Summary

Sol Lysimètre Excavation pour Coupled hydrologiques, géochimiques et microbiologiques Enquêtes

Published: September 11, 2016
doi:

Summary

Cette étude présente une méthode d'excavation pour enquêter sur sous-sol hydrologique, géochimiques, et l'hétérogénéité microbiologique d'un lysimètre du sol. Le lysimètre simule un versant artificiel qui était initialement dans des conditions homogènes et avait été soumis à environ 5000 mm d'eau sur huit cycles d'irrigation dans une période de 18 mois.

Abstract

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

Introduction

La dynamique des sols et des paysages sont façonnés par l'interaction complexe des propriétés physiques, chimiques et biologiques 1. Le débit d'eau, l' altération géochimique, et l' activité biologique façonnent le développement global du paysage dans un écosystème stable 2,3. Bien que les changements de surface sont les caractéristiques les plus remarquables du paysage 4, les effets cumulatifs de la compréhension hydrologique, géochimiques, et les processus microbiologiques dans la région du sous – sol est cruciale pour comprendre les forces sous – jacentes qui façonnent un paysage 2. Les futurs scénarios de perturbation climatique confondent encore la prévisibilité et la structure du paysage évolution 5. Il devient donc un défi de relier les processus à petite échelle pour leur manifestation à grande échelle sur l'échelle du paysage 6. expériences traditionnelles de laboratoire à court terme ou des expériences dans des paysages naturels avec des conditions initiales inconnues et variable dans le temps de forçage chute courte dans la capture ee hétérogénéité intrinsèque de l'évolution du paysage. En outre, en raison de fort couplage non linéaire, il est difficile de prédire les changements biogéochimiques de la modélisation hydrologique dans les systèmes hétérogènes 7. Ici, nous décrivons une méthode expérimentale nouvelle pour creuser un versant du sol entièrement contrôlé et surveillé avec des conditions initiales connues. Notre excavation et l'échantillonnage procédure vise à capturer l'hétérogénéité de développement de l'hillslope le long de sa longueur et de la profondeur, dans le but de fournir un ensemble complet de données pour étudier les interactions hydro-bio-géochimiques et leur impact sur les processus de formation des sols.

Systèmes hydrologiques trouvés dans la nature sont loin d'être statique dans le temps, avec des changements dans les réponses hydrologiques qui ont lieu sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles 3. La structure spatiale des voies d'écoulement le long de paysages détermine le taux, l'étendue et la distribution des réactions géochimiques et la colonisation biologique qui conduisentaux intempéries, le transport et la précipitation des solutés et des sédiments, et le développement de la structure du sol. Ainsi, l' intégration des connaissances de la pédologie, de la géophysique et de l' écologie dans les théories et les modèles expérimentaux pour évaluer les processus hydrologiques et améliorer les prévisions hydrologiques a été suggéré 8,9. Évolution du paysage est également impactée par sous – sol les processus biogéochimiques en conjonction avec la dynamique de l' eau, la migration élémentaire au cours du développement du sol, et par des transformations minéralogiques provoquées par la réaction de surfaces minérales avec l' air, l' eau, et des micro – organismes 10. Par conséquent, il est important d'étudier le développement des hotspots géochimiques dans un paysage en constante évolution. En outre, il est essentiel de relier les modèles d'altération géochimique au processus hydrologiques et les signatures microbiologiques pendant la formation du sol naissante afin de comprendre la dynamique du développement du paysage complexe. Les processus spécifiques de la genèse des sols sont régiespar l'influence combinée du climat, des intrants biologiques, de secours et de temps sur un matériau parent spécifique. Cette expérience a été conçue pour répondre à des hétérogénéités dans l'altération du matériau parental régi par des variations hydrologiques et géochimiques associés à relief (y compris la pente et la profondeur) et la variabilité associée à l' activité microbienne qui est entraînée par des gradients environnementaux ( par exemple, le potentiel de redox) dans des conditions où matériau parent, le climat et le temps sont maintenus constants. En ce qui concerne l' activité microbienne, les microorganismes du sol sont des composants critiques et avoir un impact profond sur la stabilité du paysage 11. Ils jouent un rôle crucial dans la structure du sol, les cycles biogéochimiques des éléments nutritifs, et la croissance des plantes. Par conséquent, il est nécessaire de comprendre la signification de ces organismes en tant que moteurs de l'altération, la genèse des sols, et les processus de formation du paysage, tout en identifiant simultanément les effets réciproques des trajets d'écoulement hydrologiques et géochimiques nousathering sur la structure de la communauté microbienne et de la diversité. Ceci peut être réalisé par l'étude de l'hétérogénéité spatiale de la diversité de la communauté microbienne sur un paysage en évolution dont hydrologique et caractéristiques géochimiques sont également étudiés en parallèle.

Ici, nous présentons une procédure d'excavation d'un lysimètre du sol, du nom opérationnel miniLEO, conçu pour imiter les grands modèles de bassins d'ordre zéro de l'Observatoire Evolution du paysage (LEO) logé au Biosphere 2 (Université d'Arizona). Le miniLEO a été développé pour identifier les modèles d'évolution du paysage à petite échelle résultant des processus hydro-bio-géochimiques hétérogènes cumulatifs. Il est un lysimètre de 2 m de longueur, 0,5 m de largeur et 1 m en hauteur et inclinaison de 10 ° (figure 1). En outre, les parois de lysimètre sont isolés et revêtus avec des non-biodégradable en deux parties primaire époxy et une couche d'uréthane aliphatique agrégat rempli afin d'éviter la contamination ou la lixiviation potentiellede métaux à partir du cadre de lysimètre dans le sol. Le lysimètre a été rempli avec pilée roche basaltique qui a été extrait d'un gisement de fin tephra Pléistocène associée à Merriam Crater dans le nord de l'Arizona. Le matériau de basalte chargé était identique à celle du matériau utilisé dans les expériences beaucoup plus importantes en orbite basse. La composition minérale, la distribution de la taille des particules et des propriétés hydrauliques sont décrits par Pangle et al. 12. Le visage d'infiltration downslope a été doublée d'un tamis perforé en plastique (pores 0,002 m de diamètre, 14% de porosité). Le système est équipé de capteurs tels que la teneur en eau et des capteurs de température, deux types de capteurs potentiels de l'eau, des échantillonneurs sol-eau, l'équilibre de poids hydraulique, sondes de conductivité électrique, et des transducteurs de pression pour déterminer l'eau hauteur de la table. Le lysimètre a été irriguée pendant 18 mois avant l'excavation.

La fouille était méticuleux dans son approche et avait pour but de répondre à deux grandes questions: (1) ce qui hydrologique, géochimiques et signatures microbiennes peut être observé à travers la longueur et la profondeur de la pente par rapport à des conditions de précipitations simulées et (2) si les relations et rétroactions entre les processus hydro-bio-géochimiques survenant sur le versant peuvent être déduites les signatures individuelles. Parallèlement à la mise en place expérimentale et procédure d'excavation, nous présentons des données et suggestions représentatives sur la façon d'appliquer les protocoles de fouilles similaires pour les chercheurs intéressés à étudier la dynamique terre-système couplé et / ou les processus de développement du sol.

Protocol

1. Concevoir une matrice d'échantillonnage pour assurer l'échantillonnage systématique et complète de Lysimètre Diviser lysimeter en voxels de longueur fixe, la largeur et la profondeur. Utiliser un espace euclidien système de coordonnées et de diviser la distance totale le long de chaque direction (X, Y et Z) en un nombre suffisant d'intervalles équidistants. Envisager de jeter le sol près des murs de lysimètre pour éviter les effets de bord. REMARQUE: un tampon de 5 cm…

Representative Results

Les dimensions de voxels assuré la collecte d'échantillons pour hydrologiques, géochimiques et des mesures microbiologiques. La procédure de fouille a abouti à 324 noyaux pour l'analyse microbiologique, 972 pXRF points de données, 324 sacs d'échantillons géochimiques, 180 échantillons Ksat (128 verticale et horizontale 52), et 311 échantillons de densité apparente. L'écoulement préférentiel de colorant bleu brillant a également été observée à une profon…

Discussion

Évolution du paysage est l'effet cumulatif de hydrologiques, géochimiques et biologiques 12. Ces processus contrôlent le flux et le transport de l'eau et des éléments, et les réactions biogéochimiques dans l'évolution des paysages. Cependant, la capture des interactions nécessite simultanément la conception expérimentale précisément coordonnée et d'échantillonnage. En outre, l'étude naissante évolution du paysage est difficile dans les systèmes naturels, avec des capacit?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Ty P.A. Ferré, Till Volkman, Edwin Donker, Mauricio Vera for helping us during the excavation, and Triffon J. Tatarin, Manpreet Sahnan and Edward Hunt for their help in sample analysis. This work was carried out at Biosphere 2, University of Arizona and funded by National Science Foundation grant EAR_1344552 and Honors Research Program of Biosphere 2.

Materials

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 50mm 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

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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).

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