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Estabilidade e distribuição da temperatura do bloco
Durante o desenvolvimento desse protocolo, testamos a linearidade e a estabilidade temporal da temperatura dentro do bloco. Após ligar o sistema de resfriamento e o aquecedor, o tempo de inicialização do bloco é de aproximadamente uma hora, durante a qual a maioria dos oito sensores de temperatura distribuídos uniformemente atinge a temperatura alvo e permanece constante após um ultrapasso (Figura 13A). Após esse período, as temperaturas registradas pelos oito sensores confirmam uma distribuição linear perfeita da temperatura ao longo do bloco de alumínio (Figura 13B).

Figura 13: Linearidade e estabilidade temporal dentro do bloco do gradiente de temperatura. (A) Estabilidade temporal das temperaturas dentro do bloco durante o período de incubação, e (B) temperatura registrada pelos sensores no momento de início da incubação. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Temperatura do bloco e temperatura do solo
Testamos o tempo necessário para que a amostra de solo dentro do bloco atingisse a temperatura registrada pelos oito sensores (Figura 14). Neste estudo, medimos a temperatura das amostras de solo em oito posições diferentes dentro do bloco, localizadas próximas aos sensores. Os sensores, posicionados dentro do bloco, eram pré-estabilizados na temperatura alvo. Seguindo o protocolo descrito acima, uma vez que as temperaturas do bloco estavam estáveis, as amostras de solo eram colocadas dentro do bloco. Para este teste, usamos sensores extras que estão separados do bloco. Usamos 15 g de terra, garantindo que a sonda sensora estivesse em contato total com o solo. As amostras de solo foram deixadas sem tampo, e a temperatura foi registrada a cada minuto, totalizando 30 minutos. Durante esse teste, o bloco foi levemente fechado para minimizar a variação de temperatura e reproduzir o máximo possível as condições reais de utilização (completamente fechado). Descobrimos que leva aproximadamente 12 minutos para as amostras de solo se estabilizarem na temperatura alvo. Consideramos esse tempo de estabilização aceitável, dado que as incubações duram no mínimo 3,5 horas. Além disso, avaliamos a linearidade da temperatura do solo após 12 minutos de incubação em bloco. Os resultados indicam que as temperaturas do solo apresentam uma relação linear, alinhando-se de perto com a linearidade observada nos oito sensores (Figura 15).

Figura 14: Temperatura do solo registrada incubada em diferentes temperaturas. As amostras A, B, C e D foram incubadas em frascos posicionados próximos aos sensores correspondentes (veja a Figura 10 para referência). A temperatura do solo era registrada por um termopar inserido diretamente nas amostras de solo. As temperaturas específicas monitoradas por cada sensor são as seguintes: (A) Sensor 1 (S1) a 4,1 °C, (B) Sensor 2 (S2) a 12,5 °C, (C) Sensor 3 (S3) a 20,1 °C, (D) Sensor 4 (S4) a 28,1 °C, (E) Sensor 5 (S5) a 36,1 °C, (F) Sensor 6 (S6) a 43,8 °C, (G) Sensor 7 (S7) a 51,9 °C, e (H) Sensor 8 (S8) a 60 °C. Após colocar as amostras de solo no bloco, leva aproximadamente 12 minutos para atingir a temperatura alvo. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 15: Forte correlação linear entre a temperatura do solo e a temperatura do sensor. Quatro frascos com solo foram colocados próximos aos oito sensores nas posições dos blocos A, B, C e D. A temperatura do solo era registrada por um termopar inserido diretamente nas amostras de solo. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Interação temperatura-umidade
Há uma interação inevitável entre temperatura e umidade que precisa ser avaliada durante o período de incubação. Por exemplo, altas temperaturas podem acelerar a evaporação, enquanto baixas podem causar condensação de água. Para este teste, usamos quatro amostras de solo selecionadas aleatoriamente com diferentes texturas (Tabela Suplementar 2). De acordo com o protocolo, cada amostra de solo foi colocada na mesma posição do bloco em todas as 22 temperaturas. Os resultados mostram que, após um tempo médio de incubação de 3,5 h, temperaturas mais altas resultaram em maior perda de umidade em comparação com temperaturas mais baixas, independentemente da textura do solo (Figura 16). Solos incubados a 60 °C perderam em média 12% da água total adicionada, enquanto solos incubados a 4,1 °C perderam em média apenas 1,88% da água total adicionada. Isso significa que, durante as 3,5 horas de incubação em blocos, os solos foram mantidos dentro das condições ideais de umidade, entre 50% e 60% da capacidade de retenção de água, independentemente da temperatura deincubação 44,45 (Figura Suplementar 6).

Figura 16: Perda relativa de umidade do solo durante a incubação em bloco em quatro amostras diferentes. A perda de umidade foi calculada em relação à quantidade total de água adicionada para ajustar o WHC. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Medições de concentração de CO2
Para testar a precisão e exatidão do analisador de gases, realizamos quatro medições de um gás de referência certificado (413 ± 5 ppm CO2), para as quais o analisador registrou 413,71 ± 0,60 (ppm CO2, média ± SD). Isso confirmou a alta precisão e exatidão das medições deCO2 registradas pelo analisador de gás. Além disso, para cumprir as especificações do fabricante, deve ser realizado um teste anual usando um gás de referência certificado.
Considerando o tempo de atraso causado pela linha de injeção e pelo kit de redução de vazão para o analisador de gás, múltiplos testes foram realizados para determinar o tempo ideal de medição. Os resultados mostram que a linha de injeção causa um atraso de aproximadamente cinco segundos. Nesse contexto, o tempo ideal de medição é de 20 s, permitindo tempo suficiente para preencher a unidade de detecção de CO2 e alcançar um equilíbrio por 5 s (Figura 17). Considerando que o kit de redução de fluxo mede a uma taxa de 1,17 mL/s, esse tempo de medição corresponde à amostragem de 39% do conteúdo de ar nos frascos de 60 mL. Além disso, observamos que, quando o analisador de gás é usado como um sistema fechado, ocorre uma queda de pressão. Essa queda ocorre durante o intervalo de um segundo em que não há injeção de ar, enquanto a agulha é extraída do frasco. Para levar em conta essa queda de pressão durante o processamento de dados, excluímos valores deCO2 que são ligeiramente menores (entre 3% e 5%) do que o valor anterior ou o próximo.

Figura 17: Tempo ótimo de medição para uma amostra individual de solo incubada em três temperaturas diferentes. Este gráfico mostra o tempo de injeção e extração da agulha, o equilíbrio doCO2 por 5 s e a queda de pressão associada ao período de tempo selecionado. Incubation_ID mostra a posição do bloco (C) e as posições do frasco (5, 10 e 15). Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Testando o protocolo completo
Para avaliar a funcionalidade e reprodutibilidade do protocolo, incubamos duas amostras diferentes, cada uma com quatro réplicas técnicas, entre 22 temperaturas discretas que variam de 4 °C a 60 °C. Essas amostras de solo foram escolhidas para demonstrar o tipo de dados gerados com esse sistema e seu desempenho. Características específicas da amostra podem ser encontradas na Tabela Suplementar 2. O bloco do gradiente de temperatura capturou de forma confiável as taxas de respiração do solo das diferentes amostras de solo em cada ponto de temperatura, permitindo visualizar a curva de resposta térmica. Além disso, as curvas de resposta à temperatura resultantes para todas as réplicas foram quase idênticas, como refletido pelo pequeno desvio padrão em torno das taxas médias de respiração em todas as temperaturas (Figura 18). Esses resultados demonstram alta reprodutibilidade e confirmam a precisão do protocolo.

Figura 18: Taxas representativas de decomposição SOM (Rs) para dois solos, cada um medido com quatro réplicas técnicas incubadas ao longo de todo o gradiente de temperatura. Os pontos representam a média das taxas de respiração em cada temperatura, e barras de erro indicam o desvio padrão entre réplicas técnicas. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Um segundo teste foi realizado para demonstrar a aplicabilidade científica do protocolo. Medimos as taxas de respiração do solo ao longo de todo o gradiente de temperatura e ajustamos os dados usando o modelo Arrhenius ou MMRT (Figura 19). Essas amostras de solo foram escolhidas para demonstrar o desempenho do sistema para curvas de resposta à temperatura contrastantes (as características da amostra são fornecidas na Tabela Suplementar 2). Os resultados mostram que os dados coletados com o bloco do gradiente de temperatura podem ser analisados adicionalmente testando diferentes teorias sobre a sensibilidade à temperatura das taxas de decomposição da SOM. No entanto, surgem desafios ao trabalhar com solo fresco em qualquer experimento. Durante o período pré-incubação de 10 dias, observamos comunidades fúngicas crescendo dentro de alguns frascos em amostras de solo além do conjunto de amostras representativas. Apesar dos nossos esforços para remover cuidadosamente as comunidades fúngicas sem perturbar o solo, esse crescimento impactou os resultados de algumas amostras (Figura 20). Consequentemente, decidimos descartar as amostras afetadas removendo toda a amostra, não apenas os frascos individuais afetados pelo crescimento fúngico.

Figura 19: Resultados representativos e taxas de respiração (Rs) de quatro diferentes amostras de solo incubadas no bloco do gradiente de temperatura. A linha vermelha representa o ajuste de Arrhenius (A,B), e a linha azul representa o ajuste MMRT (C,D). Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Figura 20: Padrões de frequência respiratória de algumas amostras afetadas pelo crescimento fúngico. Esses resultados são exemplos de (A,B) duas amostras contaminadas que foram excluídas de análises adicionais. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.
Figura suplementar 1: Circuito básico NO/NC. " C" também pode ser rotulado como "COM" para Comum. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 2: Painel de controle do sistema de refrigeração. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 3: Interruptor do sistema e indicador de luz. (A) Interruptor do sistema de controle do bloco do gradiente de temperatura; e (B) luz verde indicando que os sensores e o sistema de aquecimento estão LIGADOS. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 4: Controle do bloco de aquecimento com gradiente de temperatura na interface online. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Figura suplementar 5: Seção diagnóstica do analisador de gás. Tudo está verde, significa que o instrumento está pronto para medições. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Figura Suplementar 6: Capacidade de retenção de água dos solos incubados em diferentes temperaturas, medições registradas após 3,5 h de incubação em blocos. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo Suplementar 1: Instruções detalhadas de fiação. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Tabela Suplementar 1: Lista de materiais com a quantidade necessária. Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.
Tabela Suplementar 2: Características das amostras de solo utilizadas no teste de perda de umidade e protocolo completo. Essas amostras foram escolhidas para demonstrar a funcionalidade do protocolo. A classificação de texturas segue o sistema USDA, com grosso, argila, silte e areia expressos em porcentagens. OC refere-se ao teor de carbono orgânico (g C·kg-1 solo), pH foi medido em água, e CaCO3 representa o teor de carbonato de cálcio (g·kg-1 solo). Por favor, clique aqui para baixar este arquivo.