Symulacja temperatury w eksperymencie inkubacji gleby

Globalna temperatura powierzchni ma wzrosnąć w tym stuleciu o 1,8-6,4 °C^1,2. Globalne ocieplenie może zwiększyć przepływ CO₂ z gleby do atmosfery, co skutkuje dodatnim sprzężeniem zwrotnym z ociepleniem^3,4,5,6. Ponieważ zbiorowiska mikroorganizmów odgrywają kluczową rolę w regulacji reakcji układu oddechowego gleby na ocieplenie^7,8, zmiany w oddychaniu mikrobiologicznym i mechanizmy mikrobiologiczne leżące u podstaw ocieplenia były przedmiotem badań. Chociaż eksperymenty z ocieplaniem gleby przeprowadzone w warunkach polowych, za pomocą grzejnego⁹ i otwartej górnej komory¹⁰, były korzystne w uchwyceniu naturalnych cech gleby, takich jak temperatura¹¹, ich wysokie koszty instalacji i konserwacji ograniczyły ich zastosowanie. Alternatywnie, eksperymenty z inkubacją gleby poddawane różnym temperaturom są korzystnym wyborem. Podstawową zaletą inkubacji gleby w laboratorium jest to, że dobrze kontrolowane warunki środowiskowe (np. temperatura) są w stanie oddzielić efekt jednoczynnikowy od innych czynników zakłócających w warunkach eksperymentu terenowego^12,13. Pomimo różnic między komorą wzrostową a eksperymentami polowymi (np. wzrost roślin), tłumaczenie wyników laboratoryjnych na teren jest łatwo dostępne¹⁴. Inkubacja próbek gleby w warunkach laboratoryjnych może pomóc w lepszym zrozumieniu mechanistycznego reagowania gleby na ocieplenie¹⁵.

Nasz przegląd literatury zidentyfikował kilka metod kontroli temperatury, a co za tym idzie, różne tryby zmiany temperatury w poprzednich badaniach inkubacji gleby (Tabela 1). Po pierwsze, przyrządy używane do kontrolowania temperatury to głównie inkubator, komora wzrostowa, łaźnia wodna i, w rzadkich przypadkach, grzejny. Biorąc pod uwagę te instrumenty, wygenerowano trzy typowe wzorce zmian temperatury (Rysunek 1). Należą do nich najczęściej wdrażany tryb, stała temperatura (CT), zmiana liniowa (LC) z niezerową stałą szybkością zmian temperatury oraz zmiana nieliniowa (NC) charakteryzująca się dobowym typem temperatury. W przypadku wzorca CT temperatura może zmieniać się w czasie, chociaż stała temperatura utrzymuje się przez pewien czas podczas inkubacji (Rysunek 1B). W przypadku LC tempo zmiany temperatury może się różnić w różnych badaniach o więcej niż dwa rzędy wielkości (np. 0,1 °C/dzień w porównaniu z 3,3 °C/h; Tabela 1); W przypadku NC większość z nich opierała się na wewnętrznej zdolności wykorzystywanych instrumentów, co prowadziło do różnych trybów. Mimo to stwierdzono, że dobowa zmiana temperatury nastąpiła za pomocą grzejnego lub inkubatora^16,17; Jednak temperatury w komorze w tych eksperymentach nie zostały zweryfikowane. Inne ważne wyniki przeglądu w tabeli 1 obejmują zakres temperatur inkubacji od 0 do 40 °C, przy czym większość z nich mieści się w przedziale 5-25 °C; Czas trwania eksperymentów wahał się od kilku godzin (<1 dzień) do blisko 2 lat (~725 dni). gleby poddane inkubacji zebrano również z ekosystemów leśnych, trawiastych i polowych uprawnych, dominującym horyzontem mineralnym, organicznym, a nawet zanieczyszczoną glebą, zlokalizowanymi głównie w usa, chinach europie (tabela 1).

Biorąc pod uwagę trzy główne tryby zmian temperatury, kilka różnych scenariuszy ocieplenia osiągniętych w poprzednich badaniach zostało podsumowanych w Tabeli 2. Obejmują one stopniowe ocieplanie (SW), SW o zmiennej wielkości (SW_v), stopniowe ocieplanie liniowe (GW_l), stopniowe ocieplanie nieliniowe (GW_n) i stopniowe ocieplanie dobowe (GW_d).

Podsumowując, poprzednie inkubacje gleby zazwyczaj rejestrowały średnie powietrze lub temperaturę gleby w danym miejscu. W wielu przypadkach, jak pokazano w tabeli 1, inkubatory lub komory były ręcznie programowane na stałą temperaturę, ale nie były w stanie automatycznie dostosować temperatury zgodnie z potrzebami, nie miały możliwości kontrolowania trybu i szybkości zmian temperatury w czasie (równanie 1), co prowadziło do trudności w naśladowaniu dobowej temperatury lokalnej gleby. Z drugiej strony, mimo że próbowaliśmy w dwóch eksperymentach^16,17, nie znaleźliśmy żadnych badań, które wyraźnie imitowałyby stopniowe ocieplanie dobowe (GW_d) w ich eksperymentach inkubacyjnych (Tabela 1). Z przeglądu literatury wynika, że główną przeszkodą jest słaby projekt eksperymentalny, a w szczególności brak zaawansowanego instrumentu, który umożliwiałby wdrożenie i walidację scenariuszy dobowego lub innego stopniowego ocieplenia.

(Równanie 1)

Gdzie ΔT to wielkość zmiany temperatury, m to sposób zmiany temperatury, r to szybkość zmiany temperatury, a t to czas trwania zmiany.

Aby poprawić rygor doświadczalny w inkubacji gleby, w tym badaniu przedstawiono dokładną i wyrafinowaną metodę kontroli temperatury. Przyjmując najnowocześniejszą komorę środowiskową, coraz bardziej dostępną i ekonomicznie opłacalną, nowy projekt nie tylko umożliwi dokładną symulację temperatury gleby in situ (np. wzorca dobowego), ale także, biorąc pod uwagę możliwe ekstremalne zmiany temperatury, zapewni niezawodny sposób minimalizacji artefaktów stronniczości instrumentalnej. Obecny projekt inkubacji gleby powinien pomóc naukowcom w określeniu optymalnych strategii, które zaspokoją ich potrzeby w zakresie inkubacji i badań. Ogólnym celem tej metody jest zaprezentowanie biogeochemikom gleb wysoce praktycznego podejścia do reformy projektu inkubacji gleby.

1. Monitorowanie i programowanie temperatury

1. Zidentyfikuj strefę pobierania próbek na powierzchni badawczej. Zainstaluj jedną lub kilka automatycznych sond temperatury w glebie na głębokości 10 cm. Podłącz stację pogodową do komputera za pomocą do transmisji danych i otwórz oprogramowanie na komputerze.
2. Kliknij przycisk Uruchom/Właściwości na pasku narzędzi, aby skonfigurować rejestrator dla używanych czujników zewnętrznych.
3. Na ekranie Właściwości ustaw nazwę rejestratora/stacji (np. Exp inkubacji gleby) oraz interwał zbierania danych (tj. 60 min). Następnie na ekranie Właściwości kliknij Włączone na używanych portach czujnika zewnętrznego i wybierz czujnik/jednostkę z przycisku rozwijanego dla każdego portu czujnika (tj. Port A; "Włączony": Temperatura °C). Na koniec kliknij OK, aby zapisać ustawienia.
4. Monitoruj odczyt sond co tydzień, aby uniknąć awarii, i pobieraj zestaw danych raz w miesiącu. Uzyskaj pełny zapis za kilka miesięcy obejmujący sezon wegetacyjny (tj. od kwietnia do września).
5. Przeprowadź analizę danych zapisów temperatury. Uzyskaj średnią godzinową temperaturę sezonu wegetacyjnego, uśredniając wszystkie obserwacje.
   1. Średnią temperaturę z każdej godziny w ujęciu dziennym należy uzyskać, uśredniając temperatury z tej samej godziny we wszystkich dniach sezonu wegetacyjnego.
6. W wyrafinowanej komorze uruchom oprogramowanie i kliknij przycisk Profil na ekranie menu głównego, aby utworzyć nowy plik. W wierszu wprowadzania nazwy pliku wpisz "SW low". Klikając opcję Natychmiastowa zmiana, wprowadź 15.9 °C jako temperaturę początkową, jak uzyskano w kroku 1.5, i wprowadź 2 w wierszu Minuty, aby utrzymać temperaturę przez 2 minuty i kliknij przycisk Gotowe. Następnie w opcji Ramp Time wprowadź 15.9 °C jako nastawę docelową i w wierszu Godziny wprowadź 850 godzin, aby utrzymać temperaturę. Na koniec kliknij przycisk Gotowe.
   1. Powtórz powyższy krok w drugiej komorze, dodając 5 °C do każdego węzła temperatury i utwórz nowy plik o nazwie "SW high".
   2. Powtórzyć krok 1.4 w trzeciej komorze, dodając dodatkowe 23 kroki odpowiadające 23 obserwowanym godzinowym temperaturom gleby, jak uzyskano w kroku 1.5.1. W ostatnim kroku, zwanym JUMP, ustaw 42 powtarzające się pętle (Jump Count 42). Prowadzi to do scenariusza stopniowego ocieplenia lub niskiego GW.
   3. Powtórzyć powyższy krok w czwartej komorze, dodając 5 °C do każdego węzła temperatury. Pozwoli to na symulację zmiennych temperatur przez 42 dni przy wyższym poziomie temperatury (tj. wysokim GW).
7. Przeprowadź wstępny bieg przez 24 godziny i wyprowadź temperatury zarejestrowane przez cztery komory. Wykreśl temperatury zarejestrowane przez komory w stosunku do tych zaprogramowanych (Rysunek 2A-D).
   1. Jeśli temperatury osiągane w komorze odpowiadają temperaturom zaprogramowanym przez różnicę temperatur <0,1 °C w ciągu 24 godzin (Rysunek 2A,B,E,F), komory nadają się do eksperymentu inkubacji gleby.
   2. Jeżeli kryteria nie zostały spełnione w którejkolwiek z tych komór, należy powtórzyć kolejny 24-godzinny test lub poszukać nowej komory.

2. Zbieranie i homogenizacja gleby

1. W pobliżu obszaru sondy temperatury zbierz pięć próbek gleby na głębokości 0-20 cm i włóż je do jednej plastikowej torby po usunięciu powierzchniowej warstwy ściółki.
2. Dokładnie wymieszaj próbkę, skręcając, wyciskając i mieszając materiały w worku, aż nie będzie widać pojedynczej próbki gleby.
3. Przechowuj próbki w chłodziarce wypełnionej wkładami z lodu i natychmiast przetransportuj próbki do laboratorium.
4. Usunąć korzenie z każdego rdzenia, przesiać go przez sito glebowe o średnicy 2 mm, a następnie dokładnie wymieszać i homogenizować próbkę przed następną analizą.

3. Inkubacja laboratoryjna

1. Przed inkubacją odważyć 10,0 g świeżej gleby, wysuszyć ją w piekarniku przez 24 godziny w temperaturze 105 °C i zważyć suchą glebę. Wyznacz różnicę między świeżymi i suchymi próbkami gleby i oblicz stosunek różnicy do masy suchej gleby, aby określić zawartość wilgoci w glebie w arkuszu kalkulacyjnym.
2. Uzyskaną zawartość wilgoci należy wykorzystać do obliczenia zawartości węgla w biomasie mikrobiologicznej (MBC) w glebie, aktywności enzymów zewnątrzkomórkowych (EEA) i oddychania heterotroficznego w glebie, jak opisano w poniższych krokach. Dane te pomogą zrozumieć wpływ leczenia na oddychanie gleby i leżące u jego podstaw mechanizmy mikrobiologiczne.
3. Przed inkubacją zważyć podpróbkę gleby wilgotnej (10 g) i określić ilościowo MBC gleby metodą ekstrakcji fumigacją-K_2SO4 i mineralizacji nadsiarczanem potasu¹⁸.
4. Przed inkubacją należy zważyć podpróbkę wilgotnej gleby polowej (1,0 g) i zmierzyć hydrolityczne i oksydacyjne właściwości glebowe EEA¹⁹.
5. Zważyć 16 podpróbek gleby wilgotnej (15,0 g ekwiwalent suchej masy) w 16 rdzeniach z polichlorku winylu (PVC) (o średnicy 5 cm, wysokości 7,5 cm) uszczelnionych od spodu papierem z włókna szklanego.
6. Umieść rdzenie PVC w słoikach Mason (~ 1 L) wyłożonych warstwą szklanych koralików, aby upewnić się, że rdzenie nie wchłaniają wilgoci.
7. Umieść cztery słoiki w każdej z czterech komór zgodnie z opisem w kroku 1.4. Włącz komory i uruchom program jednocześnie w czterech komorach.
8. Podczas inkubacji, po 2 godzinach, dniach 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 i 42, weź wszystkie słoiki w każdej z czterech komór i użyj przenośnego analizatora gazu CO₂ do pomiaru częstości oddychania gleby (R_s), umieszczając kołnierz analizatora na górze każdego słoika.
9. Destrukcyjnie zbierz wszystkie słoiki pod koniec inkubacji (tj. w 42 dniu) i określ ilościowo MBC gleby zgodnie z opisem w kroku 3.3.
10. Destrukcyjnie zbierz wszystkie słoiki pod koniec inkubacji (tj. w 42 dniu) i określ ilościowo aktywność enzymów glebowych, jak opisano w kroku 3.4.

4. Porównanie efektów ocieplających

1. Zakładając stałą częstość oddechów (Rs) między dwoma kolejnymi kolekcjami, użyj częstości oddechów pomnożonej przez czas trwania, aby uzyskać skumulowane oddychanie (R_c).
2. Przeprowadź trójczynnikową analizę wariancji powtarzanych pomiarów (ANOVA) w celu przetestowania głównych i interaktywnych skutków czasu, temperatury (ocieplenie) i trybu temperatury (scenariusz ocieplenia) na R_s i R_c. Ponadto należy przeprowadzić dwukierunkową analizę ANOVA w celu przetestowania wpływu ocieplenia i scenariusza ocieplenia na MBC i EEA.

Wybrane najnowocześniejsze komory odwzorowywały temperaturę docelową z dużą precyzją (Rysunek 2A,B,E,F) i spełniały wymagania techniczne eksperymentu inkubacyjnego. Biorąc pod uwagę łatwość użycia i obsługi, oznaczało to technikę mającą na celu poprawę symulacji temperatury w badaniach ocieplenia gleby oraz w innych zastosowaniach, takich jak badania roślin. Procedura została zastosowana w naszym niedawnym studium przypadku opartym na uprawach proso rózgowatego w środkowym Tennessee.

Wyniki badań wykazały, że w porównaniu z leczeniem kontrolnym, ocieplenie prowadziło do znacznie większych strat oddechowych (Rs i Rc) w obu scenariuszach ocieplenia (SW i GW), a GW podwoiło utratę oddechu wywołaną ociepleniem (Rc) w stosunku do SW, 81% vs. 40% (Rysunek 3). W 42. dniu MBC i EEA również znacząco różniły się między SW i GW, tak że MBC było wyższe w SW niż w GW (69% vs. 38%; Rysunek 4) a glikozydazy i peroksydazy (np. AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) były znacznie wyższe w GW niż w scenariuszach SW (Rysunek 5).

Rysunek 1: Ilustracja trybu zmiany temperatury w eksperymencie ocieplania gleby, jak konceptualizacja z Tabeli 1. (A) Stała temperatura (CT) przyjęta w większości badań. (B) Stała temperatura o zmiennej wielkości (CTv). (C,D) Zmiana liniowa (LC) ze wskaźnikami dodatnimi i ujemnymi. (E,F) Zmiana nieliniowa (NC) o nieregularnym wzorcu i wzorze dobowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Temperatura docelowa za pomocą programowania i temperatury w komorze podczas 24-godzinnego okresu testowego. (A,B) Temperatura docelowa (szara linia) i zapisy temperatury w komorze (linia przerywana) pod kontrolą i ocieplanie stopniowe ocieplanie (SW); (C,D) Zapisy temperatury docelowej (szara linia) i temperatury w komorze (linia przerywana) pod kontrolą oraz zabiegi ocieplające stopniowego ocieplania (GW); (E, F) Różnica temperatur wyprowadzona dla zapisów w panelach C i D. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Średnia (± SE) skumulowana szybkość oddychania gleby (Rc, μg CO2-C·ggleba-1) pod kontrolą (pusta) i ocieplająca (ciemna) w SW i GW w 42-dniowym eksperymencie inkubacji gleby. Wstawki pokazują tempo oddychania gleby (Rs, μg CO2-C·h-1·g soil-1) zastosowane do oszacowania skumulowanego oddychania, przy założeniu, że Rs było stałe do następnego pomiaru. (A) Stopniowe ocieplanie (SW) oraz (B) stopniowe ocieplanie (GW). N = 4 w każdej kolekcji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Średnia (± SE) MBC pod kontrolą i ocieplanie w SW i GW w 42-dniowym eksperymencie inkubacji gleby. MBC = węgiel z biomasy mikrobiologicznej; N = 4 w każdej kolekcji. S oznacza znaczący efekt scenariusza ocieplenia (SW vs. GW), przy p < 0,05, w oparciu o trójczynnikową powtarzaną wartość pomiarów ANOVA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Średnia (± SE) glikozydazy i peroksydazy (aktywność μmol h-1·gsoil-1) pod kontrolą i ocieplającymi zabiegami w SW i GW w 42-dniowym eksperymencie inkubacyjnym. BX = β1,4-ksylozydaza; AP = fosfataza kwasowa; OKRĄŻENIE = Aminopeptydaza leucynowa; NAG = β-1,4-N-acetylo-glukozaminidaza; OX = Enzymy utleniające; PHO = Oksydaza fenolowa; PER = Peroksydazy. N = 4 w każdej kolekcji. S oznacza znaczący efekt scenariusza ocieplenia (SW vs. GW), przy p < 0,05, w oparciu o trójczynnikową powtarzaną wartość pomiarów ANOVA. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 1: Przegląd literatury na temat metod kontroli temperatury i trybów zmiany temperatury w badaniach inkubacji gleby12,13,16,17,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,
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.
Łącznie do przeglądu włączono 46 badań. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Tabela 2: Tryby głównych zmian temperatury i odpowiadające im scenariusze ocieplenia na podstawie przeglądu literatury (Tabela 1). Ustalono pięć trybów i scenariuszy, które reprezentują szeroki zakres możliwych zmian temperatury i warunków ocieplenia. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Autor nie ma nic do zdradzienia.