Indfange Flow-vægtede vand og svaevestoev fra landbruget kanaler under dræning begivenheder
Summary
Næringsstoffer, der forekommer i partikler form kan bidrage væsentligt til de samlede belastning i landbrugets dræning farvande. Denne undersøgelse beskriver en roman metode til at fange flow-vægtede vand og svaevestoev fra gården kanalen dræning over den samlede varighed af hændelsen dræning.
Abstract
Formålet med denne undersøgelse er at beskrive de metoder, der bruges til at fange flow-vægtede vand og svaevestoev fra gården kanaler under dræning decharge begivenheder. Farm kanaler kan blive beriget af næringsstoffer som fosfor (P), der er modtagelige for transport. Fosfor i form af svaevestoev kan bidrage væsentligt til de samlede P belastninger i drænvand. En bilæggelse tank eksperiment blev udført for at fange suspenderede partikler under diskrete dræning begivenheder. Farm canal decharge vand blev indsamlet i en serie af to 200 L bilægge tanke over den samlede varighed af hændelsen dræning, således at repræsentere en sammensat delprøve af vand udledes. Imhoff bilægge kegler er i sidste ende anvendes til at udligne ud af svaevestoev. Dette opnås ved opsugning vand fra bilægge tankene via kegler. Partiklerne der derefter indsamles for fysisk-kemiske analyser.
Introduction
Skæbne og transport af svaevestoev har været genstand for talrige undersøgelser på grund af sin rolle i eutrofiering, især i landbrugssystemer1,2. En omfattende evaluering af næringsstoffer i partikler inden for akvatiske system er nødvendigt at undersøge mange miljømæssige emner som, den interne cykling af næringsstoffer og slippe hen til den overliggende vand kolonne3, underlaget stabilitet, let tilgængelighed i vandsøjlen, og til sidst vand kvalitet bekymringer til downstream økosystemer4. Den mængde af fosfor (P) gemt i formen partikler (organisk materiale eller sedimenter) er typisk større end i vand kolonne5. En undersøgelse foretaget af Kenney mfl. 6 viste, at de seneste sedimenter, der blev deponeret i Lake Lochloosa, Florida var mellem 1900 aldersgruppen og 2006. Disse yngre sedimenter indeholdt næsten 55 gange flere P end det, som var til stede i vandsøjlen. En tilgang til at karakterisere de potentielle konsekvenser, at partikler kan have på et bestemt system er at gennemføre en kvantitativ opgørelse af fosfor gemt i sediment udledes under dræning begivenheder. Indsamling og analyse af disse udledes partikler kan hjælpe med at vurdere downstream næringsstof berigelse virkninger på følsomme økosystemer.
Storm begivenheder typisk repræsenterer en lille brøkdel af tid, men kan bidrage størstedelen af P belastning decharge i gården dræning. Dette skyldes, at for at forhindre felter fra oversvømmelser, en stor mængde af vand er drænet i korte perioder. Nedbør intensitet og flow priser er afgørende kørsel faktorer, der kan styre koncentrationen af suspenderet sediment i overland afstrømning7. Designe overvågningsmetoder, der fanger flow-vægtede sammensatte vandprøver ville bidrage til at undgå fejl i forbindelse med komplekse, høj intensitet regn begivenheder. Under høj decharge begivenheder som storme, kan hurtig og drastiske ændringer i koncentrationerne ikke være repræsentativ for den gennemsnitlige forurenende koncentration for den trinvise volumen. Derfor, flow-vægtede vandprøver langt mere præcist repræsenterer koncentrationen af en decharge begivenhed som det er en opsummering af byrder over en periode af tid8. De mest almindelige flow-vægtede prøver er automatisk indsamlet diskrete eller sammensatte prøver. Ved at erobre de eksporterede svaevestoev fra jord tillader dræning under decharge os at kvantificere sværhedsgraden af hændelsen på P lastning. Metoden beskrevet i denne undersøgelse hjælper fange partikler, der kan senere karakteriseres for forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Nyhed af prøveudtagning dræning udledning ved hjælp af en kontinuerlig sammensatte flow metode versus grab prøveudtagning er, at det er en bedre repræsentation af markforhold over den samlede varighed af hændelsen dræning. Grab prøveudtagning er et “snapshot” i tid og kan ikke fuldt ud repræsentere effekten af hele arrangementet.
Everglades landbrugs område (LR) i det sydlige Florida, USA er en stor flade af de oprindelige Everglades, der blev kanaliseret og drænet for landbrug, udvikling af kommercielle og beboelsesejendomme. Næsten udledes 1.100 millioner m3 vand årligt fra og gennem LR mod syd og sydøst9. Jord i LR er Histosols, der almindeligvis indeholder over 85% organisk stof af vægt og har mindre end 35% mineral indhold10. Canal sedimenter har typisk lav bulk-tæthed (mellem 0,14 g cm-3 til 0,35 g cm-3), høj organisk stof indhold (mellem 31-35%) og Total P (TP) værdier spænder mellem 726-1,089 mg kg-1 11.
Med henblik på denne demonstration, blev en gård i LR valgt. Hydroscape af hvordan vandet løber i LR afhænger af pumper og tyngdepunktet. Hver gård i LR består på mindst én Hovedkanalen, og flere felt grøfter. Feltet grøfter køre vinkelret på Hovedkanalen. Pumperne typisk tjener et dobbelt formål; de levere kunstvanding vand til gården, og også decharge drænvand off-site. Når felterne skal tømmes, vand i Hovedkanalen er sænket, og vand fra feltet afløb i grøfter, drevet af en hydraulisk gradient. På grund af kun en svag hældning i overfladen det meste af den nedbør, der forekommer på felter strømme gennem jordprofilen i transit til feltet grøfter. Under vanding, er systemet vendt. Der er ingen netværk af flise dræning i LR. Vandspejlet er opretholdt ved en bestemt højde på grund af en begrænse lag af kalksten grundfjeld slave jord. Vandet er bragt gennem de vigtigste kanaler; feltet grøfter er fyldt, og vand får lov til at sive ind i jordprofilen at hæve grundvandet niveauer i felterne. Krav for vand til overrisling i LR opstår typisk, i løbet af marts, April og maj (tørre sæson), med meget lidt dræning decharge. I modsætning hertil er er mængden vand udledes mellem juni og oktober (våd sæson) betydeligt højere. Tilstedeværelsen af canal bank volde og grøfter giver mulighed for minimal overflade afstrømning som en potentiel kilde til P lastning i gården kanaler12.
I dette visuelle eksperiment præsenterer vi en roman metode indfange flow-vægtede suspenderede partikler under dræning hændelser, der senere kan bruges til fysisk-kemiske karakterisering som bulk-tæthed, indhold af organisk materiale og P fraktionering13 ,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Autosamplers til drænvand partikler samling blev placeret i nærheden af den spændende pumpe station dataloggers. Magt blev leveret af 12 V-batterier, der er opkrævet af solpaneler. Autosamplers blev kontrolleret af den på ejendommen dataloggers, som tændes når exit pumperne løb, og slukket da pumpning stoppede autosamplers. Åbninger af sampler indtag linjer var placeret 0,5 m over kanalen bunden og upflow fra pumpestation. Indtag linjer blev holdt på plads ved at installere en metal armeringsjern i kanalen bund…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Pablo Vital og Johnny Mosley hjælp til feltet prøveudtagning, og Viviana Nadal og Irina Ognevich til hjælp med laboratorieanalyser.
Materials
| Datalogger | Campbell Scientific | model CR1000 | |
| Auto-sampler | ISCO | model 3700 | |
| Pressure transducer | KPSI | model 700 | |
| Tipping bucket rain guage | Texas Electronics | model TR-525 | |
| Potassium Chloride | Fisher | 7447-40-7 | |
| Sodium Hydroxide | Fisher | 1310-73-2 | |
| Hydrochloric Acid | Fisher | 7647-01-0 | |
| Sulfuric Acid | Fisher | 7664-93-9 | |
| Potassium Persulfate | Fisher | 7727-21-1 | |
| Ammonium Molybdate Tetrahydrate | Fisher | 12054-85-2 | |
| L-Ascorbic Acid | Fisher | 50-81-7 | |
| 100 mg/L Anhydrous Phosphate Standard | ERA | 061 | |
| Antimony Potassium Tartrate Trihydrate | Fisher | 28300-74-5 | |
| Durapore Membrane Filters | Millipore | HVLP04700 | |
| Whatman #41 Filter Paper | Whatman | 1441-150 | |
| Fixed Speed Reciprocal Shaker E6010 | Eberbach Corporation | E6010.00 | |
| Disposable Culture Tubes | Fisher | 14-961-29 | |
| Allegra 25R Centrifuge | Becker Coulter | U.S. 605168-AC | |
| Parafilm | Bemis Company Inc PM 999 | 13-374-12 | |
| Oak Ridge Centrifuge Tubes | Nalgene | 3119-0050 | |
| Fisherbrand 20mL HDPE Scintillation Vials with Urea Cap | Fisher | 03-337-23C | |
| Fisherbrand Natural Polypropylene Jars with White Polypropylene Unlined Cap | Fisher | 02-912-024A | |
| 0.45 membrane filters | Cole-Parmer | Item # UX-15945-25 | |
| 100 ml digestion tubes | Fisher | TC1000-0735 | |
| Glass funnels | Fisher | 03-865 | |
| Spectronic 20 Genesys | Thermo-Fisher | 4001-000 | |
| QuikChem | Latchat | 8500 |
References
- Sims, J. T., et al. Phosphorus loss in agricultural drainage: historical perspective and current research. J. Environ. Qual. 27, 277-293 (1997).
- Van Esbroeck, C. J., et al. Surface and subsurface phosphorus export from agricultural fields during peak flow events over the non-growing season in regions with cool, temperate climates. J. Soil Water Conserv. 72, 65-76 (2017).
- Bhadha, J. H., et al. Phosphorus mass balance and internal load in an impacted subtropical isolated wetland. Water Air Soil Pollut. 218, 619-632 (2011).
- Eyre, B. D., McConchie, D. The implications of sedimentological studies for environmental pollution assessment and management: Examples from fluvial system in north Queensland and western Australia. Sediment. Geol. 85, 235-252 (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Soil phosphorus release and storage capacity from an impacted subtropical wetland. Soil Sci. Soc. Amer. J. , 74 (2010).
- Kenney, W. F., et al. Whole-basin, mass-balance approach for identifying critical phosphorus-loading thresholds in shallow lakes. Journal of Paleolim. 51, 515-528 (2014).
- Freebairn, D. N., Wockner, G. H. A study of soil erosion on vertisols of the Eastern Darling Downs, Queensland. Effects of surface conditions on soil movement within contour bay catchments. Aust. J.Soil Res. 24, 135-158 (1986).
- Erickson, A. J., et al. . Optimizing stormwater treatment practices: a handbook of assessment and maintenance. , (2013).
- Abtew, W., Obeysekera, J. Drainage Generation and Water Use in the Everglades Agricultural Area Basin. J. Amer. Water Res. Asso. 32, 1147-1158 (1996).
- Daroub, S. H., et al. Best management practices and long-term water quality trends in the Everglades Agricultural Area. Cri. Rev. Environ. Sci. Technol. 41, 608-632 (2011).
- Bhadha, J. H., et al. Influence of suspended particulates on phosphorus loading exported from farm drainage during a storm event in the Everglades Agricultural Area. J. Soil Sed. 17, 240-252 (2017).
- Diaz, O. A., et al. Sediment inventory and phosphorus fractions for water conservation area canals in the Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 70, 863-871 (2006).
- Reddy, K. R., et al. Forms of soil phosphorus in selected hydrologic units of Florida Everglades. Soil Sci. Soc. Amer. J. 62, 1134-1147 (1998).
- Hedley, M. J., Stewart, J. W. Method to measure microbial phosphate in soils. Soil Biol. Biochem. 14, 377-385 (1982).
- O’Dell, J. W. . Method 365.1, Revision 2.0: Determination of Phosphorus by Semi-Automated Colorimetry. , (1993).
- Bhadha, J. H., et al. Effect of aquatic vegetation on phosphorus loads in the Everglades Agricultural Area. J. Aqu. Pla. Man. 53, 44-53 (2015).
