Meting van de fosfor afgifte in laboratorium Microcosms voor de beoordeling van de water kwaliteit
Summary
Nauwkeurige kwantificering van fosfor (P) desorptie potentiaal in verzadigde bodems en sedimenten is belangrijk voor P Modeling en transport mitigatie inspanningen. Om beter rekening te kunnen maken voor in situ bodem-water redox dynamiek en P mobilisatie onder langdurige verzadiging, werd een eenvoudige aanpak ontwikkeld op basis van herhaalde bemonstering van laboratorium microcosm’s.
Abstract
Fosfor (P) is een kritische beperkende nutriënt in agroecosystemen die een zorgvuldige beheersing vereist om het transportrisico voor aquatische omgevingen te verminderen. Routine matige laboratorium maatregelen van P biologische beschikbaarheid zijn gebaseerd op chemische extracties uitgevoerd op gedroogde monsters onder oxiderende omstandigheden. Hoewel nuttig, zijn deze tests beperkt met betrekking tot het karakteriseren van P-afgifte onder verlengde water verzadiging. Labiele ORTHOFOSFAAT gebonden aan geoxideerde ijzer en andere metalen kan snel desorptie naar oplossing in het verminderen van omgevingen, verhogen van het risico op de oppervlakte afvoer en grondwater. Voor een betere kwantificatie van P desorptie potentiaal en mobiliteit tijdens uitgebreide verzadiging, werd een microkosmos-laboratoriummethode ontwikkeld op basis van herhaalde bemonstering van poreywater en overliggende schijn water in de loop van de tijd. De methode is nuttig voor het kwantificeren van de P-vrijgave potentiaal van bodems en sedimenten die variëren in fysisch-chemische eigenschappen en kan de sitespecifieke P-beperkings inspanningen verbeteren door het risico op het vrijgeven van P in hydrologisch actieve gebieden beter te karakteriseren. Voordelen van de methode zijn het vermogen om in situ dynamiek, eenvoud, lage kosten en flexibiliteit te simuleren.
Introduction
Fosfor (P) is een kritische beperkende voedingsstof voor zowel gewas-als aquatische biomassa-productiviteit. Oppervlaktewater hydrologie is een hoofdbestuurder van P-lot en transport, omdat het het fysieke transport van sediment en p regelt, terwijl het ook het mobilisatie-potentieel beïnvloedt tijdens aflopend en overstromingen/ponderende gebeurtenissen. Verschillende laboratorium-gebaseerde extractiemethoden worden meestal gebruikt om P-afgifte op de veld schaal te schatten onder oxiderende omstandigheden. Hoewel verschillende mechanismen kunnen bijdragen aan P-afgifte, is reductieve ontbinding van ijzer-fosfaten een goed opgezet reactiemechanisme dat kan leiden tot grote ORTHOFOSFAAT-P-fluxen naar water1,2,3, 4. In een herziening van de mechanismen die P biogeochemie in wetlands beheersen, was de redox-status veronderstelde de belangrijkste variabele die P-afgifte op bodems en ondiep grondwater5. Als zodanig kunnen traditionele P-tests geen betrouwbare voorspellers zijn van P-afgifte onder langdurige verzadiging.
Gezien het belang van de water woontijd en de redox status op het lot en het vervoer van P, kunnen laboratorium benaderingen die zijn ontworpen om in-situ omstandigheden beter te simuleren, leiden tot betere P-transportrisico-indices voor landbouw-en wetland-ecosystemen die onderhevig zijn variabele verzadiging. Aangezien het ORTHOFOSFAAT onmiddellijk biologisch beschikbaar is, kan de snelheid en de mate van desorptie tijdens verzadiging worden gebruikt als een index van het risico op verontreiniging van de nonpoint-bron P. Onze methode is ontworpen om P desorptie te kwantificeren naar poreo (PW) en mobilisatie naar overliggende water (FW), een typische aandoening in gebieden met een variabele brongebied hydrologie (bijv. overstroomde agrarische velden, wetlands, drainage sloten, en riparian/ near-stream zones). De methode werd oorspronkelijk ontwikkeld om P-vrijgave potentieel te karakteriseren in seizoen overstroomde bodems uit het noorden van New York (VS) en werd recentelijk toegepast om het desorptie potentieel van de riparische bodems te kwantificeren uit het noordwesten van Vermont in het Champlain-bekken6 . Hier bieden we een protocol voor de laboratoriummicrocosm-methode en markeren we resultaten van een recent gepubliceerde studie waaruit blijkt dat ze de mogelijkheid hebben om P-desorptie potentieel te kwantificeren. We tonen ook de relatie tussen de P-vrijgave potentiaal en de betrouwbaarheid van routinematige bodem tests (labile extraheerbare P, pH) om vrijgave op verschillende locaties te voorspellen.
Het uitvoeren van de methode vereist toegang tot een analytisch laboratorium met adequate klimaatbeheersing, ventilatie, water en een goed verwijderingssysteem voor zuur afval. De methode veronderstelt de toegang tot routinematige chemische reagentia en laboratoriumapparatuur (gootstenen, afzuigkappen, glaswerk, enz.). Naast routinematige laboratorium behoeften is een membraanfiltratie (≤ 0,45 μm) systeem vereist en een UV-spectrofotometer om P te meten. Een pH-meter of multiparameter waterkwaliteit sonde worden ook aanbevolen, maar niet vereist. De laboratorium temperatuur is een belangrijke factor en moet constant worden gehouden, tenzij de temperatuur zelf wordt onderzocht als een experimentele factor (20 °C wordt aanbevolen). Onbelemmerde toegang tot een adequaat analytisch laboratorium met de juiste apparatuur is een vereiste om de methode correct uit te voeren en zinvolle resultaten te genereren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een belangrijke technische voordeel van de microkosmos-aanpak is de mogelijkheid om in-situ omstandigheden te simuleren waarbij verzadigde grond of sediment onmiddellijk altijd wordt door FW die aanzienlijk kan verschillen in redox-en P-status. Landschappen met variabel brongebied hydrologie zoals drainage sloten, overstroomde bouw gebieden, wetlands, en riparian/near-stream zones zijn allemaal voorbeelden van waar verminderde PW periodiek altijd door meer geoxideerd water met lagere Pi concentraties. Deze redox…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De financiering werd beschikbaar gesteld door de Vermont water resources en Lake studies Center door middel van een overeenkomst met de Amerikaanse Geological Survey. Conclusies en adviezen zijn die van de auteurs en niet de Vermont water resources en Lake studies Center of de USGS.
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).
