Summary
Diese Studie stellt eine Ausgrabung Methode zur Untersuchung von unterirdischen hydrologische, geochemische und mikrobiologische Heterogenität des Bodens Lysimeter. Die Lysimeter simuliert eine künstliche Hang, die zunächst unter homogenen Zustand war und auf etwa 5.000 mm Wasser über acht Zyklen der Bewässerung in einem Zeitraum von 18 Monaten unterzogen worden.
Introduction
Boden- und Landschaftsdynamik werden durch das komplexe Zusammenspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen 1 geformt. Wasserdurchfluss, geochemische Verwitterung und die biologische Aktivität prägen die gesamte Entwicklung der Landschaft in ein stabiles Ökosystem 2,3. Während Oberfläche ändert sich die auffälligsten Merkmale der Landschaft 4, Verständnis kumulativen Auswirkungen von hydrologische, geochemische und mikrobiologische Prozesse in der unterirdischen Region ist entscheidend , um die zugrunde liegenden Kräfte zu verstehen , die eine Landschaft 2 zu formen. Zukünftige Klima Störungsszenarien durcheinander bringen weiter die Vorhersagbarkeit und das Muster der Landschaftsentwicklung 5. Es wird somit eine Herausforderung kleinräumige Prozesse zu ihrer großen Manifestation auf der Landschaft-Skala 6 zu verbinden. Traditionelle Kurzlauf Laborexperimente oder Experimente in Naturlandschaften mit unbekannten Anfangsbedingungen und zeitvariablen Fall zwingt kurz bei der Erfassung von the intrinsische Heterogenität der Landschaftsentwicklung. Auch aufgrund der starken nicht - lineare Kopplung ist es schwierig , biogeochemischen Veränderungen von hydrologische Modellierung in heterogenen Systemen zur Vorhersage 7. Hier beschreiben wir eine neue experimentelle Methode, um eine vollständig gesteuert und überwacht Boden Hang mit bekannten Anfangsbedingungen auszuheben. Unsere Ausgrabung und Probenahmeverfahren ist bei der Erfassung der Entwicklung Heterogenität der Hang entlang seiner Länge und Tiefe ausgerichtet, mit dem Ziel, eine umfassende Daten-Set der Bereitstellung von hydro biogeochemischen Wechselwirkungen und deren Auswirkungen auf die Bodenbildungsprozesse zu untersuchen.
Hydrologischen Systeme in der Natur zu finden sind keineswegs statisch in der Zeit zu sein, mit den Veränderungen in hydrologischen Antworten über einen weiten Bereich von räumlichen und zeitlichen Skalen 3 nehmen. Die räumliche Struktur von Strömungswegen entlang Landschaften bestimmt die Geschwindigkeit, das Ausmaß und die Verteilung von geochemischen Reaktionen und biologische Besiedlung, die fahrender Transport und die Ausfällung von gelösten Stoffen und Sedimenten und die Weiterentwicklung der Bodenstruktur Bewitterung. Somit beinhaltet Wissen aus pedology, Geophysik und Ökologie in Theorien und experimentellen Designs zu hydrologischen Prozesse zu bewerten und hydrologischen Vorhersagen zu verbessern wurde 8,9 vorgeschlagen. Landschaftsentwicklung wird auch durch unterirdische biogeochemische Prozesse in Verbindung mit Wasserdynamik, elementar Migration während der Bodenentwicklung und von minera Transformationen , die durch Reaktion von mineralischen Oberflächen mit Luft, Wasser und Mikroorganismen 10 beeinflusst. Folglich ist es wichtig, die Entwicklung von geochemischen Hotspots innerhalb einer sich entwickelnden Landschaft zu studieren. Darüber hinaus ist es wichtig, geochemische Verwitterungsmuster hydrologischen Verfahren und mikrobiologische Signaturen bei beginnender Bodenbildung zu beziehen, um die Dynamik von komplexen Landschaftsentwicklung zu verstehen. Die spezifischen Prozesse der Bodengenese regiert werdendurch den kombinierten Einfluss von Klima, biologische Eingänge, Erleichterung und Zeit auf einem bestimmten Ausgangsmaterial. Dieses Experiment wurde entworfen von hydrologischen und geochemischen Variationen erleichtert assoziiert geregelt Heterogenitäten in der Verwitterung von Ausgangsmaterial zur Adresse (einschließlich Steigung und Tiefe) und der damit verbundenen Schwankungen der mikrobiellen Aktivität , die durch Umwelt Gradienten (dh Redoxpotential) unter Bedingungen betrieben wird , in dem Ausgangsmaterial, das Klima und die Zeit konstant gehalten werden. Im Hinblick auf die mikrobielle Aktivität, sind Bodenmikroorganismen kritischen Komponenten und haben einen großen Einfluss auf die Landschaft Stabilität 11. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Bodenstruktur, biogeochemischen Kreislauf von Nährstoffen und Pflanzenwachstum. Daher ist es notwendig, die Bedeutung dieser Organismen als Treiber der Verwitterung, Bodengenese und Landschaftsbildungsprozesse zu verstehen, während gleichzeitig die Wechselwirkungen von hydrologischen Fließwege und geochemische wir identifizierenathering auf die mikrobielle Gemeinschaft Struktur und Vielfalt. Dies kann durch das Studium der räumlichen Heterogenität der mikrobiellen Gemeinschaft Vielfalt über eine sich entwickelnde Landschaft, deren hydrologischen und geochemischen Eigenschaften erreicht werden, auch parallel untersucht.
Hier präsentieren wir eine Ausgrabung Verfahren eines Bodens Lysimeter, operativ namens miniLEO, entworfen, um die groß angelegte nullter Ordnung Becken Modelle der Landschaftsentwicklung Observatory (LEO) in Biosphäre 2 (University of Arizona) untergebracht zu imitieren. Die miniLEO wurde entwickelt, kleine Landschaftsentwicklung Muster zu identifizieren, von kumulativen heterogenen Hydro biogeochemischen Prozesse entstehen. Es ist ein lysimeter 2-m in der Länge, 0,5 m Breite und 1 m in der Höhe und Neigung von 10 ° (Figur 1). Darüber hinaus werden die Wände der Lysimeter isoliert und mit biologisch nicht abbaubaren zweiteiligen Epoxy-Primer und einem Aggregat gefüllt aliphatischen Urethan-Mantel zu vermeiden mögliche Kontamination oder Auswaschung beschichtetvon Metallen aus der lysimeter Rahmen in den Boden. Die Lysimeter wurde mit zerstoßenem Basaltgestein gefüllt, die aus einer Anzahlung in Höhe von spätpleistozäne tephra im Zusammenhang mit Merriam-Krater im Norden von Arizona extrahiert wurde. Das beladene Basaltmaterial war identisch mit dem Material in den viel größeren LEO Experimente verwendet. Die mineralische Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und hydraulischen Eigenschaften werden durch Pangle et al. 12 beschrieben. Die Abschussversickerungsfläche wurde mit einem perforierten Kunststoff-Bildschirm (0.002 m Durchmesser Poren, 14% Porosität) ausgekleidet. Das System ist mit Sensoren wie Wassergehalt und Temperatursensoren, zwei Arten von Wasserpotentialsensoren, Boden-Wasser-Sampler, hydraulischen Gewichtsausgleich, elektrische Leitfähigkeit Sonden ausgestattet und Drucksensoren Wasser Tischhöhe zu bestimmen. Die Lysimeter wurde für 18 Monate bewässert vor der Ausgrabung.
Die Ausgrabung war peinlich genau in seinem Ansatz und wurde bei der Beantwortung zwei große Fragen gerichtet: (1) Was hydrologische, geochemische und mikrobielle Signaturen können über die Länge und Tiefe der Steigung in Bezug auf simulierten Regen Bedingungen und (2) ob Beziehungen und Feedbacks zwischen hydro-bio-geochemischen Prozessen auftretenden auf dem Hang beobachtet werden kann, von abgeleitet werden die einzelnen Signaturen. Neben dem Versuchsaufbau und Aushubverfahren stellen wir repräsentative Daten und Vorschläge, wie ähnlich Ausgrabung Protokolle für Forscher anwenden Interesse an einem Studium gekoppelt Erde-Systemdynamik und / oder Bodenentwicklungsprozesse.
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Protocol
1. Überlegen Sie sich eine Sampling Matrix systematische und umfassende Beprobung Lysimeter zur Gewährleistung
- Teilen Sie Lysimeter in Voxel mit fester Länge, Breite und Tiefe.
- Verwenden Sie einen euklidischen Raum-Koordinatensystem und teilen sich die Gesamtstrecke entlang jeder Richtung (X, Y und Z) in einer ausreichenden Anzahl von gleichmäßigen Abständen. Betrachten wir die Erde in der Nähe der Mauern der Lysimeter verwirft Randeffekte zu vermeiden.
HINWEIS: Ein Puffer von 5 cm entlang der vier Wände ist in diesem Experiment angenommen Randeffekte zu vermeiden, während sichergestellt wird, dass das Bodenvolumen gesammelt ausreicht. - Jede Probe eine eindeutige XYZ Position zuweisen und als Voxel zu identifizieren.
HINWEIS: In dieser Ausschachtung, X die Position entlang der Breite der Steigung, bezeichnet Y Stelle entlang der Länge der Steigung, während Z Position entlang der Tiefe der Steigung bezeichnet. Die Größe der Intervalle innerhalb jeder Dimension bestimmt die Breite, Länge und Tiefe der Voxel. Fild 2 zeigt die Aufteilung des lysimeter nach Intervallen Abstand zusammen mit dem gewählten Ursprung für die XYZ - System zu bestimmen. Die Unterteilung in der aktuellen Grabungsschema hat 9 Abständen entlang der beiden Y und Z - Richtung und 4 Abständen entlang der X - Richtung, die insgesamt 324 Voxeln von 10 cm x 20 cm x 10 cm Abmessungen (Figur 3) zu erzeugen.
HINWEIS: Die Stichprobenstrategie gewählt wird sichergestellt, daß das gesamte System gleichmäßig mit minimaler Beschädigung der Sensoren abgetastet wird. Grenzen jedes Voxel (1-2 cm) werden verworfen aus dem benachbarten Voxel Kreuzkontamination zu begrenzen. Zusätzlich sorgen Voxeldimensionen dass genügend Bodenmaterial für die mikrobiologische verfügbar ist, geochemischen und hydrologische Probensammlung in jedem Voxel.
- Verwenden Sie einen euklidischen Raum-Koordinatensystem und teilen sich die Gesamtstrecke entlang jeder Richtung (X, Y und Z) in einer ausreichenden Anzahl von gleichmäßigen Abständen. Betrachten wir die Erde in der Nähe der Mauern der Lysimeter verwirft Randeffekte zu vermeiden.
Abbildung 1. Seitenansicht Lysimeter. Mit Blick auf Lysimeter aus der Versickerung face. Ebenfalls sichtbar sind drei Sensorbereiche (weiße PVC-Rohre) entlang der Neigung und Sprinkleranlage an den vier Ecken.
Abbildung 2. Stichprobenplan. Probenahmeschema Lysimeter entlang XYZ. A. Die X - Dimension teilt die Breite in 4 Abschnitte zu je 10 cm , während Y die Länge in 20 cm. B. Die Z - Dimension gibt an Tiefe und wurde aufgeteilt in neun Schichten unterteilt von 10 cm Tiefe. Eine Grenze von 5 cm entlang den Rändern der Lysimeter identifiziert wurde Entnahme von Proben zu verhindern , die möglicherweise Grenze Wirkung zeigen können. Bitte klicken Sie hier , um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 3. Drei-Dimensional Darstellung eines Voxel. Visuelle Schema eines Voxel entlang der XYZ - Ebene des Lysimeter. Der gesamte Hang wurde in 324 solcher Voxel aufgeteilt, wobei jedes Voxel eine einzige Abtasteinheit zeigt. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.
2. Fügen Sie Brilliant Blue FCF Dye to Track Wasserinfiltrations im Slope
- Bewerben strahlend blauen Farbstoff an der Oberfläche des Bodens, genug Top-105 cm von der Oberfläche entlang der Y-Richtung zu decken. Decken Sie die restlichen Boden mit Kunststoffplatten.
- Wählen Sie eine Konzentration (hier 10 g / L) Kontrast gegen schwarzen basaltischen Boden zu gewährleisten. Fügen Sie den Farbstoff zu Bewässerungstanks und verdünnt mit Wasser auf die gewünschte Konzentration.
- Entscheiden, die Dauer der Spülung auf Basis der gewünschten Tiefe der Infiltrationsfront und die Rate durch das Bewässerungssystem versorgt.
HINWEIS: Für diese Studie ein irrigation Rate von 30 mm / h für 20 min (4) vor der Grabung wird als ausreichend erachtet , um heterogene Muster der Wasserinfiltration in den ersten wenigen Zentimetern zu identifizieren. - Nach dem Farbauftrag, geben Zeit für die Infiltration zu stoppen und die Feuchtigkeitszuständen im Lysimeter äquilibrieren. Für diese Studie ist ein Zeitraum von 10 Stunden (über Nacht) zwischen Farbstoff Anwendung und Aushub war angemessen.
3. Abgrenzung von Voxel
- Befestigen entlang der Länge des Gefälles Maßband einen in-situ Referenzsystem für die Führung während Abgrenzung von Voxeln zu liefern.
- Markieren Sie die Dimension eines jeden Bodens Voxel mit Hilfe des Maßbandes. Zeichne Gitterlinien für jede Schicht unter Verwendung von Aluminium-blade Abschirmungen und Kunststoff Spachtel (Abbildung 4). Entsorgen Sie die Grenze Materialien (5 cm von jeder Wand Randeffekte zu vermeiden).
Abbildung 4. Draufsicht auf Lysimeter. Diese Ansicht zeigt die gefärbte Oberfläche der Schicht 2 (10 cm tief). Gitter auf der Bodenoberfläche gezogen Probenahme zu unterstützen sind ebenfalls sichtbar, zusammen mit Kernlöchern Regionen in jedem Voxel nach der mikrobiologischen Probensammlung.
4. Mikrobiologie Probenentnahme
- Sammeln Sie Mikrobiologie Proben aseptisch aus jedem Voxel vor der hydrologischen und geochemischen Analysen Kreuzkontamination von Proben zu verhindern. Stellen Sie sicher, dass die neuen Handschuhe von allen Mitgliedern der Baugrube Durchführung getragen werden Verunreinigungen durch menschliche Haut zu reduzieren.
- Verwenden Sie einen Bodengreifer von 1 cm Durchmesser und 20 cm Höhe und einem dünnen Spachtel für die mikrobiologische Probenentnahme. Reinigen Sie den Ausstecher und den Spatel mit destilliertem Wasser, trocknen Sie sie mit sauberen Tüchern, und spülen mit 75% Ethanol mit einer Sprühflasche. Lassen Sie corer und Spachtel an der Luft trocknen.
- Beachten Sie die collection Zeit jeder Probe. Verwenden Entkerner zum Kern zu einer Tiefe von 10 cm in jedem Voxel Ort und dem Spatel der Bodenprobe in vorsterilisierten Kunststoffbeutel (Abbildung 5) zu entleeren. Achten Sie darauf, den Beutel unmittelbar vor dem Aufbringen der Probe zu öffnen. Homogenisieren der Probenbeutel mit der Hand.
- Bewahren Sie die Probenbeutel in einem Eis-Kühler während der Probenahme, und so rasch wie möglich an der -80 ° C Gefrierschrank.
Abbildung 5. Mikrobiologie Probensammlung. Eine kleine Handheld - Ausstecher von 20 cm x 1 cm, sterile Beutel und Spachtel wird hier gezeigt bei mikrobiologischen Probenahme. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.
5. Geochemie und Hydrologie Probenentnahme
- Fotografisches gefärbte Bereiche in X und Y planes während des Aushubs für Tiefen, in denen der Farbstoff beobachtet wird. Verwenden Sie eine Farbkarte Referenz für die Farbe beobachtet (Abbildung 6) zu liefern. Stellen Sie sicher, die richtige natürliche Beleuchtung vorhanden ist, um richtig Farbintensität zu dokumentieren.
- Kalibrieren Sie tragbare Röntgenfluoreszenz-Spektrometer (pXRF) täglich vor den Messungen beginnen. Für die Kalibrierung und Messung Einzelheiten finden Sie den Anweisungen des Herstellers 13 (Abbildung 7). Kurz gesagt, stellen Sie das Gerät auf den Halter und direkt in die Fabrik Metallperle des Strahlfenster zeigen. Wählen Sie 'Cal' und 30 Sekunden warten die Kalibrierung abgeschlossen werden kann.
- Reinigen Sie das Strahlfenster vor jeder Messung. Messen Sie die Oberfläche jedes Voxel in dreifacher Ausführung an drei verschiedenen Stellen. Legen Sie das pXRF Instrument auf der Bodenoberfläche und warten 90 Sekunden die Messung zu ermöglichen, abgeschlossen sein.
HINWEIS: X-ray kann in der Richtung des Strahls eine große Entfernung durchdringen. Daher ensuerneut, dass nur geschultes Personal das Gerät behandelt und geeignete Sicherheitsprotokolle unterhält.
- Reinigen Sie das Strahlfenster vor jeder Messung. Messen Sie die Oberfläche jedes Voxel in dreifacher Ausführung an drei verschiedenen Stellen. Legen Sie das pXRF Instrument auf der Bodenoberfläche und warten 90 Sekunden die Messung zu ermöglichen, abgeschlossen sein.
Abbildung 6. Farbkarte zu folgen Infiltration färben. Jeder Ort mit sichtbaren Farbstoffpenetration wurde mit einer Farbkarte fotografiert , als Referenz dient. Bitte klicken Sie hier , um diese Datei herunterzuladen.
Abbildung 7. tragbare Röntgenfluoreszenz - Spektrometer. Hand pXRF positioniert auf der Oberfläche eines Voxel. Messungen wurden an drei verschiedenen Stellen auf der Oberfläche jedes Voxels aufgezeichnet und dann gemittelt.
- Saubere metallischen Kerne (height = 3 cm, Durchm. = 5,7 cm) und Polycarbonat cores (height = 6 cm, Durchm. = 5,7 cm) für Schüttdichten (BD) und hydraulische Leitfähigkeitsmessungen (Ksat) des gewünschten Voxel, bzw. (Abbildung 8).
- Vertically Metallkerne und Polycarbonat-Kerne (vertikale Ksat) in die gewünschte Voxel die Pflege Stecken Sie keine Sensoren oder Sensorkabel zu beschädigen. Tun Sie dies, indem Sie vorsichtig die Kerne in den Boden hämmern, dabei eine ebene Fläche wie Holzblock zwischen dem Kern und dem Hammer zu verwenden, um zu minimieren Störungen auf den Boden. Zusätzlich, wenn der Kern zur Hälfte in den Boden ist, einen zweiten Kern auf dem ersten Kern schalten. Platzieren Sie den Holzblock auf der Oberseite des zweiten Kerns und Hammer vorsichtig den Block, bis der erste Kern im Boden mit dem Kernrand eingebettet ist noch sichtbar.
- Legen Sie Kerne für horizontale Ksat als die Seitenfläche des Voxel mit sequentieller Ausgrabung eröffnet. Verwenden Sie den Holzblock und der zweite Kern als 5,4 in Schritt erwähnt Verdichtung zu minimieren.
- Achten Sie darauf, dass das Voxel, um sicherzustellen,wird abgetastet wird von Grenzen und den benachbarten Voxel vor geochemische Probenentnahme isoliert. Verwenden Sie Kunststoff - Spachtel für diesen Zweck, gefolgt von Hand Kellen Bodenproben um Metall oder Polypropylen Kerne in markierte geochemischen (GC) Probenbeutel zu sammeln , bis Kerne leicht entfernt werden können ( zum Beispiel 9a, b).
Abbildung 8. Die Schüttdichte und hydraulische Leitfähigkeit Kerne. Polypropylen Kerne (links) wurden für das Sammeln von vertikalen und horizontalen hydraulischen Leitfähigkeit Proben verwendet , während Metallkerne (rechts) zum Sammeln von Schüttdichte Proben verwendet wurden.
Abbildung 9. Voxel Abgrenzung. Kunststoff - Spachtel wurden (A) isolierenVoxel Grenzen vor (B) geochemische, Schüttdichte und hydraulische Leitfähigkeit Kernsammlung. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.
- Entfernen Sie den metallischen Kern, abbürsten überschüssige Material von den beiden Enden, und übertragen Probe von Kern zu einem markierten BD Probenbeutel. Wiegen Sie jede Probenbeutel mit Probe und notieren Sie die Gesamtgewicht.
- Entfernen Sie die Polypropylen-Kerne. Decken Sie beide Seiten mit roten Kunststoffkappen und beschriften vertikale Polypropylen-Kern als "V" und die horizontale Polypropylen-Kern als "H", gefolgt von der Proben-ID.
- Sammeln verbleibende Material aus dem Voxel in den GC-Probenbeutel, hinter ein paar Zentimeter Boden an allen vier Seiten verlassen Kreuzkontamination mit dem nächsten Voxel zu verhindern.
- Wiederholen von Schritten von 5,1 bis 5,9 für den Rest der Voxel in einer Schicht.
- Sobald alle Voxel von einer Schicht gewesenabgeschlossen ist, wiederholen Sie die Schritte 3,2-5,10 für die nachfolgende Schicht.
HINWEIS: Schritt 5.1 muss nur für die Voxel durchgeführt werden, die sichtbaren Farbstoff haben. Siehe Abbildung 10 sichtbar zu machen repräsentatives Diagramm eines Voxel markieren alle Proben von jedem Voxel gesammelt.
Abbildung 10. Repräsentative Voxel. Die rote gestrichelte Linie Kern für die Mikrobiologie Probe gesammelt zeigt an , die grüne gestrichelte Linie Kern horizontal hydraulische Leitfähigkeit zeigt, die gelbe gestrichelte Linie vertikale hydraulische Leitfähigkeit Kern zeigt, der lila gestrichelt zeigt Schüttdichte Kern, und das blaue Oval Grenze gibt an, von dem Voxel verbleibende Probe für geochemische Analyse verwendet werden. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen. </ P>
6. Probenanalyse
- Verwenden Proben für mikrobiologische Analysen gesammelt für die molekulare (Boden mikrobielle DNA - Extraktion) 14 und kultiviert (heterotrophe Plattenzählungen) 15 Analysen. Verwenden Sie extrahierten DNA für quantitative Polymerase - Kettenreaktionen (qPCR) 16 und Hochdurchsatz - Gen - Sequenzierung Experimente 17,18.
- Anwendungsbeispiele für geochemische gesammelt analysiert eine Vielzahl von geochemischen Eigenschaften zu messen , einschließlich pH - Wert (US - EPA - Methode 150.2), elektrische Leitfähigkeit (EC) (US - EPA - Methode 120.1), Kohlenstoff und Stickstoffgehalt (US - EPA - Methode 415.3, sequentielle Extraktion von Elementen 19, und Röntgenbeugung (XRD) und erweiterte Röntgenabsorptionsfeinstruktur (EXAFS) Spektroskopie als pro Spezifikationen der Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, an Mineral Transformationen untersuchen.
- Verwenden Kernproben für hydrologische Analysen für Laborexperimente gesammelt, wie Schüttdichte 20und hydraulische Leitfähigkeit 21.
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Representative Results
Die Dimensionen der Voxel sichergestellt Sammlung von Proben für die hydrologische, geochemische und mikrobiologische Messungen. Die Ausgrabung Verfahren ergab 324 Kerne für die mikrobiologische Analyse, 972 pXRF Datenpunkte, 324 geochemische Probenbeutel, 180 Ksat Proben (128 vertikale und 52 horizontal) und 311 Schüttdichte Proben. Vorzugsströmungs von Brilliant Blue Farbstoff wurde auch zu einer Tiefe von 30 cm unter der Oberfläche beobachtet. Eine repräsentative Gruppe von 81 Proben aus einem einzigen vertikalen Scheibe der Lysimeter wurden für eine vorläufige Analyse ausgewählt. Die Proben gewählt wurden, waren von X = 2-Position auf der Piste während Y und Z Voxel von 0-8 reichte. Vorläufige Ergebnisse aus DNA - Konzentration, die Schüttdichte und pXRF Fe (Eisen) und Mn (Mangan) Messungen werden hier als Isoplethen- Heatmaps auf einem 2-D - Plot (Abbildung 11).
Eine vorläufige Analyse von Schüttdichtemessungen (
Mikrobieller DNA wurde aus den repräsentativen Kernen extrahiert. Die Konzentrationen der gewonnenen DNA waren heterogen und reichten von denen unter der Nachweisgrenze zu einer Höhe von 30 ng / g trockenem Boden. Höchste durchschnittliche Konzentrationenwurden in Schicht Z = 3 (20-30 cm) lokalisiert mit einer Einweg-ANOVA (0,013 p =, α = 0,05) signifikant höhere Konzentration in dieser Schicht zeigt. Durchschnittliche Konzentrationen entlang der Y-Skala Y = 8 (Versickerung Gesichtsbereich 160-180 cm entlang der Länge der Lysimeter darstellt) die höchste Wert. Jedoch war one-way ANOVA nicht signifikant (α = 0,05) entlang der Länge. Eine einzelne Voxel in Schicht Z = 6 (50-60 cm) aufgezeichnet eine hohe Konzentration obwohl Schicht Z = 6 im Durchschnitt niedrigen DNA-Konzentrationen hatten. Die meisten anderen Regionen aufgezeichnet Konzentrationen im Bereich von 2-10 ng / g Boden (Abbildung 11b). Es scheint also, dass mikrobielle Präsenz in der Tiefe des Lysimeter heterogener ist als entlang der Länge der Piste. Aus vorläufigen Analyse Schicht Z = 3 war bezeichnend für höhere mikrobielle Gegenwart. Es ist wahrscheinlich, daß ein Potential redox Grenzzone mit intermittierender aerob-anaerobe Taschen in dieser Schicht vorhanden ist, die Umgebungsbedingungen ergibt förderlich für die Präsenzbeider fakultativ aeroben und anaeroben Mikroorganismen. Die DNA-Gewinnung Muster zeigten auch Flecken von hoher und niedriger Konzentration in den tieferen Schichten. Vergleichsweise wurden höhere Konzentrationen an der Zehe Steigung intermittierend beobachtet, möglicherweise aufgrund der Ablagerung von Teilchen in dieser Region. Die Regionen mit DNA-Konzentrationen unterhalb der Nachweisgrenze zeigen geringe Biomasse Taschen, die der Tatsache zugeschrieben werden kann, dass das untersuchte System hoch oligotrophic ist. Ein klares Verständnis der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft wird mit weiteren Experimenten einschließlich qPCR Quantifizierung von Bakterien, Archaea und Pilzpopulationen und Hochdurchsatz-Sequenzierung Analyse erreicht werden.
Qualitative Gesamt elementares Fe und Mn - Konzentrationen zeigten ähnliche Muster (Abbildungen 11 c bzw. d). Für beide Elemente wurden höhere Konzentrationen an der Oberfläche des mittleren Steigung beobachtet und Vorspur Steigung. Tsein bedeutet wahrscheinlich, dass die Auflösung der Elemente am oberen Hang auftritt. Gelöste Ionen und feine Teilchen können dann fließen möglicherweise den Hang hinunter und fallen oder Ablagerung an der unteren Hang. Jedoch zeigte Fe-Konzentrationen von mehr Variabilität als Mn-Konzentrationen. Fe reichte von 80 bis 94 mg kg -1, während Mn 1,12 bis 1,28 mg kg -1 lag. Da das Ausgangsmaterial im allgemeinen homogen war, wird die größere Variation in pro Voxel Fe-Konzentration auf die Mobilisierung und die Ausfällung von Sekundärphasen zurückzuführen aus Reaktionen von Fe mit Luft und Wasser Verwitterung. Die unteren DNA-Konzentrationen an der Oberfläche über den gesamten Hang beobachtet können niedrigere Fähigkeit Chemoautotrophen zeigen primären Mineralien (Basalt), während hohe Biomasse Patches in den unteren Schichten und Versickerungsfläche beobachtet nutzen mit sekundären Mineral Akkumulation korrelieren, wie durch die hohe Biomassewert vorgeschlagen (Z = 3, Y = 8), die auf eine erhöhte Schüttdichte und Mn-Konzentration entspricht. DiesMuster schlägt vor , mögliche Ausfällung von sekundären Mineralien (zB Eisenhydroxid) durch autotrophe Mikroorganismen. Zukünftige Profilierung der mikrobiellen Diversität wird weiter die beobachteten Beziehungen aufzuklären. Tatsächlich berichtet Literatur begrenzte mikrobielles Wachstum auf oligotrophe tephra basaltischen Medien, mit witterungs induzierte reduziert Substrate für Mikroben 22 , wie Stoffwechsel- und Wachstumseingänge wirken. High Elementarantworten in den mittleren Schichten der mittleren Steigungsbereich beobachtet kann auch die Bildung von Redox-Grenze in diesem Bereich reflektieren.
Abbildung 11. Zweidimensionale Isoplethen- Heatmaps. (A) Schüttdichte Massengut. Dichtewerte durch Transferieren Proben auf Aluminium erhalten wurden Geschirr Wiege- und Ofen sie bei 105 ° C für 48 Stunden getrocknet. Die Zellen in leer gelassen repräsentieren Voxel, wo Probensammlung nicht p warMÖGLICHE aufgrund von Sensoren und der Mangel an Raum Anwesenheit Schüttdichte Kerne aufzunehmen. (B) DNA - Konzentration. Für die mikrobiologische Kerne wurden 2 g Boden wurde unterabgetastete mikrobieller DNA zu extrahieren, repräsentativ für jedes Voxel. (C) Elemental Fe und (D ) Elementar Mn. für die Elementaranalyse von Fe und Mn, eine pXRF Daten für insgesamt 81 Proben wurden in dreifacher Ausführung gemessen. Durchschnittlich jedes Elements in jedem Voxel berechnet und aufgetragen. Bitte klicken Sie hier , um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
Landschaft Evolution ist die kumulative Wirkung der hydrologische, geochemische und biologische Prozesse 12. Diese Prozesse steuern Fluss und Transport von Wasser und Elemente, und biogeochemischen Reaktionen in Landschaften entwickelt. Allerdings erfordert die Wechselwirkungen erfassen gleichzeitig exakt aufeinander abgestimmte experimentelle Design und Probenahme. Darüber hinaus ist einsetzenden Landschaftsentwicklung studiert schwierig in natürlichen Systemen, mit begrenzten Fähigkeiten "Zeitpunkt Null" Bedingungen zu identifizieren. Literatur meldet eine destruktive Lysimeter Studie , die 23 Pflanzenwurzeldichte zu messen wurde durchgeführt , während Feld basierte Ansätze der Bewässerung und Ausgrabung von Graham et al berichtet. 24 und Anderson et al. 25 jedoch in keiner der Studien ein Verfahren aufgenommen zur Untersuchung hydrologischen -geochemical-mikrobiologische Heterogenität einer simulierten Landschaft. Ein wichtiger Bestandteil unserer Studie war es, sicherzustellen, dass eine Skala was für Experimente und Probenahmeverfahren definiert gewählt, dass Heterogenität der gewählten Maßstab, um sicherzustellen, wurde effizient erfasst. Die Frage der Skala ist besonders wichtig , wenn die Erde-Systemprozesse zu studieren und haben von den Forschern in den jeweiligen Bereichen Hydrologie 26, Geochemie 27 und Mikrobiologie 28 festgestellt worden. Die Methodik dieser Studie skizzierte bei dem Studium eine Reihe von hydro geochem-mikrobiologische Prozesse relevant für unsere Forschungsfragen ab, während gleichzeitig die Flexibilität des Protokolls nach individuellen Fragestellungen zu ändern.
Unsere vorläufige repräsentative Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein homogenes Ausgangs Umgebung heterogenen Eigenschaften zu entwickeln. Schüttdichte Ergebnisse zeigen das Vorhandensein eines Bereichs mit höheren Werten in den tieferen Schichten der Nähe der Versickerungsfläche, die ein Ergebnis der Ansammlung von feinen Teilchen aufgrund der Strömungsvorgänge innerhalb t darstellen könnteer lysimeter sowie eine Verdichtung durch das Übereinanderlegen Gewicht des benetzten Boden verursacht. Diese beiden Hypothesen könnten mit der Untersuchung von zusätzlichen Parametern erläutert. Beispielsweise durch Partikelgrößenanalyse der Voxel durchgeführt wird, ist es möglich, die tatsächlichen Verhältnisse gegenüber feinerer gröberen Teilchen zu erhalten. Die vorläufigen Gesamt Fe und Mn-Konzentrationen zeigen das Auftreten von elementarem Auflösen und Wiederausfällen als Folge auf die lysimeter vor dem Aushub mehrere Bewässerungszyklen angelegt wird. Solche Ergebnisse können auf zwei Arten erklärt werden: (1) Wasser transloziert Ton-und feinere große Partikel, in Fe und Mn angereichert, Abhang hinunter , wo sie 29 am unteren Hang ansammeln kann (dies setzt voraus , dass körperliche Bewegung als chemische wichtiger Reaktionen); (2) Wasser löst feine Partikel und lösliche Spurenionen, wie Fe und Mn, bei geringeren Steigung fällen (dieses Szenario setzt voraus, chemischen Reaktionen sind die Hauptantriebskräfte). Um c estätigen die Mechanismen der elementaren Labilität, mehr Beweise erforderlich. Die DNA-Konzentration Messungen bestätigen eine heterogene Verteilung der mikrobiellen Lebens im Lysimeter. Trotz der geringen Nährstoffzustand des Basalthang, die Fähigkeit, die Anwesenheit von mikrobiellen Lebens zeigt mikrobiellen Besiedlung unter oligotrophic Bedingungen ist möglich, zu erfassen. Dieser Befund steht im Einklang mit Berichten von Basalt-hosted mikrobiellen Gemeinschaften und gleichzeitig biologisch vermittelten Verwitterung in verschiedenen Umgebungen wie vulkanischem Boden 30, Meeresboden 31 und tropischen Wendepunkt 32 .Weitere Analyse der mikrobiellen Diversität in jedem Voxel benötigt wird , um Hypothesen zu adressieren über die potenziellen Beiträge von Mikroben Prozesse Verwitterung. Nach der vollständigen Analyse unserer Proben und die Ergebnisse werden wir in der Lage sein, die hydrologische, geochemische und mikrobiologischen Wechselwirkungen zu interpretieren während beginnenden Landschaftsentwicklung auftreten.
ntent "> Die Methodik in diesem Artikel vorgestellten ist ein Vorschlag von Schritten, anstatt ein starres Schema für eine Boden Lysimeter Ausgrabung hydrologischen und biogeochemische Wechselwirkungen zu erforschen. Einige Schritte mehr sind oder weniger relevant, je nach den Zielen der Studie. Es ist auch wichtig, die Zeit zu betonen, benötigt solch eine Ausgrabung durchzuführen. Unsere Ausgrabung ein Team von 3 Personen zu jeder Zeit mit der eventuellen Zugabe von 1 oder 2 andere Personen während einiger Tage der Arbeit erforderlich. die Ausgrabung für 10 Tage dauerte, mit täglichen Arbeits Stunden von 8 bis 10 Stunden. Daher ist die beabsichtigten Schritte sorgfältig die Wahl sehr wichtig, wenn Zeitbeschränkungen in Betracht genommen werden sollen. Darüber hinaus werden einige Schritte in dem Protokoll für den Erfolg der Ausgrabung und Forschungsfragen kritisch umrissen gefragt. Während der Farbstoff-Anwendung ist besonders darauf zu achten, dass Bereiche, die ordnungsgemäß zu verhindern, dass der Farbstoff aus leaki bedeckt ungefärbt bleiben markiert worden sind,ng in den nicht markierten Regionen. Eine gute Abschätzung der Voxel Größe ist auch entscheidend für den Erfolg dieses Experimentes. Die Voxel-Größe bestimmt das Ausmaß der Probensammlung: größere Anzahl von Voxel auf Kosten der erhöhten Zeit bei sorgfältig verbrachte feinere Probe Auflösung bedeuten jedes Voxel Aushub zu einer geringeren Anzahl von Voxel und gröbere Probe Auflösung gegenüber. Verhindern von Kreuzkontamination von Proben Hand Kellen und Kunststoff-Spachtel mit ist auch von entscheidender Bedeutung, sowohl für die mikrobiologische und geochemische Probenentnahme und Analyse.Eine Anzahl von Modifikationen des Protokolls kann basierend auf Forschungsfragen durchgeführt werden. Erstens, um die Frage der Skala bezieht, kann man wählen, eine Probenahmestrategie zu entwickeln, die feiner als das hier beschriebene Protokoll ist oder für eine gröbere Skala entscheiden; aber der Maßstab für dieses Experiment ausgewählt bestätigt, dass wir erhebliche körperliche erfasst haben, chemischen und biologischen Heterogenitäten in der Hang. Diese choices müssen basierend auf den Forschungsfragen aufgefordert, dem Umfang der Hang oder Lysimeter hergestellt werden, die konstruiert werden können, und die Logistik Analysen durchzuführen. Zweitens können viele solcher Mini-Lysimeter eingerichtet werden Boden-Entwicklungsprozesse zu studieren. Zum Beispiel kann wollen die Forscher bei Bewitterung von verschiedenen Bodenmaterialien , wenn zu einem abwechslungsreichen Niederschlagsregimes oder die Entwicklung von Bodenprofil auf hillslopes, die das gleiche Ausgangsmaterial haben , sind aber unterschiedlich behandelt in Bezug auf Neigung, Niederschlag, Temperatur, etc. ausgesetzt sehen Zusätzlich kann die Dauer der Studie auch identisch Lysimeter durch destruktive Ausgrabung jedes Lysimeter zeitlich gefolgt zu konstruieren möchten basierend auf Forschungsfragen und Forscher verändert werden.
Drittens Vegetation kann die Wirkung des Pflanzenwachstums auf hydrologischen Flussweg, geochemische Verwitterung und mikrobiellen Gemeinschaft Entwicklung zu studieren eingeführt werden.
Zusätzlich wiederForscher, die bestehende Prozesse und Funktionen einer Landschaft studieren wollen, anstatt sich auf die Entwicklungsstadien der Fokussierung kann unser Verfahren zur Bodenmonolithen in einer natürlichen Umgebung gelten. Traditionelle Bodenmontageverfahren kann ein Bodenmonolithen zu erhalten, gefolgt von der Aufteilung des Monolithen in klar definierte Bereiche von Interesse verfolgt werden. Dieser Ansatz kann die Einschränkungen zu überwinden, die mit der Wahrnehmung der in dem Gebiet intensiv destruktive Probenahme von Lysimeter aus. Die Abschnitte ausgewählt werden, können dann auf ähnliche Weise ausgegraben werden, um zu beobachten, hydrologische, geochemische und mikrobiologischen Eigenschaften speziell für den Monolith.
Eine Einschränkung dieses Verfahrens ist, erhalten alle Probensätze von Voxeln, die in der Nähe von Sensoren angeordnet sind. Pre-Embedded-Sensoren in einigen Bereichen der Hang verhindert Sammlung hydrologischer Proben. Darüber hinaus den Einfluss von Vorzugsströmungspfaden aufgrund des Vorhandenseins von Sensoren, einige Proben von diesen Orten zu negierenwurden verworfen. Darüber hinaus wurde die Baugrube in zwei Phasen über einen Zeitraum von zehn Tagen durchgeführt, mit einem Zwischenraum von drei Tagen zwischen den Phasen. Während darauf geachtet wurde, die exponierte Oberfläche zwischen den Aushubphasen zu decken, könnte die belichtete Schicht veränderte mikrobielle Aktivität zeigen möglicherweise aufgrund wechselnder Dampfdruck und Oxidationsbedingungen. Eine Ausgrabung dieser Länge ist somit zeitaufwendig, was wiederum zusätzliche zeitkritische Variation einzuführen.
wie beeinflusst Landschaft Heterogenität Erfassung von hydrologische, geochemische und mikrobiologische Prozesse ist eine Herausforderung. Der synergistische Effekt dieser Prozesse auf jedem anderen Verbindungen, die Komplexität. Eine Ausgrabung einer simulierten Landschaft in diesem Umfang und der Intensität dargestellt ist neu. Die Fähigkeit Sammlung von hydrologische, geochemische zu koordinieren und mikrobiologische Proben, ohne die Integrität der beiden Probe zu beeinträchtigen stellt eine hervorragende Ansatz für die Durchführung von multidisziplinären sTUDIEN von Erdsystem-Prozesse. Die Techniken skizziert sind einfach, wiederholbar und flexible mehrere Forschungsfragen gerecht zu werden, wodurch die Umsetzung von alternativen experimentellen Designs. Zukünftige Ergebnisse dieser Methode kann potenziell theoretischen Rahmen und Modelle der Landschaftsentwicklung der Entwicklung komplexer Fragen der Erde-Systemdynamik zu beantworten.
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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
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