Summary
Denne studien presenterer en utgraving metode for å undersøke undergrunnen hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske heterogenitet av et jord lysimeter. Den lysimeter simulerer en kunstig hillslope som var utgangspunktet i henhold til homogen tilstand og hadde blitt utsatt for ca. 5000 mm vann over åtte sykluser av vanning i en 18-måneders periode.
Introduction
Jord og landskaps dynamikk er formet av et komplekst samspill av fysiske, kjemiske og biologiske prosesser 1. Vannføring, geokjemiske forvitring og biologisk aktivitet forme den generelle utviklingen av landskapet i et stabilt økosystem 2,3. Mens overflate endringer er de mest iøynefallende trekk ved landskapet 4, forståelse kumulative effekter av hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske prosesser i undergrunnen regionen er avgjørende for å forstå de underliggende kreftene som former et landskap 2. Fremtidige klima perturbasjonsteknikker scenarier ytterligere forvirre forutsigbarhet og mønster av landskapet evolusjon 5. Det blir derfor en utfordring å koble småskala prosesser til deres store manifestasjon på landskapet-skala 6. Tradisjonelle små opplag laboratorieforsøk eller eksperimenter i naturlandskap med ukjente startbetingelser og tidsvariabel tvinge bommer i å fange the iboende heterogenitet av landskapet evolusjon. Også på grunn av sterk ikke-lineær kopling, er det vanskelig å forutsi biogeokjemiske endringer fra hydrologisk modellering i heterogene systemer 7. Her beskriver vi en ny eksperimentell metode for å grave en fullt kontrollert og overvåket jord hillslope med kjente startbetingelser. Vår utgraving og prøvetaking er rettet mot å fange utvikle heterogenitet av hillslope langs dens lengde og dybde, med mål om å tilby et omfattende datasett for å undersøke hydro-bio-geokjemiske interaksjoner og deres innvirkning på jord dannelsesprosesser.
Hydrologiske systemer som finnes i naturen er langt fra å være statisk i tid, med endringer i hydrologiske reaksjoner som finner sted over et vidt spekter av romlige og tidsmessige skalaer 3. Den romlige strukturen av flytveier langs landskaper bestemmer prisen, omfang og fordeling av geokjemiske reaksjoner og biologisk kolonisering som driverforvitring, transport og utfelling av oppløste stoffer og sedimenter, og videreutvikling av jordstrukturen. Dermed, som omfatter kunnskap fra pedology, geofysikk og økologi i teorier og eksperimentelle design for å vurdere hydrologiske prosesser og forbedre hydrologiske spådommer har blitt foreslått 8,9. Liggende evolusjon er også påvirket av undergrunnen biogeokjemiske prosesser i forbindelse med vanndynamikk, elementær migrasjon under jord utvikling, og av mineralogiske transformasjoner forårsaket av reaksjon av mineralske overflater med luft, vann og mikroorganismer 10. Derfor er det viktig å studere utviklingen av geokjemiske hotspots innenfor et utviklende landskap. I tillegg er det viktig å forholde geokjemiske forvitring mønstre til hydrologisk prosess og mikrobiologiske underskrifter i løpet av begynnende jord Formasjonen for å forstå dynamikken i komplekse landskapet utvikling. De spesifikke prosesser i jord genesis styresav den kombinerte påvirkning av klima, biologisk innganger, lettelse og tid på en bestemt grunnmaterialet. Dette forsøk ble utviklet for å møte heterogeniteter i forvitring av grunnmaterialet styres ved hydrologiske og geokjemiske variasjoner forbundet med avlastnings (inkludert helning og dybde) og den tilhørende variasjon i mikrobiell aktivitet som er drevet av miljø gradienter (dvs. redox-potensial) under betingelser der opphavsmateriale, klima og tid holdes konstant. Med hensyn til mikrobiell aktivitet, jord mikroorganismer er kritiske komponenter og har en stor innvirkning på stabiliteten i landskapet 11. De spiller en avgjørende rolle i jordstruktur, biogeokjemiske kretsløp av næringsstoffer og plantevekst. Derfor er det nødvendig å forstå betydningen av disse organismene som førere av forvitring, jord genesis, og landskapet formasjonsprosesser, samtidig identifisere de gjensidige virkningene av hydrologiske flytstier og geokjemiske viathering på mikrobiell samfunnsstruktur og mangfold. Dette kan oppnås ved å studere romlig heterogenitet av mikrobiell diversitet fellesskap over en utviklende landskap som hydrologisk og geokjemiske egenskaper er også studert i parallell.
Her presenterer vi en utgravning prosedyre av en jord lysimeter, operasjonelt heter miniLEO, designet for å etterligne de store zero-order bassenget modeller av Landscape Evolution Observatory (LEO) plassert på Biosphere 2 (University of Arizona). Den miniLEO ble utviklet for å identifisere småskala landskapet evolution mønstre som oppstår ved kumulative heterogene hydro-bio-geokjemiske prosesser. Det er en lysimeter 2-m lengde, 0,5-meter i bredde, og 1-m i høyde, og helling på 10 ° (figur 1). I tillegg er veggene i lysimeter isolert og belagt med ikke-biologisk nedbrytbar to-komponent epoksy-grunning og et aggregat fylt alifatisk uretan strøk for å unngå potensiell forurensning eller utlutningav metaller fra lysimeter rammen i jorden. Den lysimeter var fylt med knust basalt stein som ble hentet fra et depositum på sen pleistocen tefra forbundet med Merriam-krateret i Nord-Arizona. Den fylte basalt materiale var identisk til det materialet som brukes i mye større LEO eksperimenter. Mineralsammensetning, partikkelstørrelsesfordeling, og hydrauliske egenskaper er beskrevet av Pangle et al., 12. Den downslope innsig ansikt ble foret med en perforert plastskjerm (0.002-meter i diameter porer, 14% porøsitet). Systemet er utstyrt med følere som for eksempel vanninnhold og temperatursensorer, to typer vann og eventuelle sensorer, jord-vann samplere, hydrauliske vektbalanse, elektriske konduktivitetssonder, og trykktransduktorer for å bestemme vann bordhøyde. Den lysimeter ble overrislet i 18 måneder før utgraving.
Utgravningen ble grundig i sin tilnærming og var rettet mot å svare på to brede spørsmål: (1) det hydrologisk, geokjemiske og mikrobielle signaturer kan observeres på tvers av lengden og dybden av skråningen i forhold til simulerte regn forhold og (2) hvorvidt forhold og tilbakekoblinger mellom hydro-bio-geokjemiske prosesser som skjer på hillslope kan utledes fra de individuelle signaturer. Ved siden av den eksperimentelle oppsettet og utgraving prosedyre presenterer vi representative data og forslag til hvordan du kan bruke tilsvarende utgraving protokoller for forskere som er interessert i å studere kombinert jordsystemdynamikk og / eller jord utviklingsprosesser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utarbeide en Sampling Matrix for å sikre systematisk og omfattende prøvetaking av Lysimeter
- Del lysimeter inn voxel av fast lengde, bredde og dybde.
- Bruke en euklidsk plass koordinatsystem og dele den totale distanse langs hver retning (X, Y og Z) i et tilstrekkelig antall jevnt fordelte intervaller. Tenk forkaste jord nær veggene i lysimeter å unngå grense effekter.
MERK: En buffer på 5 cm langs de fire vegger er tatt i bruk i dette eksperiment for å unngå grenseeffekter, samtidig som man sikrer at volumet av jord samlet er tilstrekkelig. - Gi hver prøve en unik XYZ beliggenhet og identifisere som en voxel.
NB: I dette utgravning, X betegner sted langs bredden av skråningen, betegner Y sted langs lengden av skråningen, mens Z betegner plassering langs dybden av skråningen. Størrelsen av intervallene i hver dimensjon bestemmer bredden, lengden og dybden av vokslene. Figur 2 viser oppdelingen av lysimeter etter bestemme avstandsintervaller sammen med den valgte opprinnelse for XYZ-systemet. Divisjonen i gjeldende utgravning ordningen har 9 mellomrom langs både Y og Z og 4 intervaller langs X-retningen, produsere totalt 324 voxel på 10 cm x 20 cm x 10 cm Mål (figur 3).
MERK: prøvetakings valgte strategi sikrer at hele systemet er jevnt samplet med minimal skade på følerne. Grensene for hver voxel (1-2 cm) er forkastet for å begrense kryssforurensning fra nabo lydelementer. I tillegg voxel dimensjoner sikre at nok jord materialet er tilgjengelig for mikrobiologiske, geokjemiske og hydrologiske prøvetaking i hver voxel.
- Bruke en euklidsk plass koordinatsystem og dele den totale distanse langs hver retning (X, Y og Z) i et tilstrekkelig antall jevnt fordelte intervaller. Tenk forkaste jord nær veggene i lysimeter å unngå grense effekter.
Figur 1. Side-visning av lysimeter. Utsikt over lysimeter fra siving face. Også synlig er tre sensor regioner (hvite PVC-rør) langs skråningen og sprinkleranlegg på de fire hjørnene.
Figur 2. Prøvetaking Scheme. Prøvetaking ordningen lysimeter sammen XYZ. A. X dimensjon deler bredde i 4 deler hver på 10 cm mens Y deler lengden til 20 cm. B. Z dimensjonen indikerer dybde og ble delt inn i 9 lag 10 cm dybde. En grense på 5 cm langs kantene av lysimeter ble identifisert for å hindre innsamling av prøver som potensielt kan fremvise grensen effekt. Klikk her for å laste ned denne filen.
Figur 3. Tre-ddimensjonell representasjon av en voksel. Visuell skjematisk riss av en voksel langs XYZ planet av lysimeter. Hele skråningen ble delt inn i 324 slike lydelementer, med hver voxel skildrer en enkelt sampling enhet. Klikk her for å laste ned denne filen.
2. Legg Brilliant Blue FCF Dye til Track vann infiltrasjon i Slope
- Anvende strålende blå fargestoff på overflaten av jord, nok til å dekke toppen 105 cm av overflaten langs Y-retningen. Dekk værende jord med plast ark.
- Velge en konsentrasjon (her 10 g / l) for å garantere kontrast mot svart basal jord. Tilsett fargestoff til vanningssystemet tanker og fortynne med vann til den ønskede konsentrasjon.
- Bestemme varigheten av vanning basert på den ønskede dybde av infiltrasjons fremre og frekvensen levert av vanningssystemet.
MERK: For denne studien, en irrigation hastighet på 30 mm / time i 20 minutter (figur 4) før det graves anses tilstrekkelig for å identifisere heterogene mønstre av vanninfiltrasjon i løpet av de første få centimeter. - Etter fargestoff søknad, gi tid for infiltrasjon å stoppe og fuktighets statene innenfor lysimeter å stabilisere seg. For denne studien ble en periode på 10 timer (over natten) mellom fargestoff søknad og utgravning var hensiktsmessig.
3. Avgrensning av lydelementer
- Knytte målebånd langs lengden av bakken for å tilveiebringe en in-situ-referansesystem for styring under avgrensning av voksler.
- Marker dimensjon av hver jord voxel ved hjelp av målebånd. Tegn rutenettlinjer for hvert lag ved hjelp av aluminium-blad skjold og plast kitt kniver (figur 4). Kast grense materialer (5 cm fra hver vegg for å hindre grense effekter).
Figur 4. ovenfra lysimeter. Denne visningen viser farget overflaten av lag 2 (10 cm dyp). Rister trukket på jordoverflaten for å hjelpe prøvetaking er også synlige, sammen med kjernen hull regioner i hver voxel etter mikrobiologisk prøvetaking.
4. Mikrobiologi Prøvetaking
- Samle mikrobiologi prøver aseptisk fra hver voxel før hydrologisk og geokjemisk analyse for å hindre krysskontaminering av prøver. Sikre at nye hansker er slitt av alle medlemmer som utfører utgraving for å redusere forurensning fra menneskelig hud.
- Bruk en jord corer av 1 cm diameter og 20 cm høyde, og en tynn stekespade for mikrobiologisk prøvetaking. Rengjør corer og spatelen med destillert vann, tørk av med rene kluter, og skyll med 75% etanol ved hjelp av en sprayflaske. Tillat corer og slikkepott til å lufttørke.
- Legg merke til collection tid for hver prøve. Bruk corer til kjernen til en dybde på 10 cm ved hver voxel sted, og spatelen for å tømme jordprøven inn i sterile plastposer (figur 5). Vær nøye med å åpne posen rett før du setter prøven. Homogenprøveposer for hånd.
- Lagre prøven posen i et is-kjøler under prøvetaking, og overfører så snart som mulig til -80 ° C fryser.
Figur 5. mikrobiologi prøvetaking. En liten håndholdt corer på 20 cm x 1 cm, sterile poser, og slikkepott er vist her under mikrobiologisk prøvetaking. Klikk her for å laste ned denne filen.
5. geokjemi og hydrologi Prøvetaking
- Photograph farget regioner i X og Y planes under utgraving for dybder hvor fargestoffet er observert. Bruker et fargekart for å tilveiebringe referanse for fargen observert (figur 6). Sikre riktig naturlig belysning er til stede for å riktig dokumentere fargeintensitet.
- Kalibrere bærbar røntgen fluorescens spektrometer (pXRF) daglig før du starter målingene. For kalibrering og måle informasjon, se produsentens instruksjoner 13 (figur 7). Kort fortalt plassere instrumentet på holderen og pek strålen vinduet direkte til fabrikken metall perle. Velg "Cal" og vent i 30 sekunder for å la kalibreringen skal være ferdig.
- Rengjør strålen vinduet før du tar hver måling. Mål overflaten av hvert volumelement i triplikat på tre forskjellige steder. Plasser pXRF apparatet på jordoverflaten og vente i 90 sekunder for å tillate målingen skal være ferdig.
MERK: Røntgen kan trenge gjennom en lang avstand i retning av bjelken. Derfor ensure at bare noen utdannet personell håndterer utstyr og opprettholder riktige sikkerhetsprotokoller.
- Rengjør strålen vinduet før du tar hver måling. Mål overflaten av hvert volumelement i triplikat på tre forskjellige steder. Plasser pXRF apparatet på jordoverflaten og vente i 90 sekunder for å tillate målingen skal være ferdig.
Figur 6. Color kort til å følge farge infiltrasjon. Hvert sted med synlig farge penetrasjon ble fotografert med et fargekart som tjener som referanse. Klikk her for å laste ned denne filen.
Figur 7. Portable X-ray fluorescens spektrometer. Håndholdt pXRF plassert på overflaten av et volumelement. Målinger ble tatt opp på tre forskjellige steder på overflaten av hvert volumelement, og deretter i gjennomsnitt.
- Rengjør metall kjerner (høyde = 3 cm, dia. = 5,7 cm) og polykarbonat cores (høyde = 6 cm, dia. = 5,7 cm) for bulktetthet (BD) og hydrauliske ledningsevne målinger (KSAT) av ønskede lydelementer, henholdsvis (figur 8).
- Vertikalt stikk metall kjerner og polykarbonat kjerner (vertikal KSAT) i ønskede voxel tar seg ikke å skade sensorer eller sensorledningene. Gjør dette ved å forsiktig hamring kjernene til jord, ta vare å bruke en flat overflate som trekloss mellom kjernen og hammer for å minimere inngrepene i jorda. I tillegg, når kjernen er halvveis inn i jorden, å plassere en andre kjerne på toppen av den første kjerne. Plasser den trekloss på toppen av den andre kjerne og forsiktig hammer blokken inntil den første kjerne er innebygd i jorden med kjernen felgen fremdeles synlige.
- Sett kjerner for horisontal KSAT som sideflaten av voxel åpner opp med sekvensiell utgraving. Bruk treklossen og andre kjerne som nevnt i trinn 5,4 for å minimere komprimeringen.
- Vær nøye med å sikre at voxelblir samplet er isolert fra grenser og nabo voxel før geokjemiske prøvetaking. Bruk plast kitt kniver for dette formålet, etterfulgt av håndholdte trowels å samle jordprøver rundt metall eller polypropylen kjerner inn merket geokjemiske (GC) sample poser før kjerner kan enkelt fjernes (f.eks figur 9a, b).
Figur 8. Bulktetthet og hydraulisk ledningsevne kjerner. Polypropylen kjerner (venstre) ble anvendt for å samle inn vertikale og horisontale hydrauliske ledningsevne prøver mens metallkjerner (til høyre) ble anvendt for å samle inn prøver bulkdensitet.
Figur 9. voxel avgrensning. Plast kitt kniver ble brukt til (A) isolerevoxel grenser før (B) geokjemiske, tetthet, og hydraulisk konduktivitet kjerne samling. Klikk her for å laste ned denne filen.
- Fjern metallkjerne, børste av overflødig materiale fra begge ender, og overføre prøve fra kjernen til en merket BD prøvepose. Veie hver prøve pose med prøven og registrere den totale vekt.
- Fjern polypropylen kjerner. Dekk begge sider med røde plasthetter og merke vertikal polypropylen kjerne som "V" og horisontal polypropylen kjerne som "H" etterfulgt av prøven ID.
- Samle gjenværende materiale fra voxel inn i GC prøvepose, etterlater et par centimeter av jord på alle fire sider for å hindre krysskontaminering med neste voxel.
- Gjenta fremgangsmåten fra 5.1 til 5.9 for de andre vokslene i ett lag.
- Når alle vokslene fra ett lag har værtfullført, gjenta trinn 3,2 til 5,10 for den etterfølgende lag.
MERK: Step 5.1 må utføres bare for de lydelementer som har synlig fargestoff. Se Figur 10 for å visualisere representant diagram av en voxel fremheve alle prøver samlet inn fra hver voxel.
Figur 10. Representant voxel. Den røde stiplede linjen viser kjernen samlet for mikrobiologi prøve, den grønne stiplede linjen viser horisontal hydraulisk ledningsevne kjerne, indikerer gul stiplet linje vertikal hydraulisk ledningsevne kjerne, viser den lilla stiplet bulktetthet kjerne, og den blå oval grensen indikerer gjenværende prøve fra voxel brukes for geokjemiske analyser. klikk her for å laste ned denne filen. </ P>
6. Sample Analysis
- Bruk prøver samlet for mikrobiologiske analyser for molekylær (jord mikrobiell DNA-ekstraksjon) 14 og ble dyrket (heterotrofe plate teller) 15 analyser. Bruk hentet DNA for kvantitativ polymerase kjedereaksjoner (qPCR) 16, og high-throughput genet sekvense eksperimenter 17,18.
- Bruk prøver samlet for geokjemiske analyser for å måle en rekke geokjemiske egenskaper, inkludert pH (US EPA metode 150.2), elektrisk ledningsevne (EC) (US EPA metode 120.1), karbon og nitrogen-innhold (US EPA metode 415.3, sekvensiell utvinning av elementer 19, og røntgendiffraksjon (XRD) og utvidet X-ray absorpsjon fin struktur (EXAFS) spektroskopi som per spesifikasjonene til Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, for å undersøke mineraltransformasjoner.
- Bruk kjerneprøver samlet inn for hydrologiske analyser for laboratorieeksperimenter som romvekt 20og hydraulisk ledningsevne 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dimensjonene av vokslene sikres innsamling av prøver for hydrologisk, geokjemiske og mikrobiologiske målinger. Utgravningen fremgangsmåten ga 324 kjerner for mikrobiologisk analyse, 972 pXRF datapunkter, 324 geokjemiske prøveposer, 180 KSAT prøver (128 vertikal og 52 horisontalt), og 311 prøver bulk tetthet. Preferansestrømmen Brilliant Blue fargestoff ble også observert til en dybde på 30 cm under overflaten. Et representativt sett av 81 prøver fra en enkelt vertikalsnitt av lysimeter ble valgt for foreløpig analyse. Prøvene valgt var fra X = 2 posisjon på bakken mens Y og Z voxel varierte fra 0-8. Foreløpige resultater fra DNA-konsentrasjon, tetthet, og pXRF Fe (jern) og Mn (mangan) målinger presenteres her som isopleth heatmaps på en 2-D plott (figur 11).
Foreløpige analyser av målinger egenvekt (
Mikrobiell DNA ble ekstrahert fra de representative kjerner. Konsentrasjonene av den gjenvunnede DNA ble heterogene og varierte fra de som er under deteksjonsgrensen til en topp på 30 ng / g tørr jord. Høyeste gjennomsnittskonsentrasjonerble lokalisert i sjiktet Z = 3 (20-30 cm) med en enveis ANOVA viser betydelig høyere konsentrasjon i dette sjikt (p = 0,013, α = 0,05). Gjennomsnittlige konsentrasjoner langs Y-skalaen Y = 8 (siving ansikt region som representerer 160-180 cm langs lengden av lysimeter) registreres den høyeste verdien. Men en-veis ANOVA var ikke signifikant (α = 0,05) langs lengden. En enkelt voxel i lag Z = 6 (50-60 cm) registrert en høy konsentrasjon selv om lag Z = 6 i gjennomsnitt hadde lave DNA-konsentrasjoner. De fleste av de andre regionene registrert konsentrasjoner i området fra 2-10 ng / g jord (figur 11b). Det viser seg således at tilstedeværelse mikrobielle er mer heterogen tvers over dybden av det lysimeter enn langs lengden av skråningen. Fra foreløpige analysen, lag Z = 3 var indikasjon på høyere mikrobiell tilstedeværelse. Det er sannsynlig at en potensiell redoks grensesone med intermitterende aerobe-anaerobe lommer eksisterer i dette laget, noe som ga miljøbetingelser som fører til nærværetav både fakultative aerobe og anaerobe mikroorganismer. De DNA utvinning mønstre viste også flekker av høy og lav konsentrasjon i de dypere lag. Relativt, høye konsentrasjoner ble periodisk observert på tå skråning, muligens på grunn av avsetning av partikler i denne regionen. Regionene med DNA-konsentrasjoner under deteksjonsgrensen avsløre lav biomasse lommer som kan tilskrives det faktum at systemet under studien er svært oligotrofe. En klar forståelse av den totale mikrobielle samfunnet vil bli oppnådd med ytterligere eksperimenter inkludert qPCR kvantifisering av bakterielle, archaeal, og sopp-populasjoner og high-throughput-genet sekvensanalyse.
Kvalitative totale elementære Fe og Mn konsentrasjoner viste lignende mønstre (figur 11 c og henholdsvis D). For begge elementer, ble høyere konsentrasjoner observert på overflaten av mellomliggende, og tå-skråning. Thans sannsynligvis innebærer at oppløsningen av elementer som forekommer i den øvre bakke. Oppløste ioner og fine partikler kan da potensielt strømme ned skråningen og bunnfall eller innskudd i nedre skråningen. Men Fe konsentrasjoner viste større variasjon enn Mn konsentrasjoner. Fe varierte fra 80-94 mg kg -1, mens Mn varierte 1,12 til 1,28 mg kg -1. Siden grunnmaterialet var generelt homogent, er det større variasjon i og for voksel Fe-konsentrasjon tilskrives mobilisering og utfelling av sekundære faser fra forvitring reaksjoner av Fe med luft og vann. De lavere DNA-konsentrasjoner observert på overflaten over hele skråningen kan indikere lavere evne chemoautotrophs å utnytte primære mineraler (basalt), mens høye biomasse patcher observert i de lavere lag og innsig ansiktet kan korrelerer med sekundært mineral opphopning som foreslått av den høye biomassen (Z = 3, Y = 8) som svarer til forhøyet romvekt og Mn konsentrasjon. Dettemønsteret tyder potensiell utfelling av sekundære mineraler (f.eks jern hydroksider) av autotrofe mikroorganismer. Future profilering av mikrobiell diversitet vil ytterligere belyse de observerte relasjoner. Faktisk rapporterer litteratur begrenset mikrobiell vekst på oligotrofe tefra basal media, med forvitring-indusert redusert underlag opptrer som metabolske og vekst innganger for mikrober 22. Høye elementære responser observert i de midtre lagene av mid-skråningen regionen kan også gjenspeile dannelsen av redoks grense i denne regionen.
Figur 11. Todimensjonale isopleth varmekart. (A) Bulktetthet. Bulkdensitet verdier ble oppnådd ved å overføre prøvene til aluminium veie retter og ovn tørke dem i 48 timer ved 105 ° C. Celler igjen i blank representerer voxel hvor prøvetakingen var ikke possible grunn av tilstedeværelsen av sensorer og mangel på plass for å romme tetthet kjerner bulk. (b) DNA-konsentrasjon. For de mikrobiologiske kjerner, ble 2 g av jord delutvalgt å ekstrahere mikrobielle DNA, representant for hver voksel. (C) Elementær Fe og (D ) Element Mn. for elementæranalyse av Fe og Mn, et pXRF data for en total av 81 prøver ble målt in triplo. Gjennomsnitt av hvert element i hver voxel ble beregnet og plottet. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Liggende evolusjon er den kumulative effekten av hydrologiske, geokjemiske og biologiske prosesser 12. Disse prosessene kontrollere strømning og transport av vann og elementer, og biogeokjemiske reaksjoner i utviklende landskap. Men å fange samspillet krever samtidig presist koordinert eksperimentell design og prøvetaking. I tillegg studerer begynnende landskapet evolusjon er vanskelig i naturlige systemer, med begrensede evner til å identifisere "tids null" forhold. Litteraturen rapporterer en destruktiv lysimeter studie som ble utført for å måle anlegget root tetthet 23, mens feltbaserte tilnærminger til vanning og utgraving er rapportert av Graham et al. 24 og Anderson et al. 25 Men ingen av studiene innarbeidet en metode for å studere hydrologiske -geochemical-mikrobiologisk heterogenitet av et simulert landskapet. En viktig del av vår studie var å sikre at en skala was er definert for eksperimenter og prøvetaking prosedyrer valgt å sikre at heterogenitet av valgt skala ble tatt effektivt. Spørsmålet om omfanget er spesielt viktig når man studerer Earth-system prosesser og har blitt bemerket av forskere i de respektive områdene hydrologi 26, geokjemi 27, og mikrobiologi 28. Metodikken er beskrevet i denne studien er rettet mot å studere en rekke hydro-Geochem-mikrobiologiske prosesser som er relevante for vår problemstillinger, mens på samme tid som gir fleksibilitet til å endre protokollen i henhold til individuelle problemstillinger.
Våre foreløpige representative resultatene tyder på at et homogent utgangspunkt miljø vil utvikle heterogene egenskaper. Resultatene bulktetthet indikere nærværet av en region med høyere verdier i de dypere lag i nærheten av den siving ansikt, som kan representere et resultat av akkumulering av fine partikler på grunn av strømnings-prosesser innen than lysimeter samt en komprimering som følge av den overliggende vekten av den fuktede jord. Disse to hypotesene kan bli belyst med etterforskningen av flere parametere. For eksempel, ved å utføre partikkelstørrelsesanalyse av volumelementer, er det mulig å oppnå de faktiske mengder av finere versus grovere partikler. De foreløpige totale Fe- og Mn-konsentrasjoner indikere forekomsten av elementært oppløsning og re-utfelling som en konsekvens av å anvende flere vanning sykluser til lysimeter før utgravningen. Slike resultater kan forklares på to måter: (1) vann translocates leire og finere store partikler, anriket på Fe og Mn, ned skråning hvor de kan samle seg i den nedre skråning 29 (dette forutsetter at fysisk bevegelse er viktigere enn kjemisk reaksjoner); (2) vann løser opp fine partikler og oppløselige sporioner, som for eksempel Fe og Mn, utfelles ved lavere helling (dette scenariet foruts kjemiske reaksjoner er de primære drivkrefter). For å c onfirm mekanismene for elementært labilitet, er flere bevis nødvendig. De DNA konsentrasjonsmålinger bekrefter en heterogen fordeling av mikrobielt liv i lysimeter. Til tross for den lave nærings tilstanden til basalt hillslope, evnen til å påvise nærvær av mikrobielt liv indikerer mikrobiell kolonisering i henhold oligotrofe betingelser er mulig. Dette funnet er konsistent med rapporter om basalt-vert mikrobielle samfunn og samtidig biologisk mediert forvitring i ulike miljøer som vulkansk jord 30, havbunnen 31, og tropisk vannskille 32 .Further analyse av mikrobielle mangfold stede i hver voxel er nødvendig for å ta opp hypoteser om de potensielle bidrag fra mikrober til forvitring prosesser. Ved fullstendig analyse av våre prøver og resultater, vil vi være i stand til å tolke hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske interaksjoner som oppstår under begynnende landskapet evolusjon.
ntent "> Metodikken som presenteres i denne artikkelen er mer et forslag skritt snarere enn en rigid ordning for graving en jord lysimeter å utforske hydrologiske og biogeokjemiske interaksjoner. Enkelte trinn kan være mer eller mindre relevant avhengig av målene for studiet. Det er også viktig å understreke den tiden som trengs for å utføre en slik utgraving. Vår utgraving kreves et team på 3 personer til enhver tid med eventuell tillegg av 1 eller 2 andre mennesker i løpet av noen dager med arbeid. utgravningen varte i 10 dager, med daglige arbeids timer varierer mellom 8 til 10 timer. Derfor nøye velge den tiltenkte trinnene er svært viktig når tidspress er å bli tatt i betraktning. i tillegg har noen trinnene i protokollen er avgjørende for å lykkes med utgraving og forsknings spørsmålene som stilles. Under fargestoff søknaden, forsiktighet må tas for å sikre at områder som er merket å forbli unstained dekkes skikkelig for å hindre at fargestoff fra leaking i de ufargede regioner. En god estimering av voxel størrelse er også avgjørende for å lykkes med dette eksperimentet. Vokselen størrelse bestemmer omfanget av prøveinnsamling: større antall voksler antyde finere prøven oppløsning på bekostning av økte tiden ved omhyggelig å grave hvert volumelement i motsetning til mindre antall voksler og grovere prøveoppløsningen. Forhindre krysskontaminering av prøver ved hjelp av håndholdte trowels og plast kitt kniver er også viktig, både for mikrobiologiske og geokjemiske prøvetaking og analyse.En rekke modifikasjoner til protokollen kan utføres, basert på problemstillinger. Først, med henvisning til spørsmålet om skala, kan man velge å utvikle en prøvetakingsstrategi som er finere enn protokollen beskrevet her, eller velge en courser skala; imidlertid skalaen valgt for dette forsøk bekrefter at vi har fanget betydelig fysiske, kjemiske og biologiske heterogeniteter i hillslope. disse choices må gjøres på grunnlag av forsknings spørsmålene som stilles, omfanget av hillslope eller lysimeter som kan bygges, og logistikken for å gjennomføre analyser. For det andre, kan mange slike mini lysimeters settes opp til å studere jord-utviklingsprosesser. For eksempel, kan forskere ønske å se ved forvitring av forskjellige jordmaterialer når de utsettes for en variert utfelling regime, eller utvikling av jordprofil på hillslopes som har samme grunnmaterialet, men behandles forskjellig med hensyn på helling, nedbør, temperatur, etc. i tillegg er varigheten av studien kan også endres basert på forskningsspørsmål og forskere kan være lurt å konstruere identiske lysimeters fulgt av destruktive utgraving av hver lysimeter timelig.
For det tredje, vegetasjon kan innføres for å studere effekten av plantevekst på hydrologiske strømningsbanen, geokjemiske forvitring, og mikrobiell utvikling fellesskap.
I tillegg gjensøkere som ønsker å studere eksisterende prosesser og funksjoner i et landskap, i stedet for å fokusere på utviklingsstadier, kan søke vår metode til jord monolitter i en naturlig setting. Tradisjonelle jord monteringsprosedyrer kan følges for å oppnå en jord monolitt, etterfulgt av fordeling av monolitten i klart definerte regioner av interesse. Denne tilnærmingen kan overvinne de begrensninger som er knyttet til utførelse av intenst ødeleggende prøvetaking av lysimeters i felten. Seksjonene er valgt kan deretter bli gravd på en lignende måte for å observere hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske egenskaper bestemt til monolitten.
En begrensning ved denne metoden er å fremskaffe alle prøvesettene fra vokslene som var plassert nær sensorer. Forhåndsinnebygde sensorer i enkelte områder av hillslope forhindret innsamling av hydrologiske prøver. I tillegg til å oppheve innvirkningen av gunstige strømningsveier på grunn av tilstedeværelsen av sensorer, enkelte prøver fra disse stedeneble kastet. Videre ble utgravning utføres i to faser over en periode på ti dager, med en avstand på tre dager mellom fasene. Mens omsorg ble tatt for å dekke den blottlagte flaten mellom grave fasene, kan det eksponerte lag potensielt utviser endrede mikrobiell aktivitet grunn av vekslende damptrykk og oksidasjonsbetingelser. En utgravning av denne lengden er således tidkrevende, noe som i sin tur kan innføre ytterligere tid-sensitive variasjon.
Fange landskap heterogenitet som påvirket av hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske prosesser er en utfordring. Den synergistiske virkning av disse prosessene på hverandre sammensetninger kompleksitet. En utgravning av en simulert landskap presentert på denne skalaen og intensiteten er romanen. Evnen til å koordinere innsamling av hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske prøver uten å kompromittere integriteten til enten prøve presenterer en utmerket tilnærming for å gjennomføre tverrfaglige studies av jord-systemet prosesser. Teknikkene som er skissert er enkle, repeterbare, og fleksible for å imøtekomme flere problemstillinger, og dermed lar gjennomføring av alternative eksperimentelle design. Fremtidige utfall av denne metoden kan omfatte potensielt utvikle teoretiske rammeverk og modeller av landskapet evolusjon for å svare på komplekse spørsmål om jordsystemdynamikk.
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.
- 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.
- Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
- Band, L. E., et al.
- 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).
