युग्मित जल विज्ञान, geochemical, और सूक्ष्मजीवविज्ञानी जांच के लिए मिट्टी खुदाई Lysimeter
Summary
इस अध्ययन उपसतह हाइड्रोलॉजिकल, geochemical, और एक मिट्टी lysimeter के सूक्ष्मजीवविज्ञानी विविधता की जांच के लिए एक खुदाई विधि प्रस्तुत करता है। lysimeter एक कृत्रिम ढलानी जो सजातीय शर्त के तहत शुरू में था और एक 18 महीने की अवधि में सिंचाई के आठ चक्र पर पानी की लगभग 5000 मिमी के अधीन किया गया था simulates।
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
मिट्टी और परिदृश्य गतिशीलता भौतिक, रसायन के जटिल बातचीत और जैविक प्रक्रियाओं 1 के आकार के हैं। जल प्रवाह, geochemical अपक्षय, और जैविक गतिविधि एक स्थिर पारिस्थितिकी तंत्र 2,3 में परिदृश्य के समग्र विकास को आकार। जबकि सतह परिवर्तन उपसतह क्षेत्र में परिदृश्य 4 के सबसे विशिष्ट सुविधाओं, जल विज्ञान, geochemical की समझ संचयी प्रभाव, और सूक्ष्मजीवविज्ञानी प्रक्रियाओं कर रहे हैं अंतर्निहित बलों है कि एक परिदृश्य 2 को आकार को समझने के लिए महत्वपूर्ण है। भविष्य जलवायु गड़बड़ी परिदृश्यों आगे predictability और परिदृश्य विकास 5 की तर्ज उलझाना। इस प्रकार यह परिदृश्य पैमाने पर 6 पर उनके बड़े पैमाने पर अभिव्यक्ति के लिए छोटे पैमाने पर प्रक्रियाओं से जोड़ने के लिए एक चुनौती बन जाता है। पारंपरिक कम रन प्रयोगशाला प्रयोगों या अज्ञात प्रारंभिक स्थितियों और समय-चर वें पर कब्जा करने में कमी के लिए मजबूर साथ प्राकृतिक परिदृश्य में प्रयोगोंई परिदृश्य विकास के आंतरिक विविधता। इसके अलावा, मजबूत nonlinear युग्मन के कारण, यह मुश्किल विषम प्रणालियों 7 में हाइड्रोलॉजिकल मॉडलिंग से biogeochemical परिवर्तन की भविष्यवाणी करने के लिए है। यहाँ, हम जानते प्रारंभिक शर्तों के साथ एक पूरी तरह से नियंत्रण और निगरानी की मिट्टी ढलानी की खुदाई के लिए एक उपन्यास प्रयोगात्मक विधि का वर्णन है। हमारे उत्खनन और नमूना प्रक्रिया पन जैव geochemical बातचीत और मिट्टी के गठन की प्रक्रिया पर उनके प्रभाव की जांच करने के लिए एक व्यापक डाटासेट प्रदान करने के लक्ष्य के साथ, इसकी लंबाई और गहराई के साथ ढलान के विकास की विविधता पर कब्जा करने के उद्देश्य से है।
प्रकृति में पाया जलीय प्रणालियों समय में स्थिर किया जा रहा है, स्थानिक और लौकिक तराजू 3 की एक विस्तृत श्रृंखला पर जगह ले जा हाइड्रोलॉजिकल प्रतिक्रियाओं में परिवर्तन के साथ से दूर हैं। परिदृश्य साथ प्रवाह रास्ते के स्थानिक संरचना दर, विस्तार और geochemical प्रतिक्रियाओं और जैविक बसाना है कि ड्राइव का वितरण निर्धारित करता हैअपक्षय, परिवहन और विलेय और अवसादों की वर्षा, और मृदा संरचना के आगे विकास। इस प्रकार, सिद्धांतों और प्रयोगात्मक डिजाइन जलीय प्रक्रियाओं का आकलन और जलीय भविष्यवाणियों में सुधार करने में भूतत्व, भूभौतिकी, और पारिस्थितिकी से ज्ञान को शामिल 8,9 सुझाव दिया गया है। लैंडस्केप विकास भी पानी की गतिशीलता, मिट्टी के विकास के दौरान मौलिक प्रवास, साथ संयोजन के रूप में और हवा, पानी के साथ खनिज सतहों, और सूक्ष्मजीवों 10 की प्रतिक्रिया के बारे में लाया खनिज परिवर्तनों से उपसतह biogeochemical प्रक्रियाओं पर असर पड़ा है। नतीजतन, यह एक उभरती परिदृश्य के भीतर geochemical के आकर्षण के केंद्र के विकास का अध्ययन करने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त, यह आदेश जटिल परिदृश्य विकास की गतिशीलता को समझने के लिए प्रारंभिक मिट्टी गठन के दौरान हाइड्रोलॉजिकल प्रक्रिया और सूक्ष्मजीवविज्ञानी हस्ताक्षर करने के लिए geochemical अपक्षय पैटर्न संबंधित करने के लिए महत्वपूर्ण है। मिट्टी उत्पत्ति की विशिष्ट प्रक्रियाओं नियंत्रित कर रहे हैंएक विशिष्ट माता पिता की सामग्री पर जलवायु, जैविक आदानों, राहत और समय के संयुक्त प्रभाव से। इस प्रयोग की स्थिति है, जहां के तहत माता पिता की सामग्री के अपक्षय राहत (ढलान और गहराई सहित) के साथ जुड़े हाइड्रोलॉजिकल और geochemical रूपों के द्वारा शासित में विषमताओं और माइक्रोबियल गतिविधि में जुड़े परिवर्तनशीलता है कि पर्यावरण ढ़ाल (यानी, redox संभावित) द्वारा संचालित है संबोधित करने के लिए डिजाइन किया गया था माता पिता की सामग्री, जलवायु और समय लगातार आयोजित की जाती हैं। माइक्रोबियल गतिविधि के संबंध में, मिट्टी सूक्ष्मजीवों महत्वपूर्ण घटक हैं और परिदृश्य स्थिरता 11 पर गहरा प्रभाव पड़ता है। वे मिट्टी की संरचना में, पोषक तत्वों की biogeochemical साइकिल चलाना, और पौधों की वृद्धि में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इसलिए, यह, अपक्षय के ड्राइवरों, मिट्टी उत्पत्ति, और परिदृश्य गठन प्रक्रियाओं के रूप में इन जीवों के महत्व को समझने के लिए, जबकि एक साथ हाइड्रोलॉजिकल प्रवाह के रास्तों और geochemical हम के पारस्परिक प्रभाव की पहचान करने के लिए आवश्यक हैमाइक्रोबियल समुदाय संरचना और विविधता पर athering। यह एक उभरती परिदृश्य जिसका हाइड्रोलॉजिकल और geochemical विशेषताओं को भी समानांतर में अध्ययन किया जा रहा है पर माइक्रोबियल समुदाय विविधता के स्थानिक विविधता का अध्ययन करके प्राप्त किया जा सकता है।
यहाँ, हम एक मिट्टी lysimeter, सक्रिय नामित miniLEO, लैंडस्केप विकास वेधशाला (Leo) बायोस्फीयर 2 (एरिज़ोना विश्वविद्यालय) में रखे की बड़े पैमाने पर शून्य आदेश बेसिन मॉडल की नकल तैयार की खुदाई प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं। miniLEO छोटे पैमाने पर परिदृश्य विकास संचयी विषम पन जैव geochemical प्रक्रियाओं से उत्पन्न होने वाले पैटर्न की पहचान करने के लिए विकसित किया गया था। यह लंबाई में एक lysimeter 2-मीटर, चौड़ाई 0.5 मीटर और ऊंचाई में 1-मी, और 10 डिग्री की ढलान (चित्रा 1) है। इसके अतिरिक्त, lysimeter की दीवारों अछूता और गैर biodegradable दो भाग epoxy प्राइमर और संभावित संक्रमण या लीचिंग से बचने के लिए एक समग्र भरा स्निग्ध urethane कोट के साथ लेपित हैंमिट्टी में lysimeter फ्रेम से धातुओं की। lysimeter कुचल बेसाल्ट चट्टान है कि उत्तरी एरिजोना में मरियम क्रेटर के साथ जुड़े देर Pleistocene tephra की जमा राशि से निकाला गया था के साथ भरा हुआ था। लोड बेसाल्ट सामग्री बहुत बड़ा लियो प्रयोगों में इस्तेमाल सामग्री के समान था। खनिज संरचना, कण आकार के वितरण, और हाइड्रोलिक गुण Pangle एट अल। 12 से वर्णित हैं। downslope टपका चेहरा एक छिद्रित प्लास्टिक स्क्रीन (0.002 मीटर व्यास pores, 14% porosity) के साथ लाइन में खड़ा किया गया था। सिस्टम इस तरह के पानी की मात्रा और तापमान सेंसर, जल क्षमता सेंसर के दो प्रकार, मिट्टी-पानी samplers, हाइड्रोलिक वजन संतुलन, विद्युत चालकता जांच, और दबाव transducers पानी की मेज ऊंचाई निर्धारित करने के लिए के रूप में सेंसर के साथ फिट है। lysimeter 18 महीने खुदाई से पहले सिंचित किया गया था।
खुदाई अपने दृष्टिकोण में सावधानीपूर्वक था और दो व्यापक सवालों का जवाब देने के उद्देश्य से किया गया था: (1) क्या हाइड्रोलॉजिकल, geochemical, और माइक्रोबियल हस्ताक्षर नकली वर्षा की स्थिति और सम्मान के साथ लंबाई और ढलान की गहराई भर में मनाया जा सकता है (2) क्या रिश्ते और फीडबैक पन जैव geochemical प्रक्रियाओं के बीच ढलान पर होने वाली से deduced किया जा सकता है अलग-अलग हस्ताक्षर। प्रयोगात्मक सेटअप और खुदाई प्रक्रिया के साथ, हम कैसे मिलकर पृथ्वी प्रणाली की गतिशीलता और / या मिट्टी विकास प्रक्रियाओं का अध्ययन करने में रुचि शोधकर्ताओं के लिए इसी तरह की खुदाई प्रोटोकॉल को लागू करने पर प्रतिनिधि डेटा और सुझावों को प्रस्तुत करते हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
लैंडस्केप विकास हाइड्रोलॉजिकल, geochemical, और जैविक प्रक्रियाओं 12 की संचयी प्रभाव है। इन प्रक्रियाओं प्रवाह और पानी और तत्वों के परिवहन, और परिदृश्य विकसित करने में biogeochemical प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित। ह?…
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 |
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