Integrert Feltet Lysimetry og Porewater Prøvetaking for Evaluation of Chemical mobilitet i jordsmonn og Etablert Vegetasjon

Summary

Feltet lysimetry og porewater prøvetaking tillate forskere å vurdere skjebnen til kjemikalier som brukes til jord og etablert vegetasjon. Målet med denne protokollen er å demonstrere hvordan man skal installere den nødvendige instrumentering og samle inn prøver for kjemisk analyse under integrert felt lysimetry og porewater prøvetaking eksperimenter.

Abstract

Potensielt giftige kjemikalier blir rutinemessig brukt til å lande for å møte økende krav til avfallshåndtering og matproduksjon, men skjebnen til disse kjemikaliene er ofte ikke godt forstått. Her viser vi en integrert felt lysimetry og porewater prøvetakingsmetoden for å vurdere mobilitet av kjemikalier som brukes til jord og etablert vegetasjon. Lysimeters, åpne søyler laget av metall eller plast, er drevet inn bareground eller vege jord. Porewater samplere, som er kommersielt tilgjengelige og brukes vakuum for å samle traktejordvann, er montert ved forutbestemte dybder i lysimeters. På foreslått tid etter bruk av kjemiske midler til forsøksfeltene, er porewater samlet, og lysimeters, inneholder jord og vegetasjon, er gravd opp. Ved å analysere kjemiske konsentrasjoner i lysimeter jord, vegetasjon, og porewater, nedadgående utvaskings, jord oppbevaring kapasiteter, og plante-opptak for den kjemiske av interesse kan kvantifiseres.Fordi feltet lysimetry og porewater prøvetaking er utført under naturlige miljøforhold og med minimal jord forstyrrelse, avledet resultater projisere real-case scenarier og gi verdifull informasjon for kjemikaliehåndtering. Da kjemikalier stadig brukes til å lande på verdensbasis, kan de beskrevne teknikker benyttes for å avgjøre om anvendt kjemikalier utgjøre skadevirkninger for menneskers helse eller miljøet.

Introduction

Potensielt giftige kjemikalier blir rutinemessig brukt til å lande fra kilder som plantevernmidler, gjødsel, kloakk / biosolids, industriavfall og kommunalt avfall ^1,2. Skjebnen til disse kjemikaliene – som kan inkludere næringsstoffer, sporstoffer, organiske, og tilhørende metabolitter – er ofte ikke godt forstått ^tre. Dersom kjemikaliene ikke drives forsvarlig, har de potensial til å true menneskers og miljørettet helsevern gjennom deres overføring til og buildup i planter, overflatevann og grunnvann. Med en verdensbefolkning som kan nå 10 milliarder mennesker innen 2050, er det økende krav til avfallshåndtering og matproduksjon ^to, og landet anvendelse av mange kjemikalier har vært økende ^3,4. Følgelig er forskning nødvendig som kvantifiserer transformasjoner, mobilitet, lastegrenser, og samlede miljørisikoen fra kjemikalier som krever deponi eller at vi er avhengige av å øke avlingen helseog vike.

En rekke strategier har blitt ansatt for å vurdere trusler fra kjemikalier som brukes i miljøet. Laboratoriebasert, modell-system studier har blitt gjennomført for å gi informasjon om grunnleggende mekanismer som styrer mobiliteten av kjemikalier i jord. Ved å analysere kjemiske skjebne i et laboratorium, kan det komplette håndteringen av "miljø", og inngangene oppnås, men disse sjelden sams reelle miljøforhold ^5,6. Dermed kan ekstrapolere lab resultater til innstillinger felt føre til unøyaktige spådommer om kjemiske trusler. I motsetning til dette har brede feltmålinger brukt for å definere kjemisk oppførsel i miljøet. Imidlertid er konklusjoner om miljøskjebne fra disse målingene ofte komplisert på grunn av de ofte lave brukspriser (for eksempel noen g A ^-1) for anvendt kjemikalier, samt det komplekse samspillet mellom hydrologiske og biogeokjemiske prosesser i environment som regulerer kjemiske distribusjoner.

Lysimetry, inkludert feltet lysimetry, har historisk blitt brukt av jord-og planteforskere til å systematisk evaluere den nedadgående mobilitet av kjemikalier som brukes til jord og etablert vegetasjon. En lysimeter er en enhet som er laget av metall eller plast som er plassert inn i en jord av interesse, og som brukes til å bestemme skjebnen av kjemikalier som benyttes i kjente mengder til et begrenset område. Jord-og vegetasjonsprøver innsamlet fra lysimeters kan brukes til å vurdere utviklingen av kjemiske distribusjoner over tid. Fordi feltet lysimetry utføres under naturlige miljøforhold, kan resultatene brukes til å forutsi sann case scenarier som stammer fra kjemiske applikasjoner til jordsystemer. Tidlige lysimeter studier målte transpira, fuktighet flyt, og / eller nærings bevegelse. Dagens lysimeter studier måle plantevernmidler og næringsstoffer spredning, plantevernmiddel bevegelse, volatilitet og massebalanse, sammen med aforementioned målinger ^tre.

En begrensning av tradisjonelle felt lysimetry er at kjemisk mobilitet innenfor et jordprofil er i stor grad definert av solid-fasemålinger, mens mindre oppmerksomhet er betalt til oppløste kjemiske konsentrasjoner i vann sive gjennom jordsmonn – en kritisk komponent som kan påvirke potensialet for grunnvannsforurensning fra land brukt kjemikalier. Selv sigevann fra bunnen av lysimeters er ofte samlet inn for analyse, denne tilnærmingen grenser dybdeoppløsning på porewater konsentrasjoner og krever vanligvis betydelig jord utgraving før eksperimentering. I stedet for å innhente data om kjemiske konsentrasjoner i jordvann, porewater prøvetakere kan benyttes i feltet innstillinger. Porewater prøvetakere er installert i jord for å hente vann fra diskrete, ønskede dybder og bare minimalt forstyrre jordsystem. Porewater samplere har blitt referert til av mange navn, inkludert lysimeters, suge cup lysimeters eller jord løsning samplere, convoluting sin utmerkelse med de tradisjonelle felt lysimeters beskrevet ovenfor. I denne artikkelen vil vi bruke begrepet "porewater sampler" for å lindre forvirring.

Her viser vi en eksperimentell tilnærming som kombinerer feltet lysimetry og porewater prøvetaking for å vurdere den nedadgående utvasking potensialet av kjemikalier som brukes til vegetasjons jord eller bareground systemer. Lysimetry har vært et kraftig verktøy brukt siden 1700-tallet ^syv, mens keramisk porewater prøvetaking har vært brukt siden tidlig på 1960-tallet ^åtte. Integrering av disse robuste teknikker gir mulighet for felt bestemmelse av både faste-og oppløst-fase kjemisk konsentrasjons distribusjoner samtidig minimere forstyrrelser i jordsmonnet. Dette notatet beskriver faktorer å vurdere når designe et eksperiment, herunder valg av sted, enhet installasjon, og prøvetaking. Tilnærmingen er illustrert med et eksperiment som har evaluert skjebnen til enorganiske arsen plantevernmiddel brukes på en bareground og et etablert turfgrass system. Teknikkene som beskrives kan justeres etter behov for å undersøke skjebnen til en rekke kjemikalier, og gir dermed uvurderlig verktøy for forskere og beslutningstakere som søker å forstå miljøskjebne og oppførselen til land brukt kjemikalier.

Protocol

Feltet prøvetaking utføres i dette eksperimentet, og er under godkjenning av North Carolina Department of Agriculture & Consumer Services. En. Feltet Lysimeter Installasjon Velg et eksperimentelt nettsted hvor sideveis bevegelse av anvendt kjemikalier er usannsynlig (ie. Områder med lite eller ingen helling). Velg nettsteder basert på jord-og vegetasjons egenskaper av interesse. Hvis tomter er vegetasjon, trekk vegetasjons plugger før lysimeter installa…

Representative Results

Denne metoden gjør det mulig for akkumulering av data om skjebnen til kjemikalier brukt til bareground og vegejordsystemer 5,10. Denne tilnærmingen ble brukt til å evaluere arsen (As) nedover utvasking, absorpsjon, og trans inn planter for Bermuda (Cynodon dactylon) systemer etter påføring av organiske arsenugressmiddel mononatrium metyl arsenate (MSMA) 9. Siden 1960-tallet har MSMA blitt brukt i ikke-dyrket mark, turfgrass, og bomullsproduksjon, men det er økende bekymring for at an…

Discussion

Utnytte en integrert lysimetry feltet og porewater prøvetaking tilnærming tillater forskerne å vurdere romlige og tidsmessige fordelinger av et bredt utvalg av land-anvendt kjemikalier. Skjebnen til kjemikaliene i jord og vege systemer kan kontrolleres av en rekke miljø prosesser og attributter, for eksempel nedad utvasking, fordampning, hydrolyse, fotolyse, mikrobiell transformasjon / nedbrytning, planteopptak, jordtype, pH i jorden og ^16,17. I motsetning til drivhus eller laboratoriebaserte eksperimente…

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