综合外地Lysimetry和孔隙水采样的化学活动性土壤的评价和植被成立

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

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Summary

现场lysimetry和孔隙水采样允许研究人员评估施用到土壤和植被建立化学品的命运。本协议的目的是演示如何安装所需的仪表和过程集成领域lysimetry和孔隙水采样实验收集样本,进行化学分析。

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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).

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Abstract

潜在的有毒化学品的常规应用到土地,以满足废物管理和粮食生产日益增长的需求,但这些化学品的命运往往不能很好地理解。在这里,我们展示了一个集成领域lysimetry和孔隙水采样的方法,用于评估施用到土壤和植被建立化学品的流动性。渗仪,金属或塑料制成的空心柱,打入bareground或植物的土壤。孔隙水取样器,它是市售的,并使用真空收集渗透的土壤水分,被安装在所述测渗仪内的预定深度。在下列化学应用到试验田预先安排的时间,​​孔隙水被收集,并且渗仪,包含土壤和植被,被挖掘出来。通过分析蒸渗仪土壤,植被和孔隙水,向下的浸出率,土壤保持能力,以及植物吸收的利息化学化学浓度可以量化。由于现场lysimetry和孔隙水采样是根据自然环境条件和土壤干扰最小进行的,得出结果项目实际情况的方案,并提供有价值的信息,为化学品管理。由于化学品越来越多地应用到全世界的土地,所描述的技术可用于确定应用的化学物质是否对不良反应对人体健康或环境。

Introduction

潜在的有毒化学品的常规运用的来源,如农药,化肥,污水/污泥,工业废弃物和城市垃圾1,2降落。这些化学物质的命运-其可以包括营养物,微量元素,有机物,以及它们相关的代谢物-通常不能很好地理解3。如果化学品管理不当,他们通过他们的转移和积聚于植物,地表水和地下水,威胁人类和环境健康的潜力。与可能达到10十亿人,到2050年全球人口中,有关于废物管理和粮食生产2日益增长的需求,以及土地利用的许多化学物质一直在增加3,4。因此,研究是必要的,量化的变换,流动性,负载限制,以及整体环境风险从需要土地处置或者说我们依靠增强作物健康的化学物质和产量。

许多策略已经被用来评估来自环境中的应用化学品的威胁。实验室为基础,模型系统的研究已进行提供有关控制化学品在土壤中的移动性的基本机制的信息。当分析在实验室化学命运,对“环境”,并输入完整的操作可以实现,但这些很少匹配真实世界的环境条件5,6。因此,实验室结果外推到现场设置可能会导致对化学威胁不准确的预测。与此相反,广泛的现场测量已被用于定义在环境中的化学行为。然而,大约从这些测量环境归趋的结论往往是由于经常使用低速率( 例如几克-1)应用于化学品,以及在电子水文和生物地球化学过程之间复杂的相互作用复杂nvironment调节化学分布。

Lysimetry,包括现场lysimetry,历来被用于土壤和作物科学系统地评估应用到土壤和植被建立化学品的向下流动。甲渗漏​​测定计是由金属或塑料的一种装置,被放置到感兴趣的土壤和用于确定在已知量施加到一个狭窄区域的化学品的命运。从渗仪收集的土壤和植被的样品可用于评估化学分布随时间的演化。因为字段lysimetry是天然环境的条件下进行的,结果,可用于预测来自于化学应用到土壤系统实例场景。早期的蒸渗仪测量研究蒸腾,水分流动,和/或营养运动。现代蒸渗仪测量研究农药和养分消耗,农药运动,波动性和质量平衡,随着aforementioned测量3。

传统字段lysimetry的一个限制是,在土壤剖面的化学迁移率主要取决于固相的测量所定义,而较少关注到在水中溶解的化学浓度通过土壤渗滤 - 可能影响对地下水污染的可能性的重要组成部分从土地应用的化学品。虽然从渗仪底部渗滤液有时被收集用于分析,孔隙水浓度的这种做法限制深度分辨率,通常需要前实验显著挖土。相反,以获取有关土壤水分的化学品浓度数据,孔隙水采样器可以用在字段设置。孔隙水采样器安装在土壤中,从离散的,所需深度收集水,只有最低限度扰乱土壤系统。孔隙水采样器已经提到了很多名字,包括渗仪,吸痰立方米p渗仪,或土壤溶液取样器,卷积它们之间的区别与上述领域传统的蒸渗仪。在本文中,我们将使用术语“孔隙水采样器”,以减轻混乱。

在这里,我们表明,结合现场lysimetry和孔隙水采样评估应用到植物的土壤或bareground系统化学物质的向下淋失风险的一种实验方法。 Lysimetry一直以来,1700年7采用了功能强大的工具,而陶瓷孔隙水采样已自20世纪60年代初8使用。这些强大的技术整合,可以进行现场测定,同时尽量减少对土壤的扰动两种固体和溶解相的化学浓度分布。本文介绍了设计一个实验,包括选址,设备安装,样品采集时要考虑的因素。该方法与说明,评估一个企业的命运实验有机砷农药施加到bareground和已建立的草坪系统。描述的技术可以根据需要进行调整,研究​​的各种化学品的命运,从而提供宝贵的工具,以研究人员和政策制定者谁寻求理解的土地用于化学品的环境行为和命运。

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Protocol

野外采样在这个实验中进行,并根据农业和消费者服务的北卡罗来纳部门的授权。

1,现场蒸渗仪的安装

  1. 选择一个实验性的网站上,其中应用化学横向移动的机会不大( ,与很少或没有坡度的网站)。选择基础上的利益土壤和植被性质的网站。
  2. 如果地块植被,植被拔插头式蒸渗仪的安装( 图1A)之前。
  3. 向下推动渗计成使用倒置后的驱动程序,留下约1-2厘米的土壤表面以上的蒸散为包含施加化学和减少化学横向移动的需要的图(有或没有植被)。对于这一点,利用焊接而成18轨钢板(91厘米深x 15厘米直径)( 图1B)。使用不同的材料和尺寸的渗仪,以适应水库目录操作搜索目标。
  4. 下面蒸渗仪的安装更换植被插头。
  5. 管理任何植被以适合进行实验。如果图是保持裸露,使用草甘膦点应用,以保持区域提供免费植被。
  6. 确保灌溉,施肥,以及任何其他管理措施是相同的bareground和植被图。预先灌水,以满足研究目标。

2,孔隙水采样器安装

  1. 安装孔隙水采样器,如PTFE /石英(50/50%),中渗仪的中间,收集渗透孔隙水。
  2. 放置2.5cm的不锈钢棒的蒸散的中心,并将其插入地面用木槌到所需的采样深度。
    注意:一个螺旋推运器,也可以用于此步骤。
  3. 准备一个石英粉和水泥浆用700ml灌溉水来〜900克化学惰性二氧化硅粉。混合浆料thoroug溶血素前各采样被​​放置在该混合物中。从手持或电池供电的真空泵适用-50至-70千帕的压力之间的取样器。
  4. 从石英粉浆液取出取样器10​​分钟后,彻底再混合二氧化硅浆料。倾60毫升浆料通过连接到2.5厘米直径的管插入孔的底部的漏斗。
  5. 将取样器中的孔所需的采样深度用塑料或金属管。确保从采样器管道延伸出的洞。使用未处理,原生土壤和水的泥浆回填剩余的孔。
  6. 回填的土定居在允许的时间;使用管道根据需要添加夯实土壤。
  7. 土回填到原来的水平。如果合适的话,更换植被在孔的顶部。
  8. 通过氟化乙烯丙烯(FEP)管节连接采样管连接到一个真空瓶。用塑料管夹,连接第二个管道线出真空瓶与真空泵。
  9. 涵盖管道和收集瓶的黑色塑料或胶带,如果感兴趣的化学(s)是容易发生光降解( 图1C)。
  10. 通过真空瓶重复应用约-50至-70千帕的真空压力的过采样的实验前数天的过程中,以确保适当的采样器的安装。

3,化学应用渗仪

  1. 化学应用是由前留出至少两个星期驯化。
  2. 收集背景孔隙水样品蒸渗仪治疗前量化目标化学(S)的背景浓度。
  3. 申请所关注的化学品到土壤或植物通过典型的方法,例如用一个手持式CO 2加压喷杆喷雾机( 图1D),或通过直接的含有蒸散积在表面上分布的颗粒制剂。如果有多个化学应用所必需的功效,适用于他们每个典型使用模式或标签方向。留下一些渗仪未经处理作为对照。

4,孔隙水收集和分析

  1. 动用约-50至-70千帕的真空来的前一天或取样当天的孔隙水采样器真空瓶。围绕水采样器将制订通过采样进入管道,流向那里收集到采样的真空瓶。从该孔隙水被收集和水收集时间可以取决于因素如土壤类型,土壤质地,土壤水分含量和采样深度的土壤体积。
  2. 收集样品在指定的时间间隔以下化学应用中,如预定的研究员。
  3. 测量所收集的水的体积成量筒每个孔隙水取样。如果过滤是必要的,将水在鲁尔乐学年RINGE(大小将取决于水量),并通过25毫米0.2微米的尼龙过滤器通过样品。
  4. 如果不同的样品保存方法是必要的,足够的样本采集,将样本分为独特的容器。
  5. 使用一个手持的pH计,以确定非酸化样品的pH值。
  6. 通过如果需要的样品保存添加适当的酸的适当量调节pH值。
    注:浓酸能腐蚀或氧化剂和护理时,应使用它们服用。
  7. 冰在一个凉爽的地方样品或放入冰箱直至分析。使用的分析方法为化学计量比如电感耦合等离子体 - 质谱(ICP-MS),电感耦合等离子体 - 光发射光谱(ICP-OES),原子吸收光谱(AAS)或高效液相色谱法(HPLC),以分析样品。

5,蒸渗仪折返,土壤/植被集合ND分析

  1. 挖出的渗仪,含土壤和植被,在下面的化学应用指定的时间间隔。发掘未处理渗仪在每个采样时间到土壤和植被中确定的背景化学品浓度。
  2. 发掘利用连接到一台拖拉机实施桶箍渗仪。放下水桶到一个位置它允许被放置在蒸渗仪的暴露边缘夹。
  3. 提起实施造成夹钳把握露锋芒,拉动蒸渗仪柱的土壤( 图1E)。
  4. 盖挖出蒸渗仪与两端切到渗仪的直径绝缘片。持帽,用插在蒸渗仪两端加仑大小的聚乙烯袋,并用胶带安全袋。
  5. 运输渗仪到现场实验室进行土壤和植被分样。首先处理未处理渗仪,以防止污染时翁渗仪。
  6. 使用一个往复锯配备金属切削刀片纵向切开蒸散一侧。从底部(预期低浓度区)顶(预期为高浓度区),以确保土壤在更深的深度不是由土壤在较浅的深度污染削减的列。
  7. 裂开的蒸渗仪。使用金​​属分隔板分隔离散土壤和植被的部分。选择基础上的蒸渗仪和研究目标的长度土壤深度增量。
  8. 用勺子或抹刀挖掘的剖面土壤和植被。将每个样品中的适当标记的聚乙烯保鲜袋。不要直接与蒸渗仪接触收集的土壤。
  9. 按照协议,挖掘每个所需的采样深度。将样品袋在装满冰块冷却器,并将它们运送到实验室。店内样品在冷冻直至分析。

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Representative Results

这种方法允许对化学品的命运数据的积累应用到bareground和植被土壤系统5,10。这种方法被用来评估砷(以As计)向下淋溶,吸收和易位转化为狗牙根植物( 狗牙根 )以下应用的有机砷除草剂味精甲基砷酸(MSMA)系统9。自1960年以来,MSMA已用于非农田,草坪草和棉花产量,但是可能有应用由于可以通过土壤向下渗漏,污染地下水11,12日益受到关注。美国环境保护署(EPA)正在考虑逐步淘汰MSMA,等待更多的科学审查13,14。

以下MSMA应用bareground和狗牙根渗仪,多数由于被土壤固相和植被在整个1年的实验中( 图2,保留表1)。在土壤,最高固相如浓度出现在0-2厘米深。砷浓度MSMA处理蒸渗仪样品中均升高以上未处理的样品到8-15厘米的深度递增,并在更深的深度,不同的固相如之间的浓度处理,未处理渗仪采用双尾t检验统计学意义与方差不等(P≥0.05)。砷也被吸收到植物,尽管它们随时间变化,如从处理过的地块集中在狗牙根叶子总是比那些从未处理地块显著较高。总体而言,高达101%的施加作为回收从狗牙根覆盖的渗仪的土壤和植被的固相,而最高为66%的作为回收在bareground蒸散的样品( 表1)。

孔隙水作为浓度MSMA处理情节都依赖于深度在土壤剖面( 图3)。在30厘米深,溶解相如含量超过EPA的10微克/升最大饮用水污染物限值15,其浓度立即增加以下MSMA应用程序,随后下降随着时间的推移。相比之下,孔隙水76.2厘米深土壤剖面采集了由于在类似于背景水平,始终低于EPA浓度限值,表明申请作为未迁移的实验系统的界限以下。

这里讨论的研究强调上述许多lysimetry和孔隙水采样实验设计方面的考虑。场区大致包含没有坡度,和〜1.5厘米蒸渗仪留给地面,以帮助防止交叉污染地块的问题,同时也允许适当的狗牙根管理。场区被选为由于其较低的有机物和高沙conten吨(88%沙子,7%的泥沙,5%的粘土),较“最坏情况”浸出情景就土壤质地和作为保留势9。孔隙水采样器被选定,使他们适应渗仪内,几个星期前,化学应用被允许用于系统平衡。最后,情节孔隙水取样很大程度上集中在实验中,当被认为是最有可能应用于化学浸出向下的早期阶段。

图1
图1描绘照片中渗仪和孔隙水采样器的安装选择步骤。 (一)植被插头,以蒸渗仪安装前删除。(B)蒸渗仪使用的是倒置的驱动程序后打入地下。(C)覆盖2-L真空瓶用于从孔隙水采样器收集水。其他(四)化学应用到随机蒸渗仪地块(E)蒸渗仪土壤内核挖出了拖拉机实施。

图2
。总砷浓度在蒸渗仪土壤和植被狗牙根随着时间的推移下MSMA申请的图2深度剖面符号代表深处土壤和植被样从以下深度增量:0 =地上的树叶; -1 = 0〜2厘米深; -3 = 2至4厘米; -6 = 4〜8厘米深; -11.5 = 8〜15厘米深; -22.5 = 15〜30厘米深;和-37.5 = 30〜45厘米深。误差棒表示测量的重复样品和渗仪的标准偏差。星号代表样品被测量作为conce在MSMA处理渗仪ntrations比从各自的未处理蒸渗仪样品浓度显著较高。从图马特森等人修改2014年9;看到更多的细节参考。

图3
图3孔隙水自两个深度(30 76.2公分)MSMA处理,狗牙根覆盖渗仪内的浓度。

几天后MSMA治疗 植生或裸 由于回收的土壤(%) 由于恢复植被(%) 合计回收(%)
36 植生 83 10 93
36 62 - 62
64 植生 47 3 50
64 60 - 60
119 植生 83 9 92
119 66 - 66
364 植生 98 4 101
364 55 - 55

表1。计算总作为土壤蒸渗仪和狗牙根植被回收率以下MSMA应用。恢复值占总自MSMA处理地块减去总蒸渗仪样品中由于未处理的样品中,所有除以数量作为通过MSMA应用dded到系统。修改表从马特森等人 ,2014年9;看到更多的细节参考。

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Discussion

利用一个集成领域lysimetry和孔隙水采样方法使研究人员能够评估各种土地应用化学时空分布。化学物质在土壤和植被系统的命运可以通过许多环境过程和属性,例如向下淋溶,挥发,水解,光解,微生物转化/降解,植物吸收,土壤类型,土壤PH值16,17来控制。不像温室或实验室基础实验,从这里所描述的领域为基础的方法的结果与获得对研究的系统影响最小,因此可以外推到其他系统或设置18。知道所施加的化学物质的量,蒸散的区域中,该化学品的潜在挥发,在溶解和固相测定量,以及土壤的堆积密度可测定化学质量平衡和装载限估计为感兴趣的系统 - 有价值的信息来预测潜在的环境威胁,如化学浸出到地下水中。

这里描述的协议说明进行使用集成领域lysimetry和孔隙水采样实验的方法之一。这种方法的许多部件可以由研究人员进行调整,以解决他们的具体目标。例如,蒸渗仪的大小和类型应该准备实验时必须考虑和选择应体现化学,土壤和利息17种植物的属性。渗仪的放置,还必须考虑到在整个实验区的环境条件和斜率减少可变性。管理规范(割草,施肥,收割 )决定了蒸渗仪不仅大小,但可能会影响安装深度和实用性,并应被视为模仿真实世界的实践17,19。

e_content“>有许多类型的孔隙水采样器的商业化,它们代表了相对廉价的方式,从不同深度采集的土壤水分。采样器的大小,深度,每蒸渗仪采样器和采样频率应设计实验时考虑。如果选择的孔隙水采样器不够大,应用抽吸只能从附近收集并不能覆盖整个蒸渗仪面积20。一个建议的解决方案是使用孔隙水板,将覆盖更大的表面面积21,虽然这可能需要大量的和不期望的土壤挖掘,以适应安装取样器,也可能限制下面的采样深度的水流。与孔隙水采样另一个值得关注的是,这取决于土壤类型,采样器的安装和真空应用可能导致孔隙水,以优先向采样器或沿流蒸渗仪的墙壁,而不是自然地通过该系统,可能会改变通道emical分布17,22。最后,要正确评价向下化学浸出,是需要足够的时间孔隙水采样,以确保利益的化学不浸出过去采样,有时并非由抽样23例行抓获。

一个字段lysimetry的主要目的是要量化的施加化学物质的向下淋潜力。然而,这种方法限制了故意天然地下的影响侧向流动的化学品运输。为了克服这个限制,科学家们研究化学的命运和行为可以用土壤探头采集土样,这既有利也有弊多场lysimetry。一旦所感兴趣的区域进行处理,手持式或拖拉机悬挂式探针移除芯从曲线是在尺寸上小于典型渗仪,需要进行实验少区域,并允许更快的采样。然而,使用探针的结果是,它可能推植物,土壤或根部向下,潜在的污染更深的深度,压实土壤,并改变体积密度。土壤探针技术也因径流和侧向潜流提供对交叉污染地块的保护较少。

现场lysimetry和孔隙水采样的一个需要注意的是,应用化学100%的回收率是罕见的17。当有完成这种类型的研究领域与地方更多的控制是实现与有关天气,土壤性质和植物生长的温室或实验室环境相比,是个未知数;因此,结果可能横跨实验性试验3有所不同。研究同时利用现场和实验室的方法可以提供过程影响的化学物质的命运在环境中最全面的检查。尽管如此,现场lysimetry和孔隙水采样提供了强大的,成熟的技术,以评估潜在的环境问题一ssociated化学品。在未来,更多的研究将有可能使用这些技术,以便更好地了解化学品的命运在维持充足的粮食供应,确保妥善处置废物,并坚持高标准的环保面前进行。

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Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgements

作者承认工作人员在NCDA沙丘研究站与蒸渗仪的安装和折返协助。资金用于代表性的成果描述的实验是由中心的草坪环境研究和教育提供。视频和手稿的生产是由土壤科学和作物科学的北卡罗莱纳州立大学各部门的支持。

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

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References

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