Simulazione della temperatura in un esperimento di incubazione del suolo

Si prevede che la temperatura superficiale globale aumenterà in questo secolo di 1,8-6,4 °C ^1,2. Il riscaldamento globale può aumentare il flusso di CO₂ dal suolo all'atmosfera, con conseguente feedback positivo con riscaldamento 3,4,5,6. Poiché le comunità microbiche svolgono un ruolo fondamentale nella regolazione delle risposte respiratorie del suolo al riscaldamento^7,8, i cambiamenti nella respirazione microbica e i meccanismi microbici sottostanti con il riscaldamento sono stati al centro della ricerca. Sebbene gli esperimenti di riscaldamento del suolo impiegati in condizioni di campo, tramite un cavo riscaldante⁹ e una camera superiore aperta¹⁰, siano stati vantaggiosi nel catturare caratteristiche naturali del suolo come la temperatura¹¹, i loro elevati costi per l'installazione e la manutenzione ne hanno limitato l'applicazione. In alternativa, gli esperimenti di incubazione del suolo soggetti a temperature diverse sono una scelta favorevole. Il vantaggio principale dell'incubazione del suolo in laboratorio è che le condizioni ambientali ben controllate (ad esempio, la temperatura) sono in grado di districare l'effetto di un fattore da altri fattori confondenti in un ambiente sperimentale sul campo^12,13. Nonostante le differenze tra camera di crescita ed esperimenti sul campo (ad esempio, crescita delle piante), la traduzione dai risultati di laboratorio al campo è prontamente disponibile¹⁴. L'incubazione di campioni di suolo in un ambiente di laboratorio potrebbe aiutare a migliorare la nostra comprensione meccanicistica della risposta del suolo al riscaldamento¹⁵.

La nostra revisione della letteratura ha identificato diversi metodi di controllo della temperatura e, di conseguenza, distinte modalità di variazione della temperatura in precedenti studi di incubazione del suolo (Tabella 1). In primo luogo, gli strumenti utilizzati per controllare la temperatura sono per lo più attraverso un incubatore, una camera di crescita, un bagno d'acqua e, in un raro caso, un cavo riscaldante. Dati questi strumenti, sono stati generati tre modelli tipici di variazione della temperatura (Figura 1). Questi includono la modalità più implementata, temperatura costante (CT), cambiamento lineare (LC) con un tasso di variazione della temperatura costante diverso da zero e cambiamento non lineare (NC) caratterizzato da un tipo diurno di temperatura. Per un caso di pattern CT, la temperatura può variare di grandezza nel tempo, anche se la temperatura costante rimane per un certo periodo di tempo durante l'incubazione (Figura 1B). Per LC, la velocità di variazione della temperatura potrebbe variare in diversi studi a più di due ordini di grandezza (ad esempio, 0,1 °C/giorno vs. 3,3 °C/h; Tabella 1); Per i casi NC, la maggior parte si basava sulla capacità intrinseca degli strumenti utilizzati, portando così a varie modalità. Nonostante ciò un tipo di variazione di temperatura diurna è stata rivendicata attraverso un cavo riscaldante o un'incubatrice^16,17; Tuttavia, le temperature della camera in questi esperimenti non sono state convalidate. Altri importanti risultati della revisione nella Tabella 1 includono l'intervallo di temperatura di incubazione di 0-40 °C, con la maggior parte tra 5-25 °C; La durata degli esperimenti variava da poche ore (<1 giorno) a quasi 2 anni (~ 725 giorni). inoltre, i terreni sottoposti incubazione sono stati raccolti dagli ecosistemi di foreste, praterie e coltivati, con orizzonte minerale dominante, organico persino suolo contaminato, situato principalmente negli uniti, in cina europa (Tabella 1).

Date le tre principali modalità di variazione della temperatura, diversi scenari di riscaldamento distinti raggiunti negli studi precedenti sono stati riassunti nella Tabella 2. Includono il riscaldamento graduale (SW), SW con entità variabile (SW_v), il riscaldamento graduale linearmente (GW_l), il riscaldamento graduale non lineare (GW_n) e il riscaldamento graduale diurno (GW_d).

In sintesi, le incubazioni del suolo passate di solito catturavano la temperatura media dell'aria o del suolo in un sito. In molti casi, come mostrato nella tabella 1, gli incubatori o le camere sono stati programmati manualmente ad una temperatura fissa ma non sono stati in grado di regolare automaticamente la temperatura come desiderato, mancando la capacità di controllare il modo e la velocità di variazione della temperatura nel tempo (Eq. 1), e quindi portando a difficoltà di imitare la temperatura diurna del suolo locale. D'altra parte, sebbene tentato in due esperimenti^16,17, non abbiamo identificato studi che imitassero esplicitamente il riscaldamento graduale diurno (GW_d) nei loro esperimenti di incubazione (Tabella 1). Sulla base della revisione della letteratura, l'ostacolo principale risiede nella scarsa progettazione sperimentale, in particolare nella mancanza di uno strumento sofisticato che consenta l'implementazione e la convalida di scenari diurni o di altri scenari di riscaldamento graduale.

(Eq. 1)

Dove ΔT è la quantità di variazione di temperatura, m è il modo di variazione della temperatura, r è la velocità di variazione della temperatura e t è la durata della modifica.

Per migliorare il rigore sperimentale nell'incubazione del suolo, in questo studio viene presentato un metodo di controllo della temperatura accurato e sofisticato. Adottando una camera ambientale all'avanguardia, sempre più disponibile ed economicamente sostenibile, il nuovo progetto non solo consentirà la simulazione accurata della temperatura del suolo in situ (ad esempio, modello diurno) ma anche, tenendo conto di possibili variazioni di temperatura estreme, fornirà un modo affidabile per ridurre al minimo gli artefatti di bias strumentale. L'attuale progettazione dell'incubazione del suolo dovrebbe aiutare i ricercatori a identificare strategie ottimali che soddisfino le loro esigenze di incubazione e ricerca. L'obiettivo generale di questo metodo è quello di presentare ai biogeochimici del suolo un approccio altamente operativo per riformare la progettazione dell'incubazione del suolo.

1. Monitoraggio e programmazione della temperatura

1. Identificare una zona di campionamento all'interno di un appezzamento di ricerca. Installare una o più sonde di temperatura automatiche in terreni a 10 cm di profondità. Collegare la stazione meteo a un computer tramite il cavo di trasmissione dati e aprire il software sul computer.
2. Fare clic sul pulsante della barra degli strumenti Avvia/Proprietà per configurare il logger per i sensori esterni utilizzati.
3. Nella schermata Proprietà , impostare il nome del logger/stazione (ad esempio, Soil incubation exp.) e l'intervallo di raccolta dei dati (ad esempio, 60 min). Quindi, nella schermata Proprietà , fare clic su Abilitato sulle porte del sensore esterno utilizzate e selezionare il sensore/unità dal pulsante a discesa per ciascuna porta del sensore (ad esempio, Porta A; "Abilitato": Temperatura °C). Infine, fai clic su OK per salvare le impostazioni.
4. Monitorare la lettura delle sonde settimanalmente per evitare malfunzionamenti e scaricare il set di dati una volta al mese. Ottenere un record completo per diversi mesi che coprono la stagione di crescita (cioè da aprile a settembre).
5. Condurre l'analisi dei dati dei record di temperatura. Ottenere la temperatura oraria media della stagione di crescita facendo la media di tutte le osservazioni.
   1. Ottenere la temperatura media di ogni ora su base giornaliera facendo la media delle temperature della stessa ora in tutti i giorni durante la stagione di crescita.
6. Nella sofisticata camera, avviare il software e fare clic sul pulsante Profilo nella schermata del menu principale per creare un nuovo file. Nella riga di immissione del nome del file, immettere "SW low". Cliccando sull'opzione Instant Change (Cambio istantaneo ), immettere 15,9 °C come temperatura iniziale ottenuta al punto 1.5, quindi immettere 2 nella riga Minuti per mantenere la temperatura per 2 minuti e fare clic sul pulsante Fine . Quindi, sotto l'opzione Tempo rampa , immettere 15,9 °C come set point di destinazione e nella riga Ore immettere 850 h per sostenere la temperatura. Infine, fai clic sul pulsante Fine .
   1. Ripetere il passaggio precedente nella seconda camera aggiungendo 5 °C a ciascun nodo di temperatura e creare un nuovo nome file "SW high".
   2. Ripetere il punto 1.4 nella terza camera aggiungendo 23 ulteriori passi corrispondenti alle 23 temperature orarie del suolo osservate come ottenuto al punto 1.5.1. All'ultimo passaggio, chiamato JUMP, impostare 42 cicli ripetuti (Jump Count 42). Ciò porta allo scenario di riscaldamento graduale o GW basso.
   3. Ripetere il passaggio precedente nella quarta camera con 5 °C aggiunti a ciascun nodo di temperatura. Ciò consentirà una simulazione di temperature variabili per 42 giorni a un livello di temperatura più elevato (cioè GW alto).
7. Condurre una corsa preliminare per 24 ore e produrre le temperature registrate dalle quattro camere. Tracciare le temperature registrate dalle camere rispetto a quelle programmate (Figura 2A-D).
   1. Se le temperature raggiunte nella camera corrispondono alle temperature programmate da una differenza di temperatura <0,1 °C durante le 24 ore (Figura 2A,B,E,F), le camere sono adatte per l'esperimento di incubazione del suolo.
   2. Se i criteri non sono stati soddisfatti in nessuna di queste camere, ripetere un altro test di 24 ore o cercare una nuova camera.

2. Raccolta del suolo e omogeneizzazione

1. Vicino all'area della sonda di temperatura, raccogliere cinque campioni di terreno a 0-20 cm di profondità e metterli in un sacchetto di plastica dopo aver rimosso lo strato superficiale di lettiera.
2. Mescolare accuratamente il campione torcendo, premendo e mescolando i materiali nel sacchetto fino a quando non è visibile alcun singolo campione di terreno.
3. Conservare i campioni in un refrigeratore pieno di impacchi di ghiaccio e trasportarli immediatamente in laboratorio.
4. Rimuovere le radici in ciascun nucleo, setacciarlo attraverso un setaccio di terreno di 2 mm e mescolare e omogeneizzare accuratamente il campione prima della seguente analisi.

3. Incubazione in laboratorio

1. Prima dell'incubazione, pesare 10,0 g di terriccio fresco, asciugarlo in forno per 24 ore a 105 °C e pesare il terreno asciutto. Ricava la differenza tra campioni di terreno fresco e secco e calcola il rapporto tra differenza e peso del suolo asciutto per determinare il contenuto di umidità del suolo in un foglio di calcolo.
2. Utilizzare il contenuto di umidità derivato per calcolare il carbonio della biomassa microbica del suolo (MBC), l'attività enzimatica extracellulare (EEA) e la respirazione eterotrofica del suolo come descritto nei passaggi seguenti. Questi dati aiuteranno a comprendere gli effetti del trattamento sulla respirazione del suolo e i meccanismi microbici sottostanti.
3. Prima dell'incubazione, pesare il sottocampione di terreno umido di campo (10 g) e quantificare il terreno MBC mediante fumigazione del cloroformio-K₂SO₄ estrazione e metodi di digestione del persolfato di potassio¹⁸.
4. Prima dell'incubazione, pesare il sottocampione di terreno umido di campo (1,0 g) e misurare il suolo idrolitico e ossidativo EEA¹⁹.
5. Pesare 16 sottocampioni di terreno umido (15,0 g equivalenti di peso secco) in 16 nuclei di cloruro di polivinile (PVC) (diametro 5 cm, altezza 7,5 cm) sigillati con carta in fibra di vetro sul fondo.
6. Posizionare le anime in PVC in barattoli Mason (~ 1 L) rivestiti con un letto di perle di vetro per garantire che i nuclei non assorbano umidità.
7. Posizionare quattro barattoli in ciascuna delle quattro camere come descritto al punto 1.4. Accendere le camere e avviare il programma contemporaneamente in quattro camere.
8. Durante l'incubazione, a 2 ore, giorni 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 e 42, prendere tutti i barattoli in ciascuna delle quattro camere e utilizzare un analizzatore di gas CO₂ portatile per misurare la velocità di respirazione del suolo (R_s) mettendo il collare dell'analizzatore sulla parte superiore di ciascun barattolo.
9. Raccogliere distruttivamente tutti i vasi alla fine dell'incubazione (cioè il giorno 42) e quantificare il terreno MBC come descritto nella fase 3.3.
10. Raccogliere distruttivamente tutti i vasi alla fine dell'incubazione (cioè il giorno 42) e quantificare l'attività enzimatica del suolo come descritto nella fase 3.4.

4. Confronto dell'effetto riscaldante

1. Assumendo una frequenza respiratoria costante (Rs) tra due raccolte consecutive, utilizzare la frequenza respiratoria moltiplicata per la durata per ricavare la respirazione cumulativa (R_c).
2. Condurre un'analisi a tre vie delle misure ripetute della varianza (ANOVA) per testare gli effetti principali e interattivi di tempo, temperatura (riscaldamento) e modalità di temperatura (scenario di riscaldamento) su R_s e R_c. Inoltre, condurre un ANOVA bidirezionale per testare gli effetti del riscaldamento e dello scenario di riscaldamento su MBC e EEA.

Le camere all'avanguardia selezionate hanno replicato la temperatura target con elevata precisione (Figura 2A,B,E,F) e hanno soddisfatto i requisiti tecnici dell'esperimento di incubazione. Data la facilità d'uso e funzionamento, questo ha significato la tecnica per migliorare la simulazione della temperatura negli studi sul riscaldamento del suolo e in altre applicazioni come gli studi sulle piante. La procedura è stata impiegata nel nostro recente caso di studio basato su un terreno coltivato di panico verga nel Medio Tennessee.

I risultati della ricerca hanno mostrato che rispetto al trattamento di controllo, il riscaldamento ha portato a perdite respiratorie significativamente maggiori (Rs e R c) in entrambi gli scenari di riscaldamento (SW e GW), e GW ha raddoppiato la perdita respiratoria indotta dal riscaldamento (Rc) rispetto a SW, 81% vs 40% (Figura 3). Il giorno 42, MBC e EEA erano anche significativamente diversi tra SW e GW, in modo tale che MBC era più alto in SW che in GW (69% vs 38%; Figura 4) e le glicosidasi e la perossidasi (ad esempio, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) erano significativamente più alte in GW rispetto agli scenari SW (Figura 5).

Figura 1: L'illustrazione della modalità di variazione della temperatura in un esperimento di riscaldamento del suolo come concettualizzato dalla Tabella 1. (A) Temperatura costante (CT) adottata dalla maggior parte degli studi. (B) Temperatura costante con grandezza variabile (CTv). (C,D) Variazione lineare (LC) con tassi positivi e negativi. (E,F) Cambiamento non lineare (NC) con pattern irregolare e pattern diurno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Obiettivo della temperatura tramite programmazione e temperatura della camera durante un periodo di prova di 24 ore. (A,B) Valori di temperatura target (linea grigia) e record di temperatura della camera (linea tratteggiata) sotto controllo e trattamenti di riscaldamento del riscaldamento graduale (SW); (C,D) Target di temperatura (linea grigia) e record di temperatura della camera (linea tratteggiata) sotto controllo e trattamenti di riscaldamento graduale (GW); (E, F) La differenza di temperatura derivata per i record nei pannelli C e D. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Tasso cumulativo medio (± SE) di respirazione del suolo (Rc, μg CO2-C·g suolo-1) sotto controllo (cavo) e trattamenti di riscaldamento (scuro) in SW e GW in un esperimento di incubazione delsuolo di 42 giorni. Gli inserti mostrano i tassi di respirazione del suolo (R s, μg CO2-C·h-1·g suolo-1) applicati per stimare la respirazione cumulativa, supponendoche R s fosse costante fino alla successiva misurazione. (A) Riscaldamento graduale (SW) e (B) riscaldamento graduale (GW). N = 4 in ogni collezione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: MBC medio (± SE) sotto controllo e trattamenti di riscaldamento in SW e GW in un esperimento di incubazione del suolo di 42 giorni. MBC = carbonio da biomassa microbica; N = 4 in ogni collezione. S denota un effetto significativo dello scenario di riscaldamento (SW vs. GW), a p < 0,05, basato su misure ripetute a tre vie ANOVA. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5: Glicosidasi medie (± SE) e perossidasi (attività μmol h-1·gsoil-1) sotto controllo e trattamenti di riscaldamento in SW e GW in un esperimento di incubazione di 42 giorni. BX =β1,4-xilosidasi; AP = fosfatasi acida; LAP = Leucina aminopeptidasi; NAG =β-1,4-N-acetil-glucosaminidasi; OX = Enzimi ossidativi; PHO = Fenolo ossidasi; PER = Perossidasi. N = 4 in ogni collezione. S denota un effetto significativo dello scenario di riscaldamento (SW vs. GW), a p < 0,05, basato su una triplice misura ripetuta ANOVA. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tabella 1: Revisione della letteratura sui metodi di controllo della temperatura e sulle modalità di variazione della temperatura negli studi di incubazione del suolo 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.
In totale, 46 studi sono stati inclusi nella revisione. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Tabella 2: Principali modalità di variazione della temperatura e corrispondenti scenari di riscaldamento basati su una revisione della letteratura (Tabella 1). Sono state stabilite cinque modalità e scenari per rappresentare una vasta gamma di possibili cambiamenti di temperatura e condizioni di riscaldamento. Clicca qui per scaricare questa tabella.

L'autore non ha nulla da rivelare.