JoVE Logo

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

تقدم هذه الدراسة طريقة الحفر للتحقيق الهيدرولوجية تحت السطحية والجيوكيميائية وعدم التجانس الميكروبيولوجي من مقياس الذوبان التربة. على مقياس الذوبان يحاكي hillslope الاصطناعية التي كانت في البداية تحت حالة متجانسة وتعرضوا إلى ما يقرب من 5000 ملم من المياه على مدى ثماني دورات الري في فترة 18 شهرا.

Abstract

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

Introduction

تتشكل التربة والمناظر الطبيعية الديناميكية التي التفاعل المعقد بين الفيزيائية والكيميائية، والعمليات البيولوجية 1. تدفق المياه، التجوية الجيوكيميائية، والنشاط البيولوجي تشكل التنمية الشاملة من المناظر الطبيعية في النظام الإيكولوجي مستقرة 2،3. في حين أن التغييرات السطحية هي أكثر السمات البارزة للمشهد الآثار التراكمية فهم الهيدرولوجية والجيوكيميائية وعمليات علم الأحياء الدقيقة في المنطقة تحت سطح الأرض أمر بالغ الأهمية لفهم القوى الكامنة التي تشكل المشهد 2. المستقبل السيناريوهات اضطراب المناخ مزيد يربك القدرة على التنبؤ ونمط تطور المشهد 5. وبالتالي فإنه يصبح تحديا لربط العمليات على نطاق صغير لمظهر على نطاق واسع على المشهد على نطاق 6. التجارب المعملية على المدى القصير التقليدية أو التجارب في المناظر الطبيعية مع الظروف الأولية غير معروفة والوقت متغير مما اضطر سقوط القصير في التقاط عشره عدم التجانس لا يتجزأ من تطور المناظر الطبيعية. أيضا، نظرا لاقتران غير الخطية قوية، فإنه من الصعب التنبؤ بالتغيرات البيولوجية الكيميائية من النمذجة الهيدرولوجية في الأنظمة غير المتجانسة 7. هنا، نحن تصف المنهج التجريبي الرواية إلى حفر hillslope التربة تسيطر عليها بالكامل ورصدها مع الظروف الأولية المعروفة. ويهدف لدينا إجراء أعمال الحفر وأخذ العينات في الاستيلاء على التجانس النامية في hillslope على طوله وعمقه، وذلك بهدف توفير بيانات شاملة للتحقيق في التفاعلات المائية الحيوية الجيوكيميائية وتأثيرها على عمليات تكوين التربة.

الأنظمة الهيدرولوجية وجدت في الطبيعة هي أبعد ما تكون عن كونها ثابتة في الوقت المناسب، مع تغييرات في ردود الهيدرولوجية التي تجري على نطاق واسع من المقاييس المكانية والزمانية 3. الهيكل المكاني للمسارات تدفق على طول المناظر الطبيعية يحدد معدل ومدى وتوزيع ردود الفعل الجيوكيميائية والاستعمار البيولوجي التي تدفعالتجوية، ونقل وترسيب الأملاح والرواسب، ومزيد من بنية التربة التنمية. وهكذا، ودمج المعرفة من بيدولوجيا والجيوفيزياء، وعلم البيئة في النظريات والنماذج التجريبية لتقييم العمليات الهيدرولوجية وتحسين التنبؤات الهيدرولوجية وقد اقترح 8،9. يتأثر تطور المشهد أيضا العمليات البيولوجية الكيميائية الموجودة تحت سطح الأرض جنبا إلى جنب مع ديناميات المياه، والهجرة عنصري خلال تطوير التربة، والتحولات المعدنية الناجمة عن رد فعل من الأسطح المعدنية مع الهواء والماء، والكائنات الحية الدقيقة 10. وبالتالي، فمن المهم دراسة تطوير المناطق الساخنة الجيوكيميائية داخل المشهد المتطورة. بالإضافة إلى ذلك، فمن الأهمية بمكان أن ترتبط أنماط التجوية الجيوكيميائية لعملية الهيدرولوجية والتوقيعات الميكروبيولوجية خلال تكوين التربة بدايته من أجل فهم ديناميات التنمية المشهد تعقيدا. تخضع عمليات محددة من نشأة التربةمن التأثير المشترك للمناخ، والمدخلات البيولوجية والإغاثة والوقت على المادة الأم محددة. وقد تم تصميم هذه التجربة لمعالجة التغاير في التجوية المادة الأم التي يحكمها تغيرات الهيدرولوجية والجيوكيميائية المرتبطة الإغاثة (بما في ذلك المنحدر والعمق) وتباين يرتبط في النشاط الميكروبي التي يقودها التدرجات البيئية (أي الأكسدة المحتملة) في ظل ظروف حيث تقام المادة الأم والمناخ والوقت ثابت. وفيما يتعلق النشاط الميكروبي، الكائنات المجهرية في التربة من العناصر الهامة ولها تأثير عميق على استقرار المشهد 11. أنها تلعب دورا حاسما في بنية التربة، وركوب الدراجات البيولوجية الكيميائية من المواد الغذائية، ونمو النبات. وبالتالي، فمن الضروري أن نفهم المغزى من هذه الكائنات كسائقين التجوية، نشأة التربة، وعمليات تشكيل المشهد، وفي الوقت نفسه تحديد الآثار المتبادلة للالهيدرولوجية تدفق مسارات ونحن الجيوكيميائيةathering على بنية المجتمع الميكروبي والتنوع. ويمكن تحقيق ذلك من خلال دراسة التباين المكاني لتنوع المجتمع الميكروبي على المشهد تتطور الذي الهيدرولوجية والخصائص الجيوكيميائية وتدرس أيضا في نفس الوقت.

هنا، نقدم إجراء حفريات في مقياس الذوبان التربة، واسمه عمليا miniLEO، مصممة لتقليد واسعة النطاق نماذج حوض صفر بأمر من تطور المرصد المناظر الطبيعية (LEO) يضم في المحيط الحيوي 2 (جامعة أريزونا). تم تطوير miniLEO لتحديد نطاق صغير أنماط تطور المشهد الناجمة عن عمليات غير المتجانسة التراكمية المائية الحيوية الجيوكيميائية. وهو مقياس الذوبان 2 م في الطول، و 0.5 مترا في العرض، و 1 مترا في الطول، والمنحدر من 10 درجة (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك، يتم عزل جدران مقياس الذوبان والمغلفة مع غير القابلة للتحلل من جزئين التمهيدي الايبوكسي ومجموع شغل الأليفاتية معطف يوريتان لتجنب تلوث محتمل أو الرشحالمعادن من الإطار مقياس الذوبان في التربة. وقد شغل مقياس الذوبان مع صخرة البازلت سحق أنها انتزعت من وديعة من أواخر العصر الجليدي تيفرا المرتبطة ميريام كريتر في ولاية اريزونا الشمالية. كانت مادة البازلت تحميل مطابقة للمواد المستخدمة في التجارب LEO أكبر من ذلك بكثير. ووصف التركيب المعدني، وتوزيع حجم الجسيمات، والخصائص الهيدروليكية التي كتبها Pangle وآخرون. 12. وقد اصطف مواجهة تسرب منحدر مع شاشة مثقب البلاستيك (0.002 م المسام قطر، و 14٪ المسامية). تم تجهيز النظام مع أجهزة الاستشعار مثل محتوى الماء ودرجة الحرارة أجهزة الاستشعار، ونوعين من أجهزة الاستشعار المحتملة المياه، عينات التربة والمياه، الهيدروليكية التوازن الوزن، تحقيقات الموصلية الكهربائية، ومحولات الضغط لتحديد ارتفاع منسوب المياه الجوفية. وقد رويت مقياس الذوبان لمدة 18 شهرا قبل الحفر.

كان الحفر الدقيق في نهجها ويهدف إلى الإجابة عن سؤالين واسعة: (1) ما الهيدرولوجية والجيوكيميائية، والتوقيعات الميكروبية يمكن ملاحظتها في طول وعمق المنحدر مع الاحترام لظروف الأمطار محاكاة و (2) ما إذا كانت العلاقات والتغذية المرتدة بين العمليات المائية الحيوية الجيوكيميائية التي تحدث على hillslope يمكن استخلاصه من التوقيعات الفردية. جنبا إلى جنب مع الإعداد التجريبية وإجراء أعمال الحفر، نقدم البيانات والاقتراحات النيابية حول كيفية تطبيق بروتوكولات الحفر مماثلة للباحثين الراغبين في الدراسة إلى جانب ديناميات الأرض نظام و / أو عمليات التنمية التربة.

Protocol

1. وضع مصفوفة أخذ العينات للتأكد من أخذ العينات المنتظمة والشاملة للمقياس الذوبان

  1. تقسيم مقياس الذوبان في voxels ثابتة الطول والعرض والعمق.
    1. استخدام الفضاء الإقليدية نظام التنسيق وتقسيم المسافة الإجمالية على طول كل اتجاه (X، Y و Z) إلى وجود عدد كاف من فترات زمنية متساوية. النظر في التخلص من التربة بالقرب من جدران مقياس الذوبان لتجنب الآثار الحدود.
      ملاحظة: اعتمد عازلة 5 سم على طول الجدران الأربعة في هذه التجربة لتجنب الآثار الحدود، مع ضمان أن حجم التربة التي تم جمعها كافية.
    2. تعيين كل عينة XYZ الموقع الفريد وتحديد باعتبارها فوكسل.
      ملاحظة: في هذه الحفر، X يدل على موقع على طول عرض المنحدر، Y يدل على موقع على طول المنحدر، في حين Z يدل على موقع على عمق المنحدر. حجم فترات داخل كل البعد يحدد العرض والطول والعمق من voxels. Figure 2 يبين تقسيم مقياس الذوبان بعد تحديد فترات المباعدة جنبا إلى جنب مع الأصل الذي تم اختياره للنظام XYZ. تقسيم في مخطط الحفريات الحالي لديه 9 فترات على طول كلا الاتجاهين Y و Z و 4 فترات طول اتجاه X، وتنتج ما مجموعه 324 voxels 10 سم × 20 سم × 10 سم أبعاد (الشكل 3).
      ملاحظة: استراتيجية أخذ العينات المختارة يضمن أن النظام بأكمله وأخذ عينات بالتساوي مع الحد الأدنى من الضرر لأجهزة الاستشعار. يتم تجاهل حدود كل فوكسل (1-2 سم) للحد من التلوث من voxels المجاورة. بالإضافة إلى ذلك، أبعاد فوكسل تضمن مواد التربة غير كافية لالميكروبيولوجية، الجيوكيميائية، وجمع العينات الهيدرولوجية في كل فوكسل.

figure-protocol-1779
الشكل 1. الجانبية ضوء مقياس الذوبان يطل مقياس الذوبان من اتحاد كرة القدم تسربم. أيضا مرئية ثلاثة مناطق استشعار (أنابيب PVC بيضاء) على نظام المنحدر والرش في الزوايا الأربع.

figure-protocol-2139
الشكل 2. أخذ العينات مخطط. مخطط أخذ العينات من مقياس الذوبان على طول XYZ. أ. س البعد يقسم العرض إلى 4 أقسام كل 10 سم في حين Y يقسم طول في 20 سم. ب. Z البعد يشير عمق وتقسيمها إلى 9 طبقات 10 سم عمق. وحددت حدود 5 سم على طول حواف مقياس الذوبان لمنع جمع العينات التي يمكن ان تظهر تأثير الحدود. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

figure-protocol-2778
الشكل 3. ثلاثة دتمثيل imensional من فوكسل. التخطيطي المرئي للفوكسل واحد على طول الطائرة XYZ من مقياس الذوبان. تم تقسيم المنحدر بأكمله إلى 324 هذه voxels، مع كل فوكسل تصور وحدة أخذ العينات واحدة. من فضلك اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

2. إضافة الزرقاء الرائعة FCF صبغ لمسار المياه تسلل في المنحدر

  1. تطبيق الصبغة الزرقاء الرائعة على سطح التربة، وهو ما يكفي لتغطية الأعلى 105 سم من سطح طول اتجاه Y. تغطية التربة المتبقية مع الأغطية البلاستيكية.
    1. اختيار تركيز (هنا 10 جم / لتر) لضمان النقيض ضد تربة بازلتية سوداء. إضافة الصبغة للدبابات نظام الري وتخفف بالماء إلى التركيز المطلوب.
    2. تقرر مدة الري بناء على العمق المطلوب من الجبهة تسلل ومعدل توفيره من قبل نظام الري.
      ملاحظة: للحصول على هذه الدراسة، وهي ط ويعتبر معدل rrigation من 30 ملم / ساعة لمدة 20 دقيقة (الشكل 4) قبل الحفر كافية من أجل تحديد أنماط متباينة من تسلل المياه خلال سم القليلة الأولى.
    3. بعد تطبيق صبغ، وإعطاء الوقت للتسلل لوقف ودول الرطوبة داخل مقياس الذوبان للتوازن. لهذه الدراسة، كانت فترة 10 ساعة (بين عشية وضحاها) بين تطبيق صبغ والحفر المناسبة.

3. ترسيم Voxels

  1. إرفاق شريط قياس على طول المنحدر لتوفير نظام مرجعي في الموقع للتوجيه أثناء ترسيم voxels.
  2. بمناسبة البعد من كل فوكسل التربة مع مساعدة من شريط القياس. رسم خطوط الشبكة في كل طبقة باستخدام المدنيين كدروع الألومنيوم شفرة وسكاكين المعجون البلاستيك (الشكل 4). تجاهل المواد الحدود (5 سم من كل جدار لمنع آثار الحدود).

together.within الصفحات = "1"> figure-protocol-5033
الرقم 4. عرض أعلى مقياس الذوبان. ويوضح هذا الرأي سطح مصبوغ طبقة 2 (10 سم العميق). شبكات المرسومة على سطح التربة لمساعدة أخذ العينات واضحة أيضا، جنبا إلى جنب مع المناطق الثقوب الأساسية في كل فوكسل بعد جمع العينات الميكروبيولوجي.

4. جمع العينات علم الأحياء الدقيقة

  1. جمع عينات علم الأحياء الدقيقة جو معقم و مطهر من كل فوكسل قبل الهيدرولوجية والجيوكيميائية يحلل لمنع التلوث من العينات. ضمان قفازات جديدة يتم ارتداؤها من قبل جميع أفراد تنفيذ أعمال الحفر للحد من التلوث من الجلد البشري.
  2. استخدام أخذ العينات الجوفية التربة من 1 سم وقطرها 20 سم ارتفاع، وملعقة رقيقة لجمع العينات الميكروبيولوجي. تنظيف أخذ العينات الجوفية وملعقة مع الماء المقطر، مسح جاف مع مناديل نظيفة، وشطف مع 75٪ من الإيثانول باستخدام زجاجة رذاذ. السماح أخذ العينات الجوفية وملعقة للهواء الجاف.
  3. لاحظ جالوقت ollection من كل عينة. استخدام أخذ العينات الجوفية حتى النخاع على عمق 10 سم في كل موقع فوكسل، وملعقة لتفريغ عينة التربة في أكياس بلاستيكية معقمة قبل (الشكل 5). الحرص على فتح الحقيبة فقط قبل إيداع عينة. التجانس الحقائب عينة باليد.
  4. تخزين حقيبة عينة في برودة الجليد خلال أخذ العينات، ونقل في أقرب وقت ممكن إلى -80 درجة مئوية الثلاجة.

figure-protocol-6655
الرقم 5. جمع العينات علم الأحياء الدقيقة. ويرد أخذ العينات الجوفية يده الصغيرة من 20 سم × 1 سم، وأكياس معقمة، وملعقة هنا خلال أخذ العينات الميكروبيولوجية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

5. الجيوكيمياء والهيدرولوجيا جمع العينات

  1. المناطق صورة مصبوغ في X و Y ررانيس أثناء الحفر لأعماق حيث لوحظ الصبغة. استخدام بطاقة اللون لتوفير إشارة للون احظ (الشكل 6). ضمان الإضاءة الطبيعية المناسبة موجود لتوثيق كثافة اللون بشكل صحيح.
  2. معايرة المحمولة الأشعة السينية مضان مطياف (pXRF) يوميا قبل بدء القياسات. للمعايرة وقياس من التفاصيل، انظر تعليمات الشركة الصانعة 13 (الشكل 7). لفترة وجيزة، ضع أداة على حامل وتدل على نافذة شعاع مباشرة إلى حبة مصنع للمعادن. اختر "كال" وانتظر لمدة 30 ثانية للسماح للمعايرة إلى أن تكتمل.
    1. تنظيف نافذة شعاع قبل اتخاذ كل قياس. قياس سطح كل فوكسل في ثلاث نسخ في ثلاثة مواقع مختلفة. ضع أداة pXRF على سطح التربة وانتظر لمدة 90 ثانية للسماح للقياس إلى أن تكتمل.
      ملاحظة: الأشعة السينية يمكن أن تخترق مسافة طويلة في اتجاه الشعاع. لذلك، ensuإعادة أنه ليس هناك سوى الموظفين المدربين مقابض المعدات ويحافظ على بروتوكولات السلامة المناسبة.

figure-protocol-8346
الشكل 6. بطاقة اللون لمتابعة صبغ تسلل. تم تصويره في كل مكان مع تغلغل الصبغة مرئية مع بطاقة اللون يخدم كمرجع. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

figure-protocol-8773
الرقم 7. المحمولة الأشعة السينية الإسفار مطياف. يده pXRF المتمركزة على سطح فوكسل. سجلت القياسات في ثلاثة مواقع مختلفة على سطح كل فوكسل ثم متوسط.

  1. النوى معدنية نظيفة (الارتفاع = 3 سم، وديا. = 5.7 سم) والبولي التعاونالدقة (الارتفاع = 6 سم، وديا. = 5.7 سم) لكثافة السائبة (BD) وقياسات التوصيل الهيدروليكي (KSAT) من voxels المطلوب، على التوالي (الشكل 8).
  2. إدراج عموديا النوى المعادن والنوى البولي (العمودي KSAT) في voxels المطلوب مع الحرص على عدم تلف أجهزة الاستشعار أو أسلاك أجهزة الاستشعار. القيام بذلك عن طريق يدق برفق النوى في التربة، مع الحرص على استخدام سطح مستو مثل كتلة من الخشب بين جوهر ومطرقة من أجل تقليل الاضطراب إلى التربة. بالإضافة إلى ذلك، وبمجرد أن الأساسي هو في منتصف الطريق في التربة، ووضع نواة الثاني على رأس النواة الأولى. وضع كتلة خشبية على رأس الأساسية الثانية وتدق بلطف كتلة حتى يتم تضمين النواة الأولى في التربة مع حافة الأساسية لا تزال واضحة.
  3. إدراج النوى لKSAT الأفقي كما وجه الجانبي للفوكسل يفتح مع الحفر متسلسل. استخدام كتلة خشبية والأساسية الثانية كما ذكر في الخطوة 5.4 لتقليل الضغط.
  4. الحرص على التأكد من أن فوكسليتم أخذ عينات معزولة عن الحدود وvoxels المجاورة قبل جمع العينات الجيوكيميائية. استخدام السكاكين المعجون البلاستيك لهذا الغرض، تليها المسجات باليد لجمع عينات من التربة حول المعدن أو البولي بروبلين النوى في الجيوكيميائية أكياس (GC) عينة المسمى حتى النوى يمكن إزالتها بسهولة (على سبيل المثال، الشكل 9A، ب).

figure-protocol-10603
واستخدمت الشكل كثافة 8. السائبة والنوى التوصيل الهيدروليكي. النوى مادة البولي بروبيلين (يسار) لجمع عينات التوصيل الهيدروليكي الرأسي والأفقي في حين قلب معدني (يمين) واستخدمت لجمع عينات الكثافة.

figure-protocol-10984
الرقم 9. فوكسل ترسيم الحدود. وقد استخدمت السكاكين المعجون البلاستيك إلى (A) عزلحدود فوكسل قبل (ب) الجيوكيميائية وكثافتها، والهيدروليكي جمع التوصيل الأساسية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

  1. إزالة المعدنية الأساسية، وفرشاة قبالة المواد الزائدة من كلا الطرفين، ونقل عينة من النواة إلى كيس عينة دينار بحريني المسمى. وزن كل كيس عينة مع عينة وتسجيل الوزن الكلي.
  2. إزالة النوى البولي بروبلين. تغطية كلا الجانبين مع القبعات البلاستيكية الحمراء وتسمية الأساسية البولي بروبلين الرأسي بأنه "V" والأفقي الأساسية البولي بروبلين و"H" متبوعة معرف العينة.
  3. جمع المواد المتبقية من فوكسل في كيس عينة GC، تاركا وراءه بضعة سنتيمترات من التربة في جميع الجوانب الأربعة لمنع انتقال التلوث مع فوكسل المقبل.
  4. كرر من الخطوات 5،1-5،9 لبقية voxels في طبقة واحدة.
  5. مرة واحدة وقد تم كل voxels من طبقة واحدةالانتهاء، كرر الخطوات 3،2-5،10 للطبقة اللاحقة.
    ملاحظة: الخطوة 5.1 الاحتياجات التي يتعين القيام بها فقط لvoxels التي لها صبغة مرئية. الرجوع إلى الشكل 10 لتصور تخطيطي الممثلين فوكسل تسليط الضوء على جميع العينات التي تم جمعها من كل فوكسل.

figure-protocol-12697
خط الرقم 10. فوكسل الممثل. بدد خط أحمر يشير إلى جوهر جمع عينات علم الأحياء المجهرية، تحطمت الأخضر يشير الأفقي الأساسية التوصيل الهيدروليكي، خط اندفاعة الأصفر يشير العمودي الأساسية التوصيل الهيدروليكي، يشير متقطع الأرجواني بالجملة الأساسية كثافة، والحدود البيضاوي الأزرق يشير المتبقية عينة من فوكسل تستخدم لتحليل الجيوكيميائية. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

تحليل 6. عينة

  1. استخدام العينات التي تم جمعها لالميكروبيولوجية تحليلات لالجزيئية (التربة استخراج الحمض النووي الميكروبي) 14 ومثقف (التهم لوحة متغايرة) 15 التحليلات. استخدام الحمض النووي المستخرج للتفاعلات البلمرة الكمية (QPCR) 16، والإنتاجية العالية التجارب التسلسل الجيني 17،18.
  2. استخدام العينات التي تم جمعها لالجيوكيميائية التحليلات لقياس العديد من الخصائص الجيوكيميائية بما في ذلك درجة الحموضة (وكالة حماية البيئة الأميركية طريقة 150.2)، التوصيل الكهربائي (EC) (الولايات المتحدة أسلوب وكالة حماية البيئة 120.1) والكربون والنتروجين (الولايات المتحدة أسلوب وكالة حماية البيئة 415.3، واستخراج متتابعة من عناصر 19 وحيود الأشعة السينية (XRD) والذي مدد امتصاص الأشعة السينية هيكل غرامة (EXAFS) الطيفي وفقا للمواصفات من ستانفورد مختبر السنكروترون الإشعاع، للتحقيق التحولات المعدنية.
  3. استخدام العينات التي تم جمعها الأساسية لتحليل الهيدرولوجية لإجراء التجارب المخبرية مثل الكثافة الظاهرية 20والتوصيل الهيدروليكي 21.

النتائج

أبعاد voxels ضمنت مجموعة من عينات لالهيدرولوجية والجيوكيميائية والقياسات الدقيقة. أسفرت إجراء حفريات 324 النوى للتحليل الميكروبيولوجي، 972 نقاط البيانات pXRF، 324 أكياس عينة الجيوكيميائية، 180 عينات KSAT (128 الرأسي والأفقي 52)، و 311 عينات الكثافة الظاهرية. وقد ل...

Discussion

تطور المشهد هو الأثر التراكمي لالهيدرولوجية والجيوكيميائية والعمليات البيولوجية 12. تتحكم هذه العمليات تدفق ونقل الماء والعناصر، وردود الفعل البيولوجية الكيميائية في المناظر الطبيعية المتغيرة. ومع ذلك، واستولت على التفاعل يتطلب وقت واحد تصميم تجريبي منسق بد...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Ty P.A. Ferré, Till Volkman, Edwin Donker, Mauricio Vera for helping us during the excavation, and Triffon J. Tatarin, Manpreet Sahnan and Edward Hunt for their help in sample analysis. This work was carried out at Biosphere 2, University of Arizona and funded by National Science Foundation grant EAR_1344552 and Honors Research Program of Biosphere 2.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Measuring tapeAnyAnyPreventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary.
Brilliant Blue dyeWaldeck GmBH &Co B0770Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments.
Soil CorerAMS56975Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used.
75% EthanolAnyAnyA Nikon D90 camera and 50 mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose.
Spray BottleAnyAnyUse of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions.
SpatulaAny AnyGardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious.
GlovesAny AnyEnsure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible.
KimWipesKimTech ScienceAnyWater can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol.
Sterile Sample bagsFisher Scientific Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZKeep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil.
Color CardAnyAnyThe original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design.
X-ray Fluoresce SpectrophotmeterXRF, OLYMPUSDS-2000 Delta XRF
Polypropylene coresAnyAny
Metal cores Any Any
Caps for polypropylene coresAnyAny
HammerAny Any
Plastic putty knivesAny Any
Face masksAny Any

References

  1. Brady, N. C., Weil, R. R. . The nature and properties of soils. , (2008).
  2. Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. Soil biogeochemicial processes within the critical zone. Elements. 3, 321-326 (2007).
  3. Troch, P. A., et al. Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change?. Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).
  4. Sharp, R. P. Landscape evolution (A Review). Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 79, 4477-4486 (1982).
  5. Temme, A., Montgomery, D. R., Bierman, P. R. Predicting the effect of changing climate on landscapes with computer based landscape evolution models. Key Concepts in Geomorphology. , (2013).
  6. Troch, P. A., et al. Dealing with Landscape Heterogeneity in Watershed Hydrology: A Review of Recent Progress toward New Hydrological Theory. Geogr. Compass. 3, 375-392 (2009).
  7. Wang, Y., et al. Dissecting the Hydrobiogeochemical Box. in Am. Geophys. Union Fall Meet. , (2015).
  8. Lin, H., et al. Hydropedology: Synergistic integration of pedology and hydrology. Water Resour. Res. 42 (5), W05301 (2006).
  9. Band, L. E., et al. Ecohydrological flow networks in the subsurface. Ecohydrology. 7, 1073-1078 (2014).
  10. Churchman, G. j., Lowe, D. . Handbook of Soil Science Properties and Process. 1, (2012).
  11. van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., van Straalen, N. M. The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecol. Lett. 11 (3), 296-310 (2008).
  12. Pangle, L. a., et al. The Landscape Evolution Observatory: A large-scale controllable infrastructure to study coupled Earth-surface processes. Geomorphology. 244, 190-203 (2015).
  13. . . User Manual: Delta Famiy Handheld XRF Analyzers. , (2013).
  14. Valentìn-Vargas, A., Root, R. A., Neilson, J. W., Chorover, J., Maier, R. M. Environmental factors influencing the structural dynamics of soil microbial communities during assisted phytostabilization of acid-generating mine tailings: A mesocosm experiment. Sci Total Environ. 500-501, 314-324 (2014).
  15. JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology. Culturing and Enumerating Bacteria from Soil Samples. , (2016).
  16. JoVE Science Education Database. . Essentials of Environmental Microbiology: Quantifying Environmental Microorganisms and Viruses Using qPCR. , (2016).
  17. Sengupta, A., Dick, W. A. Bacterial community diversity in soil under two tillage practices as determined by pyrosequencing. Microb. Ecol. 70, 853-859 (2015).
  18. Caporaso, J. G., et al. Correspondence - QIIME allows analysis of high- throughput community sequencing data. Nat. Publ. Gr. 7, 335-336 (2010).
  19. Hall, G. E. M., Vaive, J. E., Beer, R., Hoashi, M. Selective leaches revisited, with emphasis on the amorphous Fe oxyhydroxide phase extraction. J. Geochemical Explor. 56, 59-78 (1996).
  20. Grossman, R. B., Reinsch, T. G., Dane, J. H., Topp, G. C. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis. Part 4-Physical Methods. , 201-228 (2002).
  21. Reynolds, W. D., Elrick, D. E., Youngs, E. G., Amoozegar, A., Bootlink, H. W. G., Bouma, J., Dane, J. H., Topp, G. C. Saturated and field-saturated water flow parameters. Methods of Soil Analysis, Part 4-Physical Methods. , 802-816 (2002).
  22. King, G. M. Contributions of atmospheric CO and hydrogen uptake to microbial dynamics on recent Hawaiian volcanic deposits. Appl. Environ. Microbiol. 69 (7), 4067-4075 (2003).
  23. Meyer, W. S., Barrs, H. D. Roots in irrigated clay soils: Measurement techniques and responses to rootzone conditions. Irrig. Sci. 12 (3), 125-134 (1991).
  24. Graham, C. B., Woods, R. A., McDonnell, J. J. Hillslope threshold response to rainfall: (1) A field based forensic approach. J. Hydrol. 393 (1-2), 65-76 (2010).
  25. Anderson, A. E., Weiler, M., Alila, Y., Hudson, R. O. Dye staining and excavation of a lateral preferential flow network. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).
  26. Gleeson, T., Paszkowski, D. Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale?. Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).
  27. Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation. Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).
  28. Fierer, N., Lennon, J. T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 98 (3), 439-448 (2011).
  29. Niu, G. Y., Pasetto, D., Scudeler, C., Paniconi, C., Putti, M., Troch, P. A. Analysis of an extreme rainfall-runoff event at the Landscape Evolution Observatory by means of a three-dimensional physically-based hydrologic model. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss. 10, 12615-12641 (2013).
  30. Marteinsson, V., et al. Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota. Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).
  31. Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities. Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).
  32. Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28°C. Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

115 flowpaths

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved