Integreret Field Lysimetry og porevandet Sampling for vurdering af kemiske Mobilitet i jord og Etableret Vegetation
Summary
Felt lysimetry og porevandet prøvetagning give forskere til at vurdere skæbnen af kemikalier, der anvendes til jord og etableret vegetation. Målet med denne protokol er at demonstrere, hvordan du installerer de fornødne instrumenter og indsamle prøver til kemiske analyser under integreret felt lysimetry og porevandet prøvetagning eksperimenter.
Abstract
Potentielt giftige kemikalier rutinemæssigt anvendes til at lande for at imødekomme stigende krav til fødevareproduktion affaldshåndtering og, men skæbnen af disse kemikalier er ofte ikke godt forstået. Her demonstrerer vi et integreret felt lysimetry og porevandet prøveudtagningsmetode til vurdering af kemiske stoffers mobilitet anvendes til jord og etableret vegetation. Lysimetrene åbne søjler lavet af metal eller plast, er drevet ind bareground eller bevoksede jorder. Porevandet samplere, som er kommercielt tilgængelige og bruge vakuum til at indsamle nedsivende jordvand, der er installeret på forudbestemte dybder i lysimetrene. På forud fastsatte tidspunkter følgende kemiske ansøgning til eksperimentelle plots er porevandet indsamles, og lysimetrene indeholdende jord og vegetation, der er gravet op. Ved at analysere kemiske koncentrationer i lysimeter jord, vegetation, og porevandet, nedadgående udvaskning satser, fastholdelse jord kapacitet, og planternes optag for kemikaliet af interesse kan kvantificeres.Fordi felt lysimetry og porevandet prøveudtagning udføres under naturlige miljømæssige forhold, og med minimal jordbearbejdning, afledte projektresultater real-case scenarier og give værdifuld information til kemisk management. Da kemikalier i stigende grad anvendes til at lande på verdensplan, kan de beskrevne teknikker anvendes til at afgøre, om anvendte kemikalier udgør negative virkninger for menneskers sundhed eller miljøet.
Introduction
Potentielt giftige kemikalier rutinemæssigt anvendes til at lande fra kilder såsom pesticider, gødning, spildevand / biosolids, industriaffald og husholdningsaffald 1,2. Skæbnen for disse kemikalier – der kan omfatte næringsstoffer, sporstoffer, økologi, og deres tilknyttede metabolitter – er ofte ikke godt forstået 3. Hvis kemikalierne ikke forvaltes ordentligt, de har potentiale til at true menneskers sundhed og miljøet gennem deres overførsel til og oprustning i planter, overfladevand og grundvand. Med en global befolkning, der kan nå op på 10 milliarder mennesker i 2050, er der stadig større krav til ledelse og madaffald produktion 2, og tilførsel af mange kemikalier har været stigende 3,4. Derfor er der behov for forskning, der kvantificerer transformationer, mobilitet, lastning grænser, og de overordnede miljømæssige risici fra kemikalier, som kræver bortskaffelse jord, eller at vi er afhængige af at forbedre afgrøde sundhedog udbytte.
En række strategier er blevet anvendt til at undersøge trusler fra kemikalier, der anvendes i miljøet. Laboratorie-baserede, model-system undersøgelser er blevet gennemført for at give oplysninger om grundlæggende mekanismer, der styrer mobilitet af kemiske stoffer i jord. Når man analyserer kemisk skæbne i et laboratorium, kan fuldstændig manipulation af "miljø" og indgange skal opnås, men disse sjældent matcher den virkelige verden miljøforhold 5,6. Således kan ekstrapolere lab resultater feltindstillingerne føre til unøjagtige forudsigelser om kemiske trusler. I modsætning hertil har brede feltmålinger blevet brugt til at definere kemiske adfærd i miljøet. Men konklusioner om skæbne i miljøet fra disse målinger ofte kompliceret på grund af de ofte lave doser (fx et par g A -1) af anvendte kemikalier, samt det komplekse samspil mellem hydrologiske og biogeokemiske processer i environment der regulerer kemiske distributioner.
Lysimetry, herunder felt lysimetry, har historisk set været brugt af jord og afgrøder forskerne systematisk at evaluere den nedadgående mobilitet af kemiske stoffer, der anvendes til jord og etableret vegetation. Et lysimeter er en enhed, lavet af metal eller plast, som er placeret i en jord af interesse og anvendes til at afgøre skæbnen for kemikalier anvendt i kendte mængder til et begrænset område. Jord og vegetation prøver indsamlet fra lysimetrene kan bruges til at vurdere udviklingen af kemiske distributioner over tid. Fordi felt lysimetry udføres under naturlige miljømæssige forhold, kan resultaterne bruges til at forudsige real-case scenarier, der stammer fra kemiske anvendelser til jord-systemer. Tidlige lysimeterundersøgelser målte transpiration, fugt flow, og / eller bevægelse næringsstof. Moderne lysimeterundersøgelser måle pesticider og næringsstoffer dissipation, bevægelse pesticid, flygtighed og massebalance, sammen med aforementioned målinger 3.
En begrænsning af traditionel felt lysimetry er, at kemisk mobilitet inden for en jord-profil i høj grad er defineret af fast-fase målinger, mens der mindre opmærksomhed på opløste kemiske koncentrationer i vand siver gennem jord – en kritisk komponent, som kan påvirke risikoen for forurening af grundvandet fra land anvendte kemikalier. Selvom perkolat fra bunden af lysimetrene undertiden indsamles til analyse, denne anflyvningsgrænserne dybde opløsning på porevandet koncentrationer og typisk kræver en betydelig jord udgravning forud for eksperimenter. I stedet for at opnå data om kemiske koncentrationer i jordvand, porevandet samplere kan anvendes i marken indstillinger. Porevandet samplere er installeret i jord for at hente vand fra diskrete, ønskede dybder og kun minimalt forstyrre jordens system. Porevandet prøvetagere er blevet nævnt af mange navne, herunder lysimetrene, suge cup lysimetrene eller jord opløsning samplere, convoluting deres skelnen med de traditionelle felt lysimetrene beskrevet ovenfor. I dette papir vil vi bruge udtrykket "porevandet sampler" for at afhjælpe forvirring.
Her demonstrerer vi en eksperimenterende tilgang, der kombinerer felt lysimetry og porevandet prøveudtagning for at vurdere den nedadgående potentialet for udvaskning af kemikalier anvendes på bevoksede jord eller bareground-systemer. Lysimetry har været et kraftfuldt værktøj, der anvendes siden 1700-tallet 7, mens keramiske porevandet stikprøver har været anvendt siden begyndelsen af 1960'erne 8.. Integration af disse robuste teknikker giver mulighed for inden bestemmelse af både solide-og opløst fase kemisk koncentrationsfordelinger samtidig minimere jord forstyrrelse. Dette papir beskriver faktorer til at overveje, når designe et eksperiment, herunder valg af lokalitet, installationen af enheden, og prøvetagning. Den tilgang er illustreret med et eksperiment, der evaluerede skæbne enorganisk arsenical pesticid påføres en bareground og en etableret plænegræs system. De beskrevne teknikker kan justeres efter behov for at undersøge skæbnen for en bred vifte af kemikalier, hvilket giver uvurderlige værktøjer for forskere og politiske beslutningstagere, der søger at forstå den miljømæssige skæbne og opførsel af jord-anvendte kemikalier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ved hjælp af en integreret felt lysimetry og porevandet prøvetagning tilgang giver forskerne at vurdere rumlige og tidslige fordelinger af en bred vifte af jord-anvendte kemikalier. Den skæbne af kemikalier i jord og vegetation systemer kan styres af en række miljømæssige processer og attributter, såsom nedadgående udvaskning, fordampning, hydrolyse, fotolyse, mikrobiel omdannelse / nedbrydning, planteoptag, jordtype og jordens pH 16,17. I modsætning til drivhus eller laboratorie-baserede eksperiment…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne erkender personalet på NCDA Sandhills Research Station for at få hjælp med lysimeter installation og opgravning. Finansiering af forsøgene beskrevet i Repræsentative resultater blev leveret af Center for plænegræs Environmental Research & Education. Video-og manuskript produktion blev støttet af North Carolina State University afdelinger Soil Science og 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 |
Referências
- 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).
