Messung der Phosphorfreisetzung in Labormikrokosmen zur Wasserqualitätsbewertung
Summary
Eine genaue Quantifizierung des Phosphor-Desorptionspotenzials in gesättigten Böden und Sedimenten ist wichtig für p-Modellierungs- und Transportminderungsbemühungen. Um die In-situ-Boden-Wasser-Redoxdynamik und p-Mobilisierung unter längerer Sättigung besser zu berücksichtigen, wurde ein einfacher Ansatz entwickelt, der auf wiederholten Probenahmen von Labormikrokosmen basiert.
Abstract
Phosphor (P) ist ein kritischer begrenzender Nährstoff in Agroökosystemen, der ein sorgfältiges Management erfordert, um das Transportrisiko für aquatische Umgebungen zu verringern. Routinemäßige Labormaßnahmen der P-Bioverfügbarkeit basieren auf chemischen Extraktionen, die an getrockneten Proben unter oxidierenden Bedingungen durchgeführt werden. Obwohl nützlich, sind diese Tests in Bezug auf die Charakterisierung der P-Freisetzung unter längerer Wassersättigung begrenzt. Labile Orthophosphat, das an oxidiertes Eisen und andere Metalle gebunden ist, kann schnell zur Lösung in reduzierenden Umgebungen desorbieren, was das P-Mobilisierungsrisiko für Oberflächenabfluss und Grundwasser erhöht. Um das P-Desorptionspotenzial und die Mobilität bei längerer Sättigung besser zu quantifizieren, wurde ein Labormikrokosmosverfahren entwickelt, das auf wiederholten Probenahmen von Porenwasser und darüber liegenden Hochwasserim und Darübertraten im Laufe der Zeit basiert. Die Methode ist nützlich für die Quantifizierung des P-Freisetzungspotenzials aus Böden und Sedimenten mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften und kann die standortspezifischen P-Minderungsbemühungen verbessern, indem das P-Freisetzungsrisiko in hydrologisch aktiven Gebieten besser charakterisiert wird. Zu den Vorteilen der Methode gehören die Fähigkeit, In-situ-Dynamik, Einfachheit, niedrige Kosten und Flexibilität zu simulieren.
Introduction
Phosphor (P) ist ein kritischer begrenzender Nährstoff sowohl für die Produktivität von Pflanzen als auch für aquatische Biomasse. Die Oberflächenwasserhydrologie ist ein Haupttreiber des P-Schicksals und des Transports, da sie den physischen Transport von Sedimenten und P steuert und gleichzeitig das Remobilisierungspotenzial bei Abfluss- und Überschwemmungs-/Teichereignissen beeinträchtigt. Verschiedene laborbasierte Extraktionsmethoden werden in der Regel verwendet, um die P-Freisetzung auf der Feldskala unter oxidierenden Bedingungen zu schätzen. Während verschiedene Mechanismen zur P-Freisetzung beitragen können, ist die reduktive Auflösung von Eisenphosphaten ein etablierter Reaktionsmechanismus, der zu großen Orthophosphat-P-Flussen zu Wasser führen kann1,2,3, 4. Bei einer Überprüfung der Mechanismen zur Kontrolle der P-Biogeochemie in Feuchtgebieten wurde der Redox-Status als die Hauptvariable vermutet, die die Freisetzung von P in Böden und flaches Grundwasser kontrolliert5. Daher sind herkömmliche P-Tests möglicherweise keine zuverlässigen Prädiktoren für die P-Freisetzung bei längerer Sättigung.
Angesichts der Bedeutung der Verweilzeit und des Redoxstatus für P-Schicksal und Transport könnten Laboransätze zur besseren Simulation von In-situ-Bedingungen zu verbesserten P-Transportrisikoindizes für landwirtschaftliche und feuchte Ökosysteme führen, die variable Sättigung. Da Orthophosphat sofort bioverfügbar ist, können Die Rate und das Ausmaß der Desorption während der Sättigung als Index des Nichtpunkt-Quellen-P-Verschmutzungsrisikos verwendet werden. Unsere Methode wurde entwickelt, um p desorption zu Porewater (PW) und Mobilisierung zu darüberliegenden Hochwasser (FW), ein typischer Zustand in Gebieten mit variabler Quellgebiet Hydrologie (z. B. überflutete landwirtschaftliche Felder, Feuchtgebiete, Entwässerungsgräben und Anrainer/ Nahlaufzonen). Die Methode wurde ursprünglich entwickelt, um das P-Freisetzungspotenzial in saisonal überfluteten Böden aus dem nördlichen New York (USA) zu charakterisieren und wurde kürzlich angewendet, um das P-Desorptionspotenzial von Uferböden aus dem Lake Champlain Basin 6 im Nordwestlichen Vermont zu quantifizieren. . Hier stellen wir ein Protokoll für die Labormikrokosmosmethode zur Verfügung und heben die Ergebnisse einer kürzlich veröffentlichten Studie hervor, die seine Fähigkeit zur Quantifizierung des P-Desorptionspotenzials demonstriert. Wir zeigen auch die Beziehung zwischen P-Freisetzungspotenzial und die Zuverlässigkeit von routinemäßigen Bodentests (labile extractable P, pH) zur Vorhersage der Freisetzung über Standorte hinweg.
Die Durchführung der Methode erfordert den Zugang zu einem Analyselabor mit ausreichender Klimakontrolle, Lüftung, Wasser und einem geeigneten sauren Abfallentsorgungssystem. Das Verfahren setzt den Zugang zu routinemäßigen chemischen Reagenzien und Laborgeräten (Senken, Hauben, Glaswaren usw.) voraus. Über den routinemäßigen Laborbedarf hinaus ist ein Membranfiltrationssystem (ca. 0,45 m) und ein UV-Spektralphotometer zur Messung von P erforderlich. Eine pH-Meter- oder Multiparameter-Wasserqualitätssonde wird ebenfalls empfohlen, ist aber nicht erforderlich. Die Labortemperatur ist ein wichtiger Faktor und sollte konstant gehalten werden, es sei denn, die Temperatur selbst wird als experimenteller Faktor untersucht (20 °C wird empfohlen). Der ungehinderte Zugang zu einem geeigneten Analyselabor mit entsprechender Ausrüstung ist eine Voraussetzung, um die Methode ordnungsgemäß durchzuführen und aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein technischer Hauptvorteil des Mikrokosmos-Ansatzes ist seine Fähigkeit, In-situ-Bedingungen zu simulieren, bei denen gesättigte Böden oder Sedimente sofort von FW überlag, die sich in Redox- und P-Status erheblich unterscheiden können. Landschaften mit variabler Quellenhydrologie wie Entwässerungsgräben, überflutete Ackerflächen, Feuchtgebiete und Ufer-/Nahbachzonen sind Beispiele dafür, dass reduzierte PW periodisch von mehr oxidiertem Wasser mit niedrigeren Pi-Konzentrationen überlagert werden. D…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Finanzierung wurde vom Vermont Water Resources and Lake Studies Center durch eine Vereinbarung mit dem U.S. Geological Survey zur Verfügung gestellt. Schlussfolgerungen und Meinungen sind die der Autoren und nicht das Vermont Water Resources and Lake Studies Center oder die USGS.
Materials
| 1.25 cm plastic hose barbs | numerous | NA | |
| Chemical reagents for phosphorus determination | numerous | NA | P analysis capability is assumed; refer to cited references for details on method |
| Chordless or electric drill with 1.25 cm bit | numerous | NA | |
| Graduated plastic beakers (1L) | numerous | NA | |
| Laboratory with fume hoods, temperature control, and acid waste disposal system | NA | NA | |
| Nylon mesh filter screen (100um) | numerous | NA | |
| Silicone | numerous | NA | |
| UV Spectrophotometer | numerous | NA |
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