Integrato Campo Lysimetry e Porewater campionamento per la valutazione della chimica Mobilità nel suolo e alla vegetazione Fondata

Riepilogo

Campo lysimetry e campionamento porewater permettono ai ricercatori di valutare il destino di sostanze chimiche applicate al suolo e alla vegetazione stabilita. L'obiettivo di questo protocollo è quello di dimostrare come installare la strumentazione necessaria e raccogliere campioni per l'analisi chimica durante lysimetry campo integrato ed esperimenti di campionamento porewater.

Abstract

Sostanze chimiche potenzialmente tossiche sono regolarmente applicati a terra per soddisfare le crescenti esigenze di gestione dei rifiuti e la produzione di cibo, ma il destino di queste sostanze chimiche spesso non è ben compreso. Qui mostriamo un metodo di campionamento campo lysimetry e porewater integrato per valutare la mobilità delle sostanze chimiche applicate al suolo e alla vegetazione stabilita. Lisimetri, colonne aperte di metallo o plastica, sono guidati in bareground o suoli vegetazione. Campionatori Porewater, che sono disponibili in commercio e utilizzato il vuoto per la raccolta percolazione di acqua del suolo, sono installati a profondità predeterminate all'interno dei lisimetri. A orari prestabiliti seguenti applicazione di prodotti chimici per parcelle sperimentali, porewater viene raccolto, e lisimetri, contenente suolo e vegetazione, sono riesumato. Analizzando le concentrazioni chimiche nel suolo lisimetro, la vegetazione, e porewater, i tassi di lisciviazione verso il basso, capacità di ritenzione del suolo, e l'assorbimento impianto per la chimica di interesse può essere quantificato.Poiché campo lysimetry e campionamento porewater sono condotti in condizioni ambientali naturali e con il minimo disturbo del suolo, i risultati ottenuti proiettano scenari reali casi e forniscono informazioni preziose per la gestione delle sostanze chimiche. Poiché le sostanze chimiche sono sempre più applicate a sbarcare in tutto il mondo, le tecniche descritte possono essere utilizzati per determinare se i prodotti chimici applicati pongono effetti nocivi per la salute umana o per l'ambiente.

Introduzione

Sostanze chimiche potenzialmente tossiche sono regolarmente applicati a terra da fonti come i pesticidi, fertilizzanti, liquami / fanghi di depurazione, scarti industriali e rifiuti urbani ^1,2. Il destino di queste sostanze chimiche - che possono includere sostanze nutritive, oligoelementi, sostanze organiche, e loro metaboliti associati - spesso non è ben compreso ^3. Se le sostanze chimiche non sono gestite correttamente, hanno il potenziale per minacciare la salute umana e ambientale attraverso il loro trasferimento da e per l'accumulo nelle piante, acque superficiali e sotterranee. Con una popolazione mondiale che può raggiungere i 10 miliardi di persone entro il 2050, vi sono crescenti esigenze in materia di gestione dei rifiuti e della produzione alimentare ² e applicazione al terreno di molte sostanze chimiche è in aumento ^3,4. Di conseguenza, è necessaria una ricerca che quantifica le trasformazioni, la mobilità, i limiti di carico e rischi ambientali complessivi da sostanze chimiche che necessitano di smaltimento in discarica o che dipendono per migliorare la salute delle colturee cedere.

Un certo numero di strategie sono state impiegate per valutare minacce da sostanze chimiche applicate nell'ambiente. Sono stati condotti studi su modelli sistema di laboratori-per fornire informazioni sui meccanismi fondamentali che controllano la mobilità delle sostanze chimiche nei suoli. Nell'analizzare il destino chimico in un laboratorio, manipolazione completa dell '"ambiente" e gli ingressi può essere raggiunto, ma questi raramente corrispondono reali condizioni ambientali ^5,6. Così, estrapolando i risultati di laboratorio per impostazioni di campo può portare a previsioni inesatte circa minacce chimiche. Al contrario, misure di campo di massima sono stati utilizzati per definire comportamento chimico nell'ambiente. Tuttavia, le conclusioni circa il destino ambientale di queste misure sono spesso complicati a causa dei tassi bassi frequente uso (ad esempio, un paio di g ^-1) di sostanze chimiche applicate, nonché le complesse interazioni tra processi idrologici e biogeochimici nella environment che regolano le distribuzioni chimici.

Lysimetry, tra cui campo lysimetry, è stato storicamente utilizzato da terreno e della coltura scienziati di valutare sistematicamente la mobilità verso il basso di sostanze chimiche applicate al suolo e alla vegetazione stabilita. Un lisimetro è un dispositivo di metallo o plastica che viene inserito in un terreno di interesse ed è utilizzato per determinare il destino dei prodotti chimici applicati in quantità note ad una zona delimitata. I campioni di suolo e vegetazione raccolti da lisimetri possono essere utilizzati per valutare l'evoluzione delle distribuzioni chimiche nel tempo. Poiché campo lysimetry viene effettuata in condizioni ambientali naturali, i risultati possono essere utilizzati per prevedere scenari reali casi derivati ​​da applicazioni chimiche a sistemi suolo. I primi studi lisimetrici misurato la traspirazione, il flusso di umidità e / o movimento di nutrienti. Gli studi lisimetrici moderni misurano pesticidi e nutrienti dissipazione, il movimento dei pesticidi, la volatilità, e bilancio di massa, insieme con il aforememisurazioni ntioned ^3.

Una limitazione di lysimetry campo tradizionale è che la mobilità chimica all'interno di un profilo di suolo è in gran parte definito da misure in fase solida, mentre meno attenzione è rivolta alle concentrazioni chimiche disciolte in acqua che filtra attraverso i terreni - un componente critico che può avere un impatto potenziale di contaminazione delle acque sotterranee da sostanze chimiche terrestri applicata. Anche se percolato dal fondo dei lisimetri a volte raccolti per l'analisi, questa risoluzione in profondità limiti di approccio delle concentrazioni porewater e in genere richiede notevole scavo del terreno prima della sperimentazione. Invece, per ottenere dati circa le concentrazioni chimiche nel suolo acqua, campionatori porewater possono essere utilizzati in ambienti di campo. Campionatori Porewater sono installate in terreni per raccogliere l'acqua da discreti, profondità desiderate e solo minimamente disturbare il sistema suolo. Campionatori Porewater sono state denominate con molti nomi, tra cui lisimetri, cu aspirazionelisimetri p, o campionatori della soluzione del suolo, convoluzione loro distinzione con i lisimetri campo tradizionali sopra descritti. In questo articolo, useremo il termine "porewater sampler" per alleviare la confusione.

Qui, dimostriamo un approccio sperimentale che combina campo lysimetry e campionamento porewater per valutare il potenziale di lisciviazione al ribasso delle sostanze chimiche applicate ai sistemi suolo o bareground vegetazione. Lysimetry è stato un potente strumento utilizzato fin dal 1700 ^7, mentre il campionamento porewater ceramica è stata utilizzata sin dagli inizi del 1960 ^8. L'integrazione di queste tecniche robuste consente per la determinazione campo di entrambe le distribuzioni, solidi e concentrazione chimico-fase disciolta riducendo al minimo disturbo del suolo. Questo articolo descrive i fattori da considerare quando si progetta un esperimento, tra cui la scelta del sito, l'installazione del dispositivo, e la raccolta del campione. L'approccio è illustrato con un esperimento che ha valutato il destino di unorganico pesticida arsenicale applicata a un bareground e un sistema di tappeti erbosi stabilita. Le tecniche descritte possono essere regolati come necessario esaminare il destino di una vasta gamma di prodotti chimici, fornendo così strumenti preziosi per i ricercatori e decisori politici che cercano di capire il destino e del comportamento delle sostanze chimiche terra applicata.

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Protocollo

Campionamento campo è eseguito in questo esperimento ed è sotto l'autorizzazione del North Carolina Department of Agriculture & Consumer Services.

1. Campo lisimetro installazione

1. Scegli un sito sperimentale in cui è improbabile movimento laterale dei prodotti chimici applicati (ad esempio. Siti con poca o nessuna pendenza). Selezionare siti basati su suolo e vegetazione proprietà di interesse.
2. Se trame sono vegetate, tirare le spine vegetazione prima lisimetrici installazione (Figura 1A).
3. Guidare lisimetri basso all'interno delle piazzole desiderati (con o senza vegetazione) utilizzando un driver alberino invertita, lasciando ~ 1-2 cm del lysimeter sopra la superficie del suolo per contenere la sostanza chimica applicata e minimizzare il movimento laterale chimica. Per questo, l'uso laminati e lamiere di acciaio saldati diciotto calibro (91 cm di profondità x 15 cm di diametro) (Figura 1B). Utilizzare lisimetri di materiali e dimensioni diverse per adattarsi resobiettivi earch.
4. Sostituire i tappi vegetazione dopo l'installazione lysimeter.
5. Gestire qualsiasi vegetazione, come appropriato per l'esperimento. Se trame sono di rimanere nudi, utilizzare le applicazioni del punto di glifosato per mantenere le aree libere da vegetazione.
6. Assicurarsi che l'irrigazione, la fertilizzazione, e qualsiasi altra pratiche di gestione sono identici nella bareground e trame vegetazione. Predeterminare l'irrigazione per soddisfare obiettivi di ricerca.

2. Porewater Sampler installazione

1. Installare campionatori porewater, come PTFE / quarzo (50/50%), nel bel mezzo di lisimetri a raccogliere percolazione porewater.
2. Posizionare un'asta inox 2,5 cm al centro del lisimetro e inserirlo nel terreno con un martello alla profondità desiderata campionatore.
   NOTA: Una trivella può essere utilizzato anche per questo passaggio.
3. Preparare una farina silicea e liquami acqua con 700 ml di acqua per l'irrigazione a ~ 900 g di farina di silice chimicamente inerte. Mescolare il thoroug slurryHLY prima di ogni campionatore viene posizionato nella miscela. Applicare pressione tra -50 e -70 kPa al campionatore da una pompa a vuoto o palmare a batteria.
4. Rimuovere il campionatore dalla silice farina slurry dopo 10 min, e mescolare nuovamente l'impasto silice. Versare 60 ml di liquame attraverso un imbuto collegato ad un tubo Diametro 2,5 centimetri nella parte inferiore del foro.
5. Posizionare il campionatore nel foro alla profondità di campionamento desiderata con una plastica o tubo di metallo. Assicurarsi che il tubo dal campionatore si estende fuori dal buco. Utilizzare un impasto di non trattato, suolo natio e l'acqua per riempire il buco rimanente.
6. Lasciare il tempo durante il riempimento per il suolo di stabilirsi; utilizzare un tubo per tamp suolo aggiunto, se necessario.
7. Backfill suolo al livello originale. Se del caso, sostituire vegetazione nella parte superiore del foro.
8. Collegare il tubo campionatore ad una bottiglia di vuoto attraverso una sezione di gas fluorurati etilene propilene (FEP) tubazione. Con un morsetto tubo di plastica, collegare una seconda linea di tubiil flacone vuoto di una pompa a vuoto.
9. Coprire bottiglie e tubi di raccolta con plastica nera o nastro se la sostanza chimica (s) di interesse è soggetto a fotodegradazione (Figura 1C).
10. Applicare una pressione di vuoto di circa -50 a -70 kPa via il flacone vuoto per i campionatori ripetutamente nel corso di diversi giorni prima sperimentazione al fine di garantire una corretta installazione del campionatore.

3. Domanda Chimica di lisimetri

1. Lasciare almeno due settimane per acclimatazione prima applicazioni chimiche sono fatti.
2. Raccogliere i campioni porewater fondo prima del trattamento lysimeter per quantificare le concentrazioni della sostanza chimica (s) di interesse di fondo.
3. Applicare la chimica di interesse per il suolo o la vegetazione con metodi tipici, come con CO ₂ pressurizzato braccio spruzzatore manuale (Figura 1D) o distribuendo la formulazione granulare direttamente sulla superficie del terreno contenente il lysimeter. Se più applicazioni chimiche sono necessarie per l'efficacia, applicarle per uso tipico pattern o indicazioni dell'etichetta. Lasciare alcuni lisimetri trattati per servire come controllo.

4. Porewater Raccolta e analisi

1. Applicare circa -50 a -70 kPa di vuoto alle bottiglie di vuoto porewater campionatore il giorno prima o il giorno di campionamento. Acqua che circonda il campionatore sarà elaborato attraverso il campionatore nel tubo, che scorre alla bottiglia vuoto dove viene raccolta fino campionata. Il volume di terreno da cui porewater viene raccolto e il tempo di raccolta delle acque può dipendere da fattori quali il tipo di suolo, tessitura del suolo, umidità del suolo, e la profondità campionatore.
2. Raccogliere campioni a intervalli di tempo specificati seguente applicazione di prodotti chimici, come prestabilito dal ricercatore.
3. Misurare il volume di acqua raccolta in un cilindro graduato per ogni campionatore porewater. Se la filtrazione è necessario, porre l'acqua in un sy Luer-Lokringe (dimensioni dipenderanno volume di acqua) e passare campione attraverso un filtro di nylon 25 millimetri 0,2 micron.
4. Se sono necessari diversi metodi di conservazione del campione e campione sufficiente sia raccolto, dividere il campione in contenitori unici.
5. Utilizzare un palmare pH metro per determinare il pH di campioni non acidificati.
6. Regolare il pH aggiungendo un volume adeguato di acido appropriato se necessario per la conservazione del campione.
   NOTA: Acidi concentrati possono essere corrosivi o ossidanti e la cura dovrebbe essere presa quando li utilizzano.
7. I campioni sul ghiaccio in un secchiello o mettere in frigorifero fino al momento dell'analisi. Utilizzare metodi analitici per misure chimiche come la spettrometria ad accoppiamento induttivo plasma-massa (ICP-MS), spettroscopia di emissione al plasma ad accoppiamento induttivo-ottica (ICP-OES), spettroscopia di assorbimento atomico (AAS) o cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) a analizzare.

5. Lisimetro esumazione, Suolo / Vegetazione Collection unaAnalisi nd

1. Riesumare i lisimetri, contenente suolo e vegetazione, ad intervalli di tempo dopo l'applicazione chimica. Riesumare lisimetri non trattati in ogni tempo di campionamento per determinare le concentrazioni chimiche di fondo all'interno del suolo e la vegetazione.
2. Riesumare lisimetri utilizzano pinze barile attaccato ad un trattore implementare. Abbassare la benna a una posizione che consente per i morsetti da posizionare sul bordo esposto del lisimetro.
3. Sollevare il implementano provocando le pinze per afferrare il bordo esposto, tirando la colonna lisimetro fuori del suolo (Figura 1E).
4. Cap riesumato estremità lisimetrici con lastre isolanti tagliate al diametro dei lisimetri. Mantenere le protezioni in posto con sacchetti gallone-size polietilene inseriti sulle estremità lisimetrici, e borse sicure con nastro adesivo.
5. Trasportare i lisimetri a un laboratorio da campo per il suolo e la divisione del campione vegetazione. Elaborare lisimetri non trattati per evitare la contaminazione amlisimetri Ong.
6. Utilizzare un seghetti dotato di una lama di metallo per tagliare il lisimetrico longitudinalmente su un lato. Tagliare le colonne dal fondo (zona di minore concentrazione prevista) verso l'alto (zona prevista concentrazione più elevata) per garantire il terreno a profondità più profonde non è contaminata da suolo a profondità minori.
7. Dividere aprire il lisimetro. Usare piatti divisorie metalliche alle sezioni di suolo e vegetazione discreti separati. Scegliere incrementi profondità del suolo in base alla lunghezza degli obiettivi lisimetrici e di ricerca.
8. Utilizzare cucchiai o spatole per scavare il terreno sezionato e la vegetazione. Collocare ogni campione in un sacchetto di polietilene freezer adeguatamente etichettati. Non raccogliere suolo direttamente in contatto con il lisimetro.
9. Seguire il protocollo di scavo per ogni profondità di campionamento desiderata. Posizionare sacchetti di campionamento in un secchiello pieno di ghiaccio e li trasporterà in un laboratorio. Conservare i campioni in un congelatore fino al momento dell'analisi.

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Risultati

Questo metodo consente l'accumulo di dati sul destino delle sostanze chimiche applicata alla bareground e sistemi suolo vegetazione ^5,10. Questo approccio è stato utilizzato per valutare l'arsenico (As) lisciviazione verso il basso, assorbimento e traslocazione in impianti per sistemi di gramigna (Cynodon dactylon) a seguito dell'applicazione della arsenicali erbicida arsenate monosodico metile organica (MSMA) ^9. Dal 1960, MSMA è stato utilizzato in non-terreni coltivati, tap...

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Discussione

Utilizzando un lysimetry campo integrato e porewater metodo di campionamento consente ai ricercatori di valutare le distribuzioni spaziali e temporali di una vasta gamma di prodotti chimici terrestri applicata. Il destino dei prodotti chimici nei suoli e dei sistemi di vegetazione può essere controllata da una serie di processi e attributi ambientali, come lisciviazione verso il basso, volatilizzazione, l'idrolisi, la fotolisi, microbica trasformazione / degradazione, pianta assorbimento, tipo di terreno, e il pH d...

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Materiali

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