Soil Lysimeteronderzoek Opgraving voor Gekoppeld Hydrologisch, geochemische en microbiologische Onderzoeken
Summary
Deze studie geeft een opgraving methode voor het onderzoeken van ondergrondse hydrologische, geochemische en microbiologische heterogeniteit van een bodem lysimeter. De lysimeter simuleert een kunstmatig hillslope dat aanvankelijk onder homogene toestand en waren onderworpen aan ongeveer 5000 mm water over acht cycli van irrigatie in een periode van 18 maanden.
Abstract
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.
Introduction
Bodem en landschapsdynamiek worden gevormd door de complexe interactie van fysische, chemische en biologische processen 1. Waterstroom, geochemische verwering, en de biologische activiteit vorm te geven de algemene ontwikkeling van het landschap in een stabiele ecosysteem 2,3. Terwijl oppervlak veranderingen zijn de meest opvallende kenmerken van het landschap 4, begrip cumulatieve effecten van hydrologische, geochemische en microbiologische processen in de ondergrond regio is van cruciaal belang voor het begrijpen van de onderliggende krachten die een landschap 2 vorm te geven. Toekomstig klimaat verstoring scenario's verder te verwarren de voorspelbaarheid en het patroon van het landschap evolutie 5. Het wordt dus een uitdaging om kleinschalige processen te koppelen aan hun grootschalige manifestatie op het landschap-schaal 6. Traditionele korte termijn laboratoriumexperimenten en experimenten in natuurlijke landschappen met onbekende initiële condities en de tijd-variabele dwingen te kort schieten in het vastleggen van the intrinsieke heterogeniteit van het landschap evolutie. Ook door sterke niet-lineaire koppeling, is het moeilijk om biochemische veranderingen van hydrologische modellering in heterogene systemen 7 voorspellen. Hier beschrijven we een nieuwe experimentele methode om een volledig gecontroleerd en bewaakt bodem hillslope met bekende beginvoorwaarden graven. Onze uitgraven en sampling procedure is gericht op het vastleggen van de ontwikkeling van heterogeniteit van de hillslope langs zijn lengte en diepte, met als doel het leveren van een uitgebreide dataset aan hydro-bio-geochemische interacties en hun impact op bodemvorming processen te onderzoeken.
Hydrologische systemen in de natuur gevonden zijn verre van statisch in de tijd, met veranderingen in de hydrologische reacties die plaatsvinden over een breed scala van ruimtelijke en temporele schalen 3. De ruimtelijke structuur van stroom paden langs landschappen bepaalt de snelheid, omvang en verdeling van de geochemische reacties en biologische kolonisatie die rijdenverwering, het transport en de neerslag van de opgeloste stoffen en sedimenten, en de verdere ontwikkeling van de bodemstructuur. Zo, waarin de kennis van bodemkunde, geofysica, en ecologie in theorieën en experimentele ontwerpen om hydrologische processen hydrologische voorspellingen te evalueren en te verbeteren is gesuggereerd 8,9. Landschap evolutie wordt ook beïnvloed door ondergrondse biogeochemische processen in combinatie met water dynamiek, elementaire migratie tijdens de bodem ontwikkeling, en door mineralogische transformaties door de reactie van minerale ondergronden met lucht, water, en micro-organismen 10 gebracht. Bijgevolg is het belangrijk voor de ontwikkeling van geochemische hotspots bestuderen in een veranderende landschap. Daarnaast is het essentieel om geochemische verwering patronen om hydrologische proces- en microbiologische handtekeningen betrekking hebben tijdens beginnende bodemvorming om de dynamiek van complexe landschap ontwikkeling te begrijpen. De specifieke processen van bodemgenese worden beheerstdoor de gecombineerde invloed van het klimaat, biologische inputs, opluchting en tijd op een specifieke ouder materiaal. Dit experiment werd ontworpen om heterogeniteiten in de verwering van ouder materiaal beheerst door hydrologische en geochemische variaties geassocieerd met reliëf (met inbegrip van de helling en diepte) en de bijbehorende variabiliteit in microbiële activiteit die wordt gedreven door milieu gradiënten (ie, redoxpotentiaal) onder omstandigheden waarbij pakken ouder materiaal, het klimaat en de tijd constant gehouden. Met betrekking tot de microbiële activiteit, de bodem micro-organismen zijn kritische componenten en hebben een grote invloed op het landschap stabiliteit 11. Zij spelen een cruciale rol in de bodemstructuur, biogeochemische cycli van nutriënten en plantengroei. Daarom moet de betekenis van deze organismen drivers verwering, bodemgenese en landschap vormingsprocessen begrijpen, terwijl tegelijkertijd het identificeren van de wederzijdse effecten van hydrologische stroming paden en geochemische weathering op de microbiële gemeenschap structuur en diversiteit. Dit kan worden bereikt door het bestuderen ruimtelijke heterogeniteit van microbiële diversiteit via een zich ontwikkelende landschap waarvan hydrologische en geochemische kenmerken worden ook bestudeerd in parallel.
Hier presenteren we een opgraving procedure van een bodem lysimeter, operationeel genaamd miniLEO, ontworpen om de grootschalige zero-order bekkenmodellen van het Landschap Evolution Observatory (LEO) ondergebracht bij Biosphere 2 (Universiteit van Arizona) na te bootsen. De miniLEO werd ontwikkeld om kleinschalige landschap evolutie patronen die voortvloeien uit de cumulatieve heterogene hydro-bio-geochemische processen te identificeren. Het is een lysimeter 2-m lang, 0,5 m breed en 1-m in hoogte en helling van 10 ° (Figuur 1). Bovendien zijn de wanden van de lysimeter zijn geïsoleerd en bekleed met niet-biodegradeerbare twee-componenten epoxy primer en een aggregaat gevuld alifatisch urethaan laag mogelijke verontreiniging spoelwater te voorkomenvan metalen uit de lysimeter- raam in de grond. De lysimeter was gevuld met gebroken basalt rots die werd gewonnen uit een borgsom van late Pleistoceen tephra geassocieerd met Merriam Crater in het noorden van Arizona. De geladen basalt materiaal was identiek aan het materiaal dat in de veel grotere LEO experimenten. De minerale samenstelling, deeltjesgrootteverdeling en hydraulische eigenschappen worden beschreven door Pangle et al. 12. De downslope kwel gezicht was bekleed met een geperforeerde plastic scherm (0.002-m diameter poriën, 14% porositeit). Het systeem is uitgerust met sensoren zoals watergehalte en temperatuursensoren, twee soorten waterpotentieel sensoren, bodemwaterpotentiaal samplers, hydraulische gewichtsbalans, elektrische geleidbaarheid probes en drukopnemers water tafelhoogte bepalen. De lysimeter werd geïrrigeerd 18 maanden voorafgaand aan de uitgraving.
De opgraving was nauwgezet in haar aanpak en was gericht op het beantwoorden van twee grote vragen: (1) wat hydrologische, geochemische en microbiële handtekeningen kunnen worden waargenomen over de lengte en diepte van de helling met betrekking tot de gesimuleerde regenval voorwaarden en (2) de vraag of relaties en terugkoppeling tussen hydro-biogeochemische processen die optreden op het hillslope kan worden afgeleid uit de individuele handtekeningen. Naast de experimentele opstelling en graafwerkzaamheden procedure, presenteren wij representatieve gegevens en suggesties over hoe om soortgelijke opgraving protocollen gelden voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van de dynamiek in combinatie aarde-systeem en / of de ontwikkeling van bodemprocessen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Landschap evolutie is het cumulatieve effect van hydrologische, geochemische en biologische processen 12. Deze processen te controleren stroom en het transport van water en elementen, en biogeochemische reacties in veranderende landschappen. Echter, het vastleggen van de interacties vereist tegelijkertijd precies gecoördineerd experimenteel ontwerp en sampling. Bovendien, het bestuderen van beginnende landschap evolutie is moeilijk in natuurlijke systemen, met beperkte mogelijkheden om "tijdstip nul&quo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Ty P.A. Ferré, Till Volkman, Edwin Donker, Mauricio Vera for helping us during the excavation, and Triffon J. Tatarin, Manpreet Sahnan and Edward Hunt for their help in sample analysis. This work was carried out at Biosphere 2, University of Arizona and funded by National Science Foundation grant EAR_1344552 and Honors Research Program of Biosphere 2.
Materials
| Measuring tape | Any | Any | Preventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary. |
| Brilliant Blue dye | Waldeck GmBH &Co | B0770 | Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments. |
| Soil Corer | AMS | 56975 | Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used. |
| 75% Ethanol | Any | Any | A Nikon D90 camera and 50mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose. |
| Spray Bottle | Any | Any | Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions. |
| Spatula | Any | Any | Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious. |
| Gloves | Any | Any | Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible. |
| KimWipes | KimTech Science | Any | Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol. |
| Sterile Sample bags | Fisher Scientific | Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ | Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil. |
| Color Card | Any | Any | The original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design. |
| X-ray Fluoresce Spectrophotmeter | XRF, OLYMPUS | DS-2000 Delta XRF | |
| Polypropylene cores | Any | Any | |
| Metal cores | Any | Any | |
| Caps for polypropylene cores | Any | Any | |
| Hammer | Any | Any | |
| Plastic putty knives | Any | Any | |
| Face masks | Any | Any |
References
- Brady, N. C., Weil, R. R. . The nature and properties of soils. , (2008).
- Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
- Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change?. Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
- Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
- Temme, A., Montgomery, D. R., Bierman, P. R. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. , (2013).
- Troch, P. A., et al. Dealing with Landscape Heterogeneity in Watershed Hydrology: A Review of Recent Progress toward New Hydrological Theory. Geogr. Compass. 3, 375-392 (2009).
- Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. , (2015).
- Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
- Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
- Churchman, G. j., Lowe, D. . Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, (2012).
- van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., van Straalen, N. M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecol. Lett. 11 (3), 296-310 (2008).
- Pangle, L. a., et al. The Landscape Evolution Observatory: A large-scale controllable infrastructure to study coupled Earth-surface processes. Geomorphology. 244, 190-203 (2015).
- . . User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. , (2013).
- Valentìn-Vargas, A., Root, R. A., Neilson, J. W., Chorover, J., Maier, R. M. Environmental factors influencing the structural dynamics of soil microbial communities during assisted phytostabilization of acid-generating mine tailings: A mesocosm experiment. Sci Total Environ. 500-501, 314-324 (2014).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. , (2016).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , (2016).
- Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
- Caporaso, J. G., et al. Correspondence – QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
- Hall, G. E. M., Vaive, J. E., Beer, R., Hoashi, M. Selective leaches revisited, with emphasis on the amorphous Fe oxyhydroxide phase extraction. J. Geochemical Explor. 56, 59-78 (1996).
- Grossman, R. B., Reinsch, T. G., Dane, J. H., Topp, G. C. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. , 201-228 (2002).
- Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J., Dane, J. H., Topp, G. C. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. , 802-816 (2002).
- King, G. M. Contributions of atmospheric CO and hydrogen uptake to microbial dynamics on recent Hawaiian volcanic deposits. Appl. Environ. Microbiol. 69 (7), 4067-4075 (2003).
- Meyer, W. S., Barrs, H. D. Roots in irrigated clay soils: Measurement techniques and responses to rootzone conditions. Irrig. Sci. 12 (3), 125-134 (1991).
- Graham, C. B., Woods, R. A., McDonnell, J. J. Hillslope threshold response to rainfall: (1) A field based forensic approach. J. Hydrol. 393 (1-2), 65-76 (2010).
- Anderson, A. E., Weiler, M., Alila, Y., Hudson, R. O. Dye staining and excavation of a lateral preferential flow network. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).
- Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale?. Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
- Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation. Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).
- Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98 (3), 439-448 (2011).
- Niu, G. Y., Pasetto, D., Scudeler, C., Paniconi, C., Putti, M., Troch, P. A. Analysis of an extreme rainfall-runoff event at the Landscape Evolution Observatory by means of a three-dimensional physically-based hydrologic model. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 10, 12615-12641 (2013).
- Marteinsson, V., et al. Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota. Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).
- Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities. Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).
- Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).
