التربة مقياس الذوبان الحفر في جانب الهيدرولوجي، الجيوكيميائية، والتحقيقات الميكروبيولوجية
Summary
تقدم هذه الدراسة طريقة الحفر للتحقيق الهيدرولوجية تحت السطحية والجيوكيميائية وعدم التجانس الميكروبيولوجي من مقياس الذوبان التربة. على مقياس الذوبان يحاكي hillslope الاصطناعية التي كانت في البداية تحت حالة متجانسة وتعرضوا إلى ما يقرب من 5000 ملم من المياه على مدى ثماني دورات الري في فترة 18 شهرا.
Abstract
Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.
Introduction
تتشكل التربة والمناظر الطبيعية الديناميكية التي التفاعل المعقد بين الفيزيائية والكيميائية، والعمليات البيولوجية 1. تدفق المياه، التجوية الجيوكيميائية، والنشاط البيولوجي تشكل التنمية الشاملة من المناظر الطبيعية في النظام الإيكولوجي مستقرة 2،3. في حين أن التغييرات السطحية هي أكثر السمات البارزة للمشهد 4، الآثار التراكمية فهم الهيدرولوجية والجيوكيميائية وعمليات علم الأحياء الدقيقة في المنطقة تحت سطح الأرض أمر بالغ الأهمية لفهم القوى الكامنة التي تشكل المشهد 2. المستقبل السيناريوهات اضطراب المناخ مزيد يربك القدرة على التنبؤ ونمط تطور المشهد 5. وبالتالي فإنه يصبح تحديا لربط العمليات على نطاق صغير لمظهر على نطاق واسع على المشهد على نطاق 6. التجارب المعملية على المدى القصير التقليدية أو التجارب في المناظر الطبيعية مع الظروف الأولية غير معروفة والوقت متغير مما اضطر سقوط القصير في التقاط عشره عدم التجانس لا يتجزأ من تطور المناظر الطبيعية. أيضا، نظرا لاقتران غير الخطية قوية، فإنه من الصعب التنبؤ بالتغيرات البيولوجية الكيميائية من النمذجة الهيدرولوجية في الأنظمة غير المتجانسة 7. هنا، نحن تصف المنهج التجريبي الرواية إلى حفر hillslope التربة تسيطر عليها بالكامل ورصدها مع الظروف الأولية المعروفة. ويهدف لدينا إجراء أعمال الحفر وأخذ العينات في الاستيلاء على التجانس النامية في hillslope على طوله وعمقه، وذلك بهدف توفير بيانات شاملة للتحقيق في التفاعلات المائية الحيوية الجيوكيميائية وتأثيرها على عمليات تكوين التربة.
الأنظمة الهيدرولوجية وجدت في الطبيعة هي أبعد ما تكون عن كونها ثابتة في الوقت المناسب، مع تغييرات في ردود الهيدرولوجية التي تجري على نطاق واسع من المقاييس المكانية والزمانية 3. الهيكل المكاني للمسارات تدفق على طول المناظر الطبيعية يحدد معدل ومدى وتوزيع ردود الفعل الجيوكيميائية والاستعمار البيولوجي التي تدفعالتجوية، ونقل وترسيب الأملاح والرواسب، ومزيد من بنية التربة التنمية. وهكذا، ودمج المعرفة من بيدولوجيا والجيوفيزياء، وعلم البيئة في النظريات والنماذج التجريبية لتقييم العمليات الهيدرولوجية وتحسين التنبؤات الهيدرولوجية وقد اقترح 8،9. يتأثر تطور المشهد أيضا العمليات البيولوجية الكيميائية الموجودة تحت سطح الأرض جنبا إلى جنب مع ديناميات المياه، والهجرة عنصري خلال تطوير التربة، والتحولات المعدنية الناجمة عن رد فعل من الأسطح المعدنية مع الهواء والماء، والكائنات الحية الدقيقة 10. وبالتالي، فمن المهم دراسة تطوير المناطق الساخنة الجيوكيميائية داخل المشهد المتطورة. بالإضافة إلى ذلك، فمن الأهمية بمكان أن ترتبط أنماط التجوية الجيوكيميائية لعملية الهيدرولوجية والتوقيعات الميكروبيولوجية خلال تكوين التربة بدايته من أجل فهم ديناميات التنمية المشهد تعقيدا. تخضع عمليات محددة من نشأة التربةمن التأثير المشترك للمناخ، والمدخلات البيولوجية والإغاثة والوقت على المادة الأم محددة. وقد تم تصميم هذه التجربة لمعالجة التغاير في التجوية المادة الأم التي يحكمها تغيرات الهيدرولوجية والجيوكيميائية المرتبطة الإغاثة (بما في ذلك المنحدر والعمق) وتباين يرتبط في النشاط الميكروبي التي يقودها التدرجات البيئية (أي الأكسدة المحتملة) في ظل ظروف حيث تقام المادة الأم والمناخ والوقت ثابت. وفيما يتعلق النشاط الميكروبي، الكائنات المجهرية في التربة من العناصر الهامة ولها تأثير عميق على استقرار المشهد 11. أنها تلعب دورا حاسما في بنية التربة، وركوب الدراجات البيولوجية الكيميائية من المواد الغذائية، ونمو النبات. وبالتالي، فمن الضروري أن نفهم المغزى من هذه الكائنات كسائقين التجوية، نشأة التربة، وعمليات تشكيل المشهد، وفي الوقت نفسه تحديد الآثار المتبادلة للالهيدرولوجية تدفق مسارات ونحن الجيوكيميائيةathering على بنية المجتمع الميكروبي والتنوع. ويمكن تحقيق ذلك من خلال دراسة التباين المكاني لتنوع المجتمع الميكروبي على المشهد تتطور الذي الهيدرولوجية والخصائص الجيوكيميائية وتدرس أيضا في نفس الوقت.
هنا، نقدم إجراء حفريات في مقياس الذوبان التربة، واسمه عمليا miniLEO، مصممة لتقليد واسعة النطاق نماذج حوض صفر بأمر من تطور المرصد المناظر الطبيعية (LEO) يضم في المحيط الحيوي 2 (جامعة أريزونا). تم تطوير miniLEO لتحديد نطاق صغير أنماط تطور المشهد الناجمة عن عمليات غير المتجانسة التراكمية المائية الحيوية الجيوكيميائية. وهو مقياس الذوبان 2 م في الطول، و 0.5 مترا في العرض، و 1 مترا في الطول، والمنحدر من 10 درجة (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك، يتم عزل جدران مقياس الذوبان والمغلفة مع غير القابلة للتحلل من جزئين التمهيدي الايبوكسي ومجموع شغل الأليفاتية معطف يوريتان لتجنب تلوث محتمل أو الرشحالمعادن من الإطار مقياس الذوبان في التربة. وقد شغل مقياس الذوبان مع صخرة البازلت سحق أنها انتزعت من وديعة من أواخر العصر الجليدي تيفرا المرتبطة ميريام كريتر في ولاية اريزونا الشمالية. كانت مادة البازلت تحميل مطابقة للمواد المستخدمة في التجارب LEO أكبر من ذلك بكثير. ووصف التركيب المعدني، وتوزيع حجم الجسيمات، والخصائص الهيدروليكية التي كتبها Pangle وآخرون. 12. وقد اصطف مواجهة تسرب منحدر مع شاشة مثقب البلاستيك (0.002 م المسام قطر، و 14٪ المسامية). تم تجهيز النظام مع أجهزة الاستشعار مثل محتوى الماء ودرجة الحرارة أجهزة الاستشعار، ونوعين من أجهزة الاستشعار المحتملة المياه، عينات التربة والمياه، الهيدروليكية التوازن الوزن، تحقيقات الموصلية الكهربائية، ومحولات الضغط لتحديد ارتفاع منسوب المياه الجوفية. وقد رويت مقياس الذوبان لمدة 18 شهرا قبل الحفر.
كان الحفر الدقيق في نهجها ويهدف إلى الإجابة عن سؤالين واسعة: (1) ما الهيدرولوجية والجيوكيميائية، والتوقيعات الميكروبية يمكن ملاحظتها في طول وعمق المنحدر مع الاحترام لظروف الأمطار محاكاة و (2) ما إذا كانت العلاقات والتغذية المرتدة بين العمليات المائية الحيوية الجيوكيميائية التي تحدث على hillslope يمكن استخلاصه من التوقيعات الفردية. جنبا إلى جنب مع الإعداد التجريبية وإجراء أعمال الحفر، نقدم البيانات والاقتراحات النيابية حول كيفية تطبيق بروتوكولات الحفر مماثلة للباحثين الراغبين في الدراسة إلى جانب ديناميات الأرض نظام و / أو عمليات التنمية التربة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تطور المشهد هو الأثر التراكمي لالهيدرولوجية والجيوكيميائية والعمليات البيولوجية 12. تتحكم هذه العمليات تدفق ونقل الماء والعناصر، وردود الفعل البيولوجية الكيميائية في المناظر الطبيعية المتغيرة. ومع ذلك، واستولت على التفاعل يتطلب وقت واحد تصميم تجريبي منسق بد…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Ty P.A. Ferré, Till Volkman, Edwin Donker, Mauricio Vera for helping us during the excavation, and Triffon J. Tatarin, Manpreet Sahnan and Edward Hunt for their help in sample analysis. This work was carried out at Biosphere 2, University of Arizona and funded by National Science Foundation grant EAR_1344552 and Honors Research Program of Biosphere 2.
Materials
| Measuring tape | Any | Any | Preventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary. |
| Brilliant Blue dye | Waldeck GmBH &Co | B0770 | Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments. |
| Soil Corer | AMS | 56975 | Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used. |
| 75% Ethanol | Any | Any | A Nikon D90 camera and 50mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose. |
| Spray Bottle | Any | Any | Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions. |
| Spatula | Any | Any | Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious. |
| Gloves | Any | Any | Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible. |
| KimWipes | KimTech Science | Any | Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol. |
| Sterile Sample bags | Fisher Scientific | Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ | Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil. |
| Color Card | Any | Any | The original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design. |
| X-ray Fluoresce Spectrophotmeter | XRF, OLYMPUS | DS-2000 Delta XRF | |
| Polypropylene cores | Any | Any | |
| Metal cores | Any | Any | |
| Caps for polypropylene cores | Any | Any | |
| Hammer | Any | Any | |
| Plastic putty knives | Any | Any | |
| Face masks | Any | Any |
References
- Brady, N. C., Weil, R. R. . The nature and properties of soils. , (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., Montgomery, D. R., Bierman, P. R. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. , (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, (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. , (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. , (2016).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , (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., Dane, J. H., Topp, G. C. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. , 201-228 (2002).
- Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J., Dane, J. H., Topp, G. C. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. , 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).
