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

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。该方法的总体目标是挖掘土壤溶质渗漏仪（lysimeter），以揭示地下环境中的水文、地球化学及微生物空间异质性。该方法可帮助解答耦合地球系统过程领域的关键科学问题。

例如，自然生态系统地下环境中水文过程与生物地球化学过程是如何共同演化的。该方法的主要优势在于，能够在采样尺度上捕捉土壤水文、地球化学和微生物特性的空间异质性。利用欧几里得空间坐标系，将溶质渗漏仪划分为固定长度、宽度和深度的体素（Voxels）。

将每个方向上的总距离划分为适当数量的等间距区间。为每个样本分配唯一的 XYZ 位置，并将其标识为体素。在此挖掘区域中，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。

每个维度内区间大小决定了体素的宽度、长度和深度。图中显示了在确定间距后对称量筒的划分，以及所选的 XYZ 坐标系原点。当前挖掘方案中，Y 和 Z 方向均分为九个区间，X 方向分为四个区间，共生成 324 个体素。

为划分体素，在坡面长度方向上固定卷尺，以提供划分体素过程中的参考系统指引。借助卷尺标记每个土壤体素的尺寸。使用铝制刀片护罩和塑料刮刀为每一层绘制网格线。

丢弃距每侧壁面五厘米处的边界材料，以防止边界效应。在进行水文和地球化学分析之前，须从每个体素（Voxel）无菌采集微生物样品，以防止样品间的交叉污染。所有参与挖掘的人员必须佩戴新的手套，以减少人体皮肤带来的污染。

使用直径1厘米、高20厘米的土壤取样器和一把薄铲刀进行微生物样品采集。用蒸馏水清洗取样器和铲刀，再用洁净的擦拭纸擦干，并用喷雾瓶喷洒75%乙醇进行冲洗。

在让取芯器和刮铲自然风干之前，于每个体素位置取样至10厘米深度。然后，使用刮铲将土壤样品转移至已预先灭菌且在放置样品前刚刚打开的塑料袋中。

记录每个样本的采集时间。用手轻轻揉搓样本袋使其均匀。采样过程中将样本袋置于冰桶中，并尽快转移至-80摄氏度超低温冰箱中保存。

将便携式X射线荧光光谱仪放置在支架上，并将光束窗口直接对准工厂金属珠。选择校准（cal）并等待30秒，以完成校准过程。每次测量前需清洁光束窗口。

在三个不同位置对每个体素的表面进行三次重复测量。将仪器放置在土壤表面，等待90秒以完成测量。清理用于测定目标体素容重的金属环刀。

为测定水力传导率或所需体素（Voxels）的KSAT，准备洁净的聚碳酸酯核心。将金属核心和聚碳酸酯核心垂直插入目标体素中。插入时需小心操作，避免损坏传感器或传感器导线；建议在核心与锤子之间放置一块木块等平整表面，轻柔敲击，以尽量减少对土壤的扰动。

此外，当第一个取样管插入土壤一半深度时，将第二个取样管叠放在第一个取样管上方。将木块置于第二个取样管顶部，轻轻敲击木块，直至第一个取样管完全嵌入土壤中，且取样管边缘仍保持可见。在采集地球化学样品之前，需注意确保所取样体素（Voxel）与边界及相邻体素相互隔离。

为此，使用塑料刮刀，随后用手持抹刀将金属或聚丙烯取样管周围的土壤收集到贴好标签的地球化学样品袋中，直至取样管可轻松取出。取出聚丙烯取样管，并用红色塑料盖盖住两端。将垂直放置的聚丙烯取样管标记为 V，水平放置的标记为 H，后接样品编号。取出金属取样管，刷去两端多余的土壤材料，并将管内样品转移至贴有标签的容重样品袋中。

称量每个样品袋及其样品，并记录总重量。将Voxel中的剩余物质收集到地球化学样品袋中，四周各留出几厘米土壤，以防止与下一个Voxel发生交叉污染。对每个Voxel重复上述步骤。

在逐层开挖露出Voxel的侧面时，插入水平KSAT的取芯管。与之前相同，使用木块和第二个取芯管以尽量减少土壤压实，并采集土壤芯样。此处显示的是沿坡面长度、深度和宽度方向的土壤渗漏计Voxel的三维示意图。

此处展示了一个沿称重渗漏仪XYZ平面的代表性体素（Voxel）示意图，并示例了所采集的各种岩芯类型。在该代表性体素中可见微生物学岩芯、水平与垂直水力传导岩芯、容重岩芯，以及用于地球化学分析的体素剩余样品。图中还显示了代表性容重样品的二维等值线热图。

通过将样品转移至铝制称量皿并烘干，测定其容重值。空白单元格代表由于传感器的存在以及缺乏足够的空间容纳容重取样核心，无法进行样品采集的体素位置。此处展示了一张二维DNA浓度热图。

对于微生物学样品，每个体素（Voxel）取两克土壤进行分样，用于提取具有代表性的微生物DNA。观看本视频后，您应能够充分掌握如何挖掘土壤溶滤器（Lysimeter），以进行高强度的水文、微生物及地球化学样品采集。该方法预期将为土壤发育与景观演化研究提供重要见解。

在进行该实验操作时，需牢记体素大小和采石场尺度的估算将决定样品采集所需的时间和工作量。本方法的可视化演示至关重要，因为微生物学、水文地质学和地球化学采样必须以系统的方式进行，同时避免对样品造成破坏或污染。我们认为，采用密集的采样方案能够以极为精细和详尽的方式揭示水文、生物及地球化学特性随尺度变化的影响。

该技术的意义在于，它为开展类似的挖掘工作提供了可能，以便观察和量化土壤发育的不同方面及其变化的环境条件和尺度。切勿忘记，微生物样品必须极其谨慎地进行挖掘。应遵循无菌操作程序，包括佩戴手套和口罩，以防止污染。

所述技术简单、可重复，且灵活，可适应多种研究问题，从而允许实施不同的实验设计。