이 연구는 지하 수문, 지구 화학 및 토양 모형 매립의 미생물 학적 이질성을 조사하기위한 굴착 방법을 제시한다. 모형 매립은 균일 한 상태에서 처음이었고, 18 개월 기간에 관개의 팔 사이클을 통해 물을 약 5,000mm에 실시한 인공 hillslope을 시뮬레이션합니다.
방법 논문
이 연구는 지하 수문, 지구 화학 및 토양 모형 매립의 미생물 학적 이질성을 조사하기위한 굴착 방법을 제시한다. 모형 매립은 균일 한 상태에서 처음이었고, 18 개월 기간에 관개의 팔 사이클을 통해 물을 약 5,000mm에 실시한 인공 hillslope을 시뮬레이션합니다.
자연 경관의 지하에서 수문학적 및 생지화학적 과정의 공진화를 연구하는 것은 결합된 지구 시스템 과정에 대한 이해를 향상시킬 수 있습니다. 이러한 지식은 특히 기후 변화 시나리오에서 수력 생물지화학적 순환의 예측을 개선하는 데 필수적입니다. 우리는 초기에 균질한 토양 시스템의 지하 이질성을 포착하기 위해 고안된 실험적 방법을 제시합니다. 이 방법은 소규모 언덕 경사면을 시뮬레이션하도록 설계된 토양 용해계의 파괴 샘플링을 기반으로 합니다. 1입방미터 용량의 계량 라이시미터를 섹션(복셀)으로 나누고 각 복셀에서 하위 샘플을 수집하여 층별로 굴착했습니다. 굴착 절차는 토양의 수문학적, 지구화학적, 미생물학적 특성에 대한 공간적 평가에 중점을 두어 시스템의 초기 이질성을 감지하는 것을 목표로 했습니다. 테스트 된 몇 가지 물리 화학적 변수의 대표적인 결과는 이질성의 발달을 보여줍니다. 관찰된 패턴을 해석하기 위해 수문학적, 지구화학적, 미생물학적 시그니처 간의 상호 작용을 테스트하기 위한 추가 작업이 계획되어 있습니다. 우리의 연구는 또한 다양한 환경 조건과 규모에서 토양 발달의 다양한 측면을 관찰하고 정량화하기 위해 유사한 굴착을 수행할 수 있는 가능성을 보여줍니다.
토양과 풍경 역학은 물리, 화학 물질의 복잡한 상호 작용 및 생물학적 과정 (1)에 의해 형성된다. 물 흐름, 화학적 풍화 및 생물학적 활성은 안정된 생태계 2,3에 풍경의 전반적인 개발을 형성. 표면 변화가 풍경 (4)의 가장 눈에 띄는 기능, 수문, 지구 화학의 이해 누적 효과 및 미생물 학적 프로세스가 지하 영역에있는 동안 풍경이 모양 기본 힘을 이해하는 데 매우 중요합니다. 미래 기후 교란 시나리오는 더 풍경의 진화 (5)의 예측 및 패턴을 혼동. 이는 따라서 프리 스케일 (6) 상에 자신의 대규모 발현을 소규모 공정을 연결하는 도전된다. 전통적인 단기 실험실 실험 또는 일을 캡처 짧은 가을을 강제 알 수없는 초기 조건과 시간 변수와 자연 경관의 실험풍경 진화의 전자 고유의 이질성. 또한 의한 강한 비선형 결합, 이종 시스템 7 수문 모델링로부터 생화학 변화를 예측하는 것은 곤란하다. 여기, 우리는 알려진 초기 조건을 완벽하게 제어 및 모니터링 토양 hillslope을 발굴 할 수있는 새로운 실험 방법을 설명합니다. 우리의 발굴 및 샘플링 절차는 하이드로 생물 지구 화학적 상호 작용과 토양의 형성 과정에 미치는 영향을 조사하기 위해 포괄적 인 데이터 집합을 제공하는 것을 목표로, 길이와 깊이를 따라 hillslope의 개발 이질성을 캡처 대상으로합니다.
자연에서 발견 수문 시스템은 공간 및 시간 스케일 (3)의 넓은 범위에 걸쳐 일어나는 수문 응답의 변화, 시간의 정적 인 거리가 멀다. 풍경을 따라 흐름 경로의 공간 구조는 속도, 범위 및 드라이브 화학적 반응과 생물학적 식민지의 분포를 결정한다풍화, 전송 및 용질 및 퇴적물의 침전, 토양 구조의 발전. 따라서, 이론과 수문 예측을 문학적 과정을 평가하고 개선하기위한 실험 설계에 소아 학, 지구 물리학, 생태학에서 지식을 통합은 8,9를 제안하고있다. 가로 진화는 물 역학, 토양 개발 과정 원소 마이그레이션과 함께 미네랄 공기, 물 표면 미생물 (10)의 반응에 의해 초래 광물 변환에 의해 지하 생지 화학적 과정에 의해 영향을받습니다. 결과적으로, 진화하는 풍경 내에서 화학적 핫스팟의 개발을 연구하는 것이 중요하다. 또한, 복잡한 프리 개발의 역학을 이해하기 위해 초기 토양 형성시 수문 프로세스 및 미생물에 화학적 풍화 서명 패턴과 관련된 중요하다. 토양 기원의 특정 프로세스의 적용을받습니다특정 모재에 대한 기후, 생물 입력, 구호 및 시간의 결합 된 영향에 의해. 이 실험 조건 곳에서 (기울기 깊이 포함) 기복과 관련된 수문 및 화학적 변형에 의해 지배 모재의 풍화의 불균질성 및 환경 구배 (즉, 산화 환원 전위)에 의해 구동되는 미생물의 활동에 관련된 다양성을 해결하기 위해 설계되었다 부모 소재, 기후와 시간은 일정하게 유지된다. 미생물의 활동과 관련하여, 토양 미생물은 중요한 구성 요소이며 풍경의 안정성 (11)에 지대한 영향을 미친다. 이들은 토양 구조, 영양 생화학 순환하고 식물의 성장에 중요한 역할을한다. 따라서, 동시에 수문 흐름 경로와의 화학적 상호 우리의 효과를 확인하면서, 풍화 드라이버 토양 기원 및 프리 형성 공정 이들 유기체의 의미를 이해하는 것이 필요하다미생물 군집 구조 및 다양성에 athering. 이것은 누구의 수문 및 지구 화학적 특성 병렬로 연구되고있다 진화하는 풍경을 통해 미생물 군집의 다양성의 공간 이질성을 연구함으로써 달성 될 수있다.
여기서 우리는 바이오 스피어 2 (애리조나 대학)에 수납 된 풍경 진화 전망대 (LEO)의 대규모 제로 순서 유역 모델을 모방하기 위해 디자인 된 토양 모형 매립, 운영 체제라는 miniLEO의 발굴 절차를 제시한다. miniLEO 누적 이종 하이드로 생물 지구 화학 공정에서 발생하는 작은 규모의 풍경 진화 패턴을 파악하기 위해 개발되었다. 그것은 모형 매립 길이 2 m, 폭 0.5 m, 높이 1 m, 10 °의 경사 (그림 1)입니다. 또한 모형 매립의 벽은 절연 및 비 생분해 두 파트 에폭시 프라이머 및 잠재적 오염이나 용출을 방지하는 전체 충전 지방족 우레탄 코팅으로 코팅토양에 모형 매립 프레임에서 금속. 모형 매립 북부 애리조나 메리 엄 분화구와 관련된 후기 홍적세 테프라의 보증금에서 추출 짓 눌린 현무암 바위로 가득 차 있었다. 로드 된 현무암 재료는 더 큰 LEO 실험에서 사용되는 물질과 동일했다. 미네랄 성분, 입자 크기 분포, 및 유압 특성은 Pangle 등. (12)에 의해 설명되어 있습니다. 다운 슬로프 누출 얼굴이 뚫린 플라스틱 화면 (0.002-m 직경의 구멍, 14 % 다공성) 늘어서 있었다. 이 시스템은 물 테이블의 높이를 결정하기 위해 수분 함량 및 온도 센서가 물 전위 센서의 두 종류, 토양 수분 샘플러 유압 중량 밸런스, 도전성 프로브, 및 압력 센서와 같은 센서가 장착되어있다. 모형 매립은 발굴에 앞서 18 개월입니다 관개했다.
발굴은 접근 방식에 세심한이었고, 두 가지 질문에 대답을 목표로했다 : (1) 수문 무엇 화학적 및 미생물 서명 모의 강우 조건에 대하여 슬로프의 길이 및 깊이에 걸쳐 관찰 될 수있다 (2) hillslope 발생하는 하이드로 생물 화학적 프로세스 간의 관계 및 되먹임이 추론 될 수 있는지 개별 서명. 실험 설정 및 발굴 과정과 함께, 우리는 결합 된 지구 시스템 역학 및 / 또는 토양 개발 프로세스를 공부에 관심이 연구자 비슷한 발굴 프로토콜을 적용하는 방법에 대한 대표적인 데이터 및 제안을 제시한다.
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1. 모형 매립의 체계적이고 포괄적 인 샘플링을 확인하기 위해 샘플링 매트릭스를 고안

모형 매립 그림 1. 사이드보기. 삼출 FA에서 모형 매립보기가전. 또한 볼 수는 네 모서리의 기울기와 스프링클러 시스템에 따라 3 개의 센서 영역 (흰색 PVC 튜브)입니다.

Y가 20cm에 길이를 분할하는 동안 그림 2. 샘플링 계획. XYZ. 답 X 차원에 따른 모형 매립의 샘플링 방식은 4 섹션 10cm의 각각에 폭을 분할한다. B에 Z 치수는 깊이를 표시하고 9 층으로 분할되었다 10cm 깊이의. 모든 모형 매립의 가장자리를 따라 5cm의 경계가 잠재적 경계 효과를 나타낼 수 샘플 수집을 방지하기 위해 확인되었다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 3 D복셀의 imensional 표현입니다. 모형 매립의 XYZ 평면을 따라 복셀의 시각적 개략적. 전체 기울기가 하나의 샘플링 장치를 묘사 각 복셀로, 324 등의 복셀로 분할되었다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
2. 경사에서 트랙 물 침투에 브릴리언트 블루 FCF 염료를 추가
복셀 3. 분계선
4. 미생물 샘플 컬렉션

그림 5. 미생물학 샘플 수집. 20cm X 1cm, 멸균 가방, 주걱의 작은 휴대용 corer는 미생물 샘플링 동안 여기에 표시됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
5. 지구 화학 및 수 문학 샘플 컬렉션

그림 6. 색상 카드 침투 염색 따르십시오. 눈에 보이는 염료 침투와 각각의 위치는 기준이되는 색 카드와 함께 촬영했다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7. 휴대용 X-ray 형광 분광계. 휴대용 pXRF는 복셀의 표면에 위치. 측정은 각 복셀의 표면에 세 가지 사항을 기록하고 평균화 하였다.

도 8 벌크 밀도 및 수리 전도도 코어. 폴리 프로필렌 코어 (왼쪽)의 금속 코어 (오른쪽) 벌크 밀도 샘플을 수집하기 위해 사용되는 동안 수직 및 수평 수리 전도도 샘플을 수집 하였다.

그림 9. 복셀 경계. 플라스틱 퍼티 나이프는 분리 (A)에 사용되었다(B) 지구 화학, 벌크 밀도 및 수리 전도도 코어 컬렉션에 앞서 복셀의 경계. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 10. 대표 복셀. 빨간 줄이 핵심 미생물학 샘플 수집 나타냅니다 점선은 녹색 점선은 수평 유압 전도도 코어를 나타내고, 노란색 점선 수직 유압 전도도 코어를 나타내고, 보라색 점선은 벌크 밀도 코어 및 파란색 타원형의 경계를 나타냅니다 복셀에서 샘플을 남아있는 화학적 분석에 사용되는 나타냅니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
6. 샘플 분석
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복셀의 크기는 수 문학, 지구 화학적 및 미생물 학적 측정을위한 샘플 수집을 보장. 발굴 과정은 미생물 분석을위한 324 코어, 972 pXRF 데이터 포인트, 324 지구 화학적 샘플 가방, 180 수능 샘플 (세로 128, 52 수평), 311 벌크 밀도 샘플을 얻었다. 브릴리언트 블루 염색 우선적 흐름은 표면 아래로 30cm 깊이까지 관찰 하였다. 모형 매립의 단일 수직 조각 81 샘플의 대표적인 세트는 예비 분석을 위해 선택되었다. Y 및 Z의 복셀은 0-8에서 원거리 동안 선택된 샘플은 슬로프에 X = 2 위치에서 있었다. DNA 농도, 부피 밀도 및 pXRF의 Fe (철) 및 Mn (망간) 측정에서 예비 결과는 2-D 플롯 (그림 11)에 isopleth 히트 맵 여기에 표시됩니다.
벌크 밀도 측정 예비 분석 (
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가로 진화는 문학, 화학적 및 생물학적 과정 (12)의 누적 효과입니다. 이러한 프로세스는 풍경을 진화의 흐름과 물과 요소의 수송 및 생지 화학적 반응을 제어 할 수 있습니다. 그러나, 상호 작용을 캡처하는 동시에 정밀하게 조정 된 실험 설계 및 표본 추출이 필요합니다. 또한, 초기 풍경 진화를 연구하는 것은 "시간 제로"상태를 식별하기 위해 제한된 기능으로, 자연 시스템에 어렵다. 문학 관개 및 발굴의 필드 기반의 접근 방식은 그레이엄 등. (24)와 앤더슨 등에 의해보고되는 동안 식물의 뿌리 밀도 (23)을 측정하기 위해 실시 된 한 파괴적인 모형 매립 연구를보고합니다. (25) 그러나, 연구 것도 문학 공부하는 방법을 포함하지 시뮬레이션 풍경 -geochemical - 미생물 학적 이질성. 본 연구의 주요 구성 요소는 확인했다 그 규모 웨스턴 오스트 레일 리아실험과 선택된 규모의...
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저자는 공개할 것이 없습니다.
발굴 작업에 도움을 준 Ty P.A. Ferré, Till Volkman, Edwin Donker, Mauricio Vera, 그리고 표본 분석에 도움을 준 Triffon J. Tatarin, Manpreet Sahnan 및 Edward Hunt에게 감사드립니다. 이 작업은 애리조나 대학의 Biosphere 2에서 수행되었으며 National Science Foundation 보조금 EAR_1344552 및 Biosphere 2의 명예 연구 프로그램의 자금 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 측정 테이프 | Any | Any 샘플의 교차 오염을 방지하는 것이 중요합니다. 따라서 복셀 경계를 격리하기 위해 여러 개의 퍼티 나이프를 사용하는 것이 도움이 됩니다. | |
| 브릴리언트 블루 염료 | Waldeck GmBH & 공동 | B0770 | 눈금자를 사용하여 그리드를 그릴 수 있습니다. 표본추출 전략은 개별 실험에 따라 수정할 수 있습니다. |
| 토양 코어: | AMS | 56975 | 상업적으로 제조된 모든 브릴리언트 블루 염료를 사용할 수 있습니다. |
| 75% 에탄올 | Any | A Nikon D90 카메라와 50mm 렌즈가 사진 촬영에 사용되었습니다. 이를 위해 모든 고해상도 카메라와 렌즈를 사용할 수 있습니다. | |
| 스프레이 병: | 염료 | 및 컬러 카드의 모든 사용은 개별 실험 및/또는 연구 질문에 따라 주관적으로 달라질 수 있습니다. | |
| 주걱 | Any | 코어러의 취급이 지루하게 되는 경우 모든 원예 장갑을 사용할 수 있습니다. | |
| 장갑 | 어떤 | 모든 | Ensure 미생물학 샘플은 샘플링하는 동안 얼음에 보관하고 가능한 한 빨리 냉동합니다. |
| KimWipes | KimTech Science | Any | Water는 에탄올로 살균하기 전에 토양 코어를 세척하는 데 사용할 수 있습니다. |
| 멸균 샘플 백 | Fisher Scientific | Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ | 폐흙을 쉽게 제거할 수 있도록 양동이와 쓰레받기를 가까이에 두십시오. |
| 컬러 카드 | , Any | Any miniLEO의 원래 디자인에는 lysimeter에 다양한 센서가 내장되어 있습니다. 이러한 센서는 개별 실험 설계의 범위에 따라 필요하거나 필요하지 않을 수 있습니다. | |
| X-선 플루오레시스 분광광도계 | XRF, OLYMPUS | DS-2000 델타 XRF | |
| 폴리프로필렌 코어 | 어떤 | 어떤 | |
| 금속 코어든지 | 어떤 | ||
| 캡 | 모든 | 모든 | |
| 망치 | 어떤 | 모든 | |
| 플라스틱 퍼티 나이프 | Any | 모든 | |
| 안면 마스크 | 모든 | 어떤 |
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