Lysimetry متكاملة الميدانية وأخذ العينات Porewater لتقييم التنقل الكيميائية في التربة والغطاء النباتي تأسست
Summary
lysimetry الميدانية وأخذ العينات porewater تسمح للباحثين لتقييم مصير المواد الكيميائية المطبقة على التربة والغطاء النباتي المعمول بها. الهدف من هذا البروتوكول هو لشرح كيفية تثبيت الأجهزة المطلوبة وجمع عينات للتحليل الكيميائي أثناء lysimetry ميدانية متكاملة والتجارب porewater أخذ العينات.
Abstract
يتم تطبيق المواد الكيميائية السامة بشكل روتيني على الأرض لتلبية الطلبات المتزايدة على إدارة النفايات وإنتاج الغذاء، ولكن في كثير من الأحيان غير مفهومة مصير هذه المواد الكيميائية أيضا. نحن هنا إثبات وجود lysimetry الميدان وporewater طريقة أخذ العينات متكاملة لتقييم حركة المواد الكيميائية المطبقة على التربة والغطاء النباتي المعمول بها. Lysimeters، والأعمدة المفتوحة مصنوعة من المعدن أو البلاستيك، هي التي تحرك في bareground أو التربة للغطاء النباتي. Porewater العينات، والتي هي متوفرة تجاريا واستخدام الفراغ لجمع المياه الراشحة التربة، ويتم تركيبها في أعماق محددة سلفا ضمن lysimeters. في بعض الأحيان يتم ترتيبها مسبقا التالية تطبيق الكيميائية لقطع تجريبية، يتم جمع porewater، وlysimeters، التي تحتوي على التربة والغطاء النباتي، واستخرجت. من خلال تحليل التركيزات الكيميائية في التربة مقياس الذوبان، والغطاء النباتي، وporewater، ومعدلات الرشح النزولي، والقدرات الاحتفاظ التربة، وامتصاص النبات للمادة الكيميائية من الفائدة قد يكون كميا.لأن تجرى lysimetry الميدانية وأخذ العينات porewater تحت الظروف البيئية الطبيعية ومع الحد الأدنى من اضطراب التربة، والنتائج المستمدة المشروع سيناريوهات حالة حقيقية وتوفير معلومات قيمة لإدارة المواد الكيميائية. كما يتم تطبيق المواد الكيميائية بشكل متزايد على الأرض في جميع أنحاء العالم، ويمكن الاستفادة من التقنيات الموضحة لتحديد ما إذا كان تطبيق المواد الكيميائية تشكل الآثار السلبية على صحة الإنسان أو البيئة.
Introduction
يتم تطبيق المواد الكيميائية السامة بشكل روتيني على الأرض من مصادر مثل المبيدات الحشرية والأسمدة، ومياه الصرف الصحي / المخلفات الصلبة والنفايات الصناعية، والنفايات البلدية 1،2. مصير هذه المواد الكيميائية – والتي قد تشمل المواد الغذائية والعناصر النزرة، والمواد العضوية، والأيض المرتبطة بها – في كثير من الأحيان غير مفهومة جيدا 3. إذا لم تتم إدارة المواد الكيميائية بشكل صحيح، لديهم القدرة على تهديد صحة الإنسان والبيئة من خلال نقلهم إلى وتراكم في النباتات، والمياه السطحية، والمياه الجوفية. ويبلغ عدد سكانها العالمية التي قد تصل الى 10 مليار نسمة بحلول عام 2050، وهناك مطالب المتزايدة بشأن إدارة النفايات والإنتاج الغذائي 2، وتطبيق العديد من المواد الكيميائية أرض تم زيادة 3،4. وفقا لذلك، هناك حاجة إلى بحوث يحدد مقدار التحولات، والتنقل، وحدود التحميل، والمخاطر البيئية الشاملة من المواد الكيميائية التي تتطلب التخلص الأرض أو التي نعتمد عليها لتعزيز صحة المحاصيلوتسفر.
وقد تم استخدام عدد من الاستراتيجيات لتقييم التهديدات الناجمة عن المواد الكيميائية المطبقة في البيئة. وقد أجريت في المختبرات والدراسات نموذج نظام لتوفير المعلومات حول الآليات الأساسية السيطرة على حركة المواد الكيميائية في التربة. عند تحليل مصير الكيميائية في المختبر، ويمكن تحقيق التلاعب كاملة من "البيئة" والمدخلات، ولكن هذه نادرا ما تتطابق في العالم الحقيقي 5،6 الظروف البيئية. وبالتالي، استقراء نتائج المختبر على إعدادات المجال قد يؤدي إلى توقعات غير دقيقة حول التهديدات الكيميائية. في المقابل، استخدمت القياسات الميدانية واسعة لتحديد السلوك الكيميائي في البيئة. ومع ذلك، غالبا ما تتعقد استنتاجات حول مصير البيئية من هذه القياسات ويرجع ذلك إلى انخفاض معدلات استخدام بشكل متكرر (على سبيل المثال عدد قليل ز -1) من المواد الكيميائية التطبيقية، فضلا عن التفاعلات المعقدة بين العمليات الهيدرولوجية والبيولوجية الكيميائية في البريدnvironment التي تنظم توزيعات الكيميائية.
Lysimetry، بما في ذلك lysimetry الميدان، وتاريخيا كانت تستخدم من قبل التربة والمحاصيل العلماء لتقييم منهجي التنقل النزولي للمواد الكيميائية المطبقة على التربة والغطاء النباتي المعمول بها. A مقياس الذوبان هو جهاز مصنوع من المعدن أو البلاستيك التي يتم وضعها في التربة من الفائدة، ويستخدم لتحديد مصير المواد الكيميائية المطبقة في كميات المعروفة إلى منطقة محصورة. التربة والغطاء النباتي العينات التي تم جمعها من lysimeters يمكن استخدامها لتقييم تطور توزيعات الكيميائية مع مرور الوقت. لأن يتم lysimetry الحقل تحت الظروف البيئية الطبيعية، ويمكن استخدام النتائج للتنبؤ سيناريوهات الحالة الحقيقية المستمدة من التطبيقات الكيميائية لأنظمة التربة. دراسات مقياس الذوبان المبكر قياس النتح، وتدفق الرطوبة، و / أو حركة المغذيات. دراسات مقياس الذوبان في العصر الحديث قياس المبيدات والمغذيات تبديد، حركة المبيدات، وتقلب، وتوازن الكتلة، جنبا إلى جنب مع aforemeقياسات ntioned 3.
وجود قيود على lysimetry المجال التقليدي هو أن تنقل الكيميائية داخل التربة ويعرف إلى حد كبير من القياسات المرحلة الصلبة، بينما يتم إيلاء اهتمام أقل لتركيزات الكيميائية المذابة في المياه الراشحة من خلال التربة – مكون الحرجة التي قد تؤثر على احتمال تلوث المياه الجوفية من المواد الكيميائية التي تطبق الأرض. على الرغم من أن العصارة من أسفل lysimeters يتم جمعها في بعض الأحيان لتحليلها، هذا القرار حدود النهج عمق تركيزات porewater وعادة ما يتطلب الحفر كبيرة التربة قبل التجريب. بدلا من ذلك، للحصول على بيانات عن التركيزات الكيميائية في مياه التربة، يمكن استخدام العينات porewater في إعدادات المجال. يتم تثبيت العينات Porewater في التربة لجمع المياه من منفصلة، والحد الأدنى المطلوب أعماق فقط تعكير صفو النظام التربة. تم أخذ العينات المشار Porewater إلى العديد من الأسماء بما في ذلك lysimeters، شفط مكعبlysimeters ع، أو عينات محلول التربة، الإلتواء تمييز بينها وبين lysimeters الحقل التقليدية الموصوفة أعلاه. في هذه الورقة، سوف نستخدم مصطلح "العينات porewater" للتخفيف من حدة الارتباك.
هنا، علينا أن نبرهن على المنهج التجريبي الذي يجمع بين lysimetry الميدانية وأخذ العينات porewater لتقييم إمكانات الرشح النزولي للمواد الكيميائية تطبيقها على أنظمة التربة أو bareground للغطاء النباتي. وقد Lysimetry أداة قوية تستخدم منذ 1700s في 7، في حين تم استخدام السيراميك أخذ العينات porewater منذ أوائل 1960s 8. دمج هذه التقنيات القوية يسمح لتحديد مجال كل من التوزيعات الصلبة الذائبة وتركيز المواد الكيميائية للتخلص مع التقليل من اضطراب التربة. وتصف هذه الورقة العوامل في الاعتبار عند تصميم تجربة، بما في ذلك اختيار الموقع، وتركيب الجهاز، وجمع العينات. ويتضح النهج مع التجربة التي قيمت مصير لزرنيخي العضوية المبيدات تطبيقها على bareground ونظام أعشاب المروج المعمول بها. التقنيات الموضحة يمكن تعديلها عند الضرورة لدراسة مصير طائفة واسعة من المواد الكيميائية، وبالتالي توفير أدوات لا تقدر بثمن للباحثين وصانعي السياسات الذين يسعون لفهم مصير البيئية وسلوك المواد الكيميائية المطبقة الأرض.
Protocol
Representative Results
Discussion
استفاد من lysimetry مجال متكاملة ونهج أخذ العينات porewater يسمح للباحثين لتقييم التوزيع المكاني والزماني لمجموعة واسعة من المواد الكيميائية المطبقة الأرض. مصير المواد الكيميائية في التربة وأنظمة للغطاء النباتي ويمكن السيطرة عليها من قبل عدد من العمليات والخصائص البيئية، …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف الكتاب الموظفين في محطة بحوث NCDA سندهيلس للمساعدة في تثبيت مقياس الذوبان واستخراج الجثث. وقدمت التمويل للتجارب الموصوفة في نتائج الممثل عن مركز المروج للبحوث والتربية البيئية. وأيد الفيديو والإنتاج مخطوطة من قبل إدارات جامعة ولاية كارولينا الشمالية للعلوم التربة وعلوم المحاصيل.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 |
References
- 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).
- Donaldson, D., Kiely, T., Wu, L. . 1-38 U.S. Environmental Protection Agency. , (2011).
- Bergström, L., Bergström, J. Environmental fate of chemicals in soil. Ambio. 27, 16-23 (1998).
- Sutton, M. A., et al. . Our Nutrient World. The challenge to produce more food & energy with less pollution. Key Messages for Rio +20. , (2012).
- Du, W., et al. Fate and Ecological Effects of Decabromodiphenyl Ether in a Field Lysimeter. Environmental Science and Technology. 47, 9167-9174 (2013).
- Fuhr, F., Burauel, P., Mittelstaedt, W., Putz, T., Wanner, U. . Environmental fate and effects of pesticides. , 1-29 (2003).
- 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).
- Wagner, G. H. Use of porous ceramic cups to sample soil water within the profile. Soil Science. 94, 379-386 (1962).
- 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).
- 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).
- 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).
- . Water quality, pesticide occurrence, and effects of irrigation with reclaimed water at golf courses in Florida. Swancar, A. (ed USGS) Tallahassee. , (1996).
- . Organic arsenical herbicides (MSMA, DSMA, CAMA, and Cacodylic Acid), reregistration eligibility decision; notice of availability. Environmental Protection Agency, Federal Register Environmental Documents. , 1-70 (2006).
- . 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, (2013).
- . Drinking Water Regulations; Arsenic and Clarifications to Compliance and New Source Contaminants Monitoring Final Rule. Environmental Protection Agency. 66, (2001).
- Winton, K., Weber, J. B. A review of field lysimeter studies to describe the environmental fate of pesticides. Weed Technology. 10, 202-209 (1996).
- Bergström, L. Use of lysimeters to estimate leaching of pesticides in agricultural soils. Environmental Pollution. 67, 325-347 (1990).
- Byron, J. Lysimeters promoted for pesticide research. Environmental Science and Technology. 31, (1997).
- . Infographic: Pesticide Planet. Science. 341, 730-731 (2013).
- 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).
- 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).
- Weihermüller, L., Kasteel, R., Vanderborght, J., Püz, T., Vereecken, H. Soil Water Extraction with a Suction Cup. Valdose Zone Journal. 4, 899-907 (2005).
- Jury, W. A., Fluhler, H. . Advances in Agronomy. 47, 141-201 (1992).
