결합 문학, 지구 화학 및 미생물 조사를위한 토양 모형 매립 발굴
Summary
이 연구는 지하 수문, 지구 화학 및 토양 모형 매립의 미생물 학적 이질성을 조사하기위한 굴착 방법을 제시한다. 모형 매립은 균일 한 상태에서 처음이었고, 18 개월 기간에 관개의 팔 사이클을 통해 물을 약 5,000mm에 실시한 인공 hillslope을 시뮬레이션합니다.
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
토양과 풍경 역학은 물리, 화학 물질의 복잡한 상호 작용 및 생물학적 과정 (1)에 의해 형성된다. 물 흐름, 화학적 풍화 및 생물학적 활성은 안정된 생태계 2,3에 풍경의 전반적인 개발을 형성. 표면 변화가 풍경 (4)의 가장 눈에 띄는 기능, 수문, 지구 화학의 이해 누적 효과 및 미생물 학적 프로세스가 지하 영역에있는 동안 풍경이 모양 기본 힘을 이해하는 데 매우 중요합니다. 미래 기후 교란 시나리오는 더 풍경의 진화 (5)의 예측 및 패턴을 혼동. 이는 따라서 프리 스케일 (6) 상에 자신의 대규모 발현을 소규모 공정을 연결하는 도전된다. 전통적인 단기 실험실 실험 또는 일을 캡처 짧은 가을을 강제 알 수없는 초기 조건과 시간 변수와 자연 경관의 실험풍경 진화의 전자 고유의 이질성. 또한 의한 강한 비선형 결합, 이종 시스템 7 수문 모델링로부터 생화학 변화를 예측하는 것은 곤란하다. 여기, 우리는 알려진 초기 조건을 완벽하게 제어 및 모니터링 토양 hillslope을 발굴 할 수있는 새로운 실험 방법을 설명합니다. 우리의 발굴 및 샘플링 절차는 하이드로 생물 지구 화학적 상호 작용과 토양의 형성 과정에 미치는 영향을 조사하기 위해 포괄적 인 데이터 집합을 제공하는 것을 목표로, 길이와 깊이를 따라 hillslope의 개발 이질성을 캡처 대상으로합니다.
자연에서 발견 수문 시스템은 공간 및 시간 스케일 (3)의 넓은 범위에 걸쳐 일어나는 수문 응답의 변화, 시간의 정적 인 거리가 멀다. 풍경을 따라 흐름 경로의 공간 구조는 속도, 범위 및 드라이브 화학적 반응과 생물학적 식민지의 분포를 결정한다풍화, 전송 및 용질 및 퇴적물의 침전, 토양 구조의 발전. 따라서, 이론과 수문 예측을 문학적 과정을 평가하고 개선하기위한 실험 설계에 소아 학, 지구 물리학, 생태학에서 지식을 통합은 8,9를 제안하고있다. 가로 진화는 물 역학, 토양 개발 과정 원소 마이그레이션과 함께 미네랄 공기, 물 표면 미생물 (10)의 반응에 의해 초래 광물 변환에 의해 지하 생지 화학적 과정에 의해 영향을받습니다. 결과적으로, 진화하는 풍경 내에서 화학적 핫스팟의 개발을 연구하는 것이 중요하다. 또한, 복잡한 프리 개발의 역학을 이해하기 위해 초기 토양 형성시 수문 프로세스 및 미생물에 화학적 풍화 서명 패턴과 관련된 중요하다. 토양 기원의 특정 프로세스의 적용을받습니다특정 모재에 대한 기후, 생물 입력, 구호 및 시간의 결합 된 영향에 의해. 이 실험 조건 곳에서 (기울기 깊이 포함) 기복과 관련된 수문 및 화학적 변형에 의해 지배 모재의 풍화의 불균질성 및 환경 구배 (즉, 산화 환원 전위)에 의해 구동되는 미생물의 활동에 관련된 다양성을 해결하기 위해 설계되었다 부모 소재, 기후와 시간은 일정하게 유지된다. 미생물의 활동과 관련하여, 토양 미생물은 중요한 구성 요소이며 풍경의 안정성 (11)에 지대한 영향을 미친다. 이들은 토양 구조, 영양 생화학 순환하고 식물의 성장에 중요한 역할을한다. 따라서, 동시에 수문 흐름 경로와의 화학적 상호 우리의 효과를 확인하면서, 풍화 드라이버 토양 기원 및 프리 형성 공정 이들 유기체의 의미를 이해하는 것이 필요하다미생물 군집 구조 및 다양성에 athering. 이것은 누구의 수문 및 지구 화학적 특성 병렬로 연구되고있다 진화하는 풍경을 통해 미생물 군집의 다양성의 공간 이질성을 연구함으로써 달성 될 수있다.
여기서 우리는 바이오 스피어 2 (애리조나 대학)에 수납 된 풍경 진화 전망대 (LEO)의 대규모 제로 순서 유역 모델을 모방하기 위해 디자인 된 토양 모형 매립, 운영 체제라는 miniLEO의 발굴 절차를 제시한다. miniLEO 누적 이종 하이드로 생물 지구 화학 공정에서 발생하는 작은 규모의 풍경 진화 패턴을 파악하기 위해 개발되었다. 그것은 모형 매립 길이 2 m, 폭 0.5 m, 높이 1 m, 10 °의 경사 (그림 1)입니다. 또한 모형 매립의 벽은 절연 및 비 생분해 두 파트 에폭시 프라이머 및 잠재적 오염이나 용출을 방지하는 전체 충전 지방족 우레탄 코팅으로 코팅토양에 모형 매립 프레임에서 금속. 모형 매립 북부 애리조나 메리 엄 분화구와 관련된 후기 홍적세 테프라의 보증금에서 추출 짓 눌린 현무암 바위로 가득 차 있었다. 로드 된 현무암 재료는 더 큰 LEO 실험에서 사용되는 물질과 동일했다. 미네랄 성분, 입자 크기 분포, 및 유압 특성은 Pangle 등. (12)에 의해 설명되어 있습니다. 다운 슬로프 누출 얼굴이 뚫린 플라스틱 화면 (0.002-m 직경의 구멍, 14 % 다공성) 늘어서 있었다. 이 시스템은 물 테이블의 높이를 결정하기 위해 수분 함량 및 온도 센서가 물 전위 센서의 두 종류, 토양 수분 샘플러 유압 중량 밸런스, 도전성 프로브, 및 압력 센서와 같은 센서가 장착되어있다. 모형 매립은 발굴에 앞서 18 개월입니다 관개했다.
발굴은 접근 방식에 세심한이었고, 두 가지 질문에 대답을 목표로했다 : (1) 수문 무엇 화학적 및 미생물 서명 모의 강우 조건에 대하여 슬로프의 길이 및 깊이에 걸쳐 관찰 될 수있다 (2) hillslope 발생하는 하이드로 생물 화학적 프로세스 간의 관계 및 되먹임이 추론 될 수 있는지 개별 서명. 실험 설정 및 발굴 과정과 함께, 우리는 결합 된 지구 시스템 역학 및 / 또는 토양 개발 프로세스를 공부에 관심이 연구자 비슷한 발굴 프로토콜을 적용하는 방법에 대한 대표적인 데이터 및 제안을 제시한다.
Protocol
Representative Results
Discussion
가로 진화는 문학, 화학적 및 생물학적 과정 (12)의 누적 효과입니다. 이러한 프로세스는 풍경을 진화의 흐름과 물과 요소의 수송 및 생지 화학적 반응을 제어 할 수 있습니다. 그러나, 상호 작용을 캡처하는 동시에 정밀하게 조정 된 실험 설계 및 표본 추출이 필요합니다. 또한, 초기 풍경 진화를 연구하는 것은 "시간 제로"상태를 식별하기 위해 제한된 기능으로, 자연 시스템에 어?…
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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