Monólito escavação para Coupled Hidrológicos, geoquímicos e microbiológicos Investigações

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.