Simulación de temperatura en un experimento de incubación de suelo

Se espera que la temperatura global de la superficie aumente este siglo en 1.8-6.4 °C ^1,2. El calentamiento global puede aumentar el flujo de_CO2 del suelo a la atmósfera, lo que resulta en una retroalimentación positiva con el calentamiento 3,4,5,6. Debido a que las comunidades microbianas desempeñan un papel fundamental en la regulación de las respuestas respiratorias del suelo al calentamiento^7,8, los cambios en la respiración microbiana y los mecanismos microbianos subyacentes con el calentamiento han sido un foco de investigación. Aunque los experimentos de calentamiento del suelo desplegados en la condición de campo, a través de un cable calefactor⁹ y una cámara superior abierta¹⁰, fueron ventajosos para capturar características naturales del suelo como la temperatura¹¹, su alto costo de instalación y mantenimiento ha limitado su aplicación. Alternativamente, los experimentos de incubación de suelo sujetos a diferentes temperaturas son una opción favorable. La principal ventaja de la incubación del suelo en un laboratorio es que las condiciones ambientales bien controladas (por ejemplo, la temperatura) son capaces de separar el efecto de un factor de otros factores de confusión en un entorno experimental de campo^12,13. A pesar de las diferencias entre la cámara de crecimiento y los experimentos de campo (por ejemplo, el crecimiento de las plantas), la traducción de los resultados de laboratorio al campo está fácilmente disponible¹⁴. La incubación de muestras de suelo en un entorno de laboratorio podría ayudar a mejorar nuestra comprensión mecanicista de la respuesta del suelo al calentamiento¹⁵.

Nuestra revisión de la literatura identificó varios métodos de control de temperatura y, en consecuencia, distintos modos de cambio de temperatura en estudios anteriores de incubación del suelo (Tabla 1). Primero, los instrumentos utilizados para controlar la temperatura son principalmente a través de una incubadora, cámara de crecimiento, baño de agua y, en un caso raro, cable calefactor. Dados estos instrumentos, se han generado tres patrones típicos de cambio de temperatura (Figura 1). Estos incluyen el modo más implementado, temperatura constante (CT), cambio lineal (LC) con una tasa de cambio de temperatura constante no nula y cambio no lineal (NC) presentado con un tipo de temperatura diurna. Para un caso de patrón de TC, la temperatura puede variar en magnitud con el tiempo, aunque la temperatura constante permanece durante un cierto período de tiempo durante la incubación (Figura 1B). Para la CL, la tasa de cambio de temperatura podría variar en diferentes estudios a más de dos órdenes de magnitud (p. ej., 0,1 °C/día vs. 3,3 °C/h; Cuadro 1); Para los casos NC, la mayoría se basó en la capacidad intrínseca de los instrumentos utilizados, lo que condujo a varios modos. A pesar de que se reclamó un tipo de cambio de temperatura diurna a través de un cable calefactor o incubadora^16,17; Sin embargo, las temperaturas de la cámara en estos experimentos no fueron validadas. Otros resultados importantes de la revisión en la Tabla 1 incluyen el rango de temperatura de incubación de 0-40 °C, con la mayoría entre 5-25 °C; La duración de los experimentos varió de unas pocas horas (<1 día) a casi 2 años (~725 días). además, los suelos sometidos incubaciones se recolectaron de ecosistemas forestales, pastizales y tierras cultivo, con horizonte mineral dominante, orgánico e incluso suelo contaminado, ubicados principalmente en estados unidos, china europa (Tabla 1).

Dados los tres modos principales de cambio de temperatura, varios escenarios de calentamiento distintos logrados en los estudios anteriores se resumieron en la Tabla 2. Incluyen calentamiento escalonado (SW), SW con magnitud variable (SW_v), calentamiento gradual lineal (GW_l), calentamiento gradual no lineal (GW_n) y calentamiento gradual diurno (GW_d).

En resumen, las incubaciones de suelo pasadas generalmente capturaron la temperatura promedio del aire o del suelo en un sitio. En muchos casos, como se muestra en la Tabla 1, las incubadoras o cámaras se programaron manualmente a una temperatura fija, pero no pudieron ajustar automáticamente la temperatura según lo deseado, careciendo de la capacidad de controlar el modo y la velocidad del cambio de temperatura con el tiempo (Ec. 1), lo que dificulta imitar la temperatura diurna del suelo local. Por otro lado, aunque se intentó en dos experimentos^16,17, no identificamos estudios que imitaran explícitamente el calentamiento gradual diurno (GW_d) en sus experimentos de incubación (Tabla 1). Según la revisión de la literatura, el principal obstáculo radica en el diseño experimental deficiente, particularmente la falta de un instrumento sofisticado que permita la implementación y validación de escenarios de calentamiento diurno u otros escenarios de calentamiento gradual.

(Ec. 1)

Donde ΔT es la cantidad de cambio de temperatura, m es el modo de cambio de temperatura, r es la tasa de cambio de temperatura y t es la duración del cambio.

Para mejorar el rigor experimental en la incubación del suelo, en este estudio se presenta un método de control de temperatura preciso y sofisticado. Al adoptar una cámara ambiental de última generación, cada vez más disponible y económicamente viable, el nuevo diseño no solo permitirá la simulación precisa de la temperatura del suelo in situ (por ejemplo, patrón diurno), sino que también, al tener en cuenta posibles cambios extremos de temperatura, proporcionará una forma confiable de minimizar los artefactos de sesgo instrumental. El diseño actual de incubación del suelo debe ayudar a los investigadores a identificar estrategias óptimas que satisfagan sus necesidades de incubación e investigación. El objetivo general de este método es presentar a los biogeoquímicos del suelo un enfoque altamente operativo para reformar el diseño de incubación del suelo.

1. Monitoreo y programación de temperatura

1. Identificar una zona de muestreo dentro de una parcela de investigación. Instale una o varias sondas automáticas de temperatura en suelos a 10 cm de profundidad. Conecte la estación meteorológica a una computadora a través del cable de transmisión de datos y abra el software en la computadora.
2. Haga clic en el botón de la barra de herramientas Inicio/Propiedades para configurar el registrador para los sensores externos que se utilizan.
3. En la pantalla Propiedades , establezca el nombre del registrador/estación (es decir, Soil incubation exp.) y el intervalo de recopilación de datos (es decir, 60 min). Luego, en la pantalla Propiedades , haga clic en Habilitado en los puertos del sensor externo que se están utilizando y seleccione el sensor/unidad en el botón desplegable para cada puerto del sensor (es decir, Puerto A; "Habilitado": Temperatura °C). Finalmente, haga clic en Aceptar para guardar la configuración.
4. Supervise la lectura de las sondas semanalmente para evitar un mal funcionamiento y descargue el conjunto de datos una vez al mes. Obtenga un registro completo de varios meses que cubra la temporada de crecimiento (es decir, de abril a septiembre).
5. Realizar análisis de datos de los registros de temperatura. Obtenga la temperatura media por hora de la temporada de crecimiento promediando todas las observaciones.
   1. Obtenga la temperatura media de cada hora diariamente promediando temperaturas de la misma hora durante todos los días durante la temporada de crecimiento.
6. En la cámara sofisticada, inicie el software y haga clic en el botón Perfil en la pantalla del menú principal para crear un nuevo archivo. En la línea de entrada del nombre de archivo, escriba "SW bajo". Al hacer clic en la opción Cambio instantáneo , ingrese 15.9 ° C como temperatura inicial como se obtuvo en el paso 1.5, e ingrese 2 en la fila Minutos para mantener la temperatura durante 2 minutos y haga clic en el botón Listo . Luego, en la opción Tiempo de rampa , ingrese 15.9 ° C como punto de ajuste objetivo y en la fila Horas ingrese 850 h para mantener la temperatura. En primer lugar, haga clic en el botón Listo .
   1. Repita el paso anterior en la segunda cámara agregando 5 °C a cada nodo de temperatura y cree un nuevo nombre de archivo "SW high".
   2. Repita el paso 1.4 en la tercera cámara añadiendo 23 pasos adicionales correspondientes a las 23 temperaturas horarias observadas del suelo obtenidas en el paso 1.5.1. En el último paso, llamado JUMP, establece 42 bucles repetidos (Jump Count 42). Esto lleva al escenario de calentamiento gradual o GW bajo.
   3. Repita el paso anterior en la cuarta cámara con 5 °C añadidos a cada nodo de temperatura. Esto permitirá una simulación de temperaturas variables durante 42 días a un nivel de temperatura más alto (es decir, GW alto).
7. Realizar una ejecución preliminar durante 24 h y emitir las temperaturas registradas por las cuatro cámaras. Trazar las temperaturas registradas por las cámaras contra las programadas (Figura 2A-D).
   1. Si las temperaturas alcanzadas en la cámara coinciden con las temperaturas programadas por una diferencia de temperatura <0,1 °C durante las 24 h (Figura 2A,B,E,F), las cámaras son adecuadas para el experimento de incubación del suelo.
   2. Si los criterios no se cumplieron en cualquiera de estas cámaras, repita otra prueba de 24 h o busque una nueva cámara.

2. Recolección y homogeneización del suelo

1. Cerca del área de la sonda de temperatura, recoja cinco muestras de suelo a una profundidad de 0-20 cm y colóquelas en una bolsa de plástico después de quitar la capa de basura superficial.
2. Mezcle bien la muestra retorciéndolo, presionando y mezclando los materiales en la bolsa hasta que no se vea ninguna muestra de suelo individual.
3. Guarde las muestras en una hielera llena de bolsas de hielo y transporte las muestras al laboratorio inmediatamente.
4. Retire las raíces en cada núcleo, tamizarlo a través de un tamiz de tierra de 2 mm, y mezclar y homogeneizar bien la muestra antes del siguiente análisis.

3. Incubación de laboratorio

1. Antes de la incubación, pesar 10,0 g de tierra fresca, séquela al horno durante 24 h a 105 °C y pese la tierra seca. Derive la diferencia entre muestras de suelo fresco y seco y calcule la relación de diferencia sobre el peso del suelo seco para determinar el contenido de humedad del suelo en una hoja de cálculo.
2. Utilice el contenido de humedad derivado para calcular el carbono de la biomasa microbiana del suelo (MBC), la actividad enzimática extracelular (EEA) y la respiración heterótrofa del suelo como se describe en los siguientes pasos. Estos datos ayudarán a comprender los efectos del tratamiento en la respiración del suelo y los mecanismos microbianos subyacentes.
3. Antes de la incubación, pesar la submuestra de suelo húmedo de campo (10 g) y cuantificar el MBC del suelo mediante la fumigación con cloroformo-K₂SO₄ y los métodos de digestión de persulfato de potasio¹⁸.
4. Antes de la incubación, pesar la submuestra de suelo húmedo de campo (1,0 g) y medir el suelo hidrolítico y oxidativo^{EEE 19}.
5. Pesar 16 submuestras de suelo húmedo de campo (equivalente a 15,0 g de peso seco) en 16 núcleos de cloruro de polivinilo (PVC) (5 cm de diámetro, 7,5 cm de alto) sellados con papel de fibra de vidrio en la parte inferior.
6. Coloque los núcleos de PVC en frascos Mason (~ 1 L) forrados con una cama de cuentas de vidrio para asegurarse de que los núcleos no absorban la humedad.
7. Coloque cuatro frascos en cada una de las cuatro cámaras como se describe en el paso 1.4. Encienda las cámaras e inicie el programa simultáneamente en cuatro cámaras.
8. Durante la incubación, a las 2 h, días 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 y 42, tome todos los frascos en cada una de las cuatro cámaras y use un analizador portátil de gas CO₂ para medir la tasa de respiración del suelo (R_s) colocando el collar del analizador en la parte superior de cada frasco.
9. Recoja destructivamente todos los frascos al final de la incubación (es decir, el día 42) y cuantifique la CMM del suelo como se describe en el paso 3.3.
10. Recolectar destructivamente todos los frascos al final de la incubación (es decir, el día 42) y cuantificar la actividad enzimática del suelo como se describe en el paso 3.4.

4. Comparación del efecto de calentamiento

1. Suponiendo una tasa de respiración constante (Rs) entre dos colecciones consecutivas, use la tasa de respiración multiplicada por la duración para derivar la respiración acumulada (R_c).
2. Realizar un análisis de varianza de medidas_repetidas de tres vías (ANOVA) para probar los efectos principales e interactivos del tiempo, la temperatura (calentamiento) y el modo de temperatura (escenario de calentamiento) en R s y R_c. Además, realice un ANOVA bidireccional para probar el calentamiento y los efectos del escenario de calentamiento en MBC y EEA.

Las cámaras seleccionadas de última generación replicaron la temperatura objetivo con alta precisión (Figura 2A, B, E, F) y cumplieron con los requisitos técnicos del experimento de incubación. Dado el fácil uso y operación, esto significó la técnica para mejorar la simulación de temperatura en estudios de calentamiento del suelo y en otras aplicaciones como estudios de plantas. El procedimiento se ha empleado en nuestro reciente estudio de caso basado en una tierra de cultivo de pasto varilla en el centro de Tennessee.

Los resultados de la investigación mostraron que, en relación con el tratamiento de control, el calentamiento condujo a pérdidas respiratorias significativamente mayores (Rs y R c) en ambos escenarios de calentamiento (SW y GW), y GW duplicó la pérdida respiratoria inducida por el calentamiento (Rc) en relación con SW, 81% vs. 40% (Figura 3). En el día 42, MBC y EEA también fueron significativamente diferentes entre SW y GW, de modo que MBC fue mayor en SW que en GW (69% vs. 38%; Figura 4) y las glicosidasas y la peroxidasa (p. ej., AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) fueron significativamente mayores en GW que en los escenarios SW (Figura 5).

Figura 1: La ilustración del modo de cambio de temperatura en un experimento de calentamiento del suelo como se conceptualiza a partir de la Tabla 1. (A) Temperatura constante (TC) adoptada por la mayoría de los estudios. (B) Temperatura constante con magnitud variable (CTv). (C,D) Cambio lineal (LC) con tasas positivas y negativas. (E,F) Cambio no lineal (NC) con patrón irregular y patrón diurno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Temperatura dirigida a través de la programación y la temperatura de la cámara durante un período de prueba de 24 horas. (A,B) Temperatura objetivo (línea gris) y registros de temperatura de la cámara (línea discontinua) bajo control y tratamientos de calentamiento escalonado (SW); (C,D) Temperatura objetivo (línea gris) y registros de temperatura de la cámara (línea discontinua) bajo control y tratamientos de calentamiento gradual (GW); (E, F) La diferencia de temperatura derivada para los registros en los paneles C y D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Tasa media (± SE) acumulada de respiración del suelo (Rc, μg CO2-C·g suelo-1) bajo control (hueco) y calentamiento (oscuro) tratamientos en SW y GW en un experimento de incubación desuelo de 42 días. Los recuadros muestran las tasas de respiración del suelo (R s, μg CO2-C·h-1·g suelo-1) aplicadas para estimar la respiración acumulada, asumiendo que R s era constante hasta la siguiente medición. (A) Calentamiento gradual (SW) y (B) calentamiento gradual (GW). N = 4 en cada colección. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Media (± SE) MBC bajo control y tratamientos de calentamiento en SW y GW en un experimento de incubación de suelo de 42 días. MBC = carbono de biomasa microbiana; N = 4 en cada colección. S denota un efecto significativo del escenario de calentamiento (SW vs. GW), en p < 0.05, basado en un ANOVA de tres vías de medidas repetidas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Media (± SE) glicosidasas y peroxidasa (actividad μmol h-1·gsuelo-1) bajo control y tratamientos de calentamiento en SW y GW en un experimento de incubación de 42 días. BX =β1,4-xilosidasa; AP = fosfatasa ácida; LAP = Leucina aminopeptidasa; NAG =β-1,4-N-acetil-glucosaminidasa; OX = Enzimas oxidativas; PHO = Fenol oxidasa; PER = Peroxidasa. N = 4 en cada colección. S denota un efecto significativo del escenario de calentamiento (SW vs. GW), en p < 0.05, basado en un ANOVA de tres vías de medidas repetidas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1: Revisión bibliográfica de métodos de control de temperatura y modos de cambio de temperatura en estudios de incubación de suelos 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.
En total, se incluyeron 46 estudios en la revisión. Haga clic aquí para descargar esta tabla.

Tabla 2: Principales modos de cambio de temperatura y los escenarios de calentamiento correspondientes basados en una revisión de la literatura (Tabla 1). Se establecieron cinco modos y escenarios para representar una amplia gama de posibles condiciones de cambio de temperatura y calentamiento. Haga clic aquí para descargar esta tabla.

El autor no tiene nada que revelar.