PVC-rör målade med rost, kända som IRIS-rör, hjälpa till att spåra hur mycket syre som finns i jorden. När det inte finns tillräckligt med syre, mikrober kommer att förvandla rosten till vanligt järn, som sköljer bort. Dessa rör torkar efter att ha extraherats från experimenten och sköljs. Kredit:J.C. Fiola
Stå utanför och titta under dina fötter. Där, kanske under lite gräs, är jorden. En torr dag, alla utrymmen i jorden är fyllda med luft. Och en bit längre ner, dessa utrymmen är helt och hållet vatten. Så vad finns däremellan?
Det är kapillärfransen. Och det kanske bara är det viktigaste – och mystiska – du aldrig har hört talas om.
Som en pappershandduk som suger upp vatten från en yta, vatten stiger över sin naturliga nivå i jordar genom kapillärverkan. Mycket kemisk och mikrobiell aktivitet i marken varierar beroende på hur mycket vatten eller luft som finns runt omkring. Så, kapillärfransen styr många viktiga funktioner i jorden.
"Viktiga processer som nedbrytning av föroreningar och kollagring beror på mängden vatten och syre tillgängligt, " säger Jaclyn Fiola, nu doktorand vid Virginia Tech. "Att förstå förhållandena i kapillärkanten kommer att hjälpa oss att förutsäga var vissa jordprocesser kommer att inträffa."
Fiola och hennes team satte sig för att bättre förstå denna märkliga region. Men det är ingen lätt bedrift. Med hela kanten under jorden, det är osynligt. Och även forskare har svårt att komma överens om var kanten börjar och slutar. Det är där labbexperiment kommer väl till pass.
Teamet samlade två sorters jord, en sandig och en lerig. Forskarna packade denna jord i fem-liters hinkar med hål nära botten för att tillåta vatten att komma in.
Träbjörken fastnar efter att ha legat i kapillärfransarnas experimenthinkar i 118 dagar. Pinnarna togs upp ur jorden, sköljda, torkad, och vägdes för att bestämma hur mycket nedbrytning som hade inträffat. Kredit:J.C. Fiola
För att spåra nyckelhändelserna i kapillärkanten, Fiola vände sig till smarta enkla system. För att studera hur mycket syre som fanns i jorden, forskarna målade PVC-rör med rostinbäddad färg. De förde in dessa rör i jorden.
Där det inte fanns tillräckligt med syre, mikrober skulle "andas" rost istället. Det skulle förvandla rosten till en annan form av järn, som sköljer bort. Genom att mäta hur mycket rost som fanns kvar, laget kunde få en glimt under jorden.
Forskarna blev förvånade när de upptäckte att vattnet steg hela höjden av hinkarna i båda typerna av jordar. Det betyder att kapillärfransen sträckte sig minst 9 tum, mer än de förväntade sig.
De var också förvånade över att PVC-rören hade tappat rosten långt över vattenytan. "Detta betyder att jorden i kapillärkanten minst 2 tum ovanför grundvattenytan beter sig som jord i grundvattenytan även om den inte är helt mättad, säger Fiola.
"Baserat på resultaten, jorden direkt ovanför grundvattenytan beter sig mycket som den mättade jorden i grundvattenytan, säger Fiola.
Våtmarker definieras av regeringen som jordar som är mättade nära ytan. Men om jordar verkar som om de är mättade även ovanför grundvattenytan, det betyder att fler områden kan fungera som våtmarker och förtjäna skydd.
De sammansatta experimenthinkarna med lerjord i början av experimentet. PVC-rör med rostfärg och träpinnar användes för att spåra syre och nedbrytning. Kredit:M.C. Rabenhorst
Forskare ville också bättre förstå hur vatten och luft i kapillärkanten kan påverka andra markprocesser. För att spåra nedbrytning, de stack in träpinnar i jorden. Forskare fann att mikrober som äter träpinnar var finnickiga.
"Våra resultat tyder på att mikroberna som utför nedbrytning kräver idealiska förhållanden - inte för blöta och inte för torra, säger Fiola. Veden var mest uppäten mitt i hinkarna där den var fuktig.
"Kapillärfransen är alldeles för komplicerad att definiera baserat på en enda mätning, " säger Fiola. Även om hennes team mätte många olika aspekter av kanten, dessa mätningar stämde inte alltid överens med varandra.
Jordar är komplexa, speciellt utanför labbet. Så nu planerar forskarna att studera kapillärkanten under mer realistiska förhållanden och i fält.
Det framtida arbetet kan ge oss en bättre förståelse för – och uppskattning för – det otydliga, komplex, och viktiga mellanrum under våra fötter.
