結合水文学、地球化学、および微生物学的調査のための土壌ライシメータ発掘
Summary
本研究では、地下水文学、地球化学、および土壌ライシメータの微生物学的異質性を調査するための掘削方法を提示します。ライシメータは、均一の条件で最初にあったと18ヶ月の期間中に灌漑の8サイクルにわたって水の約5000ミリメートルを施した人工hillslopeをシミュレートします。
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
土壌や風景ダイナミクスは、物理、化学物質の複雑な相互作用、及び生物学的プロセス1により成形されます。水の流れ、地球化学的風化、および生物学的活性は、安定した生態系2,3に風景全体の発展を形作ります。表面変化が景観4の最も顕著な特徴であるが、地下領域における水文学、地球化学、および微生物学的プロセスの累積的影響を理解することは景観2を形作る基礎となる力を理解するために重要です。将来の気候摂動シナリオは、さらに景観進化5の予測可能性やパターンを混乱させる。したがって、景観スケール6上での大規模な症状に小規模なプロセスをリンクすることが課題となります。伝統的な短期室内実験や目をキャプチャするには、短い秋を強制的に未知の初期条件と時間変化と自然景観での実験風景の進化の電子固有異質。また、強い非線形結合のために、それは異機種システム7に水文モデリングから生物地球化学的変化を予測することは困難です。ここでは、既知の初期条件と完全に制御および監視土壌hillslopeを掘削するための新規な実験方法を説明します。私たちの発掘及びサンプリング手順は、ハイドロバイオ地球化学的相互作用と土壌形成過程への影響を調査するために総合的なデータセットを提供することを目標に、その長さと深さに沿ってhillslopeの開発異質を取り込むことを目的としています。
自然界に見られる水文システムは、空間的・時間的スケール3の広い範囲にわたって行わ水文応答の変化と、時間的に静的であることから遠く離れています。景観に沿った流れ経路の空間構造は、ドライブ地球化学反応や生物学的植民地化の速度、程度及び配分を決定します風化、輸送、溶質および沈殿物の沈殿、および土壌構造のさらなる発展。したがって、水文プロセスを評価し、水文予測を改善するために、理論と実験デザインに土壌学、地球物理学、および生態から知識を組み込むことは8,9示唆されています。ランドスケープの進化は、水力学、土壌の発達中の元素の移行に関連して、および空気と鉱物表面の反応、水、および微生物10によってもたらさ鉱物学変換によって地下生物地球化学的プロセスによって影響を受けます。したがって、進化する風景の中に地球化学的ホットスポットの開発を検討することが重要です。さらに、複雑な景観開発のダイナミクスを理解するために初期の土壌形成時の水文過程および微生物学の署名に地球化学的風化パターンを関連付けることが重要です。土壌起源の特定のプロセスが管理されています特定の親材料に対する気候、生物学的な入力、救済と時間を合わせた影響で。この実験は、どこの条件下で（スロープおよび深さを含む）の救済に関連した水文学と地球化学的変化によって支配母材の風化や環境勾配によって駆動され、微生物の活動の関連する変動（ すなわち 、酸化還元電位）で不均一に対処するために設計されました母材、気候や時間が一定に保たれます。微生物活性に関しては、土壌微生物は重要なコンポーネントであり、景観の安定性11に大きな影響を持っています。これらは、土壌構造、栄養素の生物地球化学的循環、および植物の成長に重要な役割を果たしています。したがって、同時に水文流路と地球化学の我々の逆数影響を特定しながら、風化のドライバー、土壌生成、および景観形成プロセスとしてこれらの生物の重要性を理解することが必要です微生物群集の構造と多様性にathering。これは、水文学と地球化学的特性も並行して検討されている進化する風景の上に微生物群集の多様性の空間的不均一性を研究することによって達成することができます。
ここでは、バイオスフィア2（アリゾナ大学）に収容された風景の進化天文台（LEO）の大規模なゼロ次流域モデルを模倣するように設計された土壌のライシメータ、運用という名前miniLEO、の掘削手順を提示します。 miniLEOは累積異種のハイドロバイオ地球化学的プロセスから生じる小規模な景観の進化のパターンを識別するために開発されました。これはライシメータ長さ2メートル、幅0.5メートル、高さ1メートル、および10°の傾き（ 図1）です。さらに、ライシメータの壁は絶縁および非生分解性の二液型エポキシプライマーおよび潜在的汚染または浸出を回避するために集合充填脂肪族ウレタンコートでコーティングされています土壌へのライシメータフレームからの金属の。ライシメータは、アリゾナ州北部にメリアムクレーターに関連した後期更新世テフラの堆積物から抽出された破砕玄武岩を充填しました。ロードされた玄武岩材料は、はるかに大きいLEO実験に使用される材料と同一でした。鉱物組成、粒子サイズ分布、油圧特性がPangle ら 12に記載されています。下り坂浸透面はあきプラスチックスクリーン（0.002-メートルの直径の孔、14％の気孔率）が並んでました。システムは、地下水面の高さを決定するために、含水量および温度センサー、水ポテンシャルセンサの2つのタイプ、土壌水サンプラー、油圧重量バランス、電気伝導プローブ、および圧力変換器などのセンサが取り付けられています。ライシメータは、掘削に先立って18ヶ月間灌漑ました。
掘削は、そのアプローチに細心のあった二つの大きな疑問に答えることを目的としました。（1）水文学もの、地球化学的、微生物署名模擬降雨条件とに対して傾斜面の長さと深さにわたって観察することができる（2）hillslopeで発生ハイドロ生物地球化学的プロセスとの関係とフィードバックから推定することができるかどうか個々の署名。実験のセットアップおよび掘削手順と並んで、我々は結合された地球システムのダイナミクスおよび/または土壌の開発プロセスの研究に興味を持って研究者のための同様の発掘・プロトコルを適用する方法に関する代表的なデータや提案を提示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
景観の進化は、水文地球化学的、および生物学的プロセス12の累積的な効果です。これらのプロセスは、風景を進化における流れと水と要素の輸送、および生物地球化学的な反応を制御します。しかし、同時に相互作用を捕捉することは、正確に調整された実験計画とサンプリングが必要です。また、初期の風景の進化を研究することは「時間ゼロ」状態を識別するための制限された…
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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