Continu hydrologiques et surveillance des étangs printaniers de la qualité de l’eau

Résumé

Comprendre les services écosystémiques et les processus fournis par étangs printaniers et les impacts des activités anthropiques sur leur capacité à fournir ces services nécessite un suivi hydrologique intensive. Ce protocole d’échantillonnage à l’aide d' in situ , équipement de surveillance a été mis au point pour comprendre l’impact des activités anthropiques sur les niveaux d’eau et de la qualité.

Résumé

Étangs printaniers, également dénommés vernales, fournissent des services écosystémiques essentiels et habitat pour une variété d’espèces menacées et en voie de disparition. Cependant, ils sont les parties vulnérables des paysages qui sont souvent mal comprises et sous-étudiées. Utilisation des terres et des pratiques de gestion, ainsi que le changement climatique est considéré comme une contribution au déclin global amphibian. Cependant, davantage de recherche est nécessaire pour comprendre l’ampleur de ces impacts. Nous présentons ici la méthodologie pour caractériser d’un étang vernal morphologie et de détail, une station de surveillance qui peut être utilisée pour collecter les données de quantité et la qualité de l’eau pendant la durée du hydropériode d’un étang vernal. Nous fournissons la méthodologie pour la conduite des enquêtes sur le terrain afin de caractériser la morphologie et établir des courbes de la phase de stockage pour un étang vernal. En outre, nous fournissons méthodologie pour surveiller le niveau d’eau, température, pH, oxygène dissous potentiel oxydo-réduction et la conductivité électrique de l’eau dans un étang vernal, ainsi que le suivi des données de précipitations. Cette information peut servir à mieux quantifier les services écosystémiques qui fournissent des étangs printaniers et les impacts des activités anthropiques sur leur capacité à fournir ces services.

Introduction

Étangs printaniers sont temporaires, peu profondes des marécages qui généralement contiennent de l’eau de l’automne au printemps et sont souvent secs pendant les mois d’été. La période d’inondation des étangs printaniers, communément appelé le hydropériode, est principalement contrôlée par les précipitations et l’évapotranspiration¹.

Étangs printaniers peuvent également être dénommés vernales, éphémères étangs, Mares temporaires, mares saisonnières et terres humides géographiquement isolées². Dans le nord-est des États-Unis, les étangs printaniers sont plus souvent caractérisées par l’habitat essentiel qu’ils fournissent pour les amphibiens, agissant comme les aires de reproduction et de fournir du soutien au cours des premiers stades de vie (c.-à-d., têtards) et de la métamorphose. En Californie, étangs printaniers sont caractérisés par la végétation unique et les espèces de plantes en voie de disparition qu’ils soutiennent².

Ces habitats sont plus en plus menacés au changement climatique et de l’utilisation des terres et des populations d’amphibiens connaissent un déclin global significatif attribuable aux activités anthropiques^3,4. Problèmes de qualité de l’eau en raison de la pollution sont également pensé pour être des facteurs dans les amphibiens récente décline dans le monde⁵. En outre, des études récentes ont révélé une fréquence accrue des caractéristiques d’intersexualité chez les grenouilles vivant dans des étangs printaniers, touchés par des eaux usées humaines⁶. Il est donc nécessaire d’effectuer une surveillance plus intensive des étangs printaniers tant naturels que touchées afin de mieux comprendre les contributeurs au déclin global amphibian.

Les paramètres physiques des étangs printaniers qui doivent être mesurés et contrôlés comprennent la morphologie de l’étang et le niveau d’eau. La morphologie est la géométrie de l’étang et est développée par la réalisation d’une enquête pour déterminer les changements d’altitude à travers l’étang. L’enquête sur les données sont ensuite utilisées pour établir une courbe de phase de stockage, qui permet le volume de l’étang à estimer basée sur des mesures de niveau d’eau. Parce que le niveau d’eau dans un étang vernal est fortement influencé par les précipitations, les mesures doivent être effectuées à une haute résolution temporelle pour mieux comprendre fois courte (c'est-à-dire, l’ordre des minutes et heures) et les fluctuations à long terme (c.-à-d., l’ordre des mois aux années) au niveau de l’eau.

Paramètres de qualité de l’eau d’intérêt qui sont connus pour affecter la fonction d’étangs printaniers comprennent la température, pH, conductivité électrique, teneurs en oxygène dissous et potentiel d’oxydoréduction. Ces paramètres peuvent être mesurés in situ avec des technologies relativement bon marchés et les réseaux de capteurs. Un peu d’eau les paramètres de qualité d’intérêt, comme certaines espèces en éléments nutritifs (p. ex., l’azote total Kjeldahl) et d’autres polluants (p. ex., les contaminants émergents) nécessitent d’être recueillis et portés à un laboratoire pour le traitement des échantillons et analyse.

Les paramètres critiques qui affectent la capacité des étangs printaniers de fonctionner comme un habitat approprié pour les amphibiens de l’élevage et les premiers stades du développement des têtards comprennent l’eau, niveau, pH et concentration d’oxygène dissous. Par rapport à vernal étangs situés dans des paysages relativement vierges, des niveaux élevés de la conductivité électrique, un pH plus élevé, réduit les concentrations d’oxygène dissous, et des concentrations élevées de nutriments ont été enregistrées dans des étangs printaniers touchés par anthropiques activités^2,7. Des conditions réductrices ou anaérobies peuvent se produire dans ces habitats, en particulier ceux qui sont touchés par les activités anthropiques. Cela peut entraîner un changement dans la communauté microbiologique, altérant le nutriment cyclisme au sein de l’étang et qui pourrait réduire la dégradation des perturbateurs endocriniens et autres polluants^8,9.

L’objectif du présent document est de fournir des informations sur la façon d’établir une station de surveillance de la quantité d’eau et de la qualité d’un étang vernal. Cette méthode peut être appliquée à n’importe quel étang vernal, mais requiert l’accès au site (p. ex., le site doit être sur une propriété publique ou avoir l’autorisation de propriétaire terrien d’installer de l’équipement).

Protocole

1. réalisation d’une étude d’une morphologie étang Vernal

1. choisir un endroit de désigner comme point de repère et de marquer avec une petite enquête ou marquage drapeau.
   Remarque : L’emplacement doit être à une altitude plus élevée que l’étang et avons line-of-sight de partout à travers l’étang.
2. Assigner la valeur de référence une altitude de référence ; le nombre exact n’est pas grave, il fournit simplement une référence à laquelle toutes les autres élévations peuvent être comparées.
3. à l’aide d’un ruban à mesurer et marquer les drapeaux, faire des transects à un intervalle de 3 m au-dessus de la zone de l’étang, résultant dans une grille 3 x 3 m (Voir l’exemple de Figure 1).
Intervalles
4. déterminer l’élévation du fond de l’étang (c.-à-d., le terrain) à 3 m le long de chaque transect en mesurant la hauteur sur une tige de mise à niveau à l’aide d’un niveau automatique. S’assurer que les profils s’étendent pour les altitudes plus élevées de chaque côté de l’étang.
5. à la fin de chaque transect, faire une backsight à la valeur de référence et d’enregistrer l’élévation.
6. Déterminer l’erreur de l’enquête comme étant la différence entre la valeur de référence ' altitude s assignés (c.-à-d., la valeur de référence attribuée à l’étape 1.2) et l’altitude mesurée à partir de l’emplacement le plus éloigné sur le profil du transect.
7. Calculer l’erreur admissible (AE) de fermeture pour le profil que AE = K (2 * M) ^0,5, où K est une constante entre 0,001 et 1 et M est la distance (en milles) entre le point de référence et de l’emplacement plus éloigné sur le profil de.
   Remarque : La valeur de K dépend de la précision requise de l’enquête, qui dans ce cas on peut prendre comme 0.1 ¹⁰.
8. Compare l’erreur de sondage calculé à l’étape 1.6 à l’AE calculé à l’étape 1.7. Si l’erreur de relevé est supérieur à l’AE, puis refaire le nivellement (étapes 1.3 et 1.4) pour profil transect. Si l’erreur du sondage est inférieure à l’AE, puis la mise à niveau pour que le profil du transect terminée, mener le profil mise à niveau pour la prochain transect.
9. Répéter étapes 1,4 à 1,8 pour mener profil nivellement à intervalles de 3 m à travers l’étang dans l’autre sens pour créer une grille d’altitudes connues (voir un exemple de profil de transects dans la Figure 1).
10. Développer une courbe de phase de stockage pour l’étang, une fois que les élévations (en ce qui concerne l’indice de référence) sont connues à travers la grille de 3m x 3m interrogée à travers l’étang.
    Remarque : Les plus grands intervalles peuvent être utilisés, mais l’erreur dans la détermination de la relation entre le niveau d’eau et le volume de l’étang peut augmenter.

2. Déterminer l’étang Vernal ' s stade-stockage courbe

Remarque : chaque étang vernal auront une relation unique entre le niveau d’eau et le volume d’eau dans l’étang. Cette relation est appelée la courbe de phase-stockage.

1. En utilisant les données d’altitude se sont réunis dans la Section 1, déterminer les altitudes plus élevées et les plus faibles dans l’étang.
2. Déterminer la différence entre l’altitude maximale et minimale, puis sélectionnez un intervalle pour lequel dessiner des lignes de contour ; une équidistance de 0,1 à 0,2 m est recommandée ¹¹.
3. Calculer la surface de chaque contour (A _i). Cela peut être fait soit à la main à l’aide d’un planimètre ou par voie électronique à l’aide de logiciels d’information géographique (SIG).
4. Utiliser la méthode de la moyenne-fin-zone pour calculer le volume entre chaque niveau équidistantes (V _i) :
   
   où E est l’élévation de contour .
5. Calcule le volume total (V, _P) de l’étang vernal comme la somme du volume entre chaque intervalle de contour :
   
   Remarque : ici H est la profondeur maximale de l’étang. Un exemple est donné dans le tableau 1.
6. Déterminer la relation de phase de stockage pour l’étang en traçant la courbe du volume cumulé de l’étang en fonction de la profondeur.
   1. Après l’installation du capteur de niveau d’eau, utiliser le niveau d’eau comme le " stade " et estimer le volume d’eau, ou le stockage, dans l’étang.
      NOTE : Un exemple d’une courbe de phase-stockage est illustré dans la Figure 2. Si le capteur de niveau d’eau est installé au-dessus du point le plus bas dans l’étang vernal, une compensation sera nécessaire pour convertir le niveau d’eau mesuré dans la courbe de phase-stockage (ajouter l’offset à l’étape 3.3 au niveau d’eau enregistré par les capteurs de niveau d’eau pour déterminer la maille Age).

3. Installation d’une Station de surveillance

Remarque : capteurs pour les paramètres d’intérêt pour cette étude inclut un capteur de pression (mesures de niveau d’eau et de température), dissout la concentration en oxygène, oxydo-réduction potentielle, électrique conductivité, pH et un pluviomètre à augets basculeurs. La sonde pH, sonde à oxygène dissous et sonde d’oxydo-réduction doivent être étalonnés en laboratoire avant le déploiement par le capteur ' Manuel de l’utilisateur. Ici, un enregistreur de données central (programmé pour enregistrer des données à des intervalles de 15 min) est sélectionné, auxquels tous les capteurs sont reliés au cours du déploiement. Un scénario alternatif viable serait que chacun des capteurs est autonome et ne pas nécessité un datalogger central, car chaque capteur enregistrerait ses propres données.

1. Attacher chacun des capteurs (à l’exception de la jauge de pluie) à un bloc de ciment ou un pieu de bois ( Figure 3). Utiliser des colliers de serrage ou zip liens afin que les capteurs restent près du fond de l’étang vernal (ou la profondeur d’intérêt).
   1. Fixer le capteur d’oxygène dissous, tel qu’il est à un angle (selon les instructions du fabricant), afin de permettre l’oxygène à diffuser à travers la membrane. Installez le poteau de transducteur de pression, comme la pression qu’il mesurera est la colonne d’eau au-dessus de lui, et le niveau d’eau doivent être enregistré de manière verticale.
2. Installer les capteurs montés dans un endroit vers le centre de l’étang qui est peu susceptible de devenir sèche au cours de la période d’étude.
3. Déterminer la distance verticale entre les capteurs et le point le plus bas dans l’étang à l’aide d’une règle ou l’équipement d’arpentage. Enregistrer cette distance pour utilisation dans l’élaboration de la courbe de phase-stockage comme indiqué au point 2.6 (c.-à-d., un décalage peut être nécessaire concernant la profondeur mesurée en utilisant les capteurs de pression à la profondeur totale de l’eau dans l’étang).
4. Alors qu’elles peuvent être submergées dans l’eau, les fils du capteur sont vulnérables à des souris ou autres animaux qui peut-être mâcher sur eux lorsque le niveau d’eau est faible dans l’étang, pour éviter que cela utilise le chlorure d’apolyvinyl tuyau pour protéger les câbles du capteur (facultatif, mais recommandé). Insérez les câbles de sonde jusqu’au bord de l’étang vernal à travers un tube de PVC (diamètre de 6,35 cm long, 3 m), comme illustré à la Figure 4.
   Remarque : pour l’installation temporaire (p. ex., quelques semaines à quelques mois) le tuyaux en PVC peut-être être considérées comme inutile.
5. Set up un trépied et monter sur le terrain en y insérant chacune du voyage stakesOD jambes.
   Remarque : Certains trépieds hauts peuvent avoir un paratonnerre qui nécessite l’installation, trop.
   1. Placez le trépied près du bord de l’étang vernal pour faire en sorte qu’il soit accessible même lorsque l’étang est plein d’eau.
6. Attacher la boîte enceinte pour l’enregistreur de données et de la batterie (12 V) sur le trépied, laissant la place au-dessus du trépied pour le panneau solaire à monter au-dessus de la zone de l’enclos ( Figure 4).
7. Fixer un panneau solaire de 10 W sur le dessus du trépied et inclinez vers le soleil. Un angle solaire calculatrice ¹² peut servir, si désiré, pour déterminer l’angle optimal où installer le panneau.
8. Fixer le pluviomètre au trépied si il y a place. Dans le cas contraire, l’attacher à un pieu de bois ou de la tringle en métal près du bord de l’étang et le trépied ( Figure 4). (Si possible) faire en sorte que le pluviomètre a couvert arboré qui représente approximativement le couvert arboré de l’étang (le cas échéant).
9. Amener tous les fils de capteur et panneau solaire dans la boîte de l’enceinte dans le trou en bas de la boîte de.
10. Se connecter tous les capteurs à l’enregistreur de données ' panneau de câblage s selon les capteurs ' instructions ou l’enregistreur de données ' schéma de câblage de s. Voir exemple en Figure 5 a.
11. Connectez les fils du panneau solaire à la batterie 12V pour recharger la batterie ( Figure 5 b).
    Remarque : Sélectionnez une batterie qui possède aussi un régulateur de tension (recommandé) pour s’assurer que la batterie ne reçoit pas de trop d’électricité dans le panneau solaire.
12. Connecter la batterie au panneau d’entrée sur l’enregistreur de données ( Figure 5 b) pour alimenter les capteurs et l’enregistreur de données de distribution.
13. Placer un paquet de dessicateur à l’intérieur de la boîte enceinte pour réduire la probabilité des dommages d’humidité à l’enregistreur.
14. , Facultatif mais recommandé : se connecter à un ordinateur portable de champ avec le logiciel de communication d’enregistreur de données de l’enregistreur de données à l’aide d’un câble série ( Figure 5 b) pour s’assurer que le réseau de capteur fonctionne correctement.
15. Refermer le boîtier et placer l’argile autour du trou au fond de la boîte de l’enceinte où les câbles passer pour garder des insectes et l’eau hors de la boîte. Si la sécurité du matériel est un sujet de préoccupation, fixez la boîte d’enceinte avec un cadenas.

Résultats

Étangs printaniers peuvent exposer un large éventail de morphologie, avec profils allant de convexe à droite pente à concaves. Morphologie d’exemple pour un étang vernal au centre de la Pennsylvanie est illustrée à la Figure 1, avec les résultats de la courbe de phase-stockage pour cet étang (Figure 2, tableau 1). Profondeur maximale d’étang n’est pas un bon indicateur de surface, comme hydropéri...

Discussion

Signification en ce qui concerne les méthodes existantes

Tandis que la surveillance des cours d’eau a bien établis méthodologies développées par l’United States Geological Survey (USGS), aucun tel programme surveillance généralisée n’existe pour comprendre la dynamique du étang vernal. Ce protocole vise à fournir des conseils pour savoir comment commencer à approche hydrologique et la qualité de l’eau suivi recherche sur un site de l’étang vernal, dans l...

matériels

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