결합 문학, 지구 화학 및 미생물 조사를위한 토양 모형 매립 발굴

요약

이 연구는 지하 수문, 지구 화학 및 토양 모형 매립의 미생물 학적 이질성을 조사하기위한 굴착 방법을 제시한다. 모형 매립은 균일 한 상태에서 처음이었고, 18 개월 기간에 관개의 팔 사이클을 통해 물을 약 5,000mm에 실시한 인공 hillslope을 시뮬레이션합니다.

초록

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.

서문

토양과 풍경 역학은 물리, 화학 물질의 복잡한 상호 작용 및 생물학적 과정 ^(1)에 의해 형성된다. 물 흐름, 화학적 풍화 및 생물학적 활성은 안정된 생태계 ^2,3에 풍경의 전반적인 개발을 형성. 표면 변화가 풍경 ^(4)의 가장 눈에 띄는 기능, 수문, 지구 화학의 이해 누적 효과 및 미생물 학적 프로세스가 지하 영역에있는 동안 ^{풍경이 모양} 기본 힘을 이해하는 데 매우 중요합니다. 미래 기후 교란 시나리오는 더 풍경의 진화 ^(5)의 예측 및 패턴을 혼동. 이는 따라서 프리 스케일 ⁽⁶⁾ 상에 자신의 대규모 발현을 소규모 공정을 연결하는 도전된다. 전통적인 단기 실험실 실험 또는 일을 캡처 짧은 가을을 강제 알 수없는 초기 조건과 시간 변수와 자연 경관의 실험풍경 진화의 전자 고유의 이질성. 또한 의한 강한 비선형 결합, 이종 시스템 ⁷ 수문 모델링로부터 생화학 변화를 예측하는 것은 곤란하다. 여기, 우리는 알려진 초기 조건을 완벽하게 제어 및 모니터링 토양 hillslope을 발굴 할 수있는 새로운 실험 방법을 설명합니다. 우리의 발굴 및 샘플링 절차는 하이드로 생물 지구 화학적 상호 작용과 토양의 형성 과정에 미치는 영향을 조사하기 위해 포괄적 인 데이터 집합을 제공하는 것을 목표로, 길이와 깊이를 따라 hillslope의 개발 이질성을 캡처 대상으로합니다.

자연에서 발견 수문 시스템은 공간 및 시간 스케일 ^(3)의 넓은 범위에 걸쳐 일어나는 수문 응답의 변화, 시간의 정적 인 거리가 멀다. 풍경을 따라 흐름 경로의 공간 구조는 속도, 범위 및 드라이브 화학적 반응과 생물학적 식민지의 분포를 결정한다풍화, 전송 및 용질 및 퇴적물의 침전, 토양 구조의 발전. 따라서, 이론과 수문 예측을 문학적 과정을 평가하고 개선하기위한 실험 설계에 소아 학, 지구 물리학, 생태학에서 지식을 통합은 ^8,9를 제안하고있다. 가로 진화는 물 역학, 토양 개발 과정 원소 마이그레이션과 함께 미네랄 공기, 물 표면 미생물 ^(10)의 반응에 의해 초래 광물 변환에 의해 지하 생지 화학적 과정에 의해 영향을받습니다. 결과적으로, 진화하는 풍경 내에서 화학적 핫스팟의 개발을 연구하는 것이 중요하다. 또한, 복잡한 프리 개발의 역학을 이해하기 위해 초기 토양 형성시 수문 프로세스 및 미생물에 화학적 풍화 서명 패턴과 관련된 중요하다. 토양 기원의 특정 프로세스의 적용을받습니다특정 모재에 대한 기후, 생물 입력, 구호 및 시간의 결합 된 영향에 의해. 이 실험 조건 곳에서 (기울기 깊이 포함) 기복과 관련된 수문 및 화학적 변형에 의해 지배 모재의 풍화의 불균질성 및 환경 구배 (즉, 산화 환원 전위)에 의해 구동되는 미생물의 활동에 관련된 다양성을 해결하기 위해 설계되었다 부모 소재, 기후와 시간은 일정하게 유지된다. 미생물의 활동과 관련하여, 토양 미생물은 중요한 구성 요소이며 풍경의 안정성 ^(11)에 지대한 영향을 미친다. 이들은 토양 구조, 영양 생화학 순환하고 식물의 성장에 중요한 역할을한다. 따라서, 동시에 수문 흐름 경로와의 화학적 상호 우리의 효과를 확인하면서, 풍화 드라이버 토양 기원 및 프리 형성 공정 이들 유기체의 의미를 이해하는 것이 필요하다미생물 군집 구조 및 다양성에 athering. 이것은 누구의 수문 및 지구 화학적 특성 병렬로 연구되고있다 진화하는 풍경을 통해 미생물 군집의 다양성의 공간 이질성을 연구함으로써 달성 될 수있다.

여기서 우리는 바이오 스피어 2 (애리조나 대학)에 수납 된 풍경 진화 전망대 (LEO)의 대규모 제로 순서 유역 모델을 모방하기 위해 디자인 된 토양 모형 매립, 운영 체제라는 miniLEO의 발굴 절차를 제시한다. miniLEO 누적 이종 하이드로 생물 지구 화학 공정에서 발생하는 작은 규모의 풍경 진화 패턴을 파악하기 위해 개발되었다. 그것은 모형 매립 길이 2 m, 폭 0.5 m, 높이 1 m, 10 °의 경사 (그림 1)입니다. 또한 모형 매립의 벽은 절연 및 비 생분해 두 파트 에폭시 프라이머 및 잠재적 오염이나 용출을 방지하는 전체 충전 지방족 우레탄 코팅으로 코팅토양에 모형 매립 프레임에서 금속. 모형 매립 북부 애리조나 메리 엄 분화구와 관련된 후기 홍적세 테프라의 보증금에서 추출 짓 눌린 현무암 바위로 가득 차 있었다. 로드 된 현무암 재료는 더 큰 LEO 실험에서 사용되는 물질과 동일했다. 미네랄 성분, 입자 크기 분포, 및 유압 특성은 Pangle 등. ^(12)에 의해 설명되어 있습니다. 다운 슬로프 누출 얼굴이 뚫린 플라스틱 화면 (0.002-m 직경의 구멍, 14 % 다공성) 늘어서 있었다. 이 시스템은 물 테이블의 높이를 결정하기 위해 수분 함량 및 온도 센서가 물 전위 센서의 두 종류, 토양 수분 샘플러 유압 중량 밸런스, 도전성 프로브, 및 압력 센서와 같은 센서가 장착되어있다. 모형 매립은 발굴에 앞서 18 개월입니다 관개했다.

발굴은 접근 방식에 세심한이었고, 두 가지 질문에 대답을 목표로했다 : (1) 수문 무엇 화학적 및 미생물 서명 모의 강우 조건에 대하여 슬로프의 길이 및 깊이에 걸쳐 관찰 될 수있다 (2) hillslope 발생하는 하이드로 생물 화학적 프로세스 간의 관계 및 되먹임이 추론 될 수 있는지 개별 서명. 실험 설정 및 발굴 과정과 함께, 우리는 결합 된 지구 시스템 역학 및 / 또는 토양 개발 프로세스를 공부에 관심이 연구자 비슷한 발굴 프로토콜을 적용하는 방법에 대한 대표적인 데이터 및 제안을 제시한다.

프로토콜

1. 모형 매립의 체계적이고 포괄적 인 샘플링을 확인하기 위해 샘플링 매트릭스를 고안

1. 고정 길이, 폭, 깊이의 복셀로 모형 매립 나눈다.
   1. 좌표계 유클리드 공간을 사용하여 등 간격의 적절한 수에 각 방향 (X, Y 및 Z)을 따른 전체 거리를 나눈다. 경계 효과를 피하기 위해 모형 매립의 벽 근처에있는 토양을 폐기 고려한다.
      주 : 수집 된 토양의 부피가 충분하다는 것을 보장하면서 4 개의 벽을 따라 5cm의 버퍼는, 경계 효과를 피하기 위해 본 실험에 채용된다.
   2. 각 샘플에 고유 한 XYZ 위치를 지정하고 복셀로 식별합니다.
      주 : Z 경사면의 깊이를 따라 위치를 나타내고,이 상태에서 굴착, X는 슬로프의 폭을 따라 위치를 나타내고,는 Y는 경사면의 길이를 따라 위치를 나타낸다. 각각의 차원 내에서 간격의 크기는 복셀의 폭, 길이 및 깊이를 결정한다. F를igure 2는 XYZ 시스템을위한 선택 원산지와 함께 간격 간격을 결정 후 모형 매립의 분할을 보여줍니다. 현재 굴착 방식의 사업부는 10cm X 20cm X 10cm 크기 (그림 3)의 324 복셀의 총 생산, 모두 Y 및 Z 방향을 따라 9 간격과 X 방향을 따라 4 간격이있다.
      주 : 선택된 샘플링 전략은 시스템 전체에 균일하게 센서가 최소한의 손상으로 샘플링되는 것을 보장한다. 각 복셀 (1-2cm)의 경계는 이웃 복셀에서 교차 오염을 제한하기 위해 삭제됩니다. 또한, 복셀의 크기는 충분한 토양 재료는 각 복셀의 미생물 학적, 지구 화학적 및 수문 샘플 수집에 사용할 수 있도록.

모형 매립 그림 1. 사이드보기. 삼출 FA에서 모형 매립보기가전​​. 또한 볼 수는 네 모서리의 기울기와 스프링클러 시스템에 따라 3 개의 센서 영역 (흰색 PVC 튜브)입니다.

Y가 20cm에 길이를 분할하는 동안 그림 2. 샘플링 계획. XYZ. 답 X 차원에 따른 모형 매립의 샘플링 방식은 4 섹션 10cm의 각각에 폭을 분할한다. B에 Z 치수는 깊이를 표시하고 9 층으로 분할되었다 10cm 깊이의. 모든 모형 매립의 가장자리를 따라 5cm의 경계가 잠재적 경계 효과를 나타낼 수 샘플 수집을 방지하기 위해 확인되었다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 3 D복셀의 imensional 표현입니다. 모형 매립의 XYZ 평면을 따라 복셀의 시각적 개략적. 전체 기울기가 하나의 샘플링 장치를 묘사 각 복셀로, 324 등의 복셀로 분할되었다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

2. 경사에서 트랙 물 침투에 브릴리언트 블루 FCF 염료를 추가

1. Y 방향을 따라 상부면의 105cm를 커버하기에 충분한 토양의 표면에 브릴리언트 블루 염색을 적용한다. 플라스틱 시트와 나머지 땅을 커버.
   1. 검은 현무암 토양에 대한 대비를 보장하기 위해 농도 (여기 10g / L)을 선택합니다. 관개 시스템 탱크에 염료를 추가하고 원하는 농도로 물과 희석.
   2. 침투 앞의 원하는 깊이 및 관개 시스템에 의해 공급되는 속도에 기초하여, 수리의 지속 시간을 결정한다.
      참고 :이 연구를 들면, 내가20 분 (그림 4) 사전 발굴을위한 30mm / hr의 rrigation 속도는 처음 몇 센티미터 동안 물 침투의 이종 패턴을 식별하기 위해 충분한 것으로 간주됩니다.
   3. 염료 신청 후, 침투 중지하고 모형 매립 내 수분 상태는 평형을위한 시간을 제공합니다. 이 연구를 위해, 염료 응용 프로그램과 발굴 사이에 10 시간 (야간)의 기간은 적절했다.

복셀 3. 분계선

1. 복셀 경계 동안 안내 원위치 참조 시스템을 제공하기 위해 경사면의 길이를 따라 측정 테이프 부착.
2. 측정 테이프의 도움으로 각 토양 복셀의 크기를 표시합니다. 알루미늄 블레이드 방패와 플라스틱 퍼티 나이프 (그림 4)를 사용하여 각 층에 대한 그리드 선을 그립니다. 경계 재료 (각 벽에서 5cm 경계 효과를 방지하기 위해) 폐기하십시오.

모형 매립 그림 4. 상위 뷰.이보기는 층 (2)의 염색 표면 (10cm 깊이)을 보여줍니다. 샘플링을 돕기 위해 토양 표면에 그려진 그리드는 미생물 시료 채취 후, 각 복셀에서 코어 홀 영역들과 함께, 또한 표시된다.

4. 미생물 샘플 컬렉션

1. 각 복셀의 사전 문학과 화학적으로 무균 미생물 샘플을 수집 샘플의 교차 오염을 방지하기 위해 분석한다. 새 장갑이 사람의 피부에서 오염을 줄이기 위해 발굴을 수행하는 모든 회원이 착용되어 있는지 확인합니다.
2. 1cm 직경 20cm의 높이 및 미생물 학적 샘플 수집을위한 얇은 주걱의 토양 corer를 사용합니다. 의 corer과 증류수로 주걱을 청소 깨끗한 물티슈로 닦아 건조 및 75 % 에탄올 스프레이 병을 사용하여 씻어. 공기 건조에 corer과 주걱을 허용합니다.
3. 참고 C각 샘플의 ollection 시간. 사전 멸균 비닐 봉지 (그림 5)에 토양 샘플을 비우 각 복셀 위치에서 10cm의 깊이, 그리고 주걱으로 코어에 corer를 사용합니다. 샘플을 증착 직전에 가방을 열고주의​​하십시오. 손으로 샘플 파우치 균질화.
4. 샘플링 동안 얼음 쿨러의 샘플 가방을 보관하고, C의 냉동고 °에 -80 가능한 한 빨리 전송할 수 있습니다.

그림 5. 미생물학 샘플 수집. 20cm X 1cm, 멸균 가방, 주걱의 작은 휴대용 corer는 미생물 샘플링 동안 여기에 표시됩니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

5. 지구 화학 및 수 문학 샘플 컬렉션

1. X와 Y (PL)의 사진 염색 지역염료가 관찰 깊이에 대한 발굴 동안 anes. 색상 관찰 (그림 6)에 대한 참조를 제공하기 위해 컬러 카드를 사용하십시오. 적절한 자연 채광을 확인 올바르게 색상 강도를 문서화 존재한다.
2. 측정을 시작하기 전에 매일 휴대용 형광 X 선 분석 장치 (pXRF)를 보정한다. 교정 및 측정 자세한 내용은 제조업체의 지침 ⁽¹³⁾ (그림 7)을 참조하십시오. 간단히, 홀더에 기기를 배치하고 공장 금속 구슬에 직접 빔 창을 가리 킵니다. '칼'을 선택하고 보정이 완료 될 수 있도록 30 초 동안 기다립니다.
   1. 모든 측정을 복용하기 전에 빔 창을 청소합니다. 세 개의 서로 다른 위치에서 삼중 각 복셀의 표면을 측정한다. 토양 표면에 pXRF 수단을 배치하고, 측정이 완료 될 수 있도록 90 초 동안 기다린다.
      주 : X 선 빔의 방향으로 긴 거리를 관통 할 수있다. 따라서, ensu오직 숙련 된 기술자가 장비를 처리하고 적절한 안전 프로토콜을 유지 재.

그림 6. 색상 카드 침투 염색 따르십시오. 눈에 보이는 염료 침투와 각각의 위치는 기준이되는 색 카드와 함께 촬영했다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7. 휴대용 X-ray 형광 분광계. 휴대용 pXRF는 복셀의 표면에 위치. 측정은 각 복셀의 표면에 세 가지 사항을 기록하고 평균화 하였다.

3. 청소 금속 코어 (높이 = 3 cm, 직경. = 5.7 cm) 및 폴리 카보네이트 공동입술 (높이 = 6 cm, 직경. = 5.7 cm) 벌크 밀도 (BD) 원하는 복셀, 각각 (그림 8)의 유압 전도도 측정 (수능)합니다.
4. 수직 센서 또는 센서 배선이 손상되지 않도록주의하면서 원하는 복셀에 금속 코어와 폴리 카보네이트 코어 (수직 수능)을 삽입합니다. 부드럽게 토양 교란을 최소화하기 위해 코어와 해머 사이의 나무 블록과 같은 평평한 표면을 사용하여주의하면서 토양에 코어 망치질함으로써 이것을한다. 코어가 토양에 반 일단 부가 상기 제 1 코어의 상부에 제 2 코어를 배치했다. 제 2 코어의 상단에있는 나무 블록을 배치하고, 제 1 코어가 계속 표시 핵심 테두리와 토양에 포함 될 때까지 조심스럽게 블록을 망치.
5. 복셀의 측면 순차적 발굴과 함께 열릴 때 수평 수능을위한 코어를 삽입합니다. 압축을 최소화하기 위해 단계 5.4에서 언급 한 바와 같이 나무 블록과 제 2 코어를 사용합니다.
6. 복셀 않도록주의하십시오지구 화학적 샘플 수집하기 전에 경계와 인접 복셀에서 격리 샘플링된다. 코어가 용이하게 제거 될 수있을 때까지 표지 화학적 (GC) 샘플 백에 금속 또는 폴리 프로필렌 코어 주변 토양의 샘플을 수집하기 위해 휴대용 흙손 다음에이 목적을 위해 플라스틱 퍼티 나이프를 사용하여 (예를 들면,도 9a, b).

도 8 벌크 밀도 및 수리 전도도 코어. 폴리 프로필렌 코어 (왼쪽)의 금속 코어 (오른쪽) 벌크 밀도 샘플을 수집하기 위해 사용되는 동안 수직 및 수평 수리 전도도 샘플을 수집 하였다.

그림 9. 복셀 경계. 플라스틱 퍼티 나이프는 분리 (A)에 사용되었다(B) 지구 화학, 벌크 밀도 및 수리 전도도 코어 컬렉션에 앞서 복셀의 경계. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

7. , 금속 코어를 제거 양쪽 끝에서 여분의 재료를 브러시 및 표시 BD 샘플 가방에 코어에서 샘플을 전송합니다. 시료와 각 샘플 백을 달아 총 중량을 기록한다.
8. 폴리 프로필렌 코어를 제거합니다. 빨간색 플라스틱 캡 양쪽을 커버하고 "V"와 샘플 ID 다음에 "H"와 같은 수평 폴리 프로필렌 핵심으로 수직 폴리 프로필렌 코어 레이블을 붙입니다.
9. 다음 복셀로 교차 오염을 방지하기 위해 네 가지 측면에서 토양의 센티미터 몇 뒤에 남겨두고 GC 샘플 가방에 복셀에서 남은 재료를 수집합니다.
10. 한 층의 복셀의 나머지 단계에서 5.9-5.1를 반복합니다.
11. 일단 하나의 층에서 모든 복셀이되었습니다완료, 후속 층에 5.10에 3.2 단계를 반복합니다.
    참고 : 5.1 필요한 단계 만 볼 수 염료가 복셀 수행합니다. 각 복셀에서 수집 한 모든 샘플을 강조 복셀의 대표도를 시각화하기 위해 그림 10을 참조하십시오.

그림 10. 대표 복셀. 빨간 줄이 핵심 미생물학 샘플 수집 나타냅니다 점선은 녹색 점선은 수평 유압 전도도 코어를 나타내고, 노란색 점선 수직 유압 전도도 코어를 나타내고, 보라색 점선은 벌크 밀도 코어 및 파란색 타원형의 경계를 나타냅니다 복셀에서 샘플을 남아있는 화학적 분석에 사용되는 나타냅니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

6. 샘플 분석

1. 미생물 수집을 사용하여 샘플 분자 (토양 미생물 DNA 추출) ¹⁴ 배양 (종속 영양 플레이트 카운트) ¹⁵ 분석을 분석합니다. 정량적 중합 효소 연쇄 반응 (qPCR에) ^(16), 및 높은 처리량 유전자 시퀀싱 실험 ^{(17, 18)에} 대한 추출 된 DNA를 사용합니다.
2. 화학적 수집을 사용하여 샘플의 pH (US EPA 방법 150.2), 전기 전도도 (EC) (US EPA 방법 120.1), 탄소와 질소 함량 (US EPA 방법 415.3, 요소 ^(19)의 연속 추출 등의 화학적 특성의 다수를 측정하는 분석 및 X 선 회절 (XRD)와 스탠포드 방사광 연구소의 사양에 따라, 확장 된 X 선 흡수 미세 구조 (EXAFS) 분광법, 미네랄 변형을 조사하기 위해.
3. 벌크 밀도 ²⁰ 실험실 실험에 대한 수문 분석을 위해 수집 코어 샘플을 사용하여유압 전도도 ^21.

결과

복셀의 크기는 수 문학, 지구 화학적 및 미생물 학적 측정을위한 샘플 수집을 보장. 발굴 과정은 미생물 분석을위한 324 코어, 972 pXRF 데이터 포인트, 324 지구 화학적 샘플 가방, 180 수능 샘플 (세로 128, 52 수평), 311 벌크 밀도 샘플을 얻었다. 브릴리언트 블루 염색 우선적 흐름은 표면 아래로 30cm 깊이까지 관찰 하였다. 모형 매립의 단일 수직 조각 81 샘플의 대표적인 세트는 ?...

토론

가로 진화는 문학, 화학적 및 생물학적 과정 ^(12)의 누적 효과입니다. 이러한 프로세스는 풍경을 진화의 흐름과 물과 요소의 수송 및 생지 화학적 반응을 제어 할 수 있습니다. 그러나, 상호 작용을 캡처하는 동시에 정밀하게 조정 된 실험 설계 및 표본 추출이 필요합니다. 또한, 초기 풍경 진화를 연구하는 것은 "시간 제로"상태를 식별하기 위해 제한된 기능으로, 자연 시스템에 어?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Measuring tape	Any	Any	Preventing cross-contamination of samples is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary.
Brilliant Blue dye	Waldeck GmBH &Co	B0770	Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments.
Soil Corer	AMS	56975	Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used.
75% Ethanol	Any	Any	A Nikon D90 camera and 50 mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose.
Spray Bottle	Any	Any	Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions.
Spatula	Any	Any	Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious.
Gloves	Any	Any	Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible.
KimWipes	KimTech Science	Any	Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol.
Sterile Sample bags	Fisher Scientific	Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ	Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil.
Color Card	Any	Any	The 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 Spectrophotmeter	XRF, OLYMPUS	DS-2000 Delta XRF
Polypropylene cores	Any	Any
Metal cores	Any	Any
Caps for polypropylene cores	Any	Any
Hammer	Any	Any
Plastic putty knives	Any	Any
Face masks	Any	Any