Simulando a temperatura em um experimento de incubação do solo

Espera-se que a temperatura da superfície global aumente este século em 1,8-6,4 °C ^1,2. O aquecimento global pode aumentar o fluxo de CO₂ do solo para a atmosfera, resultando em feedback positivo com o aquecimento 3,4,5,6. Como as comunidades microbianas desempenham um papel crítico na regulação das respostas respiratórias do solo ao aquecimento^7,8, as mudanças na respiração microbiana e os mecanismos microbianos subjacentes com o aquecimento têm sido um foco de pesquisa. Embora os experimentos de aquecimento do solo implantados na condição de campo, através de um cabo de aquecimento 9 e uma câmara de topo aberto¹⁰, tenham sido vantajosos na captura de características naturais do solo, como a temperatura¹¹, seu alto custo^de instalação e manutenção limitou sua aplicação. Alternativamente, experimentos de incubação de solo sujeitos a diferentes temperaturas são uma escolha favorável. A principal vantagem da incubação do solo em laboratório é que as condições ambientais bem controladas (por exemplo, temperatura) são capazes de desembaraçar o efeito de um fator de outros fatores de confusão em um ambiente experimental de campo^12,13. Apesar das diferenças entre a câmara de crescimento e os experimentos de campo (por exemplo, crescimento de plantas), a tradução dos resultados de laboratório para o campo está prontamente disponível¹⁴. A incubação de amostras de solo em um ambiente de laboratório poderia ajudar a melhorar nossa compreensão mecanicista da resposta do solo ao aquecimento¹⁵.

Nossa revisão da literatura identificou vários métodos de controle de temperatura e, consequentemente, modos distintos de mudança de temperatura em estudos anteriores de incubação do solo (Tabela 1). Primeiro, os instrumentos usados para controlar a temperatura são principalmente através de uma incubadora, câmara de crescimento, banho de água e, em um caso raro, cabo de aquecimento. Diante desses instrumentos, três padrões típicos de mudança de temperatura foram gerados (Figura 1). Estes incluem o modo mais implementado, temperatura constante (CT), mudança linear (LC) com uma taxa de mudança de temperatura constante diferente de zero e mudança não linear (NC) apresentada com um tipo diurno de temperatura. Para um caso de padrão de TC, a temperatura pode variar em magnitude ao longo do tempo, embora a temperatura constante permaneça por um determinado período de tempo durante a incubação (Figura 1B). Para LC, a taxa de mudança de temperatura pode variar em diferentes estudos em mais de duas ordens de magnitude (por exemplo, 0,1 °C/dia vs. 3,3 °C/h; Tabela 1); Para os casos de NC, a maioria se baseou na capacidade intrínseca dos instrumentos utilizados, levando a vários modos. Apesar disso, um tipo de mudança de temperatura diurna foi reivindicada através de um cabo de aquecimento ou incubadora^16,17; no entanto, as temperaturas da câmara nesses experimentos não foram validadas. Outros resultados importantes da revisão na Tabela 1 incluem a faixa de temperatura de incubação de 0-40 °C, com a maioria entre 5-25 °C; a duração dos experimentos variou de algumas horas (<1 dia) a quase 2 anos (~ 725 dias). além disso, solos submetidos incubações foram coletados de ecossistemas florestais, pastagens e terras agrícolas, com horizonte mineral dominante, orgânico até mesmo solo contaminado, localizados principalmente nos eua, china europa (Tabela 1).

Dados os três principais modos de mudança de temperatura, vários cenários distintos de aquecimento alcançados nos estudos anteriores foram resumidos na Tabela 2. Eles incluem aquecimento gradual (SW), SW com magnitude variável (SW_v), aquecimento gradual linearmente (GW_l), aquecimento gradual não linear (GW_n) e aquecimento gradual diurno (GW_d).

Em resumo, incubações de solo passadas geralmente capturavam a temperatura média do ar ou do solo em um local. Em muitos casos, como mostra a Tabela 1, incubadoras ou câmaras foram programadas manualmente a uma temperatura fixa, mas incapazes de ajustar automaticamente a temperatura conforme desejado, sem a capacidade de controlar o modo e a taxa de mudança de temperatura com o tempo (Eq. 1) e, assim, levando à dificuldade de imitar a temperatura diurna do solo local. Por outro lado, embora tentado em dois experimentos^16,17, não identificamos estudos que imitassem explicitamente o aquecimento gradual diurno (GW_d) em seus experimentos de incubação (Tabela 1). Com base na revisão da literatura, o principal obstáculo reside no mau desenho experimental, particularmente na falta de um instrumento sofisticado que permita a implementação e validação de cenários de aquecimento diurno ou outros cenários de aquecimento gradual.

(Eq. 1)

Onde ΔT é a quantidade de mudança de temperatura, m é o modo de mudança de temperatura, r é a taxa de mudança de temperatura e t é a duração da mudança.

Para melhorar o rigor experimental na incubação do solo, um método de controle de temperatura preciso e sofisticado é apresentado neste estudo. Adotando uma câmara ambiental de última geração, cada vez mais disponível e economicamente viável, o novo projeto deve não apenas permitir a simulação precisa da temperatura do solo in situ (por exemplo, padrão diurno), mas também, ao contabilizar possíveis extremos de mudança de temperatura, fornecer uma maneira confiável de minimizar os artefatos do viés instrumental. O atual projeto de incubação do solo deve ajudar os pesquisadores a identificar estratégias ideais que atendam às suas necessidades de incubação e pesquisa. O objetivo geral deste método é apresentar aos biogeoquímicos do solo uma abordagem altamente operacional para reformar o projeto de incubação do solo.

1. Monitoramento e programação de temperatura

1. Identifique uma zona de amostragem dentro de um gráfico de pesquisa. Instale uma ou algumas sondas automáticas de temperatura em solos a 10 cm de profundidade. Conecte a estação meteorológica a um computador através do cabo de transmissão de dados e abra o software no computador.
2. Clique no botão da barra de ferramentas Iniciar/Propriedades para configurar o registrador para os sensores externos que estão sendo usados.
3. Na tela Propriedades , defina o nome do registrador/estação (ou seja, Soil incubation exp.) e o intervalo de coleta de dados (ou seja, 60 min). Em seguida, na tela Propriedades , clique em Ativado nas portas do sensor externo que estão sendo usadas e selecione o sensor/unidade no botão suspenso para cada porta do sensor (ou seja, Porta A; "Ativado": Temperatura °C). Finalmente, clique em OK para salvar as configurações.
4. Monitore a leitura das sondas semanalmente para evitar mau funcionamento e baixe o conjunto de dados uma vez por mês. Obtenha um registro completo por vários meses cobrindo a estação de crescimento (ou seja, abril a setembro).
5. Realizar análise de dados dos registros de temperatura. Obter a temperatura horária média da estação de crescimento pela média de todas as observações.
   1. Obtenha a temperatura média de cada hora diariamente, calculando a média das temperaturas da mesma hora em todos os dias durante a estação de crescimento.
6. Na câmara sofisticada, inicie o software e clique no botão Perfil na tela do menu principal para criar um novo arquivo. Na linha de entrada do nome do arquivo, digite "SW low". Ao clicar na opção Mudança Instantânea , insira 15,9 °C como temperatura inicial, conforme obtido na etapa 1.5, e digite 2 na linha Minutos para manter a temperatura por 2 minutos e clique no botão Concluído . Em seguida, na opção Tempo de Rampa , insira 15,9 °C como o ponto de ajuste de destino e, na linha Horas , insira 850 h para sustentar a temperatura. Fianlly, clique no botão Concluído .
   1. Repita a etapa acima na segunda câmara adicionando 5 °C a cada nó de temperatura e crie um novo nome de arquivo "SW high".
   2. Repetir o passo 1.4 na terceira câmara, adicionando 23 passos adicionais correspondentes a 23 temperaturas horárias observadas do solo, tal como obtidas no passo 1.5.1. Na última etapa, chamada JUMP, defina 42 loops repetidos (Jump Count 42). Isso leva ao cenário de aquecimento gradual ou baixa GW.
   3. Repita o passo acima na quarta câmara com 5 °C adicionados a cada nó de temperatura. Isso permitirá uma simulação de temperaturas variáveis por 42 dias em um nível de temperatura mais alto (ou seja, GW alto).
7. Realizar uma corrida preliminar por 24 h e produzir as temperaturas registradas pelas quatro câmaras. Plotar as temperaturas registadas pelas câmaras em relação às programadas (Figura 2A-D).
   1. Se as temperaturas alcançadas na câmara corresponderem às temperaturas programadas por uma diferença de temperatura <0,1 °C durante as 24 h (Figura 2A,B,E,F), as câmaras são adequadas para a experiência de incubação do solo.
   2. Se os critérios não foram satisfeitos em qualquer uma dessas câmaras, repita outro teste de 24 horas ou procure uma nova câmara.

2. Coleta e homogeneização do solo

1. Perto da área da sonda de temperatura, colete cinco amostras de solo a 0-20 cm de profundidade e coloque-as em um saco plástico depois de remover a camada de lixo superficial.
2. Misture bem a amostra torcendo, pressionando e misturando os materiais no saco até que nenhuma amostra de solo individual seja visível.
3. Armazene as amostras em um refrigerador cheio de compressas de gelo e transporte as amostras para o laboratório imediatamente.
4. Retirar as raízes de cada núcleo, peneirar-as através de uma peneira de solo de 2 mm e misturar e homogeneizar cuidadosamente a amostra antes da análise seguinte.

3. Incubação laboratorial

1. Antes da incubação, pesar 10,0 g de solo fresco, secar na estufa por 24 h a 105 °C e pesar o solo seco. Derive a diferença entre amostras de solo fresco e seco e calcule a razão de diferença sobre o peso do solo seco para determinar o teor de umidade do solo em uma planilha.
2. Use o teor de umidade derivado para calcular o carbono da biomassa microbiana do solo (CBM), a atividade enzimática extracelular (EEA) e a respiração heterotrófica do solo, conforme descrito nas etapas a seguir. Esses dados ajudarão a entender os efeitos do tratamento na respiração do solo e os mecanismos microbianos subjacentes.
3. Antes da incubação, pesar a subamostra de solo úmido de campo (10 g) e quantificar o MBC do solo por métodos de extração de fumigação de clorofórmio-K₂SO₄ e digestão de persulfato de potássio¹⁸.
4. Antes da incubação, pesar a subamostra de solo úmido de campo (1,0 g) e medir o EEE hidrolítico e oxidativo do solo¹⁹.
5. Pesar 16 subamostras de solo úmido de campo (15,0 g equivalente ao peso seco) em 16 núcleos de cloreto de polivinilo (PVC) (5 cm de diâmetro, 7,5 cm de altura) selados com papel de fibra de vidro no fundo.
6. Coloque os núcleos de PVC em frascos de pedreiro (~ 1 L) revestidos com uma cama de contas de vidro para garantir que os núcleos não absorvam a umidade.
7. Coloque quatro frascos em cada uma das quatro câmaras, conforme descrito na etapa 1.4. Ligue as câmaras e inicie o programa simultaneamente em quatro câmaras.
8. Durante a incubação, às 2 h, dias 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 e 42, pegue todos os frascos em cada uma das quatro câmaras e use um analisador portátil de gás CO₂ para medir a taxa de respiração do solo (R s), colocando o colar do analisador no topo de cada_frasco.
9. Recolha destrutivamente todos os frascos no final da incubação (ou seja, dia 42) e quantifique o MBC do solo, conforme descrito no passo 3.3.
10. Recolha destrutivamente todos os frascos no final da incubação (ou seja, dia 42) e quantifique a atividade enzimática do solo, conforme descrito no passo 3.4.

4. Comparação do efeito de aquecimento

1. Ao assumir uma taxa de respiração constante (Rs) entre duas coleções consecutivas, use a taxa de respiração vezes a duração para derivar a respiração cumulativa (R_c).
2. Realizar uma análise de variância de medidas repetidas de três vias (ANOVA) para testar os efeitos principais e_interativos do tempo, temperatura (aquecimento) e modo de temperatura (cenário de aquecimento) em R s e R_c. Além disso, realizar uma ANOVA bidirecional para testar os efeitos do aquecimento e do cenário de aquecimento no MBC e no EEE.

As câmaras de última geração selecionadas replicaram a temperatura alvo com alta precisão (Figura 2A,B,E,F) e atenderam aos requisitos técnicos do experimento de incubação. Dada a facilidade de uso e operação, isso significou a técnica para melhorar a simulação de temperatura em estudos de aquecimento do solo e em outras aplicações, como estudos de plantas. O procedimento foi empregado em nosso recente estudo de caso baseado em uma terra de cultivo de switchgrass em Middle-Tennessee.

Os resultados da pesquisa mostraram que, em relação ao tratamento controle, o aquecimento levou a perdasrespiratórias significativamente maiores (R s e R c) em ambos os cenários de aquecimento (SW e GW), e GW dobrou a perda respiratória induzida pelo aquecimento (Rc) em relação ao SW, 81% vs. 40% (Figura 3). No dia 42, o MBC e o EEE também foram significativamente diferentes entre SW e GW, de modo que o MBC foi maior no SW do que no GW (69% vs. 38%; Figura 4) e glicosidases e peroxidase (por exemplo, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) foram significativamente maiores em GW do que em cenários de SW (Figura 5).

Figura 1: A ilustração do modo de mudança de temperatura em um experimento de aquecimento do solo conforme conceituado a partir da Tabela 1. (A) Temperatura constante (TC) adotada pela maioria dos estudos. (B) Temperatura constante com magnitude variável (CTv). (C,D) Variação linear (CL) com taxas positivas e negativas. (E,F) Alteração não linear (CP) com padrão irregular e padrão diurno. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Temperatura direcionada através da programação e temperatura da câmara durante um período de ensaio de 24 horas. (A,B) Temperatura alvo (linha cinzenta) e registos de temperatura da câmara (linha tracejada) sob controlo e tratamentos de aquecimento do aquecimento gradual (SW); (C,D) Temperatura alvo (linha cinzenta) e registos de temperatura da câmara (linha tracejada) sob controlo e tratamentos de aquecimento de aquecimento gradual (GW); (E, F) A diferença de temperatura derivada para registros nos painéis C e D. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Taxa de respiração cumulativa média (± SE) do solo (Rc, μg CO2-C·g solo-1) sob tratamentos de controle (oco) e aquecimento (escuro) em SW e GW em um experimento de incubação desolo de 42 dias. As inserções mostram taxas de respiração do solo (R s, μg CO2-C·h-1·g solo-1) aplicadas para estimar a respiração cumulativa, assumindo que R s foi constante até a medida seguinte. (A) Aquecimento gradual (SW) e (B) aquecimento gradual (GW). N = 4 em cada coleção. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Média (± SE) de CBM sob controle e tratamentos de aquecimento em SW e GW em um experimento de incubação de solo de 42 dias. MBC = carbono da biomassa microbiana; N = 4 em cada coleção. S denota efeito significativo do cenário de aquecimento (SW vs. GW), a p < 0,05, com base em uma ANOVA de medidas repetidas de três vias. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Glicosidases médias (± SE) e peroxidase (μmol atividade h-1·gsolo-1) sob controle e tratamentos de aquecimento em SW e GW em um experimento de incubação de 42 dias. BX =β1,4-xilosidase; AP = fosfatase ácida; LAP = Leucina Aminopeptidase; NAG =β-1,4-N-acetil-glucosaminidase; OX = Enzimas oxidativas; PHO = Fenol oxidase; POR = Peroxidase. N = 4 em cada coleção. S denota efeito significativo do cenário de aquecimento (SW vs. GW), a p < 0,05, com base em uma ANOVA de medidas repetidas de três vias. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1: Revisão da literatura de métodos de controle de temperatura e modos de mudança de temperatura em estudos de incubação de solo 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 anos,
52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62.
No total, 46 estudos foram incluídos na revisão. Por favor, clique aqui para baixar esta Tabela.

Tabela 2: Principais modos de mudança de temperatura e os cenários de aquecimento correspondentes com base em uma revisão da literatura (Tabela 1). Cinco modos e cenários foram estabelecidos para representar uma ampla gama de possíveis mudanças de temperatura e condições de aquecimento. Por favor, clique aqui para baixar esta Tabela.

O autor não tem nada a revelar.