Name: soil lysimeter excavation for coupled hydrological, geochemical, and microbiological investigations
Uploaded: 2016-09-11T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations at JoVE.com

We thank Ty P.A. Ferr&#233;, 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.

1. Elaborar uma matriz de amostragem para garantir sistemática e abrangente Amostragem de Lysimeter <ol><li> Divida lisímetro em voxels de comprimento, largura e profundidade fixa. <ol><li> Usar um espaço euclidiano sistema de coordenadas e dividir a distância total ao longo de cada direcção (X, Y e Z) em um número suficiente de intervalos igualmente espaçados. Considere descartar o solo perto das paredes do lisímetro para evitar os efeitos de fronteira. NOTA: Um buffer de 5 cm ao longo das quatro pare...

<ol>
	<li>Brady, N. C., Weil, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The nature and properties of soils. , (2008).</li><li>Chorover, J., Kretzschmar, R., Garica-Pichel, F., Sparks, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soil+biogeochemicial+processes+within+the+critical+zone.">Soil biogeochemicial processes within the critical zone.</a> Elements. 3, 321-326 (2007).</li><li>Troch, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Catchment+coevolution:+A+useful+framework+for+improving+predictions+of+hydrological+change?.">Catchment coevolution: A useful framework for improving predictions of hydrological change?.</a> Water Resour. Res. 6, 1-20 (2015).</li><li>Sharp, R. 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Discuss. 5 (2), 1043-1065 (2008).</li><li>Gleeson, T., Paszkowski, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perceptions+of+scale+in+hydrology:+what+do+you+mean+by+regional+scale?.">Perceptions of scale in hydrology: what do you mean by regional scale?.</a> Hydrol. Sci. J. 00, 1-9 (2013).</li><li>Molins, S., Trebotich, D., Steefel, C. I., Shen, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+investigation+of+the+effect+of+pore+scale+flow+on+average+geochemical+reaction+rates+using+direct+numerical+simulation.">An investigation of the effect of pore scale flow on average geochemical reaction rates using direct numerical simulation.</a> Water Resour. Res. 48, W03527 (2012).</li><li>Fierer, N., Lennon, J. 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Discuss. 10, 12615-12641 (2013).</li><li>Marteinsson, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microbial+colonization+in+diverse+surface+soil+types+in+Surtsey+and+diversity+analysis+of+its+subsurface+microbiota.">Microbial colonization in diverse surface soil types in Surtsey and diversity analysis of its subsurface microbiota.</a> Biogeosciences. 12, 1191-1203 (2015).</li><li>Orcutt, B. N., Sylvan, J. B., Rogers, D. R., Delaney, J., Lee, R. W., Girguis, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+fixation+by+basalt-hosted+microbial+communities.">Carbon fixation by basalt-hosted microbial communities.</a> Front. Microbiol. 6, 00904 (2015).</li><li>Wu, L., Jacobson, A. D., Chen, H. C., Hausner, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+elemental+release+during+microbe-basalt+interactions+at+T=28&#176;C.">Characterization of elemental release during microbe-basalt interactions at T=28&#176;C.</a> Geochim. Cosmochim. Acta. 71, 2224-2239 (2007).</li></ol>

Evolução da paisagem é o efeito cumulativo de hidrológico, geoquímicos e biológicos 12. Estes processos controlar as reações biogeoquímicas fluxo e transporte de água e elementos, e na evolução das paisagens. No entanto, capturar as interações requer simultaneamente delineamento experimental precisamente coordenada e amostragem. Além disso, o estudo da evolução da paisagem incipiente é difícil em sistemas naturais, com capacidades limitadas para identificar &quot;tempo zero&quot; condiçõe...

Solo e da paisagem dinâmicas são moldadas pela interação complexa de física, química e processos biológicos 1. Fluxo de água, erosão geoquímica, e atividade biológica moldar o desenvolvimento global da paisagem em um ecossistema estável 2,3. Embora as mudanças de superfície são as características mais visíveis da paisagem 4, efeitos cumulativos compreensão de hidrológico, geoquímicos e microbiológicos na região do subsolo é crucial para entender as forças subjacentes que moldam a paisagem 2. Cenários futuros de perturbação climática confundir ainda mais a previsibilidade e padrão de evolução da paisagem 5. Torna-se, assim, um desafio para ligar os processos de pequena escala a sua manifestação em grande escala sobre a paisagem escala 6. experimentos de laboratório de curto prazo tradicionais ou experimentos em paisagens naturais com condições iniciais desconhecidas e tempo variável forçando queda curta em capturar the heterogeneidade intrínseca da evolução da paisagem. Além disso, devido ao acoplamento não linear forte, é difícil prever mudanças biogeoquímicos de modelagem hidrológica em sistemas heterogêneos 7. Aqui, descrevemos um método experimental romance para escavar uma hillslope solo totalmente controlado e monitorado com condições iniciais conhecidos. Nosso procedimento de escavação e amostragem é destinado a capturar a heterogeneidade desenvolvimento do hillslope ao longo do seu comprimento e profundidade, com o objetivo de fornecer um conjunto de dados abrangente para investigar as interações hidro-bio-geoquímicos e seu impacto sobre os processos de formação do solo. Sistemas hidrológicos encontrados na natureza estão longe de ser estática no tempo, com mudanças nas respostas hidrológicas que ocorrem em uma ampla gama de escalas espaciais e temporais 3. A estrutura espacial das vias de escoamento ao longo paisagens determina a taxa, a extensão e distribuição de reacções geoquímicas e colonização biológica que impulsionamintempéries, o transporte ea precipitação de solutos e sedimentos, e no desenvolvimento da estrutura do solo. Assim, incorporando o conhecimento de pedologia, geofísica, e ecologia em teorias e modelos experimentais para avaliar processos hidrológicos e melhorar as previsões hidrológicas foi sugerido 8,9. Evolução da paisagem também é afetado por processos biogeoquímicos subsuperficiais em conjunto com a dinâmica da água, migração elemental durante o desenvolvimento do solo, e por transformações mineralógicas trazidas pela reacção de superfícies minerais com ar, água e microorganismos 10. Consequentemente, é importante para estudar o desenvolvimento de hotspots geoquímicos dentro de um cenário em evolução. Além disso, é fundamental para relacionar os padrões de intemperismo geoquímicos para processos hidrológicos e assinaturas microbiológicos durante a formação incipiente do solo a fim de compreender a dinâmica do desenvolvimento paisagem complexa. Os processos específicos de gênese dos solos são regidospela influência combinada de clima, insumos biológicos, alívio e tempo em um material de origem específica. Este experimento foi projetado para resolver heterogeneidades no desgaste de material mãe regida por variações hidrológicas e geoquímicas associadas com alívio (incluindo inclinação e profundidade) e a variabilidade associada na atividade microbiana que é conduzido por gradientes ambientais (isto é, em potencial redox) sob condições em que material de origem, clima e tempo são mantidos constantes. Com relação à atividade microbiana, microrganismos do solo são componentes críticos e têm um profundo impacto sobre a estabilidade paisagem 11. Eles desempenham um papel crucial na estrutura do solo, ciclo biogeoquímico de nutrientes e crescimento da planta. Portanto, é necessário compreender a importância desses organismos como condutores de intempérie, gênese do solo e processos de formação de paisagem, enquanto identifica simultaneamente os efeitos recíprocos de percursos de escoamento hidrológicos e nós geoquímicaathering na estrutura da comunidade microbiana e diversidade. Isto pode ser conseguido através do estudo de heterogeneidade espacial da diversidade da comunidade microbiana sobre uma paisagem em evolução cuja hidrológico e características geoquímicas também estão sendo estudadas em paralelo. Aqui, apresentamos um procedimento de escavação de um lisímetro de solo, operacionalmente chamado miniLEO, projetado para imitar os de grande escala modelos de bacias de ordem zero da evolução Observatório Paisagem (LEO) alojado na Biosfera 2 (University of Arizona). O miniLEO foi desenvolvido para identificar pequena escala padrões de evolução da paisagem decorrentes de processos hidro-bio-geoquímicos heterogêneos cumulativos. É lisímero 2-m de comprimento, 0,5 m de largura, e 1-m de altura e inclinação de 10 ° (Figura 1). Além disso, as paredes do lisímetro são isolados e revestido com não-biodegradável primer epóxi de duas partes e um casaco de uretano alifático agregado preenchido para evitar a contaminação ou potencial de lixiviaçãode metais do quadro lisímero no solo. O lisímetro foi preenchido com rocha de basalto moído que foi extraído a partir de um depósito de tephra Pleistoceno final associado com Merriam cratera no norte do Arizona. O material de basalto carregado era idêntico ao material utilizado nas experiências LEO muito maiores. A composição mineral, a distribuição do tamanho de partícula, e as propriedades hidráulicas são descritos por Pangle et ai. 12. O rosto infiltração downslope foi revestido com uma tela perfurada de plástico (poros 0,002-m de diâmetro, 14% de porosidade). O sistema está equipado com sensores, tais como conteúdo de água e temperatura sensores, dois tipos de sensores de potencial de água, amostradores de água no solo, equilíbrio de peso hidráulica, sondas de condutividade elétrica, e transdutores de pressão para determinar a altura da tabela de água. O lisímetro foi irrigada por 18 meses antes da escavação. A escavação foi meticuloso na sua abordagem e foi elaborado para responder a duas grandes questões: (1) o que hidrológico, geoquímicos e assinaturas microbianos podem ser observadas em todo o comprimento ea profundidade da inclinação em relação às condições e chuva simulada (2) se os relacionamentos e feedbacks entre os processos hidro-bio-geoquímicos que ocorrem na hillslope pode ser deduzida as assinaturas individuais. Juntamente com a configuração experimental e procedimento de escavação, apresentamos dados representativos e sugestões sobre como aplicar protocolos de escavação semelhantes para os pesquisadores interessados ​​em estudar a dinâmica do sistema da Terra acoplados e / ou processos de desenvolvimento do solo.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1632">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Measuring tape</td>
			<td style="width:71px;">Any</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td style="width:1192px;">Preventing cross-contamination of samples&#160; is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary.</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;width:216px;">Brilliant Blue dye</td>
			<td style="width:71px;">Waldeck GmBH &#38;Co&#160;</td>
			<td style="width:153px;">B0770</td>
			<td>Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Soil Corer</td>
			<td style="width:71px;">AMS</td>
			<td style="width:153px;">56975</td>
			<td>Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">75% Ethanol</td>
			<td style="width:71px;">Any</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td>A Nikon D90 camera and 50mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spray Bottle</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td>Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Spatula</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td>Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gloves</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td>Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible.</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:216px;">KimWipes</td>
			<td style="width:71px;">KimTech Science</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td>Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol.</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:216px;">Sterile Sample bags</td>
			<td style="width:71px;">Fisher Scientific&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ</td>
			<td>Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Color Card</td>
			<td style="width:71px;">Any</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:216px;">X-ray Fluoresce Spectrophotmeter</td>
			<td style="width:71px;">XRF, OLYMPUS</td>
			<td style="width:153px;">DS-2000 Delta XRF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Polypropylene cores</td>
			<td style="width:71px;">Any</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Metal cores&#160;</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Caps for polypropylene cores</td>
			<td style="width:71px;">Any</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Hammer</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:216px;">Plastic putty knives</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Face masks</td>
			<td style="width:71px;">Any&#160;</td>
			<td style="width:153px;">Any</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

soil lysimeter excavation for coupled hydrological, geochemical, and microbiological investigations

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.

As dimensões dos voxels assegurada recolha de amostras para hidrológico, geoquímicos e medições microbiológicos. O procedimento de escavação produziu 324 núcleos para análise microbiológica, 972 pontos de dados pXRF, 324 sacos de amostras geoquímicas, 180 amostras Ksat (128 vertical e horizontal 52), e 311 amostras de densidade a granel. fluxo preferencial de corante Azul Brilhante também foi observado a uma profundidade de 30 cm abaixo da superfície. Um conjunto representa...

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Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Este estudo apresenta um método de escavação para investigar hidrológico subsuperfície, geoquímicos e heterogeneidade microbiológica de um lisímetro de solo. O lisímetro simula um hillslope artificial que foi inicialmente sob condição homogênea e tinha sido submetido a aproximadamente 5.000 mm de água ao longo de oito ciclos de irrigação em um período de 18 meses.

Monólito escavação para Coupled Hidrológicos, geoquímicos e microbiológicos Investigações

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

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Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

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Projeto e operação de uma contínua<sup&gt; 13</sup&gt; C e<sup&gt; 15</sup&gt; N Labeling Câmara de uniforme ou Diferencial, metabólica e estrutural, Fábrica de Marcação por Isótopo

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

Ambiente

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

Integrado Campo Lysimetry e Porewater Amostragem para Avaliação de Química Mobilidade em Solos e Vegetação Fundada

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters

Um Protocolo de Coleta e Construindo lisímetros amostra de solo

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the ...

A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes

A Tabela Gusseted Thermogradient para controlar a temperatura do solo para avaliar o crescimento da planta e monitoramento de processos do solo

Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a ...

Protocols for Quantifying Transferable Pesticide Residues in Turfgrass Systems

Protocolos para quantificar os resíduos de pesticidas transferíveis em Sistemas de relva

Plant canopies in established turfgrass systems can intercept an appreciable amount of sprayed pesticides, which can be transferred through various routes ...

Nanopore DNA Sequencing for Metagenomic Soil Analysis

Sequenciamento de DNA Nanopore para análise de solo Metagenomic

This article describes the steps for construction of a DNA library from soil, preparation and use of the nanopore flow cell, and analysis of the DNA ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Medição e mapeamento de padrões de erosão e deposição relacionadas às concentrações de carbonato de solo sob gestão agrícola

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...

Wastewater Irrigation Impacts on Soil Hydraulic Conductivity: Coupled Field Sampling and Laboratory Determination of Saturated Hydraulic Conductivity

Impactos de irrigação de efluentes na condutividade hidráulica do solo: acoplado a amostragem de campo e laboratório determinação da condutividade hidráulica saturada

Since the early 1960s, an alternative wastewater discharge practice at The Pennsylvania State University has been researched and its impacts monitored. ...

Use of Principal Components for Scaling Up Topographic Models to Map Soil Redistribution and Soil Organic Carbon

Uso de componentes principais para ampliação de modelos topográficos para mapear a redistribuição de terra e solo de carbono orgânico

Landscape topography is a critical factor affecting soil formation and plays an important role in determining soil properties on the earth surface, as it ...

Combined Size and Density Fractionation of Soils for Investigations of Organo-Mineral Interactions

Tamanho combinado e fracionamento de densidade de solos para as investigações de interações de Organo-Mineral

Combined size and density fractionation (CSDF) is a method used to physically separate soil into fractions differing in particle size and mineralogy. CSDF ...