Lisímetro suelo de excavación para acoplados hidrológicos, geoquímicos, e investigaciones microbiológicas

El estudio de la coevolución de los procesos hidrológicos y biogeoquímicos en el subsuelo de los paisajes naturales puede mejorar la comprensión de los procesos acoplados del sistema terrestre. El objetivo general de este método es excavar un lisímetro de suelo para comprender la heterogenietía hidrológica, geoquímica y microbiológica del subsuelo. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de los procesos de sistemas terrestres acoplados.

Por ejemplo, cómo coevolucionan los procesos hidrológicos y biogeoquímicos en el subsuelo de los ecosistemas naturales. La principal ventaja de esta táctica es que puede capturar la heterogeneidad espacial de las propiedades hidrológicas, geoquímicas y microbiológicas del suelo en su escala de muestreo. Divida el lisímetro en vóxeles de longitud, anchura y profundidad fijas utilizando el sistema de coordenadas espaciales euclidianas.

Divida la distancia total a lo largo de cada dirección en un número adecuado de intervalos igualmente espaciados. Asigne a cada muestra una ubicación XYZ única e identifíquela como un vóxel. En esta excavación, X denota la ubicación a lo largo del ancho del talud, Y denota la ubicación a lo largo de la longitud del talud y Z denota la ubicación a lo largo de la profundidad del talud.

El tamaño de los intervalos dentro de cada dimensión determina el ancho, la longitud y la profundidad de los vóxeles. Aquí se muestra la división del lisímetro después de determinar los intervalos de espaciado, junto con el origen elegido para el sistema XYZ. La división en el esquema de excavación actual tiene nueve intervalos a lo largo de las direcciones Y y Z, y cuatro intervalos a lo largo de la dirección X, lo que produce un total de 324 vóxeles.

Para la demarcación de vóxeles, coloque una cinta métrica a lo largo de la pendiente para proporcionar una visión a su sistema de referencia para guiarse durante la demarcación de vóxeles. Marque la dimensión de cada vóxel de suelo con la ayuda de la cinta métrica. Dibuje líneas de cuadrícula para cada capa con protectores de hojas de aluminio y espátulas de plástico.

Deseche los materiales de contorno a cinco centímetros de cada muro para evitar efectos de contorno. Recoja muestras de microbiología asépticamente de cada vóxel antes de los análisis hidrológicos y geoquímicos, para evitar la contaminación cruzada de las muestras. Asegúrese de que todos los miembros que realicen la excavación usen guantes nuevos para reducir la contaminación de la piel humana.

Utilice un descorazonador de suelo de un centímetro de diámetro y 20 centímetros de altura, y una espátula delgada para la recolección de muestras microbiológicas. Limpie el descorazonador y la espátula con agua destilada. Séquelos con toallitas limpias y enjuáguelos con etanol al 75% con una botella rociadora.

Antes de permitir que el descorazonador y la espátula se sequen al aire. Núcleo a una profundidad de 10 centímetros en cada ubicación de vóxel. Luego, use la espátula para vaciar la muestra de suelo en bolsas de plástico preesterilizadas que se han abierto justo antes de depositar la muestra.

Anote el tiempo de recolección de cada muestra. Homogeneizar las bolsas de muestra a mano. Guarde la bolsa de muestra en un enfriador de hielo durante el muestreo y transfiérala lo antes posible al congelador a menos 80 grados Celsius.

Coloque el espectrómetro de fluorescencia de rayos X portátil en el soporte y apunte la ventana del haz directamente a la cuenta de metal de fábrica. Seleccione cal y espere 30 segundos para permitir que se complete la calibración. Limpie la ventana del haz antes de tomar cada medición.

Mida la superficie de cada vóxel por triplicado en tres ubicaciones diferentes. Coloque el instrumento sobre la superficie del suelo y espere 90 segundos para permitir que se complete la medición. Limpie los núcleos metálicos para las densidades aparentes de los vóxeles deseados.

Limpie los núcleos de policarbonato para las mediciones de conductividad hidráulica o KSAT de los vóxeles deseados. Inserte verticalmente núcleos de metal y núcleos de policarbonato en los vóxeles deseados. Tenga cuidado de no dañar los sensores o los cables de los sensores martillando suavemente los núcleos en el suelo con una superficie plana, como un bloque de madera, entre el núcleo y el martillo para minimizar la perturbación del suelo.

Además, una vez que el núcleo esté a mitad de camino en el suelo, coloque un segundo núcleo encima del primero. Coloque el bloque de madera encima del segundo núcleo y martillee suavemente el bloque hasta que el primer núcleo esté incrustado en el suelo con los bordes del núcleo aún visibles. Tenga cuidado de asegurarse de que el vóxel que se muestrea esté aislado de los límites y vóxeles vecinos antes de la recolección de muestras geoquímicas.

Para lograr esto, use espátulas de plástico seguidas de paletas manuales para recolectar muestras de suelo alrededor de núcleos de metal o polipropileno en bolsas de muestras geoquímicas etiquetadas, hasta que los núcleos se puedan quitar fácilmente. Retire los núcleos de polipropileno y cubra ambos lados con tapas de plástico rojas. Etiquete el núcleo vertical de polipropileno como V y el núcleo horizontal de polipropileno como H, seguido de la identificación de la muestra. Retire el núcleo metálico, cepille el exceso de material de ambos extremos y transfiera la muestra del núcleo a una bolsa de muestra de densidad aparente etiquetada.

Pese cada bolsa de muestra con la muestra y registre el peso total. Recoja el material restante del vóxel en la bolsa de muestras geoquímicas, dejando un par de centímetros de tierra en los cuatro lados para evitar la contaminación cruzada con el siguiente vóxel. Repita estos pasos para cada vóxel.

Inserte los núcleos para KSAT horizontal a medida que la cara lateral del vóxel se abre con la excavación secuencial. Use el bloque de madera y el segundo núcleo, como antes, para minimizar la compactación y recoja el núcleo de tierra. Aquí se muestra una vista esquemática tridimensional de los vóxeles del lisímetro del suelo a lo largo de la longitud, profundidad y anchura de la pendiente.

Aquí se muestra una vista esquemática de un vóxel a lo largo del plano XYZ del lisímetro con ejemplos de los tipos de núcleos recolectados. Estos núcleos se pueden ver en un vóxel representativo que muestra el núcleo microbiológico, los núcleos de conductividad hidráulica horizontal y vertical, un núcleo de densidad aparente y la muestra restante del vóxel que se utiliza para el análisis geoquímico. Aquí se muestra un mapa de calor de isopultas bidimensionales de muestras representativas de densidad aparente.

Los valores de densidad aparente se obtuvieron transfiriendo muestras a platos de pesaje de aluminio y secándolos en horno. Las celdas dejadas en blanco representan vóxeles en los que la recolección de muestras no fue posible debido a la presencia de sensores y la falta de espacio para acomodar núcleos de densidad aparente. Aquí se muestra un mapa de calor bidimensional de concentración de ADN.

En el caso de los núcleos microbiológicos, se submuestrearon dos gramos de suelo para extraer el ADN microbiano representativo de cada vóxel. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo excavar un lisímetro de suelo para la recolección intensiva de muestras hidrológicas, microbiológicas y geoquímicas. Se espera que este procedimiento produzca una visión significativa sobre los estudios del desarrollo del suelo y la evolución del paisaje.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que la estimación del tamaño del vóxel y la escala de la cantera determinará el tiempo y el esfuerzo necesarios para la recolección de muestras. La demostración visual de este método es fundamental, ya que el muestreo microbiológico, hidrológico y geoquímico debe realizarse de manera sistemática, sin destruir ni contaminar las muestras. Creemos que un esquema de muestreo intensivo nos permite capturar los efectos de escala en las propiedades hidroeléctricas, bioquímicas y geoquímicas de una manera muy fina y detallada.

La implicación de esta técnica, se centra en las posibilidades de llevar a cabo excavaciones similares, con el fin de observar y cuantificar diferentes aspectos del desarrollo del suelo y sus diferentes condiciones ambientales y escala. No hay que olvidar que las muestras microbiológicas deben excavarse con extrema precaución. Siga el procedimiento estéril, incluido el uso de guantes y mascarilla, para evitar la contaminación.

Las técnicas descritas son simples, repetibles y flexibles para adaptarse a múltiples preguntas de investigación. De este modo, se permite la implementación de diseños experimentales alternativos.