التربة مقياس الذوبان الحفر في جانب الهيدرولوجي، الجيوكيميائية، والتحقيقات الميكروبيولوجية

Summary

تقدم هذه الدراسة طريقة الحفر للتحقيق الهيدرولوجية تحت السطحية والجيوكيميائية وعدم التجانس الميكروبيولوجي من مقياس الذوبان التربة. على مقياس الذوبان يحاكي hillslope الاصطناعية التي كانت في البداية تحت حالة متجانسة وتعرضوا إلى ما يقرب من 5000 ملم من المياه على مدى ثماني دورات الري في فترة 18 شهرا.

Introduction

تتشكل التربة والمناظر الطبيعية الديناميكية التي التفاعل المعقد بين الفيزيائية والكيميائية، والعمليات البيولوجية ^1. تدفق المياه، التجوية الجيوكيميائية، والنشاط البيولوجي تشكل التنمية الشاملة من المناظر الطبيعية في النظام الإيكولوجي مستقرة ^2،3. في حين أن التغييرات السطحية هي أكثر السمات البارزة للمشهد ^4، الآثار التراكمية فهم الهيدرولوجية والجيوكيميائية وعمليات علم الأحياء الدقيقة في المنطقة تحت سطح الأرض أمر بالغ الأهمية لفهم القوى الكامنة التي تشكل المشهد ^2. المستقبل السيناريوهات اضطراب المناخ مزيد يربك القدرة على التنبؤ ونمط تطور المشهد ^5. وبالتالي فإنه يصبح تحديا لربط العمليات على نطاق صغير لمظهر على نطاق واسع على المشهد على نطاق ^6. التجارب المعملية على المدى القصير التقليدية أو التجارب في المناظر الطبيعية مع الظروف الأولية غير معروفة والوقت متغير مما اضطر سقوط القصير في التقاط عشره عدم التجانس لا يتجزأ من تطور المناظر الطبيعية. أيضا، نظرا لاقتران غير الخطية قوية، فإنه من الصعب التنبؤ بالتغيرات البيولوجية الكيميائية من النمذجة الهيدرولوجية في الأنظمة غير المتجانسة ^7. هنا، نحن تصف المنهج التجريبي الرواية إلى حفر hillslope التربة تسيطر عليها بالكامل ورصدها مع الظروف الأولية المعروفة. ويهدف لدينا إجراء أعمال الحفر وأخذ العينات في الاستيلاء على التجانس النامية في hillslope على طوله وعمقه، وذلك بهدف توفير بيانات شاملة للتحقيق في التفاعلات المائية الحيوية الجيوكيميائية وتأثيرها على عمليات تكوين التربة.

الأنظمة الهيدرولوجية وجدت في الطبيعة هي أبعد ما تكون عن كونها ثابتة في الوقت المناسب، مع تغييرات في ردود الهيدرولوجية التي تجري على نطاق واسع من المقاييس المكانية والزمانية ^3. الهيكل المكاني للمسارات تدفق على طول المناظر الطبيعية يحدد معدل ومدى وتوزيع ردود الفعل الجيوكيميائية والاستعمار البيولوجي التي تدفعالتجوية، ونقل وترسيب الأملاح والرواسب، ومزيد من بنية التربة التنمية. وهكذا، ودمج المعرفة من بيدولوجيا والجيوفيزياء، وعلم البيئة في النظريات والنماذج التجريبية لتقييم العمليات الهيدرولوجية وتحسين التنبؤات الهيدرولوجية وقد اقترح ^8،9. يتأثر تطور المشهد أيضا العمليات البيولوجية الكيميائية الموجودة تحت سطح الأرض جنبا إلى جنب مع ديناميات المياه، والهجرة عنصري خلال تطوير التربة، والتحولات المعدنية الناجمة عن رد فعل من الأسطح المعدنية مع الهواء والماء، والكائنات الحية الدقيقة ^10. وبالتالي، فمن المهم دراسة تطوير المناطق الساخنة الجيوكيميائية داخل المشهد المتطورة. بالإضافة إلى ذلك، فمن الأهمية بمكان أن ترتبط أنماط التجوية الجيوكيميائية لعملية الهيدرولوجية والتوقيعات الميكروبيولوجية خلال تكوين التربة بدايته من أجل فهم ديناميات التنمية المشهد تعقيدا. تخضع عمليات محددة من نشأة التربةمن التأثير المشترك للمناخ، والمدخلات البيولوجية والإغاثة والوقت على المادة الأم محددة. وقد تم تصميم هذه التجربة لمعالجة التغاير في التجوية المادة الأم التي يحكمها تغيرات الهيدرولوجية والجيوكيميائية المرتبطة الإغاثة (بما في ذلك المنحدر والعمق) وتباين يرتبط في النشاط الميكروبي التي يقودها التدرجات البيئية (أي الأكسدة المحتملة) في ظل ظروف حيث تقام المادة الأم والمناخ والوقت ثابت. وفيما يتعلق النشاط الميكروبي، الكائنات المجهرية في التربة من العناصر الهامة ولها تأثير عميق على استقرار المشهد ^11. أنها تلعب دورا حاسما في بنية التربة، وركوب الدراجات البيولوجية الكيميائية من المواد الغذائية، ونمو النبات. وبالتالي، فمن الضروري أن نفهم المغزى من هذه الكائنات كسائقين التجوية، نشأة التربة، وعمليات تشكيل المشهد، وفي الوقت نفسه تحديد الآثار المتبادلة للالهيدرولوجية تدفق مسارات ونحن الجيوكيميائيةathering على بنية المجتمع الميكروبي والتنوع. ويمكن تحقيق ذلك من خلال دراسة التباين المكاني لتنوع المجتمع الميكروبي على المشهد تتطور الذي الهيدرولوجية والخصائص الجيوكيميائية وتدرس أيضا في نفس الوقت.

هنا، نقدم إجراء حفريات في مقياس الذوبان التربة، واسمه عمليا miniLEO، مصممة لتقليد واسعة النطاق نماذج حوض صفر بأمر من تطور المرصد المناظر الطبيعية (LEO) يضم في المحيط الحيوي 2 (جامعة أريزونا). تم تطوير miniLEO لتحديد نطاق صغير أنماط تطور المشهد الناجمة عن عمليات غير المتجانسة التراكمية المائية الحيوية الجيوكيميائية. وهو مقياس الذوبان 2 م في الطول، و 0.5 مترا في العرض، و 1 مترا في الطول، والمنحدر من 10 درجة (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك، يتم عزل جدران مقياس الذوبان والمغلفة مع غير القابلة للتحلل من جزئين التمهيدي الايبوكسي ومجموع شغل الأليفاتية معطف يوريتان لتجنب تلوث محتمل أو الرشحالمعادن من الإطار مقياس الذوبان في التربة. وقد شغل مقياس الذوبان مع صخرة البازلت سحق أنها انتزعت من وديعة من أواخر العصر الجليدي تيفرا المرتبطة ميريام كريتر في ولاية اريزونا الشمالية. كانت مادة البازلت تحميل مطابقة للمواد المستخدمة في التجارب LEO أكبر من ذلك بكثير. ووصف التركيب المعدني، وتوزيع حجم الجسيمات، والخصائص الهيدروليكية التي كتبها Pangle وآخرون. ^12. وقد اصطف مواجهة تسرب منحدر مع شاشة مثقب البلاستيك (0.002 م المسام قطر، و 14٪ المسامية). تم تجهيز النظام مع أجهزة الاستشعار مثل محتوى الماء ودرجة الحرارة أجهزة الاستشعار، ونوعين من أجهزة الاستشعار المحتملة المياه، عينات التربة والمياه، الهيدروليكية التوازن الوزن، تحقيقات الموصلية الكهربائية، ومحولات الضغط لتحديد ارتفاع منسوب المياه الجوفية. وقد رويت مقياس الذوبان لمدة 18 شهرا قبل الحفر.

كان الحفر الدقيق في نهجها ويهدف إلى الإجابة عن سؤالين واسعة: (1) ما الهيدرولوجية والجيوكيميائية، والتوقيعات الميكروبية يمكن ملاحظتها في طول وعمق المنحدر مع الاحترام لظروف الأمطار محاكاة و (2) ما إذا كانت العلاقات والتغذية المرتدة بين العمليات المائية الحيوية الجيوكيميائية التي تحدث على hillslope يمكن استخلاصه من التوقيعات الفردية. جنبا إلى جنب مع الإعداد التجريبية وإجراء أعمال الحفر، نقدم البيانات والاقتراحات النيابية حول كيفية تطبيق بروتوكولات الحفر مماثلة للباحثين الراغبين في الدراسة إلى جانب ديناميات الأرض نظام و / أو عمليات التنمية التربة.

Protocol

1. وضع مصفوفة أخذ العينات للتأكد من أخذ العينات المنتظمة والشاملة للمقياس الذوبان

1. تقسيم مقياس الذوبان في voxels ثابتة الطول والعرض والعمق.
   1. استخدام الفضاء الإقليدية نظام التنسيق وتقسيم المسافة الإجمالية على طول كل اتجاه (X، Y و Z) إلى وجود عدد كاف من فترات زمنية متساوية. النظر في التخلص من التربة بالقرب من جدران مقياس الذوبان لتجنب الآثار الحدود.
      ملاحظة: اعتمد عازلة 5 سم على طول الجدران الأربعة في هذه التجربة لتجنب الآثار الحدود، مع ضمان أن حجم التربة التي تم جمعها كافية.
   2. تعيين كل عينة XYZ الموقع الفريد وتحديد باعتبارها فوكسل.
      ملاحظة: في هذه الحفر، X يدل على موقع على طول عرض المنحدر، Y يدل على موقع على طول المنحدر، في حين Z يدل على موقع على عمق المنحدر. حجم فترات داخل كل البعد يحدد العرض والطول والعمق من voxels. Figure 2 يبين تقسيم مقياس الذوبان بعد تحديد فترات المباعدة جنبا إلى جنب مع الأصل الذي تم اختياره للنظام XYZ. تقسيم في مخطط الحفريات الحالي لديه 9 فترات على طول كلا الاتجاهين Y و Z و 4 فترات طول اتجاه X، وتنتج ما مجموعه 324 voxels 10 سم × 20 سم × 10 سم أبعاد (الشكل 3).
      ملاحظة: استراتيجية أخذ العينات المختارة يضمن أن النظام بأكمله وأخذ عينات بالتساوي مع الحد الأدنى من الضرر لأجهزة الاستشعار. يتم تجاهل حدود كل فوكسل (1-2 سم) للحد من التلوث من voxels المجاورة. بالإضافة إلى ذلك، أبعاد فوكسل تضمن مواد التربة غير كافية لالميكروبيولوجية، الجيوكيميائية، وجمع العينات الهيدرولوجية في كل فوكسل.

الشكل 1. الجانبية ضوء مقياس الذوبان يطل مقياس الذوبان من اتحاد كرة القدم تسربم. أيضا مرئية ثلاثة مناطق استشعار (أنابيب PVC بيضاء) على نظام المنحدر والرش في الزوايا الأربع.

الشكل 2. أخذ العينات مخطط. مخطط أخذ العينات من مقياس الذوبان على طول XYZ. أ. س البعد يقسم العرض إلى 4 أقسام كل 10 سم في حين Y يقسم طول في 20 سم. ب. Z البعد يشير عمق وتقسيمها إلى 9 طبقات 10 سم عمق. وحددت حدود 5 سم على طول حواف مقياس الذوبان لمنع جمع العينات التي يمكن ان تظهر تأثير الحدود. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل 3. ثلاثة دتمثيل imensional من فوكسل. التخطيطي المرئي للفوكسل واحد على طول الطائرة XYZ من مقياس الذوبان. تم تقسيم المنحدر بأكمله إلى 324 هذه voxels، مع كل فوكسل تصور وحدة أخذ العينات واحدة. من فضلك اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

2. إضافة الزرقاء الرائعة FCF صبغ لمسار المياه تسلل في المنحدر

1. تطبيق الصبغة الزرقاء الرائعة على سطح التربة، وهو ما يكفي لتغطية الأعلى 105 سم من سطح طول اتجاه Y. تغطية التربة المتبقية مع الأغطية البلاستيكية.
   1. اختيار تركيز (هنا 10 جم / لتر) لضمان النقيض ضد تربة بازلتية سوداء. إضافة الصبغة للدبابات نظام الري وتخفف بالماء إلى التركيز المطلوب.
   2. تقرر مدة الري بناء على العمق المطلوب من الجبهة تسلل ومعدل توفيره من قبل نظام الري.
      ملاحظة: للحصول على هذه الدراسة، وهي ط ويعتبر معدل rrigation من 30 ملم / ساعة لمدة 20 دقيقة (الشكل 4) قبل الحفر كافية من أجل تحديد أنماط متباينة من تسلل المياه خلال سم القليلة الأولى.
   3. بعد تطبيق صبغ، وإعطاء الوقت للتسلل لوقف ودول الرطوبة داخل مقياس الذوبان للتوازن. لهذه الدراسة، كانت فترة 10 ساعة (بين عشية وضحاها) بين تطبيق صبغ والحفر المناسبة.

3. ترسيم Voxels

1. إرفاق شريط قياس على طول المنحدر لتوفير نظام مرجعي في الموقع للتوجيه أثناء ترسيم voxels.
2. بمناسبة البعد من كل فوكسل التربة مع مساعدة من شريط القياس. رسم خطوط الشبكة في كل طبقة باستخدام المدنيين كدروع الألومنيوم شفرة وسكاكين المعجون البلاستيك (الشكل 4). تجاهل المواد الحدود (5 سم من كل جدار لمنع آثار الحدود).

together.within الصفحات = "1">
الرقم 4. عرض أعلى مقياس الذوبان. ويوضح هذا الرأي سطح مصبوغ طبقة 2 (10 سم العميق). شبكات المرسومة على سطح التربة لمساعدة أخذ العينات واضحة أيضا، جنبا إلى جنب مع المناطق الثقوب الأساسية في كل فوكسل بعد جمع العينات الميكروبيولوجي.

4. جمع العينات علم الأحياء الدقيقة

1. جمع عينات علم الأحياء الدقيقة جو معقم و مطهر من كل فوكسل قبل الهيدرولوجية والجيوكيميائية يحلل لمنع التلوث من العينات. ضمان قفازات جديدة يتم ارتداؤها من قبل جميع أفراد تنفيذ أعمال الحفر للحد من التلوث من الجلد البشري.
2. استخدام أخذ العينات الجوفية التربة من 1 سم وقطرها 20 سم ارتفاع، وملعقة رقيقة لجمع العينات الميكروبيولوجي. تنظيف أخذ العينات الجوفية وملعقة مع الماء المقطر، مسح جاف مع مناديل نظيفة، وشطف مع 75٪ من الإيثانول باستخدام زجاجة رذاذ. السماح أخذ العينات الجوفية وملعقة للهواء الجاف.
3. لاحظ جالوقت ollection من كل عينة. استخدام أخذ العينات الجوفية حتى النخاع على عمق 10 سم في كل موقع فوكسل، وملعقة لتفريغ عينة التربة في أكياس بلاستيكية معقمة قبل (الشكل 5). الحرص على فتح الحقيبة فقط قبل إيداع عينة. التجانس الحقائب عينة باليد.
4. تخزين حقيبة عينة في برودة الجليد خلال أخذ العينات، ونقل في أقرب وقت ممكن إلى -80 درجة مئوية الثلاجة.

الرقم 5. جمع العينات علم الأحياء الدقيقة. ويرد أخذ العينات الجوفية يده الصغيرة من 20 سم × 1 سم، وأكياس معقمة، وملعقة هنا خلال أخذ العينات الميكروبيولوجية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

5. الجيوكيمياء والهيدرولوجيا جمع العينات

1. المناطق صورة مصبوغ في X و Y ررانيس أثناء الحفر لأعماق حيث لوحظ الصبغة. استخدام بطاقة اللون لتوفير إشارة للون احظ (الشكل 6). ضمان الإضاءة الطبيعية المناسبة موجود لتوثيق كثافة اللون بشكل صحيح.
2. معايرة المحمولة الأشعة السينية مضان مطياف (pXRF) يوميا قبل بدء القياسات. للمعايرة وقياس من التفاصيل، انظر تعليمات الشركة الصانعة ¹³ (الشكل 7). لفترة وجيزة، ضع أداة على حامل وتدل على نافذة شعاع مباشرة إلى حبة مصنع للمعادن. اختر "كال" وانتظر لمدة 30 ثانية للسماح للمعايرة إلى أن تكتمل.
   1. تنظيف نافذة شعاع قبل اتخاذ كل قياس. قياس سطح كل فوكسل في ثلاث نسخ في ثلاثة مواقع مختلفة. ضع أداة pXRF على سطح التربة وانتظر لمدة 90 ثانية للسماح للقياس إلى أن تكتمل.
      ملاحظة: الأشعة السينية يمكن أن تخترق مسافة طويلة في اتجاه الشعاع. لذلك، ensuإعادة أنه ليس هناك سوى الموظفين المدربين مقابض المعدات ويحافظ على بروتوكولات السلامة المناسبة.

الشكل 6. بطاقة اللون لمتابعة صبغ تسلل. تم تصويره في كل مكان مع تغلغل الصبغة مرئية مع بطاقة اللون يخدم كمرجع. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

الرقم 7. المحمولة الأشعة السينية الإسفار مطياف. يده pXRF المتمركزة على سطح فوكسل. سجلت القياسات في ثلاثة مواقع مختلفة على سطح كل فوكسل ثم متوسط.

3. النوى معدنية نظيفة (الارتفاع = 3 سم، وديا. = 5.7 سم) والبولي التعاونالدقة (الارتفاع = 6 سم، وديا. = 5.7 سم) لكثافة السائبة (BD) وقياسات التوصيل الهيدروليكي (KSAT) من voxels المطلوب، على التوالي (الشكل 8).
4. إدراج عموديا النوى المعادن والنوى البولي (العمودي KSAT) في voxels المطلوب مع الحرص على عدم تلف أجهزة الاستشعار أو أسلاك أجهزة الاستشعار. القيام بذلك عن طريق يدق برفق النوى في التربة، مع الحرص على استخدام سطح مستو مثل كتلة من الخشب بين جوهر ومطرقة من أجل تقليل الاضطراب إلى التربة. بالإضافة إلى ذلك، وبمجرد أن الأساسي هو في منتصف الطريق في التربة، ووضع نواة الثاني على رأس النواة الأولى. وضع كتلة خشبية على رأس الأساسية الثانية وتدق بلطف كتلة حتى يتم تضمين النواة الأولى في التربة مع حافة الأساسية لا تزال واضحة.
5. إدراج النوى لKSAT الأفقي كما وجه الجانبي للفوكسل يفتح مع الحفر متسلسل. استخدام كتلة خشبية والأساسية الثانية كما ذكر في الخطوة 5.4 لتقليل الضغط.
6. الحرص على التأكد من أن فوكسليتم أخذ عينات معزولة عن الحدود وvoxels المجاورة قبل جمع العينات الجيوكيميائية. استخدام السكاكين المعجون البلاستيك لهذا الغرض، تليها المسجات باليد لجمع عينات من التربة حول المعدن أو البولي بروبلين النوى في الجيوكيميائية أكياس (GC) عينة المسمى حتى النوى يمكن إزالتها بسهولة (على سبيل المثال، الشكل 9A، ب).

واستخدمت الشكل كثافة 8. السائبة والنوى التوصيل الهيدروليكي. النوى مادة البولي بروبيلين (يسار) لجمع عينات التوصيل الهيدروليكي الرأسي والأفقي في حين قلب معدني (يمين) واستخدمت لجمع عينات الكثافة.

الرقم 9. فوكسل ترسيم الحدود. وقد استخدمت السكاكين المعجون البلاستيك إلى (A) عزلحدود فوكسل قبل (ب) الجيوكيميائية وكثافتها، والهيدروليكي جمع التوصيل الأساسية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

7. إزالة المعدنية الأساسية، وفرشاة قبالة المواد الزائدة من كلا الطرفين، ونقل عينة من النواة إلى كيس عينة دينار بحريني المسمى. وزن كل كيس عينة مع عينة وتسجيل الوزن الكلي.
8. إزالة النوى البولي بروبلين. تغطية كلا الجانبين مع القبعات البلاستيكية الحمراء وتسمية الأساسية البولي بروبلين الرأسي بأنه "V" والأفقي الأساسية البولي بروبلين و"H" متبوعة معرف العينة.
9. جمع المواد المتبقية من فوكسل في كيس عينة GC، تاركا وراءه بضعة سنتيمترات من التربة في جميع الجوانب الأربعة لمنع انتقال التلوث مع فوكسل المقبل.
10. كرر من الخطوات 5،1-5،9 لبقية voxels في طبقة واحدة.
11. مرة واحدة وقد تم كل voxels من طبقة واحدةالانتهاء، كرر الخطوات 3،2-5،10 للطبقة اللاحقة.
    ملاحظة: الخطوة 5.1 الاحتياجات التي يتعين القيام بها فقط لvoxels التي لها صبغة مرئية. الرجوع إلى الشكل 10 لتصور تخطيطي الممثلين فوكسل تسليط الضوء على جميع العينات التي تم جمعها من كل فوكسل.

خط الرقم 10. فوكسل الممثل. بدد خط أحمر يشير إلى جوهر جمع عينات علم الأحياء المجهرية، تحطمت الأخضر يشير الأفقي الأساسية التوصيل الهيدروليكي، خط اندفاعة الأصفر يشير العمودي الأساسية التوصيل الهيدروليكي، يشير متقطع الأرجواني بالجملة الأساسية كثافة، والحدود البيضاوي الأزرق يشير المتبقية عينة من فوكسل تستخدم لتحليل الجيوكيميائية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف. </ P>

تحليل 6. عينة

1. استخدام العينات التي تم جمعها لالميكروبيولوجية تحليلات لالجزيئية (التربة استخراج الحمض النووي الميكروبي) ¹⁴ ومثقف (التهم لوحة متغايرة) ¹⁵ التحليلات. استخدام الحمض النووي المستخرج للتفاعلات البلمرة الكمية (QPCR) ^16، والإنتاجية العالية التجارب التسلسل الجيني ^17،18.
2. استخدام العينات التي تم جمعها لالجيوكيميائية التحليلات لقياس العديد من الخصائص الجيوكيميائية بما في ذلك درجة الحموضة (وكالة حماية البيئة الأميركية طريقة 150.2)، التوصيل الكهربائي (EC) (الولايات المتحدة أسلوب وكالة حماية البيئة 120.1) والكربون والنتروجين (الولايات المتحدة أسلوب وكالة حماية البيئة 415.3، واستخراج متتابعة من عناصر ¹⁹ وحيود الأشعة السينية (XRD) والذي مدد امتصاص الأشعة السينية هيكل غرامة (EXAFS) الطيفي وفقا للمواصفات من ستانفورد مختبر السنكروترون الإشعاع، للتحقيق التحولات المعدنية.
3. استخدام العينات التي تم جمعها الأساسية لتحليل الهيدرولوجية لإجراء التجارب المخبرية مثل الكثافة الظاهرية ²⁰والتوصيل الهيدروليكي ^21.

Representative Results

أبعاد voxels ضمنت مجموعة من عينات لالهيدرولوجية والجيوكيميائية والقياسات الدقيقة. أسفرت إجراء حفريات 324 النوى للتحليل الميكروبيولوجي، 972 نقاط البيانات pXRF، 324 أكياس عينة الجيوكيميائية، 180 عينات KSAT (128 الرأسي والأفقي 52)، و 311 عينات الكثافة الظاهرية. وقد لوحظ تدفق تفضيلية من الصبغة الزرقاء الرائعة أيضا على عمق 30 سم تحت سطح الأرض. وقد تم اختيار مجموعة تمثيلية من 81 عينات من شريحة واحدة العمودي للمقياس الذوبان لتحليل أولي. وكانت العينات المختارة من X = 2 موقف على منحدر في حين تراوحت Y و Z voxels 0-8. يتم عرض النتائج الأولية من تركيز الحمض النووي وكثافتها، وpXRF الحديد (حديد) والقياسات المنغنيز (المنغنيز) هنا المخططات الحرارية isopleth على قطعة 2-D (الشكل 11).

تحليل أولي لقياس الكثافة الظاهرية ( -3 في حين كان أعمق ثلاث طبقات (70-100 سم) قيم أعلى بكثير من 1،4-1،5 غرام سم ^-3. زيادة الكثافة أيضا من المنحدر العلوي لمواجهة التسرب. الضغط على النظام وكذلك تراكم الجزيئات التي يحملها تتلاقى تدفق يمكن أن يؤدي إلى كمية أكبر من جزيئات التربة لكل وحدة حجم من التربة، والتي بدورها يمكن أن تفسر ارتفاع قيم الكثافة الظاهرية لوحظ في الطبقات العميقة وفي مواجهة التسرب. احتمال حركة الجسيمات الدقيقة أسفل المنحدر مع تدفق المياه من المحتمل أن يغير من البيئة المحلية، وشرح الأنماط الملحوظة.

تم استخراج الحمض النووي من الجراثيم النوى التمثيلية. كانت تركيزات الحمض النووي تعافى غير متجانسة وتراوحت بين من هم دون حد الكشف إلى أعلى من 30 نانوغرام / غرام من التربة الجافة. أعلى متوسط ​​تركيزاتتم ترجمة في طبقة Z = 3 (20-30 سم) مع اتجاه واحد أنوفا تبين تركيز أعلى بكثير في هذه الطبقة (ع = 0.013، α = 0.05). تركيزات متوسط ​​طول نطاق Y Y (منطقة التسرب وجه يمثلون 160-180 سم طول طول مقياس الذوبان) = 8 سجلت أعلى قيمة. ومع ذلك، كان في اتجاه واحد أنوفا يكن كبيرا (α = 0.05) على طول. سجلت فوكسل واحد في طبقة Z = 6 (50-60 سم) على تركيز عال على الرغم من طبقة Z = 6 في المتوسط ​​كان تركيز الحمض النووي منخفضة. سجلت معظم المناطق الأخرى التركيزات في نطاق 2-10 نانوغرام / غرام من التربة (الشكل 11B). وهكذا يبدو أن وجود الجراثيم هو أكثر متجانسة عبر عمق مقياس الذوبان من على طول المنحدر. من التحليل الأولي، وطبقة Z = 3 يدل على وجود الجراثيم العالي. ومن المرجح أن منطقة الأكسدة الحدود المحتملة مع وجود جيوب هوائية-اللاهوائية متقطعة توجد في هذه الطبقة، مما أسفر عن الظروف البيئية مواتية لوجودكل الهوائية واللاهوائية الكائنات الحية الدقيقة. أظهر أنماط الانتعاش الحمض النووي أيضا بقع من التركيز العالي والمنخفض في طبقات أعمق. نسبيا، وقد لوحظت تركيزات أعلى بشكل متقطع في منحدر أخمص القدمين، وربما يعود ذلك إلى ترسب الجسيمات في هذه المنطقة. المناطق مع تركيز الحمض النووي أقل من الحد كشف تكشف جيوب الكتلة الحيوية المنخفضة التي يمكن أن يعزى ذلك إلى حقيقة أن النظام قيد الدراسة هو قليل التغذية للغاية. لن يتم تحقيق فهم واضح من مجموع المجتمع الميكروبي مع تجارب أخرى بما في ذلك QPCR الكمي للبكتيريا، archaeal، والسكان الفطرية والإنتاجية العالية تحليل التسلسل الجيني.

مجموع عنصري الحديد والمنجنيز تركيزات النوعية أظهرت أنماطا مماثلة (أرقام 11 C و D على التوالي). لكل من العناصر، لوحظت تركيزات أعلى على سطح منتصف المنحدر، وأخمص القدمين المنحدر. تله على الأرجح يعني أن حل عناصر يحدث في المنحدر العلوي. الأيونات الذائبة والجسيمات الدقيقة ويمكن بعد ذلك يحتمل أن تتدفق أسفل المنحدر ويعجل أو الإيداع في المنحدر السفلي. ومع ذلك، أظهرت تركيزات الحديد تقلب أكبر من تركيز المنجنيز. تراوحت الحديد 80-94 ملغ كغم ^-1، في حين تراوحت المنغنيز 1،12-1،28 ملغ كجم ^-1. ولما كانت المادة الأم عموما متجانسة، ويعزى التفاوت أكبر في كل فوكسل تركيز الحديد لتعبئة وهطول الأمطار من المراحل الثانوية من التجوية ردود الفعل من الحديد مع الهواء والماء. في تركيز الحمض النووي أقل لوحظ على السطح عبر المنحدر بأكمله قد يشير قدرة أقل من chemoautotrophs للاستفادة من المعادن الأساسية (البازلت)، في حين بقع الكتلة الحيوية العالية التي لوحظت في الطبقات السفلى وتسرب الوجه قد ترتبط مع تراكم المعادن الثانوية على النحو الذي اقترحه قيمة الكتلة الحيوية العالية (Z = 3، ص = 8) الذي يتوافق مع الكثافة الظاهرية مرتفعة وتركيز المنجنيز. هذاويشير نمط هطول الأمطار المحتملة من المعادن الثانوية (على سبيل المثال، هيدروكسيدات الحديد) بواسطة الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية. والتنميط في المستقبل من التنوع الميكروبي مزيد من إلقاء الضوء على العلاقات الملحوظة. في الواقع، تقارير الأدب نمو الجراثيم محدود على وسائل الإعلام تيفرا بازلتية قليل التغذية، مع انخفاض ركائز الناجم عن العوامل الجوية تعمل كما الأيض والنمو مدخلات للميكروبات ^22. ردود عنصري عالية لوحظ في الطبقات المتوسطة من منطقة منتصف المنحدر قد يعكس أيضا تشكيل الحدود الأكسدة والاختزال في هذه المنطقة.

الرقم 11. المخططات الحرارية isopleth ثنائي الأبعاد. (A) السائبة الكثافة السائبة. تم الحصول على قيم الكثافة عن طريق نقل العينات إلى الألومنيوم وزنها أطباق وفرن تجفيفها لمدة 48 ساعة على درجة حرارة 105 مئوية. خلايا اليسار على بياض تمثل voxels حيث كان جمع العينات لا صossible بسبب وجود أجهزة الاستشعار وعدم وجود مساحة لاستيعاب النوى الكثافة الظاهرية. (ب) تركيز الحمض النووي للحصول على النوى الميكروبيولوجية، وsubsampled 2 غرام من التربة لاستخراج الحمض النووي الميكروبي، ممثل عن كل فوكسل. (C) عنصري الحديد و(D ) عنصري المنغنيز. لتحليل العناصر من الحديد والمنجنيز، تم قياس بيانات pXRF لما مجموعه 81 عينات في يثلث. تم حساب متوسط ​​كل عنصر في كل فوكسل وتآمر. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

تطور المشهد هو الأثر التراكمي لالهيدرولوجية والجيوكيميائية والعمليات البيولوجية ^12. تتحكم هذه العمليات تدفق ونقل الماء والعناصر، وردود الفعل البيولوجية الكيميائية في المناظر الطبيعية المتغيرة. ومع ذلك، واستولت على التفاعل يتطلب وقت واحد تصميم تجريبي منسق بدقة وأخذ العينات. بالإضافة إلى ذلك، ودراسة تطور المشهد بدايته صعبة في النظم الطبيعية، مع قدرات محدودة لتحديد "الساعة الصفر" الظروف. تقارير الأدب الدراسة مقياس الذوبان المدمرة واحد التي أجريت لقياس كثافة جذور النباتات ²³ في حين يتم الإبلاغ عن نهج ميداني قائم الري والحفريات التي جراهام وآخرون. ²⁴ وأندرسون وآخرون. ²⁵ ومع ذلك، فإن أيا من الدراسات أدرجت طريقة لدراسة الهيدرولوجية عدم التجانس -geochemical-الميكروبيولوجي من المناظر الطبيعية محاكاة. وكان عنصرا أساسيا في دراستنا لضمان أن وا نطاقتم القبض الصورة المحددة للتجارب وإجراءات أخذ العينات المختارة للتأكد من عدم تجانس حجم اختيار بكفاءة. مسألة مقياس مهم بشكل خاص عند دراسة العمليات الأرضية النظام، وقد لاحظ الباحثون في كل الميادين الهيدرولوجيا ^26، الجيوكيمياء ^27، وعلم الأحياء الدقيقة ^28. وتهدف هذه المنهجية المبينة في هذه الدراسة إلى دراسة مجموعة من العمليات المائية GEOCHEM-الميكروبيولوجية ذات الصلة على الأسئلة أبحاثنا، بينما في الوقت نفسه توفير المرونة لتعديل البروتوكول وفقا لأسئلة الأبحاث الفردية.

وتشير نتائجنا التمثيلية الأولية أن بيئة انطلاق متجانسة وتطوير الخصائص غير المتجانسة. وتشير النتائج الكثافة الظاهرية وجود المنطقة مع القيم العليا في الطبقات العميقة على مقربة من وجه تسرب، والتي قد تمثل نتيجة لتراكم جزيئات دقيقة بسبب عمليات تدفق داخل رإنه مقياس الذوبان فضلا عن الضغط الناجم عن ثقل تتراكب التربة المبللة. يمكن توضيح هذه الفرضيات اثنين مع لجنة التحقيق من معلمات إضافية. على سبيل المثال، عن طريق إجراء تحليل حجم الجسيمات من voxels، فمن الممكن الحصول على النسب الفعلية لأدق مقابل الجسيمات الخشنة. وتشير مجموع الحديد والمنجنيز تركيزات الأولية حدوث انحلال الأولي وإعادة هطول الأمطار، نتيجة لتطبيق عدة دورات الري إلى مقياس الذوبان قبل الحفر. ويمكن تفسير هذه النتائج بطريقتين: (1) المياه translocates الطين وأدق الحجم الجسيمات، مما أثرى في الحديد والمنجنيز، أسفل المنحدر حيث يمكن أن تتراكم في أسفل المنحدر ²⁹ (هذا على افتراض أن الحركة الجسدية هي أكثر أهمية من المواد الكيميائية ردود الفعل)؛ (2) الماء يذوب الجسيمات الدقيقة وأيونات أثر القابلة للذوبان، مثل الحديد والمنغنيز، ويعجل في انخفاض المنحدر (هذا السيناريو يفترض التفاعلات الكيميائية هي القوى الدافعة الرئيسية). من أجل ج onfirm آليات تقلقل عنصري، هناك حاجة إلى مزيد من الأدلة. القياسات تركيز الحمض النووي تؤكد توزيع غير متجانس من حياة ميكروبية في مقياس الذوبان. وعلى الرغم من انخفاض حالة المغذيات من hillslope البازلت، والقدرة على الكشف عن وجود حياة ميكروبية تشير الاستعمار الجرثومي في ظل ظروف قليل التغذية ممكن. وتتوافق هذه النتيجة مع تقارير من المجتمعات الميكروبية في استضافة البازلت والمتزامنة التجوية بوساطة بيولوجيا في بيئات متنوعة مثل التربة البركانية ^30، قاع المحيط ^31، ومستجمعات المياه الاستوائية ³² تحليل .Further من التنوع الميكروبي موجودة في كل فوكسل هناك حاجة لمعالجة الفرضيات المتعلقة المساهمات المحتملة من الميكروبات لعمليات التجوية. على تحليل كامل لعينات لدينا والنتائج، ونحن سوف تكون قادرة على تفسير التفاعلات الهيدرولوجية، الجيوكيميائية، والميكروبيولوجية التي تحدث أثناء تطور المشهد بدايته.

ntent "> المنهجية الواردة في هذا المقال هو أكثر من ذلك اقتراح الخطوات بدلا من نظام صارم للتنقيب على مقياس الذوبان التربة لاستكشاف التفاعلات الهيدرولوجية والبيولوجية الكيميائية. بعض الخطوات قد تكون أكثر أو أقل أهمية تبعا لأهداف الدراسة. ومن من المهم أيضا التأكيد على الوقت اللازم لإجراء تلك الحفر. لدينا الحفر يتطلب فريق من 3 أشخاص في جميع الأوقات مع إضافة في نهاية المطاف من 1 أو 2 أشخاص آخرين خلال بعض أيام العمل. واستمر الحفر لمدة 10 يوما، مع العمل اليومي ساعات تتراوح ما بين 8 إلى 10 ساعة. لذلك، واختيار بعناية الخطوات المقصودة هي مهمة جدا عندما تؤخذ بعين الاعتبار ضيق الوقت. بالإضافة إلى ذلك، بعض الخطوات المذكورة في البروتوكول حاسمة لنجاح أعمال الحفر والبحوث الأسئلة التي طرحت. وخلال يجب أن تؤخذ في تطبيق الصبغة، عناية خاصة لضمان أن المناطق التي تم تحديدها لتبقى غير ملوثين وتغطي بشكل صحيح لمنع صبغ من leakiنانوغرام في المناطق غير ملوثين. تقدير جيد من حجم فوكسل هو أيضا أمر حاسم في نجاح هذه التجربة. حجم فوكسل يحدد نطاق جمع العينات: عدد أكبر من voxels يعني أدق قرار عينة على حساب زيادة الوقت الذي يقضيه في التنقيب بعناية كل فوكسل في مقابل عدد أقل من voxels وخشونة قرار العينة. منع انتقال التلوث من العينات باستخدام المسجات اليدوية والسكاكين المعجون البلاستيك المهم أيضا، على حد سواء لجمع العينات الميكروبيولوجي والجيوكيميائية والتحليل.

ويمكن تنفيذ عدد من التعديلات على بروتوكول خارج، استنادا إلى أسئلة البحث. أولا، في اشارة الى مسألة الحجم، يمكن للمرء أن يختار لوضع استراتيجية أخذ العينات وهذا هو أدق من بروتوكول صفها هنا أو اختيار نطاق الجواد. ولكن على نطاق والذي تم اختياره لهذه التجربة تؤكد أن قبضنا المادية كبيرة والكيميائية والبيولوجية التغاير في hillslope. هذه choicوفاق يجب أن تتم على أساس الأسئلة البحثية يطلب، حجم hillslope أو مقياس الذوبان التي يمكن بناؤها، والخدمات اللوجستية لإجراء التحاليل. ثانيا، العديد من هذه-lysimeters صغيرة يمكن إعدادها لدراسة عمليات تطوير التربة. على سبيل المثال، قد الباحثين يريدون أن ننظر إلى التجوية من مواد مختلفة من التربة عندما تتعرض لنظام هطول متنوعة، أو تطوير التربة على hillslopes التي لها نفس المادة الأم ولكن يتم التعامل بشكل مختلف فيما يتعلق المنحدر، وهطول الأمطار، ودرجة الحرارة، الخ بالإضافة إلى ذلك، ومدة الدراسة ويمكن أيضا أن يتم تعديل بناء على الأسئلة البحثية والباحثين قد ترغب في بناء lysimeters متطابقة تليها الحفر المدمر لكل مقياس الذوبان زمنيا.

ويمكن إدخال ثالث، والغطاء النباتي لدراسة تأثير نمو النبات على الهيدرولوجية تدفق المسار، التجوية الجيوكيميائية، وتنمية المجتمع الميكروبية.

بالإضافة إلى ذلك، إعادةالباحثين الذين يرغبون في دراسة العمليات وملامح المشهد القائمة، بدلا من التركيز على المراحل التنموية، وقد يتم فرض أسلوبنا على كتل التربة في بيئة طبيعية. يمكن اتباع الإجراءات التقليدية التربة المتزايدة للحصول على متراصة التربة، تليها تقسيم متراصة في مناطق محددة بشكل واضح في المصالح. وهذا النهج يمكن التغلب على القيود المرتبطة بتنفيذ أخذ العينات المدمرة بشكل مكثف من lysimeters في هذا المجال. الأقسام ومن ثم يمكن حفرها بطريقة مماثلة اختارت لمراقبة الهيدرولوجية والجيوكيميائية والخصائص الميكروبيولوجية محددة لمتراصة.

وجود قيود على هذه الطريقة هو الحصول على جميع مجموعات عينة من voxels التي تقع بالقرب من أجهزة الاستشعار. أجهزة استشعار ما قبل جزءا لا يتجزأ في بعض مناطق hillslope منعت جمع العينات المائية. بالإضافة إلى ذلك، لنفي تأثير مسارات تدفق تفضيلية بسبب وجود أجهزة الاستشعار، وبعض العينات من هذه المواقعتم التخلص منها. وعلاوة على ذلك، تم إجراء أعمال الحفر على مرحلتين خلال فترة عشرة أيام، مع وجود فجوة من ثلاثة أيام بين مراحل. في حين تم الحرص على تغطية سطح مكشوف بين مراحل الحفر، يمكن للطبقة يتعرض يحتمل أن تظهر النشاط الميكروبي تغير بسبب تغير الظروف ضغط البخار والأكسدة. الحفريات بهذا الطول وبالتالي تستغرق وقتا طويلا، وهذا بدوره قد يعرض الأشكال الأخرى الحساسة للوقت.

التقاط التجانس المناظر الطبيعية وتتأثر العمليات الهيدرولوجية، الجيوكيميائية، والميكروبيولوجية هو التحدي. تأثير التآزر من هذه العمليات على بعضها البعض يضاعف من تعقيد. الحفريات من المناظر الطبيعية محاكاة قدمت في هذا الحجم والكثافة هو الرواية. القدرة على تنسيق جمع العينات المائية، الجيوكيميائية، والميكروبيولوجية دون المساس بسلامة إما عينة تقدم نهجا ممتازا لإجراء الصورة متعددة التخصصاتtudies العمليات الأرض النظام. التقنيات المذكورة هي بسيطة، قابلة للتكرار، ومرنة لاستيعاب أسئلة بحثية متعددة، مما يتيح تنفيذ تصاميم تجريبية بديلة. ويمكن أن تشمل النتائج المستقبلية لهذا الأسلوب يحتمل وضع أطر نظرية ونماذج من تطور المشهد للرد على أسئلة معقدة من ديناميات الأرض النظام.

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