Name: integrated field lysimetry and porewater sampling for evaluation of chemical mobility in soils and established vegetation
Uploaded: 2014-07-04T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 5 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation at JoVE.com

저자는 모형 매립 설치 및 발굴에 대한 지원 NCDA에 Sandhills 연구 역에서 직원을 인정합니다. 대표 결과에 기술 된 실험을위한 자금 조달은 잔디가 환경 연구 및 교육을위한 센터에 의해 제공되었다. 비디오 및 원고 생산은 토양 과학 작물 과학의 노스 캐롤라이나 주립 대학의 부서에 의해 지원되었다.

이 필드를 샘플링이 실험 수행 및 농업 &amp; 소비자 서비스의 노스 캐롤라이나 부서의 승인하에 있습니다. 1. 필드 모형 매립 설치 <ol><li> 적용되는 화학 물질의 측면 이동이 가능성이있는 실험 사이트를 선택 (예. 거의없는 경사 사이트). 그 토양과 식물 특성에 따라 사이트를 선택합니다. </li><li> 플롯이 생장하는 경우, 설치 (그림 1A)를 모형 매립하기 전에 식물의 플러그를 빼냅니다. </li><li> ~ 적용되는 화학 물질을 포함하고 측면 화학의 움직임을 최소화하기 위해 토양 표면 위의 모형 매립 1-2 센티미터 떠나, 반전 후 드라이버를 사용 (또는 식물 제외) 원하는 플롯에 아래로 장력 계를 운전. 이를 위해 사용 압연와 18 게이지 스틸 시트 (91 cm 깊이 × 15 cm 직경) (그림 1B)를 용접. 고해상도에 맞게 다른 재료와 크기의 장력 계를 사용하여earch 목표. </li><li> 모형 매립 설치 한 후 식물의 플러그를 교체합니다. </li><li> 실험에 적합한 모든 식물을 관리 할 수​​ 있습니다. 플롯은, 맨손으로 남아있는 식물의 무료 공간을 유지하기 위해 글 리포 세이트의 현장 응용 프로그램을 사용하는 경우. </li><li> 관개, 수정, 및 기타 관리 방법은 bareground 및 식생 플롯에서 동일한 지 확인합니다. 연구 목표를 달성하기 위해 관개를 미리 결정. </li></ol> 2. Porewater 샘플러 설치 <ol><li> 스며 porewater를 수집하는 장력 계의 중간에 같은 PTFE / 쿼츠 (51 / 50 %) 등의 porewater 샘플러를 설치합니다. </li><li> 모형 매립의 중심에 2.5 cm 스테인리스 막대를 삽입하고 원하는 샘플러 깊이 망치로 땅을 삽입합니다. 주 : 오거의이 단계에 사용될 수있다. </li><li> 관개 물 700 ㎖를 화학적으로 비활성 실리카 가루로 ~ 900g으로 실리카 밀가루와 물 슬러리를 준비합니다. 슬러리 thoroug 혼합각 샘플러는 혼합물에 배치됩니다 HLY 전에. 휴대용 또는 배터리 전원을 사용하는 진공 펌프에서 샘플러 -50 -70 kPa의 사이에 압력을 적용합니다. </li><li> 10 분 후, 실리카 분말 슬러리에서 샘플러를 제거하고 철저하게 다시 실리카 슬러리를 혼합한다. 구멍의 바닥으로 2.5 cm 직경 파이프에 연결된 깔때기를 통해 슬러리 60 ㎖에 붓고. </li><li> 플라스틱이나 금속 파이프를 사용하여 원하는 샘플링 깊이 구멍에 샘플러를 놓습니다. 샘플러에서 해당 튜브 구멍 밖으로 빠져 나오 확인합니다. 나머지 구멍을 백필 nontreated, 기본 토양과 물 슬러리를 사용합니다. </li><li> 정착 토양 메우기 동안 시간을​​ 허용; 필요에 따라 추가 된 흙을 탐포하는 파이프를 사용합니다. </li><li> 원래 수준으로 흙을 채워서. 해당되는 경우, 구멍의 상단에 식물을 교체합니다. </li><li> 플루오르 에틸렌 프로필렌 (FEP) 튜브의 섹션을 통해 진공 병에 샘플러 튜브를 연결합니다. 플라스틱 튜브 클램프, 중 두 번째 튜브 라인을 연결진공 펌프로 진공 병. </li><li> 그 화학 물질 (들) 광분해 (그림 1C)하는 경향이 경우 검은 색 플라스틱 테이프 튜브 및 수집 병을 커버. </li><li> 적절한 샘플러 설치를 확인하기 위해 실험을하기 전에 몇 일에 걸쳐 반복적으로 샘플러에 진공 병을 통해 약 -50 -70 kPa의 진공 압력을 적용합니다. </li></ol> 장력 계 3. 화학 응용 프로그램 <ol><li> 화학 응용 프로그램이되기 전에 순응에 대한 최소 2 주에게 허용합니다. </li><li> 그 화학 물질 (들)의 배경 농도를 정량 모형 매립 처리하기 전에 배경 porewater 샘플을 수집합니다. </li><li> 이러한 휴대용 CO 2 가압 붐 분무기 (도 1D) 또는 모형 매립 함유 플롯의 표면에 직접 과립 제형을 분배하는 등 일반적인 방법에 의해 토양 또는 식물에 관심 화학적 적용. 여러 화학 응용 프로그램의 효율성을 위해 필요한 경우, 사용 패턴이나 라벨 방향 일반적인 기준에 적용 할 수 있습니다. 제어 역할을하는 치료 약간의 장력 계를 남겨주세요. </li></ol> 4. Porewater 수집 및 분석 <ol><li> porewater 샘플러 진공 병 전날 또는 샘플링의 날을 진공 약 -50 -70 kPa의 적용. 샘플러를 둘러싼 물 샘플까지 수집 된 진공 병에 흐르는 튜브로 샘플러를 통해 그려집니다. porewater를 수집하고 물 수집 시간이 토양 종류, 토양 질감, 토양 수분 함량 및 샘플러 깊이와 같은 요인에 의존 할 수있는 토양의 양. </li><li> 연구원에 의해 미리로, 화학 응용 프로그램에 다음과 같은 지정된 시간 간격으로 샘플을 수집합니다. </li><li> 각 porewater 샘플러의 눈금 실린더에 수집 물의 부피를 측정한다. 여과가 필요한 경우, 루어 코리아 싸이에 물을 배치ringe (크기는 물의 양에 따라 달라집니다)와 25mm 0.2 μm의 나일론 필터를 통해 샘플을 전달합니다. </li><li> 다른 샘플의 보존 방법이 필요하며, 충분한 샘플이 수집되는 경우, 고유 한 용기에 샘플을 나눕니다. </li><li> 비 산성 시료의 pH를 확인하기 위해 휴대용 pH 미터를 사용합니다. </li><li> 샘플의 보존에 필요한 경우 적절한 산의 충분한 부피를 첨가하여 pH를 조정한다. 참고 : 농축 산 부식 될 수 있습니다하거나 사용할 때 산화제 및 관리는주의해야한다. </li><li> 장소 쿨러에 얼음에 샘플이나 분석 될 때까지 냉장고에 넣어. 예컨대 유도 결합 플라즈마 질량 분석법 (ICP-MS), 유도 결합 플라즈마 광 방출 분광법 (ICP-OES), 원자 흡수 분광법 (AAS) 또는 고속 액체 크로마토 그래피 (HPLC)로 화학적 측정을위한 분석 방법을 사용 샘플을 분석 할 수 있습니다. </li></ol> 5. 모형 매립 출토, 토양 / 식물 컬렉션차 분석 <ol><li> 화학적 응용 다음 지정된 시간 간격으로, 토양과 식물을 포함하는 장력 계를 발굴. 토양과 식물에서 배경 화학 물질의 농도를 결정하기 위해 각각의 샘플링 시간에 nontreated 장력 계를 발굴. </li><li> 트랙터 구현에 부착 배럴 클램프를 이용하여 장력 계를 발굴. 모형 매립의 노출 가장자리에 배치되는 클램프를 허용하는 위치에 물통을 낮 춥니 다. </li><li> 리프트 클램프 토양 (그림 1E) 밖으로 모형 매립 열을 당겨, 노출 된 가장자리를 잡아 원인이 구현합니다. </li><li> 캡은 장력 계의 직경로 잘라 절연 시트와 모형 매립 끝을 발굴. 갤런 크기의 폴리에틸렌 모형 매립 종료에 삽입 된 가방 및 덕트 테이프와 보안 부대와 장소에 캡을 잡습니다. </li><li> 토양과 식물 샘플 부문에 대한 필드 실험실에 장력 계를 수송한다. 오염 암을 방지하기 위해 처음 nontreated 장력 계를 처리사연 장력 계. </li><li> 한면에 세로로 모형 매립을 잘라 금속 절단 날을 탑재 보았다 왕복을 사용합니다. 깊은 깊이의 토양이 얕은 깊이에서 토양 오염되지 않았는지 (예상보다 높은 농도의 영역)를 맨 아래 (예상 낮은 농도의 영역)에서 열을 잘라. </li><li> 모형 매립을 열 분할합니다. 별도의 분리 된 토양과 식물 절에 금속 분할 판을 사용합니다. 모형 매립 및 연구 목표의 길이에 따라 토양 깊이 단위를 선택합니다. </li><li> 단면 토양과 식물을 발굴 숟가락이나 주걱을 사용합니다. 적절하게 레이블이 지정된 폴리에틸렌 냉동 백에 각각의 샘플을 놓습니다. 모형 매립과 직접 접촉 토양을 수집하지 않습니다. </li><li> 원하는 각 샘플 깊이 발굴 프로토콜을 따르십시오. 얼음으로 가득 쿨러 샘플 가방을 놓고 실험실로 수송한다. 분석 될 때까지 냉장고에 보관 샘플. </li></ol>

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통합 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 방법을 활용하여 연구자 토지 적용 화학 물질의 다양한 공간과 시간적 분포를 평가할 수 있습니다. 토양과 식생 시스템에서 화학 물질의 운명은 아래로 침출, 휘발, 가수 분해, 광분해, 미생물 변환 / 분해, 식물의 흡수, 토양의 종류, 토양의 pH를 16, 17 등의 환경 프로세스와 속성들에 의해 제어 될 수있다. 온실 또는 실험실 기반의 실험과는 달리, 여기에...

잠재적으로 독성 화학 물질은 정기적으로 농약, 비료, 하수 / 바이오 솔리드, 산업 폐기물 및 도시 폐기물, 2와 같은 소스에서 토지에 적용됩니다. 이러한 화학 물질의 운명 - 영양소를 포함 요소, 유기물 및 관련 대사 산물을 추적 할 수 있습니다 - 자주도 3을 이해하지 않습니다. 화학 물질이 제대로 관리되지 않는 경우, 식물, 지표수, 지하수에서 자신에 대한 전송 및 축적을 통해 인간과 환경의 건강을 위협 할 가능성이있다. 2050 10 억명에 도달 할 수있는 세계 인구로,이 폐기물 관리 및 식품 생산에 대한 증가하는 요구는, 많은 화학 물질의 토지 응용 프로그램은 3,4 증가하고있다. 따라서, 연구는 토지 처리가 필요하거나 우리가 작물의 건강을 향상시키기에 의존하는 것이 화학 물질에서 변환, 이동, 적재 제한 및 전반적인 환경 위험을 정량화가 필요합니다수율. 전략의 개수는 환경에 적용된 화학 물질로부터의 위협을 평가하기 위해 사용되어왔다. 실험실 기반 모델 시스템 연구는 토양에서 화학 물질의 이동도를 제어하는​​ 근본적인 메커니즘에 대한 정보를 제공하기 위해 실시되었다. 실험실에서 화학적 거동을 분석 할 때, &quot;환경&quot;및 입력의 완료 조작이 달성 될 수 있지만, 이러한 경우는 거의 실제 환경 조건 5,6 일치하지. 따라서, 필드 설​​정에 실험실 결과를 추정하는 것은 화학 위협에 대한 부정확 한 예측으로 이어질 수 있습니다. 대조적으로, 광범위한 분야 측정 환경에서 화학적 거동을 정의하는 데 사용되었다. 그러나, 이러한 측정에서 환경 거동에 대한 결론은 종종 인해 적용 화학 물질의 자주 낮은 사용 비율 (예를 들어, 몇 g의-1)뿐만 아니라, 전자의 수 문학 및 생지 화학 과정 사이의 복잡한 상호 작용에 복잡화학 물질의 분포를 조절 nvironment. 필드 lysimetry 포함 Lysimetry는 역사적으로 체계적으로 토양과 설립 식물에 적용되는 화학 물질의 하향 이동을 평가하기 위해 토양과 작물의 과학자들에 의해 사용되어왔다. 모형 매립은 그 토양에 배치되고, 한정된 지역에 확정 된 금액으로 적용 화학 물질의 운명을 결정하는 데 사용되는 금속 또는 플라스틱으로 만든 장치입니다. 장력 계에서 수집 된 토양과 식물 시료는 시간이 지남에 따라 화학적 분포의 변화를 평가하기 위해 사용될 수있다. 필드 lysimetry는 자연의 환경 조건 하에서 수행되기 때문에, 결과는 토양 시스템에 응용 화학 유래 실제의 시나리오를 예측하는데 사용될 수있다. 조기 모형 매립 연구 증산, 수분 흐름, 및 / 또는 영양 움직임을 측정 하였다. 현대의 모형 매립 연구는 aforeme과 함께, 농약 및 영양 손실, 농약 운동, 변동성, 질량 균형을 측정ntioned 측정 3. 지하수 오염의 가능성에 영향을 미칠 수있는 중요한 구성 요소 - 기존의 필드 lysimetry의 한계는 더 적은주의가 토양을 침출 물에 용해 된 화학 물질의 농도에 지불하는 동안 토양의 프로파일 내 화학 물질의 이동이 크게 고체 위상 측정에 의해 정의된다는 점입니다 토지 적용 화학 물질. 장력 계의 바닥에서 침출수가 때로는 분석을 위해 수집되어 있지만, 일반적으로이 방법의 한계를 깊이 porewater 농도의 해상도 및 이전 실험에 중요한 토양의 발굴이 필요합니다. 대신, 토양 물 화학의 농도에 대한 데이터를 구하는, porewater 샘플러는 필드 설​​정에 이용 될 수있다. Pore​​water 샘플러는 이산, 원하는 깊이에서 물을 수집하기 위해 토양에 설치 만 최소한으로 토양 시스템을 방해하고 있습니다. Pore​​water 샘플러는 장력 계, 흡입 CU 등 많은 이름으로 불리고있다P의 장력 계 또는 토양 용액 샘플러, 상술 전통적인 필드 장력 계 그들의 구별을 컨볼 루션. 이 논문에서, 우리는 혼란을 완화하기 위해 &quot;porewater 샘플러&quot;를 사용합니다. 여기, 우리는 식물이 흙이나 bareground 시스템에 적용되는 화학 물질의 하향 침출 가능성을 평가하기위한 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링을 결합한 실험적인 접근 방식을 보여줍니다. 세라믹 porewater 샘플링은 1960 년대 초 8부터 사용하고있는 동안 Lysimetry는, 1700 년대 7부터 사용하는 강력한 도구이다. 이 강력한 기술을 통합 토양의 교란을 최소화하면서 모두 고체 용해 상 화학 물질의 농도 분포의 필드 측정 할 수 있습니다. 이 문서는 사이트 선택, 장치 설치 및 시료 채취를 포함하여 실험을 설계 할 때 고려해야 할 요소를 설명합니다. 접근 방식의 운명을 평가하는 실험으로 설명된다유기 비소 화합물 농약은 bareground 및 설립 잔디가 시스템에 적용. 설명하는 기술함으로써 연구자와 토지 적용 화학 물질의 환경 거동과 행동을 이해하고자 정책 입안자에 매우 중요한 도구를 제공, 다양한 화학의 운명을 검토 할 필요 조정할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>Prenart Super Quartz Samplers (PFTE/Quartz)</td><td>Prenart Equipment ApS</td><td>N/A</td><td>Any samplers for&amp;nbsp; trace metal analysis can be used (&lt;em&gt;e.g.&lt;/em&gt; SoilMoisture Equipment Corp.)</td></tr><tr><td>Prenart installation kit</td><td>Prenart Equipment ApS</td><td>N/A</td><td>Contains all items necessary to install porewater samplers</td></tr><tr><td>2 L collecting bottles</td><td>Prenart Equipment ApS</td><td></td><td>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</td></tr><tr><td>Portable vacuum pump</td><td>Prenart Equipment ApS</td><td>N/A</td><td>Vacuporter from Decagon Devices or other field battery-operated or hand vacuum pump may be used</td></tr><tr><td>1 oz HDPE Nalgene bottles</td><td>Fisher Scientific</td><td>03-313-4A</td><td>Sample bottle type will depend on analyte of interest and may be glass</td></tr><tr><td>Concentrated nitric acid</td><td>Fisher Scientific</td><td>A509-P212</td><td>Oxidizing and corrosive-other acids may be needed for preservation and should be used with caution</td></tr><tr><td>25 mm 0.2 &amp;micro;m nylon syringe filters</td><td>VWR</td><td>28145-487</td><td>Other filter types and pore sizes may be used, dependent on the analyte of interest and analytical instrumentation</td></tr><tr><td>60 ml Luer-Lok syringes</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-689-8</td><td>Other sizes may be used depending on sample volume collected</td></tr><tr><td>Portable pH meter</td><td>VWR</td><td>248481-A01</td><td>Other pH meters can be used following calibration</td></tr><tr><td>Graduated cylinder</td><td>any</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Field lysimeters (metal, plastic, &lt;em&gt;etc.&lt;/em&gt;)</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Often these are constructed based on the researchers specifications</td></tr><tr><td>Inverted post driver tractor</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Any tractor can be used to install the lysimeters</td></tr><tr><td>Handheld boom sprayer</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>To apply the rate needed for application&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Polyethylene bags</td><td>Johnson &amp;amp; Johnson</td><td>N/A</td><td>Other brands may be used for soil storage</td></tr><tr><td>Reciprocating saw</td><td>Black &amp;amp; Decker&amp;nbsp;</td><td>N/A</td><td>Any reciprocating saw can be used with a metal cutting attachment</td></tr></tbody></table>

integrated field lysimetry and porewater sampling for evaluation of chemical mobility in soils and established vegetation

잠재적으로 독성 화학 물질은 정기적으로 폐기물 관리 및 식품 생산에 대한 증가하는 요구를 충족하기 위해 토지에 적용되지만, 이러한 화학 물질의 운명은 종종 잘 이해되지 않습니다. 여기서 우리는 토양과 식물을 설립인가 화학 물질의 이동도를 평가하기위한 통합형 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 방법을 보여준다. 장력 계는 금속 또는 플라스틱으로 만들어진 개방 열, bareground 또는 식물이 토양으로 구동된다. 상업적으로 사용할 수 있으며, 토양의 물을 침출 수집하는 진공 청소기를 사용 Porewater 샘플러는, 장력 계 내에서 소정의 깊이에 설치됩니다. 실험 플롯에 화학 응용 프로그램 다음 미리 지정된 시간에, porewater를 수집하고, 장력 계는 토양과 식물을 포함, 발굴된다. 모형 매립 토양, 식물, 및 porewater, 아래로 침출 속도, 토양 보존 능력, 관심있는 화학 물질에 대한 식물의 흡수에 화학 물질의 농도를 분석하여 정량화 할 수있다.필드 lysimetry 및 porewater 샘플링이 자연 환경 조건에서 최소한의 토양 교란으로 실시되기 때문에 파생 된 결과가 실제의 시나리오 프로젝트 및 화학 물질 관리에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 화학 물질이 점점 세계적 착륙인가됨에 설명한 기술을 적용 화학 물질이 인체 나 환경에 악영향을 초래할 여부를 결정하는 데에 이용 될 수있다.

화학 물질의 운명에 대한 자료의 축적이 5,10를 bareground 및 식생, 토양 시스템에 적용이 방법은 수 있습니다. 이 방법은 버뮤다 그래스를위한 식물에 비소 (As) 아래로 침출, 흡수,과 위치를 평가하는 데 사용 된 유기 비소 제초제 모노 나트륨 메틸 비산 (MSMA)의 응용 프로그램을 다음 (Cynodon의 dactylon) 시스템 9. 1960 년대 이후, MSMA 비 농경지, 잔디가, 면화 생산에 사용되었지만으...

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Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 연구원은 토양과 설립 식물에 적용되는 화학 물질의 운명을 평가할 수 있습니다. 이 프로토콜의 목적은 필요한 장비를 설치하고 통합 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 실험에서 화학적 분석을위한 샘플을 수집하는 방법을 설명하는 것입니다.

통합 필드 Lysimetry 및 Porewater 샘플링 토양에서 화학 이동성의 평가 및 설립 식물

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

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Research

JoVE Journal

Environment

14.2K 조회수.  North Carolina State University.  필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 연구원은 토양과 설립 식물에 적용되는 화학 물질의 운명을 평가할 수 있습니다. 이 프로토콜의 목적은 필요한 장비를 설치하고 통합 필드 lysimetry 및 porewater 샘플링 실험에서 화학적 분석을위한 샘플을 수집하는 방법을 설명하는 것입니다. 

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Evaluation of Integrated Anaerobic Digestion and Hydrothermal Carbonization for Bioenergy Production

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal carbonization (HTC) are promising technologies for bioenergy production from biomass in terms of biogas and HTC biochar, respectively. In this study, the combination of AD and HTC is proposed to increase overall bioenergy production. Wheat straw was anaerobically digested in a novel upflow anaerobic solid state reactor (UASS) in both mesophilic (37 &#176;C) and thermophilic (55 &#176;C) conditions. Wet digested from thermophilic AD was hydrothermally carbonized at 230 &#176;C for 6 hr for HTC biochar production. At thermophilic temperature, the UASS system yields an average of 165 LCH4/kgVS&#160;(VS: volatile solids) and 121 L CH4/kgVS&#160;at mesophilic AD over the continuous operation of 200 days. Meanwhile, 43.4 g of HTC biochar with 29.6 MJ/kgdry_biochar was obtained from HTC of 1 kg digestate (dry basis) from mesophilic AD. The combination of AD and HTC, in this particular set of experiment yield 13.2 MJ of energy per 1 kg of dry wheat straw, which is at least 20% higher than HTC alone and 60.2% higher than AD only.

A novel Upflow Anaerobic Solid State (UASS) reactor was used for biogas production from fibrous feedstock. Digestate from UASS reactor was hydrothermally carbonized into HTC biochar in a pressurized batch reactor. The integration of the two bioenergy concepts was applied in this study to increase overall bioenergy production.

바이오 에너지 생산을위한 통합 혐기성 소화 및 열수 탄화의 평가

Lignocellulosic biomass is one of the most abundant yet underutilized renewable energy resources. Both anaerobic digestion (AD) and hydrothermal ...

연구

환경과학

A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the landscape has complex and varied soil morphology, an accompanying disparity in flow paths for leachate through the soil macropore and matrix structure is present. The rate of flow through these paths is further affected by antecedent soil moisture. Lysimeters are used to quantify flow rate, volume of water and concentration of nutrients leaching downward through soils. While many lysimeter designs exist, accurately determining the volume of water and mass balance of nutrients is best accomplished with bounded lysimeters that leave the natural soil structure intact. 
Here we present a detailed method for the extraction and construction of soil core lysimeters equipped with soil moisture sensors at 5 cm and 25 cm depths. Lysimeters from four different Coastal Plain soils (Bojac, Evesboro, Quindocqua and Sassafras) were collected on the Delmarva Peninsula and moved to an indoor climate controlled facility. Soils were irrigated once weekly with the equivalent of 2 cm of rainfall to draw down soil nitrate-N concentrations. At the end of the draw down period, poultry litter was applied (162 kg TN ha-1) and leaching was resumed for an additional five weeks. Total recovery of applied irrigation water varied from 71% to 85%. Nitrate-N concentration varied over the course of the study from an average of 27.1 mg L-1 before litter application to 40.3 mg L-1 following litter application. While greatest flux of nutrients was measured in soils dominated by coarse sand (Sassafras) the greatest immediate flux occurred from the finest textured soil with pronounced macropore development (Quindocqua).

A detailed method for extraction and assembly of intact soil core lysimeters and their use for study of leachate and associated loss of nutrients from surface applied poultry litter is demonstrated.

토양 코어 Lysimeters를 수집 및 구축을위한 프로토콜

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

This study presents an excavation method for investigating subsurface hydrological, geochemical, and microbiological heterogeneity of a soil lysimeter. The lysimeter simulates an artificial hillslope which was initially under homogeneous condition and had been subjected to approximately 5,000 mm of water over eight cycles of irrigation in an 18-month period.

결합 문학, 지구 화학 및 미생물 조사를위한 토양 모형 매립 발굴

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

A Lipid Extraction and Analysis Method for Characterizing Soil Microbes in Experiments with Many Samples

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial communities, a relatively precise but effort-intensive technique to assay microbial community composition is phospholipid fatty acid (PLFA) analysis. PLFA was developed to analyze phospholipid biomarkers, which can be used as indicators of microbial biomass and the composition of broad functional groups of fungi and bacteria. It has commonly been used to compare soils under alternative plant communities, ecology, and management regimes. The PLFA method has been shown to be sensitive to detecting shifts in microbial community composition.
An alternative method, fatty acid methyl ester extraction and analysis (MIDI-FA) was developed for rapid extraction of total lipids, without separation of the phospholipid fraction, from pure cultures as a microbial identification technique. This method is rapid but is less suited for soil samples because it lacks an initial step separating soil particles and begins instead with a saponification reaction that likely produces artifacts from the background organic matter in the soil. 
This article describes a method that increases throughput while balancing effort and accuracy for extraction of lipids from the cell membranes of microorganisms for use in characterizing both total lipids and the relative abundance of indicator lipids to determine soil microbial community structure in studies with many samples. The method combines the accuracy achieved through PLFA profiling by extracting and concentrating soil lipids as a first step, and a reduction in effort by saponifying the organic material extracted and processing with the MIDI-FA method as a second step.

The article describes a method that increases throughput while balancing effort and accuracy for extraction of lipids from the cell membranes of microorganisms for use in characterizing both total lipids and the relative abundance of indicator lipids to determine soil microbial community structure in studies with many samples.

많은 샘플을 이용한 실험에서 토양 미생물을 특성화하기위한 지질 추출 및 분석 방법

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonate (CaCO3) profiles. The objective is to describe a simple conceptual model and detailed protocol for repeatable field and laboratory measurements of these quantities. Here, accurate elevation is measured using a ground-based differential global positioning system (GPS); other data acquisition methods could be applied to the same basic method. Soil samples are collected from prescribed depth intervals and analyzed in the lab using an efficient and precise modified pressure-calcimeter method for quantitative analysis of inorganic carbon concentration. Standard statistical methods are applied to point data, and representative results show significant correlations between changes in soil surface layer CaCO3 and changes in elevation consistent with the conceptual model; CaCO3 generally decreased in depositional areas and increased in erosional areas. Maps are derived from point measurements of elevation and soil CaCO3 to aid analyses. A map of erosional and depositional patterns at the study site, a rain-fed winter wheat field cropped in alternating wheat-fallow strips, shows the interacting effects of water and wind erosion affected by management and topography. Alternative sampling methods and depth intervals are discussed and recommended for future work relating soil erosion and deposition to soil CaCO3.

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes in elevation are related to changes in near-surface soil carbonates. Repeatable methods for field and laboratory measurements of these quantities and data analysis methods are described here.

측정 및 토양 침식과 토양 탄산 농도 농업 관리에 관련 된 증 착 패턴 매핑

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Single-throughput Complementary High-resolution Analytical Techniques for Characterizing Complex Natural Organic Matter Mixtures

Natural organic matter (NOM) is composed of a highly complex mixture of thousands of organic compounds which, historically, proved difficult to characterize. However, to understand the thermodynamic and kinetic controls on greenhouse gas (carbon dioxide [CO2] and methane [CH4]) production resulting from the decomposition of NOM, a molecular-level characterization coupled with microbial proteome analyses is necessary. Further, climate and environmental changes are expected to perturb natural ecosystems, potentially upsetting complex interactions that influence both the supply of organic matter substrates and the microorganisms performing the transformations. A detailed molecular characterization of the organic matter, microbial proteomics, and the pathways and transformations by which organic matter is decomposed will be necessary to predict the direction and magnitude of the effects of environmental changes. This article describes a methodological throughput for comprehensive metabolite characterization in a single sample by direct injection Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR-MS), gas chromatography mass spectrometry (GC-MS), nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, liquid chromatography mass spectrometry (LC-MS), and proteomics analysis. This approach results in a fully-paired dataset which improves statistical confidence for inferring pathways of organic matter decomposition, the resulting CO2 and CH4 production rates, and their responses to environmental perturbation. Herein we present results of applying this method to NOM samples collected from peatlands; however, the protocol is applicable to any NOM sample (e.g., peat, forested soils, marine sediments, etc.).

This protocol describes a single throughput for complementary analytical and omics techniques culminating in a fully-paired characterization of natural organic matter and microbial proteomics in different ecosystems. This approach permits robust comparisons for identifying metabolic pathways and transformations important for describing greenhouse gas production and predicting responses to environmental change.

복잡 한 자연 유기 물질 혼합물을 특성화에 대 한 단일 처리량 보완 고해상도 분석 기법

Natural organic matter (NOM) is composed of a highly complex mixture of thousands of organic compounds which, historically, proved difficult to ...

Two-Dimensional Visualization and Quantification of Labile, Inorganic Plant Nutrients and Contaminants in Soil

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic nutrient (e.g., P, Fe, Mn) and contaminant (e.g., As, Cd, Pb) solute species in the soil adjacent to plant roots (the &#8216;rhizosphere&#8217;) at sub-millimeter (~100 &#181;m) spatial resolution. The method combines sink-based solute sampling by the diffusive gradients in thin films (DGT) technique with spatially resolved chemical analysis by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). The DGT technique is based on thin hydrogels with homogeneously distributed analyte-selective binding phases. The variety of available binding phases allows for the preparation of different DGT gel types following simple gel fabrication procedures. For DGT gel deployment in the rhizosphere, plants are grown in flat, transparent growth containers (rhizotrons), which enable minimal invasive access to a soil-grown root system. After a pre-growth period, DGT gels are applied to selected regions of interest for in situ solute sampling in the rhizosphere. Afterwards, DGT gels are retrieved and prepared for subsequent chemical analysis of the bound solutes using LA-ICP-MS line-scan imaging. Application of internal normalization using 13C and external calibration using matrix-matched gel standards further allows for the quantification of the 2D solute fluxes. This method is unique in its capability to generate quantitative, sub-mm scale 2D images of multi-element solute fluxes in soil-plant environments, exceeding the achievable spatial resolution of other methods for measuring solute gradients in the rhizosphere substantially. We present the application and evaluation of the method for imaging multiple cationic and anionic solute species in the rhizosphere of terrestrial plants and highlight the possibility of combining this method with complementary solute imaging techniques.

This protocol presents a workflow for sub-mm 2D visualization of multiple labile inorganic nutrient and contaminant solute species using diffusive gradients in thin films (DGT) combined with mass spectrometry imaging. Solute sampling and high-resolution chemical analysis are described in detail for quantitative mapping of solutes in the rhizosphere of terrestrial plants.

토양의 2차원 시각화 및 래빌, 무기 식물 영양소 및 오염 물질의 정량화

We describe a method for two-dimensional (2D) visualization and quantification of the distribution of labile (i.e., reversibly adsorbed) inorganic ...

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture data has been slow due to inconsistent data collection, poor standardization, and typically short record duration. Soil moisture, or quantitatively volumetric soil water content (SWC), is measured using buried, in situ sensors that infer SWC from an electromagnetic response. This signal can vary considerably with local site conditions such as clay content and mineralogy, soil salinity or bulk electrical conductivity, and soil temperature; each of these can have varying impacts depending on the sensor technology.
Furthermore, poor soil contact and sensor degradation can affect the quality of these readings over time. Unlike more traditional environmental sensors, there are no accepted standards, maintenance practices, or quality controls for SWC data. As such, SWC is a challenging measurement for many environmental monitoring networks to implement. Here, we attempt to establish a community-based standard of practice for in situ SWC sensors so that future research and applications have consistent guidance on site selection, sensor installation, data interpretation, and long-term maintenance of monitoring stations.
The videography focuses on a multi-agency consensus of best-practices and recommendations for the installation of in situ SWC sensors. This paper presents an overview of this protocol along with the various steps essential for high-quality and long-term SWC data collection. This protocol will be of use to scientists and engineers hoping to deploy a single station or an entire network.

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

The determination of soil water content is a critical mission requirement for many state and federal agencies. This protocol synthesizes multi-agency efforts to measure soil water content using buried in situ sensors.

현장 방해받지 않는 토양의 토양 수분 센서

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture ...

Dissolved Solute Sampling Across an Oxic-Anoxic Soil-Water Interface Using Microdialysis Profilers

Biogeochemical processes shift rapidly in both spatial (millimeter scale) and temporal (hour scale to day scale) dimensions at the oxic-anoxic interface in response to disturbances. Deciphering the rapid biogeochemical changes requires in situ, minimally invasive tools with high spatial and temporal sampling resolution. However, the available passive sampling devices are not very useful in many cases either due to their disposable nature or the complexity and extensive workload for sample preparation.
To address this problem, a microdialysis profiler with 33 individual polyethersulfone nanomembrane tubes (semipermeable, &#60;20 nm pore size) integrated into the one-dimensional skeleton (60 mm) was established to iteratively sample the dissolved compounds in porewater across the soil-water interface at a high resolution of 1.8 mm (outer diameter plus one spacing, i.e., 0.1 mm between probes). The sampling mechanism is based on the principle of concentration gradient diffusion. The automatic loading of degassed water allows minimal disturbance to the chemical species across the oxic-anoxic interface.
This paper describes the procedures of device setup and continuous porewater sampling across the soil-water interface on a daily basis. Concentration-depth profiles were selectively measured before (on Day 6) and after (on Day 7) disturbances induced by irrigation. The results showed that concentration-depth profiles were undergoing rapid changes, especially for redox-sensitive elements (i.e., iron and arsenic). These protocols can help investigate the biogeochemical responses across the soil-water interface under various disturbances caused by physical, chemical, and biological factors. The paper thoroughly discusses the advantages and disadvantages of this method for potential use in the environmental sciences.

A microdialysis profiler is described to sample dissolved porewater solutes across an oxic-anoxic soil-water interface in situ with minimal disturbance. This device is designed to capture rapid changes in concentration-depth profiles induced by disturbances at the soil-water interface and beyond.

Microdialysis Profilers를 사용한 Oxic-Anoxic 토양-물 계면에서의 용존 용질 샘플링

Biogeochemical processes shift rapidly in both spatial (millimeter scale) and temporal (hour scale to day scale) dimensions at the oxic-anoxic interface ...

Determination of Moisture Content in Soil

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona 
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
Soils normally contain a finite amount of water, which can be expressed as the &#8220;soil moisture content.&#8221; This moisture exists within the pore spaces in between soil aggregates (inter-aggregate pore space) and within soil aggregates (intra-aggregate pore space) (Figure 1). Normally this pore space is occupied by air and/or water. If all the pores are occupied by air, the soil is completely dry. If all the pores are filled with water, the soil is said to be saturated.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10011/10011fig1.jpg" /> 
Figure 1. Pore space in soil.

토양의 수분 함량 측정

Source: Laboratories of Dr. Ian Pepper and Dr. Charles Gerba - The University of Arizona
Demonstrating Author: Bradley Schmitz
Soils normally contain a ...