محاكاة درجة الحرارة في تجربة حضانة التربة

من المتوقع أن ترتفع درجة حرارة السطح العالمية هذا القرن بمقدار 1.8-6.4 درجة مئوية ^1,2. قد يؤدي الاحترار العالمي إلى زيادة تدفق CO₂ من التربة إلى الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى ردود فعل إيجابية مع الاحترار³،⁴،^5،6. نظرا لأن المجتمعات الميكروبية تلعب دورا مهما في تنظيم استجابات التربة التنفسية للاحترار ^7,8 ، فإن التغييرات في التنفس الميكروبي والآليات الميكروبية الأساسية مع الاحترار كانت محور تركيز بحثي. على الرغم من أن تجارب ارتفاع درجة حرارة التربة التي تم نشرها في الحالة الميدانية ، عبر كابل التدفئة⁹ والغرفة المفتوحة¹⁰ ، كانت مفيدة في التقاط ميزات التربة الطبيعية مثل درجة الحرارة¹¹ ، إلا أن تكلفتها العالية للتركيب والصيانة حدت من تطبيقها. بدلا من ذلك ، تعد تجارب حضانة التربة الخاضعة لدرجات حرارة مختلفة خيارا مناسبا. الميزة الأساسية لحضانة التربة في المختبر هي أن الظروف البيئية التي يتم التحكم فيها جيدا (مثل درجة الحرارة) قادرة على فصل تأثير العامل الواحد عن العوامل المربكة الأخرى في بيئة تجريبية ميدانية^12,13. على الرغم من الاختلافات بين غرفة النمو والتجارب الميدانية (على سبيل المثال ، نمو النبات) ، فإن الترجمة من نتائج المختبر إلى الميدان متاحة بسهولة¹⁴. يمكن أن يساعد احتضان عينات التربة في بيئة معملية في تحسين فهمنا الميكانيكي لاستجابة التربة للاحترار¹⁵.

حددت مراجعة الأدبيات الخاصة بنا العديد من طرق التحكم في درجة الحرارة ، وبالتالي ، أنماط تغير درجة الحرارة المتميزة في دراسات حضانة التربة السابقة (الجدول 1). أولا ، الأدوات المستخدمة للتحكم في درجة الحرارة هي في الغالب من خلال حاضنة ، وغرفة نمو ، وحمام مائي ، وفي حالة نادرة ، كابل تدفئة. بالنظر إلى هذه الأدوات ، تم إنشاء ثلاثة أنماط نموذجية لتغير درجة الحرارة (الشكل 1). وتشمل هذه الوضع الأكثر تنفيذا ، ودرجة الحرارة الثابتة (CT) ، والتغيير الخطي (LC) مع معدل تغيير درجة حرارة ثابت غير صفري ، والتغيير غير الخطي (NC) المميز بنوع نهاري من درجة الحرارة. بالنسبة لحالة نمط التصوير المقطعي المحوسب ، قد تختلف درجة الحرارة في الحجم بمرور الوقت ، على الرغم من بقاء درجة حرارة ثابتة لفترة زمنية معينة أثناء الحضانة (الشكل 1 ب). بالنسبة ل LC ، يمكن أن يختلف معدل تغير درجة الحرارة في دراسات مختلفة بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم (على سبيل المثال ، 0.1 درجة مئوية / يوم مقابل 3.3 درجة مئوية / ساعة ؛ الجدول 1)؛ بالنسبة لحالات NC ، اعتمد معظمها على القدرة الجوهرية للأدوات المستخدمة ، مما أدى إلى أنماط مختلفة. على الرغم من أنه تم المطالبة بنوع من التغير في درجة الحرارة النهارية من خلال كابل تسخين أو حاضنة^16,17 ؛ ومع ذلك ، لم يتم التحقق من صحة درجات حرارة الغرفة في هذه التجارب. وتشمل نتائج الاستعراض الرئيسية الأخرى الواردة في الجدول 1 نطاق درجة حرارة الحضانة من 0-40 درجة مئوية، مع ما بين 5-25 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية، ويتراوح معظمها بين 5 و25 درجة مئوية؛ وتتراوح درجة حرارة الحضانة بين 0-40 تراوحت مدة التجارب من بضع ساعات (<1 يوم) إلى ما يقرب من 2 سنوات (~ 725 يوما). أيضا ، تم جمع التربة المعرضة للحضانة الغابات والأراضي العشبية والنظم الإيكولوجية للأراضي الزراعية مع الأفق المعدني السائد والأفق العضوي وحتى الملوثة والتي تقع في الغالب الولايات المتحدة والصين وأوروبا (الجدول 1).

بالنظر إلى أنماط تغير درجة الحرارة الرئيسية الثلاثة ، تم تلخيص العديد من سيناريوهات الاحترار المتميزة التي تحققت في الدراسات السابقة في الجدول 2. وهي تشمل الاحترار التدريجي (SW) ، SW بأحجام متفاوتة (SW_v) ، الاحترار التدريجي خطيا (GW_l) ، الاحترار التدريجي غير الخطي (GW_n) ، والاحترار التدريجي يوميا (GW_d).

باختصار ، عادة ما تلتقط حضانات التربة السابقة متوسط درجة حرارة الهواء أو التربة في الموقع. في كثير من الحالات ، كما هو موضح في الجدول 1 ، تمت برمجة الحاضنات أو الغرف يدويا عند درجة حرارة ثابتة ولكنها غير قادرة على ضبط درجة الحرارة تلقائيا حسب الرغبة ، وتفتقر إلى القدرة على التحكم في وضع ومعدل تغير درجة الحرارة مع مرور الوقت (مكافئ 1) ، مما يؤدي إلى صعوبة تقليد درجة الحرارة النهارية للتربة المحلية. من ناحية أخرى ، على الرغم من محاولتنا في تجربتين^16,17 ، لم نحدد أي دراسات تقلد صراحة الاحترار التدريجي يوميا (GW_d) في تجارب الحضانة (الجدول 1). واستنادا إلى مراجعة الأدبيات، تكمن العقبة الرئيسية في التصميم التجريبي الضعيف، ولا سيما الافتقار إلى أداة متطورة تمكن من تنفيذ سيناريوهات الاحترار النهاري أو غيرها من سيناريوهات الاحترار التدريجي والتحقق من صحتها.

(مكافئ 1)

حيث ΔT هي كمية التغير في درجة الحرارة ، m هي طريقة تغير درجة الحرارة ، r هي معدل تغير درجة الحرارة ، و t هي مدة التغيير.

لتحسين الصرامة التجريبية في حضانة التربة ، تم تقديم طريقة دقيقة ومتطورة للتحكم في درجة الحرارة في هذه الدراسة. من خلال اعتماد غرفة بيئية حديثة ، متاحة بشكل متزايد وقابلة للتطبيق اقتصاديا ، لن يتيح التصميم الجديد فقط المحاكاة الدقيقة لدرجة حرارة التربة في الموقع (على سبيل المثال ، النمط النهاري) ولكن أيضا ، من خلال حساب التغيرات القصوى المحتملة في درجات الحرارة ، يوفر طريقة موثوقة لتقليل القطع الأثرية للتحيز الفعال. يجب أن يساعد التصميم الحالي لاحتضان التربة الباحثين على تحديد الاستراتيجيات المثلى التي تلبي احتياجاتهم من الحضانة والبحث. الهدف العام من هذه الطريقة هو تقديم كيميائيين حيويين للتربة بنهج تشغيلي للغاية لإصلاح تصميم حضانة التربة.

1. مراقبة درجة الحرارة والبرمجة

1. تحديد منطقة أخذ العينات داخل مخطط البحث. قم بتركيب واحد أو عدد قليل من مجسات درجة الحرارة الأوتوماتيكية في التربة على عمق 10 سم. قم بتوصيل محطة الطقس بجهاز كمبيوتر عبر كابل نقل البيانات وافتح البرنامج على الكمبيوتر.
2. انقر فوق زر شريط أدوات التشغيل / الخصائص لتكوين المسجل لأجهزة الاستشعار الخارجية المستخدمة.
3. في شاشة الخصائص ، قم بتعيين اسم المسجل / المحطة (أي Soil incubation exp.) والفاصل الزمني لجمع البيانات (أي 60 دقيقة). ثم ، في شاشة الخصائص ، انقر فوق ممكن على منافذ المستشعر الخارجية المستخدمة وحدد المستشعر / الوحدة من زر القائمة المنسدلة لكل منفذ مستشعر (على سبيل المثال ، المنفذ A ؛ "ممكن": درجة الحرارة °C). أخيرا ، انقر فوق "موافق " لحفظ الإعدادات.
4. راقب قراءة المجسات أسبوعيا لتجنب حدوث عطل وقم بتنزيل مجموعة البيانات مرة واحدة في الشهر. احصل على سجل كامل لعدة أشهر يغطي موسم النمو (أي من أبريل إلى سبتمبر).
5. إجراء تحليل البيانات لسجلات درجة الحرارة. الحصول على متوسط درجة الحرارة كل ساعة لموسم النمو عن طريق حساب متوسط جميع الملاحظات.
   1. الحصول على متوسط درجة الحرارة لكل ساعة على أساس يومي عن طريق حساب متوسط درجات الحرارة لنفس الساعة عبر جميع الأيام خلال موسم النمو.
6. في الغرفة المتطورة ، قم بتشغيل البرنامج وانقر على زر الملف الشخصي على شاشة القائمة الرئيسية لإنشاء ملف جديد. في سطر إدخال اسم الملف ، أدخل "SW low". بالنقر فوق خيار التغيير الفوري ، أدخل 15.9 درجة مئوية كدرجة حرارة أولية كما تم الحصول عليها في الخطوة 1.5 ، وأدخل 2 في صف الدقائق للحفاظ على درجة الحرارة لمدة دقيقتين وانقر على زر تم . ثم ، ضمن خيار وقت المنحدر ، أدخل 15.9 درجة مئوية كنقطة ضبط مستهدفة وفي صف الساعات أدخل 850 ساعة للحفاظ على درجة الحرارة. Fianlly ، انقر فوق الزر تم .
   1. كرر الخطوة المذكورة أعلاه في الغرفة الثانية بإضافة 5 درجات مئوية إلى كل عقدة درجة حرارة وإنشاء اسم ملف جديد "SW high".
   2. كرر الخطوة 1.4 في الغرفة الثالثة بإضافة 23 خطوة إضافية تقابل 23 درجة حرارة تربة ملحوظة كل ساعة كما تم الحصول عليها في الخطوة 1.5.1. في الخطوة الأخيرة ، المسماة JUMP ، قم بتعيين 42 حلقة متكررة (Jump Count 42). هذا يؤدي إلى سيناريو الاحترار التدريجي أو انخفاض غيغاواط.
   3. كرر الخطوة أعلاه في الغرفة الرابعة مع إضافة 5 درجات مئوية إلى كل عقدة درجة حرارة. سيسمح ذلك بمحاكاة درجات حرارة متفاوتة لمدة 42 يوما عند مستوى درجة حرارة أعلى (أي ارتفاع GW).
7. إجراء تشغيل أولي لمدة 24 ساعة وإخراج درجات الحرارة المسجلة من قبل الغرف الأربع. ارسم درجات الحرارة التي سجلتها الغرف مقابل تلك المبرمجة (الشكل 2A-D).
   1. إذا كانت درجات الحرارة المحققة في الغرفة تتطابق مع درجات الحرارة كما تمت برمجتها باختلاف درجة الحرارة <0.1 درجة مئوية خلال 24 ساعة (الشكل 2 أ ، ب ، ه ، و) ، فإن الغرف مناسبة لتجربة حضانة التربة.
   2. إذا لم يتم استيفاء المعايير في أي من هذه الغرف ، كرر اختبارا آخر لمدة 24 ساعة أو ابحث عن غرفة جديدة.

2. جمع التربة وتجانسها

1. بالقرب من منطقة مسبار درجة الحرارة ، اجمع خمس عينات من التربة على عمق 0-20 سم وضعها في كيس بلاستيكي واحد بعد إزالة طبقة القمامة السطحية.
2. امزج العينة جيدا عن طريق لف المواد الموجودة في الكيس والضغط عليها وخلطها حتى لا تظهر عينة تربة فردية.
3. قم بتخزين العينات في مبرد مملوء بأكياس الثلج ونقل العينات إلى المختبر على الفور.
4. قم بإزالة الجذور في كل قلب ، وقم بغربلها من خلال غربال تربة 2 مم ، وقم بخلط العينة وتجانسها جيدا قبل التحليل التالي.

3. حضانة المختبر

1. قبل الحضانة ، قم بوزن 10.0 جم من التربة الطازجة ، وجففها في الفرن لمدة 24 ساعة عند 105 درجة مئوية ، وقم بوزن التربة الجافة. اشتق الفرق بين عينات التربة الطازجة والجافة واحسب نسبة الاختلاف على وزن التربة الجافة لتحديد محتوى رطوبة التربة في جدول بيانات.
2. استخدم محتوى الرطوبة المشتق لحساب كربون الكتلة الحيوية الميكروبية للتربة (MBC) ، ونشاط الإنزيم خارج الخلية (EEA) ، وتنفس التربة غير المتجانس كما هو موضح في الخطوات التالية. ستساعد هذه البيانات في فهم تأثيرات المعالجة على تنفس التربة والآليات الميكروبية الأساسية.
3. قبل الحضانة ، قم بوزن العينة الفرعية للتربة الرطبة الحقلية (10 جم) وحدد كمية التربة MBC عن طريق التبخير الكلوروفورم - K₂SO₄ طرق الاستخراج وهضم بيرسلفات البوتاسيوم¹⁸.
4. قبل الحضانة ، قم بوزن العينة الفرعية للتربة الرطبة الحقلية (1.0 جم) وقم بقياس تحلل التربة المائي والأكسدة EEA¹⁹.
5. قم بوزن 16 عينة فرعية من التربة الرطبة الحقلية (15.0 جم مكافئ للوزن الجاف) في 16 نواة من البولي فينيل كلوريد (PVC) (قطرها 5 سم ، طولها 7.5 سم) مختومة بورق ألياف زجاجية في الأسفل.
6. ضع نوى PVC في برطمانات ميسون (~ 1 لتر) مبطنة بسرير من الخرز الزجاجي للتأكد من أن النوى لا تمتص الرطوبة.
7. ضع أربعة برطمانات في كل غرفة من الغرف الأربع كما هو موضح في الخطوة 1.4. قم بتشغيل الغرف وابدأ تشغيل البرنامج في وقت واحد في أربع غرف.
8. أثناء الحضانة ، في الساعة 2 ، الأيام 1 و 2 و 7 و 14 و 21 و 28 و 35 و 42 ، خذ جميع الجرار في كل غرفة من الغرف الأربع واستخدم محلل غاز CO₂ المحمول لقياس معدل تنفس التربة (R_s) عن طريق وضع طوق المحلل في أعلى كل جرة.
9. جمع جميع الجرار بشكل مدمر في نهاية الحضانة (أي اليوم 42) وتحديد كمية التربة MBC كما هو موضح في الخطوة 3.3.
10. اجمع كل الجرار بشكل مدمر في نهاية الحضانة (أي اليوم 42) وحدد نشاط إنزيم التربة كما هو موضح في الخطوة 3.4.

4. مقارنة تأثير الاحترار

1. بافتراض معدل تنفس ثابت (Rs) بين مجموعتين متتاليتين ، استخدم معدل التنفس مضروبا في المدة لاشتقاق التنفس التراكمي (R_c).
2. إجراء تحليل ثلاثي للمقاييس المتكررة للتباين (ANOVA) لاختبار التأثيرات الرئيسية والتفاعلية للوقت ودرجة الحرارة (الاحترار) ووضع درجة الحرارة (سيناريو الاحترار) على R_s و R_c. بالإضافة إلى ذلك ، قم بإجراء تحليل تحليل التباين الأحادي ثنائي الاتجاه لاختبار تأثيرات سيناريو الاحترار والاحترار على MBC و EEA.

قامت الغرف الحديثة المختارة بتكرار درجة الحرارة المستهدفة بدقة عالية (الشكل 2 أ ، ب ، ه ، و) واستوفت المتطلبات الفنية لتجربة الحضانة. نظرا لسهولة الاستخدام والتشغيل ، فإن هذا يدل على تقنية تحسين محاكاة درجة الحرارة في دراسات ارتفاع درجة حرارة التربة وفي التطبيقات الأخرى مثل الدراسات النباتية. تم استخدام الإجراء في دراسة الحالة الأخيرة الخاصة بنا بناء على أرض زراعة عشبية في وسط تينيسي.

أظهرت نتائج الأبحاث أنه بالنسبة للعلاج الضابط ، أدى الاحترار إلى خسائر تنفسية أكبر بكثير (Rs و R c) في كلا سيناريوهتي الاحترار (SW و GW) ، وضاعف GW فقدان الجهاز التنفسي الناجم عن الاحترار (Rc) بالنسبة إلى SW ، 81٪ مقابل 40٪ (الشكل 3). في اليوم 42 ، كانت MBC و EEA مختلفة أيضا بشكل كبير بين SW و GW ، بحيث كانت MBC أعلى في SW منها في GW (69٪ مقابل 38٪ ؛ الشكل 4) والجليكوزيداز والبيروكسيديز (على سبيل المثال ، AG ، BG ، BX ، CBH ، NAG ، AP ، LAP) كانت أعلى بكثير في GW منها في سيناريوهات SW (الشكل 5).

الشكل 1: الرسم التوضيحي لنمط تغير درجة الحرارة في تجربة ارتفاع درجة حرارة التربة كما هو موضح في الجدول 1. (أ) درجة حرارة ثابتة (CT) اعتمدتها معظم الدراسات. (ب) درجة حرارة ثابتة ذات مقدار متفاوت (CTv). (ج، د) التغير الخطي (LC) بمعدلات إيجابية وسالبة. (ه، واو) التغيير غير الخطي (NC) مع نمط غير منتظم ونمط نهاري. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: درجة الحرارة المستهدفة عبر البرمجة ودرجة حرارة الغرفة خلال فترة اختبار 24 ساعة. (أ ، ب) درجة الحرارة المستهدفة (الخط الرمادي) وسجلات درجة حرارة الغرفة (الخط المتقطع) تحت السيطرة ومعالجات الاحترار التدريجي (SW) ؛ (ج، د) درجة الحرارة المستهدفة (الخط الرمادي) وسجلات درجة حرارة الغرفة (الخط المتقطع) تحت السيطرة ومعالجات الاحترار التدريجي (GW) ؛ (ه، واو) الفرق في درجة الحرارة المستمدة للسجلات في اللوحتين C و D. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: متوسط معدل التنفس التراكمي للتربة (± SE) (Rc ، μg CO2-C · g التربة -1) تحت السيطرة (أجوف) وعلاجات الاحترار (الداكن) في SW و GW في تجربة حضانةالتربة لمدة 42 يوما. تظهر الأجزاء الداخلية معدلات تنفس التربة (R s ، μg CO2-C · h-1 · g soil-1) المطبقة لتقدير التنفس التراكمي ، بافتراض أن Rs كان ثابتا حتى القياس التالي. (أ) الاحترار التدريجي (SW) و (ب) الاحترار التدريجي (GW). N = 4 في كل مجموعة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 4: متوسط (± SE) MBC تحت السيطرة وعلاجات الاحترار في SW و GW في تجربة حضانة التربة لمدة 42 يوما. MBC = كربون الكتلة الحيوية الميكروبية ؛ N = 4 في كل مجموعة. يشير S إلى تأثير كبير لسيناريو الاحترار (SW مقابل GW) ، عند p < 0.05 ، بناء على مقاييس متكررة ثلاثية الاتجاهات ANOVA. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: متوسط (± SE) جليكوزيداز وبيروكسيديز (نشاط μmol h-1 · gsoil-1) تحت السيطرة وعلاجات الاحترار في SW و GW في تجربة حضانة مدتها 42 يوما. BX = β1،4-زيلوسيداز ؛ ا ف ب = حمض الفوسفاتيز اللفة = ليوسين أمينوببتيداز. NAG =β-1،4-N-أسيتيل-جلوكوزامينيداز ؛ OX = الانزيمات المؤكسدة; فو = الفينول أوكسيديز. لكل = البيروكسيداز. N = 4 في كل مجموعة. يشير S إلى تأثير كبير لسيناريو الاحترار (SW مقابل GW) ، عند p < 0.05 ، بناء على مقاييس متكررة ثلاثية الاتجاهات ANOVA. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الجدول 1: مراجعة الأدبيات لطرق التحكم في درجة الحرارة وأنماط تغير درجة الحرارة في دراسات حضانة التربة12،13،16،17،20،21،22،23،24،25،26،27،28،29 ، 30،31،32 ،
33،34،35،36،37،38،39،40،41،42،43،44،45،46،47،48،49،50 ، 51,
52،53،54،55،56،57،58،59،60،61،62.
في المجموع ، تم تضمين 46 دراسة في المراجعة. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.

الجدول 2: أنماط تغير درجة الحرارة الرئيسية وسيناريوهات الاحترار المقابلة بناء على مراجعة الأدبيات (الجدول 1). تم وضع خمسة أنماط وسيناريوهات لتمثيل مجموعة واسعة من التغيرات المحتملة في درجات الحرارة وظروف الاحترار. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.

ليس لدى المؤلف ما يكشف عنه.