Coupled Hidrolojik, jeokimyasal ve Mikrobiyolojik Araştırmalar Toprak Lizimetre Kazı
Summary
Bu çalışma altı hidrolojik, jeokimyasal ve toprak Lizimetre mikrobiyolojik heterojenite araştırmak için bir kazı yöntemi sunar. Lizimetre homojen koşul altında başlangıçta ve 18 aylık bir süre içinde sulama sekiz döngü üzerinde suyun yaklaşık 5.000 mm maruz kaldığını yapay Yamaç taklit eder.
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
Toprak ve peyzaj dinamikleri fiziksel, kimyasal karmaşık etkileşimi ve biyolojik süreçlerin 1 ile şekillenir. Su akış, jeokimyasal ayrışma ve biyolojik aktivite istikrarlı bir ekosistem 2,3 içine manzara genel gelişimine yön. Yüzey değişiklikleri manzara 4 en göze çarpan özellikleri, hidrolojik, jeokimyasal anlaşılması birikimli etkileri ve mikrobiyolojik süreçler yeraltı bölgede iken bir manzara 2 şekillendirecek temel kuvvetleri anlamak için çok önemlidir. Gelecekteki iklim pertürbasyon senaryoları daha peyzaj evrim 5 öngörülebilirlik ve desen bulandırabilir. Böylece manzara ölçekli 6 onların büyük ölçekli tezahürü küçük ölçekli süreçlerini bağlamak için bir sorun haline gelmektedir. Geleneksel kısa vadede laboratuar deneyleri veya th yakalayan kısa düşüş zorlayarak bilinmeyen başlangıç koşullarına ve zaman değişkeni ile doğal manzaralar yapılan deneylerdepeyzaj evrim e içsel heterojen. Ayrıca, güçlü olmasından dolayı doğrusal olmayan bağlantı nedeniyle, heterojen sistemler 7 hidrolojik modelleme gelen biyokimyasal değişiklikleri tahmin etmek zordur. Burada, bilinen ilk koşullarla tamamen kontrollü ve izlenen toprak Yamaç kazmaya yeni bir deneysel yöntem açıklanmaktadır. Bizim kazı ve örnekleme prosedürü hidro-biyo-jeokimyasal etkileşimleri ve toprak oluşumu süreçlerine üzerindeki etkilerini araştırmak için kapsamlı bir veri seti sağlamak amacı ile, uzunluğu ve derinliği boyunca Yamaç gelişmekte heterojenitesini yakalama hedefleniyor.
Doğada bulunan hidrolojik sistemleri yer ve zaman ölçekleri 3, geniş bir aralıkta yer alan hidrolojik yanıtları değişikliklerle zaman statik olmaktan uzaktır. Manzara boyunca akış yollarının mekansal yapı oranı, kapsamını ve sürücü jeokimyasal reaksiyonlar ve biyolojik kolonizasyon dağılımını belirlerayrışma, ulaşım ve çözünen ve çökellerin yağış ve toprak yapısının daha da geliştirilmesi. Böylece, teoriler ve hidrolojik tahminlerde hidrolojik süreçleri değerlendirmek ve geliştirmek için deneysel tasarımlar içine pedoloji, jeofizik ve ekoloji bilgiyi içeren 8,9 öne sürülmüştür. Peyzaj evrimi de su dinamikleri, toprak gelişimi sırasında element göç ile birlikte ve maden hava, su ile yüzeyler ve mikroorganizmaların 10 reaksiyonu getirdiği mineralojik dönüşümlerin yeraltı biyokimyasal süreçler tarafından etkilenir. Sonuç olarak, gelişmekte olan bir manzara içinde jeokimyasal noktaları gelişimini incelemek için önemlidir. Ayrıca, karmaşık manzara gelişim dinamiklerini anlamak için başlangıç toprak oluşumu sırasında hidrolojik süreç ve mikrobiyolojik imzalarla jeokimyasal ayrışma desenleri ilişkilendirmek için kritik öneme sahiptir. Toprak oluşumunun belirli süreçleri tabidirBelirli bir ana malzeme üzerinde iklim, biyolojik girişler, rölyef ve zaman kombine etkisiyle. Bu deney koşulları nerede altında (yamaç ve derinlik dahil) kabartma ile ilişkili hidrolojik ve jeokimyasal varyasyonları tarafından yönetilen ana malzemenin ayrışması içinde farklılıklarını ve çevresel geçişlerini (yani, redoks potansiyeli) tarafından tahrik edilir mikrobiyal aktivite ilişkili değişkenlik gidermek için tasarlanmıştır ana malzeme, iklim ve zaman sabiti tutulur. Mikrobiyal aktivite ile ilgili olarak, toprak mikroorganizmaları kritik bileşenleri ve peyzaj istikrar 11 üzerinde derin bir etkisi vardır. Bunlar toprağın yapısı, besin biyokimyasal bisiklet ve bitki büyümesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, aynı anda hidrolojik akış yolları ve jeokimyasal biz karşılıklı etkilerin belirlenmesi sırasında, ayrışma sürücüler, toprak oluşumunda ve peyzaj oluşum süreçleri gibi bu organizmaların önemini anlamak için gereklimikrobiyal toplum yapısı ve çeşitliliği üzerinde athering. Bu kimin hidrolojik ve jeokimyasal özellikleri de paralel olarak çalışılmaktadır gelişmekte olan bir manzara üzerinde mikrobiyal topluluk çeşitliliğin mekansal heterojenlik inceleyerek elde edilebilir.
Burada, Biyosfer 2 (Arizona Üniversitesi) ev sahipliği Peyzaj Evrim Gözlemevi (LEO) büyük ölçekli sıfır dereceden havza modelleri taklit etmek üzere bir toprak Lizimetre, operasyonel adlı miniLEO, bir kazı işlemi sunuyoruz. miniLEO kümülatif heterojen hidro-biyo-jeokimyasal süreçler kaynaklanan küçük ölçekli peyzaj evrim modellerini tespit etmek için geliştirilmiştir. Bu Lizimetre uzunluğu 2 m genişliğinde 0.5 m ve yüksekliği 1-M, ve 10 ° eğimi (Şekil 1). Buna ek olarak, Lizimetre duvarları olarak yalıtılmış ve biyolojik olarak bozunabilir, iki kısımlı epoksi astar ve potansiyel kirlenme veya süzülmesini önlemek için bir toplama dolu alifatik üretan kaplama ile kaplanırtoprağa Lizimetre çerçeveden metallerin. Lizimetre Kuzey Arizona Merriam krater ile ilişkili geç Pleistosen Yanardağın bir depozito elde edildi ezilmiş bazalt kaya ile doluydu. yüklenen bazalt malzemesi çok daha büyük bir LEO deneylerinde kullanılan malzeme ile aynıydı. Mineral bileşimi, tanecik boyutu dağılımı, ve hidrolik özellikleri Pangle ve ark., 12 tarafından tarif edilmiştir. downslope sızma yüz delikli bir plastik ekran (0.002 m çaplı gözenekler,% 14 porozite) ile kaplanmıştır. Sistem, su tablası yüksekliğini belirlemek için su içeriği ve sıcaklık sensörleri, su potansiyeli sensörler iki tür, toprak-su numune, hidrolik ağırlık dengesi, elektriksel iletkenlik sondaları ve basınç dönüştürücüler olarak sensörleri ile donatılmıştır. Lizimetre kazı öncesinde 18 ay sulandı.
Kazı onun yaklaşımı titiz ve iki geniş soruları yanıtlayan amaçlıyordu: (1) hidrolojik ne jeokimyasal ve mikrobiyal imzalar taklit yağış koşulları ve bakımından yamaç uzunluğu ve derinliği karşısında görülebilir (2) Yamaç meydana gelen hidro-biyo-jeokimyasal süreçler arasındaki ilişkiler ve geri bildirimler çıkarılabilir olup olmadığını bireysel imzalar. deneysel kurulum ve kazı prosedürü yanı sıra, biz birleştiğinde toprak sistem dinamikleri ve / veya toprak gelişim süreçlerini inceleyerek ilgilenen araştırmacılar için benzer kazı protokolleri nasıl uygulanacağına dair temsili verileri ve önerileri sunulmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Peyzaj evrim hidrolojik, jeokimyasal ve biyolojik süreçlerin 12 kümülatif etkisidir. Bu süreçler manzara gelişen akışı ve su ve elementlerin taşınması ve biyokimyasal reaksiyonları kontrol eder. Ancak, etkileşimleri yakalama aynı anda tam olarak koordineli deneysel tasarım ve örnekleme gerektirir. Buna ek olarak, yeni başlayan peyzaj evrim eğitimi "zaman sıfır" koşulları tanımlamak için sınırlı yeteneklere sahip, doğal sistemlerde zordur. Edebiyat sulama ve kazı alanı…
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).
