Continuo idrologici e monitoraggio della qualità di Vernal stagni di acqua

Riepilogo

Comprensione dei servizi ecosistemici e processi forniti da stagni vernal e gli impatti delle attività antropiche sulla loro capacità di fornire questi servizi richiede il monitoraggio idrologico intensivo. Questo protocollo di campionamento utilizzando in situ apparecchiature di monitoraggio è stato sviluppato per comprendere l'impatto delle attività antropiche sul livello e la qualità.

Abstract

Stagni di Vernal, noto anche come piscine vernal, forniscono servizi ecosistemici critici e habitat per una varietà di specie minacciata e in pericolo. Tuttavia, essi sono parti vulnerabili dei paesaggi che sono spesso mal compreso e sostituiti. Uso del suolo e pratiche di gestione, nonché il cambiamento climatico è pensato per essere un contributo al declino amfibia globale. Tuttavia, più ricerca è necessaria per capire la portata di questi impatti. Qui, presentiamo la metodologia per la caratterizzazione di un laghetto vernal morfologia e dettaglio una stazione di monitoraggio che può essere utilizzata per raccogliere dati sulla quantità e la qualità dell'acqua nel corso della durata di hydroperiod di uno stagno vernal. Forniamo la metodologia per come condurre indagini sul campo per caratterizzare la morfologia e sviluppare curve di fase-deposito per uno stagno di vernal. Inoltre, forniamo la metodologia per il monitoraggio il livello dell'acqua, temperatura, pH, ossigeno disciolto, potenziale di ossido-riduzione e conducibilità elettrica dell'acqua in uno stagno vernal, nonché di monitoraggio dati pluviometrici. Queste informazioni possono essere utilizzate per quantificare meglio i servizi ecosistemici che forniscono stagni vernal e gli impatti delle attività antropiche sulla loro capacità di fornire questi servizi.

Introduzione

Stagni di Vernal sono zone umide temporanee, poco profonde che in genere contengono acqua dall'autunno alla primavera e sono spesso asciutto durante i mesi estivi. Il periodo di inondazione di stagni vernal, generalmente indicato come il hydroperiod, è controllato principalmente dalle precipitazioni ed evapotraspirazione¹.

Stagni di Vernal possono anche essere indicati come vernal piscine, laghetti effimeri, stagni temporanei, stagionali stagni e zone umide geograficamente isolato². Nel nordest degli Stati Uniti, vernal stagni più spesso sono caratterizzati da habitat critici che forniscono per gli anfibi, che funge da terreno fertile e fornendo supporto durante le prime fasi di vita (cioè, girini) e metamorfosi. In California, vernal stagni sono caratterizzati dalla vegetazione unica e specie di piante in via d'estinzione che supportano².

Questi habitat sono sempre più minacciati dovuta a terra uso e i cambiamenti climatici, e popolazioni di anfibi stanno vivendo un declino globale significativo in gran parte a causa di attività antropiche^3,4. Problemi relativi alla qualità dell'acqua a causa dell'inquinamento sono anche pensiero per contribuire fattori nel recente anfibio declina a livello globale⁵. Inoltre, recenti studi hanno rivelato un caso aumentato di caratteristiche intersessuali in rane che abitano stagni vernal risentiti delle acque reflue umano⁶. C'è quindi una necessità di condurre un monitoraggio più intensivo degli stagni vernal sia naturali che incastrati per capire meglio i contributori al declino amfibia globale.

I parametri fisici di vernal stagni che devono essere misurati e monitorati includono la morfologia di stagno e il livello dell'acqua. La morfologia è la geometria dello stagno ed è sviluppata da conducendo un sondaggio per determinare i cambiamenti in elevazione attraverso lo stagno. L'indagine dati vengono quindi utilizzati per stabilire una curva fase-deposito, che consente il volume dello stagno per essere stimata si basa su misurazioni del livello dell'acqua. Perché il livello dell'acqua in uno stagno vernal è fortemente influenzato dalla precipitazione, misurazioni dovrebbero essere fatte ad alta risoluzione temporale per meglio comprendere sia breve (cioè, dell'ordine di minuti a ore) e le fluttuazioni a lungo termine (cioè, nell'ordine di mesi e anni) a livello dell'acqua.

Parametri di qualità dell'acqua di interesse che sono noti per influenzare la funzione di vernal stagni includono temperatura, pH, conducibilità elettrica, livelli di ossigeno disciolto e potenziale di ossido-riduzione. Questi parametri possono essere misurati in situ con tecnologie relativamente a buon mercati e reti di sensori. Alcuni parametri di qualità di interesse, tra cui alcune specie di nutrienti (cioè, azoto totale Kjeldahl) e altre sostanze inquinanti (cioè, contaminanti emergenti) dell'acqua richiedono campioni devono essere raccolti e portati ad un laboratorio per l'elaborazione e analisi.

I parametri critici che incidono sulla capacità di stagni vernal a funzionare come habitat appropriato per anfibi di allevamento e le prime fasi dello sviluppo dei girini includono acqua livello, pH e dissolto la concentrazione di ossigeno. Rispetto a vernal stagni situati in paesaggi relativamente incontaminate, i livelli elevati di conducibilità elettrica, pH più alto, ridotto dissolto le concentrazioni di ossigeno, e ad alte concentrazione di sostanze nutritive sono state registrate negli stagni vernal risentiti antropiche attività^2,7. In questi habitat, in particolare quelli che sono interessati da attività antropiche possono verificarsi condizioni riducenti o anaerobiche. Ciò può causare uno spostamento nella comunità microbiologica, alterare la sostanza nutriente in bicicletta all'interno dello stagno e potenzialmente riducendo la degradazione di composti di interferenza endocrine e altri inquinanti^8,9.

L'obiettivo di questa carta è di fornire informazioni su come stabilire una stazione per il monitoraggio la quantità d'acqua e la qualità di uno stagno vernal. Questo metodo può essere applicato a qualsiasi stagno vernal, ma richiede l'accesso al sito (vale a dire, il sito deve essere sulla proprietà pubblica o disporre dell'autorizzazione proprietario terriero di installare apparecchiature).

Protocollo

1. conducendo un sondaggio di una morfologia di stagno Vernal

1. selezionare una posizione per designare come il punto di riferimento e contrassegnarla con un piccolo sondaggio o marcatura bandiera.
   Nota: La posizione deve essere un'altitudine superiore rispetto allo stagno e hanno line-of-sight da tutte le località attraverso lo stagno.
2. Assegnare il punto di riferimento un prospetto di riferimento; il numero esatto non importa, ma fornisce semplicemente un riferimento rispetto alla quale tutte le altre quote altimetriche.
3. Utilizzando un metro a nastro e marcatura bandiere, marca transetti a un intervallo di 3 m sopra la zona di stagno, risultante in una griglia 3 x 3 m (vedere l'esempio in Figura 1).
Intervalli di
4. determinare l'elevazione della parte inferiore dello stagno (cioè, terra) a 3 m lungo ogni transetto misurando l'altezza su un'asta di livellamento utilizzando un livello automatico. Garantire che i profili estendono a quote più elevate su ogni lato dello stagno.
5. Alla fine di ogni transetto, fare un punto ribattuto al benchmark e registrare l'elevazione.
6. Determinare l'errore di indagine come la differenza tra il punto di riferimento ' elevazione s assegnate (cioè, il valore di riferimento assegnato al punto 1.2) e l'altezza misurata dalla posizione più lontana sul profilo transect.
7. Calcolare l'errore ammissibile (AE) di chiusura per il profilo come AE = K (2 * M) ^0,5, dove K è una costante compreso tra 0,001 e 1 e M è la distanza (in miglia) tra il punto di riferimento e la posizione più distante il il profilo di.
   Nota: Il valore di K dipende la precisione richiesta dell'indagine, che in questo caso può essere preso come 0,1 ¹⁰.
8. Compare l'errore di indagine calcolato nel passaggio 1.6 per l'AE calcolato al punto 1.7. Se l'errore di indagine è maggiore l'AE, poi rifare il profilo di livellamento (punti 1.3 e 1.4) per transetto. Se l'errore di indagine è minore di EA, quindi il profilo di livellamento per questo transetto è completo, condurre il profilo di livellamento per il transetto prossimo.
9. Ripetere passaggi 1.4 attraverso 1.8 per condurre profile livellamento a intervalli di 3 m attraverso lo stagno in altra direzione per creare una griglia delle elevazioni note (Vedi un esempio di profilo transetti nella Figura 1).
10. Sviluppare una curva di fase-deposito per lo stagno, una volta note le elevazioni (rispetto al benchmark) attraverso la griglia di 3m x 3m intervistata attraverso lo stagno.
    Nota: Gli intervalli più grandi possono essere utilizzati, ma può aumentare l'errore nella determinazione del rapporto tra il livello dell'acqua e stagno volume.

2. Determinazione dello stagno Vernal ' s curva fase-deposito

Nota: ogni stagno vernal avrà un rapporto unico tra il livello dell'acqua e il volume di acqua nello stagno. Questo rapporto viene chiamato la curva di fase-deposito.

1. Utilizzando i dati di elevazione raccolti nella sezione 1, determinare i prospetti più alti e più bassi nello stagno.
2. Determinare la differenza tra l'elevazione massima e minima e selezionare un intervallo per cui disegnare linee di contorno; si raccomanda un intervallo contorno di 0,1 a 0,2 m ¹¹.
3. Calcolare la superficie di ogni contorno (ai _mi). Questo può essere fatto sia a mano utilizzando un Planimetro o elettronicamente utilizzando software di informazione geografica (GIS).
4. Utilizzare il metodo di media-fine-zona per calcolare il volume tra ogni intervallo di contorno (V _io):
   
   dove E è l'elevazione di contorno .
5. Calcola il volume totale (V _P) dello stagno vernal come la somma del volume tra ogni intervallo di contorno:
   
   Nota: qui H è la profondità massima dello stagno. Un esempio è dato nella tabella 1.
6. Determinare la relazione di fase-deposito per lo stagno rappresentando graficamente il volume cumulativo dello stagno in funzione della profondità.
   1. Dopo l'installazione del sensore di livello dell'acqua, utilizzare il livello di acqua come la " fase " e stimare il volume di acqua, o deposito, nello stagno.
      Nota: Nella Figura 2 è riportato un esempio di una curva di fase-deposito. Se il sensore di livello dell'acqua è installato sopra il punto più basso nel laghetto vernal, un offset sarà necessario convertire il livello dell'acqua misurato nella curva fase-deposito (aggiungere l'offset nel passaggio 3.3 al livello dell'acqua registrato tramite i sensori di livello dell'acqua per determinare la st età).

3. L'installazione di una stazione di monitoraggio

Nota: sensori per parametri di interesse per questo studio ha incluso un trasduttore di pressione (misure di temperatura e livello dell'acqua), sciolto la concentrazione di ossigeno, ossido-riduzione conducibilità elettrica, potenziale, pH e un ribaltamento benna pluviometro. La sonda pH, sensore di ossigeno disciolto e sonda di ossido-riduzione deve essere calibrati in laboratorio prima della distribuzione per il sensore ' s manuale di utente. Qui, viene selezionato un datalogger centrale (programmato per registrare i dati a intervalli di 15 min), a cui tutti i sensori sono collegati durante la distribuzione. Uno scenario alternativo praticabile sarebbe che ciascuno dei sensori è autonomo e fare non bisogno uno centrale datalogger, dato che ogni sensore sarebbe registrare i propri dati.

1. Allega ogni dei sensori (fatta eccezione per il pluviometro) a un blocco di scorie o un paletto di legno ( Figura 3). Utilizzare fascette stringitubo o fascette per assicurare che i sensori rimangono vicino al fondo del laghetto vernal (o la profondità di interesse).
   1. Collegare il sensore di ossigeno disciolto, tale che è ad un angolo (secondo le istruzioni del produttore), per consentire di ossigeno di diffondere attraverso la membrana. Installare il montante del trasduttore di pressione, come la pressione che misurerà è la colonna d'acqua sopra di esso, e il livello dell'acqua dovrebbe essere registrato in modo verticale.
2. Installare i sensori montati in una posizione verso il centro dello stagno che è improbabile che diventare secca durante il periodo di studio.
3. Determinare la distanza verticale tra i sensori e il punto più basso nello stagno utilizzando un righello o l'apparecchiatura di misurazione. Registrare questa distanza per uso nello sviluppo la curva di fase-deposito come descritto al punto 2.6 (cioè, un offset può essere necessaria quando relative la profondità misurata utilizzando i trasduttori di pressione alla profondità totale di acqua nel laghetto).
4. Mentre si può essere immerso in acqua, i cavi del sensore sono vulnerabili ai topi o altri animali che possono masticare su di loro quando il livello dell'acqua è basso nello stagno, per evitare questo problema utilizzano Cloruro di apolyvinyl per tubi per proteggere i cavi del sensore (facoltativo, ma consigliato). Eseguire i cavi del sensore fino al bordo dello stagno vernal attraverso un tubo di PVC (3 m lungo, 6,35 cm di diametro), come mostrato nella Figura 4.
   Nota: per installazione temporanea (ad es., un paio di settimane ad alcuni mesi) il tubo in PVC può essere considerato inutile.
5. Set su un treppiede e montarlo a terra con l'inserimento di pali in ciascuno del viaggiogambe di od.
   Nota: Alcuni treppiedi alti potrebbero essere un parafulmine che richiede l'installazione, troppo.
   1. Posizionare il treppiede vicino al bordo dello stagno vernal per garantire che sia accessibile anche quando lo stagno è pieno d'acqua.
6. Allegare la cassa per il datalogger e la batteria (12 V) sul treppiedi, lasciando la camera sopra il treppiede per il pannello solare deve essere montato sopra la casella di recinzione ( Figura 4).
7. Collegare un pannello solare di 10 W alla parte superiore del treppiede e angolo è verso il sole. Un angolo solare calcolatrice ¹² può essere utilizzato, se lo si desidera, per determinare l'angolo ottimale in cui installare il pannello.
8. Fissare il pluviometro al treppiede, se c'è spazio. In caso contrario, allegarlo a un paletto di legno o un palo di metallo vicino al bordo dello stagno e il treppiede ( Figura 4). Garantire (se possibile) che il pluviometro ha copertura arborea che rappresenta circa il coperchio albero dello stagno (se presente).
9. Portare tutti i cavi del sensore e pannello solare nella casella di recinzione attraverso il foro nella parte inferiore della finestra di.
10. Collegare tutti i sensori al datalogger ' Pannello cablaggio s secondo i sensori ' istruzioni o datalogger ' schema di cablaggio s. Vedere l'esempio in Figura 5A.
11. Collegare i cavi del pannello solare alla batteria 12V per ricaricare la batteria ( figura 5B).
    Nota: Selezionare una batteria che ha anche un regolatore di tensione (scelta consigliato) per garantire che la batteria non riceve troppa elettricità dal pannello solare.
12. Collegare la batteria al pannello input potenza il datalogger ( figura 5B) per fornire energia per il data logger e sensori.
13. Posto deumidificanti dentro la scatola di custodia per ridurre la probabilità di danni dell'umidità al datalogger.
14. Consigliata ma facoltativa: collegare un campo portatile con il software di comunicazione datalogger al datalogger utilizzando un cavo seriale ( figura 5B) per garantire che la rete di sensori sta funzionando correttamente.
15. Chiudere la cassa e posto argilla intorno al foro nella parte inferiore della finestra di recinto dove i fili inserire per mantenere gli insetti e l'acqua fuori dalla scatola. Se la sicurezza dell'apparecchio è una preoccupazione, garantire la cassa con un lucchetto.

Risultati

Vernal stagni possono esibire una vasta gamma di morfologia, con profili che vanno da convesso al pendio dritto per concavo. Morfologia di esempio per un laghetto vernal in Pensilvania centrale è illustrato nella Figura 1, insieme ai risultati della curva fase-deposito per questo stagno (Figura 2, tabella 1). Profondità massima stagno non è un forte indicatore di superficie, come hydroperiod ha solo una debole...

Discussione

Significato per quanto riguarda i metodi esistenti

Mentre il monitoraggio dei flussi ha consolidate metodologie sviluppate da United States Geological Survey (USGS), nessun programma di monitoraggio così diffuso esiste per dynamics di vernal stagno di comprensione. Questo protocollo mira a fornire una guida per come cominciare a approccio idrologico e monitoraggio ricerca in un sito di vernal stagno, con l'obiettivo di comprendere fattori chimici e fisici come la qualità del...

Materiali

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