Jord lysimeter Grävning för kopplade Hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska undersökningar
Summary
Denna studie presenterar en utgrävning metod för att undersöka ytan hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska heterogenitet en jord lysimeter. Den lysimeter simulerar en artificiell hillslope som var initialt under homogen skick och hade utsatts för ca 5000 mm vatten över åtta cykler av bevattning i en 18-månadersperiod.
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
Jord och landskapsdynamik formas av det komplexa samspelet mellan fysikaliska, kemiska och biologiska processer 1. Vattenflödet, geokemiska vittring, och biologisk aktivitet forma den övergripande utvecklingen av landskapet i en stabil ekosystem 2,3. Medan ytförändringar är de mest iögonfallande egenskaperna hos landskap 4, förståelse kumulativa effekterna av hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska processer i ytan regionen är avgörande för att förstå de underliggande krafter som formar ett landskap 2. Framtida klimatstörningsscenarier förbrylla ytterligare förutsägbarhet och mönster av landskapsutveckling 5. Det blir således en utmaning att koppla småskaliga processer deras storskaliga manifestation på landskapet skala 6. Traditionella kortsiktiga laboratorieexperiment eller experiment i naturområden med okända begynnelsevillkor och tidsvariabel tvingar misslyckas att fånga the inneboende heterogenitet av landskapsutveckling. Dessutom, tack vare en stark icke-linjär koppling, är det svårt att förutsäga biogeokemiska förändringar från hydrologisk modellering i heterogena system 7. Här beskriver vi en ny experimentell metod för att gräva en helt styrs och övervakas jord hillslope med kända begynnelsevillkor. Vår utgrävning och provtagning förfarande syftar till att fånga utvecklings heterogenitet hillslope längs dess längd och djup, med målet att ge en omfattande datamängd att undersöka hydro-bio-geokemiska interaktioner och deras inverkan på marken bildningsprocesser.
Hydrologiska system som finns i naturen är långt ifrån statiska i tid, med förändringar i hydrologiska reaktioner som äger rum inom ett brett spektrum av rumsliga och tidsmässiga skalor 3. Den rumsliga strukturen av flödesvägar längs landskap bestämmer hastigheten, omfattning och distribution av geokemiska reaktioner och biologisk kolonisering som drivervittring, transport och utfällning av lösta ämnen och sediment, och den fortsatta utvecklingen av markstrukturen. Således, införliva kunskap från pedology, geofysik, och ekologi i teorier och experimentell design för att bedöma hydrologiska processer och förbättra hydrologiska förutsägelser har föreslagits 8,9. Landskap utveckling påverkas också av under ytan biogeokemiska processer i samband med vattendynamik, elementärt migration under jord utveckling och mineralogiska omvandlingar till följd av reaktion av mineraliska ytor med luft, vatten och mikroorganismer 10. Därför är det viktigt att studera utvecklingen av geokemiska hotspots inom en föränderlig landskap. Dessutom är det viktigt att relatera geokemiska vädermönster till hydrologiska process och mikrobiologiska signaturer under begynnande jordmånsbildningen för att förstå dynamiken i komplexa landskapsutveckling. De specifika processer jord uppkomst reglerasgenom den kombinerade inverkan av klimat, biologiska ingångar, lättnad och tid på en viss grundmaterialet. Detta experiment utformades för att ta itu med heterogeniteter i vittring av grundmaterialet styrs av hydrologiska och geokemiska variationer i samband med lättnad (inklusive lutning och djup) och tillhörande variabilitet i mikrobiell aktivitet som drivs av miljö gradienter (dvs redoxpotential) under förhållanden där grundmaterial, klimat och tid hålls konstanta. När det gäller mikrobiell aktivitet, jord mikroorganismer är kritiska komponenter och har en djupgående inverkan på landskaps stabilitet 11. De spelar en avgörande roll i markstrukturen biogeokemisk omsättning av näringsämnen, och växternas tillväxt. Därför är det nödvändigt att förstå betydelsen av dessa organismer som förare av vittring, jord uppkomst, och landskap bildningsprocesser, samtidigt identifiera de ömsesidiga effekterna av hydrologiska flödesvägar och geokemiska viathering på mikrobiell samhällsstruktur och mångfald. Detta kan åstadkommas genom att studera rumslig heterogenitet mikrobiella mångfalden över en utvecklande landskap vars hydrologiska och geokemiska egenskaper också studeras parallellt.
Här presenterar vi en utgrävning förfarande ett jord lysimeter, operativt namnges miniLEO, utformad för att efterlikna de storskaliga modeller av ordningen noll bassängen i landskapet Evolution Observatory (LEO) inrymt i Biosphere 2 (University of Arizona). Den miniLEO har utvecklats för att identifiera småskaliga landskap evolution mönster som härrör från kumulativa heterogena hydro-bio-geokemiska processer. Det är en lysimeter 2 m lång, 0,5 m bred och 1-m höjd, och lutning 10 ° (Figur 1). Dessutom är väggarna i lysimeter isolerade och belagda med icke-nedbrytbart tvåkomponentsepoxi primer och ett aggregat fylld alifatisk uretan päls för att undvika eventuella föroreningar eller urlakningav metaller från lysimeter ramen i marken. Den lysimeter fylldes med krossad basalt som extraherades från en deposition på sen pleistocen tephra samband med Merriam krater i norra Arizona. Den laddade basalt material var identiskt med det material som används i de mycket större LEO experiment. Mineralsammansättningen, partikelstorleksfördelning, och hydrauliska egenskaper beskrivs av Pangle et al. 12. Den nedåtlutande läckage ansikte var fodrad med ett perforerat plastskärm (porer 0,002-m diameter, 14% porositet). Systemet är utrustat med sensorer såsom vatteninnehåll och temperatursensorer, två typer av vatten potentiella givare, jord-vatten provtagare hydrauliska viktbalans, elektriska ledningsförmåga sonder och tryckgivare för att bestämma grundvattennivån höjd. Den lysimeter spolades under 18 månader före utgrävningen.
Utgrävningen var noggrann i sin strategi och syftade till att svara på två breda frågor: (1) vad hydrologiska, geokemiska och mikrobiella signaturer kan observeras över längden och djupet av backen i förhållande till simulerade regnförhållanden och (2) om relationer och återkopplingar mellan hydro-bio-geokemiska processer som sker på hillslope kan härledas från de enskilda signaturer. Vid sidan av den experimentella uppställningen och utgrävning förfarande, presenterar vi representativa uppgifter och förslag på hur man tillämpa liknande utgrävning protokoll för forskare som är intresserade av att studera kopplade jordsystemdynamik och / eller mark utvecklingsprocesser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Landskap utveckling är den kumulativa effekten av hydrologiska, geokemiska och biologiska processer 12. Dessa processer kontrollera flödet och transport av vatten och element, och biogeokemiska reaktioner utvecklas landskap. Men fånga samspelet samtidigt kräver exakt samordnad experimentell design och provtagning. Dessutom studerar begynnande landskapsutvecklingen är svårt i naturliga system, med begränsade möjligheter att identifiera "tiden noll" förhållanden. Litteratur rapporterar en de…
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 |
Referências
- Brady, N. C., Weil, R. R. . The nature and properties of soils. , (2008).
- Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
- Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change?. Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
- Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
- Temme, A., Montgomery, D. R., Bierman, P. R. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. , (2013).
- Troch, P. A., et al. Dealing with Landscape Heterogeneity in Watershed Hydrology: A Review of Recent Progress toward New Hydrological Theory. Geogr. Compass. 3, 375-392 (2009).
- Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. , (2015).
- Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
- Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
- Churchman, G. j., Lowe, D. . Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, (2012).
- van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., van Straalen, N. M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecol. Lett. 11 (3), 296-310 (2008).
- Pangle, L. a., et al. The Landscape Evolution Observatory: A large-scale controllable infrastructure to study coupled Earth-surface processes. Geomorphology. 244, 190-203 (2015).
- . . User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. , (2013).
- Valentìn-Vargas, A., Root, R. A., Neilson, J. W., Chorover, J., Maier, R. M. Environmental factors influencing the structural dynamics of soil microbial communities during assisted phytostabilization of acid-generating mine tailings: A mesocosm experiment. Sci Total Environ. 500-501, 314-324 (2014).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. , (2016).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , (2016).
- Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
- Caporaso, J. G., et al. Correspondence – QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
- Hall, G. E. M., Vaive, J. E., Beer, R., Hoashi, M. Selective leaches revisited, with emphasis on the amorphous Fe oxyhydroxide phase extraction. J. Geochemical Explor. 56, 59-78 (1996).
- Grossman, R. B., Reinsch, T. G., Dane, J. H., Topp, G. C. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. , 201-228 (2002).
- Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J., Dane, J. H., Topp, G. C. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. , 802-816 (2002).
- King, G. M. Contributions of atmospheric CO and hydrogen uptake to microbial dynamics on recent Hawaiian volcanic deposits. Appl. Environ. Microbiol. 69 (7), 4067-4075 (2003).
- Meyer, W. S., Barrs, H. D. Roots in irrigated clay soils: Measurement techniques and responses to rootzone conditions. Irrig. Sci. 12 (3), 125-134 (1991).
- Graham, C. B., Woods, R. A., McDonnell, J. J. Hillslope threshold response to rainfall: (1) A field based forensic approach. J. Hydrol. 393 (1-2), 65-76 (2010).
- Anderson, A. E., Weiler, M., Alila, Y., Hudson, R. O. Dye staining and excavation of a lateral preferential flow network. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).
- Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale?. Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
- Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation. Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).
- Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98 (3), 439-448 (2011).
- Niu, G. Y., Pasetto, D., Scudeler, C., Paniconi, C., Putti, M., Troch, P. A. Analysis of an extreme rainfall-runoff event at the Landscape Evolution Observatory by means of a three-dimensional physically-based hydrologic model. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 10, 12615-12641 (2013).
- Marteinsson, V., et al. Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota. Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).
- Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities. Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).
- Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).
