Name: measuring phosphorus release in laboratory microcosms for water quality assessment
Uploaded: 2019-07-22T15:00:00
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Le Vermont Water Resources and Lake Studies Center a accordé des fonds dans le cadre d'une entente avec le U.S. Geological Survey. Les conclusions et les opinions sont celles des auteurs et non du Vermont Water Resources and Lake Studies Center ou de l'USGS.

1. Collecte d'échantillons
<ol><li>Recueillir environ 4 L de sol (ou de sédiments) à partir des sites désirés. Les zones de collecte devraient être relativement petites pour limiter la variation spatiale des propriétés de P et du sol.</li>
	<li>Les échantillons de tamis à l'écran grossier (20 mm) ont suivi un écran de 2 mm. Bien mélanger les échantillons à la main après le tamisage.</li>
	<li>Peser 100 g de sol ou de sédiments humides sur le terrain. Sécher au four à 105 oC pendant 24 h et calculer l...

<ol>
	<li>Patrick, W. H., Khalid, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphate+release+and+sorption+by+soils+and+sediments:+Effect+of+aerobic+and+anaerobic+conditions.">Phosphate release and sorption by soils and sediments: Effect of aerobic and anaerobic conditions.</a> Science. 186 (4158), 53-55 (1974).</li><li>Moore, P. A., Reddy, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+Eh+and+pH+on+phosphorus+geochemistry+in+sediments+of+Lake+Okeechobee,+Florida.">Role of Eh and pH on phosphorus geochemistry in sediments of Lake Okeechobee, Florida.</a> Journal of Environmental Quality. 23, 955-964 (1994).</li><li>Young, E. O., Ross, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphate+release+from+seasonally+flooded+soils:+a+laboratory+microcosm+study.">Phosphate release from seasonally flooded soils: a laboratory microcosm study.</a> Journal of Environmental Quality. 30 (1), 91-101 (2001).</li><li>Henderson, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anoxia-induced+release+of+colloid-+and+nanoparticle-bound+phosphorus+in+grassland+soils.">Anoxia-induced release of colloid- and nanoparticle-bound phosphorus in grassland soils.</a> Environmental Science &amp; Technology. 46 (21), 11727-11734 (2012).</li><li>Vidon, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hot+spots+and+hot+moments+in+riparian+zones:+potential+for+improved+water+quality+management.">Hot spots and hot moments in riparian zones: potential for improved water quality management.</a> Journal of the American Water Resources Association. 46 (2), 278-298 (2010).</li><li>Young, E. O., Ross, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+mobilization+in+flooded+riparian+soils+from+the+Lake+Champlain+Basin,+VT,+USA.">Phosphorus mobilization in flooded riparian soils from the Lake Champlain Basin, VT, USA.</a> Frontiers in Environmental Science. 6 (120), 1-12 (2018).</li><li>McIntosh, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bray+and+Morgan+soil+extractants+modified+for+testing+acid+soils+from+different+parent+materials.">Bray and Morgan soil extractants modified for testing acid soils from different parent materials.</a> Agronomy Journal. 61 (2), 259-265 (1969).</li><li>Young, E. O., Ross, D. S., Cade-Menun, B. J., Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+speciation+in+riparian+soils:+a+phosphorus-31+nuclear+magnetic+resonance+and+enzyme+hydrolysis+study.">Phosphorus speciation in riparian soils: a phosphorus-31 nuclear magnetic resonance and enzyme hydrolysis study.</a> Soil Science Society of America Journal. 77 (5), 1636-1647 (2013).</li><li>McGechan, M. B., Lewis, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sorption+of+phosphorus+by+soil:+Part+1.+Principles,+equations,+and+models.">Sorption of phosphorus by soil: Part 1. Principles, equations, and models.</a> Biosystems Engineering. 82 (1), 1-24 (2002).</li><li>Cabrera, M. L., Radcliffe, D. E., Cabrera, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+phosphorus+in+runoff:+Basic+approaches.">Modeling phosphorus in runoff: Basic approaches.</a> Modeling Phosphorus in the Environment. , 65-81 (2007).</li><li>Gbur, E. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Analysis of Generalized Linear Mixed Models in the Agricultural and Natural Resources Sciences. , (2012).</li><li>Moore, P. A., Reddy, K. R., Fisher, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+flux+between+sediment+and+overlying+water+in+Lake+Okeechobee,+Florida:+Spatial+and+temporal+variations.">Phosphorus flux between sediment and overlying water in Lake Okeechobee, Florida: Spatial and temporal variations.</a> Journal of Environmental Quality. 27 (6), 1428-1439 (1998).</li><li>Young, E. O., Briggs, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+concentrations+in+soil+and+subsurface+water:+A+field+study+among+cropland+and+riparian+Buffers.">Phosphorus concentrations in soil and subsurface water: A field study among cropland and riparian Buffers.</a> Journal of Environmental Quality. 37 (1), 69-78 (2008).</li><li>Hoffmann, C. C., Kjaergaard, C., Uusi-K&#228;mpp&#228;, J., Hansen, H. C. B., Kronvang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+retention+in+riparian+buffers:+review+of+their+efficiency.">Phosphorus retention in riparian buffers: review of their efficiency.</a> Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1942-1955 (2009).</li><li>Bartlett, R. J., Ross, D. S., Tabatabai, M. A., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemistry+of+Redox+Processes+in+Soils.">Chemistry of Redox Processes in Soils.</a> Chemical Processes in Soils, SSSA Book Ser. 8. , 461-487 (2005).</li><li>Radcliffe, D. E., Freer, J., Schoumans, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffuse+phosphorus+models+in+the+United+States+and+Europe:+Their+usages,+scales,+and+uncertainties.">Diffuse phosphorus models in the United States and Europe: Their usages, scales, and uncertainties.</a> Journal of Environmental Quality. 38 (5), 1956-1967 (2009).</li><li>Bartlett, R. J., James, B. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studying+dried,+stored+soil+samples&#8212;some+pitfalls.">Studying dried, stored soil samples&#8212;some pitfalls.</a> Soil Science Society of America Journal. 44 (4), 721-724 (1980).</li><li>Turner, B. L., McKelvie, I. D., Haygarth, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+water+extractable+soil+organic+phosphorus+by+phosphatase+hydrolysis.">Characterization of water extractable soil organic phosphorus by phosphatase hydrolysis.</a> Soil Biology &amp; Biochemistry. 34 (1), 27-35 (2002).</li><li>Turner, B. L., Haygarth, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorus+solubilization+in+rewetted+soils.">Phosphorus solubilization in rewetted soils.</a> Nature. 411, 258 (2001).</li><li>Sparks, D. L., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetics+of+reactions+in+pure+and+mixed+systems.">Kinetics of reactions in pure and mixed systems.</a> Soil Physical Chemistry. , (1986).</li></ol>

Un avantage technique principal de l'approche de microcosme est sa capacité à simuler des conditions in situ où le sol ou les sédiments saturés sont immédiatement surlais par FW qui peuvent différer sensiblement dans le statut redox et P. Les paysages où l'hydrologie de la zone à source variable, comme les fossés de drainage, les terres cultivées inondées, les terres humides et les zones riveraines/près du cours d'eau, sont tous des exemples d'exemples où la réduction de la teneur en eau par la p....

Le phosphore (P) est un nutriment limitant essentiel pour la productivité des cultures et de la biomasse aquatique. L'hydrologie de surface de l'eau est l'un des principaux moteurs du destin et du transport en P, car elle contrôle le transport physique des sédiments et du P tout en affectant le potentiel de remobilisation pendant les eaux de ruissellement et les inondations et les inondations. Diverses méthodes d'extraction en laboratoire sont généralement utilisées pour estimer la libération de P à l'échelle du champ dans des conditions d'oxydation. Tandis que différents mécanismes peuvent contribuer à la libération de P, la dissolution réductrice des phosphates de fer est un mécanisme bien établi de réaction qui peut mener aux grands flux orthophosphate-P à l'eau1,2,3, 4. Dans un examen des mécanismes contrôlant la biogéochimie de P dans les zones humides, le statut deredox a été présumé être la variable principale contrôlant la libération de P aux sols et aux eaux souterraines peu profondes 5. En tant que tel, les tests P traditionnels peuvent ne pas être des prédicteurs fiables de la libération de P sous saturation prolongée.
Étant donné l'importance du temps de résidence en eau et de l'état redox sur le destin et le transport en P, les approches de laboratoire conçues pour mieux simuler les conditions in situ pourraient conduire à l'amélioration des indices de risque de transport P pour les écosystèmes agricoles et humides soumis à saturation variable. Étant donné que l'orthophosphate est immédiatement biodisponible, le taux et l'étendue de la desorption pendant la saturation peuvent être utilisés comme un indice du risque de pollution par la source Nonpoint P. Notre méthode a été conçue pour quantifier la désorption de P à l'eau de porewater (PW) et la mobilisation aux eaux de crue (FW) qui s'en trouvent les sources excessives ( par exemple, les champs agricoles inondés, les terres humides, les fossés de drainage et les riverains/ zones proches du cours d'eau). La méthode a été développée à l'origine pour caractériser le potentiel de rejet de P dans les sols inondés de façon saisonnière du nord de New York (États-Unis) et a récemment été appliquée pour quantifier le potentiel de desorption P des sols riverains du nord-ouest du bassin du lac Champlain6. . Ici, nous fournissons un protocole pour la méthode de microcosme de laboratoire et soulignons les résultats d'une étude récemment éditée démontrant sa capacité à quantifier le potentiel de desorption de P. Nous démontrons également la relation entre le potentiel de libération de P et la fiabilité des essais de routine sur le sol (P extractible labile, pH) pour prédire la libération à travers les sites.
L'exécution de la méthode nécessite l'accès à un laboratoire d'analyse avec un contrôle climatique adéquat, ventilation, eau, et un système approprié d'élimination des déchets acides. La méthode suppose l'accès à des réactifs chimiques de routine et à de l'équipement de laboratoire (puits, hottes, verrerie, etc.). Au-delà des besoins courants en laboratoire, un système de filtration membranaire (0,45 m) est nécessaire et un spectrophotomètre UV pour mesurer le P. Un compteur de pH ou une sonde multiparamétrique de qualité de l'eau sont également recommandés, mais pas nécessaires. La température de laboratoire est un facteur important et doit être maintenue constante à moins que la température elle-même ne soit étudiée comme facteur expérimental (20 oC est recommandé). L'accès sans entrave à un laboratoire d'analyse adéquat avec un équipement adéquat est une condition préalable pour effectuer la méthode correctement et générer des résultats significatifs.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1.25 cm plastic hose barbs</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chemical reagents for phosphorus determination</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td>P analysis capability is assumed; refer to cited references for details on method</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chordless or electric drill with 1.25 cm bit</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graduated plastic beakers (1L)</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laboratory with fume hoods, temperature control, and acid waste disposal system</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nylon mesh filter screen (100um)</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV Spectrophotometer</td>
			<td>numerous</td>
			<td>NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring phosphorus release in laboratory microcosms for water quality assessment

Le phosphore (P) est un nutriment limitant essentiel dans les agroécosystèmes qui nécessite une gestion soigneuse pour réduire les risques de transport vers les milieux aquatiques. Les mesures de laboratoire courantes de la biodisponibilité de P sont basées sur des extractions chimiques effectuées sur des échantillons séchés dans des conditions oxydantes. Bien qu'utiles, ces tests sont limités en ce qui concerne la caractérisation de la libération de P sous saturation prolongée de l'eau. L'orthophosphate labile lié au fer oxydé et à d'autres métaux peut rapidement desorb à la solution dans des environnements réducteurs, augmentant le risque de mobilisation de P au ruissellement de surface et aux eaux souterraines. Pour mieux quantifier le potentiel de desorption de P et la mobilité pendant la saturation prolongée, une méthode de microcosme de laboratoire a été développée basée sur l'échantillonnage répété des pores et des eaux de crue sus-jacentes au fil du temps. La méthode est utile pour quantifier le potentiel de rejet de P des sols et des sédiments variant dans les propriétés physicochimiques et peut améliorer les efforts d'atténuation de P spécifiques au site en caractérisant mieux le risque de rejet de P dans les zones hydrologiquement actives. Les avantages de la méthode comprennent sa capacité à simuler la dynamique in situ, la simplicité, le faible coût et la flexibilité.

Les résultats d'une étude récente axée sur le potentiel de rejet De P des zones riveraines sont mis en évidence pour démontrer la capacité de la méthode à caractériser la dynamique de sortie P au niveau du site6. Alors que certains sols ont montré des changements minimes dans le PSR au fil du temps, d'autres ont connu une forte augmentation des concentrations de PW et de SRP (figure1). Deux sites aux tendances contrastées sont présentés à <strong class=...

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Measuring Phosphorus Release in Laboratory Microcosms for Water Quality Assessment

La quantification précise du potentiel de desorption du phosphore (P) dans les sols saturés et les sédiments est importante pour la modélisation du P et les efforts d'atténuation des transports. Pour mieux tenir compte de la dynamique in situ des redox sol-eau et de la mobilisation du P sous saturation prolongée, une approche simple a été développée sur la base d'échantillonnages répétés de microcosmes de laboratoire.

Mesure de la libération de phosphore dans les microcosmes de laboratoire pour l'évaluation de la qualité de l'eau

Phosphorus (P) is a critical limiting nutrient in agroecosystems requiring careful management to reduce transport risk to aquatic environments. Routine ...

Notre méthode aide à répondre à la question de savoir dans quelle mesure un sol ou un sédiment donné est susceptible de libérer du phosphore soluble sous saturation prolongée. La quantification du potentiel de rejet de phosphore dans des environnements saturés variables est importante pour déterminer le risque de transport pour les cours d’eau et concevoir des pratiques d’atténuation. Le principal avantage de la méthode est sa capacité à simuler d’importants processus biogéochimiques affectant la libération soluble de phosphore dans la mobilité dans des conditions de champ.Un scientifique qui essaie cette méthode pour la première fois ne devrait pas lutter, car sa simplicité est l’un de ses principaux avantages. Pour commencer, recueillir environ quatre litres de sol à partir des sites désirés. Limiter les zones de collecte à environ 10 mètres carrés afin de réduire la variabilité spaciale représentée par l’échantillon.Tamiser les échantillons à travers un écran grossier de 20 millimètres, suivi d’un écran de deux millimètres. Bien mélanger les échantillons à la main après le tamisage. Peser 100 grammes du sol humide sur le terrain, sécher dans un four à 105 degrés Celsius pendant 24 heures.Pesez le sol sec et calculez la teneur en eau gravimétrique en pourcentage. Ensuite, mesurez un sous-échantillon de 500 millilitres à l’aide d’un bécher vide et réservez pour l’analyse chimique. Utilisez le sol tamisé restant pour des études de microcosme ou rangez-le dans des sacs en polypropylène à cinq degrés Celsius pour une utilisation ultérieure.Utilisez un litre de polypropylène gradué ou d’autres beakers en plastique non réactives comme unités individuelles de microcosme expérimental. Laver les bechers à 10% d’acide chlorhydrique et rincer à l’eau distillée. Mesurez deux centimètres vers le haut par le bas et placez une marque à côté des graduations de bécher.Forez un trou de 1,25 centimètre de diamètre à la marque pour les ports de drainage. Placez une petite perle de silicone autour du bord intérieur de la barbe de tuyau. Insérez soigneusement le port de drainage dans le trou.Laisser sécher à l’air pendant 24 heures avant de procéder. Tracez la circonférence extérieure des barbes du tuyau sur l’écran du filtre en maille de nylon. Découper avec des ciseaux, appliquer une fine perle de silicone autour du bord extérieur de l’écran du filtre, et presser doucement sur l’entrée du tuyau.Prévoyez au moins 24 heures de temps de séchage avant d’utiliser. Ensuite, placez un court morceau de tuyau de latex sur les barbes du tuyau et pince avec des pinces de reliure en papier de 3,3 centimètres de large. Remplissez les beakers d’environ 500 millilitres d’eau distillée, afin de vérifier les fuites possibles.Chargez 500 millilitres d’échantillon dans des microcosmes en double et appliquez doucement de l’eau distillée le long des parois du bécher jusqu’à ce que l’eau de crue atteigne la marque d’un litre. Retirer le film de paraffine pour induire le débit d’eau poreuse à travers le port de drainage au point de temps d’échantillonnage initial désiré. Prélevez des échantillons en plaçant des beakers propres de 20 millilitres directement sous les ports de drainage de l’eau de pore.Laissez plusieurs millilitres d’eau de pore s’écouler, jeter et utiliser les 10 millilitres suivants comme volume représentatif de l’échantillon. Filtrer les échantillons d’eau pore à travers des filtres membranaires de 0,45 micron et analyser immédiatement le phosphore réactif soluble sur un spectrophotomètre. Enregistrez les valeurs d’absorption et le temps des mesures.Prenez l’échantillon initial d’eau de crue en insérant une pipette de seringue d’ampoule de 10 millilitres à mi-chemin dans la colonne d’eau, et retirez un échantillon à l’aide d’un mouvement circulaire. Distribuez-les dans les bechers, filtrez à travers des filtres membranaires de 0,45 micron et analysez immédiatement le phosphore réactif soluble. Remplissez les beakers au niveau d’un litre avec de l’eau distillée pour maintenir systématiquement un volume total de sol inondé et de colonne d’eau à un litre dans tous les microcosmes.Répétez l’analyse du phosphore réactif soluble aux points de temps désirés. Dans ce protocole, un site riverain avec le pH de sol bas a eu la sorption réactive presque continue de phosphore soluble de l’eau poreuse. Le sol échantillonné dans un champ de production de maïs adjacent au phosphore inorganique labile élevé a démontré près de sept fois plus de phosphore réactif soluble dans l’eau poreuse au cours du premier mois d’inondation.La concentration de ferreux porewater, comme indicateur de l’état de redox, a augmenté considérablement après environ trois semaines, indiquant des conditions de réduction. En revanche, le phosphore réactif soluble dans les eaux de crue a eu tendance à diminuer avec le temps. L’inondation du sol sec a considérablement augmenté la désorption inorganique de phosphore à l’eau poreuse et la mobilisation subséquente à l’eau de revêtement comparée à inonder le même sol dans un état humide de champ.La fiabilité des tests de phosphore du sol pour prédire les concentrations moyennes de phosphore réactif soluble a été évaluée. L’eau distillée et le phosphore extractible Morgan modifié comptent parmi les meilleurs prédicteurs des concentrations moyennes d’eau poreuse et de phosphore réactif soluble dans l’eau de crue. Le phosphore extractible Morgan modifié mesuré par spectroscopie optique plasmatique inductivement couplée n’était pas aussi bon qu’un prédicteur par rapport au phosphore extractible Morgan modifié ou à l’eau distillée mesurée par colorimétrie molybdate.Le rapport entre le phosphore réactif soluble dans l’eau de pore et le phosphore réactif soluble dans l’eau d’inondation a augmenté linéairement en fonction du pH du sol. D’autres expériences caractérisant la dynamique du phosphore sont également possibles, par exemple, la capacité d’élimination du phosphore des sols humides est un processus important et peut être simulée en piquant les eaux de crue avec du phosphore et en mesurant son taux de disparition au fil du temps. La procédure analytique utilisée pour mesurer le phosphore implique l’utilisation d’acide chlorhydrique.Un équipement de sécurité et des installations de laboratoire appropriés sont donc nécessaires.

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