Contínua hidrológicos e monitoramento da qualidade do Vernal lagoas de água

Resumo

Noções básicas sobre os serviços de ecossistema e processos fornecidos por lagoas vernal e os impactos das actividades antropogénicas na sua capacidade de fornecer estes serviços requer monitoramento hidrológico intensivo. Este protocolo de amostragem usando in situ , equipamento de monitorização foi desenvolvido para entender o impacto das actividades antropogénicas sobre os níveis de água e de qualidade.

Resumo

Vernal lagoas, também conhecidas como piscinas vernal, prestação de serviços de ecossistema crítico e habitat para uma variedade de espécies ameaçadas e em perigo. No entanto, eles são partes vulneráveis das paisagens que são frequentemente mal compreendidas e Understudy. Uso da terra e práticas de gestão, bem como a mudança climática é pensada para ser uma contribuição para o declínio global de anfíbios. No entanto, é necessária mais investigação para compreender a extensão desses impactos. Aqui, apresentamos a metodologia para caracterizar de uma lagoa vernal morfologia e detalhe uma estação de monitoramento que pode ser usada para coletar dados de quantidade e qualidade de água ao longo da duração do hidroperíodo da lagoa um vernal. Nós fornecemos a metodologia de como conduzir pesquisas de campo para caracterizar a morfologia e desenvolver curvas de palco-armazenamento para uma lagoa vernal. Além disso, nós fornecemos metodologia para monitoramento do nível de água, temperatura, pH, oxigênio dissolvido, potencial de oxidação-redução e condutividade elétrica da água em uma lagoa vernal, bem como monitoramento de dados de precipitação. Esta informação pode ser usada para melhor quantificar os serviços de ecossistema que oferecem lagoas vernal e os impactos das actividades antropogénicas na sua capacidade de fornecer estes serviços.

Introdução

Vernal lagoas são zonas húmidas temporárias, superficiais que normalmente contêm água de queda para a primavera e muitas vezes são seco durante os meses de verão. O período de inundação das lagoas vernal, geralmente referido como o hidroperíodo, é controlado principalmente pela precipitação e evapotranspiração¹.

Vernal lagoas também podem ser referidas como piscinas vernal, efêmeras lagoas, lagoas temporárias, lagoas sazonais e zonas húmidas geograficamente isoladas². Nos Estados Unidos do nordeste, vernal lagoas mais frequentemente são caracterizadas pelo habitat crítico que eles fornecem para os anfíbios, servindo como os criadouros e prestando apoio durante os primeiros estágios de vida (ou seja, os girinos) e metamorfose. Na Califórnia, lagoas vernal caracterizam-se pela vegetação original e espécies de plantas ameaçadas de extinção que eles suportam².

Estes habitats são cada vez mais ameaçados devido à mudança de clima e uso da terra, e as populações de anfíbios estão experimentando um declínio global significativo, em grande parte devido a actividades antropogénicas^3,4. As preocupações de qualidade de água devido à poluição são também pensado para estar contribuindo fatores em anfíbios recentes declínios globalmente⁵. Além disso, estudos recentes têm revelado uma maior ocorrência de características intersexo em rãs que habitam lagoas vernal impactadas pelo esgoto humano⁶. Portanto, há uma necessidade de efectuar o acompanhamento mais intensivo de naturais e impactadas lagoas vernal para entender melhor os que contribuem para o declínio global de anfíbios.

Os parâmetros físicos de vernal lagoas que precisam ser medidos e monitorados incluem a morfologia da lagoa e o nível de água. A morfologia é a geometria da lagoa e é desenvolvida através da realização de um inquérito para determinar as mudanças de altitude em toda a bacia. O levantamento de dados são usados para estabelecer uma curva de palco-armazenamento, que permite que o volume da lagoa para ser estimado com base em medições de nível de água. Porque o nível de água em uma lagoa vernal é fortemente influenciado pela precipitação, medições devem ser feitas em uma alta resolução temporal para melhor entender tanto curto (ou seja, da ordem de minutos a horas) e flutuações de longo prazo (ou seja, na ordem de meses a anos) no nível da água.

Parâmetros de qualidade de água de interesse que são conhecidos por afetar a função do vernal lagoas incluem temperatura, pH, condutividade elétrica, os níveis de oxigênio dissolvido e potencial de oxidação-redução. Esses parâmetros podem ser medidos em situ com tecnologias relativamente baratas e redes de sensores. Alguns parâmetros de qualidade de interesse, como algumas espécies de nutrientes (ou seja, azoto Kjeldahl total) e outros poluentes (ou seja, contaminantes emergentes) de água requerem amostras a recolher e trouxe para um laboratório para processamento e análise.

Parâmetros críticos que afetam a capacidade de lagoas vernal para funcionar como habitat apropriado para reprodução anfíbios e fases iniciais do desenvolvimento de girinos incluem água, nível, pH e dissolvida a concentração de oxigênio. Comparado às lagoas vernal localizadas em paisagens relativamente intocadas, níveis elevados de condutividade elétrica, pH mais elevado, reduzido dissolvido as concentrações de oxigênio, e altas concentrações de nutrientes foram registradas nas lagoas vernal impactadas por antropogénicas atividades de^2,7. Condições anaeróbicas ou redução podem ocorrer nestes habitats, particularmente aqueles que são impactados por atividades antropogênicas. Isso pode causar uma mudança na Comunidade microbiológica, alterando o nutriente ciclismo dentro da lagoa e potencialmente reduzir a degradação de compostos desreguladoras endócrinos e outros poluentes^8,9.

O objetivo deste trabalho é fornecer informações sobre como estabelecer uma estação de monitoramento da quantidade de água e qualidade de uma lagoa vernal. Esse método pode ser aplicado a qualquer lagoa vernal, mas requer acesso ao site (ou seja, o site deve ser em propriedade pública ou ter permissão do proprietário de terras para instalar o equipamento).

Protocolo

1. realização de uma pesquisa de uma morfologia lagoa Vernal

1. Selecione um local para designar como o benchmark e marcá-lo com um pequeno levantamento ou marcando bandeira.
   Nota: O local deve ser uma elevação maior do que a lagoa e ter linha de visão de todos os locais em toda a bacia.
2. Atribuir o valor de referência, uma elevação de referência; o número exato não importa, ele simplesmente fornece uma referência ao qual todas as outras medições podem ser comparadas.
3. Marcação bandeiras e usando uma fita métrica, faça transectos em um intervalo de 3 m sobre a área da lagoa, resultando em uma grade de 3 m x 3 m (Veja exemplo em Figura 1).
4. Determine a elevação do fundo da lagoa (ou seja, o chão) a 3 m intervalos ao longo de cada transecto, medindo a altura em uma haste de nivelamento usando um nível automático. Certifique-se de que os perfis se estender para as maiores elevações de cada lado da lagoa.
5. No final de cada transecto, fazer uma ré para o benchmark e gravar a elevação.
6. Determinar o erro de pesquisa como a diferença entre o valor de referência ' elevação s atribuído (ou seja, o valor de referência atribuído na etapa 1.2) e a elevação medida a partir da localização mais distante no perfil transecto.
7. Calcular o erro permissível (AE) de fechamento para o perfil como AE = K (2 * M) ^0,5, onde K é uma constante entre 0,001 e 1 e M é a distância (em milhas) entre o valor de referência e a localização mais distante na o perfil de.
   Nota: O valor de K depende a precisão requerida da pesquisa, que neste caso pode ser tomada como 0,1 ¹⁰.
8. Compare o erro de levantamento calculado na etapa 1.6 para o AE calculado na etapa 1.7. Se o erro da pesquisa é maior do que o AE, então refazer o perfil de nivelamento (passos 1.3 e 1.4) para que o transecto. Se o erro da pesquisa é menor do que o AE e, em seguida, o perfil de nivelamento para que transecto é completo, realizar o perfil de nivelamento para o próxima transecto.
9. Repetir passos 1.4 1.8 para conduzir através de perfil de nivelamento em intervalos de 3 m em toda a bacia na direção oposta para criar uma grade de elevações conhecidas (veja um exemplo de perfil transectos na Figura 1).
10. Desenvolver uma curva de palco-armazenamento para a lagoa, uma vez que as elevações (em relação ao valor de referência) são conhecidas em toda a rede de 3 m x 3 m, pesquisada através da lagoa.
    Nota: Intervalos maiores podem ser usados, mas pode aumentar o erro na determinação da relação entre o nível de água e volume de lagoa.

2. Determinação da lagoa Vernal ' s curva de palco-armazenamento

Nota: cada lagoa vernal terá uma relação única entre o nível da água e do volume de água na lagoa. Esta relação é chamada curva de palco-armazenamento.

1. Usando os dados de elevação, reuniram-se na secção 1, determinar as elevações mais altas e mais baixas na lagoa.
2. Determinar a diferença entre a maior e menor elevação e selecione um intervalo para o qual desenhar linhas de contorno; um intervalo de contorno de 0.1 a 0.2 m recomenda-se ¹¹.
3. Calcular a área da superfície de cada contorno (um _eu). Isso pode ser feito à mão usando um planímetro ou eletronicamente usando software de informação geográfica (GIS).
4. Usar o método de área média-fim para calcular o volume entre cada intervalo de contorno (V _eu):
   
   onde E é a elevação de contorno .
5. Calcular o volume total (V _P) da lagoa vernal como a soma do volume entre cada intervalo de contorno:
   
   Nota: aqui H é a profundidade máxima da lagoa. Um exemplo é dado na tabela 1.
6. Determinar a relação de estágio-armazenamento para a lagoa, representando graficamente o volume acumulado da lagoa em função da profundidade.
   1. Depois de instalar o sensor de nível de água, use o nível de água, como o " fase " e estimar o volume de água, ou o armazenamento, na lagoa.
      Nota: Um exemplo de uma curva de palco-armazenamento é mostrado na Figura 2. Se o sensor de nível de água é instalado acima do ponto mais baixo na lagoa vernal, um deslocamento será necessário para converter o nível da água medido em curva de palco-armazenamento (Adicionar o deslocamento no passo 3.3 para o nível de água, gravado pelos sensores de nível de água para determinar a st idade).

3. Instalação de uma estação de monitoramento

Nota: sensores para parâmetros de interesse para este estudo incluiu um transdutor de pressão (mede o nível de água e a temperatura), dissolvido a concentração de oxigênio, oxidação-redução pH, condutividade elétrica, potencial e um inflexão balde pluviômetro. A sonda de pH, sensor de oxigênio dissolvido e sonda de oxidação-redução devem ser calibrados em laboratório antes da implantação pelo sensor ' manual do usuário s. Aqui, é selecionado um datalogger central (programado para gravar dados em intervalos de 15 min), para que todos os sensores estão conectados durante a implantação. Um cenário alternativo viável seria que cada um dos sensores é autónomo e fazer não necessidade um datalogger central, uma vez que cada sensor iria gravar seus próprios dados.

1. Anexar cada dos sensores (com excepção do pluviômetro) para um bloco de concreto ou uma estaca de madeira ( Figura 3). Use braçadeiras de mangueira ou zip laços para garantir que os sensores permanecem na parte inferior da lagoa vernal (ou a profundidade de interesse).
   1. Anexar o sensor de oxigênio dissolvido, que é um ângulo (seguindo instruções do fabricante), para permitir que o oxigênio difunda através da membrana. Instale o adorno do transdutor de pressão, conforme a pressão que ele vai medir é a coluna de água acima dele, e o nível da água deve ser registado de forma vertical.
2. Instalar os sensores montados em um local em direção ao centro da lagoa que é improvável que tornar-se seca durante o período de estudo.
3. Determinar a distância vertical entre os sensores e o ponto mais baixo na lagoa usando uma régua ou o equipamento de levantamento. Gravar esta distância para uso no desenvolvimento da curva de palco-armazenamento, conforme descrito na etapa 2.6 (ou seja, um deslocamento pode ser necessária quando relativas a profundidade medida utilizando os transdutores de pressão para a profundidade total de água na lagoa).
4. Enquanto eles podem ser submerso na água, os fios do sensor são vulneráveis aos ratos ou outros animais que podem mordê-las quando o nível da água é baixo na lagoa, para evitar isso usam cloreto de apolyvinyl da tubulação para proteger os fios do sensor (opcional, mas recomendado). Executar os fios do sensor até a borda da lagoa vernal através de um tubo de PVC (3 m comprimento, 6,35 cm de diâmetro), como mostrado na Figura 4.
   Nota: para a instalação temporária (por exemplo,, algumas semanas a alguns meses) o tubo de PVC pode ser consideradas como desnecessário.
5. Conjunto para cima um tripé e montá-lo no chão, injetando estacas em cada da viagemuma overdose pernas.
   Nota: Alguns tripés altos podem ter um para-raios que requer instalação, também.
   1. Posicione o tripé perto da borda da lagoa vernal para garantir que é acessível mesmo quando o lago está cheio de água.
6. Anexar a caixa do gabinete para o datalogger e bateria (12 V) sobre o tripé, deixando o quarto em cima do tripé para o painel solar ser montado acima da caixa do gabinete ( Figura 4).
7. Anexar um painel de solar 10 W até o topo do tripé e direcione-a para o sol. Um ângulo solar calculadora ¹² pode ser usado, se desejado, para determinar o ângulo ideal no qual deseja instalar o painel.
8. Colocar o pluviômetro o tripé se houver espaço. Caso contrário, anexá-lo a uma estaca de madeira ou metal polo perto da borda da lagoa e o tripé ( Figura 4). Garantir (se possível) que o pluviômetro tem cobertura arbórea que representa aproximadamente a tampa da árvore da lagoa (se houver).
9. Trazer todos os fios do sensor e painel solar na caixa do recinto através do orifício na parte inferior da caixa.
10. Conectar todos os sensores para o datalogger ' painel de fiação s em conformidade com os sensores ' instruções ou o datalogger ' diagrama de fiação de s. Consulte o exemplo na Figura 5A.
11. Ligue os fios do painel solar para a bateria de 12V para recarregar a bateria ( Figura 5B).
    Nota: Selecione uma bateria que também possui um regulador de tensão (recomendado) para garantir que a bateria não recebe demasiada electricidade do painel solar.
12. Conectar a bateria para o painel de entrada de energia sobre o datalogger ( Figura 5B) para fornecer energia para os sensores e o datalogger.
13. Colocar um pacote dessecante dentro da caixa do recinto para reduzir a probabilidade de danos por umidade para o datalogger.
14. Opcional mas recomendado: conectar um laptop de campo com o software de comunicação do datalogger para o datalogger, usando um cabo serial ( Figura 5B) para garantir que a rede de sensores está funcionando corretamente.
15. Fechar a caixa de gabinete e coloque a argila em torno do furo na parte inferior da caixa de recinto onde os fios entrar para manter insetos e água fora da caixa. Se a segurança do equipamento for uma preocupação, fixar a caixa da caixa com um cadeado.

Resultados

Vernal lagoas podem exibir uma ampla gama de morfologia, com perfis variando de convexo a inclinação reta para côncavos. Morfologia de exemplo para uma lagoa vernal em Pensilvânia Central é mostrada na Figura 1, juntamente com os resultados da curva de palco-armazenamento para esta lagoa (Figura 2, tabela 1). Profundidade máxima do lago não é um forte indicador de área de superfície, como hidroperíodo ...

Discussão

Importância no que diz respeito a métodos existentes

Enquanto monitoramento de fluxos tem bem estabelecidas metodologias desenvolvidas pelos Estados Unidos Geological Survey (USGS), tal programa de monitoramento não generalizado existe para dinâmica de vernal lagoa de compreensão. Este protocolo visa fornecer orientação para como começar a abordagem hidrológica e pesquisa em um site de vernal lagoa, com o objetivo de compreender os fatores como físicos e químicos de...

Materiais

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