Geïntegreerde Field Lysimetry en poriënwater bemonstering voor evaluatie van chemische Mobiliteit in de bodem en bestaande vegetatie

1Department of Soil Science, North Carolina State University, 2Department of Crop Science, North Carolina State University
* These authors contributed equally
Published 7/04/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Environment

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Veld lysimetry en poriënwater bemonstering kunnen de onderzoekers het lot van chemische stoffen die de bodem en bestaande vegetatie te evalueren. Het doel van dit protocol is om aan te tonen hoe de benodigde instrumentatie installeren en monsters voor chemische analyse te verzamelen tijdens geïntegreerde veld lysimetry en poriënwater bemonstering experimenten.

Cite this Article

Copy Citation

Matteson, A. R., Mahoney, D. J., Gannon, T. W., Polizzotto, M. L. Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation. J. Vis. Exp. (89), e51862, doi:10.3791/51862 (2014).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Potentieel toxische chemicaliën worden routinematig op het land aan de groeiende eisen aan het beheer van afval en de productie van levensmiddelen te voldoen, maar het lot van deze stoffen wordt vaak niet goed begrepen. Hier laten we zien een geïntegreerde veld lysimetry en poriënwater sampling methode voor het evalueren van de mobiliteit van chemische stoffen die de bodem en bestaande vegetatie. Lysimeters open kolommen gemaakt van metaal of kunststof, worden gedreven in bareground of begroeide bodems. Poriënwater samplers, die commercieel verkrijgbaar zijn en gebruik maken van vacuüm te verzamelen sijpelt bodemwater, zijn geïnstalleerd op vooraf bepaalde diepte in de lysimeters. Op afgesproken tijden volgende chemische toepassing op experimentele percelen, wordt poriënwater verzameld en lysimeters, met bodem en vegetatie, zijn opgegraven. Door het analyseren van chemische concentraties in de lysimeter bodem, vegetatie, en poriënwater, neerwaartse uitloging, retentie bodem capaciteiten en opname door de planten voor de chemische van belang kunnen worden gekwantificeerd.Omdat veld lysimetry en poriënwater bemonstering worden uitgevoerd onder natuurlijke milieu-omstandigheden en met minimale verstoring van de bodem, afgeleid projectresultaten real-case scenario's en waardevolle informatie voor chemisch beheer. Chemicaliën in toenemende mate op het land over de hele wereld, kan de beschreven technieken worden gebruikt om te bepalen of toegepaste chemicaliën vormen schadelijke gevolgen voor de menselijke gezondheid of het milieu.

Introduction

Potentieel toxische chemicaliën worden routinematig op het land uit bronnen zoals pesticiden, meststoffen, riolering / biosolids, industrieel afval, en huishoudelijk afval 1,2. Het lot van deze stoffen - waaronder nutriënten, sporenelementen, organische en bijbehorende metabolieten - vaak niet goed begrepen 3. Als de chemicaliën niet goed worden beheerd, ze hebben het potentieel om de gezondheid van mens en milieu bedreigen door overbrenging naar en opbouw in planten, oppervlaktewater en grondwater. Met een wereldbevolking die 10 miljard mensen kunnen bereiken in 2050, zijn er steeds meer eisen gesteld aan het beheer en de voedselverspilling productie 2, en in de bodem brengen van veel chemische stoffen is toegenomen 3,4. Daarom is onderzoek nodig dat de transformaties, mobiliteit, laden grenzen, en de algehele milieurisico's kwantificeert van chemische stoffen die het land ter beschikking nodig hebben of dat we afhankelijk zijn van de gezondheid van gewassen te verbeterengeven.

Een aantal strategieën zijn gebruikt om gevaren van chemische stoffen die in het milieu te beoordelen. Op basis van laboratoriumonderzoek, model-systeem studies zijn uitgevoerd om informatie over de fundamentele mechanismen die de mobiliteit van chemische stoffen in de bodem te bieden. Bij het ​​analyseren van chemische omzetting in een laboratorium, kan volledige manipulatie van het "milieu" en de ingangen worden bereikt, maar deze zelden overeenkomen met de echte wereld omgevingscondities 5,6. Zo extrapoleren lab resultaten veld instellingen kunnen leiden tot onnauwkeurige voorspellingen over chemische bedreigingen. Daarentegen hebben brede veldmetingen gebruikt om chemisch gedrag in het milieu te definiëren. Echter conclusies milieuverderf van deze metingen vaak gecompliceerd vanwege de vaak lage doses (bijv. enkele g A -1) Toegepaste chemicaliën, evenals de complexe interacties tussen hydrologische en biochemische processen in de environment die chemische distributies regelen.

Lysimetry, waaronder veld lysimetry, van oudsher gebruikt door de bodem en gewas wetenschappers om de neerwaartse mobiliteit van chemische stoffen die de bodem en bestaande vegetatie systematisch te evalueren. Een lysimeter is een apparaat gemaakt van metaal of plastic die wordt geplaatst in een bodem plaats en wordt gebruikt om het lot van chemicaliën toegepast bekende hoeveelheden tot een begrensd gebied te bepalen. Bodem en vegetatie monsters van lysimeters worden gebruikt om de ontwikkeling van chemische distributies tijd te beoordelen. Omdat veld lysimetry onder natuurlijke milieu-omstandigheden wordt uitgevoerd, kunnen de resultaten worden gebruikt om real-case scenario's afgeleid van chemische toepassingen in de bodem systemen te voorspellen. Vroege lysimeter studies gemeten transpiratie, vocht stroom en / of beweging voedingsstof. Hedendaagse lysimeter studies meten van bestrijdingsmiddelen en voedingsstoffen dissipatie, beweging pesticide, volatiliteit, en massabalans, samen met de aforementioned metingen 3.

Een beperking van de traditionele veld lysimetry is dat chemische mobiliteit binnen een bodemprofiel grotendeels wordt bepaald door vaste-fase-metingen, terwijl minder aandacht wordt besteed aan opgeloste chemische concentraties in water sijpelt door de bodem - een kritische component die de mogelijke verontreiniging van het grondwater kan beïnvloeden vanaf het land toegepaste chemicaliën. Hoewel percolaat van de bodem van de lysimeters soms voor analyse, deze naderingslimieten diepteresolutie van poriewater concentraties en vereist normaliter aanzienlijke grondverzet voor experimenten. In plaats daarvan, om gegevens over chemische concentraties in de bodem water te verkrijgen, poriënwater samplers kan worden gebruikt in lokale instellingen. Poriënwater samplers zijn geïnstalleerd in de bodem om water te halen uit discrete, gewenste diepte en de bodem systeem slechts minimaal verstoren. Poriënwater samplers hebben door vele namen, waaronder lysimeters, zuig cu naar verwezenp lysimeters, of bodemoplossing samplers, convoluting hun onderscheid met de traditionele veld lysimeters hierboven beschreven. In dit artikel zullen we de term "poriënwater sampler" te gebruiken om verwarring te verlichten.

Hier tonen we een experimentele benadering dat veld lysimetry en poriënwater bemonstering voor het evalueren van de neerwaartse uitloging potentieel van chemicaliën toegepast op begroeide bodem of bareground systemen combineert. Lysimetry is een krachtig instrument dat wordt gebruikt sinds 1700 7, terwijl keramische poriënwater steekproef is gebruikt sinds de vroege jaren 1960 8. Integratie van deze robuuste technieken zorgt voor bepaling gebied van zowel vaste-en opgeloste fase chemische concentratieverdeling terwijl het minimaliseren van verstoring van de bodem. Dit document beschrijft factoren te overwegen bij het ontwerpen van een experiment, waaronder de selectie van locaties, installatie-apparaat, en monstername. De benadering wordt geïllustreerd met een experiment dat het lot van een geëvalueerdorganische arseen pesticide toegepast op een bareground en een gevestigde turfgrass systeem. De beschreven technieken kunnen zo nodig worden aangepast om het lot van een breed scala van chemische stoffen te onderzoeken, waardoor waardevolle instrumenten voor onderzoekers en beleidsmakers die proberen om de lotgevallen in het milieu en het gedrag van het land toegepaste chemicaliën begrijpen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemonstering veld wordt uitgevoerd in dit experiment en is onder de vergunning van de North Carolina Department of Agriculture & Consumer Services.

1. Field Lysimeteronderzoek Installatie

  1. Kies een experimentele terrein waar laterale beweging van toegepaste chemicaliën onwaarschijnlijk (dwz. Gebieden met weinig of geen helling). Selecteer sites op basis van bodem en vegetatie-eigenschappen van belang.
  2. Als percelen zijn begroeid, trek vegetatie stekkers voorafgaand aan de installatie (Figuur 1A) lysimeter.
  3. Rij de lysimeters beneden in de gewenste plaatsen (met of zonder begroeiing) met een omgekeerde Paal hamer, waardoor ~ 1-2 cm van de lysimeter boven het grondoppervlak aan de aangebrachte chemische bevatten en minimaliseren chemische laterale beweging. Hiervoor gebruik gerold en gelast, achttien-gauge stalen platen (91 cm diepte x 15 cm diameter) (Figuur 1B). Gebruik lysimeters van verschillende materialen en afmetingen te res passenearch doelstellingen.
  4. Vervang vegetatie stekkers volgende lysimeter installatie.
  5. Beheer elke vegetatie zoals aangewezen voor het experiment. Als plots zijn kaal te blijven, gebruiken spot toepassingen van glyfosaat naar de gebieden vrij van begroeiing te houden.
  6. Zorg ervoor dat irrigatie, bemesting, en andere management praktijken zijn identiek in de bareground en begroeide percelen. Vooraf bepalen irrigatie onderzoek doelstellingen.

2. Poriënwater Sampler Installatie

  1. Installeer poriënwater samplers, zoals PTFE / kwarts (50/50%), in het midden van lysimeters aan sijpelt poriënwater verzamelen.
  2. Plaats een 2,5 cm roestvrij stalen staaf in het midden van de lysimeter en plaats deze in de grond met een hamer om het gewenste sampler diepte.
    OPMERKING: Een avegaar kan ook worden gebruikt voor deze stap.
  3. Bereid een silicameel en water slurry met 700 ml van irrigatiewater tot ~ 900 g chemisch inert silicameel. Meng de slurry thoroughly vóór elke sampler wordt geplaatst in het mengsel. Oefen druk tussen -50 tot -70 kPa aan de sampler van een handheld of batterij-aangedreven vacuümpomp.
  4. Verwijder de sampler uit de silicameel suspensie na 10 min en grondig silica suspensie opnieuw mengen. Giet 60 ml van de suspensie door een trechter verbonden met een 2,5 cm diameter buis in de bodem van het gat.
  5. Plaats de monsternemer in het gat op de gewenste bemonsteringsdiepte met een plastic of metalen buis. Zorg ervoor dat slangen uit de sampler strekt zich uit het gat. Gebruik een suspensie van niet behandelde, geboortegrond en water om de resterende gat opvulling.
  6. Laat tijdens het opvullen van de bodem om zich te vestigen; gebruik maken van een pijp om extra grond aanstampen als nodig is.
  7. Backfill bodem naar het oorspronkelijke niveau. Eventueel vervangen vegetatie boven in het gat.
  8. Bevestig sampler slang een thermosfles via een deel van gefluoreerd ethyleenpropyleen (FEP) buizen. Met een plastic buis klem, sluit u een tweede buis lijn uithet vacuüm flesje met een vacuümpomp.
  9. Bedek slangen en collectie flessen met zwarte plastic of tape indien de chemische stof (fen) in de omgeving is gevoelig voor afbraak (figuur 1C).
  10. Breng vacuümdruk van ongeveer -50 tot -70 kPa via de vacuümfles de monsternemers herhaaldelijk in de loop van enkele dagen voor experimenten een goede sampler installatie.

3. Chemische Toepassing op lysimeters

  1. Laat minstens twee weken voor acclimatisatie voor chemische toepassingen zijn gemaakt.
  2. Verzamel achtergrond poriënwater monsters voordat lysimeter behandeling naar de achtergrond concentraties van de chemische stof (fen) van belang te kwantificeren.
  3. Breng de chemische van belang voor de bodem of vegetatie door typische werkwijzen, zoals een draagbare CO 2-druk giek spuitmachine (figuur 1D) of door het verdelen van het korrelvormige preparaat direct aan het oppervlak van de grafiek met de lysimeter. Als er meerdere chemische toepassingen noodzakelijk zijn voor de doeltreffendheid, toe te passen per typische gebruikspatronen of etiket richtingen. Laat wat lysimeters onbehandeld om te dienen als controle.

4. Poriënwater verzameling en analyse

  1. Solliciteer ongeveer -50 tot -70 kPa van vacuüm om het poriënwater sampler thermosflessen de dag voor of de dag van bemonstering. Water rond de sampler zal omhoog door de sampler worden getrokken in de buis, stroomt naar het vacuüm fles waar het wordt opgevangen totdat bemonsterd. De bodem volume waaruit poriënwater wordt verzameld en de waterwinning tijd kan afhangen van factoren zoals grondsoort, bodemtextuur, bodemvocht, en sampler diepte.
  2. Verzamel monsters op bepaalde tijdstippen volgende chemische toepassing, zoals bepaald door de onderzoeker.
  3. Meet de hoeveelheid water verzameld in een maatcilinder voor elke poriënwater sampler. Indien filtering nodig, plaatst het water in een Luer-Lok SYringe (omvang zal afhangen van het volume van het water) en passeren monster door een 25 mm 0,2 um nylon filter.
  4. Als verschillende sample conserveringsmethoden nodig zijn en voldoende monster wordt genomen, verdeel het monster in unieke containers.
  5. Gebruik een handheld pH-meter om de pH van niet-aangezuurde monsters te bepalen.
  6. Stel de pH door toevoeging van een voldoende hoeveelheid van het geschikte zuur indien nodig, voor monsterconservering.
    OPMERKING: Geconcentreerde zuren kunnen corrosief zijn of oxidatiemiddelen en zorg moeten worden genomen bij het gebruik ervan.
  7. Leg monsters op ijs in een koeler of zet in de koelkast tot deze geanalyseerd. Gebruik analysemethoden voor chemische metingen als inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie (ICP-MS), inductief gekoppelde plasma-optische emissie spectroscopie (ICP-OES), atomaire absorptiespectroscopie (AAS) of hoge-capaciteit vloeistofchromatografie (HPLC) om analyse van deze monsters.

5. Lysimeteronderzoek Opgraving, Bodem / Vegetatie Collection eennd Analyse

  1. Opgraven de lysimeters, met bodem en vegetatie, op bepaalde tijdstippen volgende chemische toepassing. Opgraven onbehandeld lysimeters Bij iedere bemonstering wordt achtergrondinformatie chemische concentraties te bepalen binnen de bodem en vegetatie.
  2. Opgraven lysimeters benutten vat klemmen bevestigd aan een tractor te implementeren. Laat de bak naar een positie die het mogelijk maakt de klem op de vrije rand lysimeter geplaatst te worden.
  3. Til het werktuig waardoor de klemmen om de blootgestelde rand pakken, uit de grond (figuur 1E) trekken de kolom lysimeter.
  4. Cap opgegraven lysimeter uiteinden met isolatie platen gesneden om de diameter van de lysimeters. Houd caps op zijn plaats met gallon-size polyethyleen zakken gestoken over de lysimeter uiteinden en veilig zakken met duct tape.
  5. Vervoer de lysimeters om een ​​veld laboratorium voor bodem en vegetatie monster divisie. Verwerk niet behandelde lysimeters eerste besmetting uur voorkomenong lysimeters.
  6. Gebruik een decoupeerzaag voorzien van een metalen mes aan de lysimeter in de lengte gesneden aan een kant. Snijd de kolommen van de bodem (zone van de verwachte lagere concentratie) naar boven (zone van de verwachte hogere concentratie) om ervoor te zorgen de bodem op diepere diepten wordt niet besmet door de bodem op ondieper.
  7. Opengespleten de lysimeter. Gebruik metalen scheidingsplaten aparte discrete bodem en vegetatie secties. Kies bodem diepte stappen op basis van de lengte van de lysimeter en onderzoeksdoelstellingen.
  8. Gebruik lepels of spatels om de doorsnede bodem en vegetatie te graven. Plaats elk monster in een geschikt gemerkte polyethyleen diepvrieszak. Heeft bodem niet direct verzamelen in contact met de lysimeter.
  9. Volg de opgraving protocol voor elk monster gewenste diepte. Plaats monster zakken in een koelbox gevuld met ijs en transporteren naar een lab. Bewaren monsters in de vriezer tot analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Deze methode maakt het mogelijk voor de accumulatie van gegevens over het lot van chemische stoffen die bareground en begroeide bodem systemen 5,10. Deze benadering werd gebruikt voor arseen (As) neerwaartse uitloging, absorptie en translocatie evalueren in planten voor bermudagrass (Cynodon dactylon) systemen na het aanbrengen van de organische arseen herbicide mononatrium methyl arsenaat (MSMA) 9. Sinds de jaren 1960, is MSMA gebruikt in niet-akkerland, grasmat, en de productie van katoen, maar er is toenemende bezorgdheid dat toegepast Zoals beneden lekken via de bodem en het grondwater verontreinigen 11,12. De Amerikaanse Environmental Protection Agency (EPA) overweegt momenteel uitfaseren MSMA, in afwachting van aanvullende wetenschappelijke beoordeling 13,14.

Na MSMA toepassing bareground en bermudagrass lysimeters de meeste Zoals vastgehouden binnen bodem vaste fasen en vegetatie gedurende 1 jaar experimenten (Figuur 2,Tabel 1). Binnen de gronden, de hoogste vaste-fase Zoals concentraties werden gevonden bij 0-2 cm diepte. Arseen concentraties in MSMA behandelde lysimeter monsters werden boven niet-behandelde monsters aan de 8-15 cm diepte increment verhoogd, en op diepere diepten, verschillen in vaste-fase Zoals concentraties tussen behandelde en niet-behandelde lysimeters waren statistisch niet significant met behulp van een 2-tailed t-test met ongelijke variantie (p ≥ 0,05). Arseen werd ook opgenomen in de vegetatie, en hoewel ze varieerden in de tijd, als concentraties in bermudagrass loof van behandelde percelen waren altijd aanzienlijk hoger dan die van niet behandelde percelen. Over het algemeen, tot 101% van de toegepaste Zoals werd teruggevonden in de bodem en vegetatie vaste fasen van de-bermudagrass bedekte lysimeters, terwijl een maximum van 66% van de As werd teruggevonden in de bareground lysimeter monsters (tabel 1).

Poriënwater Zoals concentraties in MSMA behandelde percelen afhankelijk van de diepte met zijnin het bodemprofiel (Figuur 3). Op 30 cm diepte, opgeloste fase Als de concentraties hoger dan de EPA's 10 ug / l maximaal drinkwater verontreiniging limiet 15, met concentraties onmiddellijk meer na MSMA toepassing en dan vervolgens afneemt in de tijd. Daarentegen poriënwater vanuit 76,2 cm diepte in het bodemprofiel had Al concentraties die vergelijkbaar achtergrondniveaus en consistent onder de EPA limiet was, wat aangeeft dat toegepast niet migreren onder de grenzen van het experimentele systeem.

De studie die hier besproken benadrukt veel van de hiervoor genoemde lysimetry en poriënwater bemonstering experimenteel ontwerp overwegingen. Het veld gebied bevatte ruwweg geen helling, en ~ 1.5 cm van de lysimeter werd boven de grond gelaten om te voorkomen dat cross-plot besmetting kwesties, terwijl ook de mogelijkheid voor een goede bermudagrass management. Het veld gebied werd gekozen vanwege zijn lage organische stof en hoge zand content (88% zand, 7% slib, 5% klei), wat neerkomt op een "worst-case" scenario uitloging met betrekking tot bodemtextuur en As retentie potentieel 9. Poriënwater samplers werden zo gekozen dat ze zouden passen binnen de lysimeters, en enkele weken mochten voor systeem evenwichtstoestand voorafgaand aan chemische toepassing. Tenslotte werd episodische poriënwater monsterneming sterk gericht op de vroege stadia van experimenten, wanneer neerwaartse uitloging van toegepaste chemicaliën meest waarschijnlijke beschouwd.

Figuur 1
Figuur 1. Photographs beeltenis select stappen in de installatie van lysimeters en poriënwater samplers. (A) Vegetatie pluggen zijn voorafgaand aan de installatie lysimeter verwijderd. (B) lysimeters worden gedreven in de grond met behulp van een omgekeerde bericht driver. (C) gesloten 2-L vacuümflessenworden gebruikt om water te halen uit poriënwater samplers. (D) Chemische interessant wordt toegepast op gerandomiseerde lysimeter percelen. (E) Lysimeteronderzoek bodem kernen worden opgegraven met een tractor uit te voeren.

Figuur 2
.. Figuur 2 Diepte profielen van totale As concentraties in lysimeter bodem en vegetatie bermudagrass verloop van tijd na MSMA toepassing Symbool diepten vertegenwoordigen bodem en vegetatie monsters uit de volgende diepte stappen: 0 = bovengrondse loof; -1 = 0 tot 2 cm diepte; -3 = 2 tot 4 cm; -6 = 4-8 cm diepte; -11,5 = 8 tot 15 cm diepte; -22.5 = 15 tot 30 cm diepte; en -37,5 = 30 tot 45 cm diepte. Error bars geven de standaarddeviatie van de metingen van identieke monsters en lysimeters. Sterretjes vertegenwoordigen monsters waarvoor de gemeten als concentrations in MSMA behandeld lysimeters waren significant hoger dan concentraties van respectieve niet behandelde lysimeter monsters. Figuur gewijzigd van Matteson et al., 2014 9.; zie referentie voor meer informatie.

Figuur 3
Figuur 3. Poriënwater Zoals concentraties van twee dieptes (30 en 76,2 cm) binnen MSMA behandelde,-bermudagrass bedekte lysimeters.

Dagen na MSMA Behandeling Begroeide of Bare Zoals Hersteld in de bodem (%) Zoals teruggevonden in Vegetatie (%) Totaal teruggevorderd (%)
36 Begroeide 83 10 93
36 Kaal 62 - 62
64 Begroeide 47 3 50
64 Kaal 60 - 60
119 Begroeide 83 9 92
119 Kaal 66 - 66
364 Begroeide 98 4 101
364 Kaal 55 - 55

Tabel 1. Berekende totale Zoals terugvorderingen in lysimeter bodem en vegetatie bermudagrass volgende MSMA toepassing. Recovery waarden overeen met de totale Zoals in lysimeter monsters van MSMA behandelde percelen minus totale Zoals in niet behandelde monsters, allen gedeeld door de hoeveelheid als eendded het systeem via MSMA toepassing. Tabel gewijzigd van Matteson et al., 2014 9.; zie referentie voor meer informatie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Gebruik makend van een geïntegreerde veld lysimetry en poriënwater steekproefsgewijze aanpak stelt onderzoekers in staat om ruimtelijke en temporele verdeling van een grote verscheidenheid van het land toegepaste chemische stoffen te beoordelen. Het lot van stoffen in de bodem en begroeide systemen kunnen worden geregeld door een aantal milieu-processen en attributen, zoals neerwaartse uitspoeling, vervluchtiging, hydrolyse, fotolyse, microbiële transformatie / degradatie, opname door de planten, grondsoort en pH van de bodem 16,17. Unlike kas of laboratorium gebaseerde experimenten, worden de resultaten van de veld-gebaseerde benadering beschreven verkregen met minimaal ongemak voor de regeling van onderzoek en derhalve kan worden geëxtrapoleerd naar andere systemen of instellingen 18. Het kennen van de hoeveelheid van de aangebrachte chemische, het gebied van de lysimeter de potentiële vervluchtiging van de chemische stof, gemeten in opgeloste en vaste fasen bedrag, en de bulkdichtheid van de bodem maakt bepaling van de chemische massabalans en laden limiet schattingen voor het systeem van belang - waardevolle informatie voor het voorspellen van mogelijke bedreigingen voor het milieu, zoals chemische uitspoeling naar het grondwater.

De hier beschreven protocol illustreert een manier om een ​​experiment gebruik geïntegreerd gebied lysimetry en poriënwater monsterneming voeren. Veel onderdelen van deze methode kan worden aangepast door de onderzoekers om hun specifieke doelstellingen. Bijvoorbeeld, moet lysimeter grootte en het type worden beschouwd bij het ​​opstellen van een experiment, en keuzes moeten de chemische, bodem, planten en eigenschappen van belang 17 weerspiegelen. Plaatsing van lysimeters moeten ook worden overwogen om de variabiliteit te minimaliseren in de omgevingscondities en de helling aan de overkant van de experimentele omgeving. Management praktijken (maaien, bemesten, oogsten, enz.) bepalen niet alleen de grootte van de lysimeter, maar kunnen beïnvloeden inbouwdieptes en uitvoerbaarheid, en moet worden beschouwd als de echte wereld na te bootsen beoefent 17,19.

e_content "> Veel soorten poriënwater samplers zijn commercieel beschikbaar, en zij vertegenwoordigen een relatief goedkope manier om bodemwater te verzamelen van verschillende dieptes. De grootte van de sampler, diepte, samplers per lysimeter, en de frequentie van de bemonstering moet worden overwogen bij het ontwerpen van experimenten. Als het poriënwater sampler gekozen is niet groot genoeg is, kan zuigkracht toegepast te verzamelen van de directe omgeving en niet de gehele lysimeter gebied 20. Een voorgestelde oplossing is het poriënwater platen die een groter oppervlak 21 zou gebruiken ter dekking van, hoewel dit uitgebreide vereisen en ongewenste grondverzet te sampler installatie geschikt en kunnen tevens waterstroming onder de diepte van de sampler. andere zorg met poriënwater monsterneming dat, afhankelijk van de grondsoort, sampler installatie en vacuüm kunnen de oorzaak poriënwater preferentieel stromen naar de sampler of langs lysimeter muren in plaats van op natuurlijke wijze door het systeem, mogelijk veranderen chemical distributies 17,22. Tot slot, om neerwaartse chemische uitloging goed te kunnen beoordelen, is voldoende temporele poriënwater bemonstering nodig is om ervoor te zorgen de chemische belangstelling loogt niet voorbij de sampler soms niet gevangen genomen door de bemonstering routine 23.

Een van de primaire doelen van veld lysimetry is de neerwaartse traatuitspoelingspotentieel toegepaste chemicaliën kwantificeren. Echter, deze aanpak bewust beperkt de gevolgen van natuurlijke ondergrond laterale flow op chemisch transport. Om deze beperking te overwinnen, kunnen wetenschappers onderzoeken chemische lot en gedrag bodem sondes gebruiken om boringen te verzamelen, die zowel voor-en nadelen over veld lysimetry heeft. Zodra het gebied van belang is behandeld, een hand-of-tractor gemonteerde sonde verwijdert kernen van percelen die kleiner zijn dan de typische lysimeters, waardoor minder ruimte voor experimenten en het toestaan ​​voor een snellere bemonstering. Echter, een gevolg van het gebruik van een probe die kan duwenvegetatie, bodem, of wortels naar beneden, potentieel vervuilende diepere diepten, verdichten van grond, en de wijziging van bulk dichtheden. Bodem-probe technieken bieden ook minder bescherming tegen cross-plot contaminatie als gevolg van afvoer en laterale ondergrondse stroom.

Een waarschuwing van het veld lysimetry en poriënwater monsterneming is dat 100% herstel van de toegepaste chemische is zeldzaam 17. Er zijn onbekenden bij het invullen van dit soort onderzoek in het gebied ten opzichte van kas of laboratorium omgevingen waar meer controle wordt bereikt met betrekking tot het weer, bodemeigenschappen, en de groei van planten; Bijgevolg kunnen de resultaten variëren tussen experimentele proeven 3. Onderzoek met behulp van zowel de veld-en laboratoriumonderzoek benaderingen kunnen de meest uitgebreide onderzoek van processen beïnvloeden het lot van chemische stoffen in het milieu. Toch veld lysimetry en poriënwater bemonstering bieden krachtige, gevestigde technieken voor het beoordelen van mogelijke milieu-overwegingen eenEraan verbonden met chemicaliën. In de toekomst zullen meer van studies die worden uitgevoerd met behulp van deze technieken om beter te begrijpen het lot van chemische stoffen in het gezicht van het handhaven van een adequate voedselvoorziening, zorgen voor een goede afvoer van afvalstoffen, en het handhaven van een hoog niveau van bescherming van het milieu.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

De auteurs erkennen het personeel bij de NCDA Sandhills Proefstation voor hulp bij lysimeter installatie en opgraving. Financiering voor experimenten in Representatieve resultaten beschreven werd verstrekt door het Centrum voor Turfgrass Environmental Research & Education. Video en manuscript productie werd ondersteund door de North Carolina State University afdelingen Bodemkunde en Crop Science.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Prenart Super Quartz Samplers (PFTE/Quartz) Prenart Equipment ApS N/A Any samplers for  trace metal analysis can be used (e.g. SoilMoisture Equipment Corp.)
Prenart installation kit Prenart Equipment ApS N/A Contains all items necessary to install porewater samplers
2 L collecting bottles Prenart Equipment ApS Bottles can also be purchased from Fisher Scientific (02-923-2) or other laboratory supply companies, but fittings will need to be adjusted. Bottles can be covered with dark material if light sensitive
Portable vacuum pump Prenart Equipment ApS N/A Vacuporter from Decagon Devices or other field battery-operated or hand vacuum pump may be used
1 oz HDPE Nalgene bottles Fisher Scientific 03-313-4A Sample bottle type will depend on analyte of interest and may be glass
Concentrated nitric acid Fisher Scientific A509-P212 Oxidizing and corrosive-other acids may be needed for preservation and should be used with caution
25 mm 0.2 µm nylon syringe filters VWR 28145-487 Other filter types and pore sizes may be used, dependent on the analyte of interest and analytical instrumentation
60 ml Luer-Lok syringes Fisher Scientific 13-689-8 Other sizes may be used depending on sample volume collected
Portable pH meter VWR 248481-A01 Other pH meters can be used following calibration
Graduated cylinder any N/A
Field lysimeters (metal, plastic, etc.) N/A N/A Often these are constructed based on the researchers specifications
Inverted post driver tractor N/A N/A Any tractor can be used to install the lysimeters
Handheld boom sprayer N/A N/A To apply the rate needed for application 
Polyethylene bags Johnson & Johnson N/A Other brands may be used for soil storage
Reciprocating saw Black & Decker  N/A Any reciprocating saw can be used with a metal cutting attachment

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wuana, R. A., Okieimen, F. E. Heavy Metals in Contaminated Soils: A Review of Sources, Chemistry, Risks and Best Available Strategies for Remediation. ISRN Ecology. 1-20 (2011).
  2. Donaldson, D., Kiely, T., Wu, L. 1-38 U.S. Environmental Protection Agency. Washington, DC. (2011).
  3. Bergström, L., Bergström, J. Environmental fate of chemicals in soil. Ambio. 27, 16-23 (1998).
  4. Sutton, M. A., et al. Our Nutrient World. The challenge to produce more food & energy with less pollution. Key Messages for Rio +20. Centre for Ecology & Hydrology. (2012).
  5. Du, W., et al. Fate and Ecological Effects of Decabromodiphenyl Ether in a Field Lysimeter. Environmental Science and Technology. 47, 9167-9174 (2013).
  6. Fuhr, F., Burauel, P., Mittelstaedt, W., Putz, T., Wanner, U. Environmental fate and effects of pesticides. American Chemical Society. 1-29 (2003).
  7. Hire, D. L. Remarques sur l'eau de la pluie, et sur l'origine des fontaines; avec quelues particularites sur la construction des cisternes. Memoires de l' Academie Royale. 56-69 (1703).
  8. Wagner, G. H. Use of porous ceramic cups to sample soil water within the profile. Soil Science. 94, 379-386 (1962).
  9. Matteson, A. R., et al. Arsenic Retention in Foliage and Soil Following Monosodium Methyl Arsenate (MSMA) Application to Turfgrass. Journal of Environmental Quality. 43, 379-388 (2014).
  10. Sakaliene, O., Papiernik, S. K., Koskinen, W. C., Kavoliunaite, I., Brazenaitei, J. Using Lysimeters to Evaluate the Relative Mobility and Plant Uptake of Four Herbicides in a Rye Production System. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 57, 1975-1981 (2009).
  11. Cai, Y., Cabrera, J. C., Georgiadis, M., Jayachandran, K. Assessment of arsenic mobility in the soils of some golf courses in South Florida. Science of the Total Environment. 291, 123-134 (2002).
  12. Water quality, pesticide occurrence, and effects of irrigation with reclaimed water at golf courses in Florida. Swancar, A. (ed USGS) Tallahassee. (1996).
  13. Organic arsenical herbicides (MSMA, DSMA, CAMA, and Cacodylic Acid), reregistration eligibility decision; notice of availability. Environmental Protection Agency, Federal Register Environmental Documents. Washington D.C. 1-70 (2006).
  14. EPA (not Araujo as stated before) Organic Arsenicals; Amendments to Terminate Uses: Amendment to Existing Stocks Provision. Environmental Protection Agency) 18590-18591 Federal Registrar. 78, Washington, DC. (2013).
  15. Drinking Water Regulations; Arsenic and Clarifications to Compliance and New Source Contaminants Monitoring Final Rule. Environmental Protection Agency. 66, Washington D.C. (2001).
  16. Winton, K., Weber, J. B. A review of field lysimeter studies to describe the environmental fate of pesticides. Weed Technology. 10, 202-209 (1996).
  17. Bergström, L. Use of lysimeters to estimate leaching of pesticides in agricultural soils. Environmental Pollution. 67, 325-347 (1990).
  18. Byron, J. Lysimeters promoted for pesticide research. Environmental Science and Technology. 31, (1997).
  19. Infographic: Pesticide Planet. Science. 341, 730-731 (2013).
  20. Severson, R., Grigal, D. Soil solution concentrations: effects of extraction time using porous ceramic cups under constant tension. Water Resources Bulletin. 12, 1161-1170 (1976).
  21. Allaire, S. E., Roulier, S., Cessna, A. J. Quantifying preferential flow in soils: A review of different techniques. Journal of Hydrology. 378, 179-204 (2009).
  22. Weihermüller, L., Kasteel, R., Vanderborght, J., Püz, T., Vereecken, H. Soil Water Extraction with a Suction Cup. Valdose Zone Journal. 4, 899-907 (2005).
  23. Jury, W. A., Fluhler, H. Advances in Agronomy. 47, Academic Press, Inc. London. 141-201 (1992).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats