Integrato Campo Lysimetry e Porewater campionamento per la valutazione della chimica Mobilità nel suolo e alla vegetazione Fondata
Summary
Campo lysimetry e campionamento porewater permettono ai ricercatori di valutare il destino di sostanze chimiche applicate al suolo e alla vegetazione stabilita. L'obiettivo di questo protocollo è quello di dimostrare come installare la strumentazione necessaria e raccogliere campioni per l'analisi chimica durante lysimetry campo integrato ed esperimenti di campionamento porewater.
Abstract
Sostanze chimiche potenzialmente tossiche sono regolarmente applicati a terra per soddisfare le crescenti esigenze di gestione dei rifiuti e la produzione di cibo, ma il destino di queste sostanze chimiche spesso non è ben compreso. Qui mostriamo un metodo di campionamento campo lysimetry e porewater integrato per valutare la mobilità delle sostanze chimiche applicate al suolo e alla vegetazione stabilita. Lisimetri, colonne aperte di metallo o plastica, sono guidati in bareground o suoli vegetazione. Campionatori Porewater, che sono disponibili in commercio e utilizzato il vuoto per la raccolta percolazione di acqua del suolo, sono installati a profondità predeterminate all'interno dei lisimetri. A orari prestabiliti seguenti applicazione di prodotti chimici per parcelle sperimentali, porewater viene raccolto, e lisimetri, contenente suolo e vegetazione, sono riesumato. Analizzando le concentrazioni chimiche nel suolo lisimetro, la vegetazione, e porewater, i tassi di lisciviazione verso il basso, capacità di ritenzione del suolo, e l'assorbimento impianto per la chimica di interesse può essere quantificato.Poiché campo lysimetry e campionamento porewater sono condotti in condizioni ambientali naturali e con il minimo disturbo del suolo, i risultati ottenuti proiettano scenari reali casi e forniscono informazioni preziose per la gestione delle sostanze chimiche. Poiché le sostanze chimiche sono sempre più applicate a sbarcare in tutto il mondo, le tecniche descritte possono essere utilizzati per determinare se i prodotti chimici applicati pongono effetti nocivi per la salute umana o per l'ambiente.
Introduction
Sostanze chimiche potenzialmente tossiche sono regolarmente applicati a terra da fonti come i pesticidi, fertilizzanti, liquami / fanghi di depurazione, scarti industriali e rifiuti urbani 1,2. Il destino di queste sostanze chimiche – che possono includere sostanze nutritive, oligoelementi, sostanze organiche, e loro metaboliti associati – spesso non è ben compreso 3. Se le sostanze chimiche non sono gestite correttamente, hanno il potenziale per minacciare la salute umana e ambientale attraverso il loro trasferimento da e per l'accumulo nelle piante, acque superficiali e sotterranee. Con una popolazione mondiale che può raggiungere i 10 miliardi di persone entro il 2050, vi sono crescenti esigenze in materia di gestione dei rifiuti e della produzione alimentare 2 e applicazione al terreno di molte sostanze chimiche è in aumento 3,4. Di conseguenza, è necessaria una ricerca che quantifica le trasformazioni, la mobilità, i limiti di carico e rischi ambientali complessivi da sostanze chimiche che necessitano di smaltimento in discarica o che dipendono per migliorare la salute delle colturee cedere.
Un certo numero di strategie sono state impiegate per valutare minacce da sostanze chimiche applicate nell'ambiente. Sono stati condotti studi su modelli sistema di laboratori-per fornire informazioni sui meccanismi fondamentali che controllano la mobilità delle sostanze chimiche nei suoli. Nell'analizzare il destino chimico in un laboratorio, manipolazione completa dell '"ambiente" e gli ingressi può essere raggiunto, ma questi raramente corrispondono reali condizioni ambientali 5,6. Così, estrapolando i risultati di laboratorio per impostazioni di campo può portare a previsioni inesatte circa minacce chimiche. Al contrario, misure di campo di massima sono stati utilizzati per definire comportamento chimico nell'ambiente. Tuttavia, le conclusioni circa il destino ambientale di queste misure sono spesso complicati a causa dei tassi bassi frequente uso (ad esempio, un paio di g -1) di sostanze chimiche applicate, nonché le complesse interazioni tra processi idrologici e biogeochimici nella environment che regolano le distribuzioni chimici.
Lysimetry, tra cui campo lysimetry, è stato storicamente utilizzato da terreno e della coltura scienziati di valutare sistematicamente la mobilità verso il basso di sostanze chimiche applicate al suolo e alla vegetazione stabilita. Un lisimetro è un dispositivo di metallo o plastica che viene inserito in un terreno di interesse ed è utilizzato per determinare il destino dei prodotti chimici applicati in quantità note ad una zona delimitata. I campioni di suolo e vegetazione raccolti da lisimetri possono essere utilizzati per valutare l'evoluzione delle distribuzioni chimiche nel tempo. Poiché campo lysimetry viene effettuata in condizioni ambientali naturali, i risultati possono essere utilizzati per prevedere scenari reali casi derivati da applicazioni chimiche a sistemi suolo. I primi studi lisimetrici misurato la traspirazione, il flusso di umidità e / o movimento di nutrienti. Gli studi lisimetrici moderni misurano pesticidi e nutrienti dissipazione, il movimento dei pesticidi, la volatilità, e bilancio di massa, insieme con il aforememisurazioni ntioned 3.
Una limitazione di lysimetry campo tradizionale è che la mobilità chimica all'interno di un profilo di suolo è in gran parte definito da misure in fase solida, mentre meno attenzione è rivolta alle concentrazioni chimiche disciolte in acqua che filtra attraverso i terreni – un componente critico che può avere un impatto potenziale di contaminazione delle acque sotterranee da sostanze chimiche terrestri applicata. Anche se percolato dal fondo dei lisimetri a volte raccolti per l'analisi, questa risoluzione in profondità limiti di approccio delle concentrazioni porewater e in genere richiede notevole scavo del terreno prima della sperimentazione. Invece, per ottenere dati circa le concentrazioni chimiche nel suolo acqua, campionatori porewater possono essere utilizzati in ambienti di campo. Campionatori Porewater sono installate in terreni per raccogliere l'acqua da discreti, profondità desiderate e solo minimamente disturbare il sistema suolo. Campionatori Porewater sono state denominate con molti nomi, tra cui lisimetri, cu aspirazionelisimetri p, o campionatori della soluzione del suolo, convoluzione loro distinzione con i lisimetri campo tradizionali sopra descritti. In questo articolo, useremo il termine "porewater sampler" per alleviare la confusione.
Qui, dimostriamo un approccio sperimentale che combina campo lysimetry e campionamento porewater per valutare il potenziale di lisciviazione al ribasso delle sostanze chimiche applicate ai sistemi suolo o bareground vegetazione. Lysimetry è stato un potente strumento utilizzato fin dal 1700 7, mentre il campionamento porewater ceramica è stata utilizzata sin dagli inizi del 1960 8. L'integrazione di queste tecniche robuste consente per la determinazione campo di entrambe le distribuzioni, solidi e concentrazione chimico-fase disciolta riducendo al minimo disturbo del suolo. Questo articolo descrive i fattori da considerare quando si progetta un esperimento, tra cui la scelta del sito, l'installazione del dispositivo, e la raccolta del campione. L'approccio è illustrato con un esperimento che ha valutato il destino di unorganico pesticida arsenicale applicata a un bareground e un sistema di tappeti erbosi stabilita. Le tecniche descritte possono essere regolati come necessario esaminare il destino di una vasta gamma di prodotti chimici, fornendo così strumenti preziosi per i ricercatori e decisori politici che cercano di capire il destino e del comportamento delle sostanze chimiche terra applicata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utilizzando un lysimetry campo integrato e porewater metodo di campionamento consente ai ricercatori di valutare le distribuzioni spaziali e temporali di una vasta gamma di prodotti chimici terrestri applicata. Il destino dei prodotti chimici nei suoli e dei sistemi di vegetazione può essere controllata da una serie di processi e attributi ambientali, come lisciviazione verso il basso, volatilizzazione, l'idrolisi, la fotolisi, microbica trasformazione / degradazione, pianta assorbimento, tipo di terreno, e il pH d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono il personale della Stazione di ricerca NCDA Sandhills per l'assistenza durante l'installazione lisimetro ed esumazione. Finanziamenti per esperimenti descritti in Rappresentante dei risultati è stato fornito dal Centro per Turfgrass Ricerca e di Educazione Ambientale. Video e produzione manoscritta è stato supportato da Dipartimenti North Carolina State University di Scienza del Suolo e 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).
