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Environment

春季池塘连续水文水质监测

doi: 10.3791/56466 Published: November 13, 2017

Summary

了解春季池塘提供的生态系统服务和过程以及人为活动对它们提供这些服务的能力的影响, 需要进行密集的水文监测。该抽样协议使用了原位监测设备, 目的是了解人为活动对水位和质量的影响。

Abstract

春季池塘, 也称为春季池, 提供关键的生态系统服务和栖息地的各种威胁和濒危物种。然而, 他们是容易被了解和理解的风景的易受伤害的部分。土地使用和管理的做法, 以及气候变化被认为是对全球两栖动物下降的贡献。然而, 需要更多的研究来了解这些影响的程度。在这里, 我们提出的方法来描述一个春季池塘的形态学和详细的监测站, 可用于收集水的数量和质量数据在一个春季池塘的 hydroperiod。我们提供的方法, 如何进行野外调查, 以表征的形态学和发展阶段存储曲线的春季池塘。此外, 我们提供的方法, 以监测的水位, 温度, pH 值, oxidation-reduction 电位, 溶解氧, 和电导率的水在一个春季池塘, 以及监测降雨数据。这些信息可用于更好地量化春季池塘提供的生态系统服务以及人类活动对它们提供这些服务的能力的影响。

Introduction

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春季池塘是暂时的, 浅的湿地, 通常包含从秋季到春季的水, 并经常在夏季干燥。春季池塘的淹没期, 一般称为 hydroperiod, 主要受降水和蒸散的控制1

春季池塘也可称为春季池, 短暂池塘, 临时池塘, 季节性池塘, 和地理位置偏僻的湿地2。在美国东北部, 春季池塘最常见的特点是它们为两栖动物提供的关键栖息地, 在早期生命阶段 (、蝌蚪) 和蜕变过程中作为繁殖的依据和提供支持。在加利福尼亚州, 春季池塘的特点是独特的植被和濒危植物物种, 它们支持2

由于土地利用和气候变化, 这些栖息地受到越来越大的威胁, 而两栖动物种群在全球范围的下降主要是由于人类活动3,4。由于污染引起的水质问题也被认为是最近两栖动物在全球范围内下降的原因5。此外, 最近的研究表明, 栖息在人类废水中的春季池塘中的青蛙的性特性增加了6。因此, 有必要对自然和受影响的春季池塘进行更深入的监测, 以便更好地了解全球两栖动物下降的贡献者。

需要测量和监测的春季池塘的物理参数包括池塘形态和水位。形态学是池塘的几何形状, 是通过进行调查来确定池塘海拔的变化而开发的。然后利用测量数据建立一个阶段存储曲线, 使池塘的体积能够根据水位测量来估计。由于春季池塘的水位受到降水的严重影响, 应在高时间分辨率下进行测量, 以便最好地理解短 (, 按分钟到小时的顺序) 和长期波动 (,按数月至数年的顺序) 在水位。

已知影响春季池塘功能的水质参数包括温度、pH 值、电导率、溶解氧水平和 oxidation-reduction 电位。这些参数都可以通过相对便宜的技术和传感器网络原位进行测量。一些水质量参数的利益, 如一些营养物种 (, 总凯氏氮) 和其他污染物 (, 新出现的污染物) 需要收集样品, 并带到实验室进行处理和分析.

影响春季池塘的能力的关键参数, 作为适当的栖息地繁殖两栖动物和早期发育阶段的蝌蚪包括水位, pH 值和溶解氧浓度。与位于相对原始景观中的春季池塘相比, 由于人为的影响, 在春季池塘中记录了电导率高、pH 值、溶解氧浓度降低和高营养浓度。活动2,7。减少或厌氧条件可能发生在这些生境, 特别是那些受到人为活动的影响。这可能导致微生物群落的转变, 改变池塘内的养分循环, 并可能减少内分泌干扰物和其他污染物的降解8,9

本文的目的是为如何建立一个监测站, 以监测一个春季池塘水量和质量的信息。这种方法可以应用到任何一个春季池塘, 但需要访问的网站 (, 该网站必须在公共财产或拥有土地所有者许可安装设备)。

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Protocol

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1. 进行春季池塘形态学调查

  1. 选择指定为基准的位置, 并将其标记为小型调查或标记标志.
    注意: 位置应该是一个更高的海拔比池塘和有视线从所有地点横跨池塘.
  2. 将基准值指定为参照仰角; 确切的数字并不重要, 它只是提供了一个参照, 可以对所有其他高程进行比较.
  3. 使用卷尺和标记标志, 使样位于池塘区域的3米间隔处, 导致 3 m x 3 m 网格 (请参见 图 1 中的示例).
  4. 用自动电平测量水平标尺上的高度,
  5. 确定池塘底部 (即 , 地面) 沿每条横断面的海拔3米。确保型材延伸至池塘两侧的最高海拔.
  6. 在每个样条的末尾, 对基准进行后, 并记录海拔.
  7. 确定测量误差为基准和 #39 的分配高程之间的差异 (, 在步骤1.2 中分配的参考值) 和从剖面线上最远位置测量的高程.
  8. 计算配置文件的关闭允许的错误 (ae) 为 ae = K (2 * M ) 0.5 , 其中 K 是介于0.001 和1之间的常量, 而 M 是基准和最遥远位置之间的距离 (以英里为间隔)配置文件.
    注意: K 的值取决于调查所需的准确性, 在这种情况下, 可以采用 0.1 10 .
  9. 将步骤1.6 中计算的测量误差与步骤1.7 中计算的 AE 进行比较。如果测量误差大于 AE, 则对该样条重做配置文件调配 (步骤1.3 和 1.4)。如果测量误差小于 AE, 那么该断面的剖面调配就完成了, 对下一条横断面进行剖面调配.
  10. 重复步骤1.4 到 1.8, 以在另一个方向的池塘中的3米间隔进行轮廓调配, 以创建已知海拔的网格 (请参见图 1 ) 中的配置文件样的示例.
  11. 为池塘开发一个阶段存储曲线一旦海拔 (关于基准) 是已知的横跨 3 m x 3 m 网格勘测横跨池塘.
    注: 可以使用较大的间隔时间, 但在确定水位与池塘容积之间的关系时, 可能会增加误差.

2。确定春季池塘和 #39; s 阶段存储曲线

注意: 每个春季池塘将有一个独特的关系, 水位和水量在池塘。这种关系称为阶段存储曲线.

  1. 使用1节中收集的高程数据, 确定池塘中最高和最低的海拔.
  2. 确定最高和最低海拔之间的差异, 并选择要绘制等高线的间隔; 建议使用0.1 到 0.2 m 的等高线间隔 11 .
  3. 计算每个轮廓的曲面区域 ( i )。这可以通过手工使用 planimeter 或电子使用地理信息软件 (GIS) 来完成.
  4. 使用平均端区域方法计算每个轮廓间隔之间的音量 ( V i ):
    Equation 1
    其中 E 是等高线高程 .
  5. 计算春季池塘的总卷 ( V P ), 将其作为每个等高线间隔之间的体积总和:
    Equation 2
    注意: 这里的 H 是池的最大深度。 表 1 中给出了一个示例.
  6. 通过将池塘的累计容积绘制为深度函数来确定池塘的阶段存储关系。
    1. 在安装水位传感器后, 使用水位作为 #34; 阶段和 #34; 估计池塘里的水量或储存量.
      注意: 阶段存储曲线的示例如 图 2 所示。如果水位传感器安装在春季池塘的最低点以上, 则需要一个偏移量将测量水位转换为阶段存储曲线 (将步骤3.3 中的偏移量添加到水位传感器记录的水位中, 以确定 st年龄).

3。安装监视站

注意: 这项研究的感兴趣参数传感器包括压力传感器 (测量水位和温度)、溶解氧浓度、oxidation-reduction电位、电导率、pH 值和翻斗雨量计。pH 探头、溶解氧传感器和 oxidation-reduction 探头必须在实验室中根据传感器和 #39 的用户手册进行校准。在这里, 一个中央记录 (编程以15分钟的间隔记录数据) 被选中, 所有的传感器都在部署过程中连接在一起。一个可行的替代方案是, 每个传感器都是自主的, 不需要一个中央记录, 因为每个传感器都将记录自己的数据.

  1. 将每个传感器 (除雨量计) 附加到煤渣块或木桩上 ( 图 3 )。使用软管夹或拉链连接, 以确保传感器保持接近底部的春季池塘 (或深度的兴趣)。
    1. 附加溶解氧传感器, 使其处于一个角度 (按制造商的指示), 以允许氧气漫过膜。安装压力传感器直立, 因为它将测量的压力是它上面的水柱, 并且水位应该以垂直的方式记录.
  2. 将装入的传感器安装在位于池塘中心的位置, 在研究期间不太可能变干.
  3. 使用标尺或测量设备确定传感器和池中最低点之间的垂直距离。记录此距离用于开发步骤2.6 中所述的阶段存储曲线 (, 在将压力传感器测量的深度与池中的总水深进行关联时, 可能需要偏移量).
  4. 当它们可以被淹没在水中时, 传感器导线易受老鼠或其他动物的影响, 当水位较低时, 它们可能会咀嚼它们, 以防这种使用 apolyvinyl 氯管保护传感器电线 (可选, 但建议)。通过 PVC 管道 (3 米长, 6.35 厘米直径) 运行传感器导线到春季池塘的边缘, 如 图 4 所示.
    注意: 对于临时安装 (例如 , 几个星期到几个月), PVC 管道可能被认为是不必要的.
  5. 设置三脚架并将其插入到每个行程中, 将其安装到地面上腿部.
    注: 一些高大的三脚架可能有避雷针, 也需要安装。
    1. 将三脚架放在靠近春季池塘边缘的位置, 以确保即使池塘里充满了水, 它也可以访问.
  6. 将记录和电池 (12 V) 的机箱盒连接到三脚架上, 将太阳能电池板上方的空间放在三脚架上方, 使其安装在机箱上方 ( 图 4 ) 上.
  7. 将 10 W 太阳能电池板连接到三脚架的顶部, 并将其朝向太阳。如果需要, 可以使用太阳能角度计算器 12 来确定安装面板的最佳角度.
  8. 如果有空间, 请将雨量计附加到三脚架上。否则, 将其附加到靠近池塘边缘和三脚架的木桩或金属杆 ( 图 4 )。确保 (如果可能的话) 雨量计有树木覆盖, 大约代表池塘的树盖 (如果有的话).
  9. 将所有传感器和太阳能电池板线通过盒子底部的孔带入机箱中.
  10. 将所有传感器连接到记录和 #39 的接线板, 按照传感器和 #39; 指示或记录和 #39 的接线图。请参见 图 5A 中的示例.
  11. 将太阳能电池板线连接至12V 电池以充电电池 ( 图 5B ).
    注: 选择一个也有电压调节器 (推荐) 的电池, 以确保电池不会收到太多的太阳能电池板的电力.
  12. 将电池连接到记录上的电源输入面板 ( 图 5B ), 以便为记录和传感器提供电源.
  13. 将干燥剂包放入机箱中, 以减少记录的湿气损坏的可能性.
  14. 推荐的但可选: 使用串行电缆 ( 图 5B ) 将现场便携式计算机与记录通信软件连接到记录, 以确保传感器网络工作正常.
  15. 关闭机箱框, 并将粘土放置在机箱底部的孔周围, 在该框中, 电线进入, 使昆虫和水远离盒子。如果设备有安全问题, 请用挂锁将机箱盒固定.

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Representative Results

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春季池塘可以表现出广泛的形态, 从凸到直坡到凹的轮廓范围。在宾夕法尼亚州中部的一个春季池塘的形态学示例显示在图 1中, 以及该池的阶段存储曲线的结果 (图 2,表 1)。最大池塘深度不是表面积的一个强的指示, 因为 hydroperiod 有仅一个微弱的相关与池塘形态学12。因此, 了解降水、蒸散和地下水流 (进出池塘) 的贡献是决定春季池塘水文的重要因素。

鉴于春季池塘对两栖育种的重要性, 本议定书所述的监测研究是从4月中旬至6月中旬, 在美国东北部的木蛙 (蛙 sylvatica) 繁殖和蜕变期间进行的。美国.为分析选择的三个春季池塘位于宾夕法尼亚州立大学的生活过滤器, 这是一个〜2.4 公里2的网站, 是喷水灌溉与大学的处理废水。安装的监视站设备显示在图 4中。因此, 由于自然降雨和废水灌溉事件 (图 6), 在池塘中测量的水位变化会增加。对大多数春季池塘来说, 水位预计会减少, 主要是地下水流量、蒸散量和降雨量。因此, 在图 6中显示的结果可能不是受人为水输入影响的站点的典型。

为三研究站点的温度、pH 值、溶解氧浓度、oxidation-reduction 电位和电导率收集的数据显示在图 7中.重要的是要注意, 各种传感器需要每周校准, 以确保数据是准确的。对于传感器的用户手册中的建议应遵循, pH 值, 溶解氧, 和通常需要每周维护或校准。一般而言, 在研究期间 (从4月中旬到6月中旬), 池塘的温度增加了, 对流出的灌溉事件的反应温度普遍下降。ph 值在研究期间的多数是相对地一致的, 在6和8之间, 是相似的 ph 值在自然和春天池塘受废水灌溉活动的影响13。在研究期间, 池塘的电导率增加了, 这可能是由于废水的电导率较高 (约1毫秒/厘米), 而雨水与14相比。

溶解氧浓度和 oxidation-reduction 电位一般遵循类似的趋势, 如预期的那样, 在研究开始的时候有较高的值, 并且从五月初的低值递减到相对一致的学习期。已知的溶解氧与温度成反比关系, 在研究期间 (春季至初夏), 观察到池塘表层有大量的浮萍, 可能会限制氧气在大气中的分配。入池塘。另外, 测量在池塘的底部附近被做了, 因此条件可能是不同的在池塘的表面附近。在这项研究中, 对池塘底部附近的蝌蚪的接触是有兴趣的。传感器在池塘的位置可能会影响水质测量, 因此传感器应该安装在池塘中的方式, 表示利益的条件。

Figure 1
图 1:示例春季池塘的形态学.通过对宾夕法尼亚州中部一个春季池塘进行剖面水准测量来确定。轮廓线以0.1 米的间隔给出。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 美国宾夕法尼亚中部一个春季池塘的舞台存储曲线示例.池塘水位是用来估计在宾夕法尼亚州中部的一个春季池塘的水量累积量。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 安装传感器以进行部署.在视图 (a) 和 (B) 中显示的传感器包括 (a) 溶解氧传感器、(B) 电导探针、(c) 压力传感器、(d) pH 探针和 (e) oxidation-reduction 探头。压力传感器应安装直立, 准确测量水位。溶解氧传感器应安装在一个角度, 使氧气在传感器的细胞膜上适当扩散, 并防止气泡形成内部传感器。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 在美国宾夕法尼亚中部的春季池塘部署监测站。(a)侧面图, 显示 (a) 雨量计, (b) 记录箱, (c) 太阳能电池板, (d) 三脚架, 和 (e) 传感器电线进入池塘。(B)前视图, 记录机箱打开, 显示连接到 (f) 记录的 (e) 传感器与机箱内的 (g) 电池和靠近池塘的 (h) 自动取样器。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 5
图 5: (a) 接线图和 (B) 连接到记录的传感器电线.在示例接线图中显示的传感器有: (a) 雨量计, (b) 压力传感器, (c) 溶解氧传感器, (d) oxidation-reduction 探针, (e) pH 探针, (f) 电导率传感器。在机箱中, 传感器电线显示连接到 (g) 记录。太阳能电池板与 (i) 电池上的 (h) 电压调节器相连, 然后从电池上的 (j) 电源输出连接到记录上的 (k) 电源输入。计算机可以使用 (l) 串行电缆连接到记录。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 美国宾夕法尼亚中部三春季池塘 (a、B、C) 收集的水文数据.雨水和污水灌溉 (输入) 的总和t 到达每个春天池塘显示横跨每个图的顶端 (次要 y-axis)。在主 y-axis 上显示了相应的水位变化。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: 三春季池塘 (vp 1, vp 2 和 vp 3) 的物理和化学性质在美国宾夕法尼亚中部的 real-time 测量.real-time 的测量参数为温度、pH 值、电导率、溶解氧浓度和 oxidation-reduction 电位。请单击此处查看此图的较大版本.

池塘深度 (m) 区域 (m2) 平均面积 (m2) 等高线间隔 (m) 卷中的更改 (m3) 累计卷 (m3)
0.00 0.00 0.00
6.10 0.10 0.61
0.10 12.19 0.61
24.91 0.10 2.49
0.20 37.62 3.10
58.60 0.10 5.86
0.30 79.58 8.96
72.39 0.10 7.24
0.40 65.20 16.20
75.65 0.10 7.57
0.50 86.11 23.76
118.91 0.10 11.89
0.60 151.71 35.65

表 1: 阶段存储曲线开发的平均结束面积方法计算.对 0.1 m 的等高线间隔进行了计算。形态学显示在图 1中, 舞台存储曲线显示在图 2中。

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Discussion

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关于现有方法的意义

虽然对溪流的监测具有美国地质调查局制定的行之有效的方法, 但没有这样广泛的监测程序来了解春季池塘的动态。本议定书旨在为如何开始在春季池塘站进行水文和水质监测研究提供指导, 目的是了解在某一特定地点随着时间的推移, 物理和化学因素可能发生的变化。

技术的局限

如所述, 所收集的监测数据可能不代表整个池塘。水质参数, 特别是溶解氧和 oxidation-reduction 电位在池塘内不可能是均匀的。多个传感器分布在池塘和不同的深度可能需要充分表征物理和化学参数的兴趣, 可能会变化的功能的深度。

原位监测数据可能不足以了解春季池塘的水质数据。收集抓取样品, 无论是手工或与自动取样设备可能提供宝贵的洞察力, 更广泛的水质。这些样品可以被带回一个分析实验室, 以便对一系列水质参数进行分析, 包括营养、杀虫剂、药品和新出现的环境关注的其他污染物。根据春季池塘的位置, 盐和除冰剂可能是一个问题, 如果池塘接受径流从附近的道路15。然而, 使用抓取抽样方法收集的样本只为特定的时间点提供数据, 而且浓度很可能随着时间的推移而变化, 特别是对引起地表径流的融雪或降雨事件的反应。因此, 为了更透彻地了解水质参数的时间变化, 应进行取样, 以捕捉可能导致浓度变化的事件。

对议定书的修改

为水文和水质监测站的设计提供了各种选择。协议3节中描述的传感器不是自主的, 这意味着它们必须连接到外部记录才能记录和下载数据。各种自主传感器确实存在, 特别是在水位和水温方面。为这个应用程序选择的特定水位传感器有一个排气管, 使传感器补偿空气压力, 因此, 它不需要额外的传感器以外的水。一些低成本的原位传感器也可用于各种物理和化学参数, 超出了此处描述的范围, 包括多种溶解离子 (如: 如、硝酸盐、亚硝酸盐、氨、钠)。

此外, 它可能是可取的收集测量在不同的深度, 在春季池塘或在不同的地点, 横跨池塘。一些可能因深度而异的参数是温度、溶解氧和 oxidation-reduction 电位。可以通过将复制传感器添加到监视网络来对该协议进行修改, 以检查跨空间样 (例如、每隔几个米的池塘) 或垂直于水柱 (如如, 每隔几百厘米在水剖面内)。对于这些应用, 有一个记录记录所有日期从传感器网络将是可取的许多自主的传感器, 需要从每个单独的传感器下载, 而不是从一个中心位置在春季池塘。

未来应用

本协议中描述的设置的优点是, 任何感兴趣的变量都可以用来通过连接可从记录到自动采样器 (例如、分类) 的通信电缆来触发自动取样器。数据采集使用类似于 C 的编程语言, 使新的取样技术能够被采用。例如, 瘿et al.16,17使用实时收集的流数据来预测风暴线和适当的空间流节奏样本, 从而产生了一种新的特定于风暴的取样协议, 它可以在小和大范围内充分间隔样本线.利用本协议中收集到的数据进行取样的示例可以使用水位测量来收集在降雨事件之后的样本, 从而导致水位显著增加, 或者在其他极端情况下, 在当春季池塘可能迅速失去水分的干旱时期。

另一个未来的应用可能是开发一个 real-time 监测网络的春季池塘在一个研究领域的利益。例如, 可以选择跨越人类撞击梯度的春季池塘, 每个池塘都装有相同数量的水量和质量传感器。然后, 这些工作站可以通过单元调制解调器或无线网络相互通信, 使数据能够远程访问, 并实时向研究人员提供数据。

鉴于全球两栖类的衰落以及春季池塘作为繁殖和蜕变的栖息地的重要性, 本议定书力图解决在人类影响梯度上缺乏连续的春季池塘监测数据的问题。利用这些春季池塘的两栖动物可以展示站点保真度18,19,20, 这意味着它们将在每年的同一站点 (或相对较小的距离内) 返回繁殖。因此, 了解这些重要的繁殖生境的动态, 并利用这些知识来告知有关短暂湿地的政策, 对它们的生存至关重要。了解春季池塘的水文和生物地球化学循环是至关重要的, 以便更好地制定恢复退化生境和保护现有生境的政策。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者想感谢宾夕法尼亚州立大学物理工厂的资金支持这项研究。此外, 我们要感谢 Drs. 伊丽莎白 w ·博耶, 大卫. 米勒和 Langkilde 在宾夕法尼亚州立大学的合作支持这个项目。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CR1000 Campbell Scientific 16130-23 Measurement and Control Datalogger
ENC12/14-SC-MM Campbell Scientific 30707-88 Weatherproof Enclosure Box (12" x 14")
CS451-L Campbell Scientific 28790-82 Pressure Transducer
CM305-PS Campbell Scientific 20570-3 47" Mounting Pole (Tripod)
TE525-L Texas Electronics 7085-111 Tipping Bucket Rain Gauage (0.01 inch)
CS511-L Campbell Scientific 26995-41 Dissolved Oxygen Sensor
SP10 Campbell Scientific 5278 10 W Solar Panel
PS150-SW Campbell Scientific 29293-1 12 V Power Supply with Voltage Regulator & 7 Ah Rechargeable Battery
CSIM11-ORP Wedgewood Analytical 22120-72 Oxidation-reduction potential probe
CSIM11-L Wedgewood Analytical 22119-151 pH probe
CS547A-L Campbell Scientific 16725-229 Water conductivity probe
A547 Campbell Scientific 12323 CS547(A) Conductivity Interface
CST/berger SAL 'N' Series Automatic Level Package CST/berger 55-SLVP32D Automatic Survey Level, Tripod, and 8' survey rod

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References

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春季池塘连续水文水质监测
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Cite this Article

Mina, O., Gall, H. E., Chandler, J. W., Harper, J., Taylor, M. Continuous Hydrologic and Water Quality Monitoring of Vernal Ponds. J. Vis. Exp. (129), e56466, doi:10.3791/56466 (2017).More

Mina, O., Gall, H. E., Chandler, J. W., Harper, J., Taylor, M. Continuous Hydrologic and Water Quality Monitoring of Vernal Ponds. J. Vis. Exp. (129), e56466, doi:10.3791/56466 (2017).

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