Summary
Næringsstoffer, der forekommer i partikler form kan bidrage væsentligt til de samlede belastning i landbrugets dræning farvande. Denne undersøgelse beskriver en roman metode til at fange flow-vægtede vand og svaevestoev fra gården kanalen dræning over den samlede varighed af hændelsen dræning.
Abstract
Formålet med denne undersøgelse er at beskrive de metoder, der bruges til at fange flow-vægtede vand og svaevestoev fra gården kanaler under dræning decharge begivenheder. Farm kanaler kan blive beriget af næringsstoffer som fosfor (P), der er modtagelige for transport. Fosfor i form af svaevestoev kan bidrage væsentligt til de samlede P belastninger i drænvand. En bilæggelse tank eksperiment blev udført for at fange suspenderede partikler under diskrete dræning begivenheder. Farm canal decharge vand blev indsamlet i en serie af to 200 L bilægge tanke over den samlede varighed af hændelsen dræning, således at repræsentere en sammensat delprøve af vand udledes. Imhoff bilægge kegler er i sidste ende anvendes til at udligne ud af svaevestoev. Dette opnås ved opsugning vand fra bilægge tankene via kegler. Partiklerne der derefter indsamles for fysisk-kemiske analyser.
Introduction
Skæbne og transport af svaevestoev har været genstand for talrige undersøgelser på grund af sin rolle i eutrofiering, især i landbrugssystemer1,2. En omfattende evaluering af næringsstoffer i partikler inden for akvatiske system er nødvendigt at undersøge mange miljømæssige emner som, den interne cykling af næringsstoffer og slippe hen til den overliggende vand kolonne3, underlaget stabilitet, let tilgængelighed i vandsøjlen, og til sidst vand kvalitet bekymringer til downstream økosystemer4. Den mængde af fosfor (P) gemt i formen partikler (organisk materiale eller sedimenter) er typisk større end i vand kolonne5. En undersøgelse foretaget af Kenney mfl. 6 viste, at de seneste sedimenter, der blev deponeret i Lake Lochloosa, Florida var mellem 1900 aldersgruppen og 2006. Disse yngre sedimenter indeholdt næsten 55 gange flere P end det, som var til stede i vandsøjlen. En tilgang til at karakterisere de potentielle konsekvenser, at partikler kan have på et bestemt system er at gennemføre en kvantitativ opgørelse af fosfor gemt i sediment udledes under dræning begivenheder. Indsamling og analyse af disse udledes partikler kan hjælpe med at vurdere downstream næringsstof berigelse virkninger på følsomme økosystemer.
Storm begivenheder typisk repræsenterer en lille brøkdel af tid, men kan bidrage størstedelen af P belastning decharge i gården dræning. Dette skyldes, at for at forhindre felter fra oversvømmelser, en stor mængde af vand er drænet i korte perioder. Nedbør intensitet og flow priser er afgørende kørsel faktorer, der kan styre koncentrationen af suspenderet sediment i overland afstrømning7. Designe overvågningsmetoder, der fanger flow-vægtede sammensatte vandprøver ville bidrage til at undgå fejl i forbindelse med komplekse, høj intensitet regn begivenheder. Under høj decharge begivenheder som storme, kan hurtig og drastiske ændringer i koncentrationerne ikke være repræsentativ for den gennemsnitlige forurenende koncentration for den trinvise volumen. Derfor, flow-vægtede vandprøver langt mere præcist repræsenterer koncentrationen af en decharge begivenhed som det er en opsummering af byrder over en periode af tid8. De mest almindelige flow-vægtede prøver er automatisk indsamlet diskrete eller sammensatte prøver. Ved at erobre de eksporterede svaevestoev fra jord tillader dræning under decharge os at kvantificere sværhedsgraden af hændelsen på P lastning. Metoden beskrevet i denne undersøgelse hjælper fange partikler, der kan senere karakteriseres for forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Nyhed af prøveudtagning dræning udledning ved hjælp af en kontinuerlig sammensatte flow metode versus grab prøveudtagning er, at det er en bedre repræsentation af markforhold over den samlede varighed af hændelsen dræning. Grab prøveudtagning er et "snapshot" i tid og kan ikke fuldt ud repræsentere effekten af hele arrangementet.
Everglades landbrugs område (LR) i det sydlige Florida, USA er en stor flade af de oprindelige Everglades, der blev kanaliseret og drænet for landbrug, udvikling af kommercielle og beboelsesejendomme. Næsten udledes 1.100 millioner m3 vand årligt fra og gennem LR mod syd og sydøst9. Jord i LR er Histosols, der almindeligvis indeholder over 85% organisk stof af vægt og har mindre end 35% mineral indhold10. Canal sedimenter har typisk lav bulk-tæthed (mellem 0,14 g cm-3 til 0,35 g cm-3), høj organisk stof indhold (mellem 31-35%) og Total P (TP) værdier spænder mellem 726-1,089 mg kg-1 11.
Med henblik på denne demonstration, blev en gård i LR valgt. Hydroscape af hvordan vandet løber i LR afhænger af pumper og tyngdepunktet. Hver gård i LR består på mindst én Hovedkanalen, og flere felt grøfter. Feltet grøfter køre vinkelret på Hovedkanalen. Pumperne typisk tjener et dobbelt formål; de levere kunstvanding vand til gården, og også decharge drænvand off-site. Når felterne skal tømmes, vand i Hovedkanalen er sænket, og vand fra feltet afløb i grøfter, drevet af en hydraulisk gradient. På grund af kun en svag hældning i overfladen det meste af den nedbør, der forekommer på felter strømme gennem jordprofilen i transit til feltet grøfter. Under vanding, er systemet vendt. Der er ingen netværk af flise dræning i LR. Vandspejlet er opretholdt ved en bestemt højde på grund af en begrænse lag af kalksten grundfjeld slave jord. Vandet er bragt gennem de vigtigste kanaler; feltet grøfter er fyldt, og vand får lov til at sive ind i jordprofilen at hæve grundvandet niveauer i felterne. Krav for vand til overrisling i LR opstår typisk, i løbet af marts, April og maj (tørre sæson), med meget lidt dræning decharge. I modsætning hertil er er mængden vand udledes mellem juni og oktober (våd sæson) betydeligt højere. Tilstedeværelsen af canal bank volde og grøfter giver mulighed for minimal overflade afstrømning som en potentiel kilde til P lastning i gården kanaler12.
I dette visuelle eksperiment præsenterer vi en roman metode indfange flow-vægtede suspenderede partikler under dræning hændelser, der senere kan bruges til fysisk-kemiske karakterisering som bulk-tæthed, indhold af organisk materiale og P fraktionering13 ,14.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Datalogger Installation og virke
- identificere en undersøgelse gård og installere en datalogger, der udløser en autosampler for at indsamle sammensatte flow prøver strømmen proportionalt, hvilket kræver en overvågning canal niveauer, pumpe hoved revolutioner, og pumpen kalibreringsligningen.
figur 1: ISCO sampler bruges til program auto-prøvetagning procedurer for den sammensatte drænvand og partikler vand prøveudtagning. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- overvåge farm canal niveauer ved hjælp af Tryktransducere installeret i tilstrømning og udstrømning kanaler støder op til pumpestation.
- Overvåge pumpens hastighed ved hjælp af Nærhedsafbrydere, der er installeret på den pumpe hoveder; hastighed registreres af datalogger i omdrejninger pr. minut (rpm).
Bemærk: Nærhedsafbrydere er stykker af metal som når forbigået hinanden tælle antallet af rpms. De er svejset fast på pumpen hoveder. - Foranstaltning nedbør ved hjælp af en deponering spand regnmåler, der er tilsluttet datalogger.
Bemærk: Datalogger kommunikerer ved radio telemetry på en base station er placeret i UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Telemetri er ikke nødvendige for kontrollerende prøve samling, kun til dataindsamling og -lagring.
2. Dræning Flow-vægtede vand prøvetagning
- Beregn dræning flow ved hjælp af en datalogger og en pumpe kalibreringsligningen for hver pumpe. Dræning flow-vægtede proeveudtagning opnås ved en autosampler, der betjenes af datalogger efter en trigger dræning volumen opnås.
Bemærk: De pumpe hastighed og flow varierer over 24 h. ISCO prøveudtagning er udløst af mængden vand udledes, ikke hastigheden. Autosampler er programmeret til at indsamle en delprøve efter en fast mængde vand decharge. Mængden af vand decharge er kalibreret, baseret på antallet af pumpe rpms. - Indsamle en sammensat vandprøve (minimum 500 mL) ved hjælp af en i situ automatiseret sampler beliggende på pumpestation og programmere den til at fange en daglig sammensatte vandprøve under dræning begivenheder.
Bemærk: ISCO sampler er fjerklædte til samling tanke ved hjælp af slanger omledt via en datalogger, der tager en 2 L prøve hver 2 min. 400 L. - Program prøve trigger diskenheder til at gøre det muligt for op til 30 prøver pr. 24 h decharge periode.
- Program datalogger til at indsamle sammensatte flow prøver ved at følge disse trin: Indtast Program → Program → Flow baseret prøvetagning → prøve hver 1 pulser → 30 sammensatte prøver → Sample volumen af 130 mL → Kalibrer Sample volumen [Nej] → Indtast starttidspunktet [Nej] → Program sekvens komplet.
- Gemme de flow-vægtede sammensatte prøver i en onsite køleskab ved 4 ° C indtil indsamling og transport tilbage til laboratoriet for analyser i en is-fyldt køligere.
- Analyser af vandprøver for opløselige reaktive P inden for 24 timer fra tidspunktet for prøvetagning. Prøver anvendes til Total P (TP) analyse kan syrnet og opbevares ved 4 ° C i op til 28 dage 15.
3. Indfange suspenderede partikler
- placere en række to 200 L PVC bilægge tanke at indsamle farm canal decharge vand over varigheden af perioden dræning til at fange og karakterisere de svaevestoev.
- Program datalogger til at indsamle svaevestoev prøver ved at følge disse trin: Program → tid baseret prøvetagning → prøve hver 2 min → sammensatte prøver [200] → kalibrere Sample volumen [Nej] → indtaste Start Time [Nej] → Sekvens komplet → skubbe prøveudtagning knap.
- Indsamle flow-vægtede drænvand i indstillingen kampvogne (2 L hver 2 min) baseret på mængden vand i en 24 h samling periode.
figur 2: to 200 L tanke, der anvendes til at indsamle drænvand. Suspenderede partikler bosætte sig ud i bunden af tanken og overføres i 5-gallon spande. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
- sifon off det overskydende vand ved hjælp af slanger, som partikler begynder at bosætte sig i tanke.
- Overføre partikler i 5-gallon spande, transportere dem tilbage til laboratoriet og placere dem i køleskab ved 4 ° C.
- Sifon off det overskydende vand efter afregning for 24 h, og overføre partikler i Imhoff afregning kegler.
- Efter afregning for mindst 1 h, omdirigerer det overskydende vand en sidste gang før udlignede partikler overføres til pre vejede 500 mL skrue-top krukker til opbevaring ved 4 ° C.
- Vejer krukker med partikler prøver.
- Fortsættes med fosfor fraktionering analyser som beskrevet af Hedley og Stewart 14.
figur 3: Imhoff afregning kegler bruges til at indsamle de suspenderede partikler fanget i bilægge tanken. venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Metoden i denne undersøgelse giver os mulighed at fange vand og partikler, der er udpumpes under pumpning begivenheder i gårde kanaler. Vand og partikler, der er indsamlet er flow-vægtede, hvilket betyder, at de er repræsentative for hele varigheden af den pumpe begivenhed og ikke blot en engangs snapshot; hvilket gør det meget repræsentativ for typen materiale, der udledes. Vand og svaevestoev kan gemmes for at blive analyseret for forskellige fysiske og kemiske parametre. I denne artikel sammenfattet vi nogle af egenskaberne for svaevestoev fra tre gårde kanaler inden for LR. Nogle af de fysisk-kemiske analyser af partikler tyder på, at de er meget økologisk, med lav bulk-tæthed, og er rige på næringsstoffer som Pedersen 11. Bulk-tæthed af partiklerne varierede mellem 0,08 g cm-3 til 0,11 g cm-3. Organisk materiale sammensætningen varierede mellem 55-77% og TP koncentrationer lå mellem 2,173 mg kg-1 til 2,548 mg kg-1 (figur 4). Kvaliteten af vand og suspenderede sedimenter i gården kanaler er meget repræsentativ for typen, jord og omkringliggende arealanvendelse praksis. Inden for LR jord er meget organisk, > 50% organisk materiale (PEØ), og så ikke er det overraskende, at de suspenderede partikler indeholder høj OM. Partikler er også sammensat af døde akvatiske plante sagen (detrital), kendt for at indeholde høje P koncentration16. Lav bulk-tæthed observeret i de suspenderede partikler er direkte relateret til højere OM indholdet.
Figur 4: Bulk tæthed (g cm-3), organisk stof (%) og total fosfor koncentrationen (mg kg-1) af partikler indsamlet fra gården kanaler. Fejllinjer svarer til en standardafvigelse. Modificeret fra Bhadha et al. 16 venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Autosamplers til drænvand partikler samling blev placeret i nærheden af den spændende pumpe station dataloggers. Magt blev leveret af 12 V-batterier, der er opkrævet af solpaneler. Autosamplers blev kontrolleret af den på ejendommen dataloggers, som tændes når exit pumperne løb, og slukket da pumpning stoppede autosamplers. Åbninger af sampler indtag linjer var placeret 0,5 m over kanalen bunden og upflow fra pumpestation. Indtag linjer blev holdt på plads ved at installere en metal armeringsjern i kanalen bunden og zip binde linjen indtagelse at armeringsjern. Prøver af 2 L blev indsamlet i den 200 L afregning tanke hver 3 min. prøver blev indsamlet dagligt. I feltet, blev fleste af stikprøven vand fjernet fra trommer ved hjælp af en bærbar vakuumpumpen. Den bosat vand/sediment blev derefter placeret i 26 L spande med låg og vendte tilbage til forskningsstation hvor de blev placeret i køleskabe. Den følgende dag, blev ekstra vand fjernet ved hjælp af laboratoriet suction pumper.
Det er vigtigt, når opsugning partikler for at undgå fjernelse af suspenderede partikler så meget som muligt. At gøre det, tilføje en pipette spids til enden af slangen og være omhyggelig med at holde spids i nærheden af vandoverfladen. Det er normalt at have overskydende vand tilbage i stikprøven ved lagring. At kende vandindhold vil mulighed for tørvægt svarer estimering af prøven, og holde målinger af alle containere med og uden prøve og extractants vil bidrage til spore nøjagtigheden af forsøgsmetoden.
Nyhed ved at bruge denne procedure til at indsamle drænvand er, at det tillader en at fange flow-vægtede decharge vand i modsætning til grab prøveudtagning. En flow-vægtede vandprøve er mere repræsentativ for en begivenhed, fordi det er en sammensat prøve af talrige delprøver over tid; en grab prøve er blot en enkelt prøve, der ikke muligvis er repræsentative for hele dræning begivenhed. Flow-vægtede prøveudtagningsmetode, der er beskrevet i denne undersøgelse arbejder for at indsamle diskrete dræning begivenheder, fordi man kan programmere auto sampler der passer til deres ønskede mål. For eksempel kan være programed auto sampler at indsamle 30 mL delstikprøve vand for hver time, pumpen kører. Eller flow-vægtede vand stikprøven kan være programmerede til at indsamle 30 mL delprøve af vand efter en konstant incremental volumen af decharge passerer sampler. Hver flow-vægtede prøve antages for at repræsentere den gennemsnitlige forurenende koncentration for den samlede trinvise mængde vand som det svarer. Denne metode gør det muligt for os at præcist at måle indholdet af forurenende stoffer, selv hvis koncentrationerne var at ændre uregelmæssigt. Fordelen ved flow-vægtede prøver er, at summen af belastninger beregninger er forenklet og formodes at være mere præcis, fordi decharge volumen er konstant for hver enkelt repraesentativ proeve. En anden tilføjede fordelen ved denne metode er, at det bevarer den daglige flow-vægtede vandprøve ved 4 ° C i kølet betingelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Der er ingen oplysninger, der er forbundet med denne undersøgelse.
Acknowledgments
Vi vil gerne takke Pablo Vital og Johnny Mosley hjælp til feltet prøveudtagning, og Viviana Nadal og Irina Ognevich til hjælp med laboratorieanalyser.
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).
