Mätning av fosforutsläpp i Laboratoriemikrokosmos för bedömning av vattenkvalitet
Summary
Noggrann kvantifiering av fosfor (P) desorptionspotential i mättade jordar och sediment är viktigt för P modellering och transport minskning insatser. För att bättre kunna redogöra för in situ Soil-Water redox dynamik och P mobilisering under långvarig mättnad, en enkel metod utvecklades baserat på upprepade provtagning av laboratoriet microcosms.
Abstract
Fosfor (P) är ett kritiskt begränsande näringsämne i agroekosystem som kräver noggrann hantering för att minska transportrisken till vattenmiljöer. Rutinmässiga laboratorie åtgärder av P biotillgänglighet är baserade på kemiska extraktioner utförs på torkade prover under oxiderande förhållanden. Medan användbara, dessa tester är begränsade med avseende på karakterisera P release under långvarig vattenmättnad. Labile ortofosfat bundet till oxiderat järn och andra metaller kan snabbt desorb till lösning i att minska miljöer, öka P mobilisering risk för att ytan avrinning och grundvatten. För att bättre kvantifiera P desorption potential och rörlighet under utökad mättnad, ett laboratorium mikrokosmos metod utvecklades baserat på upprepad provtagning av spår och överliggande flodvattnet över tiden. Metoden är användbar för att kvantifiera P release potential från jordar och sediment som varierar i fysikalisk-kemiska egenskaper och kan förbättra platsspecifika P mildrande insatser genom att bättre karakterisera P release risk i hydrologiskt aktiva områden. Fördelarna med metoden är dess förmåga att simulera in situ -dynamik, enkelhet, låg kostnad och flexibilitet.
Introduction
Fosfor (P) är en kritisk begränsande näringsämne för både gröda och akvatiska biomassa produktivitet. Ytvatten hydrologi är en huvudsaklig drivrutin för P öde och transport, eftersom det styr den fysiska transporten av sediment och P samtidigt påverkar remobilisering potential under avrinning och översvämningar/ponding händelser. Olika laboratoriebaserade extraktionsmetoder används vanligtvis för att uppskatta P release vid fält skalan under oxiderande förhållanden. Medan olika mekanismer kan bidra till P frisättning, reduktiv upplösning av järn-fosfater är en väletablerad Reaktionsmekanism som kan leda till stora ortofosfat-P-flöden till vatten1,2,3, 4. I en översyn av mekanismer som styr P biogeokemi i våtmarker, var redox status en hypotes om att vara den viktigaste variabeln kontrollerande P utsläpp till jordar och grunda grundvatten5. Som sådan, traditionella P-tester kan inte vara tillförlitliga prediktorer för P release under långvarig mättnad.
Med tanke på vikten av vatten uppehållstid och redoxstatus på P öde och transport, kan laboratoriemetoder som utformats för att bättre simulera in situ -förhållanden leda till förbättrade P-transportriskindex för jordbruks-och våtmarksekosystem som omfattas varierande mättnad. Eftersom ortofosfat är omedelbart biotillgängligt, kan hastigheten och omfattningen av desorption under mättnad användas som ett index för Nonpoint källa P föroreningsrisk. Vår metod var utformad för att kvantifiera P desorption till spår (PW) och mobilisering till överliggande flodvattnet (FW), ett typiskt tillstånd i områden med variabel källa område hydrologi (t. ex. översvämmade jordbruksområden, våtmarker, dränering diken, och Riparian/ nära Ströms zoner). Metoden utvecklades ursprungligen för att karakterisera P release potential i säsongsmässigt översvämmade jordar från norra New York (USA) och nyligen tillämpas för att kvantifiera P desorption potential av Strandmark från nordvästra Vermont Lake Champlain Basin6 . Här, vi tillhandahåller ett protokoll för laboratoriet mikrokosmos metod och belysa resultat från en nyligen publicerad studie som visar dess förmåga att kvantifiera P desorption potential. Vi visar också sambandet mellan P release potential och tillförlitligheten av rutinmässig mark tester (labile extraherbara P, pH) att förutsäga release över webbplatser.
För att genomföra metoden krävs tillgång till ett analytiskt laboratorium med tillräcklig klimatkontroll, ventilation, vatten och ett lämpligt system för bortskaffande av syra avfall. Metoden förutsätter tillgång till rutinmässiga kemiska reagenser och laboratorieutrustning (sänkor, huvor, glasvaror, etc.). Utöver rutinmässiga laboratorie behov krävs ett membran filtreringssystem (≤ 0,45 μm) och en UV-spektrofotometer för mätning av P. En pH-mätare eller multiparametrar vattenkvalitet sond rekommenderas också men inte krävs. Laboratorie temperaturen är en viktig faktor och bör hållas konstant om inte temperaturen i sig undersöks som en experimentell faktor (20 ° c rekommenderas). Obehindrat tillträde till ett adekvat analytiskt laboratorium med lämplig utrustning är en förutsättning för att kunna utföra metoden på rätt sätt och generera meningsfulla resultat.
Protocol
Representative Results
Discussion
En huvudsaklig teknisk fördel av mikrokosmos-metoden är dess förmåga att simulera in situ- förhållanden där mättad jord eller sediment omedelbart överlagras av FW som väsentligen kan skilja sig i redox-och P-status. Landskap med variabel källa område hydrologi såsom dränering diken, översvämmade åkermark, våtmarker, och Riparian/Near-Stream zoner är alla exempel på där reducerade PW regelbundet överliggs av mer oxiderat vatten med lägre PI koncentrationer. Dessa redoxgradienter kan starkt …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiering gjordes tillgänglig av Vermont Water Resources och Lake Studies Center genom ett avtal med den amerikanska geologiska undersökningen. Slutsatser och åsikter är de av författarna och inte Vermonts vattenresurser och Lake Studies Center eller 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).
