Boden Lysimeter Ausgrabung Gekoppelte hydrologische, geochemische und mikrobiologische Untersuchungen
Summary
Diese Studie stellt eine Ausgrabung Methode zur Untersuchung von unterirdischen hydrologische, geochemische und mikrobiologische Heterogenität des Bodens Lysimeter. Die Lysimeter simuliert eine künstliche Hang, die zunächst unter homogenen Zustand war und auf etwa 5.000 mm Wasser über acht Zyklen der Bewässerung in einem Zeitraum von 18 Monaten unterzogen worden.
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
Boden- und Landschaftsdynamik werden durch das komplexe Zusammenspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen 1 geformt. Wasserdurchfluss, geochemische Verwitterung und die biologische Aktivität prägen die gesamte Entwicklung der Landschaft in ein stabiles Ökosystem 2,3. Während Oberfläche ändert sich die auffälligsten Merkmale der Landschaft 4, Verständnis kumulativen Auswirkungen von hydrologische, geochemische und mikrobiologische Prozesse in der unterirdischen Region ist entscheidend , um die zugrunde liegenden Kräfte zu verstehen , die eine Landschaft 2 zu formen. Zukünftige Klima Störungsszenarien durcheinander bringen weiter die Vorhersagbarkeit und das Muster der Landschaftsentwicklung 5. Es wird somit eine Herausforderung kleinräumige Prozesse zu ihrer großen Manifestation auf der Landschaft-Skala 6 zu verbinden. Traditionelle Kurzlauf Laborexperimente oder Experimente in Naturlandschaften mit unbekannten Anfangsbedingungen und zeitvariablen Fall zwingt kurz bei der Erfassung von the intrinsische Heterogenität der Landschaftsentwicklung. Auch aufgrund der starken nicht – lineare Kopplung ist es schwierig , biogeochemischen Veränderungen von hydrologische Modellierung in heterogenen Systemen zur Vorhersage 7. Hier beschreiben wir eine neue experimentelle Methode, um eine vollständig gesteuert und überwacht Boden Hang mit bekannten Anfangsbedingungen auszuheben. Unsere Ausgrabung und Probenahmeverfahren ist bei der Erfassung der Entwicklung Heterogenität der Hang entlang seiner Länge und Tiefe ausgerichtet, mit dem Ziel, eine umfassende Daten-Set der Bereitstellung von hydro biogeochemischen Wechselwirkungen und deren Auswirkungen auf die Bodenbildungsprozesse zu untersuchen.
Hydrologischen Systeme in der Natur zu finden sind keineswegs statisch in der Zeit zu sein, mit den Veränderungen in hydrologischen Antworten über einen weiten Bereich von räumlichen und zeitlichen Skalen 3 nehmen. Die räumliche Struktur von Strömungswegen entlang Landschaften bestimmt die Geschwindigkeit, das Ausmaß und die Verteilung von geochemischen Reaktionen und biologische Besiedlung, die fahrender Transport und die Ausfällung von gelösten Stoffen und Sedimenten und die Weiterentwicklung der Bodenstruktur Bewitterung. Somit beinhaltet Wissen aus pedology, Geophysik und Ökologie in Theorien und experimentellen Designs zu hydrologischen Prozesse zu bewerten und hydrologischen Vorhersagen zu verbessern wurde 8,9 vorgeschlagen. Landschaftsentwicklung wird auch durch unterirdische biogeochemische Prozesse in Verbindung mit Wasserdynamik, elementar Migration während der Bodenentwicklung und von minera Transformationen , die durch Reaktion von mineralischen Oberflächen mit Luft, Wasser und Mikroorganismen 10 beeinflusst. Folglich ist es wichtig, die Entwicklung von geochemischen Hotspots innerhalb einer sich entwickelnden Landschaft zu studieren. Darüber hinaus ist es wichtig, geochemische Verwitterungsmuster hydrologischen Verfahren und mikrobiologische Signaturen bei beginnender Bodenbildung zu beziehen, um die Dynamik von komplexen Landschaftsentwicklung zu verstehen. Die spezifischen Prozesse der Bodengenese regiert werdendurch den kombinierten Einfluss von Klima, biologische Eingänge, Erleichterung und Zeit auf einem bestimmten Ausgangsmaterial. Dieses Experiment wurde entworfen von hydrologischen und geochemischen Variationen erleichtert assoziiert geregelt Heterogenitäten in der Verwitterung von Ausgangsmaterial zur Adresse (einschließlich Steigung und Tiefe) und der damit verbundenen Schwankungen der mikrobiellen Aktivität , die durch Umwelt Gradienten (dh Redoxpotential) unter Bedingungen betrieben wird , in dem Ausgangsmaterial, das Klima und die Zeit konstant gehalten werden. Im Hinblick auf die mikrobielle Aktivität, sind Bodenmikroorganismen kritischen Komponenten und haben einen großen Einfluss auf die Landschaft Stabilität 11. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Bodenstruktur, biogeochemischen Kreislauf von Nährstoffen und Pflanzenwachstum. Daher ist es notwendig, die Bedeutung dieser Organismen als Treiber der Verwitterung, Bodengenese und Landschaftsbildungsprozesse zu verstehen, während gleichzeitig die Wechselwirkungen von hydrologischen Fließwege und geochemische wir identifizierenathering auf die mikrobielle Gemeinschaft Struktur und Vielfalt. Dies kann durch das Studium der räumlichen Heterogenität der mikrobiellen Gemeinschaft Vielfalt über eine sich entwickelnde Landschaft, deren hydrologischen und geochemischen Eigenschaften erreicht werden, auch parallel untersucht.
Hier präsentieren wir eine Ausgrabung Verfahren eines Bodens Lysimeter, operativ namens miniLEO, entworfen, um die groß angelegte nullter Ordnung Becken Modelle der Landschaftsentwicklung Observatory (LEO) in Biosphäre 2 (University of Arizona) untergebracht zu imitieren. Die miniLEO wurde entwickelt, kleine Landschaftsentwicklung Muster zu identifizieren, von kumulativen heterogenen Hydro biogeochemischen Prozesse entstehen. Es ist ein lysimeter 2-m in der Länge, 0,5 m Breite und 1 m in der Höhe und Neigung von 10 ° (Figur 1). Darüber hinaus werden die Wände der Lysimeter isoliert und mit biologisch nicht abbaubaren zweiteiligen Epoxy-Primer und einem Aggregat gefüllt aliphatischen Urethan-Mantel zu vermeiden mögliche Kontamination oder Auswaschung beschichtetvon Metallen aus der lysimeter Rahmen in den Boden. Die Lysimeter wurde mit zerstoßenem Basaltgestein gefüllt, die aus einer Anzahlung in Höhe von spätpleistozäne tephra im Zusammenhang mit Merriam-Krater im Norden von Arizona extrahiert wurde. Das beladene Basaltmaterial war identisch mit dem Material in den viel größeren LEO Experimente verwendet. Die mineralische Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und hydraulischen Eigenschaften werden durch Pangle et al. 12 beschrieben. Die Abschussversickerungsfläche wurde mit einem perforierten Kunststoff-Bildschirm (0.002 m Durchmesser Poren, 14% Porosität) ausgekleidet. Das System ist mit Sensoren wie Wassergehalt und Temperatursensoren, zwei Arten von Wasserpotentialsensoren, Boden-Wasser-Sampler, hydraulischen Gewichtsausgleich, elektrische Leitfähigkeit Sonden ausgestattet und Drucksensoren Wasser Tischhöhe zu bestimmen. Die Lysimeter wurde für 18 Monate bewässert vor der Ausgrabung.
Die Ausgrabung war peinlich genau in seinem Ansatz und wurde bei der Beantwortung zwei große Fragen gerichtet: (1) Was hydrologische, geochemische und mikrobielle Signaturen können über die Länge und Tiefe der Steigung in Bezug auf simulierten Regen Bedingungen und (2) ob Beziehungen und Feedbacks zwischen hydro-bio-geochemischen Prozessen auftretenden auf dem Hang beobachtet werden kann, von abgeleitet werden die einzelnen Signaturen. Neben dem Versuchsaufbau und Aushubverfahren stellen wir repräsentative Daten und Vorschläge, wie ähnlich Ausgrabung Protokolle für Forscher anwenden Interesse an einem Studium gekoppelt Erde-Systemdynamik und / oder Bodenentwicklungsprozesse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Landschaft Evolution ist die kumulative Wirkung der hydrologische, geochemische und biologische Prozesse 12. Diese Prozesse steuern Fluss und Transport von Wasser und Elemente, und biogeochemischen Reaktionen in Landschaften entwickelt. Allerdings erfordert die Wechselwirkungen erfassen gleichzeitig exakt aufeinander abgestimmte experimentelle Design und Probenahme. Darüber hinaus ist einsetzenden Landschaftsentwicklung studiert schwierig in natürlichen Systemen, mit begrenzten Fähigkeiten "Zeitpunkt …
Declarações
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 |
Referências
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