Integreret Field Lysimetry og porevandet Sampling for vurdering af kemiske Mobilitet i jord og Etableret Vegetation

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

Your institution must subscribe to JoVE's Environment section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

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





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

 

Summary

Felt lysimetry og porevandet prøvetagning give forskere til at vurdere skæbnen af ​​kemikalier, der anvendes til jord og etableret vegetation. Målet med denne protokol er at demonstrere, hvordan du installerer de fornødne instrumenter og indsamle prøver til kemiske analyser under integreret felt lysimetry og porevandet prøvetagning eksperimenter.

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.

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

Abstract

Potentielt giftige kemikalier rutinemæssigt anvendes til at lande for at imødekomme stigende krav til fødevareproduktion affaldshåndtering og, men skæbnen af ​​disse kemikalier er ofte ikke godt forstået. Her demonstrerer vi et integreret felt lysimetry og porevandet prøveudtagningsmetode til vurdering af kemiske stoffers mobilitet anvendes til jord og etableret vegetation. Lysimetrene åbne søjler lavet af metal eller plast, er drevet ind bareground eller bevoksede jorder. Porevandet samplere, som er kommercielt tilgængelige og bruge vakuum til at indsamle nedsivende jordvand, der er installeret på forudbestemte dybder i lysimetrene. På forud fastsatte tidspunkter følgende kemiske ansøgning til eksperimentelle plots er porevandet indsamles, og lysimetrene indeholdende jord og vegetation, der er gravet op. Ved at analysere kemiske koncentrationer i lysimeter jord, vegetation, og porevandet, nedadgående udvaskning satser, fastholdelse jord kapacitet, og planternes optag for kemikaliet af interesse kan kvantificeres.Fordi felt lysimetry og porevandet prøveudtagning udføres under naturlige miljømæssige forhold, og med minimal jordbearbejdning, afledte projektresultater real-case scenarier og give værdifuld information til kemisk management. Da kemikalier i stigende grad anvendes til at lande på verdensplan, kan de beskrevne teknikker anvendes til at afgøre, om anvendte kemikalier udgør negative virkninger for menneskers sundhed eller miljøet.

Introduction

Potentielt giftige kemikalier rutinemæssigt anvendes til at lande fra kilder såsom pesticider, gødning, spildevand / biosolids, industriaffald og husholdningsaffald 1,2. Skæbnen for disse kemikalier - der kan omfatte næringsstoffer, sporstoffer, økologi, og deres tilknyttede metabolitter - er ofte ikke godt forstået 3. Hvis kemikalierne ikke forvaltes ordentligt, de har potentiale til at true menneskers sundhed og miljøet gennem deres overførsel til og oprustning i planter, overfladevand og grundvand. Med en global befolkning, der kan nå op på 10 milliarder mennesker i 2050, er der stadig større krav til ledelse og madaffald produktion 2, og tilførsel af mange kemikalier har været stigende 3,4. Derfor er der behov for forskning, der kvantificerer transformationer, mobilitet, lastning grænser, og de overordnede miljømæssige risici fra kemikalier, som kræver bortskaffelse jord, eller at vi er afhængige af at forbedre afgrøde sundhedog udbytte.

En række strategier er blevet anvendt til at undersøge trusler fra kemikalier, der anvendes i miljøet. Laboratorie-baserede, model-system undersøgelser er blevet gennemført for at give oplysninger om grundlæggende mekanismer, der styrer mobilitet af kemiske stoffer i jord. Når man analyserer kemisk skæbne i et laboratorium, kan fuldstændig manipulation af "miljø" og indgange skal opnås, men disse sjældent matcher den virkelige verden miljøforhold 5,6. Således kan ekstrapolere lab resultater feltindstillingerne føre til unøjagtige forudsigelser om kemiske trusler. I modsætning hertil har brede feltmålinger blevet brugt til at definere kemiske adfærd i miljøet. Men konklusioner om skæbne i miljøet fra disse målinger ofte kompliceret på grund af de ofte lave doser (fx et par g A -1) af anvendte kemikalier, samt det komplekse samspil mellem hydrologiske og biogeokemiske processer i environment der regulerer kemiske distributioner.

Lysimetry, herunder felt lysimetry, har historisk set været brugt af jord og afgrøder forskerne systematisk at evaluere den nedadgående mobilitet af kemiske stoffer, der anvendes til jord og etableret vegetation. Et lysimeter er en enhed, lavet af metal eller plast, som er placeret i en jord af interesse og anvendes til at afgøre skæbnen for kemikalier anvendt i kendte mængder til et begrænset område. Jord og vegetation prøver indsamlet fra lysimetrene kan bruges til at vurdere udviklingen af ​​kemiske distributioner over tid. Fordi felt lysimetry udføres under naturlige miljømæssige forhold, kan resultaterne bruges til at forudsige real-case scenarier, der stammer fra kemiske anvendelser til jord-systemer. Tidlige lysimeterundersøgelser målte transpiration, fugt flow, og / eller bevægelse næringsstof. Moderne lysimeterundersøgelser måle pesticider og næringsstoffer dissipation, bevægelse pesticid, flygtighed og massebalance, sammen med aforementioned målinger 3.

En begrænsning af traditionel felt lysimetry er, at kemisk mobilitet inden for en jord-profil i høj grad er defineret af fast-fase målinger, mens der mindre opmærksomhed på opløste kemiske koncentrationer i vand siver gennem jord - en kritisk komponent, som kan påvirke risikoen for forurening af grundvandet fra land anvendte kemikalier. Selvom perkolat fra bunden af ​​lysimetrene undertiden indsamles til analyse, denne anflyvningsgrænserne dybde opløsning på porevandet koncentrationer og typisk kræver en betydelig jord udgravning forud for eksperimenter. I stedet for at opnå data om kemiske koncentrationer i jordvand, porevandet samplere kan anvendes i marken indstillinger. Porevandet samplere er installeret i jord for at hente vand fra diskrete, ønskede dybder og kun minimalt forstyrre jordens system. Porevandet prøvetagere er blevet nævnt af mange navne, herunder lysimetrene, suge cup lysimetrene eller jord opløsning samplere, convoluting deres skelnen med de traditionelle felt lysimetrene beskrevet ovenfor. I dette papir vil vi bruge udtrykket "porevandet sampler" for at afhjælpe forvirring.

Her demonstrerer vi en eksperimenterende tilgang, der kombinerer felt lysimetry og porevandet prøveudtagning for at vurdere den nedadgående potentialet for udvaskning af kemikalier anvendes på bevoksede jord eller bareground-systemer. Lysimetry har været et kraftfuldt værktøj, der anvendes siden 1700-tallet 7, mens keramiske porevandet stikprøver har været anvendt siden begyndelsen af 1960'erne 8.. Integration af disse robuste teknikker giver mulighed for inden bestemmelse af både solide-og opløst fase kemisk koncentrationsfordelinger samtidig minimere jord forstyrrelse. Dette papir beskriver faktorer til at overveje, når designe et eksperiment, herunder valg af lokalitet, installationen af ​​enheden, og prøvetagning. Den tilgang er illustreret med et eksperiment, der evaluerede skæbne enorganisk arsenical pesticid påføres en bareground og en etableret plænegræs system. De beskrevne teknikker kan justeres efter behov for at undersøge skæbnen for en bred vifte af kemikalier, hvilket giver uvurderlige værktøjer for forskere og politiske beslutningstagere, der søger at forstå den miljømæssige skæbne og opførsel af jord-anvendte kemikalier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Felt prøveudtagning udføres i dette eksperiment, og er i henhold til bemyndigelsen i North Carolina Institut for Jordbrug og Consumer Services.

1.. Field lysometer Installation

  1. Vælg en eksperimentel websted, hvor sidebevægelse anvendte kemikalier er usandsynlig (dvs.. Steder med lidt eller ingen hældning). Vælg sites baseret på jord og vegetation egenskaber af interesse.
  2. Hvis plots bevoksede, træk vegetationen stik før lysimeter installation (figur 1A).
  3. Kør lysimetrene nedad til de ønskede funktioner (med eller uden vegetation) ved anvendelse af en inverteret stilling driver, forlader ~ 1-2 cm af lysometer over jordoverfladen for at indeholde det anvendte kemikalie og minimere lateral kemisk bevægelse. Til dette, valset anvendelse og svejset atten gauge stålplader (91 cm dybde x 15 cm diameter) (figur 1B). Brug lysimetrene af forskellige materialer og dimensioner til at passe research mål.
  4. Udskift vegetation stik efter lysimeter installation.
  5. Håndtere enhver vegetation som passende for eksperimentet. Hvis plots er at forblive nøgne, anvender stikprøvekontrol anvendelser af glyphosat til at holde de områder fri for vegetation.
  6. Sørg for, at kunstvanding, gødskning og alle andre forvaltningspraksis er identiske i bareground og bevoksede plots. Forudbestemme kunstvanding for at opfylde mål for forskning.

2.. Porevandet Sampler Installation

  1. Installer porevandet samplere, såsom PTFE / kvarts (50/50%), i midten af ​​lysimetrene at indsamle nedsivende porevandet.
  2. Placer en 2,5 cm rustfrit stål stang i midten af ​​lysimeter og indsætte det i jorden med en hammer til den ønskede sampler dybde.
    BEMÆRK: En snegl kan også anvendes til dette trin.
  3. Forbered en silica mel og vand gylle med 700 ml vand til kunstvanding til ~ 900 g af et kemisk inaktivt silica mel. Bland opslæmningen thorougHly før hver sampler anbringes i blandingen. Påfør tryk mellem -50 til -70 kPa til sampler fra en håndholdt eller batteridrevet vakuumpumpe.
  4. Fjern sampler fra silicamel opslæmning efter 10 minutter og blandes grundigt silicaopslæmning igen. Hæld 60 ml af opslæmningen gennem en tragt forbundet til en 2,5 cm diameter rør i bunden af ​​hullet.
  5. Placer sampler i hullet i den ønskede prøveudtagning dybden med et plast-eller metalrør. Sikre, at slangen fra prøveudtageren strækker sig ud af hullet. Brug en opslæmning af ubehandlet, indfødte jord og vand for at efterfylde den resterende hul.
  6. Tillad tid under opfyldning til jorden for at slå sig ned; anvende et rør, tamp ekstra jord efter behov.
  7. Efterfylde jord til det oprindelige niveau. Hvis det er hensigtsmæssigt, erstatte vegetation på toppen af ​​hullet.
  8. Fastgør sampler slangen til en termoflaske via en sektion af fluoreret ethylenpropylen (FEP) slange. Med et plastikrør klemme, skal du tilslutte en anden slange linje ud afvakuum flasken til en vakuumpumpe.
  9. Dæk slanger og indsamling flasker med sort plast eller tape, hvis kemikaliet (r) af interesse er tilbøjelig til fotonedbrydning (figur 1C).
  10. Påfør vakuum på ca -50 til -70 kPa via vakuum flasken prøveudtagere gentagne gange i løbet af flere dage før eksperimentering for at sikre korrekt sampler installation.

3.. Kemisk Anvendelse på lysimetrene

  1. Tillad mindst to uger for akklimatisering før kemiske applikationer er lavet.
  2. Saml baggrund porevandet prøver inden lysimeter behandling for at kvantificere baggrundskoncentrationer af kemikaliet (r) af interesse.
  3. Påfør den kemiske interesse på jorden eller vegetation af typiske fremgangsmåder, såsom med en håndholdt CO 2-tryk bom sprøjte (figur 1D) eller ved at fordele den granulære formulering direkte på overfladen af plottet indeholdende lysometer. Hvis flere kemiske applikationer er nødvendige for effektivitet, anvende dem pr typiske brugsmønstre eller etiketten retninger. Efterlade nogle lysimetrene ubehandlede for at tjene som kontrol.

4.. Porevandet Indsamling og analyse

  1. Anvend cirka -50 til -70 kPa vakuum til porevandet sampler vakuum-flasker dagen før eller på dagen for prøveudtagningen. Vand omgiver sampler vil blive udarbejdet gennem sampleren i slangen, strømmer til vakuum flaske, hvor det er indsamlet indtil samplet. Jordbunden volumen hvorfra porevandet opsamles og vandopsamlingsbakken tid kan afhænge af faktorer såsom jordtype, jordstruktur fugtindhold jord, og sampler dybde.
  2. Indsamle prøver med bestemte tidsintervaller følgende kemiske ansøgning, som forudbestemt af forskeren.
  3. Måle mængden af ​​vand opsamles i et måleglas for hver porevandet sampler. Hvis filtrering nødvendigt placere vandet i en Luer-Lok SYRinge (størrelse vil afhænge af mængden af ​​vand) og passere prøven gennem en 25 mm 0,2 um nylonfilter.
  4. Hvis der kræves forskellige prøve konserveringsmetoder og tilstrækkelig prøve indsamles, som deler prøven i unikke beholdere.
  5. En håndholdt pH-meter til bestemmelse af pH i ikke-syrnede prøver.
  6. PH justeres ved tilsætning af en passende mængde af den passende syre, hvis det er nødvendigt for prøve konservering.
    BEMÆRK: Koncentrerede syrer kan være ætsende eller oxidationsmidler og der bør udvises forsigtighed, når du bruger dem.
  7. Anbring prøverne på is i et køligere eller sættes i køleskab indtil analyse. Brug analysemetoder til kemisk måling, såsom induktivt koblet plasma-massespektrometri (ICP-MS), induktivt koblet plasma-optisk emissionsspektroskopi (ICP-OES) atomabsorptionsspektroskopi (AAS) eller højtydende væskekromatografi (HPLC) til analysere prøverne.

5.. Lysimeter Opgravning, Jord / Vegetation Collection etnd Analyse

  1. Opgrave lysimetrene indeholdende jord og vegetation, med bestemte tidsintervaller efter kemisk ansøgning. Grave ubehandlede lysimetrene ved hver prøveudtagning tid til at bestemme baggrundskoncentrationer kemiske koncentrationer i jord og vegetation.
  2. Grave lysimetrene udnytte tønde klemmer knyttet til en traktor gennemføre. Sænk skovlen til en position, som gør det muligt for klemmerne skal placeres på lysometer blottede kant.
  3. Løft redskabet forårsager klemmerne at forstå den udsatte kant, trække lysimeter kolonnen ud af jorden (figur 1E).
  4. Cap gravet lysimeterforsøg ender med isolering plader skåret til diameteren af ​​lysimetrene. Hold hætter på plads med gallon-size polyethylen poser indsat over lysimeterforsøg ender, og sikre poser med gaffatape.
  5. Transport lysimetrene til et felt laboratorium for jord og vegetation prøve division. Proces ubehandlede lysimetrene først for at undgå forurening among lysimetrene.
  6. Brug en bajonetsav udstyret med en spåntagende kniv til at skære lysometer langs den ene side. Skær kolonner fra bunden (zone af forventet lavere koncentration) til top (zone af forventet højere koncentration) for at sikre jorden på dybere dybder ikke er forurenet med jord på mindre dybder.
  7. Split åbne lysometer. Brug metal deleplader til separate diskrete jord og vegetation sektioner. Vælg intervaller jorddybde baseret på længden af ​​lysimeterforsøg og mål for forskning.
  8. Brug skeer eller spartler at udgrave sektioneret jord og vegetation. Placer hver prøve i en passende mærket polyethylen frysepose. Indsamler ikke jord direkte i kontakt med lysometer.
  9. Følg udgravningen protokol for hver ønsket prøve dybde. Placer prøveposer i en køler fyldt med is og transportere dem til et laboratorium. Opbevar prøver i en fryser indtil analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Denne metode giver mulighed for ophobning af data om skæbne af kemikalier anvendes på bareground og bevoksede jordbundssystemers 5,10. Denne fremgangsmåde blev brugt til at evaluere arsen (As) nedad udvaskning, absorption, og translokation i planter til bermudagræs (Cynodon dactylon) systemer efter anvendelse af den organiske arsenical herbicid monosodium methyl arsenate (MSMA) 9.. Siden 1960'erne har MSMA blevet brugt i ikke-dyrkede, plænegræs, og produktion af bomuld, men der er stigende bekymring for, at anvendte Som sive ned gennem jorden og forurene grundvandet 11,12. US Environmental Protection Agency (EPA) i øjeblikket overvejer at udfase MSMA, indtil yderligere videnskabelig gennemgang 13,14.

Efter MSMA ansøgning til bareground og bermudagræs lysimetrene blev hovedparten af As tilbageholdes inden jord faste faser og vegetation i hele 1-årige forsøg (figur 2,Tabel 1). Inden for de jorder, blev den højeste fastfase Som fundne koncentrationer på 0-2 cm dybde. Arsen koncentrationer i MSMA-behandlede lysimeterforsøg prøver blev hævet over ubehandlede prøver til 8-15 cm dybde tilvækst, og på dybere dybder, forskelle i fast-fase som koncentrationer mellem behandlede og ubehandlede lysimetrene var statistisk insignifikant ved hjælp af en 2-tailed t-test med ulige varians (p ≥ 0,05). Arsen blev også taget op i vegetationen, og selv om de varieret over tid, som koncentrationer i bermudagræs løv fra behandlede parceller var altid væsentligt højere end dem fra ubehandlede parceller. Samlet set op til 101% af den tilførte Som det blev genfundet i jord og vegetation faste faser fra bermudagræs-dækket lysimetrene, mens højst 66% af de som blev genfundet i bareground lysometer prøver (tabel 1).

Porevandet som koncentrationer i MSMA-behandlede parceller var afhængige dybden medi jorden profil (Figur 3). Ved 30 cm dybde, opløst fase Når koncentrationen overskred EPA 10 ug / L maksimale grænse 15 drikkevand forurenende med koncentrationer umiddelbart stigende efter MSMA ansøgning og efterfølgende faldende over tid. I modsætning hertil porevandet indsamlet fra 76,2 cm dybde i jorden profilen havde Da koncentrationer, der svarede til baggrundsniveauer og konsekvent under EPA grænse, hvilket indikerer, anvendt som ikke migrere under grænserne for det eksperimentelle system.

Undersøgelsen diskuteres her fremhæver mange af de førnævnte lysimetry og porevandet prøvetagning eksperimentelle design overvejelser. Feltet område indeholdt omtrent ingen hældning, og ~ 1,5 cm af lysimeter blev efterladt over jorden for at hjælpe med at forhindre cross-plot forurening spørgsmål og samtidig give mulighed for en ordentlig bermudagræs ledelse. Feltet området blev valgt på grund af sin lave organisk materiale og høj sand indholdssidesidet (88% sand, 7% silt, 5% ler), der repræsenterer en "worst-case" udvaskning scenarie med hensyn til jordens struktur og som fastholdelse potentiale 9. Porevandet samplere blev udvalgt således, at de ville passe ind lysimetrene, og flere uger fik lov til systemet ligevægt forud for kemisk ansøgning. Endelig blev episodisk porevandet prøveudtagning stærkt fokuseret på de tidlige stadier af eksperimenter, hvor nedadgående udvaskning af anvendte kemikalier betragtes som det mest sandsynlige.

Figur 1
Figur 1.. Fotografier skildrer udvalgte trin i installationen af lysimetre og porevandet prøvetagere. (A) Vegetation stik er fjernet inden lysimeter installation. (B) lysimetrene er drevet ned i jorden ved hjælp af en omvendt stilling driver. (C) Omfattet 2-L vakuum-flaskerbruges til at hente vand fra porevandet samplere. (D) Kemisk af interesse påføres randomiserede lysimeterforsøg plots. (E) Lysimetertest jordkerner er gravet op med en traktor gennemføre.

Figur 2
.. Figur 2. Dybde profiler af alt som koncentrationer i lysimeter jord og bermudagræs vegetation over tid efter MSMA ansøgning Symbol dybder repræsenterer jord og vegetation prøver fra intervaller følgende dybde: 0 = over jorden løv; -1 = 0 til 2 cm dybde; -3 = 2 til 4 cm; -6 = 4 til 8 cm dybde; -11.5 = 8 til 15 cm dybde; -22,5 = 15 til 30 cm dybde; og -37,5 = 30 til 45 cm dybde. Fejllinjer betegne standardafvigelsen af ​​målinger fra udtages og lysimetrene. Stjerner repræsenterer prøver, som målt som koncentrations i MSMA-behandlede lysimetrene var betydeligt højere end koncentrationer fra respektive ubehandlede lysimeterforsøg prøver. Figur modificeret fra Matteson et al 2014 9..; se reference for yderligere oplysninger.

Figur 3
Figur 3.. Porevandet Som koncentrationer fra to dybder (30 og 76,2 cm) inden MSMA-behandlede, bermudagræs-dækket lysimetrene.

Days After MSMA Behandling Vegetation eller Bare Som Gendannede i jord (%) Som Gendannede i vegetationen (%) I alt Som Gendannede (%)
36 Vegetation 83 10 93
36 Bare 62 - 62
64 Vegetation 47 3 50
64 Bare 60 - 60
119 Vegetation 83 9 92
119 Bare 66 - 66
364 Vegetation 98 4. 101
364 Bare 55 - 55

Tabel 1.. Beregnet total Som inddrivelser i lysimeter jord og bermudagræs vegetation efter MSMA ansøgning. Recovery værdier repræsenterer alt Som i lysimeter prøver fra MSMA-behandlede parceller minus alt Som i ubehandlede prøver, alt divideret med mængden af Som endded til systemet via MSMA ansøgning. Tabel modificeret fra Matteson et al 2014 9..; se reference for yderligere oplysninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved hjælp af en integreret felt lysimetry og porevandet prøvetagning tilgang giver forskerne at vurdere rumlige og tidslige fordelinger af en bred vifte af jord-anvendte kemikalier. Den skæbne af kemikalier i jord og vegetation systemer kan styres af en række miljømæssige processer og attributter, såsom nedadgående udvaskning, fordampning, hydrolyse, fotolyse, mikrobiel omdannelse / nedbrydning, planteoptag, jordtype og jordens pH 16,17. I modsætning til drivhus eller laboratorie-baserede eksperimenter, er resultaterne fra marken tilgang beskrevet her opnået med minimal afbrydelse for systemet for undersøgelsen, og derfor kan ekstrapoleres til andre systemer eller indstillinger 18. Kendskab til den mængde af kemikaliet anvendes, område af lysometer den potentielle forflygtigelse af kemikaliet, mængden målt i de opløste og faste faser, og rumvægten af ​​jorden giver mulighed for bestemmelse af kemisk massebalance og læsning grænseværdier skøn for det system af interesse - værdifulde oplysninger til at forudsige potentielle miljømæssige trusler, såsom kemisk udvaskning til grundvand.

Protokollen beskrevet her illustrerer én måde at udføre et eksperiment anvender integreret felt lysimetry og porevandet prøveudtagning. Mange dele af denne metode kan tilpasses af forskere til at løse deres specifikke mål. For eksempel bør lysimeter størrelse og type overvejes, når forberede et eksperiment, og valg bør afspejle de kemiske, jord og plante egenskaber af interesse 17.. Placering af lysimetrene må også anses for at minimere variabilitet i miljøforhold og hældning på tværs af eksperimenterende område. Ledelsespraksis (slåning, gødskning, høst, osv.) bestemme ikke kun størrelsen af den lysimeter, men kan påvirke installations dybder og funktionalitet, og bør anses for at efterligne virkelige verden praktiserer 17,19.

e_content "> Mange typer af porevandet samplere er kommercielt tilgængelige, og de repræsenterer en relativt billig måde at indsamle jord vand fra forskellige dybder. Størrelsen af ​​sampleren, dybde, samplere pr lysimeter og hyppighed for prøveudtagning bør overvejes, når designe eksperimenter. Hvis porevandet sampler valgte ikke er stort nok, kan suge kun anvendes indsamle fra den umiddelbare nærhed og ikke dække hele lysimeter område 20. En foreslået løsning er at bruge porevandet plader, der ville dække et større areal 21, selv om dette kan kræve omfattende og uønsket jord udgravning til at rumme sampler installation og kan også begrænse vandstrømmen under dybden af ​​prøvetageren. En anden bekymring med porevandet prøveudtagning er, at afhængigt af jordtype, sampler installation og vakuum ansøgning kan forårsage porevandet til fortrinsvis flyde mod sampler eller langs lysimeterforsøg vægge snarere end naturligt gennem systemet, potentielt ændrer lmemical distributioner 17,22. Endelig at kunne vurdere nedadgående kemisk udvaskning, er der behov for en passende tidsmæssig porevandet stikprøver for at sikre den kemiske af interesse ikke udvaskes forbi sampleren til tider ikke fanget af stikprøver rutinen 23.

Et af de primære formål med felt lysimetry er at kvantificere den nedadgående potentialet for udvaskning af anvendte kemikalier. Men denne fremgangsmåde bevidst begrænser effekten af ​​naturlige undergrunden lateral flow på kemisk transport. For at overvinde denne begrænsning, kan forskerne undersøger kemisk skæbne og opførsel bruge jord sonder til at indsamle jord kerner, som har både fordele og ulemper over mark lysimetry. Når området af interesse behandles, en håndholdt eller en traktor monteret sonde fjerner kerner fra parceller, der er mindre i størrelse end typiske lysimetrene, der kræver mindre område for eksperimenter og giver mulighed for hurtigere prøveudtagning. , En konsekvens af at bruge en sonde er imidlertid, at det kan skubbevegetation, jord, eller rødder nedad, potentielt forurenende dybere dybder, komprimering jord, og ændrer rumvægte. Jord-probe teknikker også give mindre beskyttelse mod cross-plot forurening som følge af afstrømning og lateral undergrunden flow.

En advarsel af felt lysimetry og porevandet prøveudtagning er, at 100% genvinding af det anvendte kemikalie er sjælden 17. Der er ubekendte, når du gennemfører denne type forskning på området i forhold til drivhusgasser eller laboratorie miljøer, hvor mere kontrol er opnået med hensyn til vejr, jordens egenskaber, og plantevækst; derfor kan resultaterne variere på tværs af eksperimentelle forsøg 3. Forskning udnytte både felt-og laboratorie-metoder kan give den mest omfattende undersøgelse af processer, der påvirker skæbnen for kemikalier i miljøet. Ikke desto mindre felt lysimetry og porevandet prøvetagning giver stærke, veletablerede teknikker til vurdering af potentielle miljøhensyn enssociated med kemikalier. I fremtiden vil flere undersøgelser sandsynligvis blive udført ved hjælp af disse teknikker for bedre at forstå den skæbne af kemikalier i ansigtet af at opretholde en tilstrækkelig fødevareforsyning, sikre korrekt bortskaffelse af affald, og opretholde høje standarder for miljøbeskyttelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgements

Forfatterne erkender personalet på NCDA Sandhills Research Station for at få hjælp med lysimeter installation og opgravning. Finansiering af forsøgene beskrevet i Repræsentative resultater blev leveret af Center for plænegræs Environmental Research & Education. Video-og manuskript produktion blev støttet af North Carolina State University afdelinger Soil Science og 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