用于水文、地球化学与微生物学耦合研究的土壤溶滤器采样

摘要

本研究介绍了一种用于研究土壤渗漏计中地下水分、地球化学及微生物异质性的挖掘方法。该渗漏计模拟了一个最初处于均质条件的人工坡面，在18个月期间经过八次灌溉，累计接受了约5,000 mm的水量。

摘要

研究自然景观地下环境中水文过程与生物地球化学过程的协同演化，有助于加深对耦合地球系统过程的理解。此类知识对于提升水文-生物地球化学循环预测能力至关重要，尤其是在气候变化情景下。本文介绍一种实验方法，旨在捕捉初始均质土壤系统在演化过程中产生的地下异质性。该方法基于对一个用于模拟小尺度坡地的称重式土壤渗漏仪进行破坏性取样。一个容积为一立方米的称重渗漏仪被划分为若干区段（体素），并逐层挖掘，从每个体素中采集子样品。该挖掘过程旨在通过重点评估土壤的水文、地球化学和微生物特性在空间上的分布，来检测系统初期异质性的形成。对若干理化变量的代表性测试结果表明，异质性已开始发展。后续将进一步开展工作，检验水文、地球化学与微生物特征之间的相互作用，以解释所观察到的模式。本研究还展示了在不同环境条件和尺度下，开展类似挖掘实验以观测和量化土壤发育不同方面的可行性。

引言

土壤和景观的演化受到物理、化学和生物过程之间复杂相互作用的共同影响¹。水流、地球化学风化作用以及生物活动共同塑造了景观向稳定生态系统发展的总体过程^2,3。尽管地表变化是景观最显著的特征⁴，但要理解塑造景观的深层驱动力，关键在于认识地下区域中水文、地球化学和微生物过程的累积效应²。未来气候变化扰动情景进一步增加了景观演化可预测性和演化模式的不确定性⁵。因此，将小尺度过程与其在景观尺度上的宏观表现相联系成为一项挑战⁶。传统的短期实验室实验，或在初始条件未知且外力随时间变化的自然景观中开展的实验，难以捕捉景观演化的内在异质性。此外，由于系统中存在强烈的非线性耦合作用，难以通过水文模型预测异质系统中的生物地球化学变化⁷。本文介绍一种新颖的实验方法，用于挖掘具有已知初始条件、完全受控并可实时监测的土壤坡面。我们的挖掘与采样程序旨在捕捉坡面沿长度和深度方向发育过程中的异质性变化，目标是提供一套综合数据集，用以研究水-生-地-化学相互作用及其对土壤形成过程的影响。

自然界中的水文系统在时间上远非静态，其水文响应的变化发生在广泛的时空尺度上³。景观中水流路径的空间结构决定了驱动风化作用的地球化学反应和生物定殖的速率、范围和分布，同时也影响溶质和沉积物的迁移与沉淀，以及土壤结构的进一步发育。因此，有研究建议将土壤学、地球....

方案

1. 设计取样矩阵以确保对溶滤器进行系统且全面的取样

1. 将蒸渗仪划分为固定长度、宽度和深度的体素。
   1. 使用欧几里得空间坐标系，并将每个方向（X、Y 和 Z）上的总距离划分为适当数量的等间距区间。考虑舍弃渗滤仪壁附近的土壤，以避免边界效应。
      注意：本实验在四周墙壁处采用5 cm的缓冲区，以避免边界效应，同时确保采集的土壤体积充足。
   2. 为每个样本分配唯一的 XYZ 坐标位置，并将其标识为体素。
      注：在此挖掘过程中，X 表示沿坡面宽度方向的位置，Y 表示沿坡面长度方向的位置，Z 表示沿坡面深度方向的位置。各维度内区间大小决定了体素的宽度、长度和深度。 图2 显示在确定间距间隔以及选定XYZ坐标系原点后，裂解仪的划分情况。当前挖掘方案中，Y和Z方向各有9个间隔，X方向有4个间隔，共生成324个体素，每个体素尺寸为10 cm × 20 cm × 10 cm（图3).
      注意：所选的采样策略可确保对整个系统进行均匀采样，同时将对传感器的损伤降至最低。每个体素（1–2 cm）的边界区域均被舍弃，以避免邻近体素间的交叉污染。此外，体素的尺寸设计可保证每个体素内有足够的土壤样品，用于微生物学、地球化学和水文学分析所需的样本采集。

结果

体素的尺寸确保了能够采集用于水文、地球化学和微生物学测量的样品。挖掘过程共获得用于微生物分析的324个岩芯、972个pXRF数据点、324份地球化学样品袋、180个Ksat样品（其中128个为垂直方向，52个为水平方向）以及311个容重样品。同时观察到亮蓝染料在地表以下30 cm深度范围内存在优先流现象。从一个裂解器的单个垂直切片中选取了一组具有代表性的81个样品进行初步分析。所选样品位于坡面X=2的位置，Y和Z方向的体素范围均为0–8。本文展示了DNA浓度、容重以及pXRF测得的铁（Fe）和锰（Mn）含量的初步结果，并以二维等值线热图形式呈现（图11）。

容重测定的初步分析（图11a）表明，0–10 cm深度的容重值最低，约为1.2 g cm^-3，而最深的三个土层（70–100 cm）的容重值显著更高，为1.4至1.5 g cm^-3。容重还.......

讨论

景观演化是水文、地球化学和生物过程共同作用的累积效应¹²。这些过程控制着不断演化的景观中水和元素的流动与迁移，以及生物地球化学反应。然而，要同时捕捉这些相互作用，需要精确协调的实验设计和采样方案。此外，在自然系统中研究初始阶段的景观演化十分困难，难以准确识别"零时刻"的初始条件。文献中仅有一项破坏性溶滤器研究被报道，用于测量植物根系密度²³，而基于田间的灌溉与挖掘方法则由Graham et al.²⁴ 和 Anderson et al.²⁵ 报道。然而，这些研究均未包含可用于研究模拟景观中水文-地球化学-微生物异质性的方法。本研究的一个关键要素是明确定义实验与采样程序的尺度，以确保能够高效捕捉目标尺度上的异质性。在研究地球系统过程时，尺度问题尤为重要，已在水文学²⁶、地球化学²⁷和微生物学²⁸等领域的研究中被广泛指出。本研究所提出的方法旨在探讨一系列与研究问题相关的水-地球化学-微生物过程，同时具备足够的灵活性，可根据具体的研究问题对.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
卷尺	任意	任意	防止样本交叉污染至关重要。因此，准备多个刮刀有助于隔离体素边界。
亮蓝染料	Waldeck GmBH &Co	B0770	可使用直尺绘制网格。采样策略可根据具体实验进行调整。
土壤取样器	AMS	56975	任何商业生产的亮蓝染料均可使用。
75% 乙醇	任意	任意	摄影使用了尼康 D90 相机和 50 mm 镜头。任何高分辨率相机和镜头均可用于此目的。
喷雾瓶	任意	任意	染料和比色卡的使用取决于具体实验和/或研究问题。
刮铲	任意	任意	若操作取样器较为繁琐，可佩戴园艺手套。
手套	任意	任意	确保微生物样本在采样期间保持在冰上，并尽快冷冻。
KimWipes 擦拭纸	KimTech Science	任意	在使用乙醇消毒前，可先用水清洗土壤取样器。
无菌采样袋	Fisher Scientific	Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ	准备桶和簸箕以便及时清除废弃土壤。
比色卡	任意	任意	miniLEO 的原始设计在溶出仪中嵌入了多种传感器。是否需要这些传感器取决于具体实验设计的范围。
X射线荧光光谱仪	XRF, OLYMPUS	DS-2000 Delta XRF
聚丙烯取样管	任意	任意
金属取样管	任意	任意
聚丙烯取样管盖	任意	任意
锤子	任意	任意
塑料刮刀	任意	任意
口罩	任意	任意