הדמיית טמפרטורה בניסוי דגירה בקרקע

טמפרטורת פני השטח העולמית צפויה לעלות במאה זו ב-1.8-6.4 מעלות צלזיוס ^1,2. התחממות כדור הארץ עשויה להגביר את שטף ה-CO₂ מהקרקע לאטמוספרה, וכתוצאה מכך לקבל משוב חיובי עם התחממות^של 3,4,5,6. מאחר שקהילות מיקרוביות ממלאות תפקיד קריטי בוויסות תגובות הנשימה של הקרקע להתחממות^7,8, השינויים בנשימה המיקרוביאלית ובמנגנונים המיקרוביאליים הבסיסיים עם ההתחממות היו מוקד מחקרי. אף על פי שניסויי חימום קרקע שנפרסו בתנאי שדה, באמצעות כבל חימום⁹ ותא עליון פתוח¹⁰, היו יתרון בלכידת תכונות קרקע טבעיות כגון טמפרטורה¹¹, העלות הגבוהה שלהם להתקנה ותחזוקה הגבילה את היישום שלהם. לחלופין, ניסויי דגירה בקרקע בכפוף לטמפרטורות שונות הם בחירה חיובית. היתרון העיקרי של דגירה בקרקע במעבדה הוא שתנאי הסביבה המבוקרים היטב (למשל, טמפרטורה) מסוגלים לנתק את אפקט הגורם האחד מגורמים מבלבלים אחרים במסגרת ניסוי שדה^12,13. למרות ההבדלים בין תא הגידול לניסויי שדה (למשל, גידול צמחים), התרגום מתוצאות המעבדה לשדה זמין^{בקלות 14}. דגירה של דגימות קרקע בסביבת מעבדה יכולה לעזור לשפר את ההבנה המכניסטית שלנו של תגובת הקרקע להתחממות¹⁵.

סקירת הספרות שלנו זיהתה מספר שיטות לבקרת טמפרטורה, וכתוצאה מכך, מצבי שינוי טמפרטורה שונים במחקרי דגירה קודמים בקרקע (טבלה 1). ראשית, מכשירים המשמשים לשליטה בטמפרטורה הם בעיקר באמצעות אינקובטור, תא צמיחה, אמבט מים, ובמקרה נדיר, כבל חימום. בהינתן המכשירים האלה, נוצרו שלושה דפוסי שינוי טמפרטורה אופייניים (איור 1). אלה כוללים את המצב המיושם ביותר, טמפרטורה קבועה (CT), שינוי ליניארי (LC) עם קצב שינוי טמפרטורה קבוע שאינו אפס, ושינוי לא ליניארי (NC) המוצג עם סוג יומי של טמפרטורה. במקרה של דפוס CT, הטמפרטורה עשויה להשתנות בגודלה עם הזמן, אם כי טמפרטורה קבועה נשארת למשך פרק זמן מסוים במהלך הדגירה (איור 1B). עבור LC, קצב שינוי הטמפרטורה עשוי להשתנות במחקרים שונים ביותר משני סדרי גודל (למשל, 0.1 °C ליום לעומת 3.3 °C/h; טבלה 1); במקרים של NC, רובם הסתמכו על היכולת הפנימית של המכשירים המשמשים, ובכך הובילו למצבים שונים. למרות זאת סוג של שינוי טמפרטורה יומי נטען באמצעות כבל חימום או אינקובטור^16,17; עם זאת, טמפרטורות התאים בניסויים אלה לא אומתו. תוצאות סקירה עיקריות אחרות בטבלה 1 כוללות את טווח טמפרטורת הדגירה של 0-40 מעלות צלזיוס, כאשר רובן בין 5-25 מעלות צלזיוס; משך הניסויים נע בין כמה שעות (<יום אחד) לכמעט שנתיים (~725 ימים). כמו כן, קרקעות שהיו נתונות לדגירות נאספו ממערכות אקולוגיות של יערות, ערבות ושטחי יבול, עם אופק מינרלי דומיננטי, אופק אורגני ואף קרקע מזוהמת, הממוקמת בעיקר בארה"ב, סין ואירופה (טבלה 1).

בהתחשב בשלושת מצבי שינוי הטמפרטורה העיקריים, סוכמו בטבלה 2 כמה תרחישי התחממות שונים שהושגו במחקרים קודמים. הם כוללים התחממות הדרגתית (SW), SW עם גודל משתנה (SW_v), התחממות הדרגתית ליניארית (GW_l), התחממות הדרגתית לא ליניארית (GW_n), והתחממות הדרגתית מדי יום (GW_d).

לסיכום, דגירה של קרקע בעבר תפסה בדרך כלל את טמפרטורת האוויר או הקרקע הממוצעת באתר. במקרים רבים, כפי שמוצג בטבלה 1, אינקובטורים או תאים תוכנתו ידנית בטמפרטורה קבועה אך לא היו מסוגלים להתאים את הטמפרטורה באופן אוטומטי לפי הצורך, ללא יכולת לשלוט במצב ובקצב שינוי הטמפרטורה עם הזמן (Eq. 1), ובכך הובילו לקושי לחקות את הטמפרטורה היומית של הקרקע המקומית. מצד שני, למרות שניסינו בשני ניסויים^16,17, לא זיהינו מחקרים שחיקו במפורש התחממות הדרגתית יומית (GW_d) בניסויי הדגירה שלהם (טבלה 1). על פי סקירת הספרות, המכשול העיקרי טמון בתכנון ניסויי לקוי, במיוחד היעדר מכשיר מתוחכם המאפשר יישום ואימות של תרחישי התחממות יומיים או הדרגתיים אחרים.

(סעיף 1)

כאשר ΔT הוא כמות שינוי הטמפרטורה, m הוא מצב שינוי הטמפרטורה, r הוא קצב שינוי הטמפרטורה, ו-t הוא משך השינוי.

כדי לשפר את הקפדנות הניסויית בדגירה בקרקע, מוצגת במחקר זה שיטת בקרת טמפרטורה מדויקת ומתוחכמת. תוך אימוץ תא סביבתי משוכלל, זמין יותר ויותר וכדאי מבחינה כלכלית, העיצוב החדש לא רק יאפשר סימולציה מדויקת של טמפרטורת הקרקע באתרה (למשל, תבנית יומית), אלא גם, על ידי התחשבות בשינויי טמפרטורה קיצוניים אפשריים, יספק דרך אמינה למזער את החפצים של הטיה אינסטרומנטלית. תכנון הדגירה הנוכחי של הקרקע אמור לסייע לחוקרים לזהות אסטרטגיות אופטימליות העונות על צורכי הדגירה והמחקר שלהם. המטרה הכוללת של שיטה זו היא להציג לביוגיאוכימאים של הקרקע גישה מבצעית ביותר לרפורמה בתכנון הדגירה בקרקע.

1. ניטור טמפרטורה ותכנות

1. זהה אזור דגימה בתוך חלקת מחקר. התקן אחד או כמה בדיקות טמפרטורה אוטומטיות בקרקע בעומק 10 ס"מ. חבר את תחנת מזג האוויר למחשב באמצעות כבל העברת הנתונים ופתח את התוכנה במחשב.
2. לחץ על כפתור סרגל הכלים Launch/ Properties כדי להגדיר את הלוגר עבור החיישנים החיצוניים הנמצאים בשימוש.
3. במסך מאפיינים , הגדר את שם הלוגר/תחנה (כלומר, הוצאת דגירה בקרקע) ואת מרווח איסוף הנתונים (כלומר, 60 דקות). לאחר מכן, במסך מאפיינים , לחץ על מופעל ביציאות החיישן החיצוניות הנמצאות בשימוש ובחר את החיישן/היחידה מהלחצן הנפתח עבור כל יציאת חיישן (כלומר, יציאה A; "מופעל": טמפרטורה °C). לבסוף, לחץ על אישור כדי לשמור את ההגדרות.
4. עקוב אחר קריאת הבדיקות מדי שבוע כדי למנוע תקלה והורד את מערך הנתונים פעם בחודש. השג תיעוד מלא במשך מספר חודשים המכסה את עונת הגידול (כלומר, אפריל עד ספטמבר).
5. בצע ניתוח נתונים של רשומות הטמפרטורה. השג את הטמפרטורה הממוצעת לשעה של עונת הגידול על ידי ממוצע כל התצפיות.
   1. השג את הטמפרטורה הממוצעת של כל שעה על בסיס יומי על ידי ממוצע טמפרטורות של אותה שעה בכל הימים בעונת הגידול.
6. בחדר המתוחכם, הפעל את התוכנה ולחץ על פרופיל כפתור במסך התפריט הראשי כדי ליצור קובץ חדש. בשורת הקלט של שם הקובץ, הזן "SW נמוך". על ידי לחיצה על שינוי מיידי אפשרות, הזן 15.9 °C (75 °F) כטמפרטורה ראשונית כמתקבלת בשלב 1.5, והזן 2 בשורה דקות כדי לשמור על הטמפרטורה למשך 2 דקות ולחץ על בוצע לחצן. לאחר מכן, תחת האפשרות זמן רמפה , הזן 15.9 °C כנקודת היעד שנקבעה ובשורה שעות הזן 850 שעות כדי לשמור על הטמפרטורה. Fianlly, לחץ על כפתור סיום .
   1. חזור על השלב לעיל בתא השני על ידי הוספת 5 °C לכל צומת טמפרטורה וצור שם קובץ חדש "SW גבוה".
   2. חזור על שלב 1.4 בחדר השלישי על ידי הוספת 23 שלבים נוספים המתאימים ל-23 טמפרטורות קרקע שנצפו מדי שעה כפי שהתקבלו בשלב 1.5.1. בשלב האחרון, הנקרא JUMP, הגדר 42 לולאות חוזרות (ספירת קפיצות 42). זה מוביל לתרחיש של התחממות הדרגתית או GW נמוך.
   3. חזור על השלב לעיל בתא הרביעי עם 5 °C הוסיף לכל צומת טמפרטורה. זה יאפשר סימולציה של טמפרטורות משתנות במשך 42 ימים ברמת טמפרטורה גבוהה יותר (כלומר, GW גבוה).
7. ערכו ריצה מקדימה במשך 24 שעות והוציאו את הטמפרטורות שנרשמו על ידי ארבעת התאים. שרטטו את הטמפרטורות שנרשמו על-ידי התאים כנגד אלה כפי שתוכנתו (איור 2A-D).
   1. אם הטמפרטורות שהושגו בתא תואמות את הטמפרטורות כפי שהן מתוכנתות על ידי הפרש טמפרטורות <0.1 מעלות צלזיוס במהלך 24 השעות (איור 2A,B,E,F), התאים מתאימים לניסוי הדגירה בקרקע.
   2. אם הקריטריונים לא עמדו באף אחד מהתאים הללו, חזור על בדיקה נוספת של 24 שעות או חפש חדר חדש.

2. איסוף קרקע והומוגניות

1. בסמוך לאזור בדיקת הטמפרטורה, אספו חמש דגימות קרקע בעומק 0-20 ס"מ והכניסו אותן לשקית ניילון אחת לאחר הסרת שכבת הפסולת על פני השטח.
2. ערבבו היטב את הדגימה על ידי פיתול, לחיצה וערבוב החומרים בשקית עד שלא נראית דגימת קרקע בודדת.
3. אחסנו את הדגימות בצידנית מלאה בחבילות קרח והעבירו את הדגימות למעבדה באופן מיידי.
4. מסירים את השורשים בכל ליבה, מסננים אותה דרך מסננת אדמה של 2 מ"מ, ומערבבים היטב את הדגימה לפני הניתוח הבא.

3. דגירה במעבדה

1. לפני הדגירה שוקלים 10.0 גרם אדמה טרייה, מייבשים אותה בתנור במשך 24 שעות בטמפרטורה של 105 מעלות צלזיוס, ושוקלים את האדמה היבשה. גזור את ההבדל בין דגימות קרקע טריות ויבשות וחשב את היחס בין ההפרש על פני משקל הקרקע היבשה כדי לקבוע את תכולת הלחות בקרקע בגיליון אלקטרוני.
2. השתמש בתכולת הלחות הנגזרת כדי לחשב את הביומסה המיקרוביאלית של הקרקע פחמן (MBC), פעילות האנזים החוץ-תאית (EEA) והנשימה ההטרוטרופית של הקרקע, כמתואר בשלבים הבאים. נתונים אלה יסייעו להבין את השפעות הטיפול על הנשימה בקרקע ואת המנגנונים המיקרוביאליים העומדים בבסיסה.
3. לפני הדגירה, יש לשקול את תת-דגימת הקרקע הלחה בשדה (10 גרם) ולכמת את הקרקע MBC על ידי תיעול כלורופורם-K₂SO₄ ושיטות עיכול אשלגן פרסולפט¹⁸.
4. לפני הדגירה, שקלו את תת-הדגימה של אדמת שדה לחה (1.0 גרם) ומדדו קרקע הידרוליטית וחמצונית EEA¹⁹.
5. שקלו 16 תת-דגימות קרקע לחות (15.0 גרם שווה ערך למשקל יבש) ב-16 ליבות פוליוויניל כלוריד (PVC) (קוטר 5 ס"מ, 7.5 ס"מ גובה) אטומות בנייר סיבי זכוכית בתחתית.
6. הניחו את ליבות ה-PVC בצנצנות מייסון (~1 ליטר) מרופדות במצע חרוזי זכוכית כדי להבטיח שהליבות לא יספגו לחות.
7. הניחו ארבע צנצנות בכל אחד מארבעת התאים כמתואר בשלב 1.4. הפעל את התאים והפעל את התוכנית בו זמנית בארבעה תאים.
8. במהלך הדגירה, בשעה 2 שעות, ימים 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 ו-42, קחו את כל הצנצנות בכל אחד מארבעת התאים והשתמשו במנתח גז CO₂ נייד כדי למדוד את קצב נשימת הקרקע (R_s) על ידי הנחת הקולר של המנתח לחלק העליון של כל צנצנת.
9. לאסוף באופן הרסני את כל הצנצנות בסוף הדגירה (כלומר, יום 42) ולכמת את הקרקע MBC כמתואר בשלב 3.3.
10. לאסוף באופן הרסני את כל הצנצנות בסוף הדגירה (כלומר, יום 42) ולכמת את פעילות אנזימי הקרקע כמתואר בשלב 3.4.

4. השוואת אפקט התחממות

1. על ידי הנחת קצב נשימה קבוע (Rs) בין שני אוספים עוקבים, השתמש בקצב הנשימה כפול משך הזמן כדי לגזור את הנשימה המצטברת (R_c).
2. בצע ניתוח מדידות חוזרות ומשולשות של שונות (ANOVA) כדי לבחון את ההשפעות העיקריות והאינטראקטיביות של זמן, טמפרטורה (התחממות) ומצב טמפרטורה (תרחיש התחממות) על R_s ו- R_c. בנוסף, ערכו ANOVA דו-כיווני כדי לבחון את השפעות תרחישי ההתחממות וההתחממות על MBC ו-EEA.

התאים החדישים שנבחרו שיכפלו את טמפרטורת המטרה בדיוק גבוה (איור 2A,B,E,F) ועמדו בדרישה הטכנית של ניסוי הדגירה. בהתחשב בשימוש ובתפעול הקלים, זה סימן את הטכניקה לשיפור סימולציית הטמפרטורה במחקרי התחממות קרקע וביישומים אחרים כגון מחקרי צמחים. הנוהל נעשה שימוש במחקר המקרה האחרון שלנו המבוסס על שטח יבול של עשב מתג בתיכונה-טנסי.

תוצאות המחקר הראו כי יחסית לטיפול בקרה, ההתחממות הובילה להפסדים נשימתיים גדולים יותר באופן משמעותי (Rs ו-R c) בשני תרחישי ההתחממות (SW ו-GW), ו-GW הכפילה את האובדן הנשימתי הנגרם על ידי התחממות (Rc) ביחס ל-SW, 81% לעומת 40% (איור 3). ביום ה-42, MBC ו-EEA היו גם שונים באופן משמעותי בין SW ל-GW, כך ש-MBC היה גבוה יותר ב-SW מאשר ב-GW (69% לעומת 38%; תרשים 4) וגליקוזידזות ופרוקסידאז (לדוגמה, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) היו גבוהות משמעותית ב-GW מאשר בתרחישי SW (איור 5).

איור 1: המחשה של מצב שינוי הטמפרטורה בניסוי התחממות קרקע כפי שהומצא מטבלה 1. (A) טמפרטורה קבועה (CT) שאומצה על ידי רוב המחקרים. (B) טמפרטורה קבועה בעוצמה משתנה (CTv). (ג,ד) שינוי ליניארי (LC) עם שיעורים חיוביים ושליליים. (ה,ו) שינוי לא ליניארי (NC) עם תבנית לא סדירה ותבנית יומית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: טמפרטורה ממוקדת באמצעות תכנות וטמפרטורת התא במהלך תקופת בדיקה של 24 שעות. (A,B) טמפרטורת יעד (קו אפור) ורשומות טמפרטורת תא (קו מקווקו) תחת טיפול בקרה והתחממות של התחממות שלב (SW); (ג,ד) טמפרטורת יעד (קו אפור) וטמפרטורת תא (קו מקווקו) תחת טיפולי בקרה והתחממות של התחממות הדרגתית (GW); (ה, ו) הפרש הטמפרטורות נגזר עבור רשומות בלוחות C ו- D. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3: קצב נשימה מצטבר ממוצע (± SE) (Rc, μg CO2-C·gאדמה-1) תחת בקרה (חלול) והתחממות (כהה) ב-SW וב-GW בניסוי דגירה של קרקע שנמשך 42 יום. הסטים מראים את קצבי הנשימה של הקרקע (R s, μg CO2-C·h-1·g אדמה-1) החלים על אומדן הנשימה המצטברת, בהנחהש-R s היה קבוע עד למדידה הבאה. (A) התחממות הדרגתית (SW) ו-(B) התחממות הדרגתית (GW). N = 4 בכל אוסף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 4: MBC ממוצע (± SE) תחת טיפולי בקרה והתחממות ב-SW וב-GW בניסוי דגירה של קרקע שנמשך 42 יום. MBC = פחמן ביומסה מיקרוביאלית; N = 4 בכל אוסף. S מציין השפעה משמעותית של תרחיש התחממות (SW לעומת GW), ב- p < 0.05, בהתבסס על מדדים חוזרים תלת-כיווניים ANOVA. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 5: גליקוזידזות ממוצעות (± SE) ופרוקסידאז (פעילות מיקרומול H-1·gsoil-1) תחת טיפולי בקרה והתחממות ב-SW וב-GW בניסוי דגירה שנמשך 42 יום. BX =β1,4-קסילוזידאז; AP = חומצה פוספטאז; LAP = לאוצין אמינופטידאז; NAG =β-1,4-N-אצטיל-גלוקוזאמינידאז; OX = אנזימים חמצוניים; PHO = פנול אוקסידאז; לכל = פרוקסידאז. N = 4 בכל אוסף. S מציין השפעה משמעותית של תרחיש התחממות (SW לעומת GW), ב- p < 0.05, בהתבסס על מדדים חוזרים משולשים ANOVA. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

טבלה 1: סקירת ספרות של שיטות בקרת טמפרטורה ומצבי שינוי טמפרטורה במחקרי דגירה בקרקע 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.
בסך הכל נכללו בסקירה 46 מחקרים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

טבלה 2: מצבי שינוי טמפרטורה עיקריים ותרחישי ההתחממות המתאימים בהתבסס על סקירת ספרות (טבלה 1). חמישה מצבים ותרחישים נקבעו כדי לייצג מגוון רחב של שינויי טמפרטורה אפשריים ותנאי התחממות. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

למחבר אין מה לחשוף.