Summary
Este estudo apresenta um método de escavação para investigar hidrológico subsuperfície, geoquímicos e heterogeneidade microbiológica de um lisímetro de solo. O lisímetro simula um hillslope artificial que foi inicialmente sob condição homogênea e tinha sido submetido a aproximadamente 5.000 mm de água ao longo de oito ciclos de irrigação em um período de 18 meses.
Introduction
Solo e da paisagem dinâmicas são moldadas pela interação complexa de física, química e processos biológicos 1. Fluxo de água, erosão geoquímica, e atividade biológica moldar o desenvolvimento global da paisagem em um ecossistema estável 2,3. Embora as mudanças de superfície são as características mais visíveis da paisagem 4, efeitos cumulativos compreensão de hidrológico, geoquímicos e microbiológicos na região do subsolo é crucial para entender as forças subjacentes que moldam a paisagem 2. Cenários futuros de perturbação climática confundir ainda mais a previsibilidade e padrão de evolução da paisagem 5. Torna-se, assim, um desafio para ligar os processos de pequena escala a sua manifestação em grande escala sobre a paisagem escala 6. experimentos de laboratório de curto prazo tradicionais ou experimentos em paisagens naturais com condições iniciais desconhecidas e tempo variável forçando queda curta em capturar the heterogeneidade intrínseca da evolução da paisagem. Além disso, devido ao acoplamento não linear forte, é difícil prever mudanças biogeoquímicos de modelagem hidrológica em sistemas heterogêneos 7. Aqui, descrevemos um método experimental romance para escavar uma hillslope solo totalmente controlado e monitorado com condições iniciais conhecidos. Nosso procedimento de escavação e amostragem é destinado a capturar a heterogeneidade desenvolvimento do hillslope ao longo do seu comprimento e profundidade, com o objetivo de fornecer um conjunto de dados abrangente para investigar as interações hidro-bio-geoquímicos e seu impacto sobre os processos de formação do solo.
Sistemas hidrológicos encontrados na natureza estão longe de ser estática no tempo, com mudanças nas respostas hidrológicas que ocorrem em uma ampla gama de escalas espaciais e temporais 3. A estrutura espacial das vias de escoamento ao longo paisagens determina a taxa, a extensão e distribuição de reacções geoquímicas e colonização biológica que impulsionamintempéries, o transporte ea precipitação de solutos e sedimentos, e no desenvolvimento da estrutura do solo. Assim, incorporando o conhecimento de pedologia, geofísica, e ecologia em teorias e modelos experimentais para avaliar processos hidrológicos e melhorar as previsões hidrológicas foi sugerido 8,9. Evolução da paisagem também é afetado por processos biogeoquímicos subsuperficiais em conjunto com a dinâmica da água, migração elemental durante o desenvolvimento do solo, e por transformações mineralógicas trazidas pela reacção de superfícies minerais com ar, água e microorganismos 10. Consequentemente, é importante para estudar o desenvolvimento de hotspots geoquímicos dentro de um cenário em evolução. Além disso, é fundamental para relacionar os padrões de intemperismo geoquímicos para processos hidrológicos e assinaturas microbiológicos durante a formação incipiente do solo a fim de compreender a dinâmica do desenvolvimento paisagem complexa. Os processos específicos de gênese dos solos são regidospela influência combinada de clima, insumos biológicos, alívio e tempo em um material de origem específica. Este experimento foi projetado para resolver heterogeneidades no desgaste de material mãe regida por variações hidrológicas e geoquímicas associadas com alívio (incluindo inclinação e profundidade) e a variabilidade associada na atividade microbiana que é conduzido por gradientes ambientais (isto é, em potencial redox) sob condições em que material de origem, clima e tempo são mantidos constantes. Com relação à atividade microbiana, microrganismos do solo são componentes críticos e têm um profundo impacto sobre a estabilidade paisagem 11. Eles desempenham um papel crucial na estrutura do solo, ciclo biogeoquímico de nutrientes e crescimento da planta. Portanto, é necessário compreender a importância desses organismos como condutores de intempérie, gênese do solo e processos de formação de paisagem, enquanto identifica simultaneamente os efeitos recíprocos de percursos de escoamento hidrológicos e nós geoquímicaathering na estrutura da comunidade microbiana e diversidade. Isto pode ser conseguido através do estudo de heterogeneidade espacial da diversidade da comunidade microbiana sobre uma paisagem em evolução cuja hidrológico e características geoquímicas também estão sendo estudadas em paralelo.
Aqui, apresentamos um procedimento de escavação de um lisímetro de solo, operacionalmente chamado miniLEO, projetado para imitar os de grande escala modelos de bacias de ordem zero da evolução Observatório Paisagem (LEO) alojado na Biosfera 2 (University of Arizona). O miniLEO foi desenvolvido para identificar pequena escala padrões de evolução da paisagem decorrentes de processos hidro-bio-geoquímicos heterogêneos cumulativos. É lisímero 2-m de comprimento, 0,5 m de largura, e 1-m de altura e inclinação de 10 ° (Figura 1). Além disso, as paredes do lisímetro são isolados e revestido com não-biodegradável primer epóxi de duas partes e um casaco de uretano alifático agregado preenchido para evitar a contaminação ou potencial de lixiviaçãode metais do quadro lisímero no solo. O lisímetro foi preenchido com rocha de basalto moído que foi extraído a partir de um depósito de tephra Pleistoceno final associado com Merriam cratera no norte do Arizona. O material de basalto carregado era idêntico ao material utilizado nas experiências LEO muito maiores. A composição mineral, a distribuição do tamanho de partícula, e as propriedades hidráulicas são descritos por Pangle et ai. 12. O rosto infiltração downslope foi revestido com uma tela perfurada de plástico (poros 0,002-m de diâmetro, 14% de porosidade). O sistema está equipado com sensores, tais como conteúdo de água e temperatura sensores, dois tipos de sensores de potencial de água, amostradores de água no solo, equilíbrio de peso hidráulica, sondas de condutividade elétrica, e transdutores de pressão para determinar a altura da tabela de água. O lisímetro foi irrigada por 18 meses antes da escavação.
A escavação foi meticuloso na sua abordagem e foi elaborado para responder a duas grandes questões: (1) o que hidrológico, geoquímicos e assinaturas microbianos podem ser observadas em todo o comprimento ea profundidade da inclinação em relação às condições e chuva simulada (2) se os relacionamentos e feedbacks entre os processos hidro-bio-geoquímicos que ocorrem na hillslope pode ser deduzida as assinaturas individuais. Juntamente com a configuração experimental e procedimento de escavação, apresentamos dados representativos e sugestões sobre como aplicar protocolos de escavação semelhantes para os pesquisadores interessados em estudar a dinâmica do sistema da Terra acoplados e / ou processos de desenvolvimento do solo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Elaborar uma matriz de amostragem para garantir sistemática e abrangente Amostragem de Lysimeter
- Divida lisímetro em voxels de comprimento, largura e profundidade fixa.
- Usar um espaço euclidiano sistema de coordenadas e dividir a distância total ao longo de cada direcção (X, Y e Z) em um número suficiente de intervalos igualmente espaçados. Considere descartar o solo perto das paredes do lisímetro para evitar os efeitos de fronteira.
NOTA: Um buffer de 5 cm ao longo das quatro paredes é adotado neste experimento para evitar os efeitos de fronteira, garantindo ao mesmo tempo que o volume de solo recolhida é suficiente. - Atribuir cada amostra de uma localização única XYZ e identificar como um voxel.
NOTA: Nesta escavação, X denota a localização ao longo da largura do declive, Y indica a localização ao longo do comprimento da inclinação, enquanto que Z indica a localização ao longo da profundidade do declive. O tamanho dos intervalos dentro de cada dimensão determina a largura, o comprimento e a profundidade dos voxeis. Figura 2 mostra a divisão do lisímero após a determinação dos intervalos de espaçamento, juntamente com a origem escolhida para o sistema XYZ. A divisão no esquema escavação corrente tem 9 intervalos ao longo de ambas as direcções Y e Z e os 4 intervalos ao longo da direcção X, produzindo um total de 324 voxels de 10 cm x 20 cm x 10 cm dimensões (Figura 3).
NOTA: A estratégia de amostragem escolhido garante que todo o sistema está uniformemente amostrados com danos mínimos para os sensores. Limites de cada voxel (1-2 cm) são descartadas para limitar a contaminação cruzada de voxels vizinhos. Além disso, as dimensões do voxel garantir que material suficiente do solo está disponível para microbiológica, geoquímicos e coleta de amostras hidrológico em cada voxel.
- Usar um espaço euclidiano sistema de coordenadas e dividir a distância total ao longo de cada direcção (X, Y e Z) em um número suficiente de intervalos igualmente espaçados. Considere descartar o solo perto das paredes do lisímetro para evitar os efeitos de fronteira.
Figura 1. Lado-vista do lisímetro. Vista do lisímetro do fa infiltraçãoce. Também são visíveis três regiões do sensor (tubos de PVC branco) ao longo do sistema de inclinação e extinção de incêndios nos quatro cantos.
Figura 2. A amostragem esquema. Esquema de amostragem de lisímetro junto XYZ. A. A dimensão X divide a largura em 4 seções cada um de 10 cm, enquanto Y divide o comprimento para 20 cm. Dimensão B. O Z indica profundidade e foi dividido em 9 camadas de 10 cm de profundidade. Um limite de 5 cm ao longo das bordas do lisímetro foi identificado para evitar a recolha de amostras que podem potencialmente apresentam efeito limite. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.
Figura 3. Três-drepresentação imensional de um voxel. esquema visual de um voxel ao longo do plano XYZ do lisímetro. Toda a encosta foi dividido em 324 tais voxels, com cada voxel que descreve uma única unidade de amostragem. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.
2. Adicione Brilliant Blue FCF Dye a pista de água de infiltração na Slope
- Aplicar o corante azul brilhante na superfície do solo, o suficiente para a tampa superior 105 cm de superfície ao longo da direcção de Y. Cobrir o solo restante com folhas de plástico.
- Escolha uma concentração (aqui 10 g / L) para garantir contraste contra o solo de basalto negro. Adicionar o corante para tanques de sistema de irrigação e dilui-se com água até à concentração desejada.
- Decidir a duração da irrigação com base na profundidade desejada de a frente de infiltração e a taxa fornecido pelo sistema de irrigação.
NOTA: Para este estudo, um irrigation taxa de 30 mm / h durante 20 minutos (Figura 4) antes da escavação é considerada suficiente, a fim de identificar padrões heterogéneas de infiltração de água durante os primeiros poucos centímetros. - Após a aplicação do corante, dar tempo para a infiltração de parar e os estados de humidade no interior do lisímetro para equilibrar. Para este estudo, um período de 10 horas (durante a noite) entre a aplicação do corante e escavação era adequada.
3. Delimitação das Voxels
- Anexar fita de medição ao longo do comprimento da pista para proporcionar um sistema de referência in situ para orientação durante demarcação de voxels.
- Marque a dimensão de cada voxel do solo com a ajuda da fita métrica. Desenhar linhas de grade para cada camada usando escudos de alumínio de lâminas e facas de plástico massa de vidraceiro (Figura 4). Elimine os materiais de contorno (5 cm de cada parede, para evitar os efeitos de limite).
Figura 4. Vista de cima de lisímetro. Esta visão mostra a superfície tingido de camada 2 (10 cm de profundidade). Grids desenhadas na superfície do solo para auxiliar de amostragem são também visíveis, junto com regiões furos centrais em cada voxel após a coleta de amostras microbiológicas.
4. Coleta de Amostras Microbiologia
- Coletar amostras de microbiologia assepticamente a partir de cada voxel antes hidrológico e análises geoquímicas para evitar a contaminação cruzada de amostras. Certifique-se de que as novas luvas são usados por todos os membros que efectuam a escavação para reduzir a contaminação da pele humana.
- Use um corer do solo de 1 cm de diâmetro e 20 cm de altura, e uma espátula fina para coleta de amostras microbiológicas. Limpe a corer ea espátula com água destilada, seque com toalhetes de limpeza e enxágüe com 75% de etanol usando um borrifador. Permitir corer e espátula para secar ao ar.
- Note-se a collection tempo de cada amostra. Utilizar a sonda para o núcleo a uma profundidade de 10 cm em cada local do voxel, e a espátula para esvaziar a amostra de solo em sacos de plástico pré-esterilizados (Figura 5). Cuidar para abrir o saco imediatamente antes de depositar a amostra. Homogeneizar as bolsas de amostra à mão.
- Armazenar a bolsa de amostra num refrigerador de gelo durante a amostragem, e transferir o mais rapidamente possível a -80 ° C congelador.
Figura 5. coleta de amostras Microbiology. Uma pequena sonda portátil de 20 cm x 1 cm, sacos estéreis, e uma espátula é mostrado aqui durante a amostragem microbiológica. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.
5. Geochemistry e Hidrologia de Coleta de Amostras
- regiões fotografia tingido em X e Y planes durante escavações para profundidades onde o corante é observado. Utilizar um cartão de cor para fornecer uma referência para a cor observada (Figura 6). Garantir iluminação natural adequada está presente para documentar corretamente a intensidade da cor.
- Calibre portátil de raios-x espectrômetro de fluorescência (pXRF) diariamente antes de iniciar as medições. Para obter detalhes de calibração e medição, consulte as instruções do fabricante 13 (Figura 7). Resumidamente, coloque o instrumento no suporte e apontar a janela do feixe diretamente para o cordão fábrica de metal. Selecione 'Cal' e aguarde 30 segundos para permitir que a calibração seja concluída.
- Limpar a janela do feixe antes de tomar qualquer medida. Medir a superfície de cada voxel, em triplicado, em três locais diferentes. Colocar o aparelho pXRF na superfície do solo e esperar durante 90 s para permitir que a medição seja completado.
NOTA: Raio-X podem penetrar através de uma grande distância, na direcção do feixe. Portanto, ensure que apenas pessoal treinado lida com o equipamento e mantém protocolos de segurança apropriados.
- Limpar a janela do feixe antes de tomar qualquer medida. Medir a superfície de cada voxel, em triplicado, em três locais diferentes. Colocar o aparelho pXRF na superfície do solo e esperar durante 90 s para permitir que a medição seja completado.
Figura 6. cartão de cores para seguir tingir infiltração. Cada local com penetração do corante visível foi fotografada com um cartão de cor servindo como referência. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.
Figura 7. portátil fluorescência de raios X Espectrômetro. Handheld pXRF posicionado na superfície de um voxel. As medições foram registadas em três locais diferentes sobre a superfície de cada voxel e, em seguida, em média.
- núcleos limpo metálicos (altura = 3 cm, diâmetro. = 5,7 cm) e co policarbonatores (altura = 6 cm, diâmetro. = 5,7 cm) para densidades (BD) e medidas de condutividade hidráulica (Ksat) de voxels desejados, respectivamente (Figura 8).
- Verticalmente inserir núcleos de metal e núcleos de policarbonato (verticais Ksat) em voxels desejados tomando cuidado para não danificar os sensores ou fios do sensor. Para fazer isso, os núcleos martelar suavemente para o solo, tendo o cuidado de usar uma superfície plana como bloco de madeira entre o núcleo e o martelo, a fim de minimizar perturbações no solo. Além disso, uma vez que o núcleo está a meio caminho para o solo, colocar um segundo núcleo no topo do primeiro núcleo. Colocar o bloco de madeira na parte superior do segundo núcleo e suavemente martelar o bloco até que o primeiro núcleo é incorporado no solo, com o aro do núcleo ainda visível.
- Insira núcleos para Ksat horizontal como a face lateral do voxel abre-se com a escavação sequencial. Use o bloco de madeira e segundo núcleo, como mencionado no passo 5,4 para minimizar a compactação.
- Tome cuidado para garantir que o voxelsendo amostrado é isolado de fronteiras e voxels vizinhos antes da coleta de amostras geoquímicas. Use espátulas de plástico para esta finalidade, seguido de espátulas de mão para coletar amostras de solo em torno de núcleos de metal ou de polipropileno em geoquímicos rotulados sacos (GC) de amostra até núcleos podem ser facilmente removidos (por exemplo, a Figura 9a, b).
Figura 8. densidade a granel e núcleos de condutividade hidráulica. Núcleos de polipropileno (esquerda) foram utilizados para a recolha de amostras de condutividade hidráulica vertical e horizontal, enquanto núcleos de metal (à direita) foram utilizados para a recolha de amostras de densidade.
Figura 9. Voxel demarcação. Espátulas plásticas foram usadas para (A) isolarlimites voxel anteriores (B) geoquímica, densidade e coleta de núcleo condutividade hidráulica. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.
- Retirar o núcleo metálico, escovar o excesso do material de ambas as extremidades, e transferir a amostra de núcleo a um saco de recolha BD marcada. Pesar cada saco de amostra com a amostra e registrar o peso total.
- Remover os núcleos de polipropileno. Cobrir ambos os lados com tampas de plástico vermelho e rotular núcleo de polipropileno vertical, como "V" e núcleo de polipropileno horizontal como "H" seguido do ID da amostra.
- Recolher o material restante a partir do voxel dentro do saco de amostra de CG, deixando para trás um par de centímetros do solo em todos os quatro lados para evitar a contaminação cruzada com o próximo do voxel.
- Repetir passos de 5,1-5,9 para o resto dos voxeis em uma camada.
- Uma vez que todos os voxels de uma camada ter sidoconcluída, repita os passos 3,2-5,10 para a camada posterior.
NOTA: Passo 5.1 tem de ser realizada apenas para os voxels que têm corante visível. Consulte a Figura 10 para visualizar diagrama representativo de um voxel destacando todas as amostras coletadas de cada voxel.
Linha Figura 10. voxel Representante. A linha tracejada vermelha indica núcleo coletado para amostra microbiologia, o verde tracejada indica horizontal núcleo condutividade hidráulica, a linha do traço amarelo indica núcleo condutividade hidráulica vertical, o tracejado roxo indica núcleo densidade, eo limite oval azul indica restante amostra do voxel sendo usado para análise geoquímica. por favor clique aqui para baixar esse arquivo. </ P>
Análise 6. Amostra
- Use amostras coletadas para análises microbiológicas para molecular (extração de DNA microbiana do solo) 14 e em cultura (contagens de placas heterotróficas) 15 análises. Use DNA extraído para reações em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR) 16, e de alto rendimento experimentos de seqüenciamento de genes 17,18.
- Use amostras coletadas para análises geoquímicas para medir uma variedade de propriedades geoquímicas incluindo pH (método US EPA 150.2), condutividade elétrica (CE) (US método EPA 120.1), carbono e teor de nitrogênio (US método EPA 415.3, extração seqüencial de elementos 19, e difração de raios-X (DRX) e estendeu absorção de raios-X estrutura fina (EXAFS) espectroscopia de acordo com especificações do Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, para investigar as transformações minerais.
- Use amostras de núcleo coletadas para análises hidrológicas para experimentos de laboratório, tais como densidade 20e condutividade hidráulica 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
As dimensões dos voxels assegurada recolha de amostras para hidrológico, geoquímicos e medições microbiológicos. O procedimento de escavação produziu 324 núcleos para análise microbiológica, 972 pontos de dados pXRF, 324 sacos de amostras geoquímicas, 180 amostras Ksat (128 vertical e horizontal 52), e 311 amostras de densidade a granel. fluxo preferencial de corante Azul Brilhante também foi observado a uma profundidade de 30 cm abaixo da superfície. Um conjunto representativo de 81 amostras de uma única fatia vertical do lisímetro foram escolhidos para análise preliminar. As amostras foram escolhidas a partir de X = 2 posições na encosta enquanto Y e Z voxels variou de 0-8. Os resultados preliminares de concentração de DNA, densidade, e pXRF Fe (ferro) e medidas Mn (Manganês) são aqui apresentados como heatmaps isopleth em um terreno de 2-D (Figura 11).
A análise preliminar de medidas de densidade a granel (
ADN microbiano foi extraído a partir dos núcleos representativos. As concentrações de DNA foram recuperados heterogénea e variou entre os que estão abaixo do limite de detecção a uma alta de 30 ng / g de solo seco. As maiores concentrações médiasforam localizadas na camada Z = 3 (20-30 cm) com um ANOVA de uma via, mostrando significativamente mais elevada concentração nesta camada (p = 0,013, α = 0,05). As concentrações médias ao longo da escala Y (região infiltração rosto representando 160-180 cm ao longo do comprimento do lisímetro) = 8 Y registrou o maior valor. No entanto, ANOVA de uma via não foi significativa (α = 0,05) ao longo do comprimento. Um único voxel na camada Z = 6 (50-60 cm) registrou uma alta concentração embora camada Z = 6, em média, tiveram baixas concentrações de DNA. A maioria das outras regiões gravadas concentrações na gama de 2-10 ng / g de solo (Figura 11b). Assim, parece que a presença microbiana é mais heterogénea entre profundidade do lisímero do que ao longo do comprimento da inclinação. A partir da análise preliminar, a camada de Z = 3 foi indicativa de maior presença microbiana. É provável que um potencial redox zona limite com bolsos aeróbia-anaeróbia intermitentes existir nesta camada, dando origem a condições ambientais favoráveis à presençade ambos os microrganismos aeróbios e anaeróbios facultativos. Os padrões de recuperação de DNA também mostrou manchas de concentração alta e baixa nas camadas mais profundas. Comparativamente, as concentrações mais elevadas foram observadas intermitentemente na inclinação do dedo do pé, possivelmente devido à deposição de partículas nesta região. As regiões com concentrações de DNA abaixo do limite de detecção revelam bolsos baixos de biomassa que podem ser atribuídos ao fato de que o sistema em estudo é altamente oligotrophic. Um entendimento claro da comunidade microbiana total será alcançada com novas experiências, incluindo qPCR quantificação de bactérias, archaea, e as populações de fungos e análise de sequenciação genética de alto rendimento.
Totais elementares concentrações qualitativos Fe e Mn apresentaram padrões semelhantes (Figuras 11 C e D, respectivamente). Para ambos os elementos, as concentrações mais elevadas foram observadas na superfície de meados de inclinação, e de igual inclinação. Tseu provável implica que a dissolução de elementos ocorre na encosta superior. íons dissolvidos e partículas finas podem potencialmente fluem para baixo da encosta e precipitar ou depósito no canto inferior encosta. No entanto, as concentrações de Fe mostrou maior variabilidade do que as concentrações de Mn. Fe variou de 80-94 mg kg-1, enquanto que Mn variou 1,12-1,28 mg kg -1. Uma vez que o material de origem é geralmente homogénea, a maior variação na concentração de Fe por voxel é atribuída a mobilização e a precipitação de fases secundárias das intempéries reacções de Fe com ar e água. As concentrações de ADN mais baixos observados na superfície ao longo de toda a inclinação pode indicar baixa capacidade de quimioautótrofos para utilizar minerais primários (basalto), enquanto manchas elevadas de biomassa observada nas camadas inferiores e face infiltração podem ser correlacionados com a acumulação mineral secundário, tal como sugerido pelo elevado valor de biomassa (Z = 3, Y = 8) que corresponde à densidade a granel elevada e a concentração de Mn. estepadrão sugere potencial de precipitação de minerais secundários (por exemplo, hidróxidos de ferro) por microorganismos autotróficos. Futuro perfil de diversidade microbiana irá elucidar as relações observadas. De fato, a literatura relata o crescimento microbiano limitada em mídia tephra basáltica oligotrophic, com substratos reduzidos induzida por intemperismo agindo como entradas metabólicas e de crescimento para micróbios 22. respostas elementares altas observadas nas camadas médias da região meados de inclinação pode também refletir a formação de fronteira redox nesta região.
Figura 11. heatmaps isopleth bidimensionais. (A) Densidade a granel. Os valores de densidade foram obtidos através da transferência de amostras para pratos de pesagem de alumínio e secá-los forno durante 48 horas a 105 ° C. Células deixada em branco representam voxels onde a coleta de amostra não era pOSSÍVEIS devido à presença de sensores e à falta de espaço para acomodar os núcleos de densidade a granel. (B) a concentração de ADN. Para núcleos microbiológicos, 2 g de solo foi subamostrado para extrair ADN microbiano, representativa de cada voxel. (C) elementar Fe e (D ) elementar Mn. para análise elementar de Fe e Mn, um dado pXRF para um total de 81 amostras foram medidos em triplicado. Média de cada elemento em cada voxel foi calculada e traçada. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Evolução da paisagem é o efeito cumulativo de hidrológico, geoquímicos e biológicos 12. Estes processos controlar as reações biogeoquímicas fluxo e transporte de água e elementos, e na evolução das paisagens. No entanto, capturar as interações requer simultaneamente delineamento experimental precisamente coordenada e amostragem. Além disso, o estudo da evolução da paisagem incipiente é difícil em sistemas naturais, com capacidades limitadas para identificar "tempo zero" condições. A literatura relata um estudo lisímetro destrutiva que foi realizado para medir a densidade de raízes de plantas 23, enquanto abordagens campo base de irrigação e de escavação são relatados por Graham et al. 24 e Anderson et al. 25 No entanto, nenhum dos estudos incorporou um método para o estudo hidrológico heterogeneidade -geochemical-microbiológica de uma paisagem simulada. Um componente-chave do nosso trabalho foi para garantir que um wa escalas definidos para experimentos e procedimentos de amostragem escolhidos para garantir que a heterogeneidade da escala escolhida foi capturado de forma eficiente. A questão da escala é particularmente importante quando se estuda os processos do sistema da Terra e tem sido observado por pesquisadores nas respectivas áreas de hidrologia 26, geoquímica 27, e microbiologia 28. A metodologia descrita neste estudo visa estudar uma gama de processos de hidro-GEOCHEM microbiológica relevantes para nossas questões de pesquisa, enquanto, ao mesmo tempo, proporcionando flexibilidade para modificar o protocolo de acordo com perguntas de pesquisa individuais.
Nossos resultados representativos preliminares sugerem que um ambiente de partida homogênea irá desenvolver propriedades heterogêneas. densidade a granel resultados indicam a presença de uma região com valores mais elevados nas camadas mais profundas perto da face de infiltração, que pode representar um resultado da acumulação de partículas finas, devido aos processos de fluxo dentro do Tele lisímero, bem como uma compactação provocada pelo peso da sobreposição do solo humedecido. Estas duas hipóteses pode ser elucidada com a investigação de parâmetros adicionais. Por exemplo, através da realização de análise de tamanho de partícula de voxels, é possível obter as proporções reais de mais fina contra partículas mais grosseiras. As concentrações totais de Fe e Mn preliminares indicam a ocorrência de dissolução elementar e re-precipitação, como consequência da aplicação de vários ciclos de rega para o lisímero antes da escavação. Tais resultados podem ser explicado de duas maneiras: (1) água transloca partículas de argila e mais finas porte, enriquecidas em Fe e Mn, ladeira abaixo, onde podem se acumular na encosta inferior 29 (isso pressupõe que o movimento físico é mais importante do que química reacções); (2) A água dissolve partículas finas e íons solúveis de rastreamento, tais como Fe e Mn, precipitar a menor inclinação (este cenário pressupõe reações químicas são as principais forças motrizes). A fim de C onfirm os mecanismos de instabilidade elementar, são necessárias mais provas. As medições das concentrações de DNA confirmam uma distribuição heterogênea da vida microbiana no lisímetro. Apesar da condição de baixa de nutrientes do hillslope basalto, a capacidade de detectar a presença de vida microbiana indica colonização microbiana em condições oligotróficas é possível. Este resultado é consistente com relatos de comunidades microbianas hospedado-basalto e simultânea intemperismo biologicamente mediada em diversos ambientes, como solo vulcânico 30, chão do oceano 31, e divisor de águas tropical 32 Análise .Further da diversidade microbiana presente em cada voxel é necessária para abordar hipóteses sobre as potenciais contribuições de micróbios às intempéries processos. Após a análise completa de nossas amostras e os resultados, vamos ser capazes de interpretar as interações hidrológicas, geoquímicos e microbiológicos que ocorrem durante a evolução da paisagem incipiente.
ntent "> A metodologia apresentada neste artigo é mais uma sugestão de passos em vez de um esquema rígido para escavar um lisímetro de solo para explorar as interações hidrológicas e biogeoquímicas. Alguns passos podem ser mais ou menos relevantes em função dos objectivos do estudo. É também importante sublinhar o tempo necessário para realizar tal escavação. Nosso escavação necessária uma equipe de 3 pessoas em todos os momentos com a eventual adição de 1 ou 2 outras pessoas durante alguns dias de trabalho. a escavação durou 10 dias, com o trabalho diário horas que variam entre 8 a 10 horas. Portanto, escolher cuidadosamente os passos pretendidos é muito importante quando restrições de tempo devem ser levados em consideração. Além disso, alguns passos descritos no protocolo são fundamentais para o sucesso de escavação e pesquisa questões sejam colocadas. Durante a aplicação do corante, cuidados especiais devem ser tomados para garantir que as zonas que foram marcados para permanecer imaculada sejam devidamente cobertos, para evitar que o corante de leaking para as regiões não coradas. Uma boa estimativa do tamanho voxel também é crucial para o sucesso desta experiência. O tamanho voxel determina a escala de coleta de amostra: maior número de voxels implicam resolução amostra mais fina à custa do aumento do tempo gasto em escavar cuidadosamente cada voxel em oposição ao menor número de voxels e resolução de amostra mais grossa. Evitar a contaminação cruzada de amostras usando espátulas de mão e facas de plástico massa de vidraceiro é também crucial, tanto para coleta de amostras microbiológicas e geoquímica e análise.Um certo número de modificações para o protocolo pode ser realizada, com base em questões de pesquisa. Em primeiro lugar, referindo-se a questão da escala, pode-se optar por desenvolver uma estratégia de amostragem que é mais fino do que o protocolo descrito aqui ou optar por uma escala courser; no entanto, a escala escolhida para este experimento confirma que temos capturado física significativa, químicas e biológicas heterogeneidades no hillslope. estes choices têm de ser feitas com base nas questões de pesquisa que está sendo solicitado, a escala do hillslope ou lisímetro que pode ser construído, e a logística para realizar análises. Em segundo lugar, muitos desses mini-lisímetros podem ser configurados para estudar processos de desenvolvimento do solo. Por exemplo, os pesquisadores podem querer olhar para desgaste de diferentes materiais do solo quando sujeito a um regime de precipitação variada, ou o desenvolvimento de perfil do solo em encostas que têm o mesmo material de origem, mas são tratados de forma diferente em relação à inclinação, precipitação, temperatura, etc. Além disso, a duração do estudo também pode ser modificada com base em questões de pesquisa e pesquisadores podem querer construir lisímetros idênticos seguidos de escavação destrutiva de cada lisímetro temporalmente.
Em terceiro lugar, a vegetação pode ser introduzido para estudar o efeito do crescimento das plantas em hidrológico percurso de escoamento, erosão geoquímica e desenvolvimento da comunidade microbiana.
Adicionalmente, repesquisadores que desejam estudar processos e características de uma paisagem já existentes, em vez de se concentrar sobre os estágios de desenvolvimento, pode aplicar o nosso método para monólitos de solo em um ambiente natural. procedimentos tradicionais de montagem de solo pode ser seguido para obter um monólito do solo, seguido de particionamento do monólito em regiões bem definidas de interesse. Esta abordagem pode superar as limitações associadas a realização de amostragem intensamente destrutivo dos lisímetros no campo. As secções escolhidas podem, então, ser escavado de uma maneira similar para observar hídrico, geoquímico, e características microbiológicas específico para o monólito.
A limitação deste método é a obtenção de todos os conjuntos de amostras de voxels que foram localizados perto sensores. sensores pré-incorporados em algumas áreas do hillslope impedido coleta de amostras hidrológicos. Além disso, para anular o efeito de vias de fluxo preferenciais devido à presença de sensores, algumas amostras a partir destes locaisforam descartados. Além disso, a escavação foi realizada em duas fases ao longo de um período de dez dias, com um intervalo de três dias entre as fases. Enquanto cuidado foi tomado para cobrir a superfície exposta entre as fases de escavação, a camada exposta pode potencialmente expor a atividade microbiana alterada devido a mudanças nas condições de pressão de vapor e oxidação. Uma escavação de este comprimento é, assim, demorado, que por sua vez podem introduzir variação sensível ao tempo adicional.
Capturando heterogeneidade da paisagem como influenciada por processos hidrológicos, geoquímicos e microbiológicos é um desafio. O efeito sinérgico destes processos em cada outros compostos da complexidade. Uma escavação de uma paisagem simulada apresentada nesta escala e intensidade é romance. A capacidade de coordenar a coleta de amostras hidrológicos, geoquímicos e microbiológicos sem comprometer a integridade de qualquer amostra apresenta uma excelente abordagem para a realização de s multi-disciplinarestudies de processos do sistema Terra. As técnicas descritas são simples, repetível, e flexível para acomodar várias questões de pesquisa, permitindo assim, a aplicação de modelos experimentais alternativos. resultados futuros deste método pode incluir potencialmente desenvolver quadros teóricos e modelos de evolução da paisagem para responder a questões complexas da dinâmica do sistema da Terra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Measuring tape | Any | Any | Preventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary. |
| Brilliant Blue dye | Waldeck GmBH &Co | B0770 | Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments. |
| Soil Corer | AMS | 56975 | Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used. |
| 75% Ethanol | Any | Any | A Nikon D90 camera and 50 mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose. |
| Spray Bottle | Any | Any | Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions. |
| Spatula | Any | Any | Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious. |
| Gloves | Any | Any | Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible. |
| KimWipes | KimTech Science | Any | Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol. |
| Sterile Sample bags | Fisher Scientific | Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ | Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil. |
| Color Card | Any | Any | The original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design. |
| X-ray Fluoresce Spectrophotmeter | XRF, OLYMPUS | DS-2000 Delta XRF | |
| Polypropylene cores | Any | Any | |
| Metal cores | Any | Any | |
| Caps for polypropylene cores | Any | Any | |
| Hammer | Any | Any | |
| Plastic putty knives | Any | Any | |
| Face masks | Any | Any |
References
- Brady, N. C., Weil, R. R. The nature and properties of soils. , Pearson Prentice Hall. (2008).
- Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
- Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change? Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
- Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
- Temme, A. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. Montgomery, D. R., Bierman, P. R. , Macmillan Publishers Limited. http://serc.carleton.edu/vignettes/collection/37800.html (2013).
- Troch, P. A., et al. Dealing with Landscape Heterogeneity in Watershed Hydrology: A Review of Recent Progress toward New Hydrological Theory. Geogr. Compass. 3, 375-392 (2009).
- Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. , (2015).
- Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
- Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
- Churchman, G. j, Lowe, D. Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, CRC Press,Taylor & Francis. (2012).
- van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., van Straalen, N. M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecol. Lett. 11 (3), 296-310 (2008).
- Pangle, L. a, et al. The Landscape Evolution Observatory: A large-scale controllable infrastructure to study coupled Earth-surface processes. Geomorphology. 244, 190-203 (2015).
- User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. , Innov-X-Systems. http://usenvironmental.com/download/manuals/Olympus%20-%20Delta%20User%20Manual.pdf (2013).
- Valentìn-Vargas, A., Root, R. A., Neilson, J. W., Chorover, J., Maier, R. M. Environmental factors influencing the structural dynamics of soil microbial communities during assisted phytostabilization of acid-generating mine tailings: A mesocosm experiment. Sci Total Environ. 500-501, 314-324 (2014).
- JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. , JoVE. Cambridge, MA. (2016).
- JoVE Science Education Database. Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , JoVE. Cambridge, MA. (2016).
- Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
- Caporaso, J. G., et al. Correspondence - QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
- Hall, G. E. M., Vaive, J. E., Beer, R., Hoashi, M. Selective leaches revisited, with emphasis on the amorphous Fe oxyhydroxide phase extraction. J. Geochemical Explor. 56, 59-78 (1996).
- Grossman, R. B., Reinsch, T. G. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , Soil Science Society of America Book Series No. 5. ASA and SSSA. Madison, WI. 201-228 (2002).
- Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. Dane, J. H., Topp, G. C. , SSSA. Madison, WI. 802-816 (2002).
- King, G. M. Contributions of atmospheric CO and hydrogen uptake to microbial dynamics on recent Hawaiian volcanic deposits. Appl. Environ. Microbiol. 69 (7), 4067-4075 (2003).
- Meyer, W. S., Barrs, H. D. Roots in irrigated clay soils: Measurement techniques and responses to rootzone conditions. Irrig. Sci. 12 (3), 125-134 (1991).
- Graham, C. B., Woods, R. A., McDonnell, J. J. Hillslope threshold response to rainfall: (1) A field based forensic approach. J. Hydrol. 393 (1-2), 65-76 (2010).
- Anderson, A. E., Weiler, M., Alila, Y., Hudson, R. O. Dye staining and excavation of a lateral preferential flow network. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).
- Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale? Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
- Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation. Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).
- Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98 (3), 439-448 (2011).
- Niu, G. Y., Pasetto, D., Scudeler, C., Paniconi, C., Putti, M., Troch, P. A. Analysis of an extreme rainfall-runoff event at the Landscape Evolution Observatory by means of a three-dimensional physically-based hydrologic model. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 10, 12615-12641 (2013).
- Marteinsson, V., et al. Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota. Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).
- Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities. Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).
- Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).
