Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Soil Lysimeteronderzoek Opgraving voor Gekoppeld Hydrologisch, geochemische en microbiologische Onderzoeken

Published: September 11, 2016 doi: 10.3791/54536

Summary

Deze studie geeft een opgraving methode voor het onderzoeken van ondergrondse hydrologische, geochemische en microbiologische heterogeniteit van een bodem lysimeter. De lysimeter simuleert een kunstmatig hillslope dat aanvankelijk onder homogene toestand en waren onderworpen aan ongeveer 5000 mm water over acht cycli van irrigatie in een periode van 18 maanden.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Bodem en landschapsdynamiek worden gevormd door de complexe interactie van fysische, chemische en biologische processen 1. Waterstroom, geochemische verwering, en de biologische activiteit vorm te geven de algemene ontwikkeling van het landschap in een stabiele ecosysteem 2,3. Terwijl oppervlak veranderingen zijn de meest opvallende kenmerken van het landschap 4, begrip cumulatieve effecten van hydrologische, geochemische en microbiologische processen in de ondergrond regio is van cruciaal belang voor het begrijpen van de onderliggende krachten die een landschap 2 vorm te geven. Toekomstig klimaat verstoring scenario's verder te verwarren de voorspelbaarheid en het patroon van het landschap evolutie 5. Het wordt dus een uitdaging om kleinschalige processen te koppelen aan hun grootschalige manifestatie op het landschap-schaal 6. Traditionele korte termijn laboratoriumexperimenten en experimenten in natuurlijke landschappen met onbekende initiële condities en de tijd-variabele dwingen te kort schieten in het vastleggen van the intrinsieke heterogeniteit van het landschap evolutie. Ook door sterke niet-lineaire koppeling, is het moeilijk om biochemische veranderingen van hydrologische modellering in heterogene systemen 7 voorspellen. Hier beschrijven we een nieuwe experimentele methode om een ​​volledig gecontroleerd en bewaakt bodem hillslope met bekende beginvoorwaarden graven. Onze uitgraven en sampling procedure is gericht op het vastleggen van de ontwikkeling van heterogeniteit van de hillslope langs zijn lengte en diepte, met als doel het leveren van een uitgebreide dataset aan hydro-bio-geochemische interacties en hun impact op bodemvorming processen te onderzoeken.

Hydrologische systemen in de natuur gevonden zijn verre van statisch in de tijd, met veranderingen in de hydrologische reacties die plaatsvinden over een breed scala van ruimtelijke en temporele schalen 3. De ruimtelijke structuur van stroom paden langs landschappen bepaalt de snelheid, omvang en verdeling van de geochemische reacties en biologische kolonisatie die rijdenverwering, het transport en de neerslag van de opgeloste stoffen en sedimenten, en de verdere ontwikkeling van de bodemstructuur. Zo, waarin de kennis van bodemkunde, geofysica, en ecologie in theorieën en experimentele ontwerpen om hydrologische processen hydrologische voorspellingen te evalueren en te verbeteren is gesuggereerd 8,9. Landschap evolutie wordt ook beïnvloed door ondergrondse biogeochemische processen in combinatie met water dynamiek, elementaire migratie tijdens de bodem ontwikkeling, en door mineralogische transformaties door de reactie van minerale ondergronden met lucht, water, en micro-organismen 10 gebracht. Bijgevolg is het belangrijk voor de ontwikkeling van geochemische hotspots bestuderen in een veranderende landschap. Daarnaast is het essentieel om geochemische verwering patronen om hydrologische proces- en microbiologische handtekeningen betrekking hebben tijdens beginnende bodemvorming om de dynamiek van complexe landschap ontwikkeling te begrijpen. De specifieke processen van bodemgenese worden beheerstdoor de gecombineerde invloed van het klimaat, biologische inputs, opluchting en tijd op een specifieke ouder materiaal. Dit experiment werd ontworpen om heterogeniteiten in de verwering van ouder materiaal beheerst door hydrologische en geochemische variaties geassocieerd met reliëf (met inbegrip van de helling en diepte) en de bijbehorende variabiliteit in microbiële activiteit die wordt gedreven door milieu gradiënten (ie, redoxpotentiaal) onder omstandigheden waarbij pakken ouder materiaal, het klimaat en de tijd constant gehouden. Met betrekking tot de microbiële activiteit, de bodem micro-organismen zijn kritische componenten en hebben een grote invloed op het landschap stabiliteit 11. Zij spelen een cruciale rol in de bodemstructuur, biogeochemische cycli van nutriënten en plantengroei. Daarom moet de betekenis van deze organismen drivers verwering, bodemgenese en landschap vormingsprocessen begrijpen, terwijl tegelijkertijd het identificeren van de wederzijdse effecten van hydrologische stroming paden en geochemische weathering op de microbiële gemeenschap structuur en diversiteit. Dit kan worden bereikt door het bestuderen ruimtelijke heterogeniteit van microbiële diversiteit via een zich ontwikkelende landschap waarvan hydrologische en geochemische kenmerken worden ook bestudeerd in parallel.

Hier presenteren we een opgraving procedure van een bodem lysimeter, operationeel genaamd miniLEO, ontworpen om de grootschalige zero-order bekkenmodellen van het Landschap Evolution Observatory (LEO) ondergebracht bij Biosphere 2 (Universiteit van Arizona) na te bootsen. De miniLEO werd ontwikkeld om kleinschalige landschap evolutie patronen die voortvloeien uit de cumulatieve heterogene hydro-bio-geochemische processen te identificeren. Het is een lysimeter 2-m lang, 0,5 m breed en 1-m in hoogte en helling van 10 ° (Figuur 1). Bovendien zijn de wanden van de lysimeter zijn geïsoleerd en bekleed met niet-biodegradeerbare twee-componenten epoxy primer en een aggregaat gevuld alifatisch urethaan laag mogelijke verontreiniging spoelwater te voorkomenvan metalen uit de lysimeter- raam in de grond. De lysimeter was gevuld met gebroken basalt rots die werd gewonnen uit een borgsom van late Pleistoceen tephra geassocieerd met Merriam Crater in het noorden van Arizona. De geladen basalt materiaal was identiek aan het materiaal dat in de veel grotere LEO experimenten. De minerale samenstelling, deeltjesgrootteverdeling en hydraulische eigenschappen worden beschreven door Pangle et al. 12. De downslope kwel gezicht was bekleed met een geperforeerde plastic scherm (0.002-m diameter poriën, 14% porositeit). Het systeem is uitgerust met sensoren zoals watergehalte en temperatuursensoren, twee soorten waterpotentieel sensoren, bodemwaterpotentiaal samplers, hydraulische gewichtsbalans, elektrische geleidbaarheid probes en drukopnemers water tafelhoogte bepalen. De lysimeter werd geïrrigeerd 18 maanden voorafgaand aan de uitgraving.

De opgraving was nauwgezet in haar aanpak en was gericht op het beantwoorden van twee grote vragen: (1) wat hydrologische, geochemische en microbiële handtekeningen kunnen worden waargenomen over de lengte en diepte van de helling met betrekking tot de gesimuleerde regenval voorwaarden en (2) de vraag of relaties en terugkoppeling tussen hydro-biogeochemische processen die optreden op het hillslope kan worden afgeleid uit de individuele handtekeningen. Naast de experimentele opstelling en graafwerkzaamheden procedure, presenteren wij representatieve gegevens en suggesties over hoe om soortgelijke opgraving protocollen gelden voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van de dynamiek in combinatie aarde-systeem en / of de ontwikkeling van bodemprocessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Bedenk een Sampling Matrix te zorgen voor een systematische en uitgebreide bemonstering van Lysimeteronderzoek

  1. Verdeel lysimeter in voxels van vaste lengte, breedte en diepte.
    1. Gebruik een Euclidische ruimte coördinatensysteem en verdeel de totale lengte van elke (X, Y en Z) in een voldoende aantal gelijke afstanden zijn geplaatst. Beschouw gooi de bodem nabij de wanden van de lysimeter om grens te vermijden.
      Opmerking: Een buffer van 5 cm langs de vier wanden in dit experiment om grens te vermijden heeft, met dien verstande dat het volume grond verzameld volstaat.
    2. Wijs elk monster een unieke XYZ locatie en te identificeren als een voxel.
      Opmerking: In opgraving, X is de locatie langs de breedte van de helling, Y geeft locatie langs de lengte van de helling, terwijl Z geeft plaats langs de diepte van de helling. De grootte van de intervallen in elke dimensie bepaalt de breedte, lengte en diepte van de voxels. Figure 2 toont de verdeling van de lysimeter na het bepalen tussenruimten langs de gekozen oorsprong voor de XYZ systeem. De verdeling in de huidige uitgraving regeling heeft 9 intervallen langs beide Y en Z-richtingen en 4 intervallen langs de X-richting, wat een totaal van 324 voxels van 10 cm x 20 cm x 10 cm afmeting (figuur 3).
      OPMERKING: De bemonsteringsstrategie gekozen zodat het gehele stelsel gelijk is bemonsterd met minimale schade aan de sensoren. Grenzen van elke voxel (1-2 cm) worden verwijderd om kruisbesmetting uit naburige voxels te beperken. Daarnaast voxel dimensies te zorgen dat er voldoende grond materiaal is beschikbaar voor microbiologisch, geochemische en hydrologische monstername in elke voxel.

Figuur 1
Figuur 1. Side-view van de lysimeter. Uitzicht op lysimeter uit de kwel face. zichtbaar zijn ook drie sensor regio's (wit PVC-buizen) langs de helling en sprinklerinstallatie op de vier hoeken.

Figuur 2
Figuur 2. Sampling Scheme. Sampling schema van lysimeter langs XYZ. A. De X-afmeting verdeelt de breedte in 4 secties van elk 10 cm, terwijl Y verdeelt de lengte tot 20 cm. B. De Z dimensie geeft diepte en werd verdeeld in 9 lagen van 10 cm diepte. Een grens van 5 cm langs de randen van de lysimeter werd geïdentificeerd aan de inzameling van de monsters die mogelijk grens effect kan vertonen voorkomen. Klik hier om dit bestand te downloaden.

figuur 3
Figuur 3. Drie-dimensional voorstelling van een voxel. Visuele schema van een voxel langs de XYZ vlak van de lysimeter. De hele helling werd opgedeeld in 324 dergelijke voxels, waarbij elke voxel beeltenis van een enkele steekproefeenheid. Klik hier om dit bestand te downloaden.

2. Voeg Brilliant Blue FCF Dye Track waterinfiltratie in de Helling

  1. Toepassen brilliant blue kleurstof aan het oppervlak van de bodem, voldoende boven 105 cm van het oppervlak langs de Y-richting bedekken. Voor de overgebleven bodem met kunststof platen.
    1. Kies een concentratie (hier 10 g / l) om het contrast tegen zwarte basalt bodem te garanderen. Voeg de kleurstof irrigatiesysteem tanks en verdun met water tot de gewenste concentratie.
    2. Bepaal de duur van de irrigatie basis van de gewenste diepte van de voorste en infiltratie door het irrigatiesysteem geleverd rate.
      LET OP: Voor deze studie, een irrigation snelheid van 30 mm / uur gedurende 20 min (figuur 4) vóór uitgraving wordt voldoende geacht om heterogene patronen van waterinfiltratie identificeren bij de eerste centimeters.
    3. Na kleurstof applicatie, geef het tijd voor de infiltratie te stoppen en het vocht staten binnen de lysimeter in evenwicht. Voor deze studie, was een periode van 10 uur ( 's nachts) tussen kleurstof toepassing en opgraving geschikt is.

3. Afbakening van Voxels

  1. Attach meetlint over de lengte van de helling van een in-situ referentiesysteem voor begeleiding bij afbakening van voxels.
  2. Markeer de afmeting van elk bodem voxel met de hulp van het meetlint. Teken rasterlijnen voor elke laag gebruik van aluminium-blade schilden en plastic stopverf messen (figuur 4). Gooi de grens materialen (5 cm uit elke wand begrenzing effecten te voorkomen).


Figuur 4. Bovenaanzicht van lysimeter. Deze weergave toont het geverfde oppervlak van laag 2 (10 cm diep). Grids getekend op het grondoppervlak van steekproeven te helpen zijn ook zichtbaar, samen met de kern gaten regio's op elke voxel na microbiologische monstername.

4. Microbiologie Monsternemingsprocedure

  1. Verzamel microbiologie monsters aseptisch uit elke voxel voorafgaand aan de hydrologische en geochemische analyses om kruisbesmetting van de monsters te voorkomen. Zorg ervoor dat de nieuwe handschoenen worden gedragen door alle leden van de uitvoering van de opgraving om verontreiniging van de menselijke huid te verminderen.
  2. Gebruik een bodem corer van 1 cm diameter en 20 cm hoog, en een dunne spatel voor microbiologische monstername. Maak de corer en de spatel met gedestilleerd water, droog het af met een schone doekjes, en spoel af met 75% ethanol met behulp van een spuitfles. Laat corer en spatel aan de lucht drogen.
  3. Let op de collectie tijd van elk monster. Gebruik de kernboor core tot een diepte van 10 cm aan elke voxel locatie en de spatel om het bodemmonster in vooraf gesteriliseerde kunststof zakken (figuur 5) leeg. Zorg ervoor dat de tas vlak voor het afzetten van het monster te openen. Homogeniseer het monster zakjes met de hand.
  4. Het monster zak in een ijs koeler tijdens de bemonstering en dragen zo spoedig mogelijk de -80 ° C vriezer.

figuur 5
Figuur 5. Microbiologie monstername. Een kleine handheld corer van 20 cm x 1 cm, steriele zakken en spatel is hier te zien tijdens de microbiologische bemonstering. Klik hier om dit bestand te downloaden.

5. Geochemie en Hydrologie Sample Collection

  1. Foto geverfd regio's in X- en Y-plAnes tijdens graafwerkzaamheden voor dieptes waar de kleurstof wordt waargenomen. Gebruik een kleurenkaart met referentie voor de kleur waargenomen (Figuur 6) verschaffen. Zorg voor een goede natuurlijke verlichting aanwezig is om correct te documenteren kleurintensiteit.
  2. Kalibreren draagbare x-ray fluorescentie spectrometer (pXRF) per dag vóór het begin van de metingen. Voor de kalibratie en meting details, zie instructies van de fabrikant 13 (figuur 7). In het kort, plaatst u het instrument op de houder en richt de bundel venster direct naar de fabriek metalen kraal. Selecteer 'Cal' en wacht 30 seconden om de kalibratie te worden ingevuld.
    1. Reinig de bundel venster voordat het nemen van elke meting. Meet het oppervlak van elke voxel in drievoud op drie verschillende locaties. Plaats de pXRF instrument op het grondoppervlak en wacht 90 seconden om de meting te worden ingevuld.
      OPMERKING: X-ray probleemloos door een grote afstand in de richting van de bundel. Daarom ensuopnieuw dat alleen een opgeleid personeel zorgt voor de apparatuur en zorgt voor de juiste veiligheidsprotocollen.

figuur 6
Figuur 6. Kleur kaart te volgen kleurstof infiltratie. Elke locatie met zichtbare kleurstofpenetratie werd gefotografeerd met een kleur kaart dient als referentie. Klik hier om dit bestand te downloaden.

figuur 7
Figuur 7. Portable X-ray Fluorescentie Spectrometer. Handheld pXRF gepositioneerd op het oppervlak van een voxel. Metingen werden bij drie verschillende locaties op het oppervlak van elk voxel en vervolgens gemiddeld.

  1. Clean metallic kernen (height = 3 cm, diam. = 5,7 cm) en polycarbonaat cores (hoogte = 6 cm, diam. = 5,7 cm) voor bulk- dichtheid (BD) en hydraulische geleidbaarheidsmetingen (Ksat) van voxels gewenst, respectievelijk (figuur 8).
  2. Verticaal voegen metalen kernen en polycarbonaat kernen (verticaal Ksat) in gewenste voxels zorg ervoor dat u de sensoren of sensor draden beschadigen. Doe dit door zachtjes hameren de kernen in de bodem, het verzorgen van een vlakke ondergrond, zoals blok hout tussen de kern en de hamer te gebruiken om storingen te minimaliseren aan de bodem. Bovendien, wanneer de kern is halverwege in de bodem, plaats een tweede kern bovenop de eerste kern. Plaats het houten blok boven op de tweede kern en voorzichtig hamer het blok tot de eerste kern ingebed in de bodem van de kern rand nog zichtbaar.
  3. Plaats kernen voor horizontale Ksat als de laterale zijde van de voxel opent met sequentiële opgraving. Gebruik de houten blok en de tweede kern, zoals vermeld in stap 5,4 tot verdichting te minimaliseren.
  4. Let erop dat de voxelbemonsterd wordt vooraf geïsoleerd van grenzen en de naburige voxels om geochemische monstername. Gebruik plastic plamuurmes hiervoor, gevolgd door handbediende troffels bodemmonsters rond metaal of polypropyleen kernen verzamelen in gemerkte geochemische (GC) voor monsters tot kernen gemakkelijk verwijderd kan worden (bijvoorbeeld figuur 9a, b).

Figuur 8
Figuur 8. Bulkdichtheid en doorlatendheid kernen. Polypropyleen kernen (links) werden gebruikt voor het verzamelen verticale en horizontale doorlatendheid monsters terwijl metalen kernen (rechts) werden gebruikt voor het verzamelen bulkdichtheid monsters.

figuur 9
Figuur 9. Voxel afbakening. Plastic plamuurmes werden gebruikt voor (A) isolerenvoxel grenzen voorafgaand aan (B) geochemische, dichtheid en doorlatendheid kerncollectie. Klik hier om dit bestand te downloaden.

  1. Verwijder de metalen kern, borstel uit overtollig materiaal van beide kanten, en de overdracht van het monster van de kern van een gelabeld BD monster zak. Weeg elk monster zak met het monster en noteer het totale gewicht.
  2. Verwijder de polypropyleen kernen. Bedek beide kanten met rode plastic doppen en labelen verticale polypropyleen kern als "V" en horizontale polypropyleen kern als "H" gevolgd door het monster ID.
  3. Verzamel de resterende materiaal uit de voxel in de GC monster zak, met achterlating van een paar centimeter van de bodem op alle vier de zijden om kruisbesmetting met de volgende voxel te voorkomen.
  4. Herhaal stappen 5,1-5,9 voor de rest van de voxels in een laag.
  5. Zodra alle voxels van de ene laag geweestvoltooid, herhaalt u de stappen 3,2-5,10 voor de volgende laag.
    OPMERKING: Stap 5,1 moet worden uitgevoerd alleen voxels die zichtbaar kleurstof. Raadpleeg Figuur 10 representatief schema van een voxel benadrukken alle monsters verzameld uit elke voxel visualiseren.

figuur 10
Figuur 10. Vertegenwoordiger voxel. De rode stippellijn geeft kern verzameld voor microbiologie monster, de groene gestippelde lijn geeft horizontale hydraulische geleidbaarheid kern, de gele streepje lijn geeft verticale doorlatendheid kern, de paarse gestreepte geeft dichtheid kern, en de blauwe ovaal grens de resterende monster uit de voxel worden gebruikt voor geochemische analyse. klik hier om dit bestand te downloaden. </ P>

6. Sample Analysis

  1. Gebruik monsters verzameld voor microbiologische analyses voor moleculaire (bodem microbiële DNA-extractie) 14 en gekweekt (heterotrofe plaat tellingen) 15 analyses. Gebruik gewonnen DNA voor kwantitatieve polymerase chain reacties (qPCR) 16, en high-throughput-gen sequencing experimenten 17,18.
  2. Gebruik monsters verzameld voor geochemische analyses aan een veelheid van geochemische eigenschappen, waaronder pH (US EPA methode 150.2), de elektrische geleidbaarheid (EC) (US EPA methode 120.1), koolstof en stikstof-gehalte (US EPA methode 415.3, sequentiële extractie van elementen 19 te meten, en röntgendiffractie (XRD) en exafs (EXAFS) spectroscopie volgens specificaties van de Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, minerale transformaties te onderzoeken.
  3. Gebruik bodemmonsters verzameld voor hydrologische analyses voor laboratorium experimenten, zoals bulkdichtheid 20en doorlatendheid 21.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De afmetingen van de voxels gezorgd monsters voor hydrologische, geochemische en microbiologische metingen. De opgraving procedure leverde 324 kernen voor microbiologische analyse, 972 pXRF datapunten, 324 geochemische monster tassen, 180 Ksat monsters (128 verticale en horizontale 52), en 311 bulkdichtheid monsters. Preferentiële stroming van Brilliant Blue-kleurstof werd waargenomen tot een diepte van 30 cm onder het oppervlak. Een representatieve set van 81 monsters uit een enkele verticale deel van de lysimeter werden gekozen voor vooronderzoek. De gekozen monsters waren afkomstig van X = 2 positie op de helling, terwijl Y en Z voxels varieerde 0-8. Voorlopige resultaten van DNA-concentratie, dichtheid en pXRF Fe (ijzer) en Mn (mangaan) metingen hier gepresenteerd als isopleth warmtekaarten op een 2-D grafiek (figuur 11).

Voorlopige analyse van bulkdichtheid metingen ( cm-3 terwijl de diepste drie lagen (70-100 cm) had aanzienlijk hogere waarden van 1,4 tot 1,5 g cm -3. Bulk dichtheid ook gestegen van de bovenste helling naar de kwel gezicht. Verdichting van het systeem en accumulatie van deeltjes door convergerende stroming kan leiden tot grotere hoeveelheid gronddeeltjes per volume-eenheid grond, die op hun beurt de hogere stortdichtheid waarden waargenomen in de diepere lagen en de lekkage gezicht kan verklaren uitgevoerd. De kans op beweging van fijnere deeltjes de helling met waterstroom kan mogelijk veranderen de lokale omgeving, en de waargenomen patronen te verklaren.

Microbieel DNA werd geëxtraheerd uit het representatieve kernen. De concentraties van de teruggewonnen DNA waren heterogeen en varieerde van die beneden de detectielimiet tot een piek van 30 ng / g droge grond. Hoogste gemiddelde concentratiesgelokaliseerd in laag Z = 3 (20-30 cm) met een eenzijdige ANOVA blijkt significant hogere concentratie in deze laag (p = 0.013, α = 0,05). Gemiddelde concentraties langs de Y-schaal Y = 8 (lekkage gezichtgebied die 160-180 cm over de lengte van de lysimeter) werden geregistreerd hoogste waarde. Echter, eenzijdige ANOVA niet significant (α = 0,05) langs de lengte. Een enkele voxel in laag Z = 6 (50-60 cm) boekte een hoge concentratie, hoewel laag Z = 6 gemiddeld hadden lage DNA concentraties. De meeste andere gebieden opgenomen concentraties in het traject van 2-10 ng / g grond (figuur 11b). Hieruit blijkt dat microbiële aanwezigheid heterogener in diepte van de lysimeter dan over de lengte van de helling. Uit voorlopige analyse, laag Z = 3 was indicatief voor hogere microbiële aanwezigheid. Het is waarschijnlijk dat een potentiële redox grenszone met onderbroken aërobe-anaërobe zakken bestaat in deze laag, waardoor omgevingsomstandigheden bevorderlijk zijn voor de aanwezigheidzowel facultatief aërobe en anaërobe micro-organismen. De DNA herstelpatronen toonde ook vlekken van hoge en lage concentraties in de diepere lagen. Relatief werden hogere concentraties intermitterend waargenomen bij de teen helling, mogelijk als gevolg van afzetting van deeltjes in deze regio. De regio's met DNA concentraties beneden de detectiegrens onthullen lage zakken biomassa die kan worden toegeschreven aan het feit dat het bestudeerde systeem is zeer oligotrofe. Een goed begrip van de totale microbiële wordt bereikt met verdere experimenten zoals qPCR kwantificering van bacteriën, archaea en schimmelpopulaties en high-throughput gensequentie analyse.

Kwalitatieve totale elementaire Fe en Mn concentraties vertoonden vergelijkbare patronen (figuren 11 c en d respectievelijk). Voor beide elementen werden hogere concentraties waargenomen op het oppervlak van mid-helling en toe-helling. Tzijn waarschijnlijk impliceert ontbinding elementen plaatsvindt op het bovenste helling. Opgeloste ionen en fijn stof kan dan mogelijk stromen de helling af en neerslaan of deposito bij de lagere helling. Echter, Fe concentraties vertoonden grotere variabiliteit dan Mn concentraties. Fe varieerde 80-94 mg kg -1, terwijl Mn varieerde 1,12-1,28 mg kg -1. Sinds de ouder materiaal was over het algemeen homogeen, is de grotere variatie in per voxel Fe concentratie toegeschreven aan de mobilisatie en het neerslaan van secundaire fasen van verwering reacties van Fe met lucht en water. De onderste DNA-concentraties waargenomen op het oppervlak over de gehele helling lager vermogen van chemoautotrophs primaire mineralen (basalt) dat veel biomassa vlekken waargenomen in de lagere lagen en weglekken gezicht correleren met secundaire minerale accumulatie gebruik aangeven zoals door de hoogwaardige biomassa (Z = 3, Y = 8) die overeenkomt met verhoogde bulkdichtheid en Mn concentratie. Dezepatroon geeft aan dat het neerslaan van secundaire mineralen (bijvoorbeeld ijzer hydroxiden) van autotrofe micro-organismen. Toekomstige profilering van microbiële diversiteit zal verder verhelderen de waargenomen relaties. Inderdaad, literatuur meldt beperkte microbiële groei op voedselarme tephra basaltische media, met verwering geïnduceerde verminderde substraten als metabole en groei ingangen voor microben 22. Hoge elementaire responsen waargenomen in de middelste lagen van mid-pisterevier kan geven ook de vorming van redox grens in deze regio.

figuur 11
Figuur 11. Twee-dimensionale isopleth heatmaps. (A) Bulkdichtheid Bulk. Dichtheidswaarden werden verkregen door de overdracht van monsters aluminium droogschalen en oven te drogen gedurende 48 uur bij 105 ° C. Cellen opengelaten vertegenwoordigen voxels waar de steekproef collectie was niet pOGELIJKE door de aanwezigheid van sensoren en weinig ruimte stortgewicht kernen geschikt. (B) DNA-concentratie. Voor microbiologische kernen, 2 g grond werd subsampled microbiële DNA, vertegenwoordiger van elke voxel extraheren. (C) Elementair Fe en (D ) Elemental Mn. voor elementairanalyse Fe en Mn, een pXRF gegevens voor een totaal van 81 monsters werden in drievoud gemeten. Gemiddelde van elk element in elke voxel werd berekend en uitgezet. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Landschap evolutie is het cumulatieve effect van hydrologische, geochemische en biologische processen 12. Deze processen te controleren stroom en het transport van water en elementen, en biogeochemische reacties in veranderende landschappen. Echter, het vastleggen van de interacties vereist tegelijkertijd precies gecoördineerd experimenteel ontwerp en sampling. Bovendien, het bestuderen van beginnende landschap evolutie is moeilijk in natuurlijke systemen, met beperkte mogelijkheden om "tijdstip nul" condities te identificeren. Literatuur vermeldt een destructieve lysimeter studie, die werd uitgevoerd om plantenwortel dichtheid 23 te meten, terwijl gebied gebaseerde benaderingen van irrigatiesystemen en de opgraving worden gerapporteerd door Graham et al. 24 en Anderson et al. 25 Echter, geen van de studies opgenomen in een werkwijze voor het bestuderen van hydrologische -geochemical-microbiologische heterogeniteit van een gesimuleerde landschap. Een belangrijk onderdeel van deze studie was om tegen een schaal was gedefinieerd voor experimenten en bemonsteringsprocedures gekozen om dat heterogeniteit van de gekozen schaal te waarborgen werd efficiënt vastgelegd. De kwestie van de schaal is vooral van belang bij het ​​bestuderen van de Aarde-systeemprocessen en zijn opgemerkt door onderzoekers in de respectieve hydrologie 26, geochemie 27, 28 en microbiologie. De in deze studie methode is gericht op het bestuderen van een reeks hydro-geochem-microbiologische processen om onze onderzoeksvragen relevant, terwijl op hetzelfde moment als de flexibiliteit om het protocol volgens de individuele onderzoeksvragen wijzigen.

Onze voorlopige representatieve resultaten suggereren dat een homogene uitgangspunt omgeving heterogene eigenschappen zullen ontwikkelen. Stortdichtheid resultaten wijzen op de aanwezigheid van een gebied met een hogere waarde op de diepere lagen nabij de lekkage gezicht, dat een gevolg van de ophoping van fijne deeltjes kunnen vormen wegens de stroom processen binnen tHij lysimeter en een verdichting veroorzaakt door het bedekken gewicht van de natte bodem. Deze twee hypothesen kunnen worden toegelicht met het onderzoek van andere parameters. Bijvoorbeeld door het uitvoeren deeltjesgrootteanalyse voxels, is het mogelijk om de werkelijke verhoudingen van fijnere versus grovere deeltjes te verkrijgen. De voorlopige totale Fe en Mn concentraties duiden de aanwezigheid van elementair oplossen en opnieuw neerslaan als uitvloeisel van verschillende besproeiingen de lysimeter- vóór de uitgraving. Dergelijke resultaten kunnen verklaard worden op twee manieren: (1) water transloceert klei en fijnere deeltjes verrijkt met Fe en Mn, kratervultijd waar zij accumuleren in de onderste helling 29 (dit veronderstelt dat fysieke beweging belangrijker dan chemische reacties); (2) water oplost fijne deeltjes en oplosbare trace ionen, zoals Fe en Mn, neerslaan bij lagere helling (dit scenario veronderstelt dat chemische reacties zijn de belangrijkste drijvende krachten). Om c onfirm de mechanismen van elementaire labiliteit, is meer bewijs nodig. De DNA-concentratie metingen bevestigen een heterogene verdeling van microbieel leven in de lysimeter. Ondanks de lage voedende toestand van het basalt hillslope, het vermogen de aanwezigheid van microben sporen geeft microbiële kolonisatie onder oligotroof omstandigheden mogelijk. Deze bevinding is consistent met rapporten van basalt hosted microbiële gemeenschappen en gelijktijdige biologisch gemedieerde verwering in diverse omgevingen zoals vulkanische bodem 30, oceaanbodem 31, en ​​tropische waterscheiding 32 .Further analyse van de microbiële diversiteit aanwezig in elk voxel is nodig om hypothesen over te pakken de potentiële bijdragen van microben tegen verwering processen. Bij de volledige analyse van onze monsters en de resultaten, zullen we in staat zijn om de hydrologische, geochemische en microbiologische interacties die optreden tijdens beginnende landschapsontwikkeling interpreteren.

ntent "> De in dit artikel methodologie is meer een suggestie van de stappen in plaats van een rigide regeling voor het uitgraven van een bodem lysimeter voor hydrologische en biogeochemische interacties te verkennen. Sommige stappen kunnen meer of minder relevant, afhankelijk van de doelstellingen van het onderzoek zijn. Het is ook belangrijk om de tijd die nodig is om een ​​dergelijke een opgraving uitvoeren benadrukken. Onze opgraving vereist een team van 3 personen te allen tijde met de uiteindelijke toevoeging van 1 of 2 andere mensen tijdens een aantal dagen van het werk. de opgraving duurde 10 dagen, met dagelijks werk uur variërend van 8 tot 10 uur. Daarom is het zorgvuldig kiezen van de beoogde maatregelen is zeer belangrijk wanneer tijdsdruk in aanmerking moeten worden genomen. Daarnaast is een aantal stappen in het protocol zijn cruciaal voor het succes van de opgraving en onderzoek vragen die worden gesteld. Tijdens de kleurstof toepassing, speciale zorg moeten worden genomen om ervoor te zorgen dat gebieden die zijn gemarkeerd onbevlekt blijven goed worden afgedekt om de kleurstof uit leaki voorkomenng in de ongekleurde gebieden. Een goede schatting van de voxel is cruciaal voor het succes van dit experiment. De voxel grootte bepaalt de omvang van de monstername: groter aantal voxels impliceren fijnere monster resolutie ten koste van een verhoogde tijd doorgebracht op zorgvuldig uitgraven van elke voxel in tegenstelling tot minder aantal voxels en grovere sample resolutie. Voorkomen van kruisbesmetting van monsters met behulp van hand-held troffels en plastic stopverf messen is ook van cruciaal belang, zowel voor de microbiologische en geochemische monstername en analyse.

Een aantal wijzigingen in het protocol kan worden uitgevoerd, op basis van onderzoeksvragen. Ten eerste, verwijzend naar de kwestie van de schaal, kan men kiezen om een ​​steekproef strategie die is fijner dan de hier of kiezen beschreven voor een courser schaal protocol te ontwikkelen; maar de gekozen schaal dit experiment bevestigt dat we significante fysische, chemische en biologische heterogeniteiten in de hillslope hebben gevangen. deze choices moeten worden gemaakt op basis van de onderzoeksvragen wordt gevraagd, de omvang van de hillslope of lysimeter die kunnen worden gebouwd, en de logistiek om analyses uit te voeren. Ten tweede, kunnen veel van dergelijke mini-lysimeters worden opgezet om de bodem-ontwikkeling processen te bestuderen. Zo kunnen onderzoekers willen kijken naar verwering van verschillende materialen bodem bij onderwerping aan een gevarieerd neerslag regime, of de ontwikkeling van de bodem profiel op hillslopes dat dezelfde ouder materiaal hebben, maar worden anders behandeld met betrekking tot de helling, neerslag, temperatuur, enz. bovendien, de duur van het onderzoek kan ook worden gemodificeerd op basis van vraagstellingen en onderzoekers willen identieke lysimeters gevolgd door destructieve uitgraven van elk lysimeter tijdelijk construeren.

Ten derde, de vegetatie kan worden ingevoerd om het effect van de groei van planten op de hydrologische stroom-pad, geochemische verwering en microbiële gemeenschap ontwikkeling te bestuderen.

Daarnaast rezoekers die willen bestaande processen en functies van een landschap te bestuderen, in plaats van zich te concentreren op de ontwikkelingsstadia, kan onze methode toepassing op de bodem monolieten in een natuurlijke omgeving. Traditionele bodem bevestigingsprocedures kunnen worden gevolgd om een ​​bodemmonoliet verkrijgen, gevolgd door verdeling van de monoliet in welbepaalde gebieden plaats. Deze aanpak kan de beperkingen in verband met het uitvoeren van intens destructieve bemonstering van lysimeters in het veld te overwinnen. De secties kunnen vervolgens gekozen worden gegraven op dezelfde wijze als hydrologische, geochemische en microbiologische kenmerken specifiek voor de monoliet observeren.

Een beperking van deze methode is het verkrijgen van alle sample sets van voxels die zijn gelegen nabij sensors. Pre-geïntegreerde sensoren in sommige gebieden van de hillslope voorkomen verzamelen van hydrologische monsters. Bovendien, de invloed van preferente stroombanen teniet door de aanwezigheid van sensoren, enkele voorbeelden van deze locatieswerden weggegooid. Bovendien werd de uitgraving in twee fasen uitgevoerd gedurende tien dagen, met een gat van drie dagen tussen fasen. Terwijl zorg is besteed aan het blootgestelde oppervlak tussen de uitgraving fasen omvatten, kunnen de blootgestelde laag potentieel vertonen veranderde microbiële activiteit als gevolg van veranderende dampdruk en de oxidatieomstandigheden. Een opgraving van deze lengte is daarom tijdrovend, waardoor extra tijd-gevoelige variant kan invoeren.

Het vastleggen van heterogeniteit van het landschap onder invloed van hydrologische, geochemische en microbiologische processen is een uitdaging. Het synergetische effect van deze processen elkaar verbindingen van de complexiteit. Een opgraving van een gesimuleerde landschap gepresenteerd op deze schaal en intensiteit is roman. De mogelijkheid om te verzamelen van hydrologische, geochemische en microbiologische monsters te coördineren, zonder afbreuk te doen aan de integriteit van beide monster presenteert een uitstekende aanpak voor het uitvoeren van multi-disciplinaire studies van de aarde-systeem processen. De geschetste technieken zijn eenvoudig, herhaalbaar en flexibel om meerdere onderzoeksvragen tegemoet te komen, waardoor de uitvoering van alternatieve experimentele ontwerpen zodat. Toekomstige resultaten van deze werkwijze kan het potentieel ontwikkelen van theoretische kaders en modellen van landschap evolutie op complexe vragen van de aarde-systeem dynamiek te beantwoorden.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brady, N. C., Weil, R. R. The nature and properties of soils. Pearson Prentice Hall. (2008).
  2. Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
  3. Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change? Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
  4. Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. (2015).
  8. Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42, (5), W05301 (2006).
  9. Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
  10. Churchman, G. j, Lowe, D. Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, CRC Press,Taylor & Francis. (2012).
  11. 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).
  12. 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).
  13. User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. Innov-X-Systems. http://usenvironmental.com/download/manuals/Olympus%20-%20Delta%20User%20Manual.pdf (2013).
  14. 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).
  15. JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. JoVE. Cambridge, MA. (2016).
  16. JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. JoVE. Cambridge, MA. (2016).
  17. Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
  18. Caporaso, J. G., et al. Correspondence - QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale? Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
  27. 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).
  28. Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98, (3), 439-448 (2011).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
Soil Lysimeteronderzoek Opgraving voor Gekoppeld Hydrologisch, geochemische en microbiologische Onderzoeken
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sengupta, A., Wang, Y., Meira Neto, A. A., Matos, K. A., Dontsova, K., Root, R., Neilson, J. W., Maier, R. M., Chorover, J., Troch, P. A. Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations. J. Vis. Exp. (115), e54536, doi:10.3791/54536 (2016).More

Sengupta, A., Wang, Y., Meira Neto, A. A., Matos, K. A., Dontsova, K., Root, R., Neilson, J. W., Maier, R. M., Chorover, J., Troch, P. A. Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations. J. Vis. Exp. (115), e54536, doi:10.3791/54536 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter