هنا، نقدم بروتوكولا لتقييم التنفس القاعدي للتربة باستخدام محلل الغاز بالأشعة تحت الحمراء (IRGA) يسمح بمراقبة مستمرة محكومة لديناميكيات CO₂ في التربة تحت ظروف محكمة، وتقييم قابل للتكرار للنشاط الميكروبي.
مقالة منهجية
هنا، نقدم بروتوكولا لتقييم التنفس القاعدي للتربة باستخدام محلل الغاز بالأشعة تحت الحمراء (IRGA) يسمح بمراقبة مستمرة محكومة لديناميكيات CO₂ في التربة تحت ظروف محكمة، وتقييم قابل للتكرار للنشاط الميكروبي.
يمثل تنفس التربة نقل ثاني أكسيد الكربون من التربة إلى الغلاف الجوي، وهو من أكبر تدفقات الكربون البرية بعد الإنتاج الأولي الإجمالي. ونظرا لأنه مدفوع بشكل كبير بالنشاط الأيضي للكائنات التربية، فإنه يعترف به على نطاق واسع كمؤشر حساس على النشاط البيولوجي للتربة، ودوران الكربون، وتأثيرات الاضطرابات البيئية أو المتعلقة بالإدارة. يدمج تنفس التربة مصادر متعددة لثاني أكسيد الكربون، بما في ذلك التنفس ذاتي التغذية من جذور النباتات والكائنات الدقيقة في الريزوسفير، والتنفس غير التغذي المرتبط بتحلل المادة العضوية الميكروبي. عند قياس التنفس الميكروبي في غياب الركائز الخارجية أو المدخلات الغذائية الحديثة، يشار إلى التنفس الميكروبي باسم التنفس الأساسي للتربة (SBR).
تقدم هذه المقالة بروتوكولا قائما على محلل الغازات بالأشعة تحت الحمراء (IRGA) لقياس SBR في ظروف مختبرية مضبوطة. لعزل المكون غير المتجانس الناتج عن الأيض الميكروبي وحده، يتم استبعاد تدفقات CO₂ المشتقة من النباتات باستخدام عينات تربة مكيفة مسبقا ومصفاة وموحدة تم حضانها تحت ظروف رطوبة ودرجة حرارة موحدة، مما يسمح بقياس التطور التراكمي بين C-CO₂ مع مرور الوقت، مما يوفر بديلا قويا للكتلة الحيوية الميكروبية والنشاط وصحة التربة. يشمل البروتوكول تحضير التربة، وضبط الرطوبة، وحضانة القوارير المغلقة، وقياس ثاني أكسيد الكربون باستخدام IRGA، وحساب التنفس التراكمي.
في هذه الدراسة، قمنا بتقييم SBR باستخدام محلل غاز بالأشعة تحت الحمراء (IRGA)، الذي يسمح بمراقبة ديناميكيات CO₂ في التربة تحت ظروف مضبوطة. أظهرت النتائج التمثيلية أن إضافة السماد عزز التنفس الميكروبي في التربة الجافة من صحراء تابيرناس، مما يشير إلى تحفيز قوي للعمليات الميكروبية بعد التعديل العضوي. تسلط هذه النتائج الضوء على فائدة SBR كمؤشر لتأثيرات إدارة التربة على النشاط الميكروبي، خاصة في البيئات الجافة المتدهورة. منهجيا، يوفر البروتوكول القائم على IRGA أداة عملية للبحث والتعليم في تطبيقات تتعلق بديناميكا كربون التربة.
التنفس في التربة هو عملية بيولوجيوكيميائية مركزية تشمل تدفق ثاني أكسيد الكربون (CO₂) من سطح التربة إلى الغلاف الجوي. يقدر أنه ثاني أكبر تدفق كربوني أرضي بعد الإنتاج الأولي الإجمالي1 ويساهم بشكل كبير في دورة الكربونالعالمية 2. تعد هذه العملية مفتاحا لتغير الكربون في النظم البيئية البرية، وتستخدم بشكل متزايد كمؤشر حساس للنشاط البيولوجي للتربة وديناميكيات احتجاز الكربونفي التربة 3،4.
يستمد التنفس في التربة من مصادر متعددة ويصنف عموما إلى مكونين بيولوجيين رئيسيين: التنفس ذاتي التغذية، الذي ينبع من استقلاب جذور النبات والكائنات الدقيقة المرتبطة بالجذور، والتنفس غير التغذي، المرتبط بالتحلل الميكروبي للمادة العضوية في التربة 5,6. قد تساهم المصادر غير البيولوجية مثل التجوية الكربونية7 والتحلل الضوئي8 أيضا في ظروف محددة. لعزل المكون غير التغذي الناتج عن الأيض الميكروبي فقط، يجب استبعاد تدفقات ثاني أكسيد الكربون المشتقة من النباتات.
ضمن هذا السياق، يعرف التنفس الميكروبي بأنه إنتاج ثاني أكسيد الكربون أو امتصاص الأكسجين بواسطة الكائنات الدقيقة—بما في ذلك البكتيريا والفطريات والبروتوزوا والطحالب—نتيجة لعمليات أيضية هوائية أو لاهوائية9. عند قياس التنفس الميكروبي في غياب الركائز الخارجية أو المدخلات الغذائية الحديثة، يشار إلى التنفس الميكروبي باسم التنفس الأساسي10. يعكس التنفس القاعدي النشاط الأيضي الداخلي لمجتمع الميكروبات الأصلي وغالبا ما يستخدم كبديل للكتلة الحيوية الميكروبية، والنشاط، والحساسية للاضطرابات البيئية أو البشرية11،12.
لتقييم التنفس القاعدي بدقة، تجرى قياسات مختبرية على عينات التربة المكيفة مسبقا والمصفاة والموحدة والمتجانسة. يزيل هذا العلاج المسبق الجذور والحيوانات الكبيرة بشكل فعال، مما يلغي التنفس الذاتي التغذية ويتيح التركيز على النشاط الميكروبي غير التغذي. على الرغم من أن الغربال يغير البنية الأصلية للتربة، إلا أنه يحسن تجانس العينة وقابليتها للتكاثر، ويسهل دراسة العمليات الميكروبية بشكل منفصل9. عادة ما تجرى الحضانة تحت ظروف بيئية مضبوطة مثل 25 درجة مئوية و60٪ من سعة حقل التربة، لتحسين النشاط الميكروبي دون تفضيل مجموعات وظيفية محددة13,14. في هذا السياق، تعد رطوبة التربة وسعة الحقل معايير حاسمة لأن التنفس الميكروبي حساس جدا لتوفر المياه، مما ينظم انتشار الركيزة، وإمدادات الأكسجين، واستقلاب الميكروبات. لهذا السبب، تجرى قياسات التنفس القاعدي عادة في ظروف رطوبة موحدة تعبر عنها بنسبة من سعة الحقل. يتم قياس C-CO₂ الذي تطور خلال فترة الحضانة كمقياس للتنفس القاعدي15.
هذا البروتوكول مناسب بشكل خاص للدراسات المخبرية المحكومة في الحضانة التي تهدف إلى تقييم النشاط الميكروبي من خلال التنفس القاعدي في التربة المكيفة مسبقا. وهو مفيد بشكل خاص لمقارنة التربة التي تخضع لممارسات إدارة مختلفة، مثل التعديل العضوي أو الاضطرابات الأخرى، باستخدام عينات متجانسة تحت ظروف درجة حرارة ورطوبة موحدة. نظرا لاستبعاد مدخلات CO₂ المشتقة من النباتات، فإن الطريقة هي الأنسب لتقييم المكون غير التغذي في تنفس التربة بدلا من التنفس الكلي للتربة في ظروف الحقل.
تم تطوير عدة تقنيات تحليلية لقياس كمية تنفس التربة، تختلف كل منها في الحساسية والإنتاجية والتعقيد التشغيلي 9,16. تشمل الأساليب الكلاسيكية امتصاص القلويات يليه المعايرة، والأنظمة الموصلية، وكروماتوغرافيا الغاز، وتحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء. الطرق المعتمدة على القلويات قوية وغير مكلفة نسبيا، لكنها توفر دقة زمنية محدودة وقد تتأثر بالامتصاص غير الكامل أو تسرب ثاني أكسيد الكربون. تسمح الطرق الموصلية بالقياسات المستمرة، رغم أنها قد تتأثر بدرجة الحرارة وقوة الأيونات. توفر كروماتوغرافيا الغاز قياسا دقيقا لثاني أكسيد الكربون في المساحة الرأسية وتسمح بتحديد الغازات الأخرى في نفس الوقت، لكنها تتطلب أجهزة متخصصة وطاقم مدرب، وقد تكون نسبة الإنتاج محدودة. على النقيض من ذلك، تسمح محللات الغاز بالأشعة تحت الحمراء (IRGA) بمراقبة سريعة ومتكررة لتركيز ثاني أكسيد الكربون تحت ظروف حضانة محكمة، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص لقياسات التنفس الميكروبي حسب الوقت المحدد. ومع ذلك، تتطلب قياسات IRGA أيضا معايرة مناسبة وتحكم دقيق في ظروف الحضانة لضمان قابلية التكرار، وقد تتأثر بانجراف الإشارة، وتداخل بخار الماء، وانخفاض الموثوقية عند تركيزات CO₂ العالي. وقد وسعت التطورات الأخيرة توفر أنظمة التنفس المعتمدة على الأشعة تحت الحمراء وNDIR، بما في ذلك منصات منخفضة التكلفة تعتمد على الغرف والمنصات الاستشعارية للتطبيقات المختبرية والميدانية 24,25. في حضانات القوارير المغلقة، يجب تعديل نسبة المساحة الرأسية إلى التربة والمسافة بين القياسات وفقا لمعدل التنفس المتوقع لتجنب تراكم مفرط لثاني أكسيد الكربون أثناء الحضانة. كما نشرت بروتوكولات حديثة قائمة على IRGA لدعم القياسات المخبرية الموحدة لتنفس التربة تحت ظروف حضانة محكمة 26,27، كما تم اقتراح إرشادات منهجية موحدة لقياسات تنفس التربة في بروتوكولFAO 28 الحديث.في هذا السياق الأوسع، يمكن اعتبار التنفس القاعدي أيضا أحد مكونات تقييم صحة التربة في التجارب الزراعية طويلة الأمد. يعكس النشاط الأيضي الميكروبي وتمعدن الكربون، بينما مؤشرات مثل تدفق ثاني أكسيد الكربون، والكربون القابل للأكسدة بالبرمنغنات، والتقاط الكربون العضوي في التربة تدعم جوانب مكملة لوظيفة التربة29. في هذه الدراسة، استخدمنا IRGA لقياسمعدلات التنفس القاعدي من عينات التربة الحاضنة. تتيح هذه الطريقة المراقبة المتكررة لتدفق ثاني أكسيد الكربون خلال فترة الحضانة، مما يسهل تقييم النشاط الأيضي الميكروبي تحت ظروف رطوبة وحرارة محددة. يصف البروتوكول التالي الإجراء المخبري المستخدم لقياس تنفس التربة القاعدية في التربة التي تتعرض لظروف إدارة مختلفة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
1. التحضيرات
[معادلة 1]2. قياسات تركيز ثاني أكسيد الكربون2
3. حساب التنفس الأساسي للتربة (SBR)
[معادلة 2]
[معادل 3]
[معادلة 4]
[معادلة 5]
الشكل 1: سير عمل بروتوكول التنفس القاعدي للتربة المعتمد على IRGA، من أخذ عينات التربة وتكييفها المسبق إلى الحضانة، وقياس IRGA، والحسابات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج التي أظهرت في هذا المقال تتوافق مع تجربة واحدة تم فيها تعديل التربة منخفضة الخصوبة باستخدام السماد العضوي لزيادة معايير الإخصاب والنشاط الميكروبيولوجي. تم مسح التربة الأصلية في "صحراء تابيرناس" (جنوب شرق إسبانيا)، وهي منطقة ذات مناخ شبه جاف وتربة فقيرة النمو. تم أخذ عينات من حوالي 40 كجم من أعلى 30 سم من حقل زراعي واحد، وأخذت إلى المختبر وتم غربال 2 مم للحصول على نسبة الأرض الدقيقة. تم توزيع هذا الحصان في 6 أواني (حجم 10 لتر) وتم تعديل ثلاثة منها بجرعة 10٪...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يعد تنفس التربة مؤشرا حساسا على النشاط الميكروبي وتحلل المادة العضوية، ويوفر معلومات جديرة بالذكر حول تأثيرات إدارة التربة 23،24. يوفر النهج التجريبي الموضح في هذا المقال إطارا بسيطا وقويا لقياس النشاط الميكروبي في التربة من خلال قياسات انبعاثات CO₂ تحت ظروف مختبرية مضبوطة25، وقد استند إلى غارسيا وآخرون (2003)21. يتيح إعداد الحضانة مع القياسات المتكررة تحليل تدفقات ثاني أكسيد الكربو...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
لا يوجد لدى المؤلفين تضارب مصالح للكشف عنها.
يشكر المؤلفون المشاريع التالية: مشروع الابتكار التعليمي في UAL 25_26_1_85C؛ TECHBIOSOL (PID2024-156189OB-I00 ممول من MICIU/AEI/10.13039/501100011033 /FEDER,UE) وFIRESOIL (CNS2023-145150 برنامج الجيل القادم الإسباني للاتحاد الأوروبي/PRTR الممول من MCINU/AEI/ 10.13039/501100011033). تشكر روثيو سوريا عقد ما بعد الدكتوراه JDC2023–052350-I الممول من MCINU/AEI 0.13039/501100011033 وFSE+. يشكر المؤلفون ل "أندلوزا للتعافي وكومبوستاخي S.L" لتوفير عينات التربة والسماد المستخدم في هذه الدراسة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| غربال 2 مم | |||
| قوارير أو قوارير محكمة الإغلاق مع أغطية (100 مل) | |||
| ميزان تحليلي | |||
| مستخرج لوحة الضغط الهوائي | Soil Moisture Equipment Corp, Goleta, CA, USA | 1600F1 | لحساب السعة الحقلية |
| ماء مزيل الأيونات أو ماء مقطر معقم | |||
| معدات حاضنة | VWR Inc. Radnor, PA, USA | IL 250R PREMIUM | |
| علامة لا تمحى | |||
| عداد تركيز CO2 IRGA | Ametek Inc. Berwin, PA, USA | CheckMate 4 | https://www.ametekmocon.com/products/headspacemapgasanalyzers/checkmate-4 |
| أكياس وصندوق عزل حراري | لنقل التربة إلى المختبر | ||
| فرن المختبر | يجب أن يسمح بمجموعة من 105ºC | ||
| غرفة التدفق الصفحي | CRUMA | HZ-1 | اختياري في الخطوة 2.3 |
| سدادة حشو لختم القوارير بإحكام | |||
| عينات التربة | يتم جمعها بطريقة تمثيلية من المنطقة المراد دراستها. | ||
| مطهرات معقمة | يمكن استخدام مبيض (10%) أو إيثانول (70%) |
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن