एकीकृत फील्ड Lysimetry और Porewater सैम्पलिंग मिट्टी में रासायनिक गतिशीलता के मूल्यांकन के लिए और स्थापित वनस्पति
Summary
फील्ड lysimetry और porewater नमूना शोधकर्ताओं मिट्टी और स्थापित वनस्पति को लागू रसायनों के भाग्य का मूल्यांकन करने के लिए अनुमति देते हैं. इस प्रोटोकॉल का लक्ष्य अपेक्षित इंस्ट्रूमेंटेशन स्थापित करने और एकीकृत क्षेत्र lysimetry और porewater नमूना प्रयोगों के दौरान रासायनिक विश्लेषण के लिए नमूने एकत्र करने के लिए प्रदर्शन करने के लिए है.
Abstract
संभावित विषाक्त रसायनों को नियमित कचरा प्रबंधन और खाद्य उत्पादन पर बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए देश के लिए लागू कर रहे हैं, लेकिन इन रसायनों के भाग्य अक्सर अच्छी तरह से नहीं समझा गया है. यहाँ हम मिट्टी और स्थापित वनस्पति को लागू रसायन की गतिशीलता के मूल्यांकन के लिए एक एकीकृत क्षेत्र lysimetry और porewater नमूने विधि का प्रदर्शन. Lysimeters, धातु या प्लास्टिक से बने खुले कॉलम, bareground या वनस्पति मिट्टी में संचालित कर रहे हैं. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं और मिट्टी पानी percolating एकत्र करने के लिए वैक्यूम का उपयोग जो Porewater samplers, lysimeters भीतर पूर्व निर्धारित गहराई में स्थापित कर रहे हैं. प्रायोगिक भूखंडों को रासायनिक आवेदन निम्नलिखित योजनाबद्ध समय में, porewater एकत्र किया जाता है, और lysimeters, मिट्टी और वनस्पति युक्त, exhumed रहे हैं. Lysimeter मिट्टी, वनस्पति, और porewater, नीचे leaching दरों, मिट्टी प्रतिधारण क्षमताओं, और ब्याज के रसायन के लिए संयंत्र के तेज में रासायनिक सांद्रता का विश्लेषण करके मात्रा निर्धारित किया जा सकता है.क्षेत्र lysimetry और porewater नमूना प्राकृतिक पर्यावरणीय परिस्थितियों में और कम से कम मिट्टी अशांति के साथ आयोजित किया जाता है, इसलिए प्राप्त परिणामों असली मामले परिदृश्यों परियोजना और रासायनिक प्रबंधन के लिए बहुमूल्य जानकारी प्रदान करते हैं. रसायन तेजी से दुनिया भर में देश के लिए लागू कर रहे हैं के रूप में वर्णित तकनीक लागू रसायन मानव स्वास्थ्य या पर्यावरण के लिए प्रतिकूल प्रभाव मुद्रा क्या यह निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है.
Introduction
संभावित विषाक्त रसायनों नियमित रूप से ऐसे कीटनाशक, उर्वरक, सीवेज / biosolids, औद्योगिक अपशिष्ट, और नगर निगम के कचरे 1,2 जैसे स्रोतों से देश के लिए लागू कर रहे हैं. इन रसायनों के भाग्य -, पोषक तत्वों में शामिल तत्वों, ऑर्गेनिक्स, और उनके संबद्ध मेटाबोलाइट्स ट्रेस कर सकते हैं – जो अक्सर अच्छी तरह से 3 से समझ नहीं है. रसायन ठीक से प्रबंधित नहीं कर रहे हैं, वे पौधे, सतही जल और भूजल में उनके लिए स्थानांतरण और buildup के माध्यम से मानव स्वास्थ्य और पर्यावरण को खतरा संभावित है. 2050 तक 10 अरब लोगों तक पहुंच सकता है कि एक वैश्विक आबादी के साथ, वहाँ कचरा प्रबंधन और खाद्य उत्पादन 2 पर बढ़ती मांग कर रहे हैं, और कई रसायनों की भूमि आवेदन 3,4 बढ़ रही है. तदनुसार, अनुसंधान भूमि निपटान की आवश्यकता होती है या हम फसल स्वास्थ्य को बढ़ाने के लिए पर निर्भर है कि कि रसायनों से परिवर्तनों, गतिशीलता, लदान और सीमा है, और समग्र पर्यावरण जोखिम quantifies कि जरूरत हैऔर उपज.
रणनीतियों का एक नंबर वातावरण में लागू रसायनों से खतरों का मूल्यांकन करने के लिए नियोजित किया गया है. प्रयोगशाला आधारित, मॉडल प्रणाली के अध्ययन मिट्टी में रसायनों की गतिशीलता को नियंत्रित करने के मौलिक तंत्र के बारे में जानकारी प्रदान करने के लिए आयोजित किया गया है. एक प्रयोगशाला में रसायन के भाग्य का विश्लेषण करते हैं, "पर्यावरण" और आदानों की पूरी हेरफेर प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन ये शायद ही कभी वास्तविक दुनिया पर्यावरण की स्थिति 5,6 मैच. इस प्रकार, क्षेत्र सेटिंग्स को प्रयोगशाला के परिणाम extrapolating रासायनिक खतरों के बारे में गलत भविष्यवाणियों को जन्म दे सकती है. इसके विपरीत, व्यापक क्षेत्र माप पर्यावरण में रासायनिक व्यवहार को परिभाषित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है. हालांकि, इन मापों से पर्यावरण भाग्य के बारे में निष्कर्ष कारण अक्सर लागू रसायनों के अक्सर कम उपयोग दरों (जैसे कुछ जी एक -1), और साथ ही ई में जल और biogeochemical प्रक्रियाओं के बीच जटिल संबंधों को जटिल कर रहे हैंरासायनिक वितरण को विनियमित कि nvironment.
क्षेत्र lysimetry सहित Lysimetry, ऐतिहासिक दृष्टि से व्यवस्थित ढंग से मिट्टी और स्थापित वनस्पति को लागू रसायनों के नीचे गतिशीलता का मूल्यांकन करने के लिए मिट्टी और फसल वैज्ञानिकों द्वारा इस्तेमाल किया गया है. एक lysimeter ब्याज की मिट्टी में रखा गया है और एक सीमित क्षेत्र तक ज्ञात मात्रा में लागू रसायन के भाग्य का निर्धारण किया जाता है कि धातु या प्लास्टिक का बना एक युक्ति है. Lysimeters से एकत्र मिट्टी और वनस्पति के नमूने समय के साथ रासायनिक वितरण के विकास का आकलन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. क्षेत्र lysimetry प्राकृतिक पर्यावरण की स्थिति के तहत बाहर किया गया है, क्योंकि परिणाम मिट्टी सिस्टम में रासायनिक अनुप्रयोगों से व्युत्पन्न असली मामले परिदृश्यों की भविष्यवाणी करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. प्रारंभिक lysimeter पढ़ाई स्वेद, नमी प्रवाह, और / या पोषक तत्व आंदोलन मापा. आधुनिक दिन lysimeter पढ़ाई aforeme के साथ, कीटनाशक और पोषक अपव्यय, कीटनाशक आंदोलन, अस्थिरता, और बड़े पैमाने पर संतुलन उपायntioned माप 3.
भूजल प्रदूषण के लिए संभावित प्रभाव हो सकता है कि एक महत्वपूर्ण घटक – परंपरागत क्षेत्र lysimetry की एक सीमा है कि कम ध्यान मिट्टी के माध्यम से percolating पानी में भंग रासायनिक सांद्रता के लिए भुगतान किया जाता है, जबकि एक मिट्टी प्रोफाइल भीतर रासायनिक गतिशीलता काफी हद तक, ठोस चरण माप द्वारा परिभाषित किया गया है कि है भूमि लागू रसायनों से. Lysimeters के नीचे से leachate कभी कभी विश्लेषण के लिए एकत्र किया जाता है, आम तौर पर इस दृष्टिकोण सीमा गहराई porewater सांद्रता के संकल्प और पूर्व प्रयोग करने के लिए महत्वपूर्ण मिट्टी खुदाई की आवश्यकता है. इसके बजाय, मिट्टी पानी में रासायनिक सांद्रता के बारे में डेटा प्राप्त करने के लिए, porewater samplers क्षेत्र सेटिंग्स में उपयोग किया जा सकता है. Porewater samplers असतत, वांछित गहराई से पानी एकत्र करने के लिए मिट्टी में स्थापित किया है और केवल न्यूनतम मिट्टी प्रणाली को परेशान कर रहे हैं. Porewater samplers lysimeters, सक्शन घन सहित कई नामों से भेजा गया हैपी lysimeters, या मिट्टी समाधान samplers, ऊपर वर्णित पारंपरिक क्षेत्र lysimeters साथ उनके भेद convoluting. इस पत्र में, हम भ्रम की स्थिति को दूर करने के लिए शब्द "porewater पारखी" का प्रयोग करेंगे.
यहाँ, हम वनस्पति मिट्टी या bareground सिस्टम को लागू रसायनों के नीचे leaching क्षमता के मूल्यांकन के लिए क्षेत्र lysimetry और porewater नमूने को जोड़ती है कि एक प्रयोगात्मक दृष्टिकोण प्रदर्शित करता है. चीनी मिट्टी porewater नमूना जल्दी 1960 से 8 इस्तेमाल किया गया है, जबकि Lysimetry, 1700s 7 के बाद से इस्तेमाल एक शक्तिशाली उपकरण किया गया है. इन मजबूत तकनीक की एकता मिट्टी अशांति जबकि कम से कम दोनों ठोस और भंग चरण रासायनिक एकाग्रता वितरण के क्षेत्र निर्धारण के लिए अनुमति देता है. इस पत्र में स्थल चयन, डिवाइस स्थापना, और नमूना संग्रह सहित, एक प्रयोग डिजाइन पर विचार जब कारकों का वर्णन करता है. दृष्टिकोण एक के भाग्य का मूल्यांकन किया कि एक प्रयोग के साथ सचित्र हैकार्बनिक संखिया कीटनाशक एक bareground और एक स्थापित turfgrass प्रणाली को लागू किया. वर्णित तकनीक जिससे शोधकर्ताओं और भूमि लागू रसायनों के पर्यावरण भाग्य और व्यवहार को समझने के लिए तलाश के नीति निर्माताओं के लिए अमूल्य उपकरण उपलब्ध कराने, रसायन की एक विस्तृत विविधता के भाग्य की जांच करने के लिए आवश्यक के रूप में समायोजित किया जा सकता है.
Protocol
Representative Results
Discussion
एक एकीकृत क्षेत्र lysimetry और porewater नमूना दृष्टिकोण का उपयोग शोधकर्ताओं भूमि लागू रसायनों की एक विस्तृत विविधता के स्थानिक और लौकिक वितरण का आकलन करने के लिए अनुमति देता है. मिट्टी और वनस्पति प्रणालियों में…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों lysimeter स्थापना और उत्खनन के साथ सहायता के लिए NCDA sandhills रिसर्च स्टेशन पर स्टाफ को स्वीकार करते हैं. प्रतिनिधि परिणाम में वर्णित प्रयोगों के लिए अनुदान Turfgrass पर्यावरण अनुसंधान और शिक्षा के लिए केंद्र द्वारा प्रदान किया गया. वीडियो और पांडुलिपि उत्पादन मृदा विज्ञान और फसल विज्ञान की उत्तर कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी के विभागों द्वारा समर्थित किया गया.
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).
