Summary
מחקר זה מציג שיטה החפירה לחקירת הידרולוגיים מתחת לפני הקרקע, גיאוכימיים, וההטרוגניות מיקרוביולוגיות של lysimeter אדמה. Lysimeter מדמה hillslope המלאכותי שהיה בתחילה בתנאי הומוגניות היה נתון כ -5,000 מ"מ של מים במשך שמונה מחזורים של השקיה ב תקופה של 18 חודשים.
Introduction
דינמיקת קרקע ונוף מעוצבת על ידי האינטראקציה המורכבת של פיסיקלי, כימי ותהליכים ביולוגיים 1. זרימת מים, בלית גיאוכימיים, ופעילות ביולוגית לעצב את הפיתוח הכולל של הנוף לתוך המערכת אקולוגית יציבה 2,3. למרות שינויים פני שטח הם המאפיינים הבולטים ביותר של נוף 4, השפעות מצטברות הבנה, גיאוכימיים הידרולוגיים, ותהליכי מיקרוביולוגים באזור מתחת לפני הקרקע הוא קריטי להבנת הכוחות הבסיסיים המעצבים נוף 2. תרחישי הפרעות אקלימים עתידיים נוספים לבלבל יכולת ניבוי המסלול של התפתחות נוף 5. בכך הוא הופך לאתגר לקשר תהליכים בקנה מידה קטנה כדי הביטוי בקנה המידה הגדולה שלהם על נוף המידה 6. ניסויי מעבדה קצר טווח מסורתי או ניסויים באזורי טבע עם תנאי התחלה ידועים-משתנה זמן מכריחים להספיק בלכידת הההטרוגניות דואר פנימיות של אבולוצית נוף. כמו כן, בשל צימוד קוי חזק, קשה לחזות שינויי biogeochemical מדוגמנות הידרולוגית במערכות הטרוגניות 7. כאן אנו מתארים שיטה ניסיונית רומן לחפור בשליטה מלאה ומבוקרת hillslope אדמה עם תנאי התחלה ידועים. הליך החפירה ודגימה שלנו נועד ללכוד את ההטרוגניות בפיתוח של hillslope לאורכו ועומקו, במטרה לספק בסיס נתונים מקיפים לחקור אינטראקציות הדרו-ביו-גיאוכימיים והשפיעו על תהליכי היווצרות קרקע.
מערכות הידרולוגיות נמצאות בטבע רחוק מלהיות סטטי בזמן, עם שינויים בתגובות הידרולוגיות המתרחשות על פני טווח רחב של סולמות במרחב ובזמן 3. המבנה המרחבי של מסלולי זרימה לאורך נופים מקובע את הקצב, במידה והפצה של תגובות גיאוכימיים והתנחלות ביולוגית שמניעותבליה, התחבורה ממטרים של מומסים ומשקעים, לבין התפתחות נוספת של מבנה הקרקע. לפיכך, משלב ידע שמגיע פדולוגיה, גיאופיסיקה, ואקולוגיה לתוך תאוריות עיצובים ניסיוניים להעריך תהליכים הידרולוגיים ולשפר תחזיות הידרולוגיות הוצע 8,9. אבולוצית נוף מושפעת גם מתהליכי biogeochemical מתחת לפני קרקע בשילוב עם דינמיקת מים, גירת יסודות במהלך פיתוח קרקע, ועל ידי טרנספורמציות מינרלוגיות שחוללו תגובה של משטחים מינרליים עם אוויר, מים, ומיקרואורגניזמים 10. כתוצאה מכך, חשוב ללמוד פיתוח של נקודות חמות גיאוכימיים בתוך נוף מתפתח. בנוסף, חשוב להתייחס דפוסי בליה גיאוכימיים להליך הידרולוגי וחתימות מיקרוביולוגית במהלך היווצרות קרקע מתחלה כדי להבין את הדינמיקה של התפתחות נוף מורכבת. התהליכים הספציפיים של בראשית אדמה נשלטיםעל ידי השפעתו של אקלים בשילוב, תשומות ביולוגיות, הקלה וזמן על חומר הורה ספציפי. ניסוי זה נועד לטפל heterogeneities ב הבליה של חומר ההורה נשלטת על ידי וריאציות הידרולוגיות גיאוכימיים קשורות קל (כולל מדרון ועומק) ואת ההשתנות הקשורים בפעילות חיידקים כי הוא מונע על ידי מילויי סביבה (כלומר, חיזור פוטנציאל) בתנאים בם חומר, האקלים וזמן הורה נשארים קבועים. עם כל כבוד לפעילות חיידקים, מיקרואורגניזמים באדמה הם מרכיבים קריטיים ויש להם השפעה מכרעת על יציבות נוף 11. הם משחקים תפקיד מכריע מבנה קרקע, רכיבה על אופני biogeochemical של חומרים מזינים, גידול צמחים. לכן, יש צורך להבין את המשמעות של אורגניזמים אלה כנהגים של בליה, אדמה בראשית, ותהליכי היווצרות הנוף, תוך זיהוי בעת ובעונה אחת את השפעות הגומלין של נתיבי הזרימה הידרולוגיים ואנחנו גיאוכימייםathering על מבנה ומגוון קהילת חיידקים. זו יכולה להיות מושגת על ידי לימוד הטרוגניות מרחבית של גיוון קהילת חיידקים על פני נוף מתפתח שתכונותיהם הידרולוגיות גיאוכימיים נבדקים גם במקביל.
כאן, אנו מציגים הליך החפירה של lysimeter אדמה, בשם מבצעית miniLEO, שנועד לחקות מודלים אגן אפס מסדר בקנה מידה גדול של המצפה אבולוציה לנדשפט (LEO) שוכנו בבית ביוספרית 2 (אוניברסיטת אריזונה). MiniLEO פותח כדי לזהות דפוסי התפתחות נוף בקנה מידה קטנה כתוצאה מתהליכים הדרו-ביו-גיאוכימיים הטרוגנית מצטברים. זהו lysimeter 2-מ 'אורך, 0.5 מ' רוחב, ו 1-מ 'גובה, ושיפוע של 10 מעלות (איור 1). בנוסף, הקירות של lysimeter מבודדים ומצופים מתכלות שני חלקים פריימר אפוקסי מעיל urethane אליפטיות מולא המצרפי כדי למנוע זיהום פוטנציאלי או שטיפתמתכות ממסגרת lysimeter לתוך האדמה. Lysimeter התמלא רוק בזלת כתוש כי היה שחולצו מן פיקדון של טפרה הפלייסטוקן מאוחר הקשורים Merriam מכתש בצפון אריזונה. חומר הבזלת הטעון היה זהה החומר המשמש בניסויי LEO הרבה יותר הגדולים. רכב המינרלים, התפלגות גודל חלקיקים, והמאפיינים הידראוליים מתוארים על ידי Pangle et al. 12. פן החלחול במדרון דופנה מסך פלסטיק מחורר (נקבובי בקוטר 0.002 מ ', 14% נקבוביים). המערכת מצוידת בחיישנים כגון חיישנים תכולים מים וטמפרטורה, שני סוגים של חיישני פוטנציאל מים, סמפלרים אדמה-מים, איזון משקל הידראולי, בדיקות מוליכות חשמליות, ואת התמר לחץ כדי לקבוע את הגובה מפלס מי תהום. Lysimeter הושק במשך 18 חודשים טרם החפירה.
החפירה הייתה מוקפדת בגישתה מן המעלה הראשונה ונועדה לענות על שתי שאלות עיקריות: (1) מה הידרולוגי, גיאוכימיים, וחתימות חיידקים ניתן לראות על פני האורך והעומק של המדרון ביחס לתנאי גשמים מדומים (2) אם יחסים פידבקים בין תהליכים הדרו-ביו-גיאוכימיים המתרחשים על hillslope ניתן להסיק חתימות הפרט. במקביל להליך ההתקנה וחפירה הניסיוניות, אנו מציגים נתונים והצעות נציג כיצד ליישם פרוטוקולי חפירה דומים לחוקרים המעוניינים ללמוד יחד דינמיקת הארץ-מערכה ו / או תהליכי פיתוח קרקע.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. תכננו מטריקס דגימה כדי להבטיח שיטתית ומקיפה דגימה של Lysimeter
- מחלקים lysimeter לתוך ווקסלים של אורך, רוחב קבוע, ועומק.
- השתמש במרחב אוקלידי מערכת הקואורדינטות ולחלק את המרחק הכולל יחד לכל כיוון (X, Y ו- Z) לתוך מספר מספיק של מרווחים ברווחים שווים. שקל שלכת באדמה בסמוך לחומות של lysimeter כדי למנוע תופעות גבול.
הערה: הצפת 5 סנטימטר לאורך ארבעת הקירות תאומץ בניסוי זה כדי למנוע תופעות גבול, תוך הקפדה כי הנפח של אדמה שנאסף מספיקה. - הקצאת כל דגימה במיקום XYZ ייחודי לזהות בתור voxel.
הערה: בחפירה זו, X מציין את המיקום לרוחב המדרון, Y מציין מיקום לאורך המדרון, בעוד Z מציין מיקום לאורך העומק של המדרון. גודלו של מרווחי בתוך כל מימד קובע את רוחב, אורך, ועומק של ווקסלים. Figure 2 מראה את חלוקת lysimeter לאחר קביעת מרווחי המרווח יחד עם המקור שנבחר במערכת XYZ. החלוקה בתכנית החפירה הנוכחית יש 9 קבועים לאורך בשני הכיוונים Y ו- Z ו -4 במרווחים לאורך כיוון X, להפיק בסך הכול 324 ווקסלים של 10 ס"מ x 20 ס"מ x 10 ס"מ מידות (איור 3).
הערה: אסטרטגית הדגימה נבחרה מבטיחה כי המערכת כולה תדגם באופן שווה עם ניזק מינימאלי החיישנים. גבולות של כל voxel (1-2 סנטימטר) מבוטלים להגביל זיהום שהוגבה ווקסלים שכנים. בנוסף, מידות voxel להבטיח שחומר האדמה מספיק זמין עבור מיקרוביולוגית, גיאוכימיים, אוסף מדגם הידרולוגי בכל voxel.
- השתמש במרחב אוקלידי מערכת הקואורדינטות ולחלק את המרחק הכולל יחד לכל כיוון (X, Y ו- Z) לתוך מספר מספיק של מרווחים ברווחים שווים. שקל שלכת באדמה בסמוך לחומות של lysimeter כדי למנוע תופעות גבול.
איור 1. מבט צד של lysimeter. הבט lysimeter מן fa חלחוללִספִירַת הַנוֹצרִים. כמו כן גלוי הם שלושה אזורי חיישן (צינורות PVC לבנים) לאורך מערכת מדרון ממטרה בארבע הפינות.
איור 2. דגימה Scheme. ערכת דגימה של lysimeter יחד XYZ. הממד א X מחלק את רוחב לתוך 4 חלקים כל אחד 10 ס"מ ואילו Y מחלק את אורך לתוך 20 ס"מ. ממד .ב Z מציין עומק וחולקה 9 שכבות 10 ס"מ עומק. גבול של 5 ס"מ לאורך כל הקצוות של lysimeter זוהה כדי למנוע איסוף דגימות פוטנציאלי שיכול להציג השפעה של גבול. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
איור 3. שלוש-דייצוג imensional של voxel. סכמטי חזותית של voxel אחד במישור XYZ של lysimeter. המדרון כולו היה מחולק 324 ווקסלים כזה, עם כל voxel המתארת יחידת דגימה אחת. אנא לחץ כאן להורדת הקובץ הזה.
2. מוסיפים דיי FCF הכחול מבריק כדי מסלול מי הסתננות של המדרון
- החל צבע כחול מבריק על פני השטח של הקרקע, מספיק כדי לכסות 105 סנטימטרים גבי המשטח לאורך כיוון Y. מכסים את האדמה הנותרים עם יריעות פלסטיק.
- בחר ריכוז (כאן 10 גר '/ ל') כדי להבטיח בניגוד נגד אדמת בזלת שחורה. מוסיף את הצבע למכלי מערכת השקיה לדלל במים לריכוז הרצוי.
- החלט משך ההשקיה בהתאם לעומק הרצוי של החזית החדירה והשיעור המסופק על ידי מערכת ההשקיה.
הערה: לצורך המחקר הזה, אני שיעור rrigation של 30 מ"מ / שעה למשך 20 דקות (איור 4) לפני החפירה נחשב מספיק כדי לזהות דפוסים הטרוגנית של חדירת מים במהלך כמה סנטימטרים הראשון. - לאחר יישום צבע, לתת זמן החדיר להפסיק והמדינות הלחות בתוך lysimeter לאזן. לצורך המחקר, לתקופה של 10 שעות (לילה) בין יישום לצבוע וחפירה הייתה מתאימה.
שביתת 3. ווקסלים
- צרף סרט מדידה לאורך המדרון לספק מערכת התייחסות in-situ להדרכה במהלך התיחום של ווקסלים.
- סמן את הממד של כל voxel הקרקע בעזרת סרט המדידה. צייר קווי רשת עבור כל שכבה באמצעות מגיני שבשבת אלומיניום וסכינים מרק פלסטיק (איור 4). מחק את חומרי הגבול (5 ס"מ אחד הקיר כדי למנוע תופעות הגבול).
together.within-page = "1"> 
איור 4. למעלה לאור lysimeter. תצוגה זו מראה את משטח צבוע של שכבה 2 (10 ס"מ עומק). רשתות נמשכות על פני הקרקע כדי לסייע מדגמיות גם גלויות, יחד עם אזורי חורי ליבה בכל voxel לאחר איסוף דגימת מיקרוביולוגית.
4. אוסף דוגמאות למיקרוביולוגיה
- לאסוף דגימות מיקרוביולוגיה בסביבה נקייה מחיידקים מכל voxel לפני הידרולוגיים גיאוכימיים מנתחת כדי למנוע זיהום לחצות של דגימות. ודא כפפות חדשות נלבשות על ידי כל החברים בביצוע החפירה להפחתת זיהום מעוור אדם.
- השתמש corer אדמת בקוטר 1 ס"מ ו -20 ס"מ גובה, ו מרית דקה עבור אוסף מדגם מיקרוביולוגית. נקו את corer ואת מרית עם מים מזוקקים, לייבש בעזרת מגבונים נקיים, ולשטוף עם אתנול 75% באמצעות בקבוק תרסיס. אפשר corer ו מרית לייבוש באוויר.
- שימו לב גזמן ollection של כל דגימה. השתמש corer כדי ליבה לעומק של 10 ס"מ בכל מיקום של פיקסלים, ואת מרית לרוקן את דגימת קרקע לשקיות ניילון מראש מעוקרים (איור 5). תשמור על עצמך כדי לפתוח את התיק רק לפני הפקדת המדגם. Homogenize את שקיות מדגם ביד.
- אחסן את תיק הדוגמאות ב מצנן קרח במהלך הדגימה, ולהעביר בהקדם האפשרי אל מקפיא -80 מעלות צלזיוס.
איור 5. אוסף מדגם למיקרוביולוגיה. Corer כף יד קטנה של 20 ס"מ x 1 ס"מ, שקיות סטרילי, מרית מוצג כאן במהלך הדגימה מיקרוביולוגית. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
אוסף דוגמאות גיאוכימיה הידרולוגיה 5.
- אזורים צבוע צילום ב X ו- Y plAnes במהלך החפירה לעומקים שבהם הצבע הוא ציין. השתמש בכרטיס צבע לספק התייחסות ונצפה הצבע (איור 6). ודא תאורה טבעית ראויה נוכח לתעד כראוי את עוצמת הצבע.
- כיול ספקטרומטר קרינת רנטגן נייד (pXRF) יומי לפני תחילת מדידות. לפרטים כיול ומדידה, ראה הוראות היצרן 13 (איור 7). בקצרה, למקם את המכשיר על בעל וכוון את חלון קרן ישירות חרוז מתכת במפעל. בחר "קאל" ולחכות 30 שניות כדי לאפשר כיול להסתיים.
- נקה את חלון הקרן לפני נטילת כל מדידה. מדוד את השטח של כל voxel בשלושה עותקים בשלושה מוקדים שונים. מניחים את המכשיר pXRF על פני הקרקע ולחכות 90 שניות על מנת לאפשר מדידה להסתיים.
הערה: רנטגן יכול לחדור דרך למרחקים ארוכים לכיוון הקורה. לכן, ensuמחדש שרק אדם מיומן מטפל ציוד ושומר פרוטוקולי בטיחות נאותים.
- נקה את חלון הקרן לפני נטילת כל מדידה. מדוד את השטח של כל voxel בשלושה עותקים בשלושה מוקדים שונים. מניחים את המכשיר pXRF על פני הקרקע ולחכות 90 שניות על מנת לאפשר מדידה להסתיים.
איור 6. כרטיס הצבע לעקוב לצבוע הסתננות. מיקום כל עם חדירה לצבוע גלוי הצטלם עם כרטיס צבע המשרת כנקודת התייחסות. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
איור 7. הקרינה ספקטרומטר קרני רנטגן נייד. מחשבי כף-יד pXRF ממוקם על פני השטח של voxel. מדידות נרשמו בשלושה מוקדים שונים על פני השטח של כל voxel ואז בממוצע.
- ליבות מתכתי נקי (height = 3 ס"מ, קוטר. = 5.7 ס"מ) ושיתוף פוליקרבונטמיל (height = 6 ס"מ, קוטר. = 5.7 ס"מ) עבור צפיפות בצובר (BD) ומדידות מוליכות הידראולית (Ksat) של ווקסלים הרצוי, בהתאמה (איור 8).
- אנכי להכניס ליבות מתכת ליבות פוליקרבונט (אנכי Ksat) לתוך ווקסלים רצוי נזהר שלא לפגוע חיישנים או חוטי חיישן. האם זה על ידי פטישי הליבות בעדינות לתוך האדמה, מקפידים להשתמש משטח שטוח כמו בול העץ בין הליבה לבין הפטיש כדי למזער הפרעה אל האדמה. בנוסף, פעם הליבה היא באמצע הדרך לתוך האדמה, למקם גרעין שני על גבי הגרעין הראשון. מניחים את גוש העץ על גבי הליבה השנייה בעדינות בפטיש הבלוק עד הגרעין הראשון מוטבע בקרקע עם שפת הליבה עדיין גלוי.
- הכנס ליבות עבור Ksat האופקי בתור פן לרוחב של voxel נפתחו עם חפירה רציפה. השתמש בגוש עץ הליבה שנייה כאמור בשלב 5.4 למזער דחיסה.
- תשמור על מנת להבטיח כי voxelלהיות שנדגמו מבודד גבולות ווקסלים שכנים לפני איסוף דגימת גיאוכימיים. משתמשים בסכינים מרק פלסטיק למטרה זו, ואחריו כפות סיידים כף יד כדי לאסוף דגימות קרקע סביב ליבות מתכת או פוליפרופילן לתוך גיאוכימיים שכותרתו (GC) שקיות דגימה עד ליבות ניתן להסיר בקלות (למשל, 9 א איור, ב).
צפיפות איור 8. גורפת וליבות מוליכות הידראולית. ליבות פוליפרופילן (משמאל) שימשו לאיסוף דגימות מוליכות הידראולית אנכיים ואופקיים בעוד ליבות מתכת (מימין) שימשו לאיסוף דגימות צפיפות בצובר.
איור 9. Voxel תיחום. סכינים מרק פלסטיק שימשו (א) לבודדגבולות voxel לפני (B) גיאוכימיים, צפיפות בצובר, ואיסוף הליבה מוליכות הידראולית. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
- הסר את הליבה המתכתית, סרוב חומר עודף משני קצותיו, ולהעביר מדגם מהליכת שקית מדגם BD שכותרתו. לשקול כל שקית מדגם עם מדגם ולהקליט את המשקל הכולל.
- הסר את ליבות פוליפרופילן. מכסים משני הצדדים עם כובעי פלסטיק אדומים תווית ליבת פוליפרופילן אנכית כמו "V" ליבת פוליפרופילן אופקית כמו "H" ואחריו זיהה המדגם.
- אסוף החומר הנותר מן voxel לשקית מדגם GC, והותיר אחריו כמה סנטימטרים של אדמה בכל ארבעת הצדדים כדי למנוע זיהום צולב עם voxel הבא.
- חזור מ צעדים 5.1 כדי 5.9 עבור שאר ווקסלים בשכבה אחת.
- לאחר כל ווקסלים משכבה אחת כברהושלם, חזור על שלבי 3.2-5.10 עבור השכבה הבאה.
הערה: שלב 5.1 צריכה להתבצע רק עבור ווקסלים שיש לצבוע גלוי. עיין איור 10 כדי להמחיש דיאגרמת נציג של voxel הדגשת כל הדגימות שנאספו מכל voxel.
איור 10. נציגי voxel. האדום קו מקווקו מציין אסף ליבה למדגם מיקרוביולוגיה, הירוק קו מקווקו מציין ליבת מוליכות הידראולית אופקית, קו המקף הצהוב מציין ליבת מוליכות הידראולית אנכית, המקווקו הסגול מציין ליבת צפיפות בצובר, לבין גבול הכחול הסגלגל מציין הנותרים מדגם מן voxel בשימוש לניתוח גיאוכימיים. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ. </ P>
ניתוח מדגם 6.
- דגימות השתמשו שנאספו עבור מיקרוביולוגית ניתוחיות (מיצוי DNA אדמת חיידקים) מולקולרי 14 ותרבותית (ספירת צלחת heterotrophic) 15 ניתוחים. השתמש DNA חילוץ לתגובות שרשרת פולימראז כמותיים (qPCR) 16, וניסויי רצף גן תפוקה גבוהה 17,18.
- השתמש בדגימות שנאספו עבור גיאוכימיים המנתח למדוד שפע של תכונות גיאוכימיים כולל pH (שיטת ארה"ב EPA 150.2), מוליכות חשמלית (EC) (שיטת EPA בארה"ב 120.1), פחמן תוכן חנקן (שיטת EPA בארה"ב 415.3, מיצוי רציף של אלמנטים 19, ו קרני ה- X עקיפה (XRD) ומבנה משובחים הקליטה רנטגן המורחבת (EXAFS) ספקטרוסקופיה לפי מפרטים של Synchrotron סטנפורד קרינה מעבדה, לחקור טרנספורמציות מינרליים.
- השתמש דגימות ליבה שנאספו עבור ניתוחים הידרולוגיים עבור ניסויי מעבדה כגון צפיפות בצובר 20הידראולי מוליך 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ממדי ווקסלים הבטיחו איסוף דגימות עבור הידרולוגיים, גיאוכימיים, ומדידות מיקרוביולוגית. הליך החפירה הניב 324 ליבות לניתוח מיקרוביולוגיות, 972 נקודות נתוני pXRF, 324 שקיות מדגם גיאוכימיים, 180 דגימות Ksat (128 אנכים ו -52 אופקים), ו 311 דגימות צפיפות בצובר. זרימת מועדף של צבע כחול מבריק נצפתה גם עד לעומק של 30 ס"מ מתחת לפני השטח. סט נציג 81 דגימות מתוך חתך אנכי יחיד של lysimeter נבחר ניתוח ראשוני. הדגימות נבחרו מ- X = 2 עמד על המדרון תוך Y ו- Z ווקסלים נעו בין בעל השכלה של 0-8. תוצאות ראשוניות של ריכוז ה- DNA, צפיפות בצובר, ו pXRF Fe (ברזל) ו Mn (מנגן) מדידות מוצגים כאן כמו heatmaps isopleth על מגרש 2-D (איור 11).
ניתוח ראשוני של מדידות צפיפות בצובר (
מיקרוביאלית DNA היה שחולצו מן ליבות נציג. הריכוזים של הדנ"א שנמצא היו הטרוגניות נעים בין אלה שמתחת לגבול גילוי עד גבוה של g 30 ng / של אדמה יבשה. הגבוה ביותר ריכוזי הממוצעהיו נקודתיים בשכבה Z = 3 (20-30 ס"מ) עם ANOVA חד-כיווני מראה ריכוז גבוה משמעותית בשכבה זו (p = 0.013, α = 0.05). ריכוזים ממוצעים לאורך בקנה מידת Y Y = 8 (אזור פן חלחול מייצג 160-180 סנטימטר לאורכו של lysimeter) רשמו את הערך הגבוה ביותר. עם זאת, חד סטרי ANOVA לא היה משמעותי (α = 0.05) לאורך. Voxel יחיד Z שכבה = 6 (50-60 סנטימטר) רשם ריכוז גבוה למרות Z שכבה = 6 בממוצע היה ריכוזי DNA נמוכה. רוב באזורים האחרים רשמו ריכוזים בטווח של 2-10 ng / גרם של אדמה (איור 11b). נראה, אפוא, כי נוכחות חיידקים יותר הטרוגנית פני עומק lysimeter מ לאורך המדרון. מניתוח ראשוני, שכבת Z = 3 היה מעיד על נוכחות חיידקים גבוהה. סביר להניח כי אזור גבול חיזור פוטנציאל עם כיסים אירוביים-אנאירובי לסירוגין קיים בשכבה זו, מניב תנאים סביבתיים תורמים הנוכחותהן מיקרואורגניזמים אירוביים ואנאירוביים פקולטטיבי. דפוסי התאוששות DNA הראו גם כתמי ריכוז גבוה ונמוך בשכבות העמוקות יותר. יחסית, ריכוזים גבוהים יותר נצפו לסירוגין על מדרון הבוהן, ככל הנראה בשל בתצהיר של חלקיקים באזור זה. האזורים שבהם ריכוזי DNA מתחת לגבול הגילוי לחשוף כיסים ביומסה נמוכה שניתן לייחס לעובדה שמערכת הנחקרת היא oligotrophic מאוד. הבנה ברורה של קהילת חיידקים הכולל תושג עם ניסויים נוספים כולל כימות qPCR של חיידקים, archaeal, ואוכלוסיות פטרייתי לניתוח רצפי גני תפוקה גבוהה.
ריכוזי Fe ו Mn יסודות הכולל איכותיים הראו דפוסים דומים (איורי 11 C ו- D בהתאמה). עבור האלמנטים הם, ריכוזים גבוהים יותר נצפו על פני מדרון באמצע, ו-מדרון בוהן. Tשלו סביר מרמז כי פירוק האלמנטים מתרחש במעלה המדרון. יונים מומסים וחלקיקים בסדר ואז עלולים לזרום במורד המדרון משקע או פיקדון-המדרון התחתון. עם זאת, ריכוזי Fe הראו השתנות גדולה יותר ריכוזי Mn. פה נע בין 80-94 ק"ג מ"ג -1, בעוד Mn נע בין 1.12 כדי 1.28 מ"ג ק"ג -1. מכיוון שהחומר הורי הומוגנית כלל, הווריאציה הגדולה לכל voxel ריכוז Fe מיוחסת התגייסות משקעת של שלבים משני מ בליה תגובות של Fe עם אוויר ומים. ריכוזי DNA הנמוכים נצפו על פני השטח פני המדרון כולו עשויים להצביע על יכולת נמוכה של chemoautotrophs לנצל מינרלים עיקריים (בזלת) ואילו תיקונים ביומסה גבוהים שנצפו בשכבות הנמוכות ופן חלחול להיות מתואמת עם הצטברות מינרלים משנית כפי שהוצע על ידי ערך ביומסה גבוה (Z = 3, Y = 8) מקביל צפיפות בצובר גבוהה וריכוז Mn. זֶהדפוס מרמז ממטרים הפוטנציאל של מינרלים משניים (למשל והידרוקסידים ברזל) על ידי מיקרואורגניזמים אוטוטרופי. פרופיל עתיד המגוון המיקרוביאלי יהיה עוד יותר להבהיר את הקשרים שעלה בתצפיות. ואכן, ספרות מדווחת על גידול חיידקים מוגבל על תקשורת בזלת טפרה oligotrophic, עם מצעים מופחתים הנגרמת בליה מתנהגים כתשומות חילוף חומרים וצמיחה עבור חיידקים 22. תגובות יסודות גבוהות שנצפו השכבות באמצע באזור אמצע מדרון עשויות גם לשקף את ההיווצרות של גבול חיזור באזור זה.
איור 11. heatmaps isopleth דו מימדי. (א) גורפת צפיפות בצובר. ערכי צפיפות התקבלו על ידי העברת דגימות אלומיניום במשקל מנות ומייבשים אותם בתנור במשך 48 שעות ב 105 מעלות צלזיוס. תאים נשאר ריק מייצגים ווקסלים שבו אוסף מדגם לא possible בשל נוכחותם של חיישנים וחוסר מקום כדי להכיל ליבות צפיפות בצובר. (ב) ריכוז ה- DNA. לקבלת ליבות מיקרוביולוגית, 2 גרם של אדמה היה subsampled לחלץ DNA של חיידקים, נציג של כל voxel. (C) Elemental Fe ו- (ד Mn Elemental). עבור ניתוח יסודי של Fe ו Mn, נתונים pXRF עבור סכום כולל של 81 דגימות נמדדו triplicates. ממוצע של כל רכיב בכל voxel היה מחושב זממו. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
אבולוצית נוף היא ההשפעה המצטברת של, גיאוכימיים הידרולוגיים, ותהליכים ביולוגיים 12. תהליכים אלה בקרת זרימה והובלה של מים ואלמנטים, ותגובות biogeochemical ב המתפתחת נופים. עם זאת, ללכוד את האינטראקציות זמנית דורש תכנון ניסוי מתואם באופן מדויק ודגימה. בנוסף, אבולוציית נוף מתחלה קשה במערכות טבעיות, עם יכולות מוגבלות לזהות "זמן אפס" תנאים. ספרות מדווחת מחקר lysimeter הרסני אחד אשר בוצע למדוד צמח שורש צפיפות 23 בעוד גישות מבוססות בתחום ההשקיה והחפירה מדווחות על ידי גרהאם et al. 24 ואנדרסון et al. 25 עם זאת, אף אחד מהמחקרים משולבים שיטה ללימוד הידרולוגי ההטרוגניות -geochemical-מיקרוביאליות של נוף מדומה. מרכיב מרכזי של המחקר שלנו היה על מנת להבטיח כי wa סולםים מוגדר עבור ניסויים שיטת הדגימה שנבחרה על מנת להבטיח ההטרוגניות של הסקאלה נבחר נתפס ביעילות. שאלת ההיקף חשובה במיוחד כאשר לומדים תהליכי כדור הארץ-מערכת כבר ציין ידי חוקרים בתחומי בהתאמה ההידרולוגיה 26, גיאוכימיה 27, מיקרוביולוגיה 28. המתודולוגיה שתוארה במחקר זה מיועד בלימוד מגוון של הידרו-geochem-מיקרוביולוגית תהליכים רלוונטיים לשאלות המחקר שלנו, בעוד באותו הזמן מתן גמישות כדי לשנות את הפרוטוקול פי שאלות מחקר פרט.
תוצאות הנציג הראשוניות שלנו מראות כי סביבת מוצא הומוגנית תפתח נכסים הטרוגניים. תוצאות צפיפות גורפות להעיד על הנוכחות של אזור עם ערכים גבוהים יותר על הרבדים העמוקים יותר קרוב פן החלחול, אשר עשוי לייצג בעקבות ההצטברות של חלקיקים זעירים בשל תהליכי הזרימה בתוך tהוא lysimeter וכן דחיסה שנגרמה על ידי משקל שכיסה של הקרקע הרטובה. שערות שני אלה עשויים להיות מוסברים עם החקירה של פרמטרים נוספים. לדוגמה, על ידי ביצוע ניתוח גודל החלקיקים של ווקסלים, אפשר להשיג את הפרופורציות בפועל של עדינה לעומת חלקיקים גסים יותר. ריכוזי Fe ו Mn הכוללים הראשוניים לציין ההתרחשות של פירוק יסודות מחדש משקע כתוצאת החלה כמה מחזורי השקיה אל lysimeter לפני החפירה. תוצאות אלה ניתן להסביר בשתי דרכים: (1) מים translocates חלקיקי חימר עדינים בגודל, מועשר Fe ו Mn, במדרון שבו הם יכולים להצטבר המדרון התחתון 29 (זה מבוסס על הנחה כי תנועה פיזית חשובה יותר כימי תגובות); (2) מים מתמוססים חלקיקי יוני עקבות מסיסים, כגון Fe ו Mn, לזרז על מדרון תחתון (תרחיש זה מניח תגובות כימיות הם הכוחות המניעים העיקריים). כדי ג onfirm המנגנונים לביליות יסודות, עדות נוספת היא זקוקה. מדידות ריכוז ה- DNA לאשר חלוקה הטרוגנית של חי מיקרוביאליים ב lysimeter. למרות מצבו התזונתי הנמוכה של hillslope הבזלת, היכולת לזהות הנוכחות של חיים מיקרוביאליים מציינת קולוניזציה של חיידקים בתנאי oligotrophic אפשרית. ממצא זה עולה בקנה אחד עם דיווחים של קהילות מיקרוביאלי מארח בזלת בליה במקביל בתיווך ביולוגי בסביבות מגוונות כמו אדמה וולקנית 30, אוקיינוס רצפה 31, ו פרשת מים טרופיים 32 ניתוח .Further המגוון המיקרוביאלי הנוכח בכל voxel נדרש להתייחס שערות אודות התרומות הפוטנציאל של חיידקים כדי תהליכי בליה. לאחר ניתוח מלא של הדגימות והתוצאות שלנו, נוכל לפרש את הידרולוגיים, גיאוכימיים, ואינטראקציות מיקרוביולוגית המתרחשים במהלך אבולוצית נוף מתחלה.
ntent "> המתודולוגיה המוצגת במאמר זה הוא יותר הצעה של צעדים ולא קשיח עבור חופרת lysimeter אדמה לחקור אינטראקציות הידרולוגיות biogeochemical. צעדים מסוימים עשויים להיות יותר או פחות רלוונטי תלוי המטרות של המחקר. זה כמו כן, חשוב להדגיש את הזמן הדרוש כדי לבצע חפירה כזו. החפירה שלנו נדרשה צוות של 3 אנשים בכל העת בתוספת הסופית של 1 או 2 אנשים אחרים בזמן כמה ימים של עבודה. החפירה נמשכה 10 ימים, עם עבודה יומית השעות הנעים בין 8 עד 10 שעות. לכן, בחירת הצעדים שנועדו בזהירות חשובה מאוד כאשר אילוצי זמן יובאו בחשבון. בנוסף, חלק הצעדים המפורטים בפרוטוקול הם קריטיים להצלחת שאלות חפירה ומחקר שהתבקש. במהלך יש לנקוט ביישום לצבוע, טיפול מיוחד על מנת להבטיח כי אזורים אשר סומנו להישאר בלא כתם מכוסים כראוי כדי למנוע את צבען מ leaking לתוך האזורים בלא הכתם. אמידה טובה של גודל voxel היא גם חיונית להצלחת הניסוי הזה. גודל voxel קובע את קנה המידה של אוסף מדגם: מספר גדול יותר של ווקסלים לרמוז ברזולוציה מדגם עדין במחיר של הזמן גדל בילה בזהירות לחפור כל voxel בניגוד פחות מספר ווקסלים ורזולוציה מדגם גס. מניעת זיהום צולב של הדגימות באמצעות כפות סיידים כף יד וסכינים פלסטיק מרק הוא גם חיוני, הן עבור אוסף מדגם מיקרוביולוגיות גיאוכימיים וניתוח.מספר שינויים בפרוטוקול יכול להתבצע, על פי שאלות המחקר. ראשית, בהתייחסו לשאלת היקף, אחד יכול לבחור לפתח אסטרטגית דגימה כי הוא עדין יותר הפרוטוקול המתואר כאן או לבחור סולם Courser; אולם בקנה המידה שנבחרה לניסוי זה מאשר כי הצלחנו ללכוד פיזי משמעותי, כימי heterogeneities הביולוגי hillslope. choic אלהes צריכה להתבצע על בסיס שאלות המחקר שהתבקשו, בקנה מידה של hillslope או lysimeter כי ניתן לבנות, ואת הלוגיסטיקה לנהל ניתוחים. שנית, רבים ניתן להגדיר את המיני-lysimeters כגון ללמוד תהליכי פיתוח הקרקע. לדוגמא, חוקרים אולי כדאי להסתכל בליה של חומרי אדמה שונים כאשר נתון במשטר משקעים מגוון, או פיתוח של פרופיל אדמה על hillslopes שיש אותו חומר ההורה אלא מטופלים באופן שונה ביחס מדרון, משקעים, טמפרטורה וכו ' בנוסף, משך המחקר יכול גם להיות שונה להתבסס על שאלות מחקר וחוקרים, מומלץ לקבוע lysimeters הזהה ואחריו חפירה הרסנית של כל lysimeter במסגרת זמן נתונה.
צמחייה שלישית, יכולה להיות מוצגת כדי לחקור את ההשפעה של גידול צמחים על זרימת נתיב הידרולוגי, בלית גיאוכימיים, ופיתוח קהילת חיידקים.
בנוסף, מחדשלמחפשים המבקשים ללמוד תהליכים ותכונות קיימים של נוף, במקום להתמקד על שלבי ההתפתחות, יכולים ליישם את השיטה שלנו מונוליתים קרקע בסביבה טבעית. ניתן בעקבות אדמה מסורתי הרכבת נהלים להשיג מונולית אדמה, ואחריו מחיצות של מונולית לאזורים מוגדרים בבירור עניין. גישה זו יכולה להתגבר על המגבלות הקשורות בביצוע הדגימה הרסנית בעוצמה של lysimeters בתחום. הסעיפים שנבחרו שניתן לחפור אז באופן דומה להתבונן הידרולוגיים, גיאוכימיים, ומאפייני מיקרוביולוגית ספציפיים מונולית.
הגבלה של שיטה זו היא מקבלת את כל ערכות המדגם מן ווקסלים ששכנו ליד חיישנים. חיישנים טרום מוטבעים באזורים מסוימים של hillslope מנעו איסוף דגימות הידרולוגיות. בנוסף, כדי לשלול את ההשפעה של נתיבי זרימה מועדפים בשל נוכחותם של חיישנים, כמה דוגמאות ממקומות אלהשהושלכו. יתר על כן, החפירה נערכה בשני שלבים על פני תקופה של עשרה ימים, עם פער של שלושה ימים בין שלבים. בעוד טיפול נלקח כדי לכסות את פני השטח החשופים בין שלבי החפירה, השכבה החשופה עלולה תערוכת פעילות שינתה חיידקים בשל תנאי חמצון לחץ אד משתנים. חפירה של אורך זה ובכך גוזל זמן אשר בתורו עשוי להציג וריאציה נוספת זמן רגיש.
לכידת ההטרוגניות נוף כפי מושפע תהליכים הידרולוגיים, גיאוכימיים, מיקרוביולוגיות היא אתגר. ההשפעה הסינרגטית של תהליכים אלה על אחד את השני תרכובות המורכבות. חפירה של נוף מדומה הציג בקנה המידה הזה ועוצם היא רומן. היכולת לתאם איסוף דגימות הידרולוגיות, גיאוכימיים, מיקרוביולוגיות מבלי להתפשר על השלמות או מדגם מציגה גישה מעולה לניהול של רב תחומיtudies של תהליכי הארץ-מערכת. הטכניקות המתוארות הן פשוטות, דיר, וגמישים כדי להתאים שאלות מחקר מרובות, ובכך לאפשר יישום של עיצובים ניסיוניים חלופיים. תוצאות עתידיות של שיטה זו עשויות לכלול פוטנציאל פיתוח מסגרות תיאורטיות ומודלים של אבולוצית נוף לענות על שאלות מורכבות של דינמיקת הארץ-מערכת.
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).
