Summary
Denne undersøgelse giver en udgravning metode til undersøgelse undergrunden hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske heterogenitet en jord lysometer. Den lysimeter simulerer en kunstig hillslope som oprindeligt var under homogen tilstand og havde været udsat for cirka 5.000 mm vand over otte cykler af kunstvanding i en 18-måneders periode.
Introduction
Jord og landskab dynamik er formet af det komplekse samspil mellem fysiske, kemiske og biologiske processer 1. Vand flow, geokemiske forvitring, og den biologiske aktivitet forme den overordnede udvikling af landskabet i en stabil økosystem 2,3. Mens overflade ændringer er de mest iøjnefaldende træk ved landskabet 4, forståelse kumulative virkninger af hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske processer i undergrunden regionen er afgørende for at forstå de underliggende kræfter, der former et landskab 2. Fremtidige klima forstyrrelse scenarier yderligere forvirre forudsigeligheden og mønster af landskabet evolution 5. Det bliver således en udfordring at knytte små processer til deres store manifestation på landskabet-skalaen 6. Traditionelle korte run laboratorieforsøg eller eksperimenter i naturlige landskaber med ukendte begyndelsesbetingelser og tid-variabel tvinger kommer til kort at fange the iboende heterogenitet landskab evolution. Også på grund af stærk ulineære kobling, er det vanskeligt at forudsige biogeokemiske ændringer fra hydrologiske modellering i heterogene systemer 7. Her beskriver vi en hidtil ukendt forsøgsmetode at udgrave en fuldt kontrolleret og overvåget jord hillslope med kendte begyndelsesbetingelser. Vores udgravning og prøvetagning procedure har til formål at erobre udvikle heterogenitet af hillslope langs dens længde og dybde, med det mål at levere en omfattende datasæt til at undersøge hydro-bio-geokemiske interaktioner og deres indvirkning på dannelsen jord processer.
Hydrologiske systemer findes i naturen, er langt fra at være statisk i tid, med ændringer i hydrologiske respons finder sted over et bredt område af rumlige og tidsmæssige skalaer 3. Den rumlige struktur flow veje langs landskaber bestemmer hastigheden, omfang og fordeling af geokemiske reaktioner og biologisk kolonisering, der drivervejrlig, transport og udfældning af opløste stoffer og sedimenter, og den videre udvikling af jordens struktur. Således inddrage viden fra pedologi, geofysik og økologi i teorier og eksperimentelle designs at vurdere hydrologiske processer og forbedre hydrologiske forudsigelser er blevet foreslået 8,9. Landskab evolution er også påvirket af underjordiske biogeokemiske processer i forbindelse med vand dynamik, elementært migration under udvikling jord, og ved mineralogiske transformationer som følge af reaktion af mineralske overflader med luft, vand og mikroorganismer 10. Derfor er det vigtigt at studere udviklingen af geokemiske hotspots inden en udviklende landskab. Desuden er det vigtigt at forholde geokemiske forvitring mønstre til hydrologiske proces og mikrobiologiske signaturer under begyndende jord dannelse for at forstå dynamikken i komplekse landskab udvikling. De specifikke processer jorddannelsen er reguleretved den kombinerede indflydelse af klima, biologiske input, lettelse og tid på en bestemt grundmateriale. Dette eksperiment er designet til at løse heterogeniteter i forvitring af grundmaterialet styret af hydrologiske og geokemiske variationer forbundet med relief (herunder hældning og dybde) og den tilhørende variation i mikrobiel aktivitet, der er drevet af miljømæssige gradienter (dvs. redox potentielle) under forhold, hvor moderplanten, klima og tid holdes konstant. Med hensyn til mikrobiel aktivitet, mikroorganismer i jorden er kritiske komponenter og har en dybtgående indvirkning på landskabet stabilitet 11. De spiller en afgørende rolle i jordens struktur, biogeokemiske kredsløb af næringsstoffer, og plantevækst. Derfor er det nødvendigt at forstå betydningen af disse organismer som førere af vejrliget, jorddannelsen og dannelse landskab processer, samtidig med at identificere de gensidige virkninger af hydrologiske flow-stier og geokemiske viathering på mikrobielle samfund struktur og diversitet. Dette kan opnås ved at studere rumlig heterogenitet mikrobielle samfund mangfoldighed over en udviklende landskab hvis hydrologiske og geokemiske egenskaber er også ved at blive undersøgt i parallel.
Her præsenterer vi en udgravning procedure af en jord lysimeter, operationelt opkaldt miniLEO, designet til at efterligne de store zero-order bassin modeller af Landskab Evolution Observatory (LEO) huse på Biosphere 2 (University of Arizona). Den miniLEO blev udviklet til at identificere små landskab evolution mønstre skyldes kumulative heterogene hydro-bio-geokemiske processer. Det er en lysimeter 2-m længde, 0,5-meter i bredden, og 1-meters højde, og hældning på 10 ° (figur 1). Derudover er væggene i lysimeter isoleret og belagt med ikke-biologisk nedbrydeligt todelt epoxy primer og et aggregat fyldt alifatisk urethan lag for at undgå potentiel forurening eller udvaskningaf metaller fra lysimeter rammen i jorden. Den lysimeter var fyldt med knust basalt rock, der blev udvundet fra et depositum på sen pleistocæn tephra forbundet med Merriam Crater i det nordlige Arizona. Den fyldte basalt materiale var identisk med den, der anvendes i de meget større LEO eksperimenter materiale. Den mineralske sammensætning, partikelstørrelsesfordeling, og hydrauliske egenskaber er beskrevet af Pangle et al. 12. Den bagside nedsivning ansigt var foret med en perforeret plast skærm (diameter porer 0,002-m, 14% porøsitet). Systemet er udstyret med sensorer, såsom vandindhold og temperaturfølere, to typer af vand potentielle sensorer, jord-vand samplere, hydraulisk vægt balance, elektriske ledningsevne prober og tryktransducere at bestemme vand bordhøjde. Den lysimeter blev vandede i 18 måneder forud for udgravningen.
Udgravningen var omhyggelige i sin tilgang og var rettet mod at besvare to brede spørgsmål: (1) hvad hydrologiske, geokemiske og mikrobielle underskrifter kan observeres over længden og dybden af skråningen med hensyn til simulerede nedbør betingelser og (2), om relationer og feedbacks mellem hydro-bio-geokemiske processer, der forekommer på hillslope kan udledes af de enkelte signaturer. Sideløbende forsøgsopstillingen og udgravning procedure, præsenterer vi repræsentative data og forslag til, hvordan man anvender lignende udgravning protokoller for forskere interesseret i at studere koblede jord-systemets dynamik og / eller jord udviklingsprocesser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Udarbejde en Sampling Matrix at sikre en systematisk og omfattende Sampling of lysometer
- Opdel lysimeter i voxel af fast længde, bredde og dybde.
- Brug en euklidisk rum koordinatsystem og dividere den samlede afstand langs hver retning (X, Y og Z) i et passende antal jævnt fordelte intervaller. Overvej kassere jorden nær væggene af lysimeter at undgå grænsebetingelser effekter.
BEMÆRK: En buffer på 5 cm langs de fire vægge er vedtaget i dette eksperiment for at undgå grænsebetingelser effekter, samtidig med at mængden af jord indsamlet tilstrækkeligt. - Tildel hver prøve en unik XYZ placering og identificere som en voxel.
BEMÆRK: I denne udgravning, X betegner placeringen langs bredden af skråningen, Y betegner placering langs længden af skråningen, medens Z betegner placering langs dybden af skråningen. Størrelsen af intervaller inden hver dimension bestemmer bredden, længden, og dybden af de voxels. Figur 2 viser opdelingen af lysimeter efter bestemmelse afstand intervaller sammen med den valgte oprindelsen til XYZ-systemet. Opdelingen i den aktuelle udgravning ordningen har 9 mellemrum langs hver Y og Z og 4 intervaller langs X-retningen, der producerer i alt 324 voxels på 10 cm x 20 cm x 10 cm dimensioner (figur 3).
BEMÆRK: stikprøvestrategi valgte sikrer, at hele systemet jævnt samples med minimal skade på sensorerne. Afgrænsning af hver voxel (1-2 cm) kasseres at begrænse krydskontaminering fra tilstødende voxel. Derudover voxel dimensioner sikre, at tilstrækkeligt jord materiale er til rådighed for mikrobiologisk, geokemiske og hydrologiske prøvetagningen i hver voxel.
- Brug en euklidisk rum koordinatsystem og dividere den samlede afstand langs hver retning (X, Y og Z) i et passende antal jævnt fordelte intervaller. Overvej kassere jorden nær væggene af lysimeter at undgå grænsebetingelser effekter.
Figur 1. Side-visning af lysimeter. Udsigt over lysimeter fra nedsivning face. Også synlige er tre sensor regioner (hvide PVC rør) langs skrænten og sprinklersystem på de fire hjørner.
Figur 2. prøveudtagningsplan. Sampling arrangement med lysimeter langs XYZ. A. X dimension opdeler bredden i 4 sektioner på hver 10 cm, mens Y opdeler længden i 20 cm. B. Z dimension angiver dybde og blev inddelt i 9 lag 10 cm dybde. En grænse på 5 cm langs kanterne af lysimeter blev identificeret til at forhindre indsamling af prøver, der potentielt kan udvise grænse effekt. Klik her for at downloade denne fil.
Figur 3. Tre-dimensional repræsentation af en voxel. Visuel skematisk af en voxel langs XYZ planet af lysometer. Hele skråning var opdelt i 324 sådanne voxels, hvor hver voxel forestiller en enkelt prøveudtagning enhed. Klik her for at downloade denne fil.
2. Tilføj Brilliant Blue FCF Dye til Track Water Infiltration i Slope
- Påfør brilliant blåt farvestof ved overfladen af jorden, nok til at dække top 105 cm af overfladen langs Y-retningen. Dæk resterende jord med plast plader.
- Vælg en fusion (her 10 g / l) for at garantere kontrast mod sort basaltisk jord. Tilsæt farvestof til vandingsanlæg tanke og fortyndes med vand til den ønskede koncentration.
- Beslutte varigheden af vanding baseret på den ønskede dybde på infiltrationen forreste og satsen leveres af vandingsanlæg.
BEMÆRK: For denne undersøgelse, en irrigation på 30 mm / time i 20 minutter (figur 4) før udgravning anses for tilstrækkelig for at identificere heterogene mønstre af vand infiltration i de første par centimeter. - Efter farvestof ansøgning, give tid til infiltrationen at stoppe og fugt stater i lysimeter i ligevægt. For denne undersøgelse, en periode på 10 timer (natten over) mellem farvestof ansøgning og udgravning var passende.
3. Afgrænsning af Voxels
- Vedhæfte målebånd langs længden af skråningen for at tilvejebringe en in-situ referencesystem for vejledning under afgrænsning af voxel.
- Marker dimensionen af hver jord voxel med hjælp af målebåndet. Tegn gitterlinjer for hvert lag under anvendelse af aluminium-bladede skjolde og plast putty knive (figur 4). Kassér grænsen materialer (5 cm fra hver væg for at forhindre grænsebetingelser effekter).
Figur 4. Ovenfra af lysimeter. Denne visning viser den farvede overflade lag 2 (10 cm dyb). Grids trukket på jordoverfladen for at hjælpe prøvetagning er også synlige, sammen med centrale huller regioner på hver voxel efter mikrobiologisk prøvetagning.
4. Mikrobiologi Sample Collection
- Saml mikrobiologi prøver aseptisk fra hver voxel forud for hydrologiske og geokemiske analyser at undgå krydskontaminering af prøver. Sørg for, at nye handsker er båret af alle medlemmer, der udfører udgravningen for at reducere forurening fra menneskelig hud.
- Brug en jord corer af 1 cm i diameter og 20 cm højde, og en tynd spatel til mikrobiologisk prøvetagning. Rengør corer og spatel med destilleret vand, tør med rene klude, og skyl med 75% ethanol ved hjælp af en spray flaske. Tillad corer og spatel lufttørre.
- Bemærk collection tid af hver prøve. Brug corer til kernen til en dybde på 10 cm på hver voxel placering og spatel at tømme jordprøven i præ-steriliseret plastposer (figur 5). Sørge for at åbne posen lige før afsætning af prøven. Homogeniseres prøven poser i hånden.
- Opbevar prøven taske i en is køligere under prøvetagningen, og overføre så hurtigt som muligt til -80 ° C fryser.
Figur 5. Mikrobiologi prøvetagning. En lille håndholdt corer på 20 cm x 1 cm, sterile poser og spatel er vist her under mikrobiologisk prøvetagning. Klik her for at downloade denne fil.
5. Geokemi og Hydrologi Sample Collection
- Fotografi farvet regioner i X og Y plAnes under udgravning til dybder, hvor der er observeret farvestoffet. Brug et farvekort til at give grundlag for den farve observeret (figur 6). Sikre en ordentlig naturlig belysning er til stede for at dokumentere farveintensitet korrekt.
- Kalibrer bærbar røntgen fluorescens spektrometer (pXRF) dagligt før start målinger. Til kalibrering og måling oplysninger, se producentens anvisninger 13 (figur 7). Kort fortalt placere instrumentet på holderen og pege strålen vinduet direkte til fabrikken metal perle. Vælg 'Cal "og vent 30 sek at lade kalibreringen skal udfyldes.
- Rens strålen vinduet, før du tager hver måling. Måle overfladen af hver voxel i tre eksemplarer ved tre forskellige steder. Placer pXRF instrument på jordoverfladen og vente 90 sekunder at lade målingen, der skal udfyldes.
BEMÆRK: X-ray kan trænge igennem en lang afstand i retningen af strålen. Derfor ensure, at kun uddannet personale håndterer udstyr og opretholder ordentlig sikkerhed protokoller.
- Rens strålen vinduet, før du tager hver måling. Måle overfladen af hver voxel i tre eksemplarer ved tre forskellige steder. Placer pXRF instrument på jordoverfladen og vente 90 sekunder at lade målingen, der skal udfyldes.
Figur 6. Farve-kort til at følge farve infiltration. Hvert sted med synlige farvestof penetration blev fotograferet med et farvekort tjener som reference. Klik her for at downloade denne fil.
Figur 7. Bærbar røntgenfluorescens spektrometer. Håndholdt pXRF placeret på overfladen af en voxel. Målinger blev registreret ved tre forskellige steder på overfladen af hver voxel og derefter et gennemsnit.
- Clean metalliske kerner (højde = 3 cm, dia. = 5,7 cm) og polycarbonat cores (højde = 6 cm, dia. = 5,7 cm) til rumvægte (BD) og hydrauliske ledningsevnemålinger (KSAT) over de ønskede voxels, henholdsvis (figur 8).
- Lodret indsætte metal kerner og polycarbonat kerner (lodret KSAT) i ønskede voxels pas på ikke at beskadige sensorer eller sensor ledninger. Gør dette ved forsigtigt at hamre kernerne i jorden, tager sig til at bruge en flad overflade træblok mellem kernen og hammeren, for at minimere forstyrrelse af jorden. Derudover når kernen er halvvejs i jorden, placere en anden kerne på toppen af den første kerne. Placer træklods på toppen af den anden kerne og forsigtigt hammer blokken indtil den første kerne er indlejret i jorden med kernen rand stadig synlige.
- Indsæt kerner til vandret KSAT som den laterale flade af voxel åbner op med sekventiel udgravning. Brug træklods og anden kerne som nævnt i trin 5.4 for at minimere komprimering.
- Vær omhyggelig med at sikre, at voxelsamples er isoleret fra grænser og tilstødende voxels før geokemiske prøvetagning. Brug plastik kit knive til dette formål, efterfulgt af håndholdte trowels at indsamle jordprøver omkring metal eller polypropylen kerner i mærkede geokemiske (GC) prøveposer indtil kerner let kan fjernes (f.eks figur 9a, b).
Figur 8. Rumvægt og hydrauliske ledningsevne kerner. Polypropylen kerner (venstre) blev anvendt til opsamling af lodrette og vandrette hydrauliske ledningsevne prøver mens metalkerner (højre) blev anvendt til opsamling bulkprøver densitet.
Figur 9. Voxel afgrænsning. Plastic putty knive blev anvendt til (A) isolerevoxel grænser før (B) geokemiske, rumvægt, og hydraulisk ledningsevne kerne samling. Klik her for at downloade denne fil.
- Fjern den metalliske kerne, børst overskydende materiale fra begge ender, og overføre prøven fra kernen til en mærket BD prøve taske. Afvej hver prøve pose med prøve og registrere den samlede vægt.
- Fjern polypropylen kerner. Dæk begge sider med røde plasthætter og mærke lodret polypropylen kerne som "V" og vandret polypropylen kerne som "H" efterfulgt af prøve-ID.
- Saml resterende materiale fra voxel i GC prøve taske, efterlader et par centimeter jord på alle fire sider for at forhindre krydskontaminering med den næste voxel.
- Gentag fra trin 5,1-5,9 for resten af de voxler i ét lag.
- Når alle voxel fra ét lag har væretafsluttet, skal du gentage trin 3,2-5,10 for den efterfølgende lag.
BEMÆRK: Trin 5.1 behov, der skal udføres kun for de voxels, der har synlige farvestof. Se figur 10 for at visualisere repræsentativt diagram af en voxel fremhæve alle prøver indsamlet fra hver voxel.
Figur 10. repræsentant voxel. Den røde stiplede linje angiver kerne indsamlet til mikrobiologi prøve, den grønne stiplede linje angiver horisontal hydraulisk ledningsevne kerne, den gule streg linje angiver lodret hydraulisk ledningsevne kerne, den lilla stiplede indikerer rumvægt kerne, og den blå oval grænse indikerer resterende prøve fra voxel bliver brugt til geokemiske analyser. klik her for at downloade denne fil. </ P>
6. Prøve Analysis
- Brug prøver indsamlet til mikrobiologiske analyser for molekylær (jordmikrobiel DNA-ekstraktion) 14 og dyrkede (heterotrofe pladetællinger) 15 analyser. Brug ekstraheret DNA til kvantitative polymerasekædereaktioner (qPCR) 16, og high-throughput gensekvensering eksperimenter 17,18.
- Brug prøver indsamlet til geokemiske analyser til at måle en lang række geokemiske egenskaber, herunder pH (US EPA metode 150,2), elektrisk ledningsevne (EF) (US EPA-metode 120,1), kulstof og kvælstof indhold (US EPA metode 415,3, sekventiel ekstraktion af elementerne 19, og røntgendiffraktion (XRD) og udvidet X-ray absorption finstruktur (EXAFS) spektroskopi som pr specifikationer af Stanford synkrotronstråling Laboratory, undersøge mineralske transformationer.
- Brug core prøver indsamlet for hydrologiske analyser for laboratorieforsøg såsom rumvægt 20og hydraulisk ledningsevne 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dimensionerne af voxels sikrede samling af prøver til hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske målinger. Proceduren Udgravningen gav 324 kerner til mikrobiologisk analyse, 972 pXRF datapunkter, 324 geokemiske prøveposer, 180 KSAT prøver (128 lodret og 52 vandret), og 311 prøver bulk-tæthed. Præferentiel strømning af Brilliant Blue farvestof blev også observeret til en dybde på 30 cm under overfladen. Et repræsentativt sæt af 81 prøver fra en enkelt vertikal skive af lysimeter blev valgt til indledende analyse. De udtagne prøver var fra X = 2 position på skråningen, mens Y og Z voxels varierede fra nu 0-8. Foreløbige resultater fra DNA-koncentration, rumvægt, og pXRF Fe (jern) og Mn (Mangan) målinger præsenteres her som isopleth heatmaps på en 2-D plot (figur 11).
Indledende analyse af målinger bulk-tæthed (
Mikrobiel DNA blev ekstraheret fra de repræsentative kerner. Koncentrationerne af den udvundne DNA var heterogent og lå fra dem under detektionsgrænsen til en høj på 30 ng / g tør jord. Højeste gennemsnitlige koncentrationerblev lokaliseret i lag Z = 3 (20-30 cm) med en en-vejs ANOVA viser signifikant højere koncentration i dette lag (p = 0,013, α = 0,05). Gennemsnitlige koncentrationer langs Y skala Y = 8 (nedsivning face region repræsenterer 160-180 cm langs længden af lysimeter) registrerede den højeste værdi. Men envejs ANOVA var ikke signifikant (α = 0,05) langs længden. En enkelt voxel i lag Z = 6 (50-60 cm) indspillet en høj koncentration, selvom lag Z = 6 i gennemsnit havde lave DNA-koncentrationer. De fleste af de andre regioner registreres koncentrationer i intervallet 2-10 ng / g jord (figur 11b). Det fremgår således, mikrobiel tilstedeværelse er mere heterogen tværs dybden af lysimeter end langs længden af skråningen. Fra indledende analyse, lag Z = 3 var tegn på højere mikrobiel tilstedeværelse. Det er sandsynligt, at en potentiel redox grænsezone med intermitterende aerobe-anaerobe lommer findes i dette lag, hvilket giver miljømæssige betingelser, der bidrager til tilstedeværelsenaf både fakultative aerobe og anaerobe mikroorganismer. De DNA nyttiggørelse mønstre viste også pletter af høj og lav koncentration i de dybere lag. Forholdsvis, blev højere koncentrationer intermitterende observeret ved tåen hældning, muligvis på grund af aflejring af partikler i denne region. Regionerne med DNA-koncentrationer under detektionsgrænsen afslører lave biomasse lommer, der kan henføres til det faktum, at systemet under studiet er meget næringsfattige. En klar forståelse af den samlede mikrobielle samfund vil blive opnået med yderligere forsøg, herunder qPCR kvantificering af bakteriel, arke, og svampesygdomme befolkninger og high-throughput gen sekventering analyse.
Kvalitative samlede elementære Fe og Mn koncentrationer viste lignende mønstre (figur 11 C og D.). For begge elementer blev højere koncentrationer observeret på overfladen af mid-slope, og tå-slope. Thans sandsynligt indebærer, at opløsningen af elementer sker ved den øvre skråning. Opløste ioner og fine partikler kan derefter potentielt flyde ned ad skråningen og bundfald eller indbetaling på nederste skråning. Men viste Fe koncentrationer større variation end Mn koncentrationer. Fe varierede fra 80-94 mg kg -1, mens Mn varierede fra 1.12 til 1,28 mg kg -1. Da grundmaterialet var generelt homogent, er den større variation i pr voxel Fe koncentration tilskrives mobilisering og udfældning af sekundære faser fra forvitring reaktioner af Fe med luft og vand. De lavere DNA-koncentrationer blev observeret på overfladen over hele hældning kan indikere lavere evne chemoautotrophs at udnytte primære mineraler (basalt), mens høje biomasse patches observeret i de nedre lag og nedsivning ansigt kan korrelerer med sekundær mineral akkumulering som foreslået af den høje biomasse værdi (Z = 3, Y = 8), som svarer til forhøjet rumvægt og Mn-koncentration. Dennemønster antyder potentiel udfældning af sekundære mineraler (f.eks jernhydroxider) ved autotrofe mikroorganismer. Fremtidig profilering af mikrobiel diversitet vil yderligere belyse de observerede relationer. Faktisk rapporterer litteratur begrænset mikrobiel vækst på næringsfattige tephra basaltisk medier, med forvitring-induceret reducerede substrater fungerer som metaboliske og vækst indgange til mikrober 22. Høje elementære reaktioner observeret i de midterste lag af mid-slope regionen kan også afspejle dannelsen af redox grænse i denne region.
Figur 11. To-dimensionelle isopleth heatmaps. (A) Bulk Density Bulk. Density værdier blev opnået ved at overføre prøver til aluminium vejning retter og ovntørring dem i 48 timer ved 105 ° C. Celler efterladt i blank repræsenterer voxels hvor prøvetagningen ikke var possible grund af tilstedeværelsen af sensorer og manglende plads til at rumme bulkdensitet kerner. (B) DNA-koncentration. For mikrobiologiske kerner blev 2 g jord subsampled at ekstrahere mikrobielle DNA, repræsentant for hver voxel. (C) Elemental Fe og (D ) Elemental Mn. for grundstofanalyse af Fe og Mn, et pXRF data for i alt 81 prøver blev målt i triplikater. Gennemsnit af hvert element i hver voxel blev beregnet og plottet. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Landskab evolution er den kumulative effekt af hydrologiske, geokemiske og biologiske processer 12. Disse processer styrer strømning og transport af vand og elementer, og biogeokemiske reaktioner i udviklende landskaber. Men opfange samspillet kræver, samtidig præcist koordineret eksperimentelt design og prøveudtagning. Derudover studerer begyndende landskab evolution er vanskeligt i naturlige systemer, med begrænsede muligheder for at identificere "time nul" betingelser. Litteratur rapporter en destruktiv lysimeter undersøgelse, som blev udført for at måle plante rod tæthed 23, mens marken tilgange af kunstvanding og udgravning er rapporteret af Graham et al. 24 og Anderson et al. 25. Ingen af undersøgelserne indarbejdet en metode til at studere hydrologiske -geochemical-mikrobiologisk heterogenitet en simuleret landskab. Et centralt element i vores undersøgelse var at sikre, at en skala was defineret for eksperimenter og prøvetagningsmetoder valgt at sikre, at heterogenitet af den valgte skala blev fanget effektivt. Spørgsmålet om skalaen er især vigtigt, når man studerer Jord-system processer og er blevet bemærket af forskere i de respektive hydrologi 26, geokemi 27, og mikrobiologi 28. Metoden er beskrevet i denne undersøgelse er rettet mod at studere en række hydro-geochem-mikrobiologiske processer er relevante for vores forskningsspørgsmål, mens på samme tid giver fleksibilitet til at ændre protokollen i henhold til individuelle forskningsspørgsmål.
Vores foreløbige repræsentative resultater antyder, at et homogent udgangspunkt miljø vil udvikle heterogene egenskaber. resultater rumvægt indikere tilstedeværelsen af en region med højere værdier ved de dybere lag tæt på nedsivning flade, som kan repræsentere et resultat af ophobning af fine partikler på grund af strøm-processer inden than lysometer samt en komprimering forårsaget af overliggende vægt af det befugtede jord. Disse to hypoteser kan blive belyst med undersøgelsen af yderligere parametre. For eksempel ved at udføre analyse af partikelstørrelse af voxels, er det muligt at opnå faktiske proportioner finere versus grovere partikler. De foreløbige samlede Fe og Mn koncentrationer indikerer forekomsten af elementært opløsning og genudfældning som følge af anvendelsen af flere vanding cyklusser til lysimeter før udgravningen. Sådanne resultater kan forklares på to måder: (1) vand translokaliserer ler-og finere størrelse partikler, beriget med Fe og Mn, ned skråningen, hvor de kan ophobes i den lavere hældning 29 (dette forudsætter, at fysisk bevægelse er vigtigere end kemisk reaktioner); (2) vand opløser fine partikler og opløselige sporstoffer ioner, såsom Fe og Mn, præcipitere ved lavere hældning (dette scenario forudsætter kemiske reaktioner er de vigtigste drivkræfter). For at c onfirm mekanismerne i elementært labilitet, er der behov for flere beviser. De DNA koncentrationsmålinger bekræfte en heterogen fordeling af mikrobielt liv i lysometer. Trods den lave næringsstof tilstand basalt hillslope, evnen til at detektere tilstedeværelsen af mikrobielle liv indikerer mikrobiel kolonisering under næringsfattige betingelser er mulig. Dette fund er i overensstemmelse med rapporter om basalt-vært mikrobielle samfund og samtidig biologisk medieret forvitring i forskellige miljøer som vulkanske jord 30, havbunden 31, og tropiske vandskel 32 Længere analyse af den mikrobielle diversitet stede i hver voxel er nødvendig for at løse hypoteser vedrørende de potentielle bidrag fra mikrober til forvitring processer. Efter komplet analyse af vores prøver og resultater, vil vi være i stand til at fortolke de hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske interaktioner opstår under begyndende landskab evolution.
ntent "> Metoden præsenteres i denne artikel er mere en antydning af trin i stedet for en stiv ordning for at udgrave en jord lysimeter at udforske hydrologiske og biogeokemiske interaktioner. Nogle trin kan være mere eller mindre relevante, afhængigt af målene for undersøgelsen. Det er også vigtigt at understrege den nødvendige tid til at udføre en sådan udgravning. Vores udgravning krævede et team af 3 personer på alle tidspunkter med eventuel tilsætning af 1 eller 2 andre mennesker under nogle dages arbejde. udgravningen varede i 10 dage, med daglige arbejdstid time på mellem 8 til 10 timer. Derfor omhyggeligt at vælge de tilsigtede trin er meget vigtigt, når tidspres der skal tages i betragtning. Derudover nogle trinene i protokollen er afgørende for succes af udgravning og forskning spørgsmål bliver stillet. Under farvestoffet ansøgning, særlig pleje skal træffes for at sikre, at områder, der er markeret til at forblive uplettet er dækket ordentligt for at forhindre farvestof fra leaking ind i de ufarvede regioner. En god vurdering af voxel størrelse er også afgørende for succes i dette eksperiment. Voxelstørrelsen bestemmer omfanget af prøvetagningen: større antal voxels indebærer finere prøve opløsning på bekostning af øget tidsforbrug ved omhyggeligt at udgrave hver voxel i modsætning til mindre antal voxels og grovere prøve opløsning. Forebyggelse krydskontaminering af prøver ved hjælp af håndholdte trowels og plast kit knive er også afgørende, både for mikrobiologiske og geokemiske prøvetagning og analyse.En række ændringer til protokollen kan udføres, baseret på forskningsspørgsmål. Først med henvisning til spørgsmålet om skalaen, kan man vælge at udvikle en sampling strategi, der er finere end protokollen beskrevet her, eller vælge en courser skala; men den er valgt til dette eksperiment skala bekræfter, at vi har fanget signifikante fysiske, kemiske og biologiske heterogeniteter i hillslope. Disse choices skal foretages på grundlag af de forskningsspørgsmål bliver stillet, omfanget af hillslope eller lysimeter der kan konstrueres, og logistikken til at gennemføre analyser. For det andet kan mange sådanne mini-lysimetrene sættes op for at studere jord-udviklingsprocesser. For eksempel kan forskerne ønsker at se på forvitring af forskellige jordmaterialer når det udsættes for en varieret udfældning regime, eller udvikling af jord profil på hillslopes der har det samme grundmateriale, men behandles forskelligt med hensyn til hældning, nedbør, temperatur, etc. Derudover varigheden af undersøgelsen kan også ændres på grundlag af forskningsspørgsmål og forskere måske ønsker at konstruere identiske lysimetre efterfulgt af destruktiv udgravning af hver lysometer tidsmæssigt.
Tredje, vegetation kan indføres at undersøge virkningen af plantevækst på hydrologiske flow-sti, geokemiske forvitring, og mikrobielle miljø udvikling.
Derudover resøgende, der ønsker at studere de eksisterende processer og funktioner i et landskab, i stedet for at fokusere på de udviklingsstadier, kan anvende vores metode til jord bautasten i naturlige omgivelser. Traditionelle jord montering procedurer kan følges for at opnå en jord monolit, efterfulgt af opdeling af monolitten i klart definerede områder af interesse. Denne fremgangsmåde kan overvinde begrænsningerne forbundet med at udføre intenst destruktive prøvetagning af lysimetre på området. Sektionerne valgte kan derefter udgraves på en lignende måde til at observere hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske egenskaber specifikke for monolitten.
En begrænsning af denne metode er at få alle prøvesæt fra voxel, der var placeret nær sensorer. Pre-indlejrede sensorer i nogle områder af hillslope forhindrede indsamling af hydrologiske prøver. Derudover, at negere indflydelse af præferentielle strømningsveje på grund af tilstedeværelsen af sensorer, nogle prøver fra disse placeringerblev kasseret. Desuden blev udgravningen udført i to faser over en periode på ti dage, med et hulrum på tre dage mellem faser. Mens pleje blev taget til at dække den eksponerede overflade mellem udgravningen faser, kunne det eksponerede lag potentielt udviser ændret mikrobielle aktivitet på grund af ændrede damptryk og oxidationsbetingelser. En udgravning af denne længde er således tidskrævende, hvilket igen kan indføre yderligere tidsfølsomme variation.
Optagelse landskab heterogenitet som påvirket af hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske processer er en udfordring. Den synergistiske effekt af disse processer på hinanden forbindelser kompleksiteten. En udgravning af en simuleret landskab præsenteret på denne skala og intensitet er roman. Evnen til at koordinere indsamling af hydrologiske, geokemiske og mikrobiologiske prøver uden at kompromittere integriteten af enten prøve en glimrende metode til udførelse tværfaglige studies jord-system processer. De teknikker, der er skitseret er enkle, repeterbare og fleksibel til at rumme flere forskningsspørgsmål, hvorved gennemførelsen af alternative forsøgsdesign. Fremtidige resultater af denne metode kan omfatte potentielt udvikle teoretiske rammer og modeller for landskabet evolution at besvare komplekse spørgsmål jord-systemets dynamik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- Brady, N. C., Weil, R. R. The nature and properties of soils. , Pearson Prentice Hall. (2008).
- Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
- Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change? Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
- Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
- Temme, A. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. Montgomery, D. R., Bierman, P. R. , Macmillan Publishers Limited. http://serc.carleton.edu/vignettes/collection/37800.html (2013).
- Troch, P. A., et al. Dealing with Landscape Heterogeneity in Watershed Hydrology: A Review of Recent Progress toward New Hydrological Theory. Geogr. Compass. 3, 375-392 (2009).
- Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. , (2015).
- Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
- Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
- Churchman, G. j, Lowe, D. Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, CRC Press,Taylor & Francis. (2012).
- van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., van Straalen, N. M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecol. Lett. 11 (3), 296-310 (2008).
- Pangle, L. a, et al. The Landscape Evolution Observatory: A large-scale controllable infrastructure to study coupled Earth-surface processes. Geomorphology. 244, 190-203 (2015).
- User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. , Innov-X-Systems. http://usenvironmental.com/download/manuals/Olympus%20-%20Delta%20User%20Manual.pdf (2013).
- Valentìn-Vargas, A., Root, R. A., Neilson, J. W., Chorover, J., Maier, R. M. Environmental factors influencing the structural dynamics of soil microbial communities during assisted phytostabilization of acid-generating mine tailings: A mesocosm experiment. Sci Total Environ. 500-501, 314-324 (2014).
- JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. , JoVE. Cambridge, MA. (2016).
- JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , JoVE. Cambridge, MA. (2016).
- Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
- Caporaso, J. G., et al. Correspondence - QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
- Hall, G. E. M., Vaive, J. E., Beer, R., Hoashi, M. Selective leaches revisited, with emphasis on the amorphous Fe oxyhydroxide phase extraction. J. Geochemical Explor. 56, 59-78 (1996).
- Grossman, R. B., Reinsch, T. G. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , Soil Science Society of America Book Series No. 5. ASA and SSSA. Madison, WI. 201-228 (2002).
- Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , SSSA. Madison, WI. 802-816 (2002).
- King, G. M. Contributions of atmospheric CO and hydrogen uptake to microbial dynamics on recent Hawaiian volcanic deposits. Appl. Environ. Microbiol. 69 (7), 4067-4075 (2003).
- Meyer, W. S., Barrs, H. D. Roots in irrigated clay soils: Measurement techniques and responses to rootzone conditions. Irrig. Sci. 12 (3), 125-134 (1991).
- Graham, C. B., Woods, R. A., McDonnell, J. J. Hillslope threshold response to rainfall: (1) A field based forensic approach. J. Hydrol. 393 (1-2), 65-76 (2010).
- Anderson, A. E., Weiler, M., Alila, Y., Hudson, R. O. Dye staining and excavation of a lateral preferential flow network. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).
- Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale? Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
- Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation. Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).
- Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98 (3), 439-448 (2011).
- Niu, G. Y., Pasetto, D., Scudeler, C., Paniconi, C., Putti, M., Troch, P. A. Analysis of an extreme rainfall-runoff event at the Landscape Evolution Observatory by means of a three-dimensional physically-based hydrologic model. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 10, 12615-12641 (2013).
- Marteinsson, V., et al. Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota. Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).
- Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities. Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).
- Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).
