토양 배양 실험에서 온도 시뮬레이션

지구 표면 온도는 금세기 1.8-6.4 °C^{증가 할} 것으로 예상됩니다 ^1,2. 지구 온난화는 토양에서 대기로의 CO₂ 플럭스를 증가시켜 온난화 3,4,5,6에 긍정적 인 피드백을 초래할 수 있습니다. 미생물 군집은 온난화에 대한 토양 호흡 반응을 조절하는 데 중요한 역할을하기 때문에^7,8, 미생물 호흡의 변화와 온난화에 따른 기본 미생물 메커니즘이 연구 초점이었습니다. 가열 케이블⁽⁹)과 개방형 상부 챔버(¹⁰)를 통해 현장 조건에서 전개된 토양 온난화 실험은 온도(¹¹)와 같은 자연 토양 특징을 포착하는 데 유리했지만 설치 및 유지 보수 비용이 높아 적용이 제한되었습니다. 또는 다른 온도에 적용되는 토양 배양 실험이 유리한 선택입니다. 실험실에서 토양 배양의 주요 이점은 잘 제어된 환경 조건(예: 온도)이 현장 실험 설정(^12,13)에서 다른 교란 요인으로부터 일요인 효과를 풀 수 있다는 것입니다. 성장 챔버와 현장 실험 (예 : 식물 성장) 간의 차이에도 불구하고 실험실 결과에서 현장으로의 번역은 쉽게 가능합니다¹⁴. 실험실 환경에서 토양 샘플을 배양하면 온난화에 대한 토양 반응에 대한 기계론적 이해를 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다¹⁵.

우리의 문헌 검토는 과거 토양 배양 연구에서 몇 가지 온도 제어 방법과 결과적으로 뚜렷한 온도 변화 모드를 확인했습니다(표 1). 첫째, 온도를 제어하는 데 사용되는 도구는 대부분 인큐베이터, 성장 챔버, 수조 및 드물게 가열 케이블을 통해 이루어집니다. 이러한 기기를 감안할 때 세 가지 일반적인 온도 변화 패턴이 생성되었습니다(그림 1). 여기에는 가장 많이 구현된 모드인 항온(CT), 0이 아닌 항온 변화율의 선형 변화(LC) 및 일주 유형의 온도로 특징인 비선형 변화(NC)가 포함됩니다. CT 패턴의 경우, 온도는 시간이 지남에 따라 크기가 변할 수 있지만 배양 중에 일정 시간 동안 일정한 온도가 유지됩니다 (그림 1B). LC의 경우 온도 변화율은 서로 다른 연구에서 두 자릿수 이상으로 달라질 수 있습니다 (예 : 0.1 ° C / 일 대 3.3 ° C / h; 표 1); NC의 경우 대부분 사용 된 계측기의 고유 용량에 의존하여 다양한 모드로 이어졌습니다. 그럼에도 불구하고 일종의 주간 온도 변화가 가열 케이블 또는 인큐베이터^16,17을 통해 주장되었습니다. 그러나, 이들 실험에서의 챔버 온도는 검증되지 않았다. 표 1의 다른 주요 검토 결과에는 0-40 °C의 배양 온도 범위가 포함되며 대부분은 5-25 °C 사이입니다. 실험 기간은 몇 시간(<1일)에서 거의 2년(~725일)까지 다양했습니다. 또한 배양 된 토양은 주로 미국, 중국 및 유럽에 위치한 우세한 광물 지평선, 유기 지평선, 심지어 오염 된 토양이있는 산림, 초원 및 경작지 생태계에서 수집되었습니다 (표 1).

세 가지 주요 온도 변화 모드를 감안할 때 과거 연구에서 달성 된 몇 가지 뚜렷한 온난화 시나리오가 표 2에 요약되었습니다. 여기에는 단계적 온난화 (SW), 다양한 크기의 SW (SW_v), 점진적 온난화 선형 (GW_l), 비선형 적으로 점진적 온난화 (GW_n) 및 점진적 일주 온난화 (GW_d)가 포함됩니다.

요약하면, 과거의 토양 배양은 일반적으로 현장의 평균 공기 또는 토양 온도를 포착했습니다. 많은 경우, 표 1에 도시된 바와 같이, 인큐베이터 또는 챔버는 고정된 온도에서 수동으로 프로그래밍되었지만 원하는 대로 온도를 자동으로 조정할 수 없었고, 시간에 따른 온도 변화의 모드 및 속도를 제어하는 능력이 부족하여(식 1), 따라서 국소 토양의 일주 온도를 모방하는 데 어려움을 초래했습니다. 반면에 두 번의 실험^16,17에서 시도되었지만 배양 실험에서 점진적 온난화 (GW_d)를 명시 적으로 모방 한 연구는 확인되지 않았습니다 (표 1). 문헌 검토에 따르면, 주요 장애물은 열악한 실험 설계, 특히 주간 또는 기타 점진적인 온난화 시나리오의 구현 및 검증을 가능하게하는 정교한 도구가 부족하다는 것입니다.

(식 1)

여기서ΔT 는 온도 변화량, m 은 온도 변화 모드, r 은 온도 변화율, t 는 변화의 지속 시간입니다.

토양 배양에서 실험적 엄격함을 향상시키기 위해이 연구에서는 정확하고 정교한 온도 제어 방법이 제시됩니다. 점점 더 가용성이 높아지고 경제적으로 실행 가능한 최첨단 환경 챔버를 채택한 새로운 설계는 현장 토양 온도(예: 주간 패턴)의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 할 뿐만 아니라 가능한 극한 온도 변화를 고려하여 기기 편향의 인공물을 최소화하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다. 현재의 토양 배양 설계는 연구자들이 배양 및 연구 요구를 충족시키는 최적의 전략을 식별하는 데 도움이 될 것입니다. 이 방법의 전반적인 목표는 토양 생지 화학자에게 토양 배양 설계를 개혁하기위한 고도로 운영 된 접근법을 제시하는 것입니다.

1. 온도 모니터링 및 프로그래밍

1. 연구 플롯 내에서 표본 추출 영역을 식별합니다. 10cm 깊이의 토양에 하나 또는 몇 개의 자동 온도 프로브를 설치하십시오. 데이터 전송 케이블을 통해 기상 관측소를 컴퓨터에 연결하고 컴퓨터에서 소프트웨어를 엽니 다.
2. Launch/ Properties 도구 모음 버튼을 클릭하여 사용 중인 외부 센서에 대한 로거를 구성합니다.
3. 속성 화면에서 로거/스테이션 이름(예: 토양 배양 경험)과 데이터 수집 간격(예: 60분)을 설정합니다. 그런 다음 속성 화면에서 사용 중인 외부 센서 포트에서 활성화됨을 클릭하고 각 센서 포트의 드롭다운 버튼에서 센서/단위(즉, 포트 A; "사용": 온도 °C). 마지막으로 확인을 클릭하여 설정을 저장합니다.
4. 오작동을 방지하기 위해 매주 프로브의 판독값을 모니터링하고 한 달에 한 번 데이터 세트를 다운로드합니다. 성장기 (예 : 4 월에서 9 월)를 다루는 몇 달 동안의 완전한 기록을 얻으십시오.
5. 온도 기록의 데이터 분석을 수행합니다. 모든 관측치의 평균을 구하여 성장기의 평균 시간별 온도를 구합니다.
   1. 성장기 동안 하루 종일 같은 시간의 평균 온도를 평균하여 매일 각 시간의 평균 온도를 얻습니다.
6. 정교한 챔버에서 소프트웨어를 실행하고 프로필 메인 메뉴 화면의 버튼을 눌러 새 파일을 만듭니다. 파일 이름 입력 줄에 "SW low"를 입력합니다. 즉시 변경 옵션을 클릭하여 15.9단계에서 얻은 초기 온도로 1.5°C를 입력하고 분 행에 2를 입력하여 2 분 동안 온도를 유지하고 완료 버튼을 클릭합니다. 그런 다음 램프 시간 옵션에서 목표 설정점으로 15.9°C를 입력하고 시간 행에 온도를 유지하기 위해 850h를 입력합니다. 마지막으로, 완료 버튼을 클릭하십시오.
   1. 각 온도 노드에 5°C를 추가하여 두 번째 챔버에서 위의 단계를 반복하고 새 파일 이름 "SW high"를 만듭니다.
   2. 단계 1.4에서 얻은 23개의 관측된 시간당 토양 온도에 해당하는 23개의 추가 단계를 추가하여 세 번째 챔버에서 1.5.1단계를 반복합니다. JUMP라는 마지막 단계에서 42개의 반복 루프를 설정합니다(점프 횟수 42). 이것은 점진적인 온난화 또는 GW 낮은 시나리오로 이어집니다.
   3. 각각의 온도 노드에 5°C를 첨가한 상태에서 제4 챔버에서 상기 단계를 반복한다. 이를 통해 더 높은 온도 수준 (즉, GW 높음)에서 42 일 동안 다양한 온도를 시뮬레이션 할 수 있습니다.
7. 24 시간 동안 예비 실행을 수행하고 4 개의 챔버에서 기록 된 온도를 출력합니다. 챔버에서 기록한 온도를 프로그래밍된 온도와 비교하여 플로팅합니다(그림 2A-D).
   1. 챔버에서 달성된 온도가 24시간 동안 온도 차이<0.1°C(그림 2A, B, E, F)에 의해 프로그래밍된 온도와 일치하면 챔버가 토양 배양 실험에 적합합니다.
   2. 이 챔버 중 하나에서 기준이 충족되지 않으면 다른 24 시간 테스트를 반복하거나 새 챔버를 찾으십시오.

2. 토양 수집 및 균질화

1. 온도 프로브 영역 근처에서 0-20cm 깊이에서 5 개의 토양 샘플을 수집하고 표면 깔짚 층을 제거한 후 하나의 비닐 봉지에 넣습니다.
2. 개별 토양 샘플이 보이지 않을 때까지 백의 재료를 비틀고, 누르고, 혼합하여 샘플을 완전히 혼합합니다.
3. 얼음 팩으로 채워진 냉각기에 샘플을 보관하고 샘플을 즉시 실험실로 운반하십시오.
4. 각 코어의 뿌리를 제거하고 2mm의 토양 체를 통해 체질하고 다음 분석 전에 샘플을 완전히 혼합하고 균질화합니다.

3. 실험실 배양

1. 배양하기 전에 신선한 토양 10.0g의 무게를 달고 105°C에서 24시간 동안 오븐 건조시킨 다음 건조한 토양의 무게를 잰다. 신선한 토양 샘플과 건조한 토양 샘플의 차이를 도출하고 건조 토양 무게에 대한 차이의 비율을 계산하여 스프레드 시트에서 토양 수분 함량을 결정합니다.
2. 유도된 수분 함량을 사용하여 다음 단계에 설명된 바와 같이 토양 미생물 바이오매스 탄소(MBC), 세포외 효소 활성(EEA) 및 토양 종속영양 호흡을 계산한다. 이 데이터는 토양 호흡에 대한 치료 효과와 기본 미생물 메커니즘을 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
3. 인큐베이션 전에, 밭 습윤 토양 하위시료(10 g)를 칭량하고, 클로로포름 훈증-_K2SO4추출 및 칼륨 과황산염 소화 방법¹⁸에 의해 토양 MBC를 정량화하였다.
4. 배양하기 전에 밭 습윤 토양 (1.0g)의 하위 샘플을 칭량하고 토양 가수 분해 및 산화 EEA¹⁹를 측정합니다.
5. 바닥에 유리 섬유 종이로 밀봉된 16개의 폴리염화비닐(PVC) 코어(직경 5cm, 높이 7.5cm)에 16개의 현장 습윤 토양 하위 샘플(건조 중량 15.0g 상당)의 무게를 잰다.
6. PVC 코어를 유리 구슬 침대가 늘어선 메이슨 병(~1L)에 넣어 코어가 수분을 흡수하지 않도록 합니다.
7. 1.4 단계에서 설명한대로 4 개의 챔버 각각에 4 개의 항아리를 놓습니다. 챔버를 켜고 4 개의 챔버에서 동시에 프로그램을 시작하십시오.
8. 배양 동안, 2 시간, 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 및 42 일에, 4 개의 챔버 각각에있는 모든 병을 가져 와서 휴대용 CO₂ 가스 분석기를 사용하여 분석기의 칼라를 각 병의 상단에 놓아 토양 호흡률 (_RSs)을 측정합니다.
9. 배양 종료 (즉, 42 일)에 모든 항아리를 파괴적으로 수집하고 3.3 단계에 설명 된대로 토양 MBC를 정량화합니다.
10. 배양 종료 (즉, 42 일)에 모든 항아리를 파괴적으로 수집하고 3.4 단계에 설명 된대로 토양 효소 활성을 정량화합니다.

4. 온난화 효과 비교

1. 두 개의 연속 수집 사이에 일정한 호흡률(Rs)을 가정하여 호흡률에 지속 시간을 곱하여 누적 호흡(_Rc)을 도출합니다.
2. 3원 반복 분산 분석(ANOVA)을 수행하여_Rs 및_Rc에 대한 시간, 온도(온난화) 및 온도 모드(온난화 시나리오)의 주요 및 상호 작용 효과를 테스트합니다. 또한 양방향 분산 분석을 수행하여 MBC 및 EEA에 대한 온난화 및 온난화 시나리오 효과를 테스트합니다.

선택된 최첨단 챔버는 목표 온도를 고정밀로 복제하고(그림 2A, B, E, F) 배양 실험의 기술적 요구 사항을 충족했습니다. 쉬운 사용 및 작동을 감안할 때 이는 토양 온난화 연구 및 식물 연구와 같은 다른 응용 분야에서 온도 시뮬레이션을 개선하는 기술을 의미했습니다. 이 절차는 테네시 중부의 스위치 그래스 경작지를 기반으로 한 최근 사례 연구에서 사용되었습니다.

연구 결과에 따르면 대조군 치료에 비해 온난화는 온난화 시나리오 (SW 및 GW) 모두에서 훨씬 더 큰 호흡 손실 (Rs 및 Rc)을 가져 왔으며 GW는 SW에 비해 온난화로 인한 호흡 손실 (Rc)을 81 % 대 40 %로 두 배로 늘 렸습니다 (그림 3). 42일째에 MBC와 EEA도 SW와 GW에서 유의하게 달라 MBC가 GW보다 SW에서 더 높았습니다(69% 대 38%; 그림 4) 글리코시다아제 및 퍼 옥시 다제 (예 : AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP)는 SW 시나리오보다 GW에서 유의하게 높았습니다 (그림 5).

그림 1 : 표 1에서 개념화 된 토양 온난화 실험의 온도 변화 모드 그림. (A) 대부분의 연구에서 채택한 항온 (CT). (B) 다양한 크기의 일정한 온도 (CTv). (씨,디) 양수 및 음수 비율의 선형 변화(LC). (E, F) 불규칙한 패턴과 일주 패턴이 있는 비선형 변화(NC). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 프로그래밍을 통해 목표가 지정된 온도와 24시간 테스트 기간 동안의 챔버 온도. (A,B) 목표 온도 (회색 선) 및 챔버 온도 기록 (점선) 제어 및 단계적 온난화 (SW)의 온난화 처리; (씨,디) 목표 온도 (회색 선) 및 챔버 온도 기록 (점선) 제어 및 점진적 온난화 (GW)의 온난화 처리; (E, F) 패널 C 및 D의 레코드에 대해 파생된 온도 차이입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3 : 42 일 토양 배양 실험에서 SW 및 GW에서 통제 (중공) 및 온난화 (어두운) 처리하에 평균 (± SE) 누적 토양 호흡률 (Rc, μg CO2-C · g soil-42). 삽입물은 다음 측정까지Rs가 일정하다고 가정하고 누적 호흡을 추정하기 위해 적용된 토양 호흡률(Rs, μg CO2-C·h-1·g soil-1)을 보여줍니다. (A) 단계적 온난화 (SW) 및 (B) 점진적 온난화 (GW). 각 컬렉션에서 N = 4입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4 : 42 일 토양 배양 실험에서 SW 및 GW에서 제어 및 온난화 처리중인 평균 (± SE) MBC. MBC = 미생물 바이오매스 탄소; 각 컬렉션에서 N = 4입니다. S는 온난화 시나리오 (SW 대 GW)의 유의 한 효과를 나타내며, p < 0.05에서, 3 원 반복 측정 ANOVA를 기반으로합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5 : 42 일 배양 실험에서 SW 및 GW에서 대조군 및 온난화 처리하에 평균 (± SE) 글리코시다제 및 퍼 옥시다제 (μmol 활성 h-1·gsoil-1). BX=β1,4-자일로시다제; AP = 산성 인산 가수 분해 효소; 랩 = 류신 아미노펩티다아제; NAG = β -1,4-N- 아세틸 글루코사미니다 제; 옥스 = 산화 효소; 포 = 페놀 산화효소; 당 = 과산화 효소. 각 컬렉션에서 N = 4입니다. S는 온난화 시나리오 (SW 대 GW)의 유의한 효과를 나타내며, p < 0.05에서, 3원 반복 측정 ANOVA를 기반으로 한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1 : 토양 배양 연구에서 온도 제어 방법 및 온도 변화 모드에 대한 문헌 검토 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.
총 46개의 연구가 검토에 포함되었습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

표 2 : 주요 온도 변화 모드 및 문헌 검토를 기반으로 한 해당 온난화 시나리오 (표 1). 가능한 온도 변화 및 온난화 조건의 넓은 범위를 나타 내기 위해 5 가지 모드와 시나리오가 설정되었습니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

저자는 공개 할 것이 없습니다.