 로드의 운하12운하 은행 berms 및도 랑의 존재 최소 표면 결선에 대 한 수 있습니다.

이 시각적 실험에 우리 대량 밀도, 유기 물 내용, P 분류13 등 physico-화학 특성에 나중에 사용할 수 있는 배수 이벤트 기간 동안 일시 중단 된 입자 흐름 중의 새로운 방법을 제시합니다 ,14.

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Protocol

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1. Datalogger 설치 및 동작

  1. 연구 농장을 식별 하 고 운하 레벨 모니터링에 필요한 흐름 비례 기초에 복합 흐름 샘플을 수집 하는 autosampler는 datalogger 설치 펌프 헤드, 혁명과 펌프 캘리브레이션 방정식.

Figure 1
그림 1: ISCO 샘플러 프로그램 자동 샘플링 하는 데 사용 복합 배수 물과는 미 립 자에 대 한 절차 샘플링 물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

  1. 유입 및 유출 펌프 역에 인접 한 운하에 설치 된 압력 트랜스듀서를 사용 하 여 팜 채널 레벨 모니터링.
  2. 모니터 펌프 펌프 헤드에 설치 된 근접 스위치를 사용 하 여 속도, 속도 분당 회전 (rpm)에 datalogger에 의해 기록 됩니다.
    참고: 근접 스위치는 조각 금속 때 통과 서로 수 rpm의 수. 그들은 펌프 헤드에 용접 된다.
  3. 는 팁을 사용 하 여 측정 강우량 양동이 데이터로 거에 연결 된 비 게이지.
    참고: datalogger UF/IFAS 버 연구 및 교육 센터에 위치한 기본 라디오 방송국을 라디오 원격으로 통신 합니다. 원격 제어 샘플 수집, 데이터 수집 및 저장에 대 한 필요 하지 않습니다.

2. 배수 흐름 중 물 샘플링

  1. 각 펌프는 데이터로 거 및 펌프 캘리브레이션 방정식을 사용 하 여 계산 배수 흐름. 배수 흐름 중 샘플링 트리거 배수 볼륨 달성 후 datalogger에 의해 움직여 지는 autosampler에 의해 이루어집니다.
    참고: 펌프 속도 및 흐름 속도 24 h 이상 다릅니다. ISCO 샘플링 물 방전 속도 하지 볼륨에 의해 트리거됩니다. autosampler 물의 고정된 볼륨 방전 후 하위 샘플을 수집 하도록 프로그램 되어있다. 물 방전의 볼륨 펌프 rpm의 수에 따라 교정.
  2. 제자리에서 자동된 샘플러 펌프 역에 위치를 사용 하 여 복합 물 샘플 (최소 500 mL)을 수집 하 고 배수 이벤트 기간 동안 매일 복합 물 샘플을 잡으려고 그것 프로그램.
    참고: ISCO 샘플러는 최대 400 매 2 분 2 L 샘플 데이터로 거를 통해 우회 하는 튜브를 사용 하 여 컬렉션 탱크 plumed는 L.
  3. 프로그램 샘플 트리거 볼륨 24 시간 당 30 샘플의 최대 허용 기간 방전.
  4. 프로그램 다음이 단계를 수행 하 여 복합 흐름 샘플을 수집 하는 데이터로 거
      : 입력 프로그램 → 프로그램 → 흐름 기반 샘플링 → 샘플 마다 1 펄스 → 30 복합 샘플 → 130 mL의 샘플 볼륨 → 보정 샘플 량 [아니오] → 시작 시간 [아니오]를 입력 → 완전 한 시퀀스 프로그램.
  5. 수집 및 교통 얼음 채워진 쿨러에서 분석을 위한 실험실에 다시 때까지 4 ° C에서 현장 냉장고에 흐름이 중 복합 샘플 저장.
  6. 샘플 컬렉션의 시간에서 24 시간 안에 용 해 반응 p 물 샘플을 분석합니다. 총 P (TP) 분석에 사용 되는 샘플을 산성화 하 고 최대 28 일 15 4 ° C에서 저장 수.

3. 캡처 일시 중지 입자

  1. 장소 두 200 L PVC 침전 탱크의 배수 기간 일시 중단 된 미 립 자 특성을 기간 동안 농장 운하 방전 물을 수집 시리즈.
    1. Datalogger를 일시 중단 된 입자를 수집 다음이 단계에 따라 샘플 프로그램: 프로그램 → 시간 기준 샘플링 → 매 2 분 샘플 → 복합 샘플 [200] → 보정 샘플 볼륨 [아니오] → 시작 시간 입력 [아니오] → 시퀀스 완료 → 샘플링 버튼.
  2. 24 h 컬렉션 기간 동안 물의 량에 따라 설정 탱크 (2 L 2 분 마다)에 흐름이 중 배수 물 수집.

Figure 2
그림 2: 배수 물을 수집 하는 데 사용 하는 두 200 L 탱크. 일시 중단 된 미 립 자는 탱크의 바닥에 침전 하 고 5 갤런 양동이에 전송 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

  1. 입자 탱크에 정착을 시작으로 호스를 사용 하 여 초과 물을 사이 펀.
  2. 5 갤런 물통에 있는 입자를 전송, 실험실 등을 맞댄 그들을 수송 하 고 4에서 냉장고에 넣어 ° c.
  3. 사이 펀 24 h에 대 한 정착 후 초과 물 고 임 호프 콘 정착에 입자 전송.
  4. 적어도 1 시간을 위한 정착 후 사이 펀 초과 물이 침전된 입자 4에서 스토리지에 대 한 사전 무게 500 mL 나사 상단 항아리로 전송 되기 전에 마지막으로 한 ° C.
  5. 미 립 자 샘플 항아리 무게.
  6. 헤 들 리가 스튜어트 14에 의해 설명 된 대로 인 분류 분석 진행.

Figure 3
그림 3: 임 호프 콘 수집 하는 데 사용 정착은 일시 중단 된 미 립 자 침전 탱크에서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Representative Results

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이 연구에서 설명 하는 방법을 물과 농장 운하에서 이벤트를 펌핑 하는 동안 배출 되는 미 립 자 물질을 캡처할 수 있습니다. 물과 수집 된 입자 이므로 흐름 가중치 들은 펌핑 이벤트 뿐 아니라 일회성 스냅숏;의 전체 기간을 대표 그것은 높은 대표적인 보직 하는 재료의 종류의 만들기. 물 및 일시 중단 된 미 립 자 다양 한 물리적, 화학적 매개 변수에 대 한 분석 하기 위해 저장할 수 있습니다. 이 문서에서는, 우리는 3 개의 농장 운하는 EAA 내에서 일시 중단 된 입자의 속성 중 일부를 요약. 입자의 physico-화학 분석의 일부는 그들은 매우 낮은 벌크 밀도와 유기 고 P 11같은 영양분이 풍부한 것이 좋습니다. 0.08 g cm-3 0.11 g c m-3를 사이 원거리 입자의 대량 밀도. 유기 물 구성 55-77%, 그리고 2,173 mg k g-1 2548 mg k g-1 (그림 4) 사이 원거리 TP 농도 사이 였다. 물과 농장 운하에 일시 중단 된 앙금의 품질은 매우 토양 유형의 대표 하 고 주변 토지 이용 관행. EAA 내 토양은 높은 유기 > 50% 유기 물질 (OM), 그리고 높은 OM.를 포함 하는 일시 중단 된 미 립 자 놀라운 일이 아니다 미 립 자 죽은 수생 식물 사정 (detrital), 높은 P 농도16포함 알려져도 구성 됩니다. 일시 중단 된 미 립 자에서 관찰 된 낮은 대량 조밀도 더 높은 옴 콘텐츠 직접 관련이 있습니다.

Figure 4
그림 4: 팜 운하에서 수집 하는 입자의 밀도 (g c m-3), 유기 물 (%) 및 총 인 농도 (mg 킬로그램-1) 대량. 오차 막대는 표준 편차에 대응 한다. Bhadha 그 외 여러분 에서 수정 16 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

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미 립 자 컬렉션은 종료 근처에 배치 했다 배수 장치 물에 대 한 autosamplers 펌프 역 습도. 전원 12 V 배터리 태양 전지 패널에 의해 부과 됩니다에 의해 공급 되었다. autosamplers 현장 습도 출구 펌프, 실행 하 고 펌핑이 중지 하는 경우 그들을 해제 하는 때에 autosamplers에 의해 통제 되었다. 샘플러 입구 라인의 구멍 펌프 역에서 운하 바닥 및 upflow 위 0.5 m은 배치 했다. 흡입구 라인 운하 바닥 및 zip는 철근을 섭취 선 매로 금속 철근을 설치 하 여 장소에서 개최 했다. 2 L의 샘플 200 L 탱크 3 분 마다 샘플을 매일 수집 했다 정착으로 수집 되었습니다. 필드에서 샘플링 된 물의 대부분은 휴대용 흡입 펌프를 사용 하 여 드럼에서 제거 되었습니다. 거주 물/퇴적 물 26 L 물통 뚜껑에 배치 그리고 그들은 냉장고에 두었다 연구 역에 반환 했다. 다음 날, 추가 물 실험실 흡입 펌프를 사용 하 여 제거 되었습니다.

그것은 중요 한 그 때 입자 가능한 정지 미 립 자 제거 피하기 위해 몰래. 이렇게 하려면, 호스의 끝에 피 펫 팁을 추가 하 고 수 면 근처 팁 계속 조심. 그것은 저장할 때 샘플에 남아 있는 과잉의 물을 정상입니다. 샘플의 건조 중량에 해당 예측에 대 일 분 함량을 알면 고 실험 절차의 정확도 추적 도움이 됩니다 모든 컨테이너와 샘플 및 extractants의 측정을 유지.

이 절차를 사용 하 여 배수 물 수집 하 참신은 하나를 잡아 샘플링 반대 흐름 중 방전 물 캡처 수 있습니다. 흐름 중 물 샘플은 이벤트의 대표 때문에 시간별; 수많은 하위 샘플의 합성 샘플 반면 잡아 샘플은 단순히 단일 샘플 전체 배수 이벤트의 대표 되지 않을 수 있습니다. 이 연구에서 설명 하는 흐름 중 샘플링 방법을 작동 하나 그들의 원하는 목표에 맞게 자동 샘플러를 프로그램 할 수 있기 때문에 개별 배수 이벤트를 수집 합니다. 예를 들어 자동 샘플러 매 시간 마다 실행 되는 펌프에 대 한 물 30 mL 하위 샘플을 수집 하도록 프로그램 될 수 있다. 또는 흐름 중 물 샘플 후 방전의 일정 증분 볼륨 샘플러 물 30 mL 하위 샘플 수집 프로그램 될 수 있다. 각 흐름 중 샘플 물 그것은 해당 하는 전체 증분 볼륨에 대 한 평균 오염 농도 나타내는으로 간주 됩니다. 이 메서드는 정확 하 게 집중 했다 불규칙 하 게 변경 하는 경우에 오염 물질 농도 측정 하기 위해 우리 수 있습니다. 흐름-가중치 샘플의 장점은 부하 계산을 간소화 하 고 방전 볼륨은 각 샘플에 대 한 일정 때문에 더 정확한 것으로 추정 하는의 그의 합계. 또이 방법의 이점은 그것은 냉장된 조건에서 4 ° C에서 매일 흐름 중 물 샘플 보존 추가.

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Disclosures

이 연구와 관련 된 아무 공개 있다.

Acknowledgments

파블로 생체와 조니 모 슬 리에 대 한 필드 샘플링, 도움말 및 비비 아나 나 달과 이리나 Ognevich 실험실 분석에 대 한 감사 하 길.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Datalogger Campbell Scientific model CR1000
Auto-sampler ISCO model 3700
Pressure transducer KPSI model 700
Tipping bucket rain guage Texas Electronics model TR-525
Potassium Chloride Fisher 7447-40-7
Sodium Hydroxide Fisher 1310-73-2
Hydrochloric Acid Fisher 7647-01-0
Sulfuric Acid Fisher 7664-93-9
Potassium Persulfate Fisher 7727-21-1
Ammonium Molybdate Tetrahydrate Fisher 12054-85-2
L-Ascorbic Acid Fisher 50-81-7
100 mg/L Anhydrous Phosphate Standard ERA 061
Antimony Potassium Tartrate Trihydrate Fisher 28300-74-5
Durapore Membrane Filters Millipore HVLP04700
Whatman #41 Filter Paper Whatman 1441-150
Fixed Speed Reciprocal Shaker E6010 Eberbach Corporation E6010.00
Disposable Culture Tubes Fisher 14-961-29
Allegra 25R Centrifuge Becker Coulter U.S. 605168-AC
Parafilm Bemis Company Inc PM 999 13-374-12
Oak Ridge Centrifuge Tubes Nalgene 3119-0050
Fisherbrand 20mL HDPE Scintillation Vials with Urea Cap Fisher 03-337-23C
Fisherbrand Natural Polypropylene Jars with White Polypropylene Unlined Cap Fisher 02-912-024A
0.45 membrane filters Cole-Parmer Item # UX-15945-25
100 ml digestion tubes Fisher  TC1000-0735
Glass funnels Fisher 03-865
Spectronic 20 Genesys Thermo-Fisher 4001-000
QuikChem Latchat 8500

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References

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Bhadha, J. H., Sexton, A., Lang, T. A., Daroub, S. H. Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events. J. Vis. Exp. (129), e56088, doi:10.3791/56088 (2017).More

Bhadha, J. H., Sexton, A., Lang, T. A., Daroub, S. H. Capturing Flow-weighted Water and Suspended Particulates from Agricultural Canals During Drainage Events. J. Vis. Exp. (129), e56088, doi:10.3791/56088 (2017).

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