Integrierte Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme für die Bewertung von Chemical Mobilität in Böden und Vegetation Gegründet

Zusammenfassung

Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme Forschern erlauben, die das Schicksal von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet zu beurteilen. Das Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie erforderliche Instrumentierung installieren und sammeln Proben für die chemische Analyse im integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme Experimenten.

Zusammenfassung

Potenziell toxische Chemikalien werden routinemäßig angewendet, um zu landen, um wachsenden Anforderungen an die Abfallwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion gerecht zu werden, aber das Schicksal dieser Chemikalien ist oft nicht gut verstanden. Hier zeigen wir ein integriertes Feld Lysimetrie und Porenwasserprobenahmeverfahren für die Bewertung der Mobilität von Chemikalien in Böden und Vegetation fest aufgebracht. Lysimeter, offene Spalten aus Metall oder Kunststoff, in bareground oder bewachsenen Böden angetrieben. Porenwassersammler, die im Handel erhältlich sind und mit Vakuum zu sammeln sickert Bodenwasser, in vorgegebenen Tiefen innerhalb der Lysimeter installiert. Am verabredeten Zeiten folgende chemische Anwendung auf Versuchsflächen wird Porenwasser gesammelt und Lysimeter, Boden und Vegetation enthalten, werden exhumiert. Durch die Analyse von chemischen Konzentrationen im Lysimeter Boden, Vegetation und Porenwasser, nach unten Auslaugraten, Bodenrückhaltevermögen und Pflanzenaufnahme für die Chemie von Interesse kann quantifiziert werden.Da Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme werden unter natürlichen Umweltbedingungen und mit minimalen Bodenstörung durchgeführt, abgeleitet Projektergebnisse real-case-Szenarien und liefern wertvolle Informationen für die chemische Management. Als Chemikalien werden weltweit zunehmend angewendet, um zu landen, können die beschriebenen Techniken verwendet, um zu bestimmen, ob brachten Chemikalien stellen Risiken für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt werden.

Einleitung

Potenziell toxische Chemikalien werden routinemäßig angewendet, um aus Quellen wie Pflanzenschutzmittel, Dünger, Abwasser / biosolids, Industrieabfälle und Siedlungsabfälle ^1,2 landen. Das Schicksal dieser Chemikalien - die Nährstoffe zählen kann, Spurenelemente, organische und die damit verbundenen Stoffwechselprodukte - wird oft nicht gut verstanden ^3. Wenn die Chemikalien nicht richtig verwaltet, haben sie das Potenzial, die menschliche Gesundheit und Umwelt durch Übertragung an und wuchs in Pflanzen, Oberflächenwasser und Grundwasser gefährden. Mit einer Weltbevölkerung von 10 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2050 erreichen kann, gibt es wachsenden Anforderungen an die Abfallwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion ² und Ausbringen von vielen Chemikalien hat zugenommen ^3,4. Dementsprechend wird die Forschung benötigt, die die Transformationen, Mobilität, Belastungsgrenzen, und die allgemeine Umweltrisiken von Chemikalien, die Land entsorgt werden müssen oder dass wir hängen von den Pflanzengesundheit zu verbessern quantifiziertund zu erhalten.

Eine Anzahl von Strategien wurden verwendet, um Bedrohungen von Chemikalien in der Umwelt angewendet auszuwerten. Labor-basierte Modellsystem Studien wurden durchgeführt, um Informationen über grundlegende Mechanismen, die die Mobilität von Chemikalien in Böden bereitzustellen. Bei der Analyse der Verbleib in einem Labor, kann eine vollständige Manipulation der "Umwelt" und Eingänge erreicht werden, die aber nur selten entsprechen realen Umweltbedingungen ^5,6. So Extrapolation Laborergebnisse auf Feldeinstellungen können zu ungenauen Vorhersagen über chemische Bedrohungen führen. Im Gegensatz dazu breiten Feldmessungen wurden zur chemischen Verhalten in der Umwelt zu definieren. Allerdings sind Rückschlüsse auf Umweltverhalten aus diesen Messungen oft aufgrund der häufig geringen Einsatz Raten (zB ein paar g A ^-1) der angewandten Chemie, sowie die komplexen Wechselwirkungen zwischen hydrologischen und biogeochemischen Prozesse in der E kompliziertnvironment, die chemische Verteilungen regulieren.

Lysimeter, einschließlich Feld Lysimetrie, war historisch von Boden-und Futter Wissenschaftlern verwendet, um die Abwärtsmobilität von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet systematisch zu evaluieren. Ein Lysimeters ist eine Vorrichtung aus Metall oder Kunststoff, die in einer Boden von Interesse platziert und wird verwendet, um das Schicksal von Chemikalien in bekannten Mengen zu einem begrenzten Bereich aufgebracht zu bestimmen. Boden-und Pflanzenproben gesammelt Lysimeter kann verwendet werden, um die Entwicklung von chemischen Verteilungen über die Zeit zu beurteilen. Da Feld Lysimetrie wird unter natürlichen Umweltbedingungen durchgeführt wird, können die Ergebnisse verwendet werden, um Echt-Case-Szenarien von chemischen Anwendungen zu Bodensystemen abgeleitet vorherzusagen. Frühe Lysimeterstudien gemessen Transpiration, Feuchtigkeit Fluss und / oder Nährstoff Bewegung. Die heutigen Lysimeterstudien messen Pestizid-und Nährstoffabfuhr, Pestizid-Bewegung, Volatilität und Massenbilanz, zusammen mit der aforementioned ³ Messungen.

Eine Einschränkung der traditionellen Bereich Lysimetrie ist, dass chemische Mobilität innerhalb einer Bodenprofil ist weitgehend durch Festphasen-Messungen definiert, während weniger Aufmerksamkeit wird auf gelöste chemische Konzentrationen in Wasser sickert durch die Böden bezahlt - eine wichtige Komponente, die das Potenzial des Grundwassers auswirken können vom Land aufgebrachten Chemikalien. Obwohl Sickerwasser aus dem Boden der Lysimeter ist manchmal für die Analyse gesammelt, dieser Ansatz Grenzen Tiefenauflösung von Porenwasserkonzentrationen und erfordert in der Regel erhebliche Bodenaushub vor dem Experiment. Stattdessen, um Daten über chemische Konzentrationen im Bodenwasser zu erhalten, Porenwassersammler kann im Feld Einstellungen genutzt werden. Porenwassersammler sind im Boden installiert, um Wasser aus diskreten, gewünschte Tiefe zu sammeln und nur minimal stören die Boden-System. Porenwassersammler haben viele Namen einschließlich Lysimeter-, Saug-cu bezeichnetp Lysimeter oder Bodenlösung Sampler, Falten ihrer Unterscheidung mit den oben beschriebenen traditionellen Bereich Lysimeter. In diesem Papier werden wir den Begriff "Porenwasser-Sampler" zu verwenden, um Verwirrung zu lindern.

Hier zeigen wir einen experimentellen Ansatz, der Feld-und Porenwasser Lysimetrie Probenahme für die Bewertung der Auslaugung nach unten Potenzial von Chemikalien zu bewachsenen Boden oder bareground Systeme angewendet verbindet. Lysimeter ist ein leistungsfähiges Werkzeug, seit der 1700er ⁷ verwendet, während keramische Porenwasserproben haben seit den frühen 1960er Jahren ⁸ verwendet. Die Integration dieser Techniken ermöglicht eine robuste Feldbestimmung der beiden Festkörper-und gelöste Phase chemischen Konzentrationsverteilungen bei gleichzeitiger Minimierung Bodenstörung. Dieses Papier beschreibt Faktoren, die bei der Gestaltung ein Experiment, einschließlich Standortauswahl, Installation der Geräte und Beispielsammlung. Der Ansatz wird mit einem Experiment, das das Schicksal der ein ausgewertet dargestelltorganische Arsenhaltiges Pestizid zu einem bareground und einem etablierten Rasen System angewendet. Die beschriebenen Techniken können bei Bedarf angepasst werden, um das Schicksal einer Vielzahl von Chemikalien zu untersuchen, um dadurch wertvolle Werkzeuge für Forscher und Politiker, die das Umweltverhalten und das Verhalten der Landbrachten Chemikalien zu verstehen suchen.

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Protokoll

Feld-Abtastung wird in diesem Experiment durchgeführt und steht unter der Zulassung des North Carolina Department of Agriculture & Consumer Services.

1. Feld Lysimeter-Installation

1. Wählen Sie eine experimentelle Website, auf der seitlichen Bewegung des aufgebrachten Chemikalien ist unwahrscheinlich (dh. Websites mit wenig oder ohne Steigung). Wählen Sie Websites basierend auf Boden und Vegetation Eigenschaften von Interesse.
2. Vor der Installation (Abbildung 1A) Lysimeter Wenn bewachsenen Grundstücke sind, ziehen Vegetation Steckern.
3. Fahren Sie die Lysimeter nach unten in die gewünschten Grundstücke (mit oder ohne Vegetation) mit einem inversen Post Fahrer, so ~ 1-2 cm der Lysimeter über der Bodenoberfläche, um die angewandte chemische enthalten und laterale chemische Bewegung zu minimieren. Hierzu gerollt und verschweißt Verwendung achtzehn Gauge Stahlplatten (91 cm tief x 15 cm Durchmesser) (1B). Verwenden Lysimeter aus verschiedenen Materialien und Abmessungen passen resSuche Ziele.
4. Ersetzen Vegetation Stecker folgenden Lysimeter-Installation.
5. Verwalten die Vegetation als geeignet für das Experiment. Wenn Grundstücke sind nackt zu bleiben, verwenden Sie vor Ort Anwendungen von Glyphosat, die Bereiche frei von Vegetation zu halten.
6. Stellen Sie sicher, dass die Bewässerung, Düngung, und alle anderen Management-Praktiken sind identisch in der bareground und bewachsenen Grundstücken. Vorbestimmen Bewässerung Forschungsziele zu erreichen.

2. Porenwasser Sampler Installations

1. Installieren Porenwassersammler, wie PTFE / Quarz-(50/50%), in der Mitte der Lysimeter zu sickert Porenwasser zu sammeln.
2. Legen Sie eine 2,5 cm Edelstahl-Stab in der Mitte der Lysimeter und legen Sie sie in den Boden mit einem Holzhammer auf die gewünschte Probentiefe.
   HINWEIS: Eine Schnecke kann auch für diesen Schritt verwendet werden.
3. Bereiten Sie eine Quarzmehl und Wasser-Schlamm mit 700 ml Wasser zur Bewässerung zu ~ 900 g chemisch inerte Quarzmehl. Mischen Sie den Brei thoroughly vor jeder Abtaster in der Mischung gegeben. Üben Sie Druck zwischen -50 bis -70 kPa zum Sampler von einem Handheld-oder Akku-Vakuumpumpe.
4. Entfernen Sie die Sampler aus dem Quarzmehl Brei nach 10 min, und mischen die Siliciumdioxidaufschlämmung wieder. Pour 60 ml der Aufschlämmung durch einen Trichter auf eine 2,5 cm Durchmesser Rohr in den Boden des Loches verbunden ist.
5. Setzen Sie den Sampler in das Loch an der gewünschten Probentiefe mit einem Kunststoff-oder Metallrohr. Sicherzustellen, dass Schlauch von dem Abtaster erstreckt sich aus dem Loch. Verwenden Sie einen Brei aus unbehandelten, heimischen Boden und Wasser, um das verbleibende Loch zu verfüllen.
6. Nehmen Sie sich Zeit beim Hinterfüllen für Boden absetzen; verwenden Sie ein Rohr zu zusätzlichen Boden stampfen, wie gebraucht.
7. Backfill Boden auf das ursprüngliche Niveau. Gegebenenfalls ersetzen Vegetation an der Spitze der Bohrung.
8. Befestigen Sampler Schlauch mit einer Vakuumflasche über einem Abschnitt von fluorierten Ethylen-Propylen (FEP)-Schlauch. Mit einem Kunststoffrohrklemme, schließen Sie eine zweite Schlauchleitung ausdie Vakuumflasche zu einer Vakuumpumpe.
9. Decken Schläuche und Flaschen Sammlung mit schwarzem Kunststoffband oder ob die Chemikalie (n) von Interesse ist anfällig für Photoabbau (Abbildung 1C).
10. Bewerben Vakuumdruck von etwa -50 bis -70 kPa über die Vakuumflasche zu den Samplern immer wieder im Laufe von mehreren Tagen vor dem Experiment, um die ordnungsgemäße Installation zu gewährleisten Sampler.

3. Chemical Anwendung auf Lysimeter

1. Mindestens zwei Wochen Akklimatisierung vor der chemischen Anwendungen hergestellt werden.
2. Sammeln Hintergrund Porenwasserproben vor Lysimeter-Behandlung, um Hintergrundkonzentrationen der chemischen (e) von Interesse zu quantifizieren.
3. Tragen Sie die chemische von Interesse für den Boden oder Vegetation durch die typischen Methoden, wie mit einem Hand CO _2-Druck-Boom Spritze (1D) oder durch die Verteilung der Granulatformulierung direkt auf der Oberfläche des Grundstücks mit der Lysimeter. Wenn mehrere chemischen Anwendungen für Wirksamkeit notwendig sind, gelten sie pro typische Nutzungsmuster oder Etikett. Lassen Sie einige Lysimeter unbehandelt als Kontrolle dienen.

4. Porenwassersammlung und-analyse

1. Bewerben etwa -50 bis -70 kPa Vakuum an die Porenwasser Sampler Vakuum-Flaschen am Tag vor oder am Tag der Probenahme. Wasser rund um den Sampler wird oben durch den Sampler in den Schlauch gezogen werden, mit der Vakuumflasche, wo es gesammelt, bis abgetastet fließt. Die Bodenvolumen, aus dem Porenwasser wird gesammelt und das Wassersammelzeit kann aufgrund von Faktoren wie Bodenart, Bodenbeschaffenheit, Bodenfeuchte und Sampler Tiefe ab.
2. Die Proben werden in bestimmten Zeitabständen folgende chemische Anwendung, wie die Forscher vorgegeben.
3. Messen des Volumens des aufgefangenen Wassers in einen Meßzylinder für jeden Porenwasser-Probennehmer. Wenn Filtration notwendig ist, legen Sie das Wasser in einem Luer-Lok syringe (Größe auf Wassermenge ab) und übergeben Probe durch ein 25 mm 0,2 um Nylonfilter.
4. Wenn verschiedene Probenkonservierungsverfahren sind erforderlich und ausreichend Probe wird gesammelt, teilen Sie die Probe in einzigartige Containern.
5. Mit einem Hand pH-Meter, um den pH-Wert der nicht angesäuerten Proben zu bestimmen.
6. Der pH-Wert durch Zugabe einer ausreichenden Volumen der entsprechenden Säure, wenn für Probenkonservierung erforderlich.
   HINWEIS: Konzentrierte Säuren können ätzend sein oder Oxidationsmittel und es sollte, wenn mit ihnen eingenommen werden.
7. Proben auf Eis in einem Kühler oder im Kühlschrank bis zur Analyse gebracht. Verwenden Analysemethoden für chemische Messungen, wie induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS), induktiv gekoppelte Plasma-optische Emissionsspektroskopie (ICP-OES), Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) oder Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC), um die Proben analysieren.

5. Lysimeter Exhumierung, Boden / Vegetation Sammlung einnd Analyse

1. Exhumieren die Lysimeter, Boden und Vegetation enthält, in bestimmten Zeitabständen folgenden chemischen Anwendung. Exhumieren unbehandelten Lysimeter zu jedem Probenahmezeit, um Hintergrund chemischen Konzentrationen im Boden und Vegetation zu bestimmen.
2. Exhumieren Lysimeter Verwendung Barrel Schellen an einem Traktor befestigt umzusetzen. Senken Sie den Eimer in eine Position, die für die Klammern, um auf der Lysimeter exponierte Kante gelegt werden können.
3. Heben Sie das Gerät verursacht die Klammern um die freiliegende Kante fassen und zog den Lysimeter-Säule aus dem Boden (Abb. 1E).
4. Cap exhumiert Lysimeter Enden mit Dämmplatten auf den Durchmesser der Lysimeter geschnitten. Halten Kappen an Ort und Stelle mit Gallonen-Größe Polyethylen-Beutel in den Lysimeter Enden eingefügt und sicheren Taschen mit Klebeband.
5. Transportieren Sie die Lysimeter mit einem Feldlabor für Boden und Vegetation Probenteilung. Prozess ersten unbehandelten Lysimeter, um eine Kontamination zu verhindern Uhrong Lysimeter.
6. Verwenden Sie eine Säbelsäge mit einem Metallschneidmesser, um die Lysimeter der Länge nach auf einer Seite geschnitten ausgestattet. Schneiden Sie die Spalten aus dem Boden (Zone der erwarteten geringeren Konzentration) nach oben (Zone der erwarteten höheren Konzentration), um sicherzustellen, dass der Boden in größeren Tiefen nicht durch Boden in geringeren Tiefen kontaminiert.
7. Split öffnen Sie die Lysimeter. Verwenden Metalltrennplatten, separate diskrete Boden und Vegetation Abschnitte. Wählen Bodentiefe Schritten bezogen auf die Länge der Lysimeter-und Forschungsziele.
8. Verwenden Löffel oder Spatel, um die geschnittenen Boden und Vegetation auszugraben. Platzieren Sie jede Probe in einem entsprechend gekennzeichneten Polyethylen-Gefrierbeutel. Boden sammeln Sie nicht direkt in Kontakt mit dem Lysimeter.
9. Folgen Sie der Grabungsprotokoll für jede gewünschte Probentiefe. Zeigen Probenbeutel in einen Kühler mit Eis gefüllt und transportieren sie zu einem Labor. Lagern Sie die Proben in einem Gefrierschrank bis zur Analyse.

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Ergebnisse

Diese Methode ermöglicht die Anhäufung von Daten über das Schicksal von Chemikalien angewandt, um bareground und bewachsenen Bodensystemen ^5,10. Dieser Ansatz wurde verwendet, um Arsen (As) nach unten Auslaugung, Absorption und Translokation in Anlagen zur Bermuda bewerten (Cynodon dactylon)-Systeme nach Anwendung von organischen Arsen Herbizid Mononatrium-Methyl-Arsenat (MSMA) ^9. Seit den 1960er Jahren hat MSMA in Nicht-Kulturflächen, Rasen, und die Baumwollproduktion verwendet worden...

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Diskussion

Mit Hilfe einer integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasserstichprobenansatz ermöglicht es Forschern, räumliche und zeitliche Verteilung von einer Vielzahl von Land-brachten Chemikalien beurteilen. Das Schicksal von Chemikalien in Böden und bewachsenen Systeme können durch eine Reihe von Umweltprozessen und Attribute, wie unten Auslaugung, Verflüchtigung, Hydrolyse, Photolyse, mikrobielle Umwandlung / Zersetzung, Pflanzenaufnahme, Bodentyp, Boden-pH ^16,17 und gesteuert werden. Anders als Gewächshaus od...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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