Kontinuierliche hydrologischen und Qualitätsüberwachung von Vernal Teichen

Zusammenfassung

Verständnis der Ökosystem-Dienstleistungen und Prozesse zur Verfügung gestellt von vernal Teichen und die Auswirkungen der anthropogenen Aktivitäten auf ihre Fähigkeit, diese Leistungen zu erbringen, erfordert hydrologischen Intensivüberwachung. Diese Probenahme-Protokoll mit in-Situ- Überwachung der Geräte wurde entwickelt, um die Auswirkungen von anthropogenen Aktivitäten auf Wasserstände und Qualität zu verstehen.

Zusammenfassung

Vernal Teiche, auch bezeichnet als vernal Pools bieten kritischen Ökosystemleistungen und Lebensraum für eine Vielzahl von bedrohte und gefährdete Arten. Sie sind jedoch empfindliche Teile der Landschaften, die oft schlecht verstanden und ermöglichen. Landnutzung sowie Management-Praktiken und Klimawandel werden gedacht, um einen Beitrag zum globalen Amphibien Rückgang sein. Jedoch ist mehr Forschung notwendig, um das Ausmaß dieser Auswirkungen zu verstehen. Hier präsentieren wir Ihnen Methoden zur Charakterisierung von einem frühlingshaften Teichs Morphologie und Detail einer monitoring-Station, die zur quantitativen und qualitativen Daten über die Dauer von einem frühlingshaften Teich Hydroperiod Erhebung. Wir bieten Methodik zur Durchführung von Feldstudien zur charakterisieren der Morphologie und Entwicklung Stadium-Lagerung-Kurven für einen frühlingshaften Teich. Darüber hinaus bieten wir Methoden für die Überwachung der Wasserstand, Temperatur, pH-Wert, Oxidations-Reduktions-potential, gelösten Sauerstoff und elektrische Leitfähigkeit des Wassers in einem frühlingshaften Teich sowie die Überwachung von Niederschlagsdaten. Diese Informationen können verwendet werden, besser quantifizieren die Ökosystemleistungen, die vernal Teiche bieten und die Auswirkungen der anthropogenen Aktivitäten auf ihre Fähigkeit, diese Leistungen zu erbringen.

Einleitung

Vernal Teiche sind temporäre, flache Feuchtgebiete, die in der Regel enthalten Wasser von Herbst bis Frühjahr und in den Sommermonaten oft trocken sind. Der Überschwemmung Periode von vernal Teichen, allgemein bezeichnet als das Hydroperiod wird in erster Linie durch Niederschlag und Evapotranspiration¹gesteuert.

Vernal Teiche können auch als vernal Pools, kurzlebige Teiche, temporäre Teiche, saisonale Teiche und geografisch isolierten Feuchtgebiete²bezeichnet werden. Im Nordosten der Vereinigten Staaten vernal Teiche in den meisten Fällen der kritischen Lebensraum zeichnen sich durch bieten sie für Amphibien, als die Brutstätten und die Unterstützung während der frühen Lebensstadien (d.h. Kaulquappen) und Metamorphose. In Kalifornien vernal Teiche zeichnen sich durch die einzigartige Vegetation und vom Aussterben bedrohte Pflanzenarten, dass sie²unterstützen.

Diese Lebensräume sind zunehmend bedroht durch Einsatz und den Klimawandel zu landen, und Amphibienpopulationen erleben eine bedeutende globale Niedergang weitgehend durch anthropogene Aktivitäten^3,4. Wasser Qualität sorgen durch die Umweltverschmutzung sind auch Gedanken um Faktoren in den letzten Amphibien werden weltweit⁵Rückgänge. Darüber hinaus ergaben neuere Studien eine vermehrte Auftreten von intersexuellen Merkmalen in Frösche bewohnen vernal Teiche von menschlichen Abwasser⁶betroffen. Es muss daher eine intensivere Überwachung der natürlichen und betroffenen vernal Teiche, um besser zu verstehen, den Anteil an der globalen Amphibien Rückgang.

Die physikalischen Parameter des vernal Teiche, die gemessen und überwacht werden müssen sind die Teich-Morphologie und Wasserstand. Die Morphologie ist die Geometrie des Teiches und entsteht durch die Durchführung einer Umfrage um Höhenunterschiede über den großen Teich zu bestimmen. Die Umfrage, die Daten dann verwendet werden, um eine Rückhaltkurve zu schaffen und das Volumen des Teiches zu schätzende ermöglicht basierend auf Wasserstand Messungen. Da der Wasserstand in einem frühlingshaften Teich durch Fällung beeinflusst ist, sollten Messungen bei hoher zeitlicher Auflösung zu kurz (d. h., in der Größenordnung von Minuten bis Stunden) und langfristigen Schwankungen (d. h., am besten verstehen in der Größenordnung von Monaten bis Jahren) im Wasserstand.

Wasser Qualitätsparameter von Interesse, die Einfluss auf die Funktion von vernal Teichen bekanntermaßen zählen Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, gelösten Sauerstoff-Niveaus und Oxidations-Reduktions-Potenzial. Diese Parameter können alle gemessenen in Situ mit relativ günstigen Technologien und Sensornetze. Etwas Wasser Qualitätsparameter wie einige Nährstoffen Arten (d.h. insgesamt Kjeldahl-Stickstoff) und andere Schadstoffe (d.h.entstehenden Schadstoffe) erfordern Proben gesammelt und an ein Labor zur Verarbeitung gebracht und Analyse.

Kritische Parameter, die Einfluss auf die Fähigkeit von vernal Teichen funktionieren als geeigneter Lebensraum für Zucht Amphibien und die frühen Entwicklungsstadien der Kaulquappen sind Wasser, pH-Wert, und gelöste Sauerstoffkonzentration. Im Vergleich zu frühlingshaften Teichen befindet sich in relativ unberührten Landschaften, erhöhte Werte der elektrischen Leitfähigkeit, höheren pH-Wert reduziert gelöste Sauerstoffkonzentrationen und hohe Nährstoffkonzentrationen in vernal Teichen beeinflusst durch anthropogene erfaßt wurden Aktivitäten-^2,-⁷. Verringerung oder anaerobe Bedingungen auftreten in diesen Lebensräumen, insbesondere solche, die durch anthropogene Aktivitäten betroffen sind. Dadurch kann eine Verschiebung in der mikrobiologischen Gemeinschaft, Änderung des Nährstoffs Radfahren in den Teich und potenziell reduzieren Abbau von endokrinen hormonhemmende Verbindungen und andere Schadstoffe^8,9.

Das Ziel dieses Papiers ist es, Informationen wie man eine Station zur Überwachung der Wassermenge und die Qualität von einem frühlingshaften Teich zu etablieren. Diese Methode kann auf jedem vernal Teich angewendet werden, sondern erfordert Zugriff auf die Website (d. h.die Website muss auf öffentlichem Grund oder Grundstückseigentümer Berechtigung zum Installieren von Geräten).

Protokoll

1. Durchführung einer Umfrage eine Vernal Teich Morphologie

1. Wählen Sie einen Ort als Maßstab bestimmen und markieren Sie es mit einer kleinen Umfrage oder Kennzeichnung Flagge.
   Hinweis: Der Speicherort einer größeren Höhe als der Teich und Line-of-Sight von allen Standorten über den großen Teich.
2. Weisen Sie dem Maßstab einer Referenzhöhe; die genaue Zahl spielt keine Rolle, es stellt einfach einen Verweis auf die anderen Seiten verglichen werden können.
3. Mit einem Maßband und Fahnen markieren, machen Transekte in einem Intervall von 3 m über den Teichbereich, was in einem 3 x 3 m-Raster (siehe Beispiel in Abbildung 1).
4. Bestimmen Sie die Höhe des unteren des Teiches (d. h. der Boden) bei 3 m Abständen entlang jeder Transekt durch Messen der Höhe auf einem Leveling-Stab mit einem automatischen Niveau. Sicherzustellen, dass die Profile auf die höchsten Erhebungen auf jeder Seite des Teiches verlängern.
5. Am Ende jedes Transekt ein Rückblick auf den Benchmark zu machen und die Höhe aufzeichnen.
6. Bestimmen den Umfrage-Fehler als Differenz zwischen dem Benchmark ' s zugewiesen Höhe (d.h. dem Referenzwert in Schritt 1.2 zugewiesen) und die Höhe, gemessen von der am weitesten entfernten Stelle auf das Profil Transekt.
7. Berechnung den zulässigen Fehler (AE) der Verschluss für das Profil als AE = K (2 * M) ^0,5, wo K ist eine konstante zwischen 0,001 und 1 und M ist der Abstand (in Meilen) zwischen der Benchmark und der am weitesten entfernte Position auf das Profil.
   Hinweis: Der Wert von K richtet sich nach der geforderten Genauigkeit der Umfrage, die in diesem Fall als 0.1 ¹⁰ genommen werden kann.
8. Vergleich der Umfrage Fehler in Schritt 1,6 AE berechnet in 1.7 Schritt berechnet. Wenn die Umfrage Fehler größer als die AE ist, wiederholen Sie dann das Profil leveling (Schritte 1.3 und 1.4) für das Transekt. Wenn die Umfrage Fehler weniger als die AE dann das Profil für die Nivellierung Transekt abgeschlossen ist, führen das Profil für den nächsten Transekt Nivellierung.
9. Wiederholen Sie die Schritte 1,4 bis 1,8 durchzuführen Profil Nivellierung in Abständen von 3 m über den großen Teich in die andere Richtung, erstellen Sie ein Raster von bekannten Höhen (siehe ein Beispiel des Profils in Abbildung 1 Transekte).
10. , Eine Rückhaltkurve für den Teich zu entwickeln, sobald die Höhen (in Bezug auf die Benchmark) über das 3 m x 3 m-Raster über den großen Teich Befragten bekannt sind.
    Hinweis: Größere Intervalle können verwendet werden, aber der Fehler bei der Bestimmung der Beziehung zwischen Wasserspiegel und Teich Volumen erhöhen kann.

2. Bestimmung der Vernal Teich ' s Rückhaltkurve

Hinweis: jeder vernal Teich wird eine eindeutige Beziehung zwischen Wasserspiegel und Wasservolumen im Teich haben. Dieses Verhältnis nennt man die Rückhaltkurve.

1. Mit Höhendaten versammelten sich in Abschnitt 1, der höchsten und niedrigsten Höhen im Teich bestimmen.
2. Bestimmen die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten Erhebung und wählen Sie ein Intervall für die Höhenlinien; zeichnen sich ein Intervall von 0,1 bis 0,2 m ^{11 empfiehlt}.
3. Berechnen Sie die Fläche jeder Kontur (ein _ich). Dies kann entweder von Hand mit einem Planimeter oder elektronisch mit Software Geoinformationssysteme (GIS).
4. Die durchschnittliche Endfläche-Methode verwenden, um das Volumen zwischen jedem Intervall (V _ich) berechnen:
   
   wo E ist die Kontur Höhe .
5. Berechnen Sie das Gesamtvolumen (V _P) des vernal Teiches als Summe des Volumens zwischen jedem Intervall:
   
   Hinweis: hier H ist die maximale Tiefe des Teiches. Ein Beispiel ist in Tabelle 1 dargestellt.
6. Bestimmen Sie die Bühne-Lagerung-Beziehung für den Teich durch grafische Darstellung der kumulierten Volumen des Teiches als Funktion der Tiefe.
   1. Nach der Installation der Wasserstandsensor, verwenden das Wasser-Niveau als die " Phase " und schätzen die Wassermenge oder Lagerung im Teich.
      Hinweis: Ein Beispiel für eine Rückhaltkurve ist in Abbildung 2 dargestellt. Wenn der Wasserstandsensor über dem niedrigsten Punkt im frühlingshaften Teich installiert ist, ein Offset benötigt werden die gemessenen Wasserstand in der Rückhaltkurve umwandeln (fügen Sie den Offset in Schritt 3.3 auf den Wasserstand über den Wasserstandssensoren zu bestimmen, die St erfasst Alter).

3. Installation einer Überwachungsstation

Hinweis: Sensoren für Parameter von Interesse für diese Studie umfasste ein Druckaufnehmer (misst Wasserstand und Temperatur), gelöste Sauerstoffkonzentration, Oxidations-Reduktions Potential, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert und ein Trinkgeld Eimer Regenmesser. Die pH-Sonde, gelösten Sauerstoff-Sensor und Oxidations-Reduktions-Sonde im Labor vor der Bereitstellung pro Sensor kalibriert werden müssen ' s Bedienungsanleitung. Hier ist eine zentrale Datalogger (programmiert, um Daten in 15 min Abständen) ausgewählt, an die während der Bereitstellung alle Sensoren angeschlossen werden. Ein praktikables alternative Szenario wäre, dass jeder der Sensoren autonom ist und keine Notwendigkeit einer zentralen Datenlogger, zu tun, da jeder Sensor einen eigenen Datensatz würde.

1. Anbringen der Sensoren (mit Ausnahme der Niederschlagsmesser) an einem Betonklotz oder einen hölzernen Pfahl ( Abbildung 3). Verwenden Sie Schlauchschellen oder zip-Verbindungen zu gewährleisten, dass die Sensoren am unteren Rand der vernal Teich (oder die Tiefe von Interesse) bleiben.
   1. Anbringen den gelöste Sauerstoff-Sensor, so dass es in einem Winkel (pro Anweisungen des Herstellers), auf Sauerstoff durch die Membran diffundieren können. Druck-Wandler aufrecht, zu installieren, da der Druck, den es zu messen, wird der Wassersäule darüber, und der Wasserstand in einer vertikalen Weise aufgezeichnet werden sollte.
2. Installieren Sie die montierten Sensoren an einem Standort in Richtung der Mitte des Teiches, die voraussichtlich nicht trocken werden während des Studiums ist.
3. Bestimmt den vertikalen Abstand zwischen den Sensoren und der tiefste Punkt im Teich mit einem Lineal oder die Vermessungsgeräte. Erfassen diese Entfernung für den Einsatz bei der Entwicklung der Rückhaltkurve, wie unter Punkt 2.6 beschrieben (d. h., ein Offset erforderlich sein, wenn im Zusammenhang mit der Tiefe mit der Druckaufnehmer, die gesamte Wassertiefe im Teich gemessen).
4. , Während sie im Wasser untergetaucht werden können, die Sensor-Drähte anfällig für Mäuse sind oder andere Tiere, die darauf kauen können, wenn der Wasserstand niedrig in den Teich, um dies zu verhindern ist Apolyvinyl Chlorid Rohr um die Sensor-Kabel zu schützen (optional, aber empfohlen). Führen Sie die Sensor-Kabel bis an den Rand des Teiches vernal durch ein PVC-Rohr (3 m lang, 6,35 cm Durchmesser), wie in Abbildung 4 gezeigt.
   Hinweis: für temporäre Installation (z.B., ein paar Wochen zu einigen Monaten) das PVC-Rohr unnötige ausgegangen werden kann.
5. Set auf einem Stativ und montieren Sie ihn auf den Boden durch Einfügen von Einsätzen in jeder der ReiseBeine od.
   Hinweis: Einige große Stative haben einen Blitzableiter, der Installation zu erfordert.
   1. Position des Stativs nahe dem Rand des vernal Teich, um sicherzustellen, dass sie zugänglich ist, auch wenn der Teich mit Wasser gefüllt ist.
6. Befestigen Sie die Gehäuse-Box für den Datenlogger und Batterie (12 V) auf das Stativ, so dass ein Raum über das Stativ für die Solar-Panel über dem Gehäuse angezeigt ( Abbildung 4) montiert werden.
7. Ein 10 W Solar-Panel an der Spitze des Stativs befestigen und richten Sie es der Sonne entgegen. Ein solar Winkel Rechner ¹² verwendet werden, falls gewünscht, um zu bestimmen, den optimalen Winkel in dem das Panel installiert.
8. Legen den Regenmesser auf das Stativ, wenn Platz vorhanden ist. Andernfalls bringen sie einen hölzernen Pfahl oder Metallstange am Rand des Teichs und das Stativ ( Abbildung 4). (Wenn möglich) zu gewährleisten, hat der Niederschlagsmesser Baumdecke, die etwa der Baumdecke des Teiches (falls vorhanden) darstellt.
9. Bringen alle Sensor und Solar-Panel Drähte in das Gehäuse ein durch das Loch an der Unterseite der Box.
10. Verbinden alle Sensoren am Datenlogger ' s Verdrahtung Panel gemäß der Sensoren ' Anweisungen oder der Datenlogger ' s Schaltplan. Siehe Beispiel in Abbildung 5A.
11. Verbinden Sie die Solar-Panel-Kabel an die 12V-Batterie zum Aufladen der Batterie ( Abb. 5 b).
    Hinweis: Wählen Sie eine Batterie, die hat auch einen Spannungsregler (empfohlen), um sicherzustellen, dass die Batterie nicht zuviel Strom erhält aus der Solar-Panel.
12. Schließen Sie die Batterie an die Macht der Eingabebereich auf der Datalogger ( Abb. 5 b) zur Stromversorgung der Datenlogger und die Sensoren.
13. Legen Sie eine Trockenmittel Pack im Inneren der Gehäuse-Box zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit von Feuchtigkeitsschäden am Datenlogger.
14. Empfohlene jedoch fakultativ: einen Feld Laptop anschließen, mit der Datenlogger-Kommunikation-Software am Datenlogger mittels eines seriellen Kabels ( Abb. 5 b) um sicherzustellen, dass der Sensor-Netzwerk funktionsfähig ist.
15. Schließen Sie das Gehäuse und setzen Sie Ton um das Loch an der Unterseite des Feldes Gehäuse wo die Drähte geben Sie Insekten und Wasser aus dem Kasten heraus zu halten. Wenn die Sicherheit der Ausrüstung geht, sichern die Gehäuse-Box mit einem Vorhängeschloss.

Ergebnisse

Vernal Teiche können eine Vielzahl von Morphologie, mit Profilen von konvex bis hin zu geraden Steigung bis konkav aufweisen. Beispiel-Morphologie für einen frühlingshaften Teich im Zentrum von Pennsylvania zeigt Abbildung 1, zusammen mit den Ergebnissen der Rückhaltkurve für diesen Teich (Abbildung 2, Tabelle 1). Maximale Teichtiefe ist kein starker Indikator für Fläche, da Hydroperiod nur eine schwache K...

Diskussion

Bedeutung im Hinblick auf bestehende Methoden

Überwachung der Ströme etablierte Methoden, die von der United States Geological Survey (USGS) entwickelt hat, gibt es keine solche weit verbreiteten monitoring-Programm für Verständnis vernal Teich Dynamik. Dieses Protokoll soll Leitlinien für die hydrologischen Ansatz beginnen und Wasserqualität Überwachung Forschung an einem frühlingshaften Teich-Standort, mit dem Ziel zu verstehen, wie physikalische und chemische Faktor...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
CR1000	Campbell Scientific	16130-23	Measurement and Control Datalogger
ENC12/14-SC-MM	Campbell Scientific	30707-88	Weatherproof Enclosure Box (12" x 14")
CS451-L	Campbell Scientific	28790-82	Pressure Transducer
CM305-PS	Campbell Scientific	20570-3	47" Mounting Pole (Tripod)
TE525-L	Texas Electronics	7085-111	Tipping Bucket Rain Gauage (0.01 inch)
CS511-L	Campbell Scientific	26995-41	Dissolved Oxygen Sensor
SP10	Campbell Scientific	5278	10 W Solar Panel
PS150-SW	Campbell Scientific	29293-1	12 V Power Supply with Voltage Regulator & 7 Ah Rechargeable Battery
CSIM11-ORP	Wedgewood Analytical	22120-72	Oxidation-reduction potential probe
CSIM11-L	Wedgewood Analytical	22119-151	pH probe
CS547A-L	Campbell Scientific	16725-229	Water conductivity probe
A547	Campbell Scientific	12323	CS547(A) Conductivity Interface
CST/berger SAL 'N' Series Automatic Level Package	CST/berger	55-SLVP32D	Automatic Survey Level, Tripod, and 8' survey rod