Моделирование температуры в эксперименте по инкубации почвы

Ожидается, что глобальная температура поверхности повысится в этом столетии на 1,8-6,4 °C ^1,2. Глобальное потепление может увеличить поток CO₂ из почвы в атмосферу, что приведет к положительной обратной связи с потеплением ^3,4,5,6. Поскольку микробные сообщества играют решающую роль в регулировании респираторных реакций почвы на потепление ^7,8, изменения в микробном дыхании и лежащие в основе микробные механизмы с потеплением были в центре внимания исследований. Хотя эксперименты по нагреванию почвы, развернутые в полевых условиях, через нагревательный кабель⁹ и камеру¹⁰ с открытым верхом, были выгодными для захвата естественных особенностей почвы, таких как температура¹¹, их высокая стоимость установки и обслуживания ограничила их применение. В качестве альтернативы, эксперименты по инкубации почвы при различных температурах являются благоприятным выбором. Основным преимуществом инкубации почвы в лаборатории является то, что хорошо контролируемые условия окружающей среды (например, температура) способны отделить однофакторный эффект от других смешивающих факторов в полевых экспериментальных условиях^12,13. Несмотря на различия между камерой роста и полевыми экспериментами (например, ростом растений), перевод из лабораторных результатов в поле легко доступен¹⁴. Инкубация образцов почвы в лабораторных условиях может помочь улучшить наше механистическое понимание реакции почвы на потепление¹⁵.

В нашем обзоре литературы было выявлено несколько методов контроля температуры и, следовательно, различные режимы изменения температуры в прошлых исследованиях инкубации почвы (таблица 1). Во-первых, инструменты, используемые для контроля температуры, в основном через инкубатор, камеру роста, водяную баню и, в редких случаях, нагревательный кабель. С учетом этих приборов были сформированы три типичных паттерна изменения температуры (рисунок 1). К ним относятся наиболее реализованный режим, постоянная температура (CT), линейное изменение (LC) с ненулевой постоянной скоростью изменения температуры и нелинейное изменение (NC), характеризующееся суточным типом температуры. Для случая паттерна КТ температура может изменяться по величине с течением времени, хотя постоянная температура остается в течение определенного периода времени во время инкубации (рисунок 1B). Для ЛК скорость изменения температуры может варьироваться в различных исследованиях более чем на два порядка величины (например, 0,1 °C/день против 3,3 °C/ч; Таблица 1); В случаях с НК большинство полагалось на внутреннюю емкость используемых приборов, что приводило к различным режимам. Несмотря на это, тип суточного изменения температуры был заявлен через нагревательный кабель или инкубатор^16,17; однако температура камеры в этих экспериментах не была подтверждена. Другие основные результаты обзора, приведенные в таблице 1, включают диапазон температур инкубации 0-40 °C, причем большинство из них находятся в пределах 5-25 °C; продолжительность экспериментов варьировалась от нескольких часов (<1 день) до почти 2 лет (~725 дней). Кроме того, почвы, подвергшиеся инкубации, были собраны из лесных, луговых и пахотных экосистем с доминирующим минеральным горизонтом, органическим горизонтом даже загрязненной почвой, расположенной в основном США, Китае Европе (таблица 1).

С учетом трех основных режимов изменения температуры несколько различных сценариев потепления, достигнутых в ходе предыдущих исследований, были обобщены в таблице 2. Они включают ступенчатое потепление (SW), SW с различной величиной (SW_v), постепенное линейное потепление (GW_l), постепенное нелинейное потепление (GW_n) и постепенное потепление по дням (GW_d).

Таким образом, прошлые почвенные инкубации обычно захватывали среднюю температуру воздуха или почвы на участке. Во многих случаях, как показано в таблице 1, инкубаторы или камеры были вручную запрограммированы при фиксированной температуре, но не могли автоматически регулировать температуру по своему усмотрению, не имели возможности контролировать режим и скорость изменения температуры со временем (экв. 1) и, таким образом, приводили к трудностям имитации суточной температуры местной почвы. С другой стороны, несмотря на попытку в двух экспериментах^16,17, мы не выявили исследований, которые явно имитировали бы постепенное суточное потепление (GW_d) в своих инкубационных экспериментах (таблица 1). Согласно обзору литературы, основное препятствие заключается в плохом экспериментальном проектировании, особенно в отсутствии сложного инструмента, который позволяет реализовать и проверить суточные или другие сценарии постепенного потепления.

(Экв. 1)

Где ΔT — величина изменения температуры, m — режим изменения температуры, r — скорость изменения температуры, а t — продолжительность изменения.

Чтобы улучшить экспериментальную строгость в инкубации почвы, в этом исследовании представлен точный и сложный метод контроля температуры. Принимая современную экологическую камеру, все более доступную и экономически жизнеспособную, новая конструкция должна не только обеспечить точное моделирование температуры почвы in situ (например, суточной картины), но и, с учетом возможных экстремальных значений изменения температуры, обеспечить надежный способ минимизации артефактов инструментального смещения. Нынешний дизайн инкубации почвы должен помочь исследователям определить оптимальные стратегии, отвечающие их потребностям в инкубации и исследованиях. Общая цель этого метода состоит в том, чтобы представить биогеохимикам почвы высокоэффективный подход к реформированию проектирования почвенной инкубации.

1. Мониторинг и программирование температуры

1. Определите зону выборки на исследуемом участке. Установите один или несколько автоматических датчиков температуры в грунтах на глубине 10 см. Подключите метеостанцию к компьютеру через кабель передачи данных и откройте программное обеспечение на компьютере.
2. Нажмите кнопку Запустить/ Свойства на панели инструментов, чтобы настроить регистратор для используемых внешних датчиков.
3. На экране Свойства задайте имя регистратора/станции (т.е. эксп. инкубации почвы) и интервал сбора данных (т.е. 60 мин). Затем на экране «Свойства» нажмите « Включено» на используемых внешних портах датчика и выберите датчик/устройство из кнопки раскрывающегося списка для каждого порта датчика (например, порт A; "Включено": температура °C). Наконец, нажмите OK , чтобы сохранить настройки.
4. Еженедельно контролируйте показания датчиков, чтобы избежать неисправностей, и загружайте набор данных один раз в месяц. Получите полную запись за несколько месяцев, охватывающих вегетационный период (т.е. с апреля по сентябрь).
5. Проведите анализ данных температурных рекордов. Получите среднюю почасовую температуру вегетационного периода, усреднив все наблюдения.
   1. Получите среднюю температуру каждого часа на ежедневной основе, усреднив температуру одного и того же часа во все дни в течение вегетационного периода.
6. В сложной камере запустите программное обеспечение и нажмите кнопку Профиль на экране главного меню, чтобы создать новый файл. В строке ввода имени файла введите "SW low". Нажав на опцию Мгновенное изменение , введите 15,9 ° C в качестве начальной температуры, полученной на шаге 1,5, и введите 2 в строке «Минуты», чтобы поддерживать температуру в течение 2 минут, и нажмите кнопку «Готово ». Затем под параметром Ramp Time (Время рампы) введите 15,9 °C в качестве целевого заданного значения и в строке Hours (Часы ) введите 850 h для поддержания температуры. Fianlly, нажмите на кнопку Готово .
   1. Повторите вышеуказанный шаг во второй камере, добавив 5 °C к каждому температурному узлу и создайте новое имя файла «SW high».
   2. Повторите этап 1.4 в третьей камере, добавив 23 дополнительных этапа, соответствующих 23 наблюдаемым почасовым температурам почвы, полученным на этапе 1.5.1. На последнем шаге, называемом JUMP, установите 42 повторяющихся цикла (Jump Count 42). Это приводит к сценарию постепенного потепления или низкого уровня ГВт.
   3. Повторите вышеуказанный шаг в четвертой камере с добавлением 5 °C к каждому температурному узлу. Это позволит моделировать изменяющиеся температуры в течение 42 дней при более высоком уровне температуры (т.е. гВт).
7. Проведите предварительный прогон в течение 24 ч и выведите температуры, зарегистрированные четырьмя камерами. Постройте график температур, зарегистрированных камерами, по сравнению с запрограммированными (рисунок 2A-D).
   1. Если температуры, достигнутые в камере, совпадают с температурами, запрограммированными разницей температур <0,1 °C в течение 24 ч (рис. 2A, B, E, F), камеры подходят для эксперимента по инкубации почвы.
   2. Если критерии не были удовлетворены ни в одной из этих камер, повторите еще одно 24-часовое испытание или запросите новую камеру.

2. Сбор и гомогенизация почвы

1. Рядом с зоной температурного зонда соберите пять образцов почвы на глубине 0-20 см и поместите их в один полиэтиленовый пакет после удаления поверхностного слоя подстилки.
2. Тщательно перемешайте образец, скручивая, прессуя и смешивая материалы в мешке до тех пор, пока не будет виден отдельный образец почвы.
3. Храните образцы в охладителе, наполненном пакетами со льдом, и немедленно транспортируйте образцы в лабораторию.
4. Удалите корни в каждом сердцевине, просейте его через почвенное сито толщиной 2 мм и тщательно перемешайте и гомогенизируйте образец перед следующим анализом.

3. Лабораторная инкубация

1. Перед инкубацией взвесьте 10,0 г свежей почвы, высушите ее в духовке в течение 24 ч при 105 °C и взвесьте сухую почву. Извлеките разницу между образцами свежей и сухой почвы и рассчитайте соотношение разницы по весу сухой почвы, чтобы определить содержание влаги в почве в электронной таблице.
2. Используйте полученное содержание влаги для расчета углерода микробной биомассы почвы (MBC), внеклеточной активности ферментов (EEA) и гетеротрофного дыхания почвы, как описано в следующих шагах. Эти данные помогут понять влияние обработки на почвенное дыхание и лежащие в его основе микробные механизмы.
3. Перед инкубацией взвесьте полевой влажный грунт подвыборки (10 г) и количественно оцените МДЦ почвы методом фумигации хлороформа-K2 SO₄ и методов сбраживания персульфата калия¹⁸.
4. Перед инкубацией взвесьте подвыборку полевой влажной почвы (1,0 г) и измерьте почву гидролитическим и окислительным^{EEA 19}.
5. Взвесьте 16 полевых влажных почвенных субпроблей (15,0 г эквивалента сухого веса) в 16 поливинилхлоридных (ПВХ) кернах (диаметр 5 см, высота 7,5 см), запечатанных стекловолоконной бумагой на дне.
6. Поместите сердечники из ПВХ в банки Mason (~ 1 л), выложенные слоем из стеклянных шариков, чтобы убедиться, что сердечники не впитывают влагу.
7. Поместите четыре банки в каждую из четырех камер, как описано в шаге 1.4. Включите камеры и запустите программу одновременно в четырех камерах.
8. Во время инкубации, через 2 ч, дни 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 и 42, возьмите все банки в каждой из четырех камер и используйте портативный газоанализатор CO₂ для измерения скорости дыхания почвы (R_s), поместив воротник анализатора в верхнюю часть каждой банки.
9. Деструктивно соберите все банки в конце инкубации (т.е. на 42-й день) и количественно оцените MBC почвы, как описано на этапе 3.3.
10. Деструктивно соберите все банки в конце инкубации (т.е. на 42-й день) и количественно оцените активность ферментов почвы, как описано на этапе 3.4.

4. Сравнение эффекта потепления

1. Предполагая постоянную скорость дыхания (Rs) между двумя последовательными коллекциями, используйте скорость дыхания, умноженную на продолжительность, чтобы получить кумулятивное дыхание (R_c).
2. Провести трехсторонний повторный анализ дисперсии (ANOVA) для проверки основных и интерактивных эффектов времени, температуры (потепления) и температурного режима (сценарий потепления) на R_s и R_c. Кроме того, провести двустороннюю ANOVA для проверки влияния сценария потепления и потепления на MBC и ЕЭЗ.

Выбранные современные камеры воспроизводили целевую температуру с высокой точностью (рисунок 2A, B, E, F) и соответствовали техническим требованиям инкубационного эксперимента. Учитывая простоту использования и эксплуатации, это означало метод улучшения моделирования температуры в исследованиях потепления почвы и в других приложениях, таких как исследования растений. Эта процедура была использована в нашем недавнем тематическом исследовании, основанном на пахотных землях в Среднем Теннесси.

Результаты исследований показали, что по сравнению с контрольным лечением потепление привело к значительно большим потерям дыхания (Rs и Rc) в обоих сценариях потепления (SW и GW), а GW удвоил вызванную потеплением потерю дыхания (Rc) по сравнению с SW, 81% против 40% (Рисунок 3). На 42-й день MBC и EEA также значительно отличались между SW и GW, так что MBC был выше в SW, чем в GW (69% против 38%; Рисунок 4) а гликозидазы и пероксидаза (например, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) были значительно выше в ГВт, чем в сценариях SW (рисунок 5).

Рисунок 1: Иллюстрация режима изменения температуры в эксперименте по потеплению почвы, концептуализированная из таблицы 1. (А) Постоянная температура (КТ), принятая большинством исследований. (B) Постоянная температура с различной величиной (CTv). (С,Г) Линейное изменение (LC) с положительными и отрицательными показателями. (Э,Ф) Нелинейное изменение (НК) с нерегулярным рисунком и суточным рисунком. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Температура, достигаемая с помощью программирования и температуры камеры в течение 24-часового испытательного периода. (A,B) Целевая температура (серая линия) и температурные рекорды камеры (пунктирная линия) под контролем и согревающей обработкой ступенчатого нагрева (SW); (С,Г) Целевая температура (серая линия) и температурные рекорды камеры (пунктирная линия) под контролем и согревающей обработкой постепенного нагрева (ГВт); (Е, Ф) Разность температур, полученная для записей в панелях C и D. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Средняя (± SE) кумулятивная скорость дыхания почвы (Rc, мкг CO2-C·gпочвы-1) под контролем (полая) и потепление (темная) обработка в SW и GW в 42-дневном эксперименте по инкубации почвы. Вставки показывают скорость дыхания почвы (Rs, мкг CO2-C·h-1·g почвы-1), применяемую для оценки кумулятивного дыхания, предполагая, что R s был постоянным до следующего измерения. (A) Поэтапное потепление (SW) и (B) постепенное потепление (GW). N = 4 в каждой коллекции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Среднее (± SE) MBC под контролем и согревающая обработка в SW и GW в 42-дневном эксперименте по инкубации почвы. MBC = углерод микробной биомассы; N = 4 в каждой коллекции. S обозначает значительный эффект сценария потепления (SW против GW), на уровне p < 0,05, основанного на трехсторонних повторяющихся показателях ANOVA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Средние (± SE) гликозидазы и пероксидазы (мкмоль-активность h-1·gsoil-1) под контролем и согревающие обработки в SW и GW в 42-дневном инкубационном эксперименте. BX =β1,4-ксилозидазы; АП = Кислая фосфатаза; LAP = Лейцинаминопептидаза; NAG =β-1,4-N-ацетил-глюкозаминидаза; ОКС = Окислительные ферменты; ФО = Фенолоксидаза; ПЕР = Пероксидаза. N = 4 в каждой коллекции. S обозначает значительный эффект сценария потепления (SW против GW), на уровне p < 0,05, основанного на трехсторонних повторяющихся показателях ANOVA. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Обзор литературы по методам регулирования температуры и режимам изменения температуры в исследованиях почвенной инкубации 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.
Всего в обзор было включено 46 исследований. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Таблица 2: Основные режимы изменения температуры и соответствующие сценарии потепления на основе обзора литературы (таблица 1). Было установлено пять режимов и сценариев, представляющих широкий диапазон возможных изменений температуры и условий потепления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Автору нечего раскрывать.