Lysimetry intégré sur le terrain et l'eau interstitielle d'échantillonnage pour l'évaluation de la mobilité chimiques dans les sols et la végétation établie
Summary
lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle échantillonnage permettent aux chercheurs d'évaluer le devenir des produits chimiques appliqués sur les sols et la végétation établie. L'objectif de ce protocole est de démontrer comment installer l'instrumentation nécessaire et recueillir des échantillons pour l'analyse chimique pendant lysimetry de domaine intégré et expériences d'échantillonnage de l'eau interstitielle.
Abstract
Produits chimiques potentiellement toxiques sont systématiquement appliqués à la terre pour répondre aux demandes croissantes en matière de gestion des déchets et la production alimentaire, mais le sort de ces produits chimiques ne sont souvent pas bien compris. Ici, nous démontrons une méthode d'échantillonnage intégrée de lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle pour évaluer la mobilité des substances chimiques appliquées sur les sols et la végétation établie. Lysimètres, colonnes ouvertes en métal ou en plastique, sont entraînés dans dénudé ou les sols de végétation. échantillonneurs eau interstitielle, qui sont disponibles dans le commerce et utilisent vide pour recueillir les eaux de percolation du sol, sont installées à des profondeurs prédéterminées dans les lysimètres. À certains moments préétablis suivantes application de produits chimiques à des parcelles expérimentales, l'eau interstitielle est recueilli, et lysimètres, contenant de la terre et de la végétation, sont exhumés. En analysant les concentrations de produits chimiques dans le sol de lysimètre, la végétation et l'eau interstitielle, les taux de lixiviation à la baisse, les capacités de rétention du sol, et l'utilisation des plantes pour la molécule d'intérêt peut être quantifié.Parce que lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle échantillonnage sont menés dans des conditions naturelles de l'environnement et à la perturbation minimale du sol, les résultats issus de projets immobiliers scénarios et fournissent des renseignements précieux pour la gestion des produits chimiques. Comme les substances chimiques sont de plus en plus appliquées à la terre à travers le monde, les techniques décrites peuvent être utilisées pour déterminer si les produits chimiques appliqués posent des effets néfastes pour la santé humaine ou l'environnement.
Introduction
Produits chimiques potentiellement toxiques sont systématiquement appliqués à la terre à partir de sources telles que les pesticides, les engrais, les eaux usées / biosolides, les déchets industriels et les déchets municipaux 1,2. Le sort de ces produits chimiques – qui peut inclure des éléments nutritifs, des oligo-éléments, matières organiques, et de leurs métabolites associés – n'est souvent pas bien compris 3. Si les produits chimiques ne sont pas gérés correctement, ils ont le potentiel de menacer la santé humaine et l'environnement grâce à leur transfert et à l'accumulation dans les plantes, les eaux de surface et des eaux souterraines. Avec une population mondiale qui pourrait atteindre 10 milliards de personnes d'ici à 2050, il ya une demande croissante en matière de gestion et de production de déchets alimentaires 2, et l'épandage de nombreux produits chimiques a augmenté 3,4. En conséquence, la recherche est nécessaire, qui quantifie les transformations, la mobilité, les limites de charge, et les risques environnementaux globaux de produits chimiques qui nécessitent la mise en décharge ou que nous en dépendent pour améliorer la santé des cultureset le rendement.
Un certain nombre de stratégies ont été utilisées pour évaluer les menaces de produits chimiques appliqués dans l'environnement. , Des études modèle-système en laboratoire ont été menées pour fournir des informations sur les mécanismes fondamentaux qui régissent la mobilité des produits chimiques dans les sols. En analysant le devenir chimique dans un laboratoire, la manipulation complète de «l'environnement» et les entrées peut être atteint, mais ceux-ci correspond rarement dans le monde réel des conditions environnementales 5,6. Ainsi, l'extrapolation des résultats de laboratoire aux réglages sur le terrain peut conduire à des prévisions inexactes sur les menaces chimiques. En revanche, les mesures de champs larges ont été utilisés pour définir le comportement chimique dans l'environnement. Cependant, les conclusions sur le devenir environnemental de ces mesures sont souvent compliquées en raison des taux souvent faible utilisation (par exemple, un peu g A -1) de produits chimiques appliqués, ainsi que les interactions complexes entre les processus hydrologiques et biogéochimiques dans l'environnement qui régissent la distribution de produits chimiques.
Lysimetry, y compris le terrain lysimetry, a toujours été utilisé par les sols et des cultures scientifiques d'évaluer systématiquement la mobilité descendante de produits chimiques appliqués sur les sols et la végétation établie. Un lysimètre est un dispositif en métal ou en plastique qui est placé dans un sol d'intérêt et est utilisé pour déterminer le sort des produits chimiques utilisés dans des quantités connues d'un espace confiné. Les échantillons de sol et de végétation prélevés lysimètres peuvent être utilisés pour évaluer l'évolution des distributions chimiques au cours du temps. Parce que le champ lysimetry est réalisée dans des conditions naturelles de l'environnement, les résultats peuvent être utilisés pour prédire des scénarios réels cas dérivés des applications chimiques de systèmes de sol. Études lysimétriques début mesurés transpiration, flux d'humidité et / ou le mouvement des éléments nutritifs. Études lysimétriques modernes mesurent pesticides et des nutriments dissipation, le mouvement des pesticides, la volatilité et le bilan de masse, avec la aforememesures ntioned 3.
Une limitation de lysimetry de champ traditionnel est que la mobilité du produit chimique dans un profil de sol est en grande partie définie par des mesures en phase solide, tandis que moins d'attention est accordée à des concentrations de produits chimiques dissous dans l'eau de percolation à travers les sols – un élément essentiel qui peut influer sur le risque de contamination des eaux souterraines de produits chimiques épandues. Bien que le lixiviat du fond des lysimètres est parfois prélevé pour analyse, cette résolution limites d'approche en profondeur des concentrations dans l'eau interstitielle et nécessite généralement des travaux d'excavation importante avant l'expérimentation. Au lieu de cela, pour obtenir des données sur les concentrations de produits chimiques dans l'eau du sol, échantillonneurs d'eau interstitielle peuvent être utilisés en milieu de terrain. échantillonneurs eau interstitielle sont installés dans les sols pour recueillir l'eau de discrètes, profondeur désirée et que très peu perturber le système du sol. échantillonneurs eau interstitielle ont été appelés par beaucoup de noms, y compris lysimètres, aspiration culysimètres p, ou échantillonneurs la solution du sol, convolution leur distinction avec les lysimètres de terrain traditionnels décrits ci-dessus. Dans cet article, nous allons utiliser le terme «eau interstitielle sampler" pour atténuer la confusion.
Ici, nous démontrons une approche expérimentale qui combine lysimetry sur le terrain et l'eau interstitielle échantillonnage pour évaluer le potentiel de lixiviation vers le bas des produits chimiques appliqués aux systèmes de sol ou dénudées de végétation. Lysimetry a été un outil puissant utilisé depuis les années 1700 7, tandis que l'échantillonnage de l'eau interstitielle céramique a été utilisé depuis le début des années 1960 8. L'intégration de ces techniques robustes permet de déterminer sur le terrain des deux distributions solides et la concentration chimique en phase de dissolution, tout en minimisant les perturbations du sol. Ce document décrit les facteurs à considérer lors de la conception d'une expérience, y compris le choix du site, l'installation de l'appareil, et la collecte de l'échantillon. L'approche est illustrée par une expérience qui a évalué le sort d'unarsenical pesticide biologique appliqué à un sol dénudé et un système de gazon établi. Les techniques décrites peuvent être ajustées si nécessaire pour examiner le sort d'une grande variété de produits chimiques, fournissant ainsi des outils précieux pour les chercheurs et les décideurs qui cherchent à comprendre le devenir dans l'environnement et le comportement des produits chimiques épandues.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utilisant un lysimetry de domaine intégré et l'eau interstitielle méthode d'échantillonnage permet aux chercheurs d'évaluer les distributions spatiales et temporelles d'une grande variété de produits chimiques épandues. Le devenir des produits chimiques dans les sols et les systèmes de végétation peut être commandée par un certain nombre de processus et les attributs environnementaux, tels que le lessivage vers le bas, la volatilisation, hydrolyse, la photolyse, microbienne transformation / …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient le personnel de la station de recherche Sandhills NCDA pour aide à l'installation de lysimètres et l'exhumation. Le financement pour les expériences décrites dans les résultats représentatifs ont été fournis par le Centre de recherche sur le gazon et l'éducation environnementale. Vidéo et production manuscrit a été pris en charge par les départements universitaires d'État de Caroline du Nord de la science du sol et Crop Science.
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).
