Simulation der Temperatur in einem Bodeninkubationsexperiment

Es wird erwartet, dass die globale Oberflächentemperatur in diesem Jahrhundert um 1,8-6,4 ° C ^1,2 steigen wird. Die globale Erwärmung kann den CO₂ -Fluss vom Boden in die Atmosphäre erhöhen, was zu einer positiven Rückkopplung mit der Erwärmung^{führt 3,4,5,6}. Da mikrobielle Gemeinschaften eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der respiratorischen Reaktionen des Bodens auf die Erwärmung spielen^7,8, waren die Veränderungen der mikrobiellen Atmung und die zugrunde liegenden mikrobiellen Mechanismen mit der Erwärmung ein Forschungsschwerpunkt. Obwohl Bodenerwärmungsexperimente, die im Feldzustand über ein Heizkabel⁹ und eine offene obere Kammer¹⁰ durchgeführt wurden, bei der Erfassung natürlicher Bodenmerkmale wie Temperatur¹¹ vorteilhaft waren, haben ihre hohen Kosten für Installation und Wartung ihre Anwendung eingeschränkt. Alternativ sind Bodeninkubationsexperimente bei unterschiedlichen Temperaturen eine günstige Wahl. Der Hauptvorteil der Bodeninkubation in einem Labor besteht darin, dass die gut kontrollierten Umweltbedingungen (z. B. Temperatur) in der Lage sind, den Ein-Faktor-Effekt von anderen Störfaktoren in einer Feldversuchsumgebung^{zu trennen 12,13}. Trotz der Unterschiede zwischen Wachstumskammer- und Feldexperimenten (z. B. Pflanzenwachstum) ist die Translation von Laborergebnissen in das Feld leicht verfügbar¹⁴. Die Inkubation von Bodenproben in einer Laborumgebung könnte dazu beitragen, unser mechanistisches Verständnis der Bodenreaktion auf die Erwärmung zu verbessern¹⁵.

Unsere Literaturübersicht identifizierte mehrere Temperaturkontrollmethoden und folglich unterschiedliche Temperaturänderungsmodi in früheren Bodeninkubationsstudien (Tabelle 1). Erstens werden Instrumente zur Temperaturregelung meist durch einen Inkubator, eine Wachstumskammer, ein Wasserbad und in seltenen Fällen durch ein Heizkabel verwendet. Mit diesen Instrumenten wurden drei typische Temperaturänderungsmuster erzeugt (Abbildung 1). Dazu gehören der am häufigsten implementierte Modus, konstante Temperatur (CT), lineare Änderung (LC) mit einer konstanten Temperaturänderungsrate ungleich Null und nichtlineare Änderung (NC) mit einer täglichen Temperaturart. Bei einem CT-Muster kann die Temperatur im Laufe der Zeit in der Größe variieren, obwohl die Temperatur während der Inkubation für einen bestimmten Zeitraum konstant bleibt (Abbildung 1B). Für LC kann die Rate der Temperaturänderung in verschiedenen Studien um mehr als zwei Größenordnungen variieren (z. B. 0,1 ° C / Tag vs. 3,3 ° C / h; Tabelle 1); Bei NC-Fällen stützten sich die meisten auf die intrinsische Kapazität der verwendeten Instrumente, was zu verschiedenen Modi führte. Trotzdem wurde eine Art tägliche Temperaturänderung durch ein Heizkabel oder einen Inkubator^16,17 behauptet; Die Kammertemperaturen in diesen Experimenten wurden jedoch nicht validiert. Weitere wichtige Überprüfungsergebnisse in Tabelle 1 umfassen den Bereich der Inkubationstemperatur von 0-40 °C, wobei die meisten zwischen 5-25 °C liegen; Die Dauer der Experimente reichte von wenigen Stunden (<1 tag) bis zu fast 2 jahren (~725 tage). außerdem wurden böden, die inkubationen unterzogen wurden, aus wald-, grasland- und ackerlandökosystemen mit dominantem mineralhorizont, organischem horizont sogar kontaminiertem boden gesammelt, sich hauptsächlich in den usa, china europa befinden (Tabelle 1).

Angesichts der drei wichtigsten Temperaturänderungsmodi wurden mehrere unterschiedliche Erwärmungsszenarien, die in den vergangenen Studien erreicht wurden, in Tabelle 2 zusammengefasst. Dazu gehören die schrittweise Erwärmung (SW), SW mit unterschiedlicher Größe (SW_v), die allmähliche Erwärmung linear (GW_l), die allmähliche Erwärmung nichtlinear (GW_n) und die allmähliche Erwärmung täglich (GW_d).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass frühere Bodeninkubationen in der Regel die durchschnittliche Luft- oder Bodentemperatur an einem Standort erfassten. In vielen Fällen, wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden Inkubatoren oder Kammern manuell bei einer festen Temperatur programmiert, waren jedoch nicht in der Lage, die Temperatur automatisch wie gewünscht anzupassen, da sie nicht in der Lage waren, den Modus und die Rate der Temperaturänderung mit der Zeit zu steuern (Gleichung 1), was zu Schwierigkeiten führte, die Tagestemperatur des lokalen Bodens nachzuahmen. Auf der anderen Seite, obwohl in zwei Experimenten^16,17 versucht, identifizierten wir keine Studien^, die explizit die allmähliche Erwärmung tagaktiv (GW_d) in ihren Inkubationsexperimenten imitierten (Tabelle 1). Basierend auf der Literaturrecherche liegt das Haupthindernis in einem schlechten experimentellen Design, insbesondere in dem Fehlen eines ausgeklügelten Instruments, das die Implementierung und Validierung von Tages- oder anderen allmählichen Erwärmungsszenarien ermöglicht.

(Gleichung 1)

Dabei ist ΔT die Größe der Temperaturänderung, m die Art der Temperaturänderung, r die Rate der Temperaturänderung und t die Dauer der Änderung.

Um die experimentelle Strenge bei der Bodeninkubation zu verbessern, wird in dieser Studie eine genaue und ausgeklügelte Temperaturkontrollmethode vorgestellt. Unter Verwendung einer hochmodernen Umweltkammer, die zunehmend verfügbar und wirtschaftlich rentabel ist, soll das neue Design nicht nur die genaue Simulation der In-situ-Bodentemperatur (z. B. Tagesmuster) ermöglichen, sondern auch durch die Berücksichtigung möglicher Temperaturänderungen eine zuverlässige Möglichkeit bieten, die Artefakte instrumenteller Verzerrungen zu minimieren. Das derzeitige Bodeninkubationsdesign sollte den Forschern helfen, optimale Strategien zu identifizieren, die ihren Inkubations- und Forschungsbedürfnissen entsprechen. Das übergeordnete Ziel dieser Methode ist es, Bodenbiogeochemikern einen hochgradig operationellen Ansatz zur Reform des Bodeninkubationsdesigns zu präsentieren.

1. Temperaturüberwachung und Programmierung

1. Identifizieren Sie eine Stichprobenzone innerhalb eines Forschungsdiagramms. Installieren Sie einen oder mehrere automatische Temperaturfühler in Böden in 10 cm Tiefe. Verbinden Sie die Wetterstation über das Datenübertragungskabel mit einem Computer und öffnen Sie die Software auf dem Computer.
2. Klicken Sie auf die Symbolleistenschaltfläche Launch/ Eigenschaften , um den Logger für die verwendeten externen Sensoren zu konfigurieren.
3. Legen Sie auf dem Bildschirm Eigenschaften den Namen des Loggers/der Station (d. h. Bodeninkubationszeit) und das Datenerfassungsintervall (d. h. 60 Minuten) fest. Klicken Sie dann auf dem Bildschirm Eigenschaften an den verwendeten externen Sensoranschlüssen auf Aktiviert und wählen Sie den Sensor/die Einheit aus der Dropdown-Schaltfläche für jeden Sensoranschluss aus (d. h. Port A; "Aktiviert": Temperatur °C). Klicken Sie abschließend auf OK , um die Einstellungen zu speichern.
4. Überwachen Sie die Messwerte der Sonden wöchentlich, um Fehlfunktionen zu vermeiden, und laden Sie den Datensatz einmal im Monat herunter. Erhalten Sie eine vollständige Aufzeichnung für mehrere Monate, die die Vegetationsperiode (d. H. April bis September) abdecken.
5. Führen Sie eine Datenanalyse der Temperaturaufzeichnungen durch. Ermitteln Sie die mittlere stündliche Temperatur der Vegetationsperiode, indem Sie alle Beobachtungen mitteln.
   1. Ermitteln Sie die Durchschnittstemperatur jeder Stunde auf täglicher Basis, indem Sie die Durchschnittstemperaturen derselben Stunde an allen Tagen während der Vegetationsperiode ermitteln.
6. Starten Sie in der anspruchsvollen Kammer die Software und klicken Sie auf die Schaltfläche Profil im Hauptmenübildschirm, um eine neue Datei zu erstellen. Geben Sie in der Eingabezeile für den Dateinamen "SW low" ein. Wenn Sie auf die Option Instant Change klicken, geben Sie 15,9 °C als Anfangstemperatur ein, wie in Schritt 1.5 erhalten, und geben Sie 2 in die Zeile Minuten ein, um die Temperatur für 2 Minuten beizubehalten, und klicken Sie auf die Schaltfläche Fertig . Geben Sie dann unter der Option Rampenzeit 15,9 °C als Zielsollwert und in der Zeile Stunden 850 h ein, um die Temperatur aufrechtzuerhalten. Klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche Fertig .
   1. Wiederholen Sie den obigen Schritt in der zweiten Kammer, indem Sie jedem Temperaturknoten 5 °C hinzufügen und einen neuen Dateinamen "SW high" erstellen.
   2. Wiederholen Sie Schritt 1.4 in der dritten Kammer, indem Sie 23 zusätzliche Schritte hinzufügen, die 23 beobachteten stündlichen Bodentemperaturen entsprechen, wie in Schritt 1.5.1 erhalten. Im letzten Schritt, genannt JUMP, setzen Sie 42 wiederholte Schleifen (Jump Count 42). Dies führt zu dem Szenario einer allmählichen Erwärmung oder GW niedrig.
   3. Wiederholen Sie den obigen Schritt in der vierten Kammer, wobei jedem Temperaturknoten 5 °C hinzugefügt werden. Dies ermöglicht eine Simulation unterschiedlicher Temperaturen für 42 Tage auf einem höheren Temperaturniveau (d.h. GW hoch).
7. Führen Sie einen Vorlauf für 24 h durch und geben Sie die von den vier Kammern aufgezeichneten Temperaturen aus. Zeichnen Sie die von den Kammern aufgezeichneten Temperaturen mit den programmierten Temperaturen ab (Abbildung 2A-D).
   1. Wenn die in der Kammer erreichten Temperaturen mit den Temperaturen übereinstimmen, die durch eine Temperaturdifferenz <0,1 °C während der 24 h programmiert sind (Abbildung 2A,B,E,F), eignen sich die Kammern für das Bodeninkubationsexperiment.
   2. Wenn die Kriterien in keiner dieser Kammern erfüllt sind, wiederholen Sie einen weiteren 24-Stunden-Test oder suchen Sie eine neue Kammer auf.

2. Bodensammlung und Homogenisierung

1. Sammeln Sie in der Nähe des Temperaturfühlerbereichs fünf Bodenproben in 0-20 cm Tiefe und legen Sie sie nach dem Entfernen der Oberflächenstreuschicht in einen Plastikbeutel.
2. Mischen Sie die Probe gründlich, indem Sie die Materialien im Beutel drehen, drücken und vermischen, bis keine einzelne Bodenprobe sichtbar ist.
3. Lagern Sie die Proben in einem mit Eisbeuteln gefüllten Kühler und transportieren Sie die Proben sofort ins Labor.
4. Entfernen Sie die Wurzeln in jedem Kern, sieben Sie sie durch ein Bodensieb von 2 mm und mischen und homogenisieren Sie die Probe vor der folgenden Analyse gründlich.

3. Inkubation im Labor

1. Vor der Inkubation 10,0 g frische Erde wiegen, 24 h bei 105 °C im Ofen trocknen und den trockenen Boden wiegen. Leiten Sie die Differenz zwischen frischen und trockenen Bodenproben ab und berechnen Sie das Verhältnis der Differenz zum Gewicht des trockenen Bodens, um den Bodenfeuchtegehalt in einer Tabelle zu bestimmen.
2. Verwenden Sie den abgeleiteten Feuchtigkeitsgehalt, um den mikrobiellen Biomassekohlenstoff (MBC), die extrazelluläre Enzymaktivität (EEA) und die heterotrophe Bodenatmung wie in den folgenden Schritten beschrieben zu berechnen. Diese Daten werden helfen, die Behandlungseffekte auf die Bodenatmung und die zugrunde liegenden mikrobiellen Mechanismen zu verstehen.
3. Vor der Inkubation wird die Feldunterprobe für feuchten Boden (10 g) gewogen und die Boden-MBC durch Chloroformbegasung-K2SO4-Extraktion und Kaliumpersulfat-Aufschlussmethoden¹⁸ quantifiziert.
4. Wiegen Sie vor der Inkubation die Teilprobe des feldfeuchten Bodens (1,0 g) und messen Sie den hydrolytischen und oxidativen Boden EEA¹⁹.
5. Wiegen Sie 16 feldfeuchte Bodenteilproben (15,0 g Äquivalent des Trockengewichts) in 16 Polyvinylchlorid (PVC) -Kernen (5 cm Durchmesser, 7,5 cm hoch), die mit Glasfaserpapier auf der Unterseite versiegelt sind.
6. Legen Sie die PVC-Kerne in Einmachgläser (~ 1 L), die mit einem Bett aus Glasperlen ausgekleidet sind, um sicherzustellen, dass die Kerne keine Feuchtigkeit aufnehmen.
7. Legen Sie vier Gläser in jede der vier Kammern, wie in Schritt 1.4 beschrieben. Schalten Sie die Kammern ein und starten Sie das Programm gleichzeitig in vier Kammern.
8. Nehmen Sie während der Inkubation um 2 Stunden, Tag 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 und 42 alle Gläser in jeder der vier Kammern und verwenden Sie einen tragbaren CO₂ -Gasanalysator, um die Bodenatmungsrate (R_s) zu messen, indem Sie den Kragen des Analysators oben in jedes Glas legen.
9. Sammeln Sie destruktiv alle Gläser am Ende der Inkubation (d. h. Tag 42) und quantifizieren Sie die Boden-MBC wie in Schritt 3.3 beschrieben.
10. Sammeln Sie alle Gläser am Ende der Inkubation (d. h. Tag 42) destruktiv und quantifizieren Sie die Bodenenzymaktivität wie in Schritt 3.4 beschrieben.

4. Vergleich der wärmenden Wirkung

1. Wenn Sie eine konstante Atemfrequenz (Rs) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Entnahmen annehmen, verwenden Sie die Atemfrequenz multipliziert mit der Dauer, um die kumulative Atmung (R_c) abzuleiten.
2. Führen Sie eine dreifache Varianzanalyse (ANOVA) durch, um die wichtigsten und interaktiven Auswirkungen von Zeit, Temperatur (Erwärmung) und Temperaturmodus (Erwärmungsszenario) auf_{R s} und R_c zu testen. Führen Sie außerdem eine bidirektionale ANOVA durch, um die Auswirkungen von Erwärmungs- und Erwärmungsszenarien auf MBC und EUA zu testen.

Die ausgewählten hochmodernen Kammern replizierten die Zieltemperatur mit hoher Präzision (Abbildung 2A,B,E,F) und erfüllten die technischen Anforderungen des Inkubationsexperiments. Angesichts der einfachen Handhabung und Bedienung bedeutete dies die Technik zur Verbesserung der Temperatursimulation in Bodenerwärmungsstudien und in anderen Anwendungen wie Pflanzenstudien. Das Verfahren wurde in unserer jüngsten Fallstudie angewendet, die auf einem Rutenhirsen-Ackerland in Middle-Tennessee basiert.

Die Forschungsergebnisse zeigten, dass die Erwärmung im Vergleich zur Kontrollbehandlung in beiden Erwärmungsszenarien (SWund GW) zu signifikant größeren Atemverlusten(RS und RC) führte und GW den wärmebedingten Atemverlust (Rc) im Vergleich zu SW verdoppelte, 81% vs. 40% (Abbildung 3). An Tag 42 unterschieden sich MBC und EEA auch signifikant zwischen SW und GW, so dass MBC in SW höher war als in GW (69% vs. 38%; Abbildung 4) und Glykosidasen und Peroxidase (z. B. AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) waren in GW signifikant höher als in SW-Szenarien (Abbildung 5).

Abbildung 1: Die Darstellung des Temperaturänderungsmodus in einem Bodenerwärmungsexperiment, wie aus Tabelle 1 konzipiert. (A) Konstante Temperatur (CT), die von den meisten Studien übernommen wird. (B) Konstante Temperatur mit unterschiedlicher Größe (CTv). (C,D) Lineare Veränderung (LC) mit positiven und negativen Raten. (E,F) Nichtlineare Veränderung (NC) mit unregelmäßigem Muster und Tagesmuster. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Zieltemperatur über Programmierung und Kammertemperatur während einer 24-stündigen Testphase. (A,B) Aufzeichnung der Zieltemperatur (graue Linie) und der Kammertemperatur (gestrichelte Linie) unter Kontrolle und Erwärmungsbehandlungen der schrittweisen Erwärmung (SW); (C,D) Solltemperatur (graue Linie) und Kammertemperaturaufzeichnungen (gestrichelte Linie) unter Kontrolle und wärmende Behandlungen der allmählichen Erwärmung (GW); (E, F) Die Temperaturdifferenz, die für Aufzeichnungen in den Feldern C und D abgeleitet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Mittlere (± SE) kumulative Bodenatmungsrate (Rc, μg CO2-C·gBoden-1) unter Kontrolle (hohl) und wärmende (dunkel) Behandlungen in SW und GW in einem 42-tägigen Bodeninkubationsexperiment. Die Einschübe zeigen die Bodenatmungsraten(Rs, μg CO2-C·h-1·g Boden-1), die zur Schätzung der kumulativen Atmung herangezogen wurden, unter der Annahme, dass Rs bis zur nächsten Messung konstant war. (A) Schrittweise Erwärmung (SW) und (B) allmähliche Erwärmung (GW). N = 4 in jeder Sammlung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Mittlere (± SE) MBC unter Kontrolle und wärmende Behandlungen in SW und GW in einem 42-tägigen Bodeninkubationsexperiment. MBC = mikrobieller Biomassekohlenstoff; N = 4 in jeder Sammlung. S bezeichnet einen signifikanten Effekt des Erwärmungsszenarios (SW vs. GW) bei p < 0,05, basierend auf einer dreifach wiederholten ANOVA. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5: Mittlere (± SE) Glykosidasen und Peroxidase (μmol-Aktivität h-1·gsoil-1) unter Kontrolle und wärmende Behandlungen in SW und GW in einem 42-tägigen Inkubationsexperiment. BX =β1,4-Xylosidase; AP = Saure Phosphatase; LAP = Leucin-Aminopeptidase; NAG =β-1,4-N-Acetyl-Glucosaminidase; OCHSE = Oxidative Enzyme; PHO = Phenoloxidase; PER = Peroxidase. N = 4 in jeder Sammlung. S bezeichnet einen signifikanten Effekt des Erwärmungsszenarios (SW vs. GW) bei p < 0,05, basierend auf einer dreifach wiederholten ANOVA. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Literaturübersicht zu Temperaturregelungsmethoden und Temperaturänderungsmodi in Bodeninkubationsstudien 12,13,16,17,20,21,22,23,24,25,2 6,27,28,29, 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.
Insgesamt wurden 46 Studien in den Review eingeschlossen. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Tabelle 2: Wichtige Temperaturänderungsmodi und die entsprechenden Erwärmungsszenarien basierend auf einer Literaturrecherche (Tabelle 1). Fünf Modi und Szenarien wurden festgelegt, um eine breite Palette möglicher Temperaturänderungen und Erwärmungsbedingungen darzustellen. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

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