Sol Lysimètre Excavation pour Coupled hydrologiques, géochimiques et microbiologiques Enquêtes

La dynamique des sols et des paysages sont façonnés par l'interaction complexe des propriétés physiques, chimiques et biologiques ^1. Le débit d'eau, l' altération géochimique, et l' activité biologique façonnent le développement global du paysage dans un écosystème stable ^2,3. Bien que les changements de surface sont les caractéristiques les plus remarquables du paysage ^4, les effets cumulatifs de la compréhension hydrologique, géochimiques, et les processus microbiologiques dans la région du sous – sol est cruciale pour comprendre les forces sous – jacentes qui façonnent un paysage ^2. Les futurs scénarios de perturbation climatique confondent encore la prévisibilité et la structure du paysage évolution ^5. Il devient donc un défi de relier les processus à petite échelle pour leur manifestation à grande échelle sur l'échelle du paysage ^6. expériences traditionnelles de laboratoire à court terme ou des expériences dans des paysages naturels avec des conditions initiales inconnues et variable dans le temps de forçage chute courte dans la capture ee hétérogénéité intrinsèque de l'évolution du paysage. En outre, en raison de fort couplage non linéaire, il est difficile de prédire les changements biogéochimiques de la modélisation hydrologique dans les systèmes hétérogènes ^7. Ici, nous décrivons une méthode expérimentale nouvelle pour creuser un versant du sol entièrement contrôlé et surveillé avec des conditions initiales connues. Notre excavation et l'échantillonnage procédure vise à capturer l'hétérogénéité de développement de l'hillslope le long de sa longueur et de la profondeur, dans le but de fournir un ensemble complet de données pour étudier les interactions hydro-bio-géochimiques et leur impact sur les processus de formation des sols.

Systèmes hydrologiques trouvés dans la nature sont loin d'être statique dans le temps, avec des changements dans les réponses hydrologiques qui ont lieu sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles ^3. La structure spatiale des voies d'écoulement le long de paysages détermine le taux, l'étendue et la distribution des réactions géochimiques et la colonisation biologique qui conduisentaux intempéries, le transport et la précipitation des solutés et des sédiments, et le développement de la structure du sol. Ainsi, l' intégration des connaissances de la pédologie, de la géophysique et de l' écologie dans les théories et les modèles expérimentaux pour évaluer les processus hydrologiques et améliorer les prévisions hydrologiques a été suggéré ^8,9. Évolution du paysage est également impactée par sous – sol les processus biogéochimiques en conjonction avec la dynamique de l' eau, la migration élémentaire au cours du développement du sol, et par des transformations minéralogiques provoquées par la réaction de surfaces minérales avec l' air, l' eau, et des micro – organismes ^10. Par conséquent, il est important d'étudier le développement des hotspots géochimiques dans un paysage en constante évolution. En outre, il est essentiel de relier les modèles d'altération géochimique au processus hydrologiques et les signatures microbiologiques pendant la formation du sol naissante afin de comprendre la dynamique du développement du paysage complexe. Les processus spécifiques de la genèse des sols sont régiespar l'influence combinée du climat, des intrants biologiques, de secours et de temps sur un matériau parent spécifique. Cette expérience a été conçue pour répondre à des hétérogénéités dans l'altération du matériau parental régi par des variations hydrologiques et géochimiques associés à relief (y compris la pente et la profondeur) et la variabilité associée à l' activité microbienne qui est entraînée par des gradients environnementaux ( par exemple, le potentiel de redox) dans des conditions où matériau parent, le climat et le temps sont maintenus constants. En ce qui concerne l' activité microbienne, les microorganismes du sol sont des composants critiques et avoir un impact profond sur la stabilité du paysage ^11. Ils jouent un rôle crucial dans la structure du sol, les cycles biogéochimiques des éléments nutritifs, et la croissance des plantes. Par conséquent, il est nécessaire de comprendre la signification de ces organismes en tant que moteurs de l'altération, la genèse des sols, et les processus de formation du paysage, tout en identifiant simultanément les effets réciproques des trajets d'écoulement hydrologiques et géochimiques nousathering sur la structure de la communauté microbienne et de la diversité. Ceci peut être réalisé par l'étude de l'hétérogénéité spatiale de la diversité de la communauté microbienne sur un paysage en évolution dont hydrologique et caractéristiques géochimiques sont également étudiés en parallèle.

Ici, nous présentons une procédure d'excavation d'un lysimètre du sol, du nom opérationnel miniLEO, conçu pour imiter les grands modèles de bassins d'ordre zéro de l'Observatoire Evolution du paysage (LEO) logé au Biosphere 2 (Université d'Arizona). Le miniLEO a été développé pour identifier les modèles d'évolution du paysage à petite échelle résultant des processus hydro-bio-géochimiques hétérogènes cumulatifs. Il est un lysimètre de 2 m de longueur, 0,5 m de largeur et 1 m en hauteur et inclinaison de 10 ° (figure 1). En outre, les parois de lysimètre sont isolés et revêtus avec des non-biodégradable en deux parties primaire époxy et une couche d'uréthane aliphatique agrégat rempli afin d'éviter la contamination ou la lixiviation potentiellede métaux à partir du cadre de lysimètre dans le sol. Le lysimètre a été rempli avec pilée roche basaltique qui a été extrait d'un gisement de fin tephra Pléistocène associée à Merriam Crater dans le nord de l'Arizona. Le matériau de basalte chargé était identique à celle du matériau utilisé dans les expériences beaucoup plus importantes en orbite basse. La composition minérale, la distribution de la taille des particules et des propriétés hydrauliques sont décrits par Pangle et al. ^12. Le visage d'infiltration downslope a été doublée d'un tamis perforé en plastique (pores 0,002 m de diamètre, 14% de porosité). Le système est équipé de capteurs tels que la teneur en eau et des capteurs de température, deux types de capteurs potentiels de l'eau, des échantillonneurs sol-eau, l'équilibre de poids hydraulique, sondes de conductivité électrique, et des transducteurs de pression pour déterminer l'eau hauteur de la table. Le lysimètre a été irriguée pendant 18 mois avant l'excavation.

La fouille était méticuleux dans son approche et avait pour but de répondre à deux grandes questions: (1) ce qui hydrologique, géochimiques et signatures microbiennes peut être observé à travers la longueur et la profondeur de la pente par rapport à des conditions de précipitations simulées et (2) si les relations et rétroactions entre les processus hydro-bio-géochimiques survenant sur le versant peuvent être déduites les signatures individuelles. Parallèlement à la mise en place expérimentale et procédure d'excavation, nous présentons des données et suggestions représentatives sur la façon d'appliquer les protocoles de fouilles similaires pour les chercheurs intéressés à étudier la dynamique terre-système couplé et / ou les processus de développement du sol.