Simulation de la température dans une expérience d’incubation du sol

La température à la surface du globe devrait augmenter au cours de ce siècle de 1,8 à 6,4 °C ^1,2. Le réchauffement climatique peut augmenter le flux de CO₂ du sol vers l’atmosphère, entraînant une rétroaction positive avec le réchauffement 3,4,5,6. Étant donné que les communautés microbiennes jouent un rôle essentiel dans la régulation des réponses respiratoires du sol au réchauffement^7,8, les changements dans la respiration microbienne et les mécanismes microbiens sous-jacents au réchauffement ont été un axe de recherche. Bien que les expériences de réchauffement du sol déployées sur le terrain, via un câble chauffant⁹ et une chambre à toit ouvert¹⁰, aient été avantageuses pour capturer les caractéristiques naturelles du sol telles que la température¹¹, leur coût élevé d’installation et d’entretien a limité leur application. Alternativement, les expériences d’incubation du sol soumises à différentes températures sont un choix favorable. Le principal avantage de l’incubation du sol en laboratoire est que les conditions environnementales bien contrôlées (p. ex. la température) permettent de démêler l’effet à un facteur des autres facteurs de confusion dans un contexte expérimental sur le terrain^12,13. Malgré les différences entre les expériences en chambre de croissance et sur le terrain (p. ex., croissance des plantes), la traduction des résultats de laboratoire au terrain est facilement disponible¹⁴. L’incubation d’échantillons de sol en laboratoire pourrait aider à améliorer notre compréhension mécaniste de la réponse du sol au réchauffement¹⁵.

Notre revue de la littérature a permis de relever plusieurs méthodes de contrôle de la température et, par conséquent, des modes distincts de changement de température dans des études antérieures sur l’incubation du sol (tableau 1). Tout d’abord, les instruments utilisés pour contrôler la température sont principalement à travers un incubateur, une chambre de croissance, un bain-marie et, dans un cas rare, un câble chauffant. Compte tenu de ces instruments, trois modèles typiques de changement de température ont été générés (Figure 1). Il s’agit notamment du mode le plus implémenté, température constante (CT), changement linéaire (LC) avec un taux de changement de température constant non nul et changement non linéaire (NC) présenté avec un type de température diurne. Dans un cas de tomodensitométrie, l’ampleur de la température peut varier au fil du temps, bien que la température reste constante pendant une certaine période pendant l’incubation (Figure 1B). Pour la CL, le taux de changement de température pourrait varier dans différentes études à plus de deux ordres de grandeur (p. ex. 0,1 °C/jour contre 3,3 °C/h; Tableau 1); Pour les cas CN, la plupart reposaient sur la capacité intrinsèque des instruments utilisés, ce qui a conduit à divers modes. Malgré cela, un type de changement de température diurne a été revendiqué à travers un câble chauffant ou un incubateur^16,17; Cependant, les températures de la chambre dans ces expériences n’ont pas été validées. D’autres résultats importants de l’examen présentés dans le tableau 1 comprennent la plage de température d’incubation de 0 à 40 °C, la plupart se situant entre 5 et 25 °C; La durée des expériences variait de quelques heures (<1 jour) à près de 2 ans (~725 jours). en outre, les sols soumis des incubations ont été collectés dans écosystèmes forestiers, prairies et terres cultivées, avec un horizon minéral dominant, organique même contaminés, situés principalement aux États-unis, chine europe (tableau 1).

Compte tenu des trois principaux modes de changement de température, plusieurs scénarios de réchauffement distincts réalisés dans les études antérieures ont été résumés dans le tableau 2. Ils comprennent le réchauffement par étapes (SW), le SW avec une magnitude variable (SW_v), le réchauffement progressif linéaire (GW_l), le réchauffement progressif non linéaire (GW_n) et le réchauffement progressif diurne (GW_d).

En résumé, les incubations passées dans le sol ont généralement capturé la température moyenne de l’air ou du sol dans un site. Dans de nombreux cas, comme le montre le tableau 1, les incubateurs ou les chambres étaient programmés manuellement à une température fixe, mais incapables d’ajuster automatiquement la température comme souhaité, ne permettant pas de contrôler le mode et le taux de changement de température avec le temps (Eq. 1), ce qui rendait difficile d’imiter la température diurne du sol local. D’autre part, bien que nous ayons tenté dans deux expériences^16,17, nous n’avons identifié aucune étude imitant explicitement le réchauffement progressif diurne (GW_d) dans leurs expériences d’incubation (Tableau 1). D’après la revue de la littérature, le principal obstacle réside dans la mauvaise conception expérimentale, en particulier l’absence d’un instrument sophistiqué permettant la mise en œuvre et la validation de scénarios de réchauffement diurne ou d’autres scénarios de réchauffement progressif.

(Éq. 1)

Où ΔT est la quantité de changement de température, m est le mode de changement de température, r est le taux de changement de température et t est la durée du changement.

Pour améliorer la rigueur expérimentale dans l’incubation du sol, une méthode précise et sophistiquée de contrôle de la température est présentée dans cette étude. Adoptant une chambre environnementale de pointe, de plus en plus disponible et économiquement viable, la nouvelle conception permettra non seulement la simulation précise de la température du sol in situ (p. ex., modèle diurne), mais aussi, en tenant compte des changements de température extrêmes possibles, fournira un moyen fiable de minimiser les artefacts de biais instrumental. La conception actuelle de l’incubation du sol devrait aider les chercheurs à déterminer les stratégies optimales qui répondent à leurs besoins en matière d’incubation et de recherche. L’objectif global de cette méthode est de présenter aux biogéochimistes des sols une approche hautement opérationnelle pour réformer la conception de l’incubation des sols.

1. Surveillance et programmation de la température

1. Identifier une zone d’échantillonnage dans une parcelle de recherche. Installez une ou quelques sondes de température automatiques dans les sols à 10 cm de profondeur. Connectez la station météo à un ordinateur via le câble de transmission de données et ouvrez le logiciel sur l’ordinateur.
2. Cliquez sur le bouton Lancer/Propriétés de la barre d’outils pour configurer l’enregistreur pour les capteurs externes utilisés.
3. Dans l’écran Propriétés , définissez le nom de l’enregistreur/de la station (c.-à-d. Explication d’incubation du sol) et l’intervalle de collecte des données (c.-à-d. 60 minutes). Ensuite, dans l’écran Propriétés , cliquez sur Activé sur les ports de capteur externe utilisés et sélectionnez le capteur/l’unité dans le bouton déroulant pour chaque port de capteur (c’est-à-dire Port A ; « Activé »: Température °C). Enfin, cliquez sur OK pour enregistrer les paramètres.
4. Surveillez la lecture des sondes chaque semaine pour éviter les dysfonctionnements et téléchargez le jeu de données une fois par mois. Obtenir un dossier complet pour plusieurs mois couvrant la saison de croissance (c.-à-d. d’avril à septembre).
5. Effectuer une analyse des données des enregistrements de température. Obtenir la température horaire moyenne de la saison de croissance en faisant la moyenne de toutes les observations.
   1. Obtenez la température moyenne de chaque heure sur une base quotidienne en faisant la moyenne des températures de la même heure sur tous les jours pendant la saison de croissance.
6. Dans la chambre sophistiquée, lancez le logiciel et cliquez sur le bouton Profil sur l’écran du menu principal pour créer un nouveau fichier. Dans la ligne de saisie du nom de fichier, entrez « SW low ». En cliquant sur l’option Changement instantané , entrez 15,9 °C comme température initiale obtenue à l’étape 1.5, et entrez 2 sur la ligne Minutes pour maintenir la température pendant 2 min et cliquez sur le bouton Terminé . Ensuite, sous l’option Temps de rampe , entrez 15,9 °C comme point de consigne cible et sur la ligne Heures , entrez 850 h pour maintenir la température. Fianlly, cliquez sur le bouton Terminé .
   1. Répétez l’étape ci-dessus dans la deuxième chambre en ajoutant 5 °C à chaque nœud de température et créez un nouveau nom de fichier « SW high ».
   2. Répéter l’étape 1.4 dans la troisième chambre en ajoutant 23 étapes supplémentaires correspondant aux 23 températures horaires observées du sol obtenues à l’étape 1.5.1. À la dernière étape, appelée JUMP, définissez 42 boucles répétées (Jump Count 42). Cela conduit au scénario d’un réchauffement progressif ou GW faible.
   3. Répétez l’étape ci-dessus dans la quatrième chambre avec 5 °C ajoutés à chaque nœud de température. Cela permettra une simulation de températures variables pendant 42 jours à un niveau de température plus élevé (c.-à-d. GW élevé).
7. Effectuer un essai préliminaire pendant 24 h et produire les températures enregistrées par les quatre chambres. Tracez les températures enregistrées par les chambres par rapport à celles programmées (Figure 2A-D).
   1. Si les températures obtenues dans la chambre correspondent aux températures programmées par une différence de température de <0,1 °C pendant les 24 h (Figure 2A,B,E,F), les chambres conviennent à l’expérience d’incubation du sol.
   2. Si les critères n’ont pas été remplis dans l’une de ces chambres, répéter un autre essai de 24 heures ou demander une nouvelle chambre.

2. Collecte et homogénéisation des sols

1. Près de la zone de sonde de température, prélever cinq échantillons de sol à une profondeur de 0 à 20 cm et les mettre dans un sac en plastique après avoir enlevé la couche de litière superficielle.
2. Bien mélanger l’échantillon en tordant, pressant et mélangeant les matériaux dans le sac jusqu’à ce qu’aucun échantillon de sol individuel ne soit visible.
3. Conservez les échantillons dans une glacière remplie de blocs réfrigérants et transportez-les immédiatement au laboratoire.
4. Retirer les racines de chaque carotte, les tamiser à travers un tamis de 2 mm, mélanger et homogénéiser soigneusement l’échantillon avant l’analyse suivante.

3. Incubation en laboratoire

1. Avant l’incubation, peser 10,0 g de terre fraîche, la sécher au four pendant 24 h à 105 °C et peser la terre sèche. Calculez la différence entre les échantillons de sol frais et sec et calculez le rapport de différence sur le poids du sol sec pour déterminer la teneur en humidité du sol dans une feuille de calcul.
2. Utilisez la teneur en humidité dérivée pour calculer le carbone de la biomasse microbienne du sol (MBC), l’activité enzymatique extracellulaire (AEE) et la respiration hétérotrophe du sol, comme décrit dans les étapes suivantes. Ces données aideront à comprendre les effets du traitement sur la respiration du sol et les mécanismes microbiens sous-jacents.
3. Avant l’incubation, peser le sous-échantillon de sol humide prélevé sur le terrain (10 g) et quantifier le MBC du sol par fumigation au chloroforme-K₂SO₄ et méthodes de digestion au persulfate de potassium¹⁸.
4. Avant l’incubation, peser le sous-échantillon de sol humide au champ (1,0 g) et mesurer l’hydrolyse et l’oxydation du sol^{EEA 19}.
5. Peser 16 sous-échantillons de sol humide sur le terrain (équivalent de 15,0 g de poids sec) dans 16 carottes de polychlorure de vinyle (PVC) (5 cm de diamètre, 7,5 cm de hauteur) scellées avec du papier de fibre de verre sur le fond.
6. Placez les noyaux en PVC dans des bocaux Mason (~1 L) tapissés d’un lit de perles de verre pour vous assurer que les noyaux n’absorbent pas l’humidité.
7. Placez quatre pots dans chacune des quatre chambres comme décrit à l’étape 1.4. Allumez les chambres et lancez le programme simultanément dans quatre chambres.
8. Pendant l’incubation, à 2 h, jours 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 et 42, prenez tous les pots dans chacune des quatre chambres et utilisez un analyseur de gaz CO₂ portable pour mesurer le taux de respiration du sol (R_s) en plaçant le collier de l’analyseur sur le dessus de chaque pot.
9. Prélever de façon destructrice tous les pots à la fin de l’incubation (c.-à-d. jour 42) et quantifier le MBC du sol comme décrit à l’étape 3.3.
10. Prélever de façon destructrice tous les pots à la fin de l’incubation (c.-à-d. jour 42) et quantifier l’activité enzymatique du sol comme décrit à l’étape 3.4.

4. Comparaison des effets de réchauffement

1. En supposant une fréquence respiratoire constante (Rs) entre deux collectes consécutives, utilisez la fréquence respiratoire multipliée par la durée pour calculer la respiration cumulative (R_c).
2. Effectuer une analyse de variance à mesures répétées (ANOVA) à trois voies pour tester les effets principaux et interactifs du temps, de la température (réchauffement) et du mode de température (scénario de réchauffement) sur_{R s} et R_c. En outre, mener une ANOVA bidirectionnelle pour tester le réchauffement et les effets du scénario de réchauffement sur MBC et l’AEE.

Les chambres de pointe sélectionnées ont reproduit la température cible avec une grande précision (Figure 2A, B, E, F) et ont répondu aux exigences techniques de l’expérience d’incubation. Compte tenu de la facilité d’utilisation et d’utilisation, cela signifiait la technique pour améliorer la simulation de température dans les études de réchauffement du sol et dans d’autres applications telles que les études de plantes. La procédure a été utilisée dans notre récente étude de cas basée sur une terre cultivée de panic raide dans le Middle-Tennessee.

Les résultats de la recherche ont montré que, par rapport au traitement témoin, le réchauffement entraînait des pertes respiratoires significativement plus importantes (Rs et R c) dans les deux scénarios de réchauffement (SW et GW), et GW doublait la perte respiratoire induite par le réchauffement (Rc) par rapport au SW, 81% contre 40% (Figure 3). Au jour 42, la MBC et l’EEE étaient également significativement différentes entre SW et GW, de sorte que la MBC était plus élevée dans SW que dans GW (69% vs 38%; Graphique 4) et les glycosidases et la peroxydase (p. ex. AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) étaient significativement plus élevées dans les scénarios GW que dans les scénarios SW (figure 5).

Figure 1 : Illustration du mode de changement de température dans une expérience de réchauffement du sol telle que conceptualisée à partir du tableau 1. (A) Température constante (CT) adoptée par la plupart des études. (B) Température constante avec amplitude variable (CTv). (C, D) Changement linéaire (LC) avec des taux positifs et négatifs. (E,F) Changement non linéaire (NC) avec motif irrégulier et motif diurne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Température visée par programmation et température de la chambre au cours d’une période d’essai de 24 heures. (A,B) Enregistrements de température cible (ligne grise) et de température de la chambre (ligne pointillée) sous contrôle et traitements de réchauffement par étapes (SW); (C, D) Enregistrements de température cible (ligne grise) et de température de la chambre (ligne pointillée) sous contrôle et traitements de réchauffement du réchauffement progressif (GW); (E, F) La différence de température dérivée pour les enregistrements dans les panneaux C et D. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Taux cumulatif moyen (± SE) de respiration du sol (Rc, μg CO2-C·g sol-1) sous contrôle (creux) et de réchauffement (foncé) dans le SW et GW dans une expérience d’incubation dusol de 42 jours. Les encarts montrent les taux de respiration du sol (R s, μg CO2-C·h-1·g sol-1) appliqués pour estimer la respiration cumulative, en supposant que R s était constant jusqu’à la mesure suivante. (A) Réchauffement progressif (SW) et (B) réchauffement progressif (GW). N = 4 dans chaque collection. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : CMB moyen (± SE) sous contrôle et traitements de réchauffement dans le sud-ouest et le GW dans une expérience d’incubation du sol de 42 jours. MBC = carbone de biomasse microbienne; N = 4 dans chaque collection. S indique un effet significatif du scénario de réchauffement (SW vs GW), à p < 0,05, basé sur une ANOVA à mesures répétées à trois voies. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Glycosidases moyennes (± SE) et peroxydase (activité μmol h-1·gsoil-1) sous contrôle et traitements de réchauffement dans le SW et GW dans une expérience d’incubation de 42 jours. BX =β1,4-xylosidase; PA = phosphatase acide; LAP = Leucine Aminopeptidase; NAG =β-1,4-N-acétyl-glucosaminidase; OX = Enzymes oxydatives; SPO = Phénol oxydase; PER = Peroxydase. N = 4 dans chaque collection. S indique un effet significatif du scénario de réchauffement (SW vs GW), à p < 0,05, basé sur une ANOVA à mesures répétées à trois voies. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Tableau 1 : Revue de la littérature sur les méthodes de contrôle de la température et les modes de changement de température dans les études d’incubation du sol 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.
Au total, 46 études ont été incluses dans la revue. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Tableau 2 : Principaux modes de changement de température et scénarios de réchauffement correspondants fondés sur une revue de la littérature (tableau 1). Cinq modes et scénarios ont été établis pour représenter un large éventail de changements de température et de conditions de réchauffement possibles. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

L’auteur n’a rien à divulguer.