חפירה באדמה Lysimeter עבור ההידרולוגי מצמידים, גיאוכימיות, וחקירות מיקרוביולוגיות

דינמיקת קרקע ונוף מעוצבת על ידי האינטראקציה המורכבת של פיסיקלי, כימי ותהליכים ביולוגיים ^1. זרימת מים, בלית גיאוכימיים, ופעילות ביולוגית לעצב את הפיתוח הכולל של הנוף לתוך המערכת אקולוגית יציבה ^2,3. למרות שינויים פני שטח הם המאפיינים הבולטים ביותר של נוף ^4, השפעות מצטברות הבנה, גיאוכימיים הידרולוגיים, ותהליכי מיקרוביולוגים באזור מתחת לפני הקרקע הוא קריטי להבנת הכוחות הבסיסיים המעצבים נוף ^2. תרחישי הפרעות אקלימים עתידיים נוספים לבלבל יכולת ניבוי המסלול של התפתחות נוף ^5. בכך הוא הופך לאתגר לקשר תהליכים בקנה מידה קטנה כדי הביטוי בקנה המידה הגדולה שלהם על נוף המידה ^6. ניסויי מעבדה קצר טווח מסורתי או ניסויים באזורי טבע עם תנאי התחלה ידועים-משתנה זמן מכריחים להספיק בלכידת הההטרוגניות דואר פנימיות של אבולוצית נוף. כמו כן, בשל צימוד קוי חזק, קשה לחזות שינויי biogeochemical מדוגמנות הידרולוגית במערכות הטרוגניות ^7. כאן אנו מתארים שיטה ניסיונית רומן לחפור בשליטה מלאה ומבוקרת hillslope אדמה עם תנאי התחלה ידועים. הליך החפירה ודגימה שלנו נועד ללכוד את ההטרוגניות בפיתוח של hillslope לאורכו ועומקו, במטרה לספק בסיס נתונים מקיפים לחקור אינטראקציות הדרו-ביו-גיאוכימיים והשפיעו על תהליכי היווצרות קרקע.

מערכות הידרולוגיות נמצאות בטבע רחוק מלהיות סטטי בזמן, עם שינויים בתגובות הידרולוגיות המתרחשות על פני טווח רחב של סולמות במרחב ובזמן ^3. המבנה המרחבי של מסלולי זרימה לאורך נופים מקובע את הקצב, במידה והפצה של תגובות גיאוכימיים והתנחלות ביולוגית שמניעותבליה, התחבורה ממטרים של מומסים ומשקעים, לבין התפתחות נוספת של מבנה הקרקע. לפיכך, משלב ידע שמגיע פדולוגיה, גיאופיסיקה, ואקולוגיה לתוך תאוריות עיצובים ניסיוניים להעריך תהליכים הידרולוגיים ולשפר תחזיות הידרולוגיות הוצע ^8,9. אבולוצית נוף מושפעת גם מתהליכי biogeochemical מתחת לפני קרקע בשילוב עם דינמיקת מים, גירת יסודות במהלך פיתוח קרקע, ועל ידי טרנספורמציות מינרלוגיות שחוללו תגובה של משטחים מינרליים עם אוויר, מים, ומיקרואורגניזמים ^10. כתוצאה מכך, חשוב ללמוד פיתוח של נקודות חמות גיאוכימיים בתוך נוף מתפתח. בנוסף, חשוב להתייחס דפוסי בליה גיאוכימיים להליך הידרולוגי וחתימות מיקרוביולוגית במהלך היווצרות קרקע מתחלה כדי להבין את הדינמיקה של התפתחות נוף מורכבת. התהליכים הספציפיים של בראשית אדמה נשלטיםעל ידי השפעתו של אקלים בשילוב, תשומות ביולוגיות, הקלה וזמן על חומר הורה ספציפי. ניסוי זה נועד לטפל heterogeneities ב הבליה של חומר ההורה נשלטת על ידי וריאציות הידרולוגיות גיאוכימיים קשורות קל (כולל מדרון ועומק) ואת ההשתנות הקשורים בפעילות חיידקים כי הוא מונע על ידי מילויי סביבה (כלומר, חיזור פוטנציאל) בתנאים בם חומר, האקלים וזמן הורה נשארים קבועים. עם כל כבוד לפעילות חיידקים, מיקרואורגניזמים באדמה הם מרכיבים קריטיים ויש להם השפעה מכרעת על יציבות נוף ^11. הם משחקים תפקיד מכריע מבנה קרקע, רכיבה על אופני biogeochemical של חומרים מזינים, גידול צמחים. לכן, יש צורך להבין את המשמעות של אורגניזמים אלה כנהגים של בליה, אדמה בראשית, ותהליכי היווצרות הנוף, תוך זיהוי בעת ובעונה אחת את השפעות הגומלין של נתיבי הזרימה הידרולוגיים ואנחנו גיאוכימייםathering על מבנה ומגוון קהילת חיידקים. זו יכולה להיות מושגת על ידי לימוד הטרוגניות מרחבית של גיוון קהילת חיידקים על פני נוף מתפתח שתכונותיהם הידרולוגיות גיאוכימיים נבדקים גם במקביל.

כאן, אנו מציגים הליך החפירה של lysimeter אדמה, בשם מבצעית miniLEO, שנועד לחקות מודלים אגן אפס מסדר בקנה מידה גדול של המצפה אבולוציה לנדשפט (LEO) שוכנו בבית ביוספרית 2 (אוניברסיטת אריזונה). MiniLEO פותח כדי לזהות דפוסי התפתחות נוף בקנה מידה קטנה כתוצאה מתהליכים הדרו-ביו-גיאוכימיים הטרוגנית מצטברים. זהו lysimeter 2-מ 'אורך, 0.5 מ' רוחב, ו 1-מ 'גובה, ושיפוע של 10 מעלות (איור 1). בנוסף, הקירות של lysimeter מבודדים ומצופים מתכלות שני חלקים פריימר אפוקסי מעיל urethane אליפטיות מולא המצרפי כדי למנוע זיהום פוטנציאלי או שטיפתמתכות ממסגרת lysimeter לתוך האדמה. Lysimeter התמלא רוק בזלת כתוש כי היה שחולצו מן פיקדון של טפרה הפלייסטוקן מאוחר הקשורים Merriam מכתש בצפון אריזונה. חומר הבזלת הטעון היה זהה החומר המשמש בניסויי LEO הרבה יותר הגדולים. רכב המינרלים, התפלגות גודל חלקיקים, והמאפיינים הידראוליים מתוארים על ידי Pangle et al. ^12. פן החלחול במדרון דופנה מסך פלסטיק מחורר (נקבובי בקוטר 0.002 מ ', 14% נקבוביים). המערכת מצוידת בחיישנים כגון חיישנים תכולים מים וטמפרטורה, שני סוגים של חיישני פוטנציאל מים, סמפלרים אדמה-מים, איזון משקל הידראולי, בדיקות מוליכות חשמליות, ואת התמר לחץ כדי לקבוע את הגובה מפלס מי תהום. Lysimeter הושק במשך 18 חודשים טרם החפירה.

החפירה הייתה מוקפדת בגישתה מן המעלה הראשונה ונועדה לענות על שתי שאלות עיקריות: (1) מה הידרולוגי, גיאוכימיים, וחתימות חיידקים ניתן לראות על פני האורך והעומק של המדרון ביחס לתנאי גשמים מדומים (2) אם יחסים פידבקים בין תהליכים הדרו-ביו-גיאוכימיים המתרחשים על hillslope ניתן להסיק חתימות הפרט. במקביל להליך ההתקנה וחפירה הניסיוניות, אנו מציגים נתונים והצעות נציג כיצד ליישם פרוטוקולי חפירה דומים לחוקרים המעוניינים ללמוד יחד דינמיקת הארץ-מערכה ו / או תהליכי פיתוח קרקע.