Boden Lysimeter Ausgrabung Gekoppelte hydrologische, geochemische und mikrobiologische Untersuchungen

Die Untersuchung der Koevolution hydrologischer und biogeochemischer Prozesse im Untergrund natürlicher Landschaften kann das Verständnis der gekoppelten Erdsystemprozesse verbessern. Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, ein Bodenlysimeter auszuheben, um die hydrologische, geochemische und mikrobiologische Heterogenität des Untergrunds zu verstehen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der gekoppelten Erdsystemprozesse zu beantworten.

Zum Beispiel, wie sich hydrologische und biogeochemische Prozesse im Untergrund natürlicher Ökosysteme gemeinsam entwickeln. Der Hauptvorteil dieser Taktik besteht darin, dass sie die räumliche Heterogenität der hydrologischen, geochemischen und mikrobiologischen Eigenschaften des Bodens in Ihrer Probenahmeskala erfassen kann. Unterteilen Sie das Lysimeter in Voxel fester Länge, Breite und Tiefe unter Verwendung des euklidischen Raumkoordinatensystems.

Teilen Sie die Gesamtstrecke entlang jeder Richtung in eine angemessene Anzahl von Intervallen mit gleichmäßigem Abstand. Weisen Sie jedem Sample eine eindeutige XYZ-Position zu und identifizieren Sie es als Voxel. In dieser Ausgrabung bezeichnet X die Position entlang der Breite des Hangs, Y die Position entlang der Länge des Hangs und Z die Position entlang der Tiefe des Hangs.

Die Größe der Intervalle innerhalb jeder Dimension bestimmt die Breite, Länge und Tiefe der Voxel. Hier ist die Division des Lysimeters nach der Bestimmung der Abstandsintervalle zusammen mit dem gewählten Ursprung für das XYZ-System dargestellt. Die Unterteilung im aktuellen Grabungsschema besteht aus neun Abschnitten sowohl in Y- als auch in Z-Richtung und vier Abschnitten in X-Richtung, was insgesamt 324 Voxel ergibt.

Für die Abgrenzung von Voxeln befestigen Sie ein Maßband entlang der Steigung, um einen Einblick in Ihr Bezugssystem zu erhalten, das Sie bei der Abgrenzung von Voxeln leiten kann. Markieren Sie die Abmessung jedes Bodenvoxels mit Hilfe des Maßbandes. Zeichnen Sie Gitterlinien für jede Schicht mit Aluminiumklingenschilden und Kunststoffspachtel.

Entsorgen Sie die Begrenzungsmaterialien fünf Zentimeter von jeder Wand entfernt, um Begrenzungseffekte zu vermeiden. Entnahme mikrobiologischer Proben aseptisch von jedem Voxel vor hydrologischen und geochemischen Analysen, um eine Kreuzkontamination der Proben zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass alle Mitglieder, die die Ausgrabung durchführen, neue Handschuhe tragen, um die Kontamination durch die menschliche Haut zu reduzieren.

Verwenden Sie für die mikrobiologische Probenentnahme einen Bodenentkerner mit einem Durchmesser von einem Zentimeter und einer Höhe von 20 Zentimetern sowie einen dünnen Spatel. Den Entkerner und den Spachtel mit destilliertem Wasser reinigen. Wischen Sie sie mit sauberen Tüchern trocken und spülen Sie sie mit einer Sprühflasche mit 75% Ethanol ab.

Bevor Sie den Entkerner und den Spachtel an der Luft trocknen lassen. Kernen Sie an jedem Voxel-Standort bis zu einer Tiefe von 10 Zentimetern. Verwenden Sie dann den Spatel, um die Bodenprobe in vorsterilisierte Plastiktüten zu entleeren, die kurz vor dem Ablegen der Probe geöffnet wurden.

Notieren Sie die Entnahmezeit jeder Probe. Homogenisieren Sie die Probenbeutel von Hand. Bewahren Sie den Probenbeutel während der Probenahme in einem Eiskühler auf und stellen Sie ihn so schnell wie möglich in den Gefrierschrank bei minus 80 Grad Celsius.

Setzen Sie das tragbare Röntgenfluoreszenzspektrometer auf die Halterung und richten Sie das Strahlfenster direkt auf die werkseitige Metallperle. Wählen Sie cal und warten Sie 30 Sekunden, bis die Kalibrierung abgeschlossen ist. Reinigen Sie das Strahlfenster vor jeder Messung.

Messen Sie die Oberfläche jedes Voxels in dreifacher Ausfertigung an drei verschiedenen Stellen. Stellen Sie das Gerät auf die Bodenoberfläche und warten Sie 90 Sekunden, bis die Messung abgeschlossen ist. Saubere metallische Kerne für Schüttdichten der gewünschten Voxel.

Reinigen Sie Polycarbonat-Kerne für hydraulische Leitfähigkeitsmessungen oder KSAT der gewünschten Voxel. Setzen Sie Metallkerne und Polycarbonatkerne vertikal in die gewünschten Voxel ein. Achten Sie darauf, die Sensoren oder Sensordrähte nicht zu beschädigen, indem Sie die Kerne vorsichtig mit einer ebenen Fläche, wie einem Holzblock, zwischen dem Kern und dem Hammer in den Boden hämmern, um die Störung des Bodens zu minimieren.

Sobald der Kern halb in der Erde steckt, lege einen zweiten Kern auf den ersten Kern. Lege den Holzklotz auf den zweiten Kern und hämmere den Block vorsichtig ein, bis der erste Kern in die Erde eingelassen ist und die Kernränder noch sichtbar sind. Stellen Sie sicher, dass das zu beprobende Voxel vor der geochemischen Probenentnahme von den Grenzen und benachbarten Voxeln isoliert wird.

Um dies zu erreichen, verwenden Sie Kunststoffspachtel, gefolgt von Handkellen, um Bodenproben um Metall- oder Polypropylenkerne herum in beschriftete geochemische Probenbeutel zu sammeln, bis die Kerne leicht entfernt werden können. Entfernen Sie die Polypropylenkerne und decken Sie beide Seiten mit roten Kunststoffkappen ab. Beschriften Sie den vertikalen Polypropylenkern mit V und den horizontalen Polypropylenkern mit H, gefolgt von der Proben-ID.Entfernen Sie den metallischen Kern, bürsten Sie überschüssiges Material an beiden Enden ab und übertragen Sie die Probe aus dem Kern in einen beschrifteten Probenbeutel mit Schüttdichte.

Wiegen Sie jeden Probenbeutel mit der Probe und notieren Sie das Gesamtgewicht. Sammeln Sie das restliche Material aus dem Voxel in den geochemischen Probenbeutel und lassen Sie an allen vier Seiten einige Zentimeter Erde zurück, um eine Kreuzkontamination mit dem nächsten Voxel zu vermeiden. Wiederholen Sie diese Schritte für jedes Voxel.

Setzen Sie die Kerne für den horizontalen KSAT ein, wenn sich die seitliche Fläche des Voxels durch sequentiellen Aushub öffnet. Verwenden Sie den Holzklotz und den zweiten Kern wie zuvor, um die Verdichtung zu minimieren, und sammeln Sie den Bodenkern. Hier sehen Sie eine dreidimensionale schematische Ansicht der Lysimeter-Voxel des Bodens entlang der Länge, Tiefe und Breite des Hangs.

Eine schematische Ansicht eines Voxels entlang der XYZ-Ebene des Lysimeters ist hier mit Beispielen für die Arten der gesammelten Kerne dargestellt. Diese Bohrkerne sind in einem repräsentativen Voxel zu sehen, das den mikrobiologischen Kern, die horizontalen und vertikalen hydraulischen Leitfähigkeitskerne, einen Schüttdichtekern und die verbleibende Probe aus dem Voxel zeigt, die für die geochemische Analyse verwendet wird. Hier sehen Sie eine zweidimensionale Isoplethen-Heatmap von repräsentativen Schüttdichteproben.

Die Schüttdichtewerte wurden erhalten, indem die Proben in Aluminiumwaagen umgefüllt und im Ofen getrocknet wurden. Leer gelassene Zellen stellen Voxel dar, bei denen eine Probenentnahme aufgrund des Vorhandenseins von Sensoren und des Platzmangels für die Aufnahme von Schüttdichtekernen nicht möglich war. Eine zweidimensionale Heatmap der DNA-Konzentration ist hier dargestellt.

Für mikrobiologische Kerne wurden zwei Gramm Boden als Teilprobe entnommen, um die mikrobielle DNA zu extrahieren, die für jedes Voxel repräsentativ ist. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ein Bodenlysimeter für die intensive hydrologische, mikrobiologische und geochemische Probenentnahme ausgraben. Es wird erwartet, dass dieses Verfahren wichtige Erkenntnisse für die Erforschung der Bodenentwicklung und der Landschaftsentwicklung liefern wird.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Schätzung der Voxelgröße und des Umfangs des Steinbruchs den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Probenentnahme bestimmt. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die mikrobiologische, hydrologische und geochemische Probenahme systematisch erfolgen muss, ohne dass die Proben zerstört oder kontaminiert werden. Wir glauben, dass ein intensives Probenahmeschema es uns ermöglicht, die Auswirkungen auf die hydrologischen, bio- und geochemischen Eigenschaften sehr fein und detailliert zu erfassen.

Die Implikation dieser Technik bezieht sich auf die Möglichkeiten, ähnliche Ausgrabungen durchzuführen, um verschiedene Aspekte der Bodenentwicklung und ihre unterschiedlichen Umweltbedingungen und -ausmaße zu beobachten und zu quantifizieren. Vergessen Sie nicht, dass mikrobiologische Proben mit äußerster Vorsicht ausgegraben werden müssen. Befolgen Sie ein steriles Verfahren, einschließlich der Verwendung von Handschuhen und Maske, um eine Kontamination zu vermeiden.

Die skizzierten Techniken sind einfach, wiederholbar und flexibel, um mehrere Forschungsfragen zu beantworten. Dadurch können alternative Versuchsdesigns implementiert werden.