Lisímetro suelo de excavación para acoplados hidrológicos, geoquímicos, e investigaciones microbiológicas

Summary

Este estudio presenta un método de excavación para la investigación hidrológica subterránea, geoquímica, y la heterogeneidad microbiológica de un lisímetro suelo. El lisímetro simula una ladera artificial que era inicialmente bajo condición homogénea y se había sometido a aproximadamente 5000 mm de agua durante ocho ciclos de riego en un período de 18 meses.

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

La dinámica del suelo y del paisaje están determinadas por la interacción compleja de factores físicos, químicos y biológicos ^1. El flujo de agua, la erosión geoquímica, y la actividad biológica dan forma al desarrollo general del paisaje en un ecosistema estable ^2,3. Si bien los cambios de superficie son las características más notables de paisaje ^4, los efectos acumulados de la comprensión hidrológica, geoquímica, y los procesos microbiológicos en la región subsuperficial es crucial para comprender las fuerzas subyacentes que dan forma a un paisaje ^2. Futuros escenarios de perturbación climática confunden aún más la previsibilidad y el patrón de la evolución del paisaje ^5. Por lo tanto, se convierte en un desafío de vincular los procesos a pequeña escala para su manifestación a gran escala en la escala de paisaje ^6. Tradicionales experimentos o experimentos en los paisajes naturales con condiciones iniciales desconocidos y variable en el tiempo obligando están a la altura en la captura de TH laboratorio de corto plazoe heterogeneidad intrínseca de la evolución del paisaje. También, debido a la fuerte acoplamiento no lineal, es difícil predecir los cambios biogeoquímicos de modelización hidrológica en los sistemas heterogéneos ^7. A continuación, describimos un método experimental novedoso para excavar una ladera totalmente controlado y vigilado suelos con condiciones iniciales conocidas. Nuestro procedimiento de excavación y de muestreo está dirigido a la captura de la heterogeneidad en desarrollo de la ladera a lo largo de su longitud y profundidad, con el objetivo de proporcionar un amplio conjunto de datos para investigar las interacciones hidro-bio-geoquímicos y su impacto en los procesos de formación del suelo.

Sistemas hidrológicos que se encuentran en la naturaleza están lejos de ser estática en el tiempo, con cambios en las respuestas hidrológicas que tienen lugar dentro de un amplio rango de escalas espaciales y temporales ^3. La estructura espacial de las vías de flujo a lo largo de paisajes determina la velocidad, extensión y distribución de reacciones geoquímicas y colonización biológica que impulsanla intemperie, el transporte y la precipitación de solutos y sedimentos, y el desarrollo posterior de la estructura del suelo. Por lo tanto, la incorporación de conocimiento a partir de la edafología, la geofísica y la ecología en las teorías y diseños experimentales para evaluar los procesos hidrológicos y mejorar las predicciones hidrológicas se ha sugerido ^8,9. Evolución del paisaje también se ve afectada por los procesos biogeoquímicos del subsuelo, en relación con la dinámica del agua, migración elemental durante el desarrollo del suelo, y por las transformaciones mineralógicas provocados por la reacción de las superficies minerales con el aire, el agua y los microorganismos ^10. En consecuencia, es importante para estudiar el desarrollo de puntos de acceso geoquímicas dentro de un paisaje en constante evolución. Además, es fundamental para relacionar patrones de erosión geoquímicas a procesos hidrológicos y las firmas microbiológicos durante la formación del suelo incipiente con el fin de comprender la dinámica del desarrollo del paisaje complejo. Los procesos específicos de la génesis del suelo se rigenpor la influencia combinada del clima, insumos biológicos, el alivio y la hora en un material de matriz específica. Este experimento fue diseñado para hacer frente a las heterogeneidades en la erosión de material de matriz regulada por las variaciones hidrológicas y geoquímicas asociados con la asistencia (incluyendo la pendiente y profundidad) y la variabilidad asociada a la actividad microbiana que es impulsada por gradientes ambientales (es decir, el potencial redox) en condiciones en las material parental, el clima y el tiempo se mantienen constantes. Con respecto a la actividad microbiana, los microorganismos del suelo son componentes críticos y tener un profundo impacto en la estabilidad del paisaje ^11. Ellos juegan un papel crucial en la estructura del suelo, los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes, y el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, es necesario entender la importancia de estos organismos como impulsores de la intemperie, la génesis del suelo, y los procesos de formación del paisaje, mientras que simultáneamente identificar los efectos recíprocos de las trayectorias de flujo hidrológicos y geoquímicos queathering en la estructura de la comunidad microbiana y la diversidad. Esto se puede lograr mediante el estudio de la heterogeneidad espacial de la diversidad de la comunidad microbiana sobre un paisaje cuya evolución hidrológica y las características geoquímicas también están siendo estudiados en paralelo.

A continuación, presentamos un procedimiento de excavación de un lisímetro suelo, operacionalmente llamado miniLEO, diseñado para imitar los modelos a gran escala de las cuencas de orden cero del Observatorio de la evolución del paisaje (LEO) alojado en la Biosfera 2 (Universidad de Arizona). El miniLEO fue desarrollado para identificar los patrones de evolución del paisaje a pequeña escala que surgen de los procesos hidro-bio-geoquímicos heterogéneos acumulativos. Es un lisímetro 2-m de longitud, 0,5 m de ancho y 1 m de altura, y la pendiente de 10 ° (figura 1). Además, las paredes del lisímetro están aisladas y recubiertas con no biodegradable imprimación epoxi de dos componentes y un recubrimiento de uretano alifático de relleno con agregado para evitar la contaminación potencial o lixiviaciónde metales del marco lisímetro en el suelo. El lisímetro se llenó de roca de basalto triturado que se extrae de un depósito de tefra finales del Pleistoceno asociado con Merriam Cráter en el norte de Arizona. El material de basalto cargado era idéntica a la del material utilizado en los experimentos LEO mucho más grandes. La composición mineral, la distribución del tamaño de partícula y propiedades hidráulicas son descritos por Pangle et al. ^12. La cara de la filtración pendiente abajo se alinea con una pantalla perforada de plástico (poros de 0,002 m de diámetro, 14% de porosidad). El sistema está equipado con sensores tales como el contenido de agua y de temperatura, sensores de dos tipos de sensores posibles de agua, muestreadores de suelo-agua, el equilibrio de peso hidráulica, sondas de conductividad eléctrica, y transductores de presión para determinar la altura de la capa freática. El lisímetro se regó durante 18 meses antes de la excavación.

La excavación fue meticuloso en su enfoque y estaba dirigido a responder a dos preguntas generales: (1) lo hidrológica, geoquímica, y las firmas microbianas se puede observar a través de la longitud y profundidad de la pendiente con respecto a las condiciones de lluvia simulada y (2) si las relaciones y retroalimentaciones entre los procesos hidro-bio-geoquímicos que ocurren en la ladera se pueden deducir de las firmas individuales. Junto a la configuración experimental y el procedimiento de excavación, se presentan datos representativos y sugerencias sobre cómo aplicar los protocolos de excavación similares para los investigadores interesados ​​en el estudio de la dinámica del sistema Tierra acoplados y / o procesos de desarrollo del suelo.

Protocol

1. Elaborar una matriz de muestreo para garantizar sistemática y exhaustiva de muestreo de Lisímetro Divida lisímetro en voxels de longitud, el ancho y la profundidad fija. Utilice un espacio euclidiano sistema de coordenadas y dividir la distancia total a lo largo de cada dirección (X, Y y Z) en un número suficiente de intervalos igualmente espaciados. Considere la posibilidad de desechar el suelo cerca de las paredes del lisímetro para evitar los efectos de contorno. NOTA: Un buffer de…

Representative Results

Las dimensiones de los voxels aseguraron toma de muestras para hidrológica, geoquímica, y las mediciones microbiológicos. El procedimiento de excavación se descubrieron 324 núcleos para el análisis microbiológico, 972 puntos de datos pXRF, 324 bolsas de muestras geoquímicas, 180 muestras Ksat (128 vertical y horizontal 52), y 311 muestras de densidad aparente. flujo preferencial de colorante azul brillante también se observó a una profundidad de 30 cm por debajo de la superfici…

Discussion

Evolución del paisaje es el efecto acumulativo de la hidrológica, geoquímicos y biológicos ^12. Estos procesos de control de flujo y transporte de agua y elementos, y las reacciones biogeoquímicos en la evolución de los paisajes. Sin embargo, la captura de las interacciones de forma simultánea requiere un diseño experimental precisamente coordinada y toma de muestras. Además, el estudio de la evolución del paisaje incipiente es difícil en los sistemas naturales, con capacidades limitadas para identi…

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