模拟土壤培养实验中的温度

本方案将介绍一种先进的环境培养室，并演示一种改进土壤培养实验设计的新型温度控制方法。该技术的主要优势在于能够模拟机构土壤温度的强度和振幅。该方法可用于模拟土壤培养中的不同变暖情景，例如极端高温。

该技术的一个潜在挑战是设置腔室内的温度程序。需要观察并了解土壤中昼夜温度的变化。首先，在计算机上打开软件，然后单击“启动和属性工具栏”按钮，以配置用于外部传感器的数据记录仪。

设置记录仪站点名称和数据采集间隔。然后在属性界面中，点击所使用外部传感器端口的“启用”，并从下拉菜单中为每个传感器端口选择相应的传感器和单位。最后，点击“确定”以保存设置。

每月下载一次数据集，获取覆盖生长季数个月的完整记录。为分析温度数据，通过平均生长季期间的所有观测值，计算生长季的逐小时平均温度。为获得每天每小时的平均温度，需对生长季期间所有日期同一时刻的温度进行平均。

在精密腔室中，启动软件并点击主菜单界面上的“配置文件”按钮以创建新文件。在文件名输入行中，输入 SW Low。点击“即时更改”选项，将初始温度设为 15.9 摄氏度。

在“分钟”行输入2，以保持温度2分钟，然后单击“完成”按钮。接着在“升温时间”选项下，将目标设定点输入为15.9摄氏度，在“小时”行输入850小时以维持该温度，然后单击“完成”按钮。在第二个腔室中，为每个温度节点增加5摄氏度。

创建一个新文件，命名为 SW High，并重复之前显示的步骤。在第三个腔室中，添加 23 个额外的步骤，对应于观测到的 23 个逐小时土壤温度；在最后一个名为 Jump 的步骤中，设置 42 次重复循环。这将形成逐渐升温或 GW Low 的情景。

在第四个腔室中，将每个温度节点增加五摄氏度，并重复之前所示的步骤。这将实现对较高温度水平下42天不同温度的模拟。先进行24小时的初步运行，并输出四个腔室记录的温度。

将培养箱记录的温度与设定程序中的温度进行对比作图。若培养箱内实际达到的温度与程序设定温度之间的差异在24小时内小于0.1摄氏度，则该培养箱适用于土壤培养实验。若未满足此标准，需重复另一次24小时测试，或更换新的培养箱。

在温度探头附近区域，去除表层凋落物后，采集0至20厘米深度的五个土壤样品，放入塑料袋中。通过揉捏、按压和混合袋中材料，充分混匀样品，直至无法分辨出单个土壤样品。将样品置于装有冰袋的冷藏箱中，并立即运送至实验室。

去除每个土芯中的根系，通过2毫米土壤筛进行过筛，并充分混合均匀样品。称取10克新鲜土壤。

在105摄氏度下烘干24小时，称量干燥土壤。计算新鲜土壤与干燥土壤样品之间的差值，并以差值与干燥土壤重量的比值计算土壤含水量，可使用电子表格进行计算。称取10克田间湿润土壤的子样品，采用氯仿熏蒸、硫酸钾提取及过硫酸钾消解法测定土壤微生物生物量碳。

接下来，称取一克田间湿润土壤的子样品，测定土壤水解性和氧化性胞外酶活性。然后，在16个底部用玻璃纤维滤纸密封的PVC土芯中，分别称取16份田间湿润土壤子样品。将土芯置于盛有一层玻璃珠的一升梅森罐中，以确保土芯不会吸收水分。

在四个腔室中各放置四个广口瓶。同时开启四个腔室并启动程序。在培养期间，取出四个腔室中的所有广口瓶，将便携式二氧化碳气体分析仪的探头置于每个广口瓶顶部，以测定土壤呼吸速率。

在培养结束时（即第42天）破坏性地收集所有培养瓶，测定土壤微生物生物量碳和土壤酶活性。假设两次连续采样间的呼吸速率恒定，用呼吸速率乘以时间间隔计算累积呼吸量。采用三因素重复测量方差分析（ANOVA），检验时间、温度和温度模式对呼吸速率和累积呼吸量的主效应及交互效应。

此外，进行双因素方差分析（双因素方差分析）以检验增温和增温情景对微生物生物量碳和胞外酶活性的影响。此处展示了土壤增温实验中的温度变化模式示意图。图中展示了大多数研究采用的恒定温度、幅度变化的恒定温度、具有正负速率的线性变化，以及具有不规则和昼夜模式的非线性变化。

本图展示了在42天土壤培养实验中，逐步升温与渐进升温处理下对照和增温条件下土壤呼吸速率的平均累积值。插图显示了用于估算累积呼吸量的土壤呼吸速率，假设呼吸速率保持恒定。结果表明，在两种增温情景下，增温均导致显著更高的呼吸损失，且与逐步升温相比，渐进升温使增温引起的呼吸损失增加了一倍，分别为81%和40%。本图还展示了在42天土壤培养实验中，逐步升温与渐进升温处理下对照和增温条件下的平均微生物生物量碳含量。

此处，S 表示基于三因素重复测量方差分析（three-way repeated measures ANOVA）得出的增温情景的显著效应。该图展示了在为期 42 天的实验中，逐步增温和渐进增温条件下，对照处理和增温处理下水解酶和氧化酶活性的平均值。该技术发展成熟后，为土壤生物地球化学研究者提供了通过培养室内的精密编程，研究不同增温情景对土壤呼吸作用及微生物影响的途径。