Messung der Phosphorfreisetzung in Labormikrokosmen zur Wasserqualitätsbewertung

Zusammenfassung

Eine genaue Quantifizierung des Phosphor-Desorptionspotenzials in gesättigten Böden und Sedimenten ist wichtig für p-Modellierungs- und Transportminderungsbemühungen. Um die In-situ-Boden-Wasser-Redoxdynamik und p-Mobilisierung unter längerer Sättigung besser zu berücksichtigen, wurde ein einfacher Ansatz entwickelt, der auf wiederholten Probenahmen von Labormikrokosmen basiert.

Zusammenfassung

Phosphor (P) ist ein kritischer begrenzender Nährstoff in Agroökosystemen, der ein sorgfältiges Management erfordert, um das Transportrisiko für aquatische Umgebungen zu verringern. Routinemäßige Labormaßnahmen der P-Bioverfügbarkeit basieren auf chemischen Extraktionen, die an getrockneten Proben unter oxidierenden Bedingungen durchgeführt werden. Obwohl nützlich, sind diese Tests in Bezug auf die Charakterisierung der P-Freisetzung unter längerer Wassersättigung begrenzt. Labile Orthophosphat, das an oxidiertes Eisen und andere Metalle gebunden ist, kann schnell zur Lösung in reduzierenden Umgebungen desorbieren, was das P-Mobilisierungsrisiko für Oberflächenabfluss und Grundwasser erhöht. Um das P-Desorptionspotenzial und die Mobilität bei längerer Sättigung besser zu quantifizieren, wurde ein Labormikrokosmosverfahren entwickelt, das auf wiederholten Probenahmen von Porenwasser und darüber liegenden Hochwasserim und Darübertraten im Laufe der Zeit basiert. Die Methode ist nützlich für die Quantifizierung des P-Freisetzungspotenzials aus Böden und Sedimenten mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften und kann die standortspezifischen P-Minderungsbemühungen verbessern, indem das P-Freisetzungsrisiko in hydrologisch aktiven Gebieten besser charakterisiert wird. Zu den Vorteilen der Methode gehören die Fähigkeit, In-situ-Dynamik, Einfachheit, niedrige Kosten und Flexibilität zu simulieren.

Einleitung

Phosphor (P) ist ein kritischer begrenzender Nährstoff sowohl für die Produktivität von Pflanzen als auch für aquatische Biomasse. Die Oberflächenwasserhydrologie ist ein Haupttreiber des P-Schicksals und des Transports, da sie den physischen Transport von Sedimenten und P steuert und gleichzeitig das Remobilisierungspotenzial bei Abfluss- und Überschwemmungs-/Teichereignissen beeinträchtigt. Verschiedene laborbasierte Extraktionsmethoden werden in der Regel verwendet, um die P-Freisetzung auf der Feldskala unter oxidierenden Bedingungen zu schätzen. Während verschiedene Mechanismen zur P-Freisetzung beitragen können, ist die reduktive Auflösung von Eisenphosphaten ein etablierter Reaktionsmechanismus, der zu großen Orthophosphat-P-Flussen zu Wasser führen kann^{1,2,3, 4}. Bei einer Überprüfung der Mechanismen zur Kontrolle der P-Biogeochemie in Feuchtgebieten wurde der Redox-Status als die Hauptvariable vermutet, die die Freisetzung von P in Böden und flaches Grundwasser kontrolliert⁵. Daher sind herkömmliche P-Tests möglicherweise keine zuverlässigen Prädiktoren für die P-Freisetzung bei längerer Sättigung.

Angesichts der Bedeutung der Verweilzeit und des Redoxstatus für P-Schicksal und Transport könnten Laboransätze zur besseren Simulation von In-situ-Bedingungen zu verbesserten P-Transportrisikoindizes für landwirtschaftliche und feuchte Ökosysteme führen, die variable Sättigung. Da Orthophosphat sofort bioverfügbar ist, können Die Rate und das Ausmaß der Desorption während der Sättigung als Index des Nichtpunkt-Quellen-P-Verschmutzungsrisikos verwendet werden. Unsere Methode wurde entwickelt, um p desorption zu Porewater (PW) und Mobilisierung zu darüberliegenden Hochwasser (FW), ein typischer Zustand in Gebieten mit variabler Quellgebiet Hydrologie (z. B. überflutete landwirtschaftliche Felder, Feuchtgebiete, Entwässerungsgräben und Anrainer/ Nahlaufzonen). Die Methode wurde ursprünglich entwickelt, um das P-Freisetzungspotenzial in saisonal überfluteten Böden aus dem nördlichen New York (USA) zu charakterisieren und wurde kürzlich angewendet, um das P-Desorptionspotenzial von Uferböden aus dem Lake Champlain Basin 6 im Nordwestlichen Vermont zu quantifizieren. . Hier stellen wir ein Protokoll für die Labormikrokosmosmethode zur Verfügung und heben die Ergebnisse einer kürzlich veröffentlichten Studie hervor, die seine Fähigkeit zur Quantifizierung des P-Desorptionspotenzials demonstriert. Wir zeigen auch die Beziehung zwischen P-Freisetzungspotenzial und die Zuverlässigkeit von routinemäßigen Bodentests (labile extractable P, pH) zur Vorhersage der Freisetzung über Standorte hinweg.

Die Durchführung der Methode erfordert den Zugang zu einem Analyselabor mit ausreichender Klimakontrolle, Lüftung, Wasser und einem geeigneten sauren Abfallentsorgungssystem. Das Verfahren setzt den Zugang zu routinemäßigen chemischen Reagenzien und Laborgeräten (Senken, Hauben, Glaswaren usw.) voraus. Über den routinemäßigen Laborbedarf hinaus ist ein Membranfiltrationssystem (ca. 0,45 m) und ein UV-Spektralphotometer zur Messung von P erforderlich. Eine pH-Meter- oder Multiparameter-Wasserqualitätssonde wird ebenfalls empfohlen, ist aber nicht erforderlich. Die Labortemperatur ist ein wichtiger Faktor und sollte konstant gehalten werden, es sei denn, die Temperatur selbst wird als experimenteller Faktor untersucht (20 °C wird empfohlen). Der ungehinderte Zugang zu einem geeigneten Analyselabor mit entsprechender Ausrüstung ist eine Voraussetzung, um die Methode ordnungsgemäß durchzuführen und aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen.

Protokoll

1. Probensammlung

1. Sammeln Sie ca. 4 L Erde (oder Sediment) von gewünschten Standorten. Sammelflächen sollten relativ klein sein, um räumliche Unterschiede in den P- und Bodeneigenschaften zu begrenzen.
2. Siebproben durch einen groben (20 mm) Bildschirm folgten einem 2 mm Bildschirm. Gründlich Hand-Mix-Proben nach dem Sieben.
3. 100 g feldfeuchten Boden oder Sediment abwägen. Im Ofen bei 105 °C für 24 h trocknen und den gravimetrischen Wassergehalt (Bodenwassermasse/trockene Bodenmasse) berechnen.
4. Nehmen Sie eine 500 ml-Unterprobe für die chemische Analyse.
   HINWEIS: Boden-pH-Wert, Gehalt an organischen Stoffen und labile anorganische P (Pi)-Konzentration werden zu Bodentests empfohlen. Hierbei wurde die labile Boden-Pi-Verfügbarkeit bewertet durch: 1) Pi extrahiert durch 1,25 mol^L-1 Ammoniumacetat (pH = 4,8; im Folgenden als modifiziertes Morgan-extraktionsfähiges P) gemessen kolorimetrisch^7,8, 2) Pi extrahiert durch destilliertes Wasser und 3) P extrahiert durch 1,25 mol^L-1 Ammoniumacetat (pH = 4,8), gemessen durch induktiv gekoppelte plasmaoptische Emissionsspektroskopie (ICP)⁸.
5. Verwenden Sie den verbleibenden gesiebten Boden für Mikrokosmosstudien oder lagern Sie in Polyethylenbeuteln bei 5 °C für die spätere Verwendung.
   HINWEIS: Böden trocknen aus, wenn sie über einen längeren Zeitraum gekühlt werden (>30 Tage) und müssen remoisteniert werden. Einfrieren Sie keine Bodenproben, da sie die mikrobielle Integrität und das P-Freisetzungspotenzial beeinträchtigen.

2. Mikrokosmos-Konstruktion

1. Verwenden Sie ein Liter (1 L) graduiertes Polypropylen oder andere nicht reaktive Kunststoffbecher als individuelle Versuchseinheiten (Mikrokosmen). Becher in 10% Salzsäure waschen und mit destilliertem Wasser dreifach abspülen.
2. Messen Sie 2 cm von unten und setzen Sie eine Markierung neben Becher-Graduierungen. Bohren Sie ein Loch mit einem Durchmesser von 1,25 cm für Drainageanschlüsse.
3. Legen Sie eine kleine Perle aus Silikon um den Innenrand der Schlauchleiste und den äußeren Umfang des Bohrlochs. Setzen Sie den Entwässerungsanschluss vorsichtig in das Loch ein.
   HINWEIS: Lassen Sie die Lufttrocknung für mindestens 24 h, bevor Sie mit Schritt 2.4 fortfahren.
4. Verfolgen Sie den Äußerenrumkreis der Schlauchwiderhaken auf Nylon-Mesh-Filtersieb und schneiden Sie mit einer Schere aus. Tragen Sie eine dünne Perle Silikon um den Umfang jedes Filters auf der Außenkante auf und drücken Sie Filter auf Schlauchbarbeneinlässe. Vor der Verwendung mindestens 24 h Trocknungszeit einräumen.
   ANMERKUNG: Für die meisten Anwendungen wird eine Porengröße von 100 m empfohlen; Feinerstrukturierte Böden erfordern jedoch möglicherweise eine größere Filterporengröße, um eine übermäßig lange PW-Probenentnahmezeit zu vermeiden.
5. Passen Sie ein kurzes Stück Latexschlauch mit 0,625 cm Durchmesser an die Rohrbarbenden an. Befestigte einen 3,3 cm breiten Papierbinderclip am Schlauch, um den Fluss zu verhindern.

3. Durchführung einer Phosphorfreisetzungsstudie

1. 500 ml Probe in doppelte Mikrokosmen geben und destilliertes Wasser entlang der Becherwände vorsichtig auftragen, bis FW die 1 L-Marke erreicht.
   HINWEIS: Lassen Sie Mikrokosmen für 24-48 h ausdemieren, bevor Sie erste Proben nehmen.
2. Lösen Sie Papierbindemittel, um PW-Fluss durch den Entwässerungsanschluss zu induzieren. Sammeln Sie Proben, indem Sie saubere 30 ml Becher direkt unter PW-Entwässerungshäfen platzieren. Lassen Sie mehrere ML PW abtropfen, verwerfen und verwenden Sie die nächsten 10 ml als repräsentatives Probenvolumen.
3. Filtern Sie PW-Proben durch 0,45 m Membranfilter und analysieren Sie sofort auf lösliches reaktives P (SRP). Zeichnen Sie Absorptionswerte und Messzeiten auf.
   HINWEIS: SRP wird im Allgemeinen als Orthophosphat angenommen; Molybdat-reaktives P kann jedoch auch Komplexe mit Kolloiden und/oder Nanopartikeln bilden, die durch 0,45 'm Filter⁴passieren.
4. Nehmen Sie die erste FW-Probe, indem Sie eine 10 ml-Lampenspritzenpipette auf halbem Weg in die Wassersäule einlegen und eine Probe mit einer kreisförmigen Bewegung zurückziehen. Leeren Sie in Becher, filtern und analysieren Sie sofort für SRP.
5. Ersetzen Sie das abgetastete Wasser, indem Sie becherte bis zur 1 L-Ebene mit destilliertem Wasser nachfüllen.
   HINWEIS: Verdunstungsverluste variieren. Ziel ist es, in allen Mikrokosmen konsequent ein Gesamtvolumen (überfluteter Boden + Wassersäule) von 1 L zu erhalten. Der Ersatz von Verdunstungswasserverlusten hat vernachlässigbare Verdünnungseffekte auf SRP.
6. Wiederholen Sie die Schritte 3.2 bis 3.5 basierend auf der gewünschten Anzahl von P-Freigabezeitpunkten für die Analyse.
   HINWEIS: Die Anzahl der im Laufe der Zeit entnommenen Proben hängt von den Experimentierzielen ab. Die Probenahme ein- bis dreimal pro Woche ist für viele Anwendungen ausreichend, wenn man davon ausgeht, dass die Inkubationen nahe 20 °C liegen. Die Inkubation bei höheren Temperaturen erhöht die SRP-Freisetzungsraten und erfordert häufigere Probennahme. Hier geht es darum, den Nutzen der Mikrokosmos-Methode aufzuzeigen, anstatt sich auf die Datenanalyse aus Experimenten zu konzentrieren. Sowohl kinetisch basierte als auch empirische Modelle, die p desorption/sorpttion-Daten passen, werden an anderer Stelle dargestellt^9,10. Da die Mikrokosmos-Methode auf einem wiederholten Messdesign beruht und Replikation und unterschiedlichen Behandlungen Rechnung trägt, sind auch generalisierte lineare mische Modellierungsansätze geeignet¹¹.

Ergebnisse

Die Ergebnisse einer aktuellen Studie, die sich auf das P-Freisetzungspotenzial von Anrainerbereichen konzentriert, werden hervorgehoben, um die Fähigkeit der Methode zu demonstrieren, die Freisetzungsdynamik auf Standortebene Zucharakteristen zu erhalten⁶. Während einige Böden im Laufe der Zeit minimale Veränderungen in sRP aufwiesen, wiesen andere große Erhöhungen der PW- und FW-SRP-Konzentrationen auf (Abbildung 1). In Abbildung 1

Diskussion

Ein technischer Hauptvorteil des Mikrokosmos-Ansatzes ist seine Fähigkeit, In-situ-Bedingungen zu simulieren, bei denen gesättigte Böden oder Sedimente sofort von FW überlag, die sich in Redox- und P-Status erheblich unterscheiden können. Landschaften mit variabler Quellenhydrologie wie Entwässerungsgräben, überflutete Ackerflächen, Feuchtgebiete und Ufer-/Nahbachzonen sind Beispiele dafür, dass reduzierte PW periodisch von mehr oxidiertem Wasser mit niedrigeren Pi-Konzentrationen überlagert werden. D...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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