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Environment

結合水文学、地球化学、および微生物学的調査のための土壌ライシメータ発掘

doi: 10.3791/54536 Published: September 11, 2016

Summary

本研究では、地下水文学、地球化学、および土壌ライシメータの微生物学的異質性を調査するための掘削方法を提示します。ライシメータは、均一の条件で最初にあったと18ヶ月の期間中に灌漑の8サイクルにわたって水の約5000ミリメートルを施した人工hillslopeをシミュレートします。

Introduction

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土壌や風景ダイナミクスは、物理、化学物質の複雑な相互作用、及び生物学的プロセス1により成形されます。水の流れ、地球化学的風化、および生物学的活性は、安定した生態系2,3に風景全体の発展を形作ります。表面変化が景観4の最も顕著な特徴であるが、地下領域における水文学、地球化学、および微生物学的プロセスの累積的影響を理解することは景観2を形作る基礎となる力を理解するために重要です。将来の気候摂動シナリオは、さらに景観進化5の予測可能性やパターンを混乱させる。したがって、景観スケール6上での大規模な症状に小規模なプロセスをリンクすることが課題となります。伝統的な短期室内実験や目をキャプチャするには、短い秋を強制的に未知の初期条件と時間変化と自然景観での実験風景の進化の電子固有異質。また、強い非線形結合のために、それは異機種システム7に水文モデリングから生物地球化学的変化を予測することは困難です。ここでは、既知の初期条件と完全に制御および監視土壌hillslopeを掘削するための新規な実験方法を説明します。私たちの発掘及びサンプリング手順は、ハイドロバイオ地球化学的相互作用と土壌形成過程への影響を調査するために総合的なデータセットを提供することを目標に、その長さと深さに沿ってhillslopeの開発異質を取り込むことを目的としています。

自然界に見られる水文システムは、空間的・時間的スケール3の広い範囲にわたって行わ水文応答の変化と、時間的に静的であることから遠く離れています。景観に沿った流れ経路の空間構造は、ドライブ地球化学反応や生物学的植民地化の速度、程度及び配分を決定します風化、輸送、溶質および沈殿物の沈殿、および土壌構造のさらなる発展。したがって、水文プロセスを評価し、水文予測を改善するために、理論と実験デザインに土壌学、地球物理学、および生態から知識を組み込むことは8,9示唆されています。ランドスケープの進化は、水力学、土壌の発達中の元素の移行に関連して、および空気と鉱物表面の反応、水、および微生物10によってもたらさ鉱物学変換によって地下生物地球化学的プロセスによって影響を受けます。したがって、進化する風景の中に地球化学的ホットスポットの開発を検討することが重要です。さらに、複雑な景観開発のダイナミクスを理解するために初期の土壌形成時の水文過程および微生物学の署名に地球化学的風化パターンを関連付けることが重要です。土壌起源の特定のプロセスが管理されています特定の親材料に対する気候、生物学的な入力、救済と時間を合わせた影響で。この実験は、どこの条件下で(スロープおよび深さを含む)の救済に関連した水文学と地球化学的変化によって支配母材の風化や環境勾配によって駆動され、微生物の活動の関連する変動( すなわち 、酸化還元電位)で不均一に対処するために設計されました母材、気候や時間が一定に保たれます。微生物活性に関しては、土壌微生物は重要なコンポーネントであり、景観の安定性11に大きな影響を持っています。これらは、土壌構造、栄養素の生物地球化学的循環、および植物の成長に重要な役割を果たしています。したがって、同時に水文流路と地球化学の我々の逆数影響を特定しながら、風化のドライバー、土壌生成、および景観形成プロセスとしてこれらの生物の重要性を理解することが必要です微生物群集の構造と多様性にathering。これは、水文学と地球化学的特性も並行して検討されている進化する風景の上に微生物群集の多様性の空間的不均一性を研究することによって達成することができます。

ここでは、バイオスフィア2(アリゾナ大学)に収容された風景の進化天文台(LEO)の大規模なゼロ次流域モデルを模倣するように設計された土壌のライシメータ、運用という名前miniLEO、の掘削手順を提示します。 miniLEOは累積異種のハイドロバイオ地球化学的プロセスから生じる小規模な景観の進化のパターンを識別するために開発されました。これはライシメータ長さ2メートル、幅0.5メートル、高さ1メートル、および10°の傾き( 図1)です。さらに、ライシメータの壁は絶縁および非生分解性の二液型エポキシプライマーおよび潜在的汚染または浸出を回避するために集合充填脂肪族ウレタンコートでコーティングされています土壌へのライシメータフレームからの金属の。ライシメータは、アリゾナ州北部にメリアムクレーターに関連した後期更新世テフラの堆積物から抽出された破砕玄武岩を充填しました。ロードされた玄武岩材料は、はるかに大きいLEO実験に使用される材料と同一でした。鉱物組成、粒子サイズ分布、油圧特性がPangle 12に記載されています。下り坂浸透面はあきプラスチックスクリーン(0.002-メートルの直径の孔、14%の気孔率)が並んでました。システムは、地下水面の高さを決定するために、含水量および温度センサー、水ポテンシャルセンサの2つのタイプ、土壌水サンプラー、油圧重量バランス、電気伝導プローブ、および圧力変換器などのセンサが取り付けられています。ライシメータは、掘削に先立って18ヶ月間灌漑ました。

掘削は、そのアプローチに細心のあった二つの大きな疑問に答えることを目的としました。(1)水文学もの、地球化学的、微生物署名模擬降雨条件とに対して傾斜面の長さと深さにわたって観察することができる(2)hillslopeで発生ハイドロ生物地球化学的プロセスとの関係とフィードバックから推定することができるかどうか個々の署名。実験のセットアップおよび掘削手順と並んで、我々は結合された地球システムのダイナミクスおよび/または土壌の開発プロセスの研究に興味を持って研究者のための同様の発掘・プロトコルを適用する方法に関する代表的なデータや提案を提示します。

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Protocol

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1.ライシメータの体系的かつ包括的なサンプリングを確保するためのサンプリングマトリックスを考案

  1. 固定長さ、幅、深さのボクセルにライシメータ分割します。
    1. 座標系ユークリッド空間を使用し、等間隔の適切な数に各方向(X、YおよびZ)に沿った総距離を分割。境界効果を避けるために、ライシメータの壁の近くに土を捨てることを検討してください。
      注:収集された土壌の量が十分であることを保証しながら四方の壁に沿って5cmのバッファは、境界効果を避けるために、この実験で採用されています。
    2. 各サンプルに一意のXYZの位置を割り当て、ボクセルとして特定します。
      注:この掘削では、Xは、斜面の幅に沿った位置を表し、Zは、斜面の深さに沿った位置を示し、一方、Yは、斜面の長さに沿った位置を表します。各ディメンション内の間隔の大きさは、ボクセルの幅、長さ、深さを決定します。Figure 2はXYZシステムの選択された原点と一緒にスペーシング間隔を決定した後ライシメータの分裂を示しています。現在の掘削方式で分割を10cm×20 cmのX 10cmの寸法( 図3)の324ボクセルの合計を生成し、YおよびZ方向の双方に沿って9時間間隔、X方向に沿って4区間を有します。
      注:選択したサンプリング戦略は、システム全体が均等にセンサーへの最小限のダメージでサンプリングされることを保証します。各ボクセル(1-2センチ)の境界は、隣接するボクセルから交差汚染を制限するために破棄されます。また、ボクセルの大きさは、十分な土壌物質は、各ボクセル内の微生物学、地球化学、および水文サンプル収集のために利用可能であることを確認してください。

図1
ライシメータの図1.サイドビュー。浸透FAからのライシメータの眺めCE。また、可視四隅スロープやスプリンクラーシステムに沿って3つのセンサ領域(白PVC管)があります。

図2
Yは20センチメートルに長さを分割しながら、 図2.サンプリングスキーム。XYZ。A.ザ・X次元に沿ったライシメータのサンプリング方式は、4つのセクション10cmのそれぞれに幅を分割する。B.ザ・Z寸法は、深さを示し、9層に分けました10cmの深さの。すべてのライシメータの縁に沿って5cmの境界は、潜在的に境界効果を発揮することができるサンプルの収集を防ぐために同定された。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

図3
図3.三次元ボクセルのimensional表現。ライシメータのXYZ面に沿って1ボクセルの視覚的概略図。全体の傾きは、単一のサンプリング部を描いた各ボクセルに、324などのボクセルに分割した。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

2.斜面に水浸透を追跡するブリリアントブルーFCF染料を追加

  1. Y方向に沿った面の上部105センチメートルをカバーするのに十分な、土の表面に鮮やかな青色色素を適用します。プラスチックシートと残りの土をカバーしています。
    1. 黒玄武岩質土壌に対してコントラストを保証するために(ここでは10グラム/ L)の濃度を選択してください。灌漑システムタンクに染料を追加し、所望の濃度に水で希釈します。
    2. 浸潤前線の所望の深さや灌漑システムによって供給されたレートに基づいて灌漑の持続時間を決定します。
      注:この研究のために、私前の掘削に20分間、30 mm / hrのrrigation率( 図4)は、最初の数センチメートルの間の水の浸透の不均一パターンを識別するために十分であると考えられます。
    3. 色素塗布後、浸潤が停止するとライシメータ内の水分状態が平衡化するための時間を与えます。この研究のために、染料のアプリケーションと掘削の間に10時間(一晩)の期間は適切でした。

ボクセルの3分界

  1. ボクセルの境界の間、指導のためのin-situ基準システムを提供するために、スロープの長さに沿ってテープを測定取り付けます。
  2. 測定テープの助けを借りて各土壌ボクセルの寸法をマークします。アルミブレードシールドとプラスチックパテナイフ( 図4)を使用して各レイヤのグリッド線を描画します。境界材料(境界効果を防止するために、各壁から5センチ)捨てます。


ライシメータの図4.トップビュー。このビューでは、レイヤ2(10センチメートル深い)の染色された表面を示しています。サンプリングを支援するために土壌表面に描かれたグリッドは、微生物学的サンプル採取後の各ボクセルでのコア穴領域と一緒に、また表示されます。

4.微生物のサンプル採取

  1. 各ボクセルから前に水文学と地球化学に無菌的に微生物学のサンプルを収集するには、サンプルの交差汚染を防止するために分析します。新しい手袋をヒトの皮膚からの汚染を減らすために掘削を行うすべてのメンバーが着用していることを確認します。
  2. 直径1cm、20センチ、高さ、および微生物学的サンプル収集のための薄いへらの土壌コアラを使用してください。コアラや蒸留水でへらを清掃し、清潔なワイプで水分を拭き取り、スプレーボトルを使用して、75%エタノールですすいでください。空気乾燥さコアラやへらを許可します。
  3. C注各サンプルのollection時間。各ボクセルの場所で10cmの深さ、および予め滅菌プラスチックバッグ( 図5)に土壌サンプルを空にするためのへらをコアにコアラを使用してください。サンプルを堆積する直前に袋を開くように注意してください。手でサンプルパウチを均質化します。
  4. サンプリング中クーラー氷のサンプルバッグを保管、およびCの冷凍庫-80に、できるだけ早く転送します。

図5
図5.微生物のサンプル収集。×1センチ、滅菌バッグ20cmの小型携帯コアラ、スパチュラは微生物学的サンプリング時にここに表示されます。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

5.地球化学と水文サンプル採取

  1. XとY PLで写真染め地域色素が観察された深さのための掘削中にanes。色観察した( 図6)のための基準を提供するために、色のカードを使用してください。適切な自然光が正しく色強度を文書化する存在であることを確認してください。
  2. 測定を開始する前に、毎日のポータブル蛍光X線分光計(pXRF)を調整します。キャリブレーションおよび測定の詳細については、製造元の指示13( 図7)を参照てください。簡単に言えば、ホルダーに楽器を配置し、工場出荷時の金属ビーズに直接ビーム窓を指します。 「カル」を選択し、キャリブレーションが完了することができるようにするために30秒間待ちます。
    1. すべての測定を行う前に、ビーム窓を清掃してください。 3つの異なる場所で三連の各ボクセルの表面を測定します。土壌表面にpXRF器を配置し、測定が完了することができるようにするために90秒間待ちます。
      注:X線ビームの方向に長い距離を貫通することができます。したがって、ensu唯一の訓練を受けた担当者が機器を処理し、適切な安全プロトコルを維持していることを再度。

図6
図6.カラーカードは、浸潤を染める従うこと。目に見える染料浸透との各位置は、基準となる色のカードで撮影した。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

図7
図7.ポータブル蛍光X線分光計。ハンドヘルドpXRFは、ボクセルの表面上に配置します。測定は、各ボクセルの表面上の3つの異なる位置に記録した後、平均化しました。

  1. きれいな金属コア(高さ= 3センチ、直径= 5.7センチメートル)とポリカーボネートコ解像度(高さ= 6センチ、直径= 5.7センチメートル)をそれぞれ希望するボクセルの嵩密度(BD)と油圧伝導率測定用(KSAT)、( 図8)。
  2. 垂直方向センサーやセンサーの配線を損傷しないように注意しながら希望のボクセルに金属コアとポリカーボネートコア(垂直KSAT)を挿入します。土壌に乱れを最小限にするために、コアとハンマーの間に木のブロックのような平らな面を使用するように注意しながら、静かに土にコアを打撃することによってこれを行います。コアは、土壌中に途中で一度に加え、第一コアの上に第二のコアを配置します。第二コアの上に木製のブロックを置き、静かに最初のコアはまだ目に見えるコアリムと土壌中に埋め込まれるまでブロックをハンマー。
  3. ボクセルの側面は、順次掘削で開くように、水平KSATのためのコアを挿入します。ステップ5.4で述べたように圧縮を最小限にするために木製のブロックと第2のコアを使用してください。
  4. ボクセルことを確実にするために注意してくださいサンプリングされると、前の地球化学的試料採取の境界と隣接するボクセルから単離されます。コアが容易に除去することができるまで、ラベルされた地球化学(GC)サンプルバッグに金属やポリプロピレンのコアの周りの土壌サンプルを収集するために手持ちこて続いて、この目的のためにプラスチックパテナイフを使用し( 例えば図9a、b)に

図8
図8嵩密度と透水コアポリプロピレンコア(左)金属コア(右)嵩密度のサンプルを収集するために使用しながら、垂直方向と水平方向の透水サンプルを収集するために使用しました。

図9
図9.ボクセル境界。プラスチックパテナイフは、(A)単離するために使用しました(B)地球化学、嵩密度、および透水コアコレクションの前にボクセルの境界。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

  1. 、金属コアを取り外し両端から過剰な材料をはねのける、および標識されたBDのサンプルバッグにコアからサンプルを転送します。サンプルと各サンプルバッグの重量を測定し、総重量を記録します。
  2. ポリプロピレンコアを削除します。赤いプラスチック製のキャップで両面を覆い、「H」は、サンプルのIDが続くように「V」と水平ポリプロピレンコアとして垂直ポリプロピレンコアにラベルを付けます。
  3. 次のボクセルと交差汚染を防ぐためにすべての4つの辺に土壌のセンチのカップルを残して、GCのサンプルバッグにボクセルから残りの材料を収集します。
  4. 1層内のボクセルの残りのステップから5.9から5.1を繰り返します。
  5. いったん1層からの全てのボクセルはされています完了し、次の層のために3.2から5.10へのステップを繰り返します。
    注:のみ可視色素を持つボクセルに対して実行する5.1ニーズをステップ。各ボクセルから収集されたすべてのサンプルを強調ボクセルの代表的な図を視覚化するために、図10を参照してください。

図10
図10.代表的ボクセル。赤線がコア微生物学サンプルのために収集示し点線、緑の破線が水平透水コアを示し、黄色の破線が垂直透水コアを示し、紫の破線は、バルク密度コア、および青色の楕円形の境界を示します地球化学的分析のために使用されているボクセルからの残りのサンプルを示します。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。 </ P>

6.サンプル分析

  1. 微生物学のために収集し使用したサンプルは、分子(土壌微生物のDNA抽出)のために14培養(従属栄養プレートカウント)15分析を分析します。使用は、定量的ポリメラーゼ連鎖反応(定量PCR)16、およびハイスループット遺伝子配列決定実験17,18のためのDNAを抽出しました。
  2. 地球化学のために収集し使用したサンプルは、pH値(米国EPA法150.2)、電気伝導度(EC)(US EPAメソッド120.1)、炭素および窒素含有量(米国EPA方法415.3、エレメント19の逐次抽出を含めた地球化学的特性の多くを測定するために分析し、およびX線回折(XRD)、スタンフォード放射光研究所の仕様に従って、拡張X線吸収微細構造(EXAFS)分光法は、鉱物の変換を調査します。
  3. このような嵩密度20などの研究実験用水文解析のために収集したコアサンプルを使用しますそして、透水係数21。

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Representative Results

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ボクセルの寸法は、水文地球化学、および微生物学的測定のためのサンプルの収集を確実にしました。掘削手順は、微生物学的分析のために324コア、972 pXRFデータポイント、324地球化学試料バッグ180 KSATサンプル(128垂直および52水平)、および311嵩密度のサンプルを得ました。ブリリアントブルー染料の優先的な流れは、表面下に30cmの深さまで観察されました。ライシメータの単一の垂直スライスから81のサンプルの代表的なセットは、予備的な分析のために選択しました。 YとZのボクセルは0-8の範囲でありながら、選択されたサンプルは、斜面上のX = 2の位置からのものでした。 DNA濃度、嵩密度、およびpXRFのFe(鉄)とMn(マンガン)の測定値からの予備結果は、2次元プロット( 図11)上の等値線ヒートマップとしてここに提示されています。

嵩密度の測定の予備的分析( -3の最深3層(70〜100センチメートル)は1.5に1.4のかなり高い値を有していながら、グラムcm -3程度の最低値を有することを示しました。嵩密度も浸透面に斜面上部から増加しました。システムの圧縮だけでなく、流れを収束によって運ばれる粒子の蓄積が今度はより深い層で、かつ浸透面で観察高い嵩密度の値を説明することができ、土壌の単位体積当たりの土壌粒子、より多くの量をもたらすことができます。水の流れとスロープダウン細かい粒子の移動の可能性が潜在的にローカル環境を変更し、観察されたパターンを説明することができます。

微生物DNAは、代表的なコアから抽出しました。回収されたDNAの濃度は、不均一であり、検出限界以下のものから乾燥土壌の30 ngの/ gと高い範囲でした。最高の平均濃度一方向ANOVAは、この層に有意に高い濃度を示して層Z = 3(20〜CM)に局在していた(P = 0.013、α= 0.05)。 YスケールY = 8(ライシメータの長さに沿って160〜180センチメートルを表す浸透顔領域)に沿った平均濃度が最高値を記録しました。しかし、一方向ANOVAは、長さ方向に沿って(α= 0.05)に有意ではなかったです。層Z = 6(50〜60センチメートル)における単一のボクセル= 6層Zは、平均して低いDNA濃度を持っていたにも関わらず、高濃度を記録しました。他の地域の大半は土壌の2-10 ngの/グラム( 図11B)の範囲の濃度を記録しました。したがって、微生物の存在が斜面の長さに沿ってよりライシメータの深さを横切ってより不均一であることが表示されます。予備的な分析から、層Z = 3は、より高い微生物の存在を示しました。断続的な好気性・嫌気性ポケットとの潜在的な酸化還元境界ゾーンが存在を助長する環境条件を得、この層に存在していることそれは可能性があります通性好気性と嫌気性微生物の両方の。 DNA回収パターンもより深い層に高および低濃度のパッチを示しました。比較的高い濃度が断続的におそらくこの領域での粒子の堆積、つま先勾配で観察されました。検出限界以下のDNA濃度を有する領域は、検討中のシステムは非常に貧栄養であるという事実に起因する低いバイオマスポケットを明らかにする。総微生物群集の明確な理解は、細菌、古細菌、真菌集団とハイスループット遺伝子配列決定分析の定量PCR定量化を含むさらなる実験で達成されます。

定性的総元素FeとMnの濃度は、類似したパターン(それぞれ11 CDを 図)を示しました。両方の要素については、より高い濃度は、ミッドスロープ、およびつま先スロープの表面に観察されました。 T彼はおそらく、要素の溶解は斜面上部で発生することを意味します。溶存イオンや微粒子はその後、潜在的に斜面を流下し、下側のスロープで沈殿または預金することができます。しかし、鉄濃度は、Mnの濃度よりも高い変動性を示しました。 Mnは1.12から1.28 mgのキロの範囲であった一方でFeが、80から94ミリグラムキロ-1の範囲であった-1。母材は、一般的に均一であったので、ボクセルあたりのFe濃度が大きく変動は、空気と水と鉄の反応を風化からの動員および第二相の析出に起因します。高いバイオマス値により示唆されるように下位層と浸透面において観察された高バイオマスパッチは二次鉱物の蓄積と相関し得るのに対し、全体の斜面を横断面で観察されるより低いDNA濃度は、一次鉱物(玄武岩)を利用するchemoautotrophsの低い能力を示すことができます(Z = 3、Y = 8)上昇かさ密度及びMn濃度に相当します。このパターンは独立栄養微生物による二次鉱物( 例えば 、水酸化鉄)の潜在的な析出を示唆しています。微生物多様性の未来のプロファイリングは、さらに観察された関係を解明します。実際、文献は風化によって誘発される減少した基板は、微生物22のための代謝と成長の入力として作用する、貧栄養火山灰の玄武岩質メディア上の限られた微生物の成長を報告します。中間傾斜領域の中間層で観察された高い元素応答はまた、この領域での酸化還元境界の形成を反映し得ます。

図11
11. 二次元等値線ヒートマップ 。 (A)嵩密度バルク。密度値は、皿を秤量アルミニウムにサンプルを移すことによって得られ、105℃で48時間のためにそれらを乾燥オーブンました。空白に残った細胞は、サンプル収集がpではありませんでしたボクセルを表しますセンサーの存在と空間の不足のために嵩密度コアを収容するためossible。(B)DNA濃度は微生物学のコアについては、土壌の2グラムは、微生物のDNA、各ボクセルの代表を抽出するために、サブサンプリングされた。(C)元素Feおよび(Dを)元素のMnは、Fe及びMnを元素分析については、81サンプルの合計pXRFデータは、三連で測定しました。各ボクセルの各要素の平均値を算出し、プロットした。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

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景観の進化は、水文地球化学的、および生物学的プロセス12の累積的な効果です。これらのプロセスは、風景を進化における流れと水と要素の輸送、および生物地球化学的な反応を制御します。しかし、同時に相互作用を捕捉することは、正確に調整された実験計画とサンプリングが必要です。また、初期の風景の進化を研究することは「時間ゼロ」状態を識別するための制限された機能で、自然のシステムでは困難です。文学は、灌漑や発掘の場ベースのアプローチはグラハム 24及びAnderson によって報告されている間、植物の根密度23を測定するために実施した1破壊的ライシメータの研究を報告します。25しかし、研究のいずれも、水文学を研究するための方法が組み込まれていませんシミュレートされた風景の-geochemical-微生物学的異質。我々の研究の重要な要素は、そのスケールWAを確保することでした実験は、選択されたスケールの不均一性を確実にするために選択されたサンプリング手順のために定義されたのは、効率的に捕捉しました。地球システムプロセスを研究し、水文学26、地球化学27、および微生物学28のそれぞれの分野の研究者によって指摘されているときにスケールの質問は特に重要です。本研究で概説した方法論は、同時に、個々の研究課題に応じてプロトコルを変更するための柔軟性を提供しながら、私たちの研究課題に関連するハイドロgeochem-微生物学的プロセスの範囲を検討することを目的とします。

我々の予備的な代表的な結果は、均質な出発環境は異種の性質を開発することを示唆しています。かさ密度の結果は、T内の流れのプロセスに起因する微粒子の蓄積の結果を表す可能性がある、近い浸透面のより深い層に高い値を有する領域の存在を示します彼ライシメータと同様に湿潤土の重ね重量によって生じる圧密。これら二つの仮説は、追加パラメータの調査で明らかにされることがあります。たとえば、ボクセルの粒径分析を行うことにより、粗い粒子対細かいの実際の比率を得ることが可能です。予備全FeとMn濃度は、掘削前のライシメータに、いくつかの散水サイクルを適用した結果として、元素の溶解及び再沈殿の発生を示します。このような結果は以下の2つの方法で説明することができる:(1)水は、FeとMnに富む粘土と細かいサイズの粒子を、転位彼らは、これは物理的な動きは、化学物質よりも重要であることを前提として(下斜面29に蓄積することができスロープダウン反応); (2)水は例えばFeやMn等の微粒子と水溶性の微量イオンを、溶解し、斜面下部に沈殿する(このシナリオでは、化学反応が主な駆動力である前提)。 Cのために元素不安定性のメカニズムonfirm、より多くの証拠が必要です。 DNA濃度の測定は、ライシメータにおける微生物の生活の不均一な分布を確認します。玄武岩hillslopeの低栄養状態にもかかわらず、微生物の生命の存在を検出する能力は、貧栄養条件下での微生物のコロニー形成が可能であることを示しています。この知見はに関する仮説に対処するために必要とされている玄武岩でホストされている微生物群集と火山性土30、海底31、および熱帯流域各ボクセルに存在する微生物多様性の32 .Further分析などの多様な環境での同時生物学的に媒介風化の報告と一致しています風化過程への微生物の潜在的な貢献。私たちのサンプルと結果の完全な分析の際に、我々は初期の地形発達の間に起こる、水文地球化学、および微生物学的相互作用を解釈することができるようになります。

ntentは ">この記事で紹介した方法論は、より多くのステップの提案ではなく、水文学や生物地球化学的相互作用を探索するために土壌ライシメータを掘削するための剛性のスキームである。いくつかのステップは、多かれ少なかれ研究の目的に応じて関連するかもしれない。それはありますまた、このような掘削を行うのに必要な時間を強調することが重要。私たちの掘削は、仕事の数日の間に1または2他の人の最終的な添加で、すべての回で3人のチームを必要とした。掘削は、毎日の作業で、10日間続きました時間の制約を考慮する際、慎重に意図された手順を選択するため、8〜10時間の間の範囲の時間が非常に重要です。また、プロトコルに概説され、いくつかのステップは。中に求められて発掘や研究の質問の成功に不可欠です染料のアプリケーション、特別なケアは、染色されていないままにマークされている領域がleakiから色素を防ぐために適切に覆われていることを確実にするように注意しなければなりません染色されていない領域にngの。ボクセルサイズの良好な推定はまた、この実験の成功に不可欠です。ボクセルサイズは、サンプル収集の規模を決定する:ボクセルの数が多いほどボクセルの数が少ないと粗いサンプル分解能とは対照的に、慎重に各ボクセルを掘削で過ごした時間の増加のコストで、より細かいサンプル分解能を意味します。手持ちこてとプラスチックパテナイフを使用して、サンプルの交差汚染を防止することの両方の微生物学的および地球化学試料収集と分析のために、また非常に重要です。

プロトコルの修正数を調査質問に基づいて、行うことができます。まず、スケールの質問を参照すると、1は、プロトコルがここで説明または粗いスケールを選ぶよりも細かいサンプリング戦略を開発するために選択することができます。しかし、この実験のために選択されたスケールは、私たちがhillslopeに重要な物理的、化学的および生物学的不均質をキャプチャしていることを確認します。これらのchoicESは、研究の質問が出に基づいて行われるように構成することができるhillslopeまたはライシメータの規模を持っている、と物流は、分析を実施します。第二に、多くのこのようなミニlysimetersは、土壌・開発プロセスを研究するように設定することができます。同じ親の材料を持っていますが、スロープ、降水量、温度などに関して異なる方法で処理されhillslopesに様々降水レジーム、または土壌断面の開発にさらされたとき、例えば、研究者らは、異なる土壌の材料の風化を見てみたいことがありまた、研究の期間はまた、研究課題や研究に基づいて修正することができる時間的ライシメータの破壊的な発掘が続く同一のlysimetersを構築することができます。

第三に、植生は水文学の流路、地球化学的風化、および微生物群集の発達上の植物の成長の効果を研究するために導入することができます。

また、再代わりに、発達段階に焦点を当てたの、既存のプロセスや景観の特徴を勉強したいサーチャーは、自然の中での土壌モノリスに本手法を適用することができます。従来の土壌取り付け手順は、目的の明確に定義された領域にモノリスの分割に続いて、土壌モノリスを得るために従うことができます。このアプローチは、現場でlysimetersの激しく破壊的サンプリングを行うことに関連する制限を克服することができます。選択されたセクションでは、その後、モノリスに特有の、水文地球化学、および微生物学的特性を観察するために、同様の方法で出土することができます。

この方法の制限は、センサの近くに配置されたボクセルからすべてのサンプルセットを取得しています。 hillslopeの一部の地域で事前組み込みセンサーは水文学的サンプルの収集を防ぎます。さらに、これらの場所からのセンサが存在するため、優先流路、いくつかのサンプルの影響を打ち消すために廃棄しました。また、掘削が相の間に3日間の間隔で、10日間にわたって2段階で行いました。注意が掘削相間露出面を覆うように注意しながら、露出された層は、潜在的により変化蒸気圧および酸化条件に改変された微生物の活性を示すことができました。この長さの発掘は、順番に、追加の時間に敏感な変化を導入する可能性がある、このように時間がかかります。

、水文地球化学、および微生物学的プロセスに影響を受けたよう景観異質性をキャプチャすることが課題です。お互いにこれらのプロセスの相乗効果は、複雑さを化合物。シミュレートされたこのスケールで発表風景や強度の発掘は新規です。いずれかのサンプルの完全性を損​​なうことなく、水文地球化学、および微生物学的サンプルの収集を調整する能力は、学際的なのを行うための優れたアプローチを提示します地球システムプロセスのtudies。概説技術は、それによって代替実験計画の実施を可能にする、複数の研究課題に対応するために、単純な反復可能、かつ柔軟です。この方法の将来の結果は、地球システムのダイナミクスの複雑な質問に答えるために景観進化の理論的枠組みやモデルの開発、潜在的に含んでいてもよいです。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Measuring tape Any Any Preventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary.
Brilliant Blue dye Waldeck GmBH &Co  B0770 Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments.
Soil Corer AMS 56975 Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used.
75% Ethanol Any Any A Nikon D90 camera and 50 mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose.
Spray Bottle Any Any Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions.
Spatula Any  Any Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious.
Gloves Any  Any Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible.
KimWipes KimTech Science Any Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol.
Sterile Sample bags Fisher Scientific  Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil.
Color Card Any Any The original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design.
X-ray Fluoresce Spectrophotmeter XRF, OLYMPUS DS-2000 Delta XRF
Polypropylene cores Any Any
Metal cores  Any  Any
Caps for polypropylene cores Any Any
Hammer Any  Any
Plastic putty knives Any  Any
Face masks Any  Any

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結合水文学、地球化学、および微生物学的調査のための土壌ライシメータ発掘
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Sengupta, A., Wang, Y., Meira Neto, A. A., Matos, K. A., Dontsova, K., Root, R., Neilson, J. W., Maier, R. M., Chorover, J., Troch, P. A. Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations. J. Vis. Exp. (115), e54536, doi:10.3791/54536 (2016).More

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