Summary
Denna studie presenterar en utgrävning metod för att undersöka ytan hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska heterogenitet en jord lysimeter. Den lysimeter simulerar en artificiell hillslope som var initialt under homogen skick och hade utsatts för ca 5000 mm vatten över åtta cykler av bevattning i en 18-månadersperiod.
Introduction
Jord och landskapsdynamik formas av det komplexa samspelet mellan fysikaliska, kemiska och biologiska processer 1. Vattenflödet, geokemiska vittring, och biologisk aktivitet forma den övergripande utvecklingen av landskapet i en stabil ekosystem 2,3. Medan ytförändringar är de mest iögonfallande egenskaperna hos landskap 4, förståelse kumulativa effekterna av hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska processer i ytan regionen är avgörande för att förstå de underliggande krafter som formar ett landskap 2. Framtida klimatstörningsscenarier förbrylla ytterligare förutsägbarhet och mönster av landskapsutveckling 5. Det blir således en utmaning att koppla småskaliga processer deras storskaliga manifestation på landskapet skala 6. Traditionella kortsiktiga laboratorieexperiment eller experiment i naturområden med okända begynnelsevillkor och tidsvariabel tvingar misslyckas att fånga the inneboende heterogenitet av landskapsutveckling. Dessutom, tack vare en stark icke-linjär koppling, är det svårt att förutsäga biogeokemiska förändringar från hydrologisk modellering i heterogena system 7. Här beskriver vi en ny experimentell metod för att gräva en helt styrs och övervakas jord hillslope med kända begynnelsevillkor. Vår utgrävning och provtagning förfarande syftar till att fånga utvecklings heterogenitet hillslope längs dess längd och djup, med målet att ge en omfattande datamängd att undersöka hydro-bio-geokemiska interaktioner och deras inverkan på marken bildningsprocesser.
Hydrologiska system som finns i naturen är långt ifrån statiska i tid, med förändringar i hydrologiska reaktioner som äger rum inom ett brett spektrum av rumsliga och tidsmässiga skalor 3. Den rumsliga strukturen av flödesvägar längs landskap bestämmer hastigheten, omfattning och distribution av geokemiska reaktioner och biologisk kolonisering som drivervittring, transport och utfällning av lösta ämnen och sediment, och den fortsatta utvecklingen av markstrukturen. Således, införliva kunskap från pedology, geofysik, och ekologi i teorier och experimentell design för att bedöma hydrologiska processer och förbättra hydrologiska förutsägelser har föreslagits 8,9. Landskap utveckling påverkas också av under ytan biogeokemiska processer i samband med vattendynamik, elementärt migration under jord utveckling och mineralogiska omvandlingar till följd av reaktion av mineraliska ytor med luft, vatten och mikroorganismer 10. Därför är det viktigt att studera utvecklingen av geokemiska hotspots inom en föränderlig landskap. Dessutom är det viktigt att relatera geokemiska vädermönster till hydrologiska process och mikrobiologiska signaturer under begynnande jordmånsbildningen för att förstå dynamiken i komplexa landskapsutveckling. De specifika processer jord uppkomst reglerasgenom den kombinerade inverkan av klimat, biologiska ingångar, lättnad och tid på en viss grundmaterialet. Detta experiment utformades för att ta itu med heterogeniteter i vittring av grundmaterialet styrs av hydrologiska och geokemiska variationer i samband med lättnad (inklusive lutning och djup) och tillhörande variabilitet i mikrobiell aktivitet som drivs av miljö gradienter (dvs redoxpotential) under förhållanden där grundmaterial, klimat och tid hålls konstanta. När det gäller mikrobiell aktivitet, jord mikroorganismer är kritiska komponenter och har en djupgående inverkan på landskaps stabilitet 11. De spelar en avgörande roll i markstrukturen biogeokemisk omsättning av näringsämnen, och växternas tillväxt. Därför är det nödvändigt att förstå betydelsen av dessa organismer som förare av vittring, jord uppkomst, och landskap bildningsprocesser, samtidigt identifiera de ömsesidiga effekterna av hydrologiska flödesvägar och geokemiska viathering på mikrobiell samhällsstruktur och mångfald. Detta kan åstadkommas genom att studera rumslig heterogenitet mikrobiella mångfalden över en utvecklande landskap vars hydrologiska och geokemiska egenskaper också studeras parallellt.
Här presenterar vi en utgrävning förfarande ett jord lysimeter, operativt namnges miniLEO, utformad för att efterlikna de storskaliga modeller av ordningen noll bassängen i landskapet Evolution Observatory (LEO) inrymt i Biosphere 2 (University of Arizona). Den miniLEO har utvecklats för att identifiera småskaliga landskap evolution mönster som härrör från kumulativa heterogena hydro-bio-geokemiska processer. Det är en lysimeter 2 m lång, 0,5 m bred och 1-m höjd, och lutning 10 ° (Figur 1). Dessutom är väggarna i lysimeter isolerade och belagda med icke-nedbrytbart tvåkomponentsepoxi primer och ett aggregat fylld alifatisk uretan päls för att undvika eventuella föroreningar eller urlakningav metaller från lysimeter ramen i marken. Den lysimeter fylldes med krossad basalt som extraherades från en deposition på sen pleistocen tephra samband med Merriam krater i norra Arizona. Den laddade basalt material var identiskt med det material som används i de mycket större LEO experiment. Mineralsammansättningen, partikelstorleksfördelning, och hydrauliska egenskaper beskrivs av Pangle et al. 12. Den nedåtlutande läckage ansikte var fodrad med ett perforerat plastskärm (porer 0,002-m diameter, 14% porositet). Systemet är utrustat med sensorer såsom vatteninnehåll och temperatursensorer, två typer av vatten potentiella givare, jord-vatten provtagare hydrauliska viktbalans, elektriska ledningsförmåga sonder och tryckgivare för att bestämma grundvattennivån höjd. Den lysimeter spolades under 18 månader före utgrävningen.
Utgrävningen var noggrann i sin strategi och syftade till att svara på två breda frågor: (1) vad hydrologiska, geokemiska och mikrobiella signaturer kan observeras över längden och djupet av backen i förhållande till simulerade regnförhållanden och (2) om relationer och återkopplingar mellan hydro-bio-geokemiska processer som sker på hillslope kan härledas från de enskilda signaturer. Vid sidan av den experimentella uppställningen och utgrävning förfarande, presenterar vi representativa uppgifter och förslag på hur man tillämpa liknande utgrävning protokoll för forskare som är intresserade av att studera kopplade jordsystemdynamik och / eller mark utvecklingsprocesser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utforma en Provtagning Matrix att säkerställa en systematisk och omfattande Provtagning av lysimeter
- Dela lysimeter i voxlar med fast längd, bredd och djup.
- Använda en euklidiska rymden koordinatsystem och dela upp det totala avståndet längs varje riktning (X, Y och Z) i ett adekvat antal lika fördelade intervall. Överväga att kasta de jorden nära väggarna i lysimeter att undvika gränseffekter.
OBS: En buffert av 5 cm längs fyra väggar antas i detta experiment för att undvika gränseffekter, samtidigt som volymen av jord samlas in är tillräckligt. - Tilldela varje prov ett unikt XYZ plats och identifiera som en voxel.
OBS: I detta utgrävning, X betecknar platsen utmed bredden av lutningen, Y betecknar läge utmed längden av lutningen, medan Z betecknar läge längs djupet av sluttningen. Storleken av intervallen inom varje dimension bestämmer bredden, längden och djupet på de voxlar. Figure 2 visar uppdelningen av lysimeter efter bestämning distansintervall tillsammans med den valda ursprung för XYZ-systemet. Uppdelningen i den aktuella utgrävningssystemet har 9 mellanrum längs båda Y- och Z-riktningarna och 4 mellanrum längs X-riktningen, vilket ger totalt 324 voxlar av 10 cm x 20 cm x 10 cm mått (Figur 3).
OBS: provtagningsstrategi som valts säkerställer att hela systemet är jämnt samplas med minimal skada på sensorerna. Gränserna för varje voxel (1-2 cm) kasseras för att begränsa korskontaminering från grann voxlar. Dessutom, voxel dimensioner att tillräckligt jordmaterial finns tillgängligt för mikrobiologisk, geokemiska och hydrologiska provsamling i varje voxel.
- Använda en euklidiska rymden koordinatsystem och dela upp det totala avståndet längs varje riktning (X, Y och Z) i ett adekvat antal lika fördelade intervall. Överväga att kasta de jorden nära väggarna i lysimeter att undvika gränseffekter.
Figur 1. Sido av lysimeter. Vy över lysimeter från läckage face. synlig finns också tre sensorregioner (vit PVC-rör) längs sluttningen och sprinklersystemet i de fyra hörnen.
Figur 2. Sampling Sampling system för lysimeter längs XYZ. A. X dimension Scheme. Delar bredden i 4 sektioner om vardera 10 cm medan Y delar längden i 20 cm. B. Z dimension anger djup och delades in i 9 lager av 10 cm djup. En gräns på 5 cm längs kanterna av lysimeter identifierades för att förhindra insamling av prover som potentiellt kan uppvisa gräns effekt. Klicka här för att ladda ner filen.
Figur 3. Tre-dimensional representation av en voxel. Visuell schematisk bild av en voxel längs XYZ plan lysimeter. Hela backen delades upp i 324 sådana voxlar, med varje voxel som visar en enda provtagningsenhet. Klicka här för att ladda ner filen.
2. Tillsätt Brilliant Blue FCF Dye till Track Vatten Infiltration i Slope
- Tillämpa brilliant blue färgämne vid ytan av jorden, tillräckligt för att täcka topp 105 cm av ytan längs Y-riktningen. Täck återstående mark med plastfolie.
- Välja en koncentration (här 10 g / L) för att garantera kontrast mot svart basaltisk jord. Lägg färgämnet till bevattningssystemtankar och späd med vatten till den önskade koncentrationen.
- Bestämma hur lång tid den bevattning baserat på det önskade djupet på infiltreringen främre och den hastighet som tillhandahålls av bevattningssystem.
OBS: För denna studie, en i:rrigation hastighet på 30 mm / h under 20 min (Figur 4) före utgrävning anses vara tillräcklig för att identifiera heterogena mönster av vatten infiltration under de första centimetrarna. - Efter färgämne ansökan, ge tid för infiltration att stoppa och fukttillstånd inom lysimeter till jämvikt. För denna studie, en period av 10 h (över natten) mellan färgämne ansökan och utgrävning var lämpligt.
3. Avgränsning av voxlar
- Fästa måttband längs längden av lutningen för att åstadkomma en in-situ referenssystem för vägledning under avgränsning av voxlar.
- Märk dimensionen av varje jord voxel med hjälp av måttband. Rita rutnätslinjer för varje lager med aluminium-blad sköldar och plast kitt knivar (Figur 4). Kasta gräns material (5 cm från varje vägg för att förhindra gränseffekter).
Figur 4. Uppifrån av lysimeter. Denna vy visar den färgade ytan av skiktet 2 (10 cm djup). Galler dragna på markytan för att underlätta provtagning är också synlig, tillsammans med kärn hål regioner på varje voxel efter mikrobiologisk provtagning.
4. Mikrobiologi Provtagning
- Samla mikrobiologi prov aseptiskt från varje voxel före hydrologiska och geokemiska analyser för att förhindra korskontaminering av prover. Se till att nya handskar bärs av alla medlemmar utför utgrävning för att minska föroreningar från mänsklig hud.
- Använd en jordborr med diametern 1 cm och 20 cm höjd, och en tunn spatel för mikrobiologisk provtagning. Rengör kärnborren och spateln med destillerat vatten, torka torrt med ren våtservetter, och skölj med 75% etanol med hjälp av en sprayflaska. Låt corer och spatel för att lufttorka.
- Notera collection tiden för varje prov. Använd kärnborren till kärnan till ett djup av 10 cm på varje voxel plats och spateln för att tömma jordprov i försteriliserade plastpåsar (Figur 5). Ta hand för att öppna påsen strax före avsättning av provet. Homogenisera provpåsarna för hand.
- Lagra provpåsen i ett is svalare under provtagning, och överföra så snart som möjligt till -80 ° C frys.
Figur 5. Mikrobiologi provtagning. En liten handhållen corer av 20 cm x 1 cm, sterila påsar och spatel visas här under mikrobiologisk provtagning. Klicka här för att ladda ner filen.
5. geokemi och hydrologi Provtagning
- Photograph färgade regioner i X och Y planes under utgrävning för djup där färgämnet observeras. Använd en färgkarta för att ge referens för färg observerades (Figur 6). Säkerställa korrekt naturlig belysning är närvarande för att korrekt dokumentera färgintensitet.
- Kalibrera bärbara röntgenfluorescensspektrometer (pXRF) dagligen innan mätningar. För kalibrering och mätning detaljer, se tillverkarens anvisningar 13 (Figur 7). I korthet, placera instrumentet på hållaren och rikta strålen fönstret direkt till fabriken metallpärla. Välj "Cal" och vänta 30 sekunder för att låta kalibreringen slutföras.
- Rengör strålen fönstret innan varje mätning. Mäta ytan på varje voxel i triplikat på tre olika platser. Placera pXRF instrumentet på markytan och vänta 90 sekunder för att tillåta mätningen ska fyllas.
OBS: X-ray kan tränga igenom en lång sträcka i riktningen för strålen. Därför ensure att endast en utbildad personal hanterar utrustningen och upprätthåller korrekt säkerhetsprotokoll.
- Rengör strålen fönstret innan varje mätning. Mäta ytan på varje voxel i triplikat på tre olika platser. Placera pXRF instrumentet på markytan och vänta 90 sekunder för att tillåta mätningen ska fyllas.
Figur 6. Färg kort att följa färga infiltration. Varje plats med synlig färg penetration fotograferades med en färgkarta som tjänar som referens. Klicka här för att ladda ner filen.
Figur 7. Portabel röntgenfluorescensspektrometer. Handhållen pXRF placerad på ytan av en voxel. Mätningar registrerades på tre olika platser på ytan av varje voxel och sedan medelvärdesbildas.
- Rena metallkärnor (höjd = 3 cm, diameter. = 5,7 cm) och co polykarbonatres (höjd = 6 cm, diam. = 5,7 cm) för bulkdensiteter (BD) och hydrauliska konduktivitetsmätningar (KSAT) av den önskade voxlar, respektive (Figur 8).
- Vertikalt in metallföremål kärnor och polykarbonatkärnor (vertikal KSAT) till önskade voxlar tar inte skada sensorer eller sensortrådar. Gör detta genom att försiktigt hamra kärnorna i marken, var noga med att använda en plan yta liknande block av trä mellan kärnan och hammaren för att minimera störningar i marken. Dessutom, när kärnan är halvvägs in i jorden, placera en andra kärnan ovanpå den första kärnan. Placera träblock ovanpå den andra kärnan och försiktigt hamra blocket tills den första kärnan är inbäddad i marken med kärnan fälgen fortfarande synliga.
- Sätt kärnor för horisontell KSAT som sidoytan av voxel öppnar upp med sekventiell utgrävning. Använda träblocket och andra kärnan som nämns i steg 5,4 för att minimera sammanpressning.
- Vara noga med att säkerställa att den voxelsamplas isoleras från gränser och angränsande voxlar innan geokemisk provtagning. Använd plast kitt knivar för detta ändamål, följt av handhållna mursleven att samla jordprover runt metall eller polypropen kärnor i märkta geokemiska (GC) provpåsar tills kärnor lätt kan tas bort (t.ex. figur 9a, b).
Figur 8. Skrymdensitet och hydraulisk konduktivitet kärnor. Polypropen kärnor (vänster) användes för att samla vertikala och horisontella hydrauliska ledningsförmåga prover, medan metallkärnor (höger) användes för att samla bulkdensitetsprov.
Figur 9. Voxel avgränsning. Plast kitt knivar användes för att (A) isoleravoxel gränser före (B) geokemiska, bulkdensitet, och hydraulisk konduktivitet kärnsamling. Klicka här för att ladda ner filen.
- Ta bort metallkärnan, borsta bort överflödigt material från båda ändar, och överföra prov från kärnan till en märkt BD provpåse. Väg varje provpåse med provet och registrera den totala vikten.
- Avlägsna polypropen kärnorna. Täck båda sidorna med röda plastlock och märka vertikal polypropylen kärna som "V" och horisontell polypropylen kärna som "H" följt av prov-ID.
- Samla kvarvarande material från voxel i GC provpåse och lämnar efter sig ett par centimeter av jord på alla fyra sidor för att förhindra korskontaminering med nästa voxel.
- Upprepa från steg 5,1-5,9 för resten av voxlar i ett lager.
- När alla voxlar från ett lager har varitfärdig, upprepa steg från 3,2 till 5,10 för det efterföljande skiktet.
OBS: Steg 5.1 behov som skall utföras endast för de voxlar som har synliga färgämnet. Se figur 10 för att visualisera representativa diagram över en voxel belyser alla prover som tagits från varje voxel.
Figur 10. Representativa voxel. Den röda streckade linjen indikerar kärna samlas för mikrobiologi prov, den gröna streckade linjen anger horisontell hydraulisk konduktivitet kärna, den gula streckade linjen indikerar vertikal hydraulisk konduktivitet kärna, visar den lila streckad skrymdensitet kärna och blå ovala gränsen den återstående prov från voxel används för geokemisk analys. klicka god här för att ladda ner filen. </ P>
6. Provanalys
- Använd prover som tagits för mikrobiologiska analyser för molekylär (jord mikrobiell DNA-extraktion) 14 och odlade (heterotrofa platträkningar) 15 analyser. Använd extraherat DNA för kvantitativ polymeras kedjereaktioner (qPCR) 16, och hög genomströmning gen sekvense experiment 17,18.
- Använd prover som tagits för geokemiska analyser för att mäta en mängd geokemiska egenskaper inklusive pH (US EPA metod 150,2), elektrisk ledningsförmåga (EG) (US EPA metod 120,1), kol och kvävehalt (US EPA metod 415,3, sekventiell extraktion av elementen 19, och röntgendiffraktion (XRD) och förlängd röntgenabsorption fin struktur (EXAFS) -spektroskopi enligt specifikationerna i Stanford Synchrotron Radiation Laboratory, för att undersöka mineralomvandlingar.
- Använd kärnprover som samlats in för hydrologiska analyser för laboratorieexperiment såsom bulkdensitet 20och hydraulisk konduktivitet 21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dimensionerna hos voxlar säker insamling av prover för hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska mätningar. Utgrävnings förfarande gav 324 kärnor för mikrobiologisk analys, 972 pXRF datapunkter, 324 geokemiska provpåsar, 180 KSAT prover (128 vertikala och 52 horisontella) och 311 skrymdensitet prover. Förmåns flöde av Brilliant Blue färgämne observerades också till ett djup av 30 cm under ytan. En representativ uppsättning av 81 prover från en enda vertikal skiva av lysimeter valdes för preliminär analys. De utvalda prover från X = 2-position på sluttningen medan Y och Z voxlar varierade 0-8. Preliminära resultat från DNA-koncentration, skrymdensitet, och pXRF Fe (järn) och Mn (mangan) mätningar presenteras här som isopleth värmekartor på en 2-D plot (Fig 11).
Preliminär analys av mätningar skrymdensitet (
Microbial DNA extraherades från de representativa kärnor. Koncentrationerna av det utvunna DNA var heterogena och varierade från dem under detektionsgränsen till en hög av 30 ng / g torr jord. Högsta genomsnittliga koncentrationernavar lokaliserade i lagret Z = 3 (20-30 cm) med ett en-vägs ANOVA visar betydligt högre koncentration i detta skikt (p = 0,013, α = 0,05). Genomsnittliga koncentrationer längs Y-skala Y = 8 (läckage ansikte region representerar 160-180 cm längs längden av lysimeter) registreras det högsta värdet. Emellertid en-vägs ANOVA var inte signifikant (α = 0,05) utmed längden. En enda voxel i lager Z = 6 (50-60 cm) noterade en hög koncentration trots lager Z = 6 i genomsnitt hade låga DNA-koncentrationer. De flesta av de andra regionerna registreras koncentrationer i området av 2-10 ng / g jord (fig 11b). Det förefaller således som mikrobiell närvaro är mer heterogen över djupet av lysimeter än längs med sluttningen. Från preliminär analys, lager Z = 3 var ett tecken på högre mikrobiell närvaro. Det är troligt att en potentiell redox gränszonen med intermittenta aeroba-anaeroba fickor finns i detta skikt, vilket ger miljöförhållanden som leder till närvarobåde fakultativa aeroba och anaeroba mikroorganismer. DNA återvinningsmönster visade också fläckar av hög och låg koncentration i de djupare skikten. Jämförelsevis har högre koncentrationer intermittent observeras vid tån lutning, möjligen på grund av avsättning av partiklar i denna region. Regionerna med DNA-koncentrationer under detektionsgränsen avslöjar låg biomassa fickor som kan tillskrivas det faktum att systemet som studeras är mycket näringsfattig. En klar förståelse av den totala mikrobiella uppnås med ytterligare experiment inklusive qPCR kvantifiering av bakterier, archaeal och svamppopulationer och hög genomströmning gen sekvensanalys.
Kvalitativa totala elementära Fe och Mn-koncentrationer uppvisade liknande mönster (figur 11 c och d respektive). För båda elementen har högre koncentrationer observerades på ytan i mitten av backen, och toe-backen. Thans sannolikt innebär att upplösningen av elementen sker vid den övre sluttningen. Upplösta joner och fina partiklar kan då eventuellt rinna nedför backen och fälla eller insättning på nedre backen. Men Fe koncentrationer visade större variation än Mn koncentrationer. Fe varierade från 80-94 mg kg -1, medan Mn varierade från 1,12 till 1,28 mg kg -1. Eftersom grundmaterialet var allmänt homogen, är det större variation i per voxel Fe koncentration tillskrivs mobilisering och utfällning av sekundära faser från vittring reaktioner av Fe med luft och vatten. De lägre DNA-koncentrationer observerades på ytan över hela sluttningen kan indikera lägre förmåga chemoautotrophs att utnyttja primär mineraler (basalt) medan höga biomassa fläckar observerats i de lägre skikten och läckage ansikte kan korrelerar med sekundär mineral ackumulering som föreslagits av det höga värdet biomassa (Z = 3, Y = 8) som motsvarar förhöjd skrymdensitet och Mn-koncentrationen. Dettamönster tyder på potentiell utfällning av sekundära mineral (t.ex. järnhydroxider) av autotrofa mikroorganismer. Framtida profilering av mikrobiell mångfald kommer att ytterligare belysa de observerade förhållanden. I själva verket rapporterar litteraturen begränsad mikrobiell tillväxt på oligotrof tephra basaltisk media med väder-inducerad reducerade substrat i egenskap av metabola och tillväxt ingångar för mikrober 22. Höga elementära reaktioner som observerats i de mellersta lagren av mid-backen regionen kan också återspegla bildningen av redox gränsen i denna region.
Figur 11. Tvådimensionella isopleth heatmaps. (A) Skrymdensitet Bulk. Densitetsvärden erhölls genom att överföra prover till aluminium vägningsskålar och ugnstorkning dem för 48 h vid 105 ° C. Celler kvar i tomma representerar voxlar där provsamling var inte possible beroende på närvaron av sensorer och brist på utrymme för att rymma skrymdensitet kärnor. (B) DNA-koncentration. För mikrobiologiska kärnor, var 2 g jord delsamplas att extrahera mikrobiell DNA som är representativt för varje voxel. (C) Elementar Fe och (D ) Elementar Mn. för elementaranalys av Fe och Mn, en pXRF data för totalt 81 prover mättes i triplikat. Genomsnitt av varje element i varje voxel beräknades och plottas. Klicka här för att ladda ner filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Landskap utveckling är den kumulativa effekten av hydrologiska, geokemiska och biologiska processer 12. Dessa processer kontrollera flödet och transport av vatten och element, och biogeokemiska reaktioner utvecklas landskap. Men fånga samspelet samtidigt kräver exakt samordnad experimentell design och provtagning. Dessutom studerar begynnande landskapsutvecklingen är svårt i naturliga system, med begränsade möjligheter att identifiera "tiden noll" förhållanden. Litteratur rapporterar en destruktiv lysimeter studie som genomfördes för att mäta växtrötter densitet 23 medan fältbaserade strategier för bevattning och utgrävning rapporteras av Graham et al. 24 och Anderson et al. 25 Ingen av studierna bildat en metod för att studera hydrologiska -geochemical-mikrobiologisk heterogenitet en simulerad landskap. En viktig del av vår studie var att se till att en skala was definierats för experiment och provtagningsmetoder som valts för att säkerställa att heterogenitet den valda skala fångades effektivt. Frågan om skalan är särskilt viktigt när man studerar jordsystemprocesser och har noterats av forskare inom respektive områden hydrologi 26, geokemi 27, och mikrobiologi 28. Den metod som beskrivs i denna studie syftar till att studera en rad hydro geochem-mikrobiologiska processer som är relevanta för våra forskningsfrågor, medan samtidigt ger flexibilitet att ändra protokollet enligt enskilda forskningsfrågor.
Våra preliminära representativa resultat tyder på att en homogen startmiljö kommer att utveckla heterogena egenskaper. Skrymdensitet resultat indikerar närvaron av en region med högre värden på de djupare skikten nära till läckage ansikte, vilket kan tyda på ett resultat av ackumulering av fina partiklar på grund av de flödesprocesser inom than lysimeter liksom en packning som orsakas av överliggande vikten av den vätta jord. Dessa två hypoteser kan belysas med utredningen av ytterligare parametrar. Till exempel, genom att utföra partikelstorleksanalys av voxlar, är det möjligt att erhålla de verkliga proportionerna av finare kontra grövre partiklar. De preliminära totala Fe och Mn koncentrationer indikerar förekomsten av elementärt upplösning och återutfällning som en följd av att använda olika bevattningscykler till lysimeter innan utgrävningen. Sådana resultat kan förklaras på två sätt: (1) vatten translokerar lera-och finare stora partiklar, anrikade på Fe och Mn, ned sluttningen där de kan ackumuleras i den nedre backen 29 (detta förutsätter att fysisk rörelse är viktigare än kemisk reaktioner); (2) vatten löser fina partiklar och lösliga spårjoner, såsom Fe och Mn, falla ut vid lägre lutning (detta scenario förutsätter kemiska reaktioner är de huvudsakliga drivkrafterna). I syfte att c onfirm mekanismerna för elementärt labilitet, behövs mer bevis. mätningar DNA-koncentrationen bekräfta en ojämn fördelning av mikrobiellt liv i lysimeter. Trots den låga närings tillståndet hos basalt hillslope, indikerar förmågan att detektera närvaron av mikrobiellt liv mikrobiell kolonisering enligt oligotrofa förhållanden är möjlig. Detta resultat överensstämmer med rapporter om basalt värd mikrobiella samhällen och samtidigt biologiskt medierad vittring i olika miljöer som vulkanisk jord 30, havsbotten 31, och tropiska vattendelare 32 .Further analys av den mikrobiella mångfalden som finns i varje voxel behövs för att ta itu med hypoteser om de potentiella bidrag mikrober till vittringsprocesser. Efter fullständig analys av våra prover och resultat, kommer vi att kunna tolka de hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska interaktioner som förekommer under begynnande landskapsutveckling.
ntent "> Den metod som presenteras i denna artikel är mer ett förslag steg snarare än en stel system för att gräva en jord lysimeter att utforska hydrologiska och biogeokemiska interaktioner. Vissa steg kan vara mer eller mindre relevanta beroende på målen för studien. Det är också viktigt att betona den tid som behövs för att utföra en sådan utgrävning. Vår utgrävning krävs ett team av 3 personer hela tiden med ett eventuellt tillägg av 1 eller 2 andra personer under några dagars arbete. utgrävningen varade i 10 dagar, med daglig arbets timmar varierar mellan 8 till 10 timmar. Därför noggrant välja de avsedda steg är mycket viktigt när tidspress skall beaktas. Dessutom kan vissa steg som anges i protokollet är kritiska till framgång för utgrävning och forsknings frågor ställs. under färgämnet ansökan särskild försiktighet måste vidtas för att säkerställa att de områden som har märkts att förbli ofärgade täcks ordentligt för att förhindra att färgämnet från leaking in de ofärgade regioner. En god uppskattning av voxelstorleken är också avgörande för framgången för detta experiment. Den voxelstorleken bestämmer omfattningen av provsamling: större antal voxlar innebär finare provupplösning på bekostnad av ökad tid vid noggrant gräva varje voxel i motsats till mindre antal voxlar och grövre prov upplösning. Förhindra korskontaminering av prover med handhållna mursleven och plast kitt knivar är också viktigt, både för mikrobiologisk och geokemiska insamling och analysprov.Ett antal ändringar i protokollet kan genomföras, baserat på forskningsfrågor. Först, med hänvisning till frågan om skala, kan man välja att utveckla en provtagningsstrategi som är finare än det protokoll som beskrivs här eller välja en grövre skala; men skalan som valts för detta experiment bekräftar att vi har fångat väsentliga fysikaliska, kemiska och biologiska heterogeniteterna i hillslope. dessa choices måste göras utifrån forsknings frågor ställs, omfattningen av hillslope eller lysimeter som kan byggas, och logistiken för att genomföra analyser. För det andra, kan många sådana mini-lysimetrarna inrättas för att studera mark utvecklingsprocesser. Till exempel kan forskarna vill titta på vittring av olika jordmaterial när de utsätts för en varierad nederbörd regim, eller utveckling av markprofilen på hillslopes som har samma grundmaterial men behandlas olika när det gäller lutning, nederbörd, temperatur, etc. dessutom, varaktigheten av studien kan också ändras baserat på forskningsfrågor och forskare kanske vill konstruera identiska lysimetrarna följt av destruktiv utgrävning av varje lysimeter tidsmässigt.
Tredje, vegetation kan införas för att studera effekten av växttillväxt på hydrologisk flödesvägen, geokemisk vittring, och mikrobiella utveckling.
Dessutom reforskare som vill studera befintliga processer och funktioner i ett landskap, istället för att fokusera på utvecklingsstadier, kan tillämpa vår metod för markmonoliter i en naturlig miljö. Traditionella markmonteringsförfaranden kan följas för att erhålla en mark monolit, följt av uppdelning av monoliten i klart definierade områden av intresse. Detta tillvägagångssätt kan övervinna de begränsningar som är förknippade med att utföra intensivt förstörande provtagning av lysimetrarna inom området. Sektionerna som väljs kan sedan grävas på ett liknande sätt för att observera hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska egenskaperna specifika för monoliten.
En begränsning med denna metod är att få alla provuppsättningar från voxlar som ligger nära sensorer. Pre-inbäddade sensorer i vissa områden av hillslope förhindrade uppsamling av hydrologiska prover. Dessutom, för att hindra den påverkan av preferensflödesvägar på grund av närvaron av sensorer, några prover från dessa platserkasserades. Dessutom var utgrävningen utförs i två faser under en period av tio dagar, med ett mellanrum på tre dagar mellan faserna. Medan omsorg togs för att täcka den exponerade ytan mellan utgrävnings faserna, kan det exponerade skiktet potentiellt uppvisar förändrad mikrobiell aktivitet på grund av förändrade ångtryck och oxidationsbetingelser. En utgrävning av denna längd är sålunda tidskrävande, vilket i sin tur får införa ytterligare tidskänsliga variation.
Fånga landskap heterogenitet som påverkas av hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska processer är en utmaning. Den synergistiska effekten av dessa processer på varandra föreningar komplexiteten. En utgrävning av en simulerad landskap presenteras i denna skala och intensitet är ny. Förmågan att samordna insamling av hydrologiska, geokemiska och mikrobiologiska prover utan att äventyra integriteten hos antingen prov presenterar en utmärkt metod för att genomföra tvärvetenskapliga studies av jordsystemprocesser. De tekniker som beskrivs är enkla, repeterbara, och flexibel för att rymma flera frågeställningar, varigenom genomförandet av alternativa experimentell design. Framtida utfall av denna metod kan innefatta potentiellt utveckla teoretiska ramar och modeller av landskapsutveckling för att svara på komplicerade frågor om jordsystemdynamik.
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).
