Vart tar bekämpningsmedel och deras nedbrytningsprodukter vägen när de väl kommer in i jorden? Och hur lång tid tar det för dem att komma till grundvatten eller dräneringssystem? Det beror på ett antal faktorer, men forskare vid Aarhus universitet har kommit ett steg närmare att hitta snabba svar. För första gången någonsin, de har använt synlig/nära-infraröd spektroskopi för att förutsäga transporten av lösta kemikalier genom intakt jord.

Jordens förmåga att transportera upplösta kemikalier beror på markens struktur och struktur. Spårning av restiden för dessa lösta ämnen utförs vanligtvis i laboratoriet genom att mäta genombrottskurvor, där appliceringen av ett löst ämne vid jordytan och dess utseende över tid på botten registreras. Att få genombrottskurvor från laboratoriestudier är extremt dyrt såväl som tidskrävande och arbetskrävande, så teamet av forskare från Aarhus Universitet och Aalborg Universitet bestämde sig för att tänka ut ur lådan och använda synlig/nära-infraröd (vis–NIR) spektroskopi för att förutsäga genombrottskurvor – för första gången någonsin.

Att tillämpa teknik på ett nytt sätt

Vis – NIR -spektroskopi är välkänd för sin mäthastighet och låga datainsamlingskostnad. Den kan användas för kvantitativ uppskattning av grundjordegenskaper som lera och organiskt material.

Teamet av forskare använde vis-NIR-spektroskopi för att förutsäga genombrottskurvorna för de lösta ämnena på en stor mängd olika intakta jordpelare från sex representativa fält i Danmark. Genomsnittligt över det enskilda fältet, den nya tekniken uppskattade genombrottskurvorna med en hög grad av noggrannhet.

"Vi fann att vi kunde mäta masstransporten av lösta kemikalier ganska exakt med vis–NIR-spektroskopi. Våra resultat kan bana väg för nästa generations mätningar och övervakning av transport av lösta kemikalier genom spektroskopi, " säger professor Lis Wollesen de Jonge, en av forskarna i teamet och medförfattare till deras artikel i Vetenskapliga rapporter .

Att förstå kemisk urlakning genom marken är viktigt

Intensiveringen av jordbruksproduktionen för att möta den växande efterfrågan på jordbruksråvaror ökar användningen av kemikalier. Den omfattande användningen av jordbrukskemikalier orsakar förorening av vattenresurser. Detta, i tur och ordning, utgör allvarliga hot mot vattenlevande ekosystem, Mänsklig hälsa, och miljön. Förekomsten av jordbrukskemikalier och deras nedbrytningsprodukter över de tillåtna gränsvärdena i dricksvattenbrunnar har tvingat många brunnar att stängas och att strikta bestämmelser om användningen av jordbrukskemikalier har införts i EU.

Att förstå utlakning av lösta ämnen till grundvatten och att kunna mäta och modellera deras transporttider är därför viktigt för vår hälsa och miljö. Jorden spelar en viktig roll i detta avseende på grund av dess många funktioner. Jord är grundläggande för jordbruksproduktion, för dess förmåga att filtrera näringsämnen och föroreningar, och för lagring och återvinning av organiskt material.

Jord är också den viktigaste transportvägen för jordbrukskemikalier till grundvatten. Markens förmåga att filtrera lösta jordbrukskemikalier är beroende av markens egenskaper och samspelet mellan de lösta ämnen och markens egenskaper, och påverkas av hur jordar används och sköts.

Jordstrukturen är en mycket dynamisk egenskap eftersom den påverkas av grundläggande markegenskaper som textur, organiskt material, karbonater och metalloxider, klimat, och markanvändning och förvaltningspraxis. Beroende på markens struktur, nära mättnad, vatten och lösta kemikalier kan antingen transporteras jämnt genom jorden, eller snabbt genom specifika vägar i marken med olika grader av massutbyte mellan jordmatrisen och transportvägarna.

Framtida vägar för prospektering

Olika transportmodeller för lösta ämnen har utvecklats för att ta hänsyn till olika transportprocesser och underlätta förutsägelsen av transporten av lösta kemikalier genom jordar.

"Stora utmaningar när det gäller riskbedömning är att få en korrekt uppskattning av en rad parametrar som används som input i transportmodeller för lösta ämnen och att redogöra för de rumsliga skillnaderna i dessa transportegenskaper, " förklarar Lis Wollesen de Jonge.

Även om det finns en liten underskattning av variationerna inom fältet med vis–NIR-spektroskopi, effektiviteten av denna teknik i termer av kostnad och mäthastighet kan uppväga dyra och exakta mätningar med konventionella metoder för markegenskaper som vanligtvis har stor rumslig variation.

För att finslipa tekniken, metoder för att minska uppskattningsfelet till följd av skillnader i markstruktur som inte kan fångas upp med vis - NIR -spektroskopi bör undersökas. En annan utforskningsväg för att förbättra prediktionsnoggrannheten kan vara integration av vis-NIR-spektroskopi med annan lättillgänglig information, såsom markstrukturinformation baserad på markundersökningar eller snabba fälttester.