Boden Lysimeter Ausgrabung Gekoppelte hydrologische, geochemische und mikrobiologische Untersuchungen

Boden- und Landschaftsdynamik werden durch das komplexe Zusammenspiel von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen ¹ geformt. Wasserdurchfluss, geochemische Verwitterung und die biologische Aktivität prägen die gesamte Entwicklung der Landschaft in ein stabiles Ökosystem ^2,3. Während Oberfläche ändert sich die auffälligsten Merkmale der Landschaft ^4, Verständnis kumulativen Auswirkungen von hydrologische, geochemische und mikrobiologische Prozesse in der unterirdischen Region ist entscheidend , um die zugrunde liegenden Kräfte zu verstehen , die eine Landschaft ² zu formen. Zukünftige Klima Störungsszenarien durcheinander bringen weiter die Vorhersagbarkeit und das Muster der Landschaftsentwicklung ^5. Es wird somit eine Herausforderung kleinräumige Prozesse zu ihrer großen Manifestation auf der Landschaft-Skala ⁶ zu verbinden. Traditionelle Kurzlauf Laborexperimente oder Experimente in Naturlandschaften mit unbekannten Anfangsbedingungen und zeitvariablen Fall zwingt kurz bei der Erfassung von the intrinsische Heterogenität der Landschaftsentwicklung. Auch aufgrund der starken nicht – lineare Kopplung ist es schwierig , biogeochemischen Veränderungen von hydrologische Modellierung in heterogenen Systemen zur Vorhersage ^7. Hier beschreiben wir eine neue experimentelle Methode, um eine vollständig gesteuert und überwacht Boden Hang mit bekannten Anfangsbedingungen auszuheben. Unsere Ausgrabung und Probenahmeverfahren ist bei der Erfassung der Entwicklung Heterogenität der Hang entlang seiner Länge und Tiefe ausgerichtet, mit dem Ziel, eine umfassende Daten-Set der Bereitstellung von hydro biogeochemischen Wechselwirkungen und deren Auswirkungen auf die Bodenbildungsprozesse zu untersuchen.

Hydrologischen Systeme in der Natur zu finden sind keineswegs statisch in der Zeit zu sein, mit den Veränderungen in hydrologischen Antworten über einen weiten Bereich von räumlichen und zeitlichen Skalen ³ nehmen. Die räumliche Struktur von Strömungswegen entlang Landschaften bestimmt die Geschwindigkeit, das Ausmaß und die Verteilung von geochemischen Reaktionen und biologische Besiedlung, die fahrender Transport und die Ausfällung von gelösten Stoffen und Sedimenten und die Weiterentwicklung der Bodenstruktur Bewitterung. Somit beinhaltet Wissen aus pedology, Geophysik und Ökologie in Theorien und experimentellen Designs zu hydrologischen Prozesse zu bewerten und hydrologischen Vorhersagen zu verbessern wurde ^8,9 vorgeschlagen. Landschaftsentwicklung wird auch durch unterirdische biogeochemische Prozesse in Verbindung mit Wasserdynamik, elementar Migration während der Bodenentwicklung und von minera Transformationen , die durch Reaktion von mineralischen Oberflächen mit Luft, Wasser und Mikroorganismen ¹⁰ beeinflusst. Folglich ist es wichtig, die Entwicklung von geochemischen Hotspots innerhalb einer sich entwickelnden Landschaft zu studieren. Darüber hinaus ist es wichtig, geochemische Verwitterungsmuster hydrologischen Verfahren und mikrobiologische Signaturen bei beginnender Bodenbildung zu beziehen, um die Dynamik von komplexen Landschaftsentwicklung zu verstehen. Die spezifischen Prozesse der Bodengenese regiert werdendurch den kombinierten Einfluss von Klima, biologische Eingänge, Erleichterung und Zeit auf einem bestimmten Ausgangsmaterial. Dieses Experiment wurde entworfen von hydrologischen und geochemischen Variationen erleichtert assoziiert geregelt Heterogenitäten in der Verwitterung von Ausgangsmaterial zur Adresse (einschließlich Steigung und Tiefe) und der damit verbundenen Schwankungen der mikrobiellen Aktivität , die durch Umwelt Gradienten (dh Redoxpotential) unter Bedingungen betrieben wird , in dem Ausgangsmaterial, das Klima und die Zeit konstant gehalten werden. Im Hinblick auf die mikrobielle Aktivität, sind Bodenmikroorganismen kritischen Komponenten und haben einen großen Einfluss auf die Landschaft Stabilität ^11. Sie spielen eine entscheidende Rolle in der Bodenstruktur, biogeochemischen Kreislauf von Nährstoffen und Pflanzenwachstum. Daher ist es notwendig, die Bedeutung dieser Organismen als Treiber der Verwitterung, Bodengenese und Landschaftsbildungsprozesse zu verstehen, während gleichzeitig die Wechselwirkungen von hydrologischen Fließwege und geochemische wir identifizierenathering auf die mikrobielle Gemeinschaft Struktur und Vielfalt. Dies kann durch das Studium der räumlichen Heterogenität der mikrobiellen Gemeinschaft Vielfalt über eine sich entwickelnde Landschaft, deren hydrologischen und geochemischen Eigenschaften erreicht werden, auch parallel untersucht.

Hier präsentieren wir eine Ausgrabung Verfahren eines Bodens Lysimeter, operativ namens miniLEO, entworfen, um die groß angelegte nullter Ordnung Becken Modelle der Landschaftsentwicklung Observatory (LEO) in Biosphäre 2 (University of Arizona) untergebracht zu imitieren. Die miniLEO wurde entwickelt, kleine Landschaftsentwicklung Muster zu identifizieren, von kumulativen heterogenen Hydro biogeochemischen Prozesse entstehen. Es ist ein lysimeter 2-m in der Länge, 0,5 m Breite und 1 m in der Höhe und Neigung von 10 ° (Figur 1). Darüber hinaus werden die Wände der Lysimeter isoliert und mit biologisch nicht abbaubaren zweiteiligen Epoxy-Primer und einem Aggregat gefüllt aliphatischen Urethan-Mantel zu vermeiden mögliche Kontamination oder Auswaschung beschichtetvon Metallen aus der lysimeter Rahmen in den Boden. Die Lysimeter wurde mit zerstoßenem Basaltgestein gefüllt, die aus einer Anzahlung in Höhe von spätpleistozäne tephra im Zusammenhang mit Merriam-Krater im Norden von Arizona extrahiert wurde. Das beladene Basaltmaterial war identisch mit dem Material in den viel größeren LEO Experimente verwendet. Die mineralische Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und hydraulischen Eigenschaften werden durch Pangle et al. ¹² beschrieben. Die Abschussversickerungsfläche wurde mit einem perforierten Kunststoff-Bildschirm (0.002 m Durchmesser Poren, 14% Porosität) ausgekleidet. Das System ist mit Sensoren wie Wassergehalt und Temperatursensoren, zwei Arten von Wasserpotentialsensoren, Boden-Wasser-Sampler, hydraulischen Gewichtsausgleich, elektrische Leitfähigkeit Sonden ausgestattet und Drucksensoren Wasser Tischhöhe zu bestimmen. Die Lysimeter wurde für 18 Monate bewässert vor der Ausgrabung.

Die Ausgrabung war peinlich genau in seinem Ansatz und wurde bei der Beantwortung zwei große Fragen gerichtet: (1) Was hydrologische, geochemische und mikrobielle Signaturen können über die Länge und Tiefe der Steigung in Bezug auf simulierten Regen Bedingungen und (2) ob Beziehungen und Feedbacks zwischen hydro-bio-geochemischen Prozessen auftretenden auf dem Hang beobachtet werden kann, von abgeleitet werden die einzelnen Signaturen. Neben dem Versuchsaufbau und Aushubverfahren stellen wir repräsentative Daten und Vorschläge, wie ähnlich Ausgrabung Protokolle für Forscher anwenden Interesse an einem Studium gekoppelt Erde-Systemdynamik und / oder Bodenentwicklungsprozesse.