Terreno lisimetro scavo per accoppiate idrologici, geochimiche e microbiologiche Investigations

Suoli e del paesaggio dinamiche sono modellati dalla complessa interazione di fisici, chimici e processi biologici ^1. Il flusso di acqua, agenti atmosferici geochimica, e l'attività biologica forma lo sviluppo complessivo del paesaggio in un ecosistema stabile ^2,3. Mentre i cambiamenti di superficie sono le caratteristiche più evidenti del paesaggio ^4, effetti cumulativi comprensione di idrologica, geochimica e processi microbiologici nella regione sottosuolo è fondamentale per comprendere le forze sottostanti che formano un paesaggio ^2. I futuri scenari di perturbazione del clima confondono ulteriormente la prevedibilità e il modello di evoluzione del paesaggio ^5. Si diventa così una sfida per collegare i processi su piccola scala per la loro manifestazione su larga scala sul paesaggio scala ^6. esperimenti di laboratorio di breve periodo tradizionali o esperimenti in paesaggi naturali, con condizioni iniziali sconosciute e variabile nel tempo costringendo inferiori a catturare °e l'eterogeneità intrinseca di evoluzione del paesaggio. Inoltre, a causa della forte accoppiamento non lineare, è difficile prevedere i cambiamenti biogeochimici dalla modellazione idrologica in sistemi eterogenei ^7. Qui, descriviamo un metodo sperimentale romanzo per scavare un versante terreno completamente controllato e monitorato con condizioni iniziali note. La nostra procedura di scavo e di campionamento ha lo scopo di catturare l'eterogeneità sviluppo del versante lungo la sua lunghezza e la profondità, con l'obiettivo di fornire un set di dati completo per studiare le interazioni idro-bio-geochimici e il loro impatto sui processi di formazione del suolo.

Sistemi idrologici si trovano in natura sono ben lungi dall'essere statica nel tempo, con i cambiamenti nelle risposte idrologici che si svolgono in un ampio intervallo di scale spaziali e temporali ^3. La struttura spaziale di percorsi di flusso lungo paesaggi determina la velocità, portata e distribuzione di reazioni geochimiche e la colonizzazione biologica che guidanoatmosferici, il trasporto e la precipitazione di soluti e sedimenti, e l'ulteriore sviluppo della struttura del suolo. Così, incorporando la conoscenza da pedologia, la geofisica, e l'ecologia in teorie e progetti sperimentali per valutare i processi idrologici e migliorare le previsioni idrologiche è stato suggerito ^8,9. Evoluzione del paesaggio è anche influenzato da processi biogeochimici del sottosuolo in concomitanza con le dinamiche d'acqua, la migrazione degli elementi durante lo sviluppo del suolo, e da trasformazioni mineralogiche apportati dalla reazione di superfici minerali con l'aria, l'acqua, e microrganismi ^10. Di conseguenza, è importante studiare sviluppo di hotspot geochimica all'interno di un paesaggio in evoluzione. Inoltre, è fondamentale mettere in relazione i modelli atmosferici geochimici al processo idrologico e le firme microbiologici durante la formazione del suolo incipiente al fine di comprendere le dinamiche di sviluppo del paesaggio complesso. I processi specifici della genesi dei suoli sono regolatidall'influenza combinata di clima, ingressi biologiche, di rilievo e il tempo su un materiale di appartenenza specifico. Questo esperimento è stato progettato per affrontare eterogeneità nella atmosferici di materiale madre sia soggetta variazioni idrologiche e geochimici associati a rilievo (tra cui pendenza e profondità) e la variabilità associata in attività microbica che è guidato da gradienti ambientali (ad esempio, potenziale redox) in condizioni in cui materiale parentale, il clima e il tempo sono mantenuti costanti. Per quanto riguarda l'attività microbica, microrganismi del suolo sono componenti critici e avere un profondo impatto sulla stabilità del paesaggio ^11. Essi svolgono un ruolo cruciale nella struttura del terreno, cicli biogeochimici delle sostanze nutritive e la crescita delle piante. Pertanto, è necessario capire il significato di questi organismi come driver di agenti atmosferici, genesi dei suoli, e processi di formazione del paesaggio, individuando allo stesso tempo gli effetti reciproci di idrologici portate percorsi e geochimica noiathering sulla struttura delle comunità microbiche e la diversità. Ciò può essere ottenuto studiando eterogeneità spaziale della diversità comunità microbica su un paesaggio evoluzione cui idrologica e caratteristiche geochimiche vengono anche studiato in parallelo.

Qui, vi presentiamo una procedura di scavo di un lisimetro terreno, operativamente nome miniLEO, progettato per imitare i grandi modelli dei bacini di ordine zero della Evolution Osservatorio del Paesaggio (LEO) ospitato presso Biosphere 2 (University of Arizona). Il miniLEO è stato sviluppato per identificare i piccoli modelli di evoluzione del paesaggio derivanti dai processi cumulativi eterogenei idro-bio-geochimici. Si tratta di un lisimetro 2 m di lunghezza, 0,5 m di larghezza e 1-m di altezza, e la pendenza di 10 ° (figura 1). Inoltre, le pareti del lisimetro sono isolati e rivestiti con non biodegradabili due parti primer epossidico e un aggregato riempito cappotto uretano alifatico per evitare la contaminazione potenziale o lisciviazionedi metalli dal telaio lisimetro nel terreno. Il lisimetro è stato riempito con pietrisco basaltico che è stato estratto da un deposito di tardo Pleistocene tephra associata a Merriam Crater in Arizona del Nord. Il materiale di basalto caricata era identico al materiale utilizzato negli esperimenti LEO molto più grandi. La composizione minerale, granulometria e proprietà idrauliche sono descritte da Pangle et al. ^12. La faccia infiltrazioni discendente è stato rivestito con uno schermo perforato plastica (pori del diametro di 0.002-m, il 14% porosità). Il sistema è dotato di sensori come contenuto d'acqua e sensori di temperatura, due tipi di acqua potenziali sensori, campionatori suolo-acqua, il bilanciamento del peso idraulico, sonde di conducibilità elettrica, e trasduttori di pressione per determinare l'altezza di falda. Il lisimetro è stato irrigato per 18 mesi prima di scavo.

Lo scavo è stata meticolosa nel suo approccio e mirava a rispondere a due domande principali: (1) quello idrologico, geochimica, e le firme microbica può essere osservato in tutta la lunghezza e la profondità della pendenza rispetto alle condizioni di pioggia simulati e (2) se le relazioni e feedback tra processi idro-bio-geochimici che si verificano sul versante possono essere dedotte da le singole firme. Accanto al setup sperimentale e procedura di scavo, presentiamo dati rappresentativi e suggerimenti su come applicare i protocolli di scavo simili per i ricercatori interessati a studiare le dinamiche terra-sistema accoppiato e / o processi di sviluppo del suolo.