Summary
Питательные вещества, присутствующие в форме твердых частиц может существенно способствовать общей нагрузки в сельскохозяйственных дренажных вод. Это исследование описывает новый метод для захвата потока взвешенный воды и взвешенных частиц от фермы канал дренажа над всей продолжительности события дренажа.
Abstract
Целью данного исследования является описать методы, используемые для захвата потока взвешенный воды и взвешенных частиц от фермы каналов во время дренажа выполнения события. Каналов можно обогатить за счет питательных веществ, таких как фосфора (P), которые восприимчивы к транспорту. Фосфор в виде взвешенных частиц может существенно способствовать общей нагрузки P в дренажных вод. Отстойные танк эксперимент был проведен для захвата взвешенных частиц во время событий дискретных дренажа. Фермы канал сброса воды была собрана в серии двух 200л отстойные топливные цистерны за весь период времени дренаж события, с тем чтобы представлять композитный подвыборки воды сбрасываются. В конечном счете Имхофф усадки конусов используются для осесть взвешенных частиц. Это достигается путем сосущие воды от усадки танков через конусы. Частиц, затем собираются для физико химических анализов.
Introduction
Судьба и транспорта взвешенных частиц был предметом многочисленных исследований из-за его роль в эвтрофикации, особенно в сельскохозяйственных системах1,2. Всеобъемлющая оценка питательных веществ, содержащихся в твердых частиц в рамках водной системы необходима для расследования многочисленных экологических проблем например, Внутренний круговорот питательных веществ и выпустить вышележащих воды столбец3, стабильность субстрата, легкая доступность в толще воды и в конечном итоге проблемы качества воды вниз по течению экосистем4. Количество фосфора (P) хранятся в форме твердых частиц (органического вещества или отложениях) обычно больше, чем в столбец воды5. Исследование, проведенное Кенни и др. 6 показал, что между возрастной диапазон 1900 года и 2006 недавних отложений, которые были сданы на хранение в озеро Lochloosa, Флорида. Эти молодые отложений содержали почти 55 раз больше P чем, который присутствовал в толщу воды. Один из подходов к охарактеризовать потенциальные воздействия твердых частиц на определенной системы является проведение количественных кадастровых фосфора, хранящихся в отложениях, сбрасываются во время дренажа событий. Сбор и анализ этих разряженные частиц может помочь оценить течению обогащение питательными веществами воздействий на чувствительные экосистемы.
Шторм события обычно представляют лишь незначительную часть времени, но может способствовать большинство P разряда нагрузки в ферме дренажа. Это потому, что для того, чтобы предотвратить затопление полей, большой объем воды уходит более коротких периодов времени. Количество осадков интенсивность и скорость потока являются жизненно важными вождения факторы, которые могут контролировать концентрацию взвешенных отложений в сухопутных стока7. Проектирование, методы мониторинга, которая захватывает пробы потока взвешенный композитный воды поможет избежать ошибок, связанных с событиями комплекс, высокая интенсивность дождя. Во время высокого разряда событий как штормы быстрые и радикальные изменения в концентрациях не может быть представитель средний загрязнителей концентрации для дополнительных тома. Таким образом проб воды потока взвешенный гораздо более точно представляет концентрацию разряда события, как это суммирование нагрузки в течение времени8. Наиболее распространенными потока взвешенный образцы, автоматически собранные дискретный или композитных образцов. Захватив экспортируемых взвешенных частиц от фермы дренажа во время разряда позволяет нам количественную оценку серьезности события на P загрузки. Этот метод описан в это исследование помогает захвата частиц, которые позже могут быть охарактеризованы для различных физических и химических свойств. Новизна выборки дренажа разряда, с помощью метода непрерывного потока композитный против захвата выборки, что это лучшее представление о полевых условиях над всей продолжительности события дренажа. В то время как захват выборки является «снимок» во времени и могут не полностью представляют собой эффект всего мероприятия.
Эверглейдс сельскохозяйственного района (ЭССХ) в Южной Флориде, США является большой простор первоначального Эверглейдс, которые канализированную и осушенных для сельскохозяйственных, коммерческих и жилых развития. Почти 1100 млн м3 воды ежегодно сбрасывается от и через ЭССХ на юге и Юго-9. Почвы в ЭССХ являются гистопочв, обычно содержат более 85% органических вопрос по весу и имеют меньше 35% минерального содержания10. Канал осадков, как правило, имеют низкую насыпную плотность (между 0,14 g cm-3 в 0,35 г см-3), содержание высокого органического вещества (между 31-35%) и общая P (ТП) значения в диапазоне от 726-1,089 мг кг-1 - 11.
Для целей этой демонстрации был выбран ферме в ЭССХ. Hydroscape как вода течет в ЭССХ зависит от насосов и гравитации. Каждая ферма в ЭССХ включает на по крайней мере один основной канал и несколько полей. Поле канавы выполнения перпендикулярно в главный канал. Насосы обычно служат двойной цели; они доставить оросительной воды на ферму, а также выполнять дренажных вод за пределы участка. Когда поля должны быть осушены, воды в основной канал опускается, и вода из поля стекает в канавы, движимый гидравлический градиент. Благодаря только небольшой уклон в поверхности большая часть осадков, что происходит на поля потоков через почвенного профиля в пути к полю рвы. Во время полива системы меняется на противоположную. Сети не существует плитка дренажа в ЭССХ. В таблице воды поддерживается на определенную высоту благодаря ограничивая слоем известняка основой подчиненным почвы. Вода доставляется через основные каналы; рвы поля заполнены, и воды может просочиться в профиль почвы для повышения уровня грунтовых вод в полях. Как правило требования воды для орошения в ЭССХ возникают в течение марта, апреля и мая (сухой сезон), с очень мало сброса дренажа. Напротив объем воды сбрасываются с июня по октябрь (сезон дождей), значительно выше. Наличие канала банка насыпи и траншеи позволяет для минимальной поверхностного стока как потенциальный источник P нагрузки в ферме каналов12.
В этом эксперименте визуального мы представляем новый метод захвата потока взвешенный взвешенных частиц во время дренажа событий, которые могут затем использоваться для физико химических характеристик как насыпная плотность, содержание органического вещества и фракционирование P13 ,14.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. измерители установки и функционирования
- определить исследование фермы и установить регистратор, который запускает автоматический пробоотборник собирать образцы составных потока на пропорциональной основе потоком, который необходим мониторинг уровня канала, головы оборотов насоса и насос уравнение калибровки.
Рисунок 1: сборники МСКЗ, позволяют программе auto выборки процедуры для составного дренажные воды и твердых частиц воды проб. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- контролировать уровни канала фермы, используя преобразователи давления, установленных на приток и отток каналах, прилегающих к насосной станции.
- Монитор насос скорость с помощью бесконтактных выключателей, установленных на головки насоса; скорость регистрируется регистратор в оборотах в минуту (об/мин).
Примечание: Бесконтактные выключатели являются куски металла, когда передали друг другу всего количество пакетов RPM. Они приварены головки насоса. - Измерения осадков с помощью опрокидывания ковша датчик дождя, который подключен к регистратор.
Примечание: Регистратор общается по радио телеметрии для базового радио станции, расположенной на УФ/ИК МФСА Эверглейдс исследовательский и образовательный центр. Телеметрия не является необходимым для контроля проб, а только для сбора и хранения данных.
2. Дренаж потока взвешенный отбора проб воды
- Расчет дренажного стока с использованием измерители и уравнение калибровки насоса для каждого насоса. Дренаж потока взвешенный выборки достигается Автоматический пробоотборник, которая срабатывает, регистратор, после достижения объема дренажных триггера.
Примечание: Насос скорость и скорость потока отличаться более 24 ч. МСКЗ выборки инициируется объем воды сбрасываются, не скорость. Автоматический пробоотборник запрограммирован для сбора подвыборки после выполнения фиксированного объема воды. Объем стока откалиброван на основании числа оборотах насоса. - Композитные воды пробы (минимум 500 мл), с использованием в situ автоматизированных сборники расположен на насосной станции и программа его захватить ежедневно образец составного воды во время дренажа событий.
Примечание: Сборники МСКЗ перьями в коллекции танки с помощью трубы, направляется через регистратора, который принимает 2 L образец каждые 2 мин до 400 л - Периода выполнять программы пример триггера томов для максимум 30 образцов за 24 ч.
- Программа регистратор собирать образцы составных потока, выполните следующие действия: введите программа → программа → потока на основе выборки → образца каждый 1 импульсов → 30 композитных образцов → объем образца по 130 мл → калибровка Объем [NO] пробы → введите время начала [NO] → программа полной последовательности.
- Хранения потока взвешенный композитных образцов в холодильник на месте при температуре 4 ° C до сбора и транспортировки обратно в лабораторию для анализов в заполненный льдом охладитель.
- Анализ проб воды для растворимых реактивной P в течение 24 часов с момента сбора проб. Образцы, используемые для анализа всего P (ТП) может быть подкислена и хранить при 4 ° C до 28 дней 15.
3. Захват частиц приостановлено
- место серии двух 200л ПВХ отстойные топливные цистерны для сбора фермы канал сброса воды с длительностью периода дренаж для захвата и характеризуют взвешенных частиц.
- Программа, измерители для сбора взвешенных частиц образцов, выполните следующие действия: Программа → время на основе выборки → образец каждые 2 мин → композитных образцов [200] → калибровки объем образца [NO] → введите время начала [NO] → Полная последовательность → нажмите кнопку выборки.
- Собирать потока взвешенный дренажные воды в цистернах параметр (2 L каждые 2 мин), объем воды на основе коллекции в течение 24 ч.
Рисунок 2: два 200 L цистерны, используемые для сбора стоков. Взвешенных частиц осесть в нижней части цистерны и передаются в 5 галлон ведра. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
- отбором лишнюю воду с помощью шлангов, как частицы начинают селиться в танки.
- Переноса твердых частиц в 5 галлон ведра, транспортировать их обратно в лабораторию и поместите их в холодильник на 4 ° C.
- Сифон от избыток воды после урегулирования за 24 ч и переноса частиц в Имхофф урегулирования конусов.
- После урегулирования для по крайней мере 1 h, сифон от излишков воды последний раз прежде чем поселились частиц переводятся в предварительно весил 500 мл винт топ банок для хранения на 4 ° C.
- Весят баночки с твердых образцов.
- Приступить фосфора фракционирование анализы, как описано в Хедли и Стюарт 14.
Рисунок 3: Имхофф урегулирования конусов, используемые для сбора взвешенных частиц, захваченных в отстойнике. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Метод, описанный в настоящем исследовании позволяет нам захватить воды и твердых частиц, освобождается во время перекачки события в каналы ферм. Воды и твердых частиц, которые собираются потока взвешенный, что означает, что они являются репрезентативными всей продолжительности откачки события и не только одноразовую моментального снимка; что делает его весьма представитель типа материала, сбрасываются. Чтобы быть проанализированы для различных физических и химических параметров могут храниться воды и взвешенных частиц. В этой статье мы кратко некоторые свойства взвешенных частиц из трех каналов ферм в ЭССХ. Некоторые из физико химических анализов частиц предполагают, что они высоко органические, с низкой насыпной плотностью и богаты питательными веществами, как P 11. Насыпная плотность частиц колеблется от 0,08 g cm-3 до 0,11 g см-3. Состав органического вещества, составляло 55-77% и ТП концентрации варьировались между 2 173 мг кг-1 -2548 мг кг-1 (рис. 4). Качество воды и взвешенных отложений в ферме каналов очень представитель типа почвы и прилегающих земель использование практики. В рамках ЭССХ почвы высоко органические, > 50% органический материал (OM), и поэтому не удивительно, взвешенных частиц, которые содержат высокие РЭ. Частиц также состоят из мертвых водных растений материи (обломочным), содержат высокие концентрации P16. Низкой насыпной плотности, наблюдается в взвешенных частиц непосредственно связан с более высоким содержанием ом.
Рисунок 4: Массовая плотность (g cm-3), органических веществ (%) и концентрация фосфора (мг. кг-1) частиц, собранных из фермы каналов. Планки погрешностей соответствуют стандартным отклонением. Изменение от Bhadha и др. 16 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Автосампл для дренажных вод, сбора твердых частиц были размещены вблизи выходе насоса Логеры станции. Власть была представлена 12 V аккумуляторов, которые взимаются солнечных панелей. Автосампл контролируется на местах Логеры, который включен когда выхода насосы побежал и выключен при остановке перекачки автосампл. Отверстия линии всасывания сборники были размещены 0,5 м выше дна канала и эффективностью от насосной станции. Потребление линии были проведены в месте путем установки металлических арматуры в дно канала и zip, связывая линии всасывания к главной панели. В 200 Л, отстойники, каждые 3 мин ежедневно собирались образцы были собраны пробы 2 л. В этой области большинство пробы воды был удален из барабаны, используя портативные всасывания насоса. Проживающие воды/отложений затем поместили в 26 Л ведра с крышками и вернулся в научно-исследовательской станции, где они были помещены в холодильниках. Следующий день, дополнительная вода была удалена с помощью лабораторных насосы.
Это важно, когда сифонирования частиц, позволяющая избежать удаления взвешенные частицы как можно больше. Чтобы сделать это, добавьте наконечник пипетки в конец шланга и будьте осторожны держать кончик вблизи поверхности воды. Это нормально иметь избыток воды в образце при хранении. Зная содержание влаги позволит сухой вес эквивалентных оценки выборки, и сохраняя измерения всех контейнеров с и без образца и экстрагенты поможет отслеживать точность экспериментальной процедуры.
Новизна с помощью этой процедуры для сбора сточных вод является, что она позволяет захватить потока взвешенный сброса воды в отличие от выборки захватить. Образец потока взвешенный воды является более представительным события, потому что это образец составного многочисленных суб образцов с течением времени; в то время как образец захватить лишь один пример, который не может быть представителем всего дренажные мероприятия. Поток взвешенный выборки метод, описанный в настоящем исследовании работает для сбора событий дренажные дискретным, потому что один можно запрограммировать auto сборники для удовлетворения их желаемых целей. Например автоматический пробоотборник может запрограммирован для сбора подвыборки 30 мл воды на каждый час, что насос работает. Или образец взвешенный поток воды может запрограммирован для сбора подвыборки 30 мл воды после того, как постоянный объем дополнительных разряда проходит сэмплер. Предполагается, что каждый поток взвешенный образец представляет концентрацию средняя загрязнителей для всего тома добавочной воды, которому оно соответствует. Этот метод позволяет точно измерить концентрации загрязнителей, даже если концентрации были изменить нерегулярно. Преимущество потока взвешенный образцов является что суммирование нагрузки расчеты упрощенный и предположить, чтобы быть более точным, потому что объем сброса является константой для каждого репрезентативной выборки. Другой добавил, что преимущество этого метода является то, что он сохраняет ежедневно образец потока взвешенный воды на 4 ° C в холодильных условиях.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Существует нет раскрытия информации, связанной с этим исследованием.
Acknowledgments
Мы хотим поблагодарить Pablo жизненной и Джонни Мосли за помощью в области выборки и Вивиана Надаль и Ирина Огневич за помощь с лабораторных анализов.
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 |
References
- Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
- Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
- Bhadha, J. H., et al. Phosphorus mass balance and internal load in an impacted subtropical isolated wetland. Water Air Soil Pollut. 218, 619-632 (2011).
- Eyre, B. D., McConchie, D. The implications of sedimentological studies for environmental pollution assessment and management: Examples from fluvial system in north Queensland and western Australia. Sediment. Geol. 85, 235-252 (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. , 74 (2010).
- Kenney, W. F., et al. Whole-basin, mass-balance approach for identifying critical phosphorus-loading thresholds in shallow lakes. Journal of Paleolim. 51, 515-528 (2014).
- Freebairn, D. N., Wockner, G. H. A study of soil erosion on vertisols of the Eastern Darling Downs, Queensland. Effects of surface conditions on soil movement within contour bay catchments. Aust. J.Soil Res. 24, 135-158 (1986).
- Erickson, A. J., et al. Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. , Springer. New York. (2013).
- Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
- Daroub, S. H., et al. Best management practices and long-term water quality trends in the Everglades Agricultural Area. Cri. Rev. Environ. Sci. Technol. 41, 608-632 (2011).
- Bhadha, J. H., et al. Influence of suspended particulates on phosphorus loading exported from farm drainage during a storm event in the Everglades Agricultural Area. J. Soil Sed. 17, 240-252 (2017).
- Diaz, O. A., et al. Sediment inventory and phosphorus fractions for water conservation area canals in the Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 863-871 (2006).
- Reddy, K. R., et al. Forms of soil phosphorus in selected hydrologic units of Florida Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62, 1134-1147 (1998).
- Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
- EPA. Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. O'Dell, J. W. , (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Effect of aquatic vegetation on phosphorus loads in the Everglades Agricultural Area. J. Aqu. Pla. Man. 53, 44-53 (2015).
