Измерение высвобождения фосфора в лабораторных микрокосмах для оценки качества воды
Summary
Точная количественная оценка потенциала дезорпирования фосфора (P) в насыщенных почвах и отложениях имеет важное значение для p моделирования и усилий по смягчению транспортной помощи. Для лучшего учета на месте динамики редокса почвы и P при длительном насыщении был разработан простой подход, основанный на повторной выборке лабораторных микрокосмов.
Abstract
Фосфор (P) является критически ограничивающим питательным веществом в агроэкосистемах, требующим тщательного управления для снижения транспортного риска для водных сред. Регулярные лабораторные измерения биодоступности P основаны на химических экстракциях, проводимых на сушеных образцах в условиях окисления. Хотя эти тесты полезны, они ограничены в отношении характеристики P-выброса при длительном насыщении воды. Лабильный ортофосфат, связанный с окисленным железом и другими металлами, может быстро десарбировать раствор в снижении окружающей среды, увеличивая риск мобилизации P на поверхностный сток и грунтовые воды. Для лучшей количественной оценки потенциала и мобильности P desorption во время продолжительного насыщения был разработан лабораторный метод микрокосма, основанный на повторной выборке поревоводов и надводных паводковых вод с течением времени. Метод полезен для количественной оценки потенциала высвобождения P из почв и отложений, изменяющихся по физико-химическим свойствам, и может улучшить усилия по смягчению последствий P, лучше характеризуя риск выброса P в гидрологически активных районах. Преимущества метода включают его способность моделировать на месте динамику, простоту, низкую стоимость и гибкость.
Introduction
Фосфор (P) является критическим ограничивающим питательным веществом как для продуктивности сельскохозяйственных культур, так и для водных биомассы. Гидрология поверхностной воды является основным фактором, повлиявана на p fate and transport, поскольку она контролирует физическую транспортировку отложений и P, а также влияет на потенциал ремобилизации во время стока и наводнений/наводнений/ событий. Различные лабораторные методы извлечения обычно используются для оценки выброса P в полевой шкале в условиях окисления. В то время как различные механизмы могут способствовать выбросу P, редуктивное растворение железо-фосфатов является устоявшимся механизмом реакции, который может привести к большим потокам ортофосфата-P к воде1,2,3, 4. В обзоре механизмов контроля P биогеохимии в водно-болотных угодьях, redox статус был предположил, чтобы быть основной переменной контроля P релиз почвы и мелкой грунтовой воды5. Таким образом, традиционные тесты P не могут быть надежными предикторами p-релиза при длительном насыщении.
Учитывая важность времени пребывания воды и статуса Редокса на P судьбе и транспорте, лабораторные подходы, предназначенные для лучшего моделирования на местах, могут привести к улучшению индексов p-транспортных рисков для сельскохозяйственных и водно-болотных экосистем, подверженных переменной насыщенности. Поскольку ортофосфат сразу же биодоступен, скорость и степень дезорпации во время насыщения могут быть использованы в качестве индекса риска загрязнения неточечного источника P. Наш метод был разработан для количественной оценки P desorption к поревовод (PW) и мобилизации на преодоление паводковых вод (FW), типичное состояние в районах с переменной гидрологией области источника (например, затопленные сельскохозяйственные поля, водно-болотные угодья, дренажные канавы, и рябина / зон ближнего потока). Метод был первоначально разработан для характеристики P потенциал релиза в сезонно затопленных почвах из северной части Нью-йорка (США) и недавно применяется для количественной оценки P desorption потенциал созревания почв ы северо-западного Вермонта бассейн Шамплейн6 . Здесь мы предоставляем протокол для метода микрокосма лаборатории и подчеркиваем результаты недавно опубликованного исследования, демонстрирующего его способность к количественной оценке потенциала p desorption. Мы также демонстрируем связь между потенциалом выброса P и надежностью обычных тестов почвы (лабильный извлекаемый P, pH) для прогнозирования выпуска на разных участках.
Для осуществления этого метода необходим доступ к аналитической лаборатории с адекватным климат-контролем, вентиляцией, водой и надлежащей системой удаления кислотных отходов. Метод предполагает доступ к обычным химическим реагентам и лабораторному оборудованию (поглотители, вытяжки, стеклянная посуда и т.д.). Помимо обычных лабораторных потребностей, требуется система мембранной фильтрации (0,45 мкм) и УФ-спектрофотометра для измерения P. Также рекомендуется, но не требуется зонд качества pH или многопараметрического качества воды. Температура в лаборатории является важным фактором и должна оставаться постоянной, если сама температура не исследуется в качестве экспериментального фактора (рекомендуется 20 градусов по Цельсию). Беспрепятственный доступ к адекватной аналитической лаборатории с надлежащим оборудованием является необходимым условием для надлежащего выполнения метода и получения значимых результатов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Основным техническим преимуществом микрокосма является его способность моделировать условия на месте, при которых насыщенная почва или осадок немедленно перекрываются FW, которые могут существенно отличаться по статусу редокс а также P. Ландшафты с гидрологией области переменно…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование было предоставлено Вермонтским центром водных ресурсов и озерных исследований в рамках соглашения с Геологической службой США. Выводы и мнения являются выводы авторов, а не Вермонт водных ресурсов и озерных исследований центра или Геологической службы США.
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 |
References
- Patrick, W. H., Khalid, R. A. Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions. Science. 186 (4158), 53-55 (1974).
- Moore, P. A., Reddy, K. R. Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida. Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).
- Young, E. O., Ross, D. S. Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study. Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).
- Henderson, R., et al. Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils. Environmental Science & Technology. 46 (21), 11727-11734 (2012).
- Vidon, F., et al. Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management. Journal of the American Water Resources Association. 46 (2), 278-298 (2010).
- Young, E. O., Ross, D. S. Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA. Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).
- McIntosh, J. L. Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials. Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).
- Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study. Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).
- McGechan, M. B., Lewis, D. R. Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models. Biosystems Engineering. 82 (1), 1-24 (2002).
- Cabrera, M. L., Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches. Modeling Phosphorus in the Environment. , 65-81 (2007).
- Gbur, E. E., et al. . Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. , (2012).
- Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations. Journal of Environmental Quality. 27 (6), 1428-1439 (1998).
- Young, E. O., Briggs, R. D. Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers. Journal of Environmental Quality. 37 (1), 69-78 (2008).
- Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-Kämppä, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1942-1955 (2009).
- Bartlett, R. J., Ross, D. S., Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. Chemistry of Redox Processes in Soils. Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. , 461-487 (2005).
- Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties. Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1956-1967 (2009).
- Bartlett, R. J., James, B. R. Studying dried, stored soil samples—some pitfalls. Soil Science Society of America Journal. 44 (4), 721-724 (1980).
- Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis. Soil Biology & Biochemistry. 34 (1), 27-35 (2002).
- Turner, B. L., Haygarth, P. M. Phosphorus solubilization in rewetted soils. Nature. 411, 258 (2001).
- Sparks, D. L., Sparks, D. L. Kinetics of reactions in pure and mixed systems. Soil Physical Chemistry. , (1986).
