Lisímetro suelo de excavación para acoplados hidrológicos, geoquímicos, e investigaciones microbiológicas

La dinámica del suelo y del paisaje están determinadas por la interacción compleja de factores físicos, químicos y biológicos ^1. El flujo de agua, la erosión geoquímica, y la actividad biológica dan forma al desarrollo general del paisaje en un ecosistema estable ^2,3. Si bien los cambios de superficie son las características más notables de paisaje ^4, los efectos acumulados de la comprensión hidrológica, geoquímica, y los procesos microbiológicos en la región subsuperficial es crucial para comprender las fuerzas subyacentes que dan forma a un paisaje ^2. Futuros escenarios de perturbación climática confunden aún más la previsibilidad y el patrón de la evolución del paisaje ^5. Por lo tanto, se convierte en un desafío de vincular los procesos a pequeña escala para su manifestación a gran escala en la escala de paisaje ^6. Tradicionales experimentos o experimentos en los paisajes naturales con condiciones iniciales desconocidos y variable en el tiempo obligando están a la altura en la captura de TH laboratorio de corto plazoe heterogeneidad intrínseca de la evolución del paisaje. También, debido a la fuerte acoplamiento no lineal, es difícil predecir los cambios biogeoquímicos de modelización hidrológica en los sistemas heterogéneos ^7. A continuación, describimos un método experimental novedoso para excavar una ladera totalmente controlado y vigilado suelos con condiciones iniciales conocidas. Nuestro procedimiento de excavación y de muestreo está dirigido a la captura de la heterogeneidad en desarrollo de la ladera a lo largo de su longitud y profundidad, con el objetivo de proporcionar un amplio conjunto de datos para investigar las interacciones hidro-bio-geoquímicos y su impacto en los procesos de formación del suelo.

Sistemas hidrológicos que se encuentran en la naturaleza están lejos de ser estática en el tiempo, con cambios en las respuestas hidrológicas que tienen lugar dentro de un amplio rango de escalas espaciales y temporales ^3. La estructura espacial de las vías de flujo a lo largo de paisajes determina la velocidad, extensión y distribución de reacciones geoquímicas y colonización biológica que impulsanla intemperie, el transporte y la precipitación de solutos y sedimentos, y el desarrollo posterior de la estructura del suelo. Por lo tanto, la incorporación de conocimiento a partir de la edafología, la geofísica y la ecología en las teorías y diseños experimentales para evaluar los procesos hidrológicos y mejorar las predicciones hidrológicas se ha sugerido ^8,9. Evolución del paisaje también se ve afectada por los procesos biogeoquímicos del subsuelo, en relación con la dinámica del agua, migración elemental durante el desarrollo del suelo, y por las transformaciones mineralógicas provocados por la reacción de las superficies minerales con el aire, el agua y los microorganismos ^10. En consecuencia, es importante para estudiar el desarrollo de puntos de acceso geoquímicas dentro de un paisaje en constante evolución. Además, es fundamental para relacionar patrones de erosión geoquímicas a procesos hidrológicos y las firmas microbiológicos durante la formación del suelo incipiente con el fin de comprender la dinámica del desarrollo del paisaje complejo. Los procesos específicos de la génesis del suelo se rigenpor la influencia combinada del clima, insumos biológicos, el alivio y la hora en un material de matriz específica. Este experimento fue diseñado para hacer frente a las heterogeneidades en la erosión de material de matriz regulada por las variaciones hidrológicas y geoquímicas asociados con la asistencia (incluyendo la pendiente y profundidad) y la variabilidad asociada a la actividad microbiana que es impulsada por gradientes ambientales (es decir, el potencial redox) en condiciones en las material parental, el clima y el tiempo se mantienen constantes. Con respecto a la actividad microbiana, los microorganismos del suelo son componentes críticos y tener un profundo impacto en la estabilidad del paisaje ^11. Ellos juegan un papel crucial en la estructura del suelo, los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes, y el crecimiento de las plantas. Por lo tanto, es necesario entender la importancia de estos organismos como impulsores de la intemperie, la génesis del suelo, y los procesos de formación del paisaje, mientras que simultáneamente identificar los efectos recíprocos de las trayectorias de flujo hidrológicos y geoquímicos queathering en la estructura de la comunidad microbiana y la diversidad. Esto se puede lograr mediante el estudio de la heterogeneidad espacial de la diversidad de la comunidad microbiana sobre un paisaje cuya evolución hidrológica y las características geoquímicas también están siendo estudiados en paralelo.

A continuación, presentamos un procedimiento de excavación de un lisímetro suelo, operacionalmente llamado miniLEO, diseñado para imitar los modelos a gran escala de las cuencas de orden cero del Observatorio de la evolución del paisaje (LEO) alojado en la Biosfera 2 (Universidad de Arizona). El miniLEO fue desarrollado para identificar los patrones de evolución del paisaje a pequeña escala que surgen de los procesos hidro-bio-geoquímicos heterogéneos acumulativos. Es un lisímetro 2-m de longitud, 0,5 m de ancho y 1 m de altura, y la pendiente de 10 ° (figura 1). Además, las paredes del lisímetro están aisladas y recubiertas con no biodegradable imprimación epoxi de dos componentes y un recubrimiento de uretano alifático de relleno con agregado para evitar la contaminación potencial o lixiviaciónde metales del marco lisímetro en el suelo. El lisímetro se llenó de roca de basalto triturado que se extrae de un depósito de tefra finales del Pleistoceno asociado con Merriam Cráter en el norte de Arizona. El material de basalto cargado era idéntica a la del material utilizado en los experimentos LEO mucho más grandes. La composición mineral, la distribución del tamaño de partícula y propiedades hidráulicas son descritos por Pangle et al. ^12. La cara de la filtración pendiente abajo se alinea con una pantalla perforada de plástico (poros de 0,002 m de diámetro, 14% de porosidad). El sistema está equipado con sensores tales como el contenido de agua y de temperatura, sensores de dos tipos de sensores posibles de agua, muestreadores de suelo-agua, el equilibrio de peso hidráulica, sondas de conductividad eléctrica, y transductores de presión para determinar la altura de la capa freática. El lisímetro se regó durante 18 meses antes de la excavación.

La excavación fue meticuloso en su enfoque y estaba dirigido a responder a dos preguntas generales: (1) lo hidrológica, geoquímica, y las firmas microbianas se puede observar a través de la longitud y profundidad de la pendiente con respecto a las condiciones de lluvia simulada y (2) si las relaciones y retroalimentaciones entre los procesos hidro-bio-geoquímicos que ocurren en la ladera se pueden deducir de las firmas individuales. Junto a la configuración experimental y el procedimiento de excavación, se presentan datos representativos y sugerencias sobre cómo aplicar los protocolos de excavación similares para los investigadores interesados ​​en el estudio de la dinámica del sistema Tierra acoplados y / o procesos de desarrollo del suelo.