Summary
Voedingsstoffen in zwevende vorm aanwezig kunnen aanzienlijk bijdragen tot de algehele ladingen in de wateren van de agrarische drainage. Deze studie beschrijft een nieuwe methode om vast te leggen van water stroom-gewogen en zwevende deeltjes van boerderij kanaal drainage gedurende de gehele looptijd van de drainage-gebeurtenis.
Abstract
Het doel van deze studie is om te beschrijven de methoden gebruikt voor het vastleggen van water stroom-gewogen en zwevende deeltjes uit boerderij grachten tijdens drainage kwijting gebeurtenissen. Boerderij kanalen kunnen worden verrijkt door voedingsstoffen zoals fosfor (P) die vatbaar voor vervoer zijn. Fosfor in de vorm van zwevende deeltjes kan aanzienlijk bijdragen aan de algehele P ladingen in drainwater. Een beslechting tank experiment werd uitgevoerd om zwevende deeltjes te vangen tijdens discrete drainage evenementen. Boerderij kanaalwater geen kwijting werd verzameld in een serie van twee 200 L beslechting tanks gedurende de gehele looptijd van de drainage-gebeurtenis, zodat het vertegenwoordigen van een samengestelde deelsteekproef van het water wordt geloosd. Imhoff beslechting kegels worden uiteindelijk gebruikt voor het regelen van de zwevende deeltjes. Dit wordt bereikt door hevelwerking water uit de beslechting tanks via de kegels. De deeltjes worden vervolgens verzameld voor fysisch-chemische analyses.
Introduction
De lot en vervoer van zwevende deeltjes het onderwerp geweest van talrijke studies vanwege haar rol in eutrofiëring, met name in landbouwsystemen1,2. Een uitgebreide evaluatie van voedingsstoffen opgenomen in zwevende deeltjes binnen een aquatisch systeem is nodig om onderzoeken van talrijke milieukwesties, zoals de interne fietsen van voedingsstoffen en vrijgeven aan de bovenliggende water kolom3, de stabiliteit van de ondergrond, lichte beschikbaarheid binnen de waterkolom, en uiteindelijk de water kwaliteit zorgen naar stroomafwaartse ecosystemen4. De hoeveelheid fosfor (P) opgeslagen in de zwevende vorm (organisch materiaal of sedimenten) is meestal groter dan in het water kolom5. Een studie uitgevoerd door Kenney et al. 6 toonde dat recente sedimenten die in Lake Lochloosa, Florida afgezet tussen de leeftijd van 1900 en 2006 werden. Deze jongere sedimenten bevatte bijna 55 keer meer P dan dat die aanwezig in de waterkolom was. Een benadering te karakteriseren van de mogelijke gevolgen die deeltjes op een bepaald systeem hebben kunnen is om het voeren van een kwantitatieve inventaris van fosfor opgeslagen in sediment tijdens evenementen van de riolering wordt geloosd. Verzameling en analyse van deze ontladen deeltjes kunnen helpen schatten downstream nutriënten verrijking effecten op gevoelige ecosystemen.
Storm gebeurtenissen meestal vertegenwoordigen een kleine fractie van de tijd, maar de meerderheid van P belasting kwijting in boerderij drainage kunnen bijdragen. Dit is omdat om te verhinderen dat velden overstromingen, een grote hoeveelheid water wordt afgevoerd gedurende een korte periode van tijd. Neerslag intensiteit en stroom tarieven zijn van vitaal belang drijvende factoren die de concentratie van sedimenten in overland afvoer7kunnen beheren. Ontwerpen controlemethoden die stroom-gewogen samengestelde watermonsters vangt zou helpen voorkomen van fouten die zijn gekoppeld aan complexe, hoge intensiteit regen gebeurtenissen. Tijdens hoge kwijting gebeurtenissen zoals stormen, de snelle en drastische veranderingen in concentraties mogelijk niet representatief voor de concentratie van de gemiddelde verontreinigingen voor de incrementele volume. Stroom-gewogen watermonsters vertegenwoordigt dus veel nauwkeuriger de concentratie van een geen kwijting evenement, aangezien er een sommatie van lasten over een periode van tijd8. De meest voorkomende stroom-gewogen steekproeven zijn automatisch verzamelde discrete of samengestelde monsters. Door het vastleggen van de geëxporteerde zwevende deeltjes van boerderij drainage tijdens de geen kwijting laat ons toe om het kwantificeren van de ernst van de gebeurtenis bij het laden van de P. De methode beschreven in deze studie helpt vangt de deeltjes die later kunnen worden gekarakteriseerd voor verschillende fysische en chemische eigenschappen. De nieuwigheid van bemonstering drainage kwijting volgens een continu samengestelde waardemethode versus grab bemonstering is dat er een betere vertegenwoordiging van veldomstandigheden gedurende de gehele looptijd van de drainage-gebeurtenis. Overwegende dat, met het pak bemonstering is een "momentopname" in de tijd en kan niet volledig vertegenwoordigen het effect van het gehele evenement.
De Everglades landbouw gebied (EAA) in Zuid-Florida, USA is een grote uitgestrektheid van de oorspronkelijke Everglades die was kbpskanalen en afgevoerd voor landbouw, commerciële en residentiële ontwikkeling. Bijna wordt 1.100 miljoen m3 water geloosd jaarlijks vanuit en via de EAA in het zuiden en zuidoosten9. Bodems in de EAA zijn Histosols die typebibliotheken bevatten meer dan 85% organische stof gewichtspercenten en hebben minder dan 35% minerale inhoud10. Kanaal sedimenten hebben meestal lage bulkdichtheid (tussen 0,14 g cm-3 aan 0,35 g cm-3), gehalte aan hoge organisch materiaal (tussen 31-35%) en totale P (TP) waarden variërend tussen 726-1,089 mg kg-1 11.
Met het oog op deze demonstratie vormt en werd een boerderij binnen de EAA geselecteerd. De hydroscape van hoe water binnen de EAA stroomt hangt af van pompen en zwaartekracht. Elke boerderij in de EAA omvat op ten minste één van de belangrijkste kanaal, en meerdere veld sloten. Het veld sloten uitvoeren loodrecht naar de belangrijkste kanaal. De pompen doorgaans dienen een tweeledig doel; ze leveren irrigatie water naar de boerderij, en ook kwijting drainwater off-site. Wanneer de velden worden afgetapt moeten, water in het belangrijkste kanaal wordt verlaagd, en water uit het veld uitmondt in de sloten, gedreven door een hydraulische verloop. Als gevolg van slechts een lichte helling in de meeste van de oppervlakte van de regenval die op de velden stroomt door het bodemprofiel in doorvoer op het gebied voorkomt sloten. Tijdens de irrigatie, wordt het systeem omgekeerd. Er is geen netwerk van Tegel afwatering in de EAA. De grondwaterspiegel wordt onderhouden op een bepaalde hoogte te wijten aan een beperken laag van kalksteen bedrock ondergeschikte de bodems. Water wordt gebracht door de belangrijkste grachten; veld sloten zijn gevuld, en water is toegestaan te sijpelen in het bodemprofiel te verhogen van de watertafel niveaus in de velden. Meestal optreden vraag naar irrigatiewater in de EAA tijdens maart, April en mei (droge seizoen), met zeer weinig drainage kwijting. De hoeveelheid water wordt geloosd tussen juni en oktober (regentijd) is daarentegen aanzienlijk hoger. De aanwezigheid van kanaal bank berms en sloten maakt minimale oppervlakte afvoer als een potentiële bron van P laden in boerderij12 reien.
In dit visuele experiment presenteren wij een nieuwe methode voor het vastleggen van zwevende deeltjes stroom-gewogen tijdens drainage gebeurtenissen die later kunnen worden gebruikt voor fysisch-chemische karakterisering zoals bulkdichtheid, gehalte aan organisch materiaal en P fractionering13 ,14.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Datalogger installatie en werking
- een studie boerderij identificeren en installeer een datalogger die als trigger een autosampler fungeert voor het verzamelen van monsters van de samengestelde stroom op een proportionele grondslag van stroom, waarvoor toezicht op kanaal niveaus, hoofd omwentelingen van de pomp en pomp kalibratie vergelijking.
Figuur 1: ISCO sampler gewend programma auto-sampling procedures voor de samengestelde drainwater en de deeltjes water bemonstering. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- bewaken het boerderij kanaal niveaus met behulp van druk transducers geïnstalleerd in de instroom en uitstroom grachten grenzend aan de pomp station.
- Monitor pomp snelheid met behulp van naderingsschakelaars die zijn geïnstalleerd op de hoofden van de pomp; snelheid is opgenomen door de datalogger in rotaties per minuut (rpm).
Opmerking: Naderingsschakelaars zijn stukken metaal die toen gepasseerd elkaar tellen het aantal RPM's. Zij zijn gelast op de pomp hoofden. - Maatregel regenval met een tipping bucket regenmeter die is verbonden met de datalogger.
Opmerking: De datalogger communiceert door radio telemetrie op een basis radiostation gelegen bij UF/IFAS Everglades Research and Education Center. Telemetrie is niet nodig voor het beheersen van sample collectie, alleen voor gegevensverzameling en -opslag.
2. Drainage Watermonstername Flow-gewogen
- berekenen drainage stroom met behulp van een datalogger en een pomp kalibratie vergelijking voor elke pomp. Drainage stroom-gewogen bemonstering wordt bereikt door een autosampler die in werking wordt gesteld door de datalogger nadat een drainage reactievolume wordt bereikt.
Opmerking: De pomp snelheid en stroom tarieven verschillen meer dan 24u. De ISCO-bemonstering wordt geactiveerd door de hoeveelheid water geloosd, niet het tarief. De autosampler is geprogrammeerd om een sub monster verzameld nadat een vaste hoeveelheid water lozen. De hoeveelheid water kwijting is gekalibreerd op basis van het aantal pomp rpms. - Verzamelen een samengestelde watermonster (minimum 500 mL) met behulp van een in situ geautomatiseerde sampler gelegen aan de pomp station en het programma om een dagelijkse samengestelde watermonster vangen tijdens drainage gebeurtenissen.
Opmerking: De ISCO-sampler is gepluimde aan de collectie tanks met buis omgeleid via een datalogger die een monster 2 L elke 2 min tot 400 neemt L. - Programma monster hoeveelheden te voorzien in een maximum van 30 monsters per 24u kwijting periode.
- Programma de datalogger monsters te verzamelen samengestelde stroom door deze stappen te volgen: Voer programma → programma → Flow gebaseerd bemonstering → monster elke 1 pulsen → 30 samengestelde monsters → monstervolume van 130 mL → kalibreren Proeven van Volume [NO] → Geef starttijd [NO] → Program reeks compleet.
- De stroom-gewogen samengestelde monsters opslaan in een on-site koelkast bij 4 ° C tot inzameling en vervoer terug naar het laboratorium voor analyse in een koeler ijs gevulde.
- Analyseren de watermonsters voor oplosbare reactieve P binnen 24 uur vanaf het moment van sample collectie. Monsters voor analyse van de totale P (TP) gebruikt kunnen worden aangezuurde en opgeslagen bij 4 ° C voor maximaal 28 dagen 15.
3. Vastleggen van geschorst deeltjes
- een reeks van twee 200 L PVC beslechting tanks voor het verzamelen van boerderij kanaalwater geen kwijting over de duur van de periode van de afwatering te vangen en karakteriseren van de zwevende deeltjes.
- Programma de datalogger voor het verzamelen van zwevende deeltjes monsters door deze stappen te volgen: programma → tijd gebaseerd bemonstering → proeven elke 2 min → samengestelde monsters [200] → kalibreren monstervolume [NO] → Voer Start Time [NO] → Complete reeks → bemonstering drukknop.
- Stroom-gewogen drainwater in de tanks (2 L elke 2 min) van de instelling op basis van de hoeveelheid water over een periode van 24 uur verzameling verzamelen.
Figuur 2: twee 200 L tanks die worden gebruikt voor het verzamelen van drainwater. Zwevende deeltjes uit te vestigen op de bodem van de tank en wordt doorgegeven in vijf-gallon emmers. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- uit het overtollige water met behulp van slangen als deeltjes beginnen zich te vestigen in de tanks sifon.
- Overbrengen van de deeltjes in vijf-gallon emmers, vervoer ze terug naar laboratorium en plaats hen in een koelkast bij 4 ° C.
- Sifon uit het overtollige water na afwikkeling voor 24 h, en breng de deeltjes in Imhoff afwikkeling kegels.
- Na afwikkeling van gedurende ten minste 1 uur, sifon uit het overtollige water één laatste tijd voordat vaste deeltjes worden overgebracht in de vooraf gewogen 500 mL schroef-top potten voor opslag bij 4 ° C.
- Wegen potten met deeltjes monsters.
- Gaan met fosfor fractionering analyses zoals beschreven door Hedley en Stewart 14.
Figuur 3: Imhoff afwikkeling kegels gebruikt voor het verzamelen van de zwevende deeltjes gevangen in de beslechting tank. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De methode die is beschreven in deze studie laat ons water en zwevende deeltjes die tijdens het pompen van gebeurtenissen in boerderijen grachten is worden geloosd vastleggen. Het water en de deeltjes die zijn verzameld zijn stroom-gewogen, wat betekent dat ze representatief voor de gehele duur van de pompen gebeurtenis en niet slechts een eenmalige momentopname zijn; waardoor het zeer representatief voor het type materiaal worden geloosd. Het water en de zwevende deeltjes kunnen worden opgeslagen om te worden geanalyseerd voor verschillende fysische en chemische parameters. In dit artikel samengevat we enkele van de eigenschappen van de zwevende deeltjes van drie boerderijen reien binnen de EAA. Sommige van de fysisch-chemische analyses van de deeltjes suggereren dat zij zeer organische, met lage bulkdichtheid, en rijk aan voedingsstoffen als P 11 zijn. De bulkdichtheid van de deeltjes die varieerde van 0,08 g cm-3 naar 0.11 g cm-3. De organische stof samenstelling varieerde tussen 55-77%, en de concentraties van de TP varieerde van 2,173 mg kg-1 naar 2,548 mg kg-1 (Figuur 4). De kwaliteit van water en zwevende sedimenten in boerderij grachten zijn zeer representatief voor het bodemtype en omliggende bodemgebruik praktijken. Binnen de EAA de bodems zijn hoogst organische, > 50% organisch materiaal (OM), en dus is het niet verwonderlijk dat de zwevende deeltjes hoge OM. bevatten De deeltjes zijn ook samengesteld uit dode aquatische plantaardig materiaal (geërodeerde), bekend bevatten hoge P concentratie16. De bulkdichtheid van de lage waargenomen in de zwevende deeltjes is direct gerelateerd aan de hogere OM inhoud.
Figuur 4: Bulk dichtheid (g cm-3), gehalte aan organische stof (%) en totaal fosfor concentratie (mg kg-1) van de deeltjes verzameld uit de boerderij reien. Foutbalken komen overeen met de standaarddeviatie. Aangepast ten opzichte van Bhadha et al. 16 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De autosamplers voor drainwater deeltjes collectie werden geplaatst in de buurt van het afsluiten van de pomp station dataloggers. Power werd geleverd door 12 V batterijen die worden opgeladen door zonne-panelen. De autosamplers werden gecontroleerd door de on-site dataloggers, die de autosamplers ingeschakeld toen de afrit pompen liep, en ze uitgeschakeld wanneer gestopt met pompen. Openingen van de sampler inname lijnen werden de pomp station 0.5 m boven de bodem van het kanaal en upflow worden geplaatst. De inname lijnen waren op zijn plaats gehouden door het installeren van een metalen wapening in de bodem van het kanaal en zip koppelverkoop van de lijn van de inname aan de wapening. Monsters van 2 L werden verzameld in de 200 L afwikkeling tanks iedere 3 min. monsters werden dagelijks verzameld. In het veld, is de meerderheid van de bemonsterde water verwijderd uit de drums met behulp van een draagbare afzuigpomp. Het die water/sediment werd vervolgens geplaatst in 26 L emmers met deksels en keerde terug naar onderzoeksstation waar ze werden geplaatst in koelkasten. De volgende dag, werd extra water verwijderd met behulp van laboratorium Zuig pompen.
Het is belangrijk dat wanneer spoelen deeltjes Voorkom verwijderen deeltjes zo veel mogelijk geschorst. Om dit te doen, een pipet tip toevoegen aan het eind van de slang en wees voorzichtig om te houden van de tip in de buurt van het wateroppervlak. Het is normaal dat overtollig water links in de steekproef, wanneer u wilt opbergen. Te weten het vochtgehalte zal toestaan voor de gelijkwaardige schatting drooggewicht van het monster, en houden van metingen van alle containers met en zonder monster en extractants zal helpen bij het volgen van de nauwkeurigheid van de experimentele procedure.
De nieuwheid van het gebruik van deze procedure voor het verzamelen van drainwater is dat het mogelijk maakt een vast te leggen van de stroom-gewogen kwijting water in tegenstelling tot pak bemonstering. Een stroom-gewogen watermonster is meer representatief is voor een gebeurtenis, omdat het een mengmonster van talloze sub voorbeelden na verloop van tijd; Overwegende dat een monster schermafbeelding gewoon één sample die vertegenwoordiger van de gehele riolering gebeurtenis niet mag is. Stroom-gewogen bemonsteringsmethode die zijn beschreven in deze studie werkt voor het verzamelen van discrete drainage gebeurtenissen, omdat men de auto sampler aan hun gewenste doelen kunt programmeren. Bijvoorbeeld, kan de auto sampler worden geprogrammeerd om de sub monster 30 mL water verzameld voor elk uur dat de pomp draait. Of de stroom-gewogen watermonster kan worden geprogrammeerd om het verzamelen van de sub monster 30 mL water na een constante incrementele volume van kwijting de sampler passeert. Elk monster stroom-gewogen wordt uitgegaan van het vertegenwoordigen van de concentratie van de verontreinigingen van de gemiddelde voor de gehele incrementele hoeveelheid water waarmee het overeenkomt. Deze methode laat ons nauwkeurige meting van concentraties van de verontreinigende stof, zelfs als de concentraties waren onregelmatig wijzigen. Het voordeel van stroom-gewogen monsters is dat sommatie van lasten berekeningen worden vereenvoudigd en geacht te worden nauwkeuriger omdat het volume van de geen kwijting constant voor elke representatieve steekproef wordt. Een andere toegevoegde voordeel van deze methode is dat het de dagelijkse stroom-gewogen watermonster bij 4 ° C in gekoelde omstandigheden bewaart.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Er zijn geen vermeldingen die zijn gekoppeld aan deze studie.
Acknowledgments
Wij willen bedanken Pablo Vital en Johnny Mosley voor hulp bij veld de bemonstering, en Viviana Nadal en Irina Ognevich voor hulp bij laboratoriumanalyses.
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).
