Интегрированный полевой Lysimetry и поровой воде Отбор проб для оценки химической мобильности в почвах и создания растительности
Summary
Поле lysimetry и отбор проб вода в поре позволяют исследователям оценить судьбу химических веществ, применяемых в почву и установившейся растительности. Целью этого протокола является продемонстрировать, как установить требуемую приборы и собирать образцы для химического анализа во встроенной lysimetry поля и поровой воде экспериментов выборки.
Abstract
Потенциально токсичные химикаты регулярно вносятся в почву для удовлетворения растущих потребностей в области обработки отходов и производства продуктов питания, но судьба этих химических веществ часто не очень хорошо понял. Здесь мы показываем, интегрированный поле lysimetry и поровой воде метод выборки для оценки мобильности химических веществ, применяемых в почву и установившейся растительности. Лизиметрах, открытые колонны, сделанные из металла или пластика, что они попали в bareground или растительностью почвах. Поровой воды пробоотборники, которые коммерчески доступны и используют вакуум для сбора просачивающейся воды почвы, установлены в заданных глубинах в пределах лизиметрах. В заранее подготовленных времена следующих химической применении к опытных участках, вода в поре собирается, и лизиметры, содержащий почву и растительность, которые эксгумировали. Анализируя химические концентрации в лизиметра почвы, растительности, и поровой воде, вниз скорости выщелачивания, удержания почвы мощностей и поглощения растениями для химического вещества может быть количественно.Поскольку поле lysimetry и отбор проб вода в поре проводятся в естественных условиях окружающей среды и с минимальным нарушением почвенного, полученные результаты проекта сценарии реального дела и дать ценную информацию для управления химическими веществами. Как химические вещества все чаще применяется на землю по всему миру, описанные методы могут быть использованы для определения представляют неблагоприятные последствия для здоровья человека или для окружающей среды, применяемые химикаты.
Introduction
Потенциально токсичные химикаты регулярно вносятся в почву из таких источников, как пестициды, удобрения, канализации / твердых веществ биологического происхождения, промышленных отходов и бытовых отходов 1,2. Судьба этих химических веществ – которые могут включать питательные вещества, микроэлементы, органические, и связанные с ними метаболитов – часто не очень хорошо понял 3. Если химические вещества не удалось должным образом, у них есть потенциал для создания угрозы для здоровья человека и окружающей среды посредством их передачи и накопления в растениях, поверхностных вод и подземных вод. С мирового населения, которые могут достичь 10 миллиардов человек к 2050 году, есть растущий спрос на утилизации отходов и производства продуктов питания 2, и земля применение многих химических веществ увеличивается 3,4. Соответственно, исследование необходимо, что количественно преобразования, мобильность, лимиты загрузки, и в целом экологических рисков от химических веществ, требующих утилизации земли или, что мы зависим от для укрепления здоровья сельскохозяйственных культури доходность.
Ряд стратегий были использованы для оценки угрозы от химических веществ, применяемых в окружающей среде. Лабораторные основе, модель-система исследования были проведены для предоставления информации о фундаментальных механизмов, контролирующих подвижность химических веществ в почвах. При анализе химического судьбу в лаборатории, в комплекте манипуляции с "окружающей среды" и входов может быть достигнуто, но они редко совпадают реальных условиях окружающей среды 5,6. Таким образом, экстраполируя результаты лаборатории в полевых условиях может привести к неточным предсказаний о химических угроз. В противоположность этому, измерения широкое поле были использованы для определения химическое поведение в окружающей среде. Тем не менее, выводы о последствиях для окружающей среды от этих измерений часто осложняется из-за часто низким ставкам использования (например, некоторые г -1) прикладных химических веществ, а также сложных взаимодействий между гидрологическими и биогеохимических процессов в электроннойnvironment которые регулируют химические распределения.
Lysimetry, в том числе поля lysimetry, исторически использовались почв и сельскохозяйственных культур ученых систематически оценивать вниз подвижность химических веществ, применяемых в почву и установившейся растительности. Лизиметрические является устройство, сделанное из металла или пластика, который помещен в почве интереса и используется, чтобы определить судьбу химических веществ, применяемых в известных количествах в ограниченном пространстве. Почвы и растительности образцы, взятые у лизиметрах может быть использован для оценки эволюцию химических распределений с течением времени. Поскольку поле lysimetry осуществляется в естественных условиях окружающей среды, результаты могут быть использованы для прогнозирования сценариев реального тематические полученные из химических приложений к системам почвы. Ранние исследования лизиметрические измеряется испарение, приток влаги, и / или движение питательных веществ. Современные лизиметрические исследования измерения пестицидов и питательных веществ рассеивание, движение пестицидов, изменчивость и баланс массы, наряду с aforementioned измерения 3.
Ограничение традиционной поля lysimetry в том, что химическая мобильность в пределах почвенного профиля во многом определяется измерений твердофазных, в то время меньше внимания уделяется растворенных химических концентрации в воде просачивающихся через почв – критический компонент, которые могут повлиять на потенциал для загрязнения подземных вод от наземного применения химических веществ. Хотя фильтрата из нижней части лизиметрах иногда собирали для анализа, это разрешение по глубине подход ограничивает концентраций поровой воды и, как правило, требует значительных выемку грунта до эксперимента. Вместо этого, чтобы получить данные о химических концентраций в почвенной воде, поровой воды пробоотборники могут быть использованы в полевых условиях. Поровой воде пробоотборники устанавливаются в почвах для сбора воды из дискретных, требуемых глубин и только минимально нарушить систему почвы. Поровой воде пробники были переданы по-разному: лизиметрах, всасывания у.е.р лизиметры или пробники почвенного раствора, свертки их различие с традиционными лизиметрах полевых описанных выше. В этой статье мы будем использовать термин "вода в поре сэмплер", чтобы облегчить путаницу.
Здесь мы демонстрируем экспериментальный подход, который сочетает в поле lysimetry и отбор проб поровой воде для оценки нисходящую выщелачивания потенциала химических веществ, применяемых к растительностью почвы или bareground систем. Lysimetry была мощным инструментом, используемым с 1700-х годов 7, в то время выборки керамическая вода в поре был использован с раннего 1960 8. Интеграция этих надежных методов позволяет определять поля обоих твердых и химическая концентрационных растворенного фаза распределений при минимизации повреждения почвы. Эта статья описывает факторы необходимо учитывать при разработке эксперимент, включая выбор площадки, установки устройств и сбора образцов. Подход проиллюстрирован эксперимента, которые оценивали судьбуОрганический мышьяка пестицидов применяется к bareground и установленной системой Turfgrass. Методики, описанные можно регулировать по мере необходимости изучить судьбу самых разнообразных химических веществ, тем самым обеспечивая неоценимые инструменты для исследователей и политиков, которые стремятся понять в окружающей среде и поведение суше применяется химических веществ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Используя интегрированный полевой lysimetry и поровой воде выборки подход позволяет исследователям оценить пространственные и временные распределения широкого спектра наземных применяется химических веществ. Судьба химических веществ в почвах и растительностью систем можно контролир…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают, что персонал в научно-исследовательской станции NCDA Sandhills для помощи по установке испарителя и эксгумации. Финансирование экспериментов, описанных в Представитель Результаты была предоставлена Центром Turfgrass экологических исследований и образования. Видео и рукопись производства была поддержана Университета штата Северная Каролина кафедр почвоведения и 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).
