Yöntem makalesi

Su kalite değerlendirmesi için laboratuar Microcosms fosfor serbest ölçme

DOI:

10.3791/60072

⸱

22 Temmuz 2019

 ,  , 
1United States Department of Agriculture, Agricultural Research Service (USDA-ARS), Institute for Environmentally Integrated Dairy Management, 2Department of Plant and Soil Science, University of Vermont

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Doymuş topraklarda ve sedimte fosfor (P) desorpsiyon potansiyelinin doğru ölçülmesi, P modelleme ve taşıma azaltma çabaları için önemlidir. In situ için daha iyi hesap için toprak-su redoks dinamikleri ve uzun süreli doygunluk altında P seferberlik, laboratuvar mikrocosms tekrarlanan örnekleme dayalı basit bir yaklaşım geliştirilmiştir.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Fosfor (P), su ortamlarında taşıma riskini azaltmak için dikkatli bir yönetim gerektiren agroecosystems 'da kritik bir sınırlama besin kaynağıdır. P biyoyararlanım rutin laboratuar önlemleri, oksitleyici koşullar altında kurutulmuş numuneler üzerinde gerçekleştirilen kimyasal ayıklamalar dayanmaktadır. Yararlı iken, bu testler uzun süreli su doygunluğu altında P serbest karakterizasyon ile ilgili sınırlıdır. Oksitlenmiş demir ve diğer metallere bağlı olan labil ortopedik, ortamları azaltarak P seferberlik riskinin yüzey akıntisi ve yeraltı suyuna artırılması için hızla solüsyona desorb edebilir. Uzatılmış doygunluk sırasında P desorpsiyon potansiyelinin ve mobilitesinin daha iyi ölçülmesi için, zaman içinde tekrarlanan porewater örneklemesi ve aşırı suya dayanan bir laboratuvar mikrocosm yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem, P serbest bırakma potansiyelini fizikokimyasal özelliklerde değişen topraklara ve sedimlere göre ölçmek için yararlıdır ve hidrolojik olarak aktif alanlarda P serbest bırakılması riskini daha iyi karakterize ederek siteye özel P azaltma çabalarını artırabilir. Yöntemin avantajları, situ dinamikleri, basitlik, düşük maliyetli ve esneklikte simüle etme yeteneğini içerir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Fosfor (P) hem bitki hem de su biyokütle verimliliği için kritik bir sınırlama besin kaynağıdır. Yüzey su hidroloji p kader ve taşıma ana sürücüsüdür, aynı zamanda hareket ve sel/ponding olaylar sırasında remobilizasyon potansiyeli etkileyen iken tortu ve P fiziksel taşıma kontrolleri gibi. Çeşitli laboratuar bazlı ekstraksiyon yöntemleri genellikle oksitleyici koşullarda alan ölçeğinde P salınımı tahmin etmek için kullanılır. Farklı mekanizmalar P serbest bırakılması için katkıda bulunurken, demir-fosfatların redüktif çözünme büyük ortopedik-P Cereyanlar su1,2,3yol açabilir iyi kurulan bir reaksiyon mekanizmasıdır 4' ü yapın. Sulak alanlarda P biogeochemistry kontrol mekanizmaları bir gözden geçirme, redoks durumu toprak ve sığ yeraltı5p serbest kontrol ana değişken olarak hipotez oldu. Bu nedenle, geleneksel p testleri uzun süreli doygunluk altında p salınımı güvenilir belirleyiciler olmayabilir.

P kaderi ve taşımacılığında su ikamet süresi ve redoks durumunun önemi göz önüne alındığında, situ koşullarında daha iyi simüle etmek üzere tasarlanmış laboratuvar yaklaşımlar, tarımsal ve sulak toprak ekosistemleri için geliştirilmiş P taşımacılık risk endekslerine yol açabilir değişken doygunluk. Ortopedik hemen biyokullanılabilir olduğundan, doygunluk sırasında desorpsiyon oranı ve ölçüde Nonpoint kaynak P kirliliği risk indeksi olarak kullanılabilir. Yöntemimiz, porewater (PW) için P desorpsiyon ve mobilizasyon (FW), değişken kaynak alanı hidroloji (örneğin, sular altında tarımsal alanlar, sulak alanları, drenaj hendekleri ve riparian yakın akış bölgeleri). Yöntem aslen Kuzey New York (ABD) ve son zamanlarda Kuzeybatı Vermont 's Lake Champlain Basin 6 kıyıdaş toprakların p desorpsiyon potansiyelini ölçmek için uygulanan deniz üzeri sular altında toprak p serbest potansiyeli karakterize etmek için geliştirilmiştir . Burada, laboratuvar mikrocosm yöntemi için bir protokol sunuyoruz ve P desorpsiyon potansiyelini ölçmek için yeteneğini gösteren son yayınlanan bir çalışmada sonuçları vurgulayın. Ayrıca, p serbest bırakma potansiyeli ile rutin toprak testlerinin güvenilirliği (labil çıkarılabilir P, pH) arasındaki ilişkiyi, siteler arasında serbest tahmin etmek için de gösteriyoruz.

Yöntemin gerçekleştirilmesi, yeterli iklim kontrolü, havalandırma, su ve uygun asit atık imha sistemi ile analitik bir laboratuara erişim gerektirir. Yöntem rutin kimyasal reaktifler ve Laboratuar donanımları (lavabolar, davlumbaz, cam, vb) erişim varsayılmaktadır. Rutin laboratuar ihtiyaçlarının ötesinde, bir membran filtrasyon (≤ 0,45 μm) sistemi gereklidir ve P ölçmek için bir UV spektrofotometre. PH ölçer veya çok parametreli su kalitesi prob da tavsiye edilir ancak gerekli değildir. Laboratuar sıcaklığı önemli bir faktördür ve sıcaklık deneysel bir faktör olarak araştırılmadığı sürece sabit tutulmalıdır (20 °C önerilir). Uygun donanıma sahip yeterli bir analitik laboratuvara engellenmemiş erişim, yöntemi düzgün bir şekilde gerçekleştirmek ve anlamlı sonuçlar oluşturmak için bir önkoşuldur.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. örnek toplama

  1. İstenilen yerlerden yaklaşık 4 L toprak (veya tortu) toplayın. Toplama alanları, P ve toprak özellikleri uzamsal varyasyonu sınırlamak için nispeten küçük olmalıdır.
  2. Bir kaba (20 mm) ekran üzerinden elek örnekleri 2 mm ekran izledi. Eleme sonrasında iyice el karışımı örnekleri.
  3. 100 g alan-nemli toprak veya tortu tartın. 24 saat 105 °C ' de bir fırında kurutun ve gravimetrik su içeriğini hesaplayın (toprak suyu kütlesi/kuru toprak kütlesi).
  4. Kimyasal analiz için 500 mL subsample alın.
    Not: toprak pH, organik madde içeriği ve labil inorganik P (Pi) konsantrasyonu toprak testleri önerilir. Burada, labil toprak Pi mevcudiyeti tarafından değerlendirildi: 1) pi tarafından çıkarılan 1,25 MOL L-1 amonyum-asetat (pH = 4,8; bundan sonra değiştirilmiş olarak adlandırılır Morgan çıkarılabilir P) ölçülen kolorimetrik7,8, 2) pi tarafından ayıklanan distile su ve 3) P 1,25 MOL L-1 amonyum-asetat (pH = 4,8) tarafından çıkarılan indüktif bağlantılı plazma-optik emisyon spektroskopisi (ICP)8ile ölçülür.
  5. Daha sonra kullanılmak üzere 5 °C ' de mikrokosm çalışmaları için kalan eleme topraklarını kullanın veya polietilen torbalarda saklayın.
    Not: toprak, uzun süre (> 30 gün) soğutulmuş ve kaldırma gerektirecektir kuru. Mikrobiyal bütünlüğü ve P salınımı potansiyelini etkilediği için toprak örneklerini dondurmayın.

2. Microcosm İnşaat

  1. Bireysel deneysel birimler (microcosms) olarak tek litrelik (1 L) Polipropilen veya diğer reaktif olmayan plastik kadehler dereceli kullanın. % 10 hidroklorik asit ve üçlü durulama damıtılmış su ile yıkama beakler.
  2. Altından 2 cm kadar ölçün ve kabı mezunlarının yanında bir işaret yerleştirin. Drenaj bağlantı noktaları için 1,25 cm çap delik matkap.
  3. Hortum Barb iç kenarı etrafında Silikon küçük bir boncuk ve delik delik dış çevresi yerleştirin. Drenaj portunu dikkatle deliğe takın.
    Not: 2,4 adıma geçmeden önce en az 24 saat hava kurutmasına Izin verin.
  4. Naylon kafes filtre ekranı üzerine hortum bilal dış çevresi iz ve makas ile kesilmiş. Dış kenardaki her bir filtrenin çevresini etrafında silikon ince bir boncuk uygulayın ve Hortum Barb girişli üzerine filtreler basın. Kullanmadan önce en az 24 saat kuruma süresi verin.
    Not: çoğu uygulama için 100 μm gözenek boyutu önerilir; Ancak, daha ince dokulu topraklar aşırı uzun PW örnek toplama süresini önlemek için daha büyük bir filtre gözenek boyutu gerektirebilir.
  5. 0,625 cm çapı lateks hortum kısa bir parça Hortum Barb biter sığdırmak. Akış önlemek için hortum 3,3 cm genişliğinde kağıt bağlayıcı klip eklenmiş.

3. fosforlu bir serbest deneme yürütülmesi

  1. 500 ml numunenin yinelenen mikrokozmozu içine yerleştirin ve fw 1 L işaretine ulaşıncaya kadar hafifçe damıtılmış su kabı duvarları boyunca uygulayın.
    Not: ilk numuneleri almadan önce 24 − 48 h için mikrokozmozu 'in dengelilmesine izin verin.
  2. Unclip kağıt bağlayıcılar drenaj portu aracılığıyla PW akışını teşvik etmek. Doğrudan PW drenaj limanlarının altında temiz 30 ml kadehler yerleştirerek örnekleri toplayın. Birkaç mL PW boşaltmak için izin verin, atmak ve sonraki 10 mL temsili bir örnek hacmi olarak kullanın.
  3. PW örneklerini 0,45 μm membran filtreleri ile filtreleyin ve çözünebilir reaktif P (SRP) için hemen analiz edin. Kayıt emici değerleri ve ölçüm süresi.
    Not: SRP genellikle ortopedik olduğu varsayılır; Ancak, molibtarih-reaktif P Ayrıca Koloid ve/veya 0,45 μm filtreleri4geçerek nanopartiküller ile kompleksleri oluşturabilir.
  4. Su sütununun yarısına 10 mL ampul şırınga pipet ekleyerek ilk FW örnek alın ve dairesel hareket kullanarak bir örnek geri çekin. Beakers içine boş, filtre ve SRP için hemen analiz.
  5. Damıtılmış su ile 1 L seviyesine beherler dolum tarafından örneklenen su değiştirin.
    Not: evaporatif kayıplar farklılık gösterecektir. Amaç sürekli olarak tüm microcosms 1 L toplam hacmi (sular altında toprak + su sütunu) korumak için. Evaporatif su kayıplarının değiştirilmesi SRP üzerinde ihmal edilebilir seyreltme etkileri vardır.
  6. 3,2 ile 3,5 arasındaki adımları, analiz için istenen P sürüm süresi noktalarının sayısına göre yineleyin.
    Not: zaman içinde alınan numunelerin sayısı deneme hedeflerine bağlıdır. Haftada bir ila üç kez örnekleme, inküler 20 °C ' ye yakın olduğu varsayılarak birçok uygulama için yeterlidir. Yüksek sıcaklıklarda inkübe SRP serbest bırakma oranlarını artırır ve daha sık örnekleme gerektirir. Burada amaç, deneylerden veri analizine odaklanmak yerine Microcosm yönteminin yardımcı programını göstermem. Hem kinetik tabanlı hem de ampirik modeller P desorpsiyon/sorpsiyon verilerine sığacak şekilde başka bir yerde9,10' da sunulur. Mikrocosm yöntemi tekrarlanan önlemler tasarımına dayanır ve çoğaltma ve farklı tedaviler barındırıyor olduğundan, Genelleştirilmiş Doğrusal karma modelleme yaklaşımlar da uygun11.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kıyıdaş alanlarının p sürüm potansiyeline odaklanan son bir çalışmanın sonuçları, yöntemin site düzeyinde P sürüm dinamiklerini karakterize etme yeteneğini göstermek için vurgulanmıştır6. Bazı topraklar zaman içinde SRP 'de minimal değişiklikler gösterirken, diğerleri PW-ve FW-SRP konsantrasyonlarında büyük artışlara sahipti (Şekil 1). Kontrast eğilimleri olan iki site Şekil 1' de gösterilir. Toprak 7, düşük toprak pH 'sı olan bir kıyıdaş...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikrocosm yaklaşımının ana Teknik avantajı, doymuş toprak veya tortu ile hemen Redoks ve P durumlarında farklılık gösterebilmek için FW tarafından derhal örtüşme olanağı sağlayan ın-site koşullarında simüle etme yeteneğidir. Drenaj hendek gibi değişken kaynak alanı hidroloji ile manzaralar, sular altında cropland, sulak, ve riparian/yakın akış bölgeleri düşük PW periyodik olarak daha düşük Pi konsantrasyonları ile daha oksitlenmiş su ile örtüşen nerede tüm örnekleridir. Bu redoks degradeler Pi sorpsiyon/desorpsi...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, bu çalışmanın potansiyel bir ilgi çatışması olarak yorumlanabilecek ticari veya finansal ilişkilerin yokluğunda gerçekleştirildiğini beyan ederler.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Fon, ABD Jeolojik araştırması ile yapılan bir anlaşma sayesinde Vermont su kaynakları ve göl Çalışmaları Merkezi tarafından sunuldu. Sonuçlar ve görüşler bu yazarlar değil, Vermont su kaynakları ve göl Çalışmaları Merkezi veya USGS vardır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1,25 cm plastik hortum dikenleriçok sayıdaNA
Fosfor tayini için kimyasal reaktiflerçok sayıdaNAP analiz kabiliyeti varsayılmaktadır; yöntemle ilgili ayrıntılar için belirtilen referanslara bakın
1,25 cm uçlu akorsuz veya elektrikli matkapçok sayıdaNA
Dereceli plastik beherler (1L)çok sayıdaNA
Çeker ocaklı, sıcaklık kontrollü ve asit atık bertaraf sistemli laboratuvarNANA
Naylon örgü filtre ekranı (100um)çok sayıdaNA
Silikonçok sayıdaNA
UV Spektrofotometreçok sayıdaNA

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Patrick, W. H., Khalid, R. A. Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions. Science. 186 (4158), 53-55 (1974).
  2. Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).
  3. Young, E. O., Ross, D. S. Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study. Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).
  4. Henderson, R., et al. Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils. Environmental Science & Technology. 46 (21), 11727-11734 (2012).
  5. Vidon, F., et al. Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management. Journal of the American Water Resources Association. 46 (2), 278-298 (2010).
  6. Young, E. O., Ross, D. S. Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA. Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).
  7. McIntosh, J. L. Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials. Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).
  8. Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study. Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).
  9. McGechan, M. B., Lewis, D. R. Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models. Biosystems Engineering. 82 (1), 1-24 (2002).
  10. Cabrera, M. L. Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches. Modeling Phosphorus in the Environment. Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. , CRC Press. Boca Raton, FL. 65-81 (2007).
  11. Gbur, E. E., et al. Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. , American Society of Agronomy, Crop Science Society of America, Soil Science Society of America. Madison, WI. (2012).
  12. Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations. Journal of Environmental Quality. 27 (6), 1428-1439 (1998).
  13. Young, E. O., Briggs, R. D. Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers. Journal of Environmental Quality. 37 (1), 69-78 (2008).
  14. Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-Kämppä, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1942-1955 (2009).
  15. Bartlett, R. J., Ross, D. S. Chemistry of Redox Processes in Soils. Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. , SSSA. Madison, WI. 461-487 (2005).
  16. Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1956-1967 (2009).
  17. Bartlett, R. J., James, B. R. Studying dried, stored soil samples—some pitfalls. Soil Science Society of America Journal. 44 (4), 721-724 (1980).
  18. Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis. Soil Biology & Biochemistry. 34 (1), 27-35 (2002).
  19. Turner, B. L., Haygarth, P. M. Phosphorus solubilization in rewetted soils. Nature. 411, 258(2001).
  20. Sparks, D. L. Kinetics of reactions in pure and mixed systems. Soil Physical Chemistry. Sparks, D. L. , CRC Press. Boca Raton, FL. (1986).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Toprak MikrokozmalarG zenek Suyu rneklemesiTa k n Suyu Analiziz n r Reaktif FosforModifiye Morgan EkstraksiyonuSpektrofotometre AnaliziRedoks Durumu zlemeToprak pH EtkileriFosfor Desorpsiyonu

İlgili makaleler