Terreno lisimetro scavo per accoppiate idrologici, geochimiche e microbiologiche Investigations

Summary

Questo studio presenta un metodo di scavo per indagare idrogeologico del sottosuolo, geochimica, ed eterogeneità microbiologica di un lisimetro terreno. Il lisimetro simula un versante artificiale che inizialmente era in condizioni omogenee ed era stato sottoposto a circa 5.000 mm di acqua in otto cicli di irrigazione in un periodo di 18 mesi.

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

Suoli e del paesaggio dinamiche sono modellati dalla complessa interazione di fisici, chimici e processi biologici ^1. Il flusso di acqua, agenti atmosferici geochimica, e l'attività biologica forma lo sviluppo complessivo del paesaggio in un ecosistema stabile ^2,3. Mentre i cambiamenti di superficie sono le caratteristiche più evidenti del paesaggio ^4, effetti cumulativi comprensione di idrologica, geochimica e processi microbiologici nella regione sottosuolo è fondamentale per comprendere le forze sottostanti che formano un paesaggio ^2. I futuri scenari di perturbazione del clima confondono ulteriormente la prevedibilità e il modello di evoluzione del paesaggio ^5. Si diventa così una sfida per collegare i processi su piccola scala per la loro manifestazione su larga scala sul paesaggio scala ^6. esperimenti di laboratorio di breve periodo tradizionali o esperimenti in paesaggi naturali, con condizioni iniziali sconosciute e variabile nel tempo costringendo inferiori a catturare °e l'eterogeneità intrinseca di evoluzione del paesaggio. Inoltre, a causa della forte accoppiamento non lineare, è difficile prevedere i cambiamenti biogeochimici dalla modellazione idrologica in sistemi eterogenei ^7. Qui, descriviamo un metodo sperimentale romanzo per scavare un versante terreno completamente controllato e monitorato con condizioni iniziali note. La nostra procedura di scavo e di campionamento ha lo scopo di catturare l'eterogeneità sviluppo del versante lungo la sua lunghezza e la profondità, con l'obiettivo di fornire un set di dati completo per studiare le interazioni idro-bio-geochimici e il loro impatto sui processi di formazione del suolo.

Sistemi idrologici si trovano in natura sono ben lungi dall'essere statica nel tempo, con i cambiamenti nelle risposte idrologici che si svolgono in un ampio intervallo di scale spaziali e temporali ^3. La struttura spaziale di percorsi di flusso lungo paesaggi determina la velocità, portata e distribuzione di reazioni geochimiche e la colonizzazione biologica che guidanoatmosferici, il trasporto e la precipitazione di soluti e sedimenti, e l'ulteriore sviluppo della struttura del suolo. Così, incorporando la conoscenza da pedologia, la geofisica, e l'ecologia in teorie e progetti sperimentali per valutare i processi idrologici e migliorare le previsioni idrologiche è stato suggerito ^8,9. Evoluzione del paesaggio è anche influenzato da processi biogeochimici del sottosuolo in concomitanza con le dinamiche d'acqua, la migrazione degli elementi durante lo sviluppo del suolo, e da trasformazioni mineralogiche apportati dalla reazione di superfici minerali con l'aria, l'acqua, e microrganismi ^10. Di conseguenza, è importante studiare sviluppo di hotspot geochimica all'interno di un paesaggio in evoluzione. Inoltre, è fondamentale mettere in relazione i modelli atmosferici geochimici al processo idrologico e le firme microbiologici durante la formazione del suolo incipiente al fine di comprendere le dinamiche di sviluppo del paesaggio complesso. I processi specifici della genesi dei suoli sono regolatidall'influenza combinata di clima, ingressi biologiche, di rilievo e il tempo su un materiale di appartenenza specifico. Questo esperimento è stato progettato per affrontare eterogeneità nella atmosferici di materiale madre sia soggetta variazioni idrologiche e geochimici associati a rilievo (tra cui pendenza e profondità) e la variabilità associata in attività microbica che è guidato da gradienti ambientali (ad esempio, potenziale redox) in condizioni in cui materiale parentale, il clima e il tempo sono mantenuti costanti. Per quanto riguarda l'attività microbica, microrganismi del suolo sono componenti critici e avere un profondo impatto sulla stabilità del paesaggio ^11. Essi svolgono un ruolo cruciale nella struttura del terreno, cicli biogeochimici delle sostanze nutritive e la crescita delle piante. Pertanto, è necessario capire il significato di questi organismi come driver di agenti atmosferici, genesi dei suoli, e processi di formazione del paesaggio, individuando allo stesso tempo gli effetti reciproci di idrologici portate percorsi e geochimica noiathering sulla struttura delle comunità microbiche e la diversità. Ciò può essere ottenuto studiando eterogeneità spaziale della diversità comunità microbica su un paesaggio evoluzione cui idrologica e caratteristiche geochimiche vengono anche studiato in parallelo.

Qui, vi presentiamo una procedura di scavo di un lisimetro terreno, operativamente nome miniLEO, progettato per imitare i grandi modelli dei bacini di ordine zero della Evolution Osservatorio del Paesaggio (LEO) ospitato presso Biosphere 2 (University of Arizona). Il miniLEO è stato sviluppato per identificare i piccoli modelli di evoluzione del paesaggio derivanti dai processi cumulativi eterogenei idro-bio-geochimici. Si tratta di un lisimetro 2 m di lunghezza, 0,5 m di larghezza e 1-m di altezza, e la pendenza di 10 ° (figura 1). Inoltre, le pareti del lisimetro sono isolati e rivestiti con non biodegradabili due parti primer epossidico e un aggregato riempito cappotto uretano alifatico per evitare la contaminazione potenziale o lisciviazionedi metalli dal telaio lisimetro nel terreno. Il lisimetro è stato riempito con pietrisco basaltico che è stato estratto da un deposito di tardo Pleistocene tephra associata a Merriam Crater in Arizona del Nord. Il materiale di basalto caricata era identico al materiale utilizzato negli esperimenti LEO molto più grandi. La composizione minerale, granulometria e proprietà idrauliche sono descritte da Pangle et al. ^12. La faccia infiltrazioni discendente è stato rivestito con uno schermo perforato plastica (pori del diametro di 0.002-m, il 14% porosità). Il sistema è dotato di sensori come contenuto d'acqua e sensori di temperatura, due tipi di acqua potenziali sensori, campionatori suolo-acqua, il bilanciamento del peso idraulico, sonde di conducibilità elettrica, e trasduttori di pressione per determinare l'altezza di falda. Il lisimetro è stato irrigato per 18 mesi prima di scavo.

Lo scavo è stata meticolosa nel suo approccio e mirava a rispondere a due domande principali: (1) quello idrologico, geochimica, e le firme microbica può essere osservato in tutta la lunghezza e la profondità della pendenza rispetto alle condizioni di pioggia simulati e (2) se le relazioni e feedback tra processi idro-bio-geochimici che si verificano sul versante possono essere dedotte da le singole firme. Accanto al setup sperimentale e procedura di scavo, presentiamo dati rappresentativi e suggerimenti su come applicare i protocolli di scavo simili per i ricercatori interessati a studiare le dinamiche terra-sistema accoppiato e / o processi di sviluppo del suolo.

Protocol

1. Elaborare una matrice di campionamento per garantire la sistematica e completa di campionamento di lisimetro Dividere lisimetro in voxel di lunghezza, larghezza e profondità fissa. Utilizzare uno spazio euclideo sistema di coordinate e dividere la distanza totale lungo ogni direzione (X, Y e Z) in un numero adeguato di intervalli equidistanti. Considerate scartando il terreno nei pressi delle mura della lisimetro per evitare effetti di bordo. NOTA: Un buffer di 5 cm lungo le quattro pareti…

Representative Results

Le dimensioni dei voxel garantita la raccolta di campioni per idrologico, geochimica, e le misure microbiologici. La procedura di scavo ha prodotto 324 core per l'analisi microbiologica, 972 pXRF punti di dati, 324 borse di campioni geochimici, 180 campioni KSAT (128 verticale e orizzontale 52), e 311 campioni di densità di massa. flusso preferenziale di colorante blu brillante è stata osservata anche ad una profondità di 30 cm dalla superficie. Un insieme rappresentativo di 81 ca…

Discussion

Evoluzione del paesaggio è l'effetto cumulativo di idrologica, geochimici e processi biologici ^12. Questi processi di controllo del flusso e trasporto di acqua e di elementi, e le reazioni biogeochimici in continua evoluzione dei paesaggi. Tuttavia, catturando le interazioni richiede contemporaneamente disegno sperimentale con precisione coordinata e campionamento. Inoltre, studiando l'evoluzione del paesaggio incipiente è difficile in sistemi naturali, con limitate capacità di individuare "te…

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