$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Стабильность и распределение температуры блока
В ходе разработки этого протокола мы проверяли линейность и временную стабильность температуры внутри блока. После включения системы охлаждения и обогревателя время инициализации блока составляет примерно один час, в течение которого большинство из восьми равномерно распределенных температурных датчиков достигают целевой температуры и остаются постоянными после пересечения (рисунок 13A). После этого периода температуры, зафиксированные восемью сенсорами, подтверждают идеальное линейное распределение температуры вдоль алюминиевого блока (рисунок 13B).

Рисунок 13: Линейность и временная стабильность внутри блока температурного градиента. (A) временная стабильность температур внутри блока в течение инкубационного периода и (B) температура, зафиксированная датчиками в момент начала инкубации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Температура блока и температура почвы
Мы проверили время, необходимое для достижения температуры образца грунта внутри блока, зафиксированной восемью датчиками (рисунок 14). В этом исследовании мы измерили температуру образцов почвы в восьми разных точках внутри блока, расположенных рядом с датчиками. Датчики, расположенные внутри блока, были предварительно стабилизированы на целевой температуре. Следуя описанному выше протоколу, после стабилизации температуры блока образцы почвы помещались внутрь блока. Для этого теста мы использовали дополнительные датчики, отделённые от блока. Мы использовали 15 г почвы, чтобы сенсорный датчик полностью контактировал с почвой. Образцы почвы оставались открытыми, а температура фиксировалась каждую минуту в общей сложности 30 минут. Во время этого теста блок был слегка закрыт для минимизации колебаний температуры и максимального воспроизведения реальных условий использования (полностью закрыт). Мы обнаружили, что образцам почвы требуется примерно 12 минут, чтобы стабилизироваться на целевой температуре. Мы сочли это время стабилизации приемлемым, учитывая, что инкубации длятся минимум 3,5 часа. Кроме того, мы оценили линейность температуры почвы после 12 минут инкубации блоков. Результаты показывают, что температура почвы демонстрирует линейную зависимость, тесно совпадающую с линейностью, наблюдаемой на восьми датчиках (рисунок 15).

Рисунок 14: Зафиксированная температура почвы, инкубированная при разных температурах. Образцы A, B, C и D инкубировали в флаконах, расположенных рядом с соответствующими датчиками (см. рисунок 10 для справки). Температура почвы фиксировалась с помощью термопары, вставляемой непосредственно в образцы почвы. Конкретные температуры, контролируемые каждым датчиком, следующие: (A) Датчик 1 (S1) при 4,1 °C, (B) Датчик 2 (S2) при 12,5 °C, (C) Датчик 3 (S3) при 20,1 °C, (D) Датчик 4 (S4) при 28,1 °C, (E) Датчик 5 (S5) при 36,1 °C, (F) Датчик 6 (S6) при 43,8 °C, (G) Датчик 7 (S7) при 51,9 °C, и (H) Датчик 8 (S8) при 60 °C. После размещения образцов почвы в блок требуется примерно 12 минут, чтобы достичь нужной температуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 15: Сильная линейная корреляция между температурой почвы и температурой датчика. Четыре флакона с грунтом были размещены рядом с восьмью датчиками в блоках A, B, C и D. Температура почвы фиксировалась с помощью термопары, вставляемой непосредственно в образцы почвы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Взаимодействие температуры и влажности
В течение инкубационного периода необходимо оценить неизбежное взаимодействие между температурой и влажностью. Например, высокие температуры могут ускорять испарение, а низкие — вызывать конденсация воды. Для этого теста мы использовали четыре случайно выбранных образца почвы с разной текстурой (Дополнительная таблица 2). Согласно протоколу, каждый образец почвы размещался в одинаковом блочном положении при всех 22 температурах. Результаты показывают, что после среднего времени инкубации в 3,5 часа более высокие температуры приводили к большей потере влаги по сравнению с более низкими температурами, независимо от текстуры почвы (см. рисунок 16). Почвы инкубировались при 60 °C в среднем теряли 12% от общей добавленной воды, тогда как почвы, инкубировавшиеся при 4,1 °C, теряли в среднем лишь 1,88% от общей добавленной воды. Это означает, что в течение 3,5 часов блочной инкубации почвы поддерживались в оптимальных условиях влажности — от 50% до 60% водоудерживаемости, независимо от температуры инкубации44,45 (Дополнительный рисунок 6).

Рисунок 16: Относительная потеря влажности почвы во время инкубации в четырёх различных образцах. Потеря влаги рассчитывалась относительно общего количества добавленной воды для корректировки WHC. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Измерения концентрации CO2
Для проверки точности и точности газоанализатора мы провели четыре измерения сертифицированного эталонного газа (413 ± 5 ppm CO2), для которых анализатор зафиксировал 413,71 ± 0,60 (ppm CO2, среднее ± SD). Это подтвердило высокую точность и точность измеренийCO2 , зафиксированных газоанализатором. Кроме того, для соответствия спецификациям производителя необходимо ежегодно проводить тест с использованием сертифицированного эталонного газа.
Учитывая задержку, вызванную линией впрыска и комплектом для уменьшения расхода в газоанализаторе, было проведено несколько тестов для определения оптимального времени измерения. Результаты показывают, что инъекционная линия вызывает задержку примерно в пять секунд. В этой системе идеальное время измерения составляет 20 с, что позволяет заполнить блок обнаруженияCO2 и достичь равновесия в течение 5 с (рисунок 17). Учитывая, что комплект для уменьшения расхода измеряет скорость 1,17 мл/с, это время измерения соответствует отбору 39% содержания воздуха в флаконах объёмом 60 мл. Кроме того, мы наблюдали, что при использовании газоанализатора в закрытой системе происходит падение давления. Это падение появляется в течение одной секунды, когда нет введения воздуха при извлечении иглы из флакона. Чтобы учесть это снижение давления при обработке данных, мы исключили значенияCO2 , которые немного ниже (от 3% до 5%) по сравнению с предыдущим или следующим.

Рисунок 17: Оптимальное время измерения для отдельного образца почвы, инкубированного при трёх разных температурах. Этот график показывает время инъекции и извлечения иглы, равновесиеCO2 за 5 секунд и падение давления, связанное с выбранным временным интервалом. Incubation_ID показывает позиции блоков (C) и флаконов (5, 10 и 15). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Тестирование полного протокола
Для оценки функциональности и воспроизводимости протокола мы инкубировали два разных образца, каждый с четырьмя техническими репликами, при 22 дискретных температурах от 4 °C до 60 °C. Эти образцы почвы были выбраны для демонстрации типа данных, полученных с помощью этой установки, и её эффективности. Конкретные характеристики образца можно найти в Дополнительной таблице 2. Блок температурного градиента надёжно фиксировал частоты дыхания почвы различных образцов почвы в каждой температурной точке, позволяя визуализировать кривую реакции температуры. Кроме того, полученные кривые температурного отклика для всех репликатов были почти идентичны, что отражено в небольшом стандартном отклонении вокруг средних скоростей дыхания при всех температурах (рисунок 18). Эти результаты демонстрируют высокую воспроизводимость и подтверждают точность протокола.

Рисунок 18: Репрезентативные скорости разложения SOM (Rs) для двух почв, каждая из которых измеряется четырьмя техническими репликами, инкубированными по полному температурному градиенту. Точки обозначают среднюю скорость дыхания при каждой температуре, а полоски ошибки — стандартное отклонение между техническими репликами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Был проведён второй тест для демонстрации научной применимости протокола. Мы измеряли частоты дыхания почвы по полному температурному градиенту и подбирали данные с помощью модели Аррениуса или MMRT (рисунок 19). Эти образцы почвы были выбраны для демонстрации эффективности системы для контрастных кривых температурного отклика (характеристики образца приведены в дополнительной таблице 2). Результаты показывают, что данные, собранные с помощью блока температурного градиента, можно дополнительно проанализировать, проверяя различные теории температурной чувствительности скоростей разложения SOM. Однако при работе со свежей почвой в любом эксперименте возникают трудности. В течение 10-дневного прединкубационного периода мы наблюдали грибковые сообщества, растущие внутри некоторых флаконов в образцах почвы, выходящие за пределы репрезентативных образцов. Несмотря на наши усилия по аккуратному удалению грибных сообществ, не нарушая почву, этот рост повлиял на результаты некоторых образцов (рисунок 20). В результате мы решили избавиться от поражённых образцов, убрав весь образец, а не только отдельные флаконы, пострадавшие от грибкового роста.

Рисунок 19: Репрезентативные результаты и частоты дыхания (Rs) для четырёх различных образцов почвы, инкубированных в блоке с температурным градиентом. Красная линия обозначает подгонку Аррениуса (A,B), а синяя — подгонку MMRT (C,D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 20: Модели частоты дыхания для некоторых образцов, затронутых грибковым ростом. Эти результаты являются примерами (A,B) двух загрязнённых образцов, которые были исключены из дальнейшего анализа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
Дополнительный рисунок 1: Базовая схема NO/NC . C» также может быть помечена как «COM» для общего языка. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительный рисунок 2: Панель управления системой охлаждения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительный рисунок 3: Системный выключатель и индикатор света. (A) Переключатель системы управления температурным градиентным блоком; и (B) зелёный индикатор, указывающий на включение датчиков и системы отопления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительный рисунок 4: Управление температурным градиентом блока нагревателя в онлайн-интерфейсе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительный рисунок 5: Диагностический раздел газоанализатора. Всё зелёное означает, что прибор готов к измерениям. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительный рисунок 6: Водоудержимость почв, инкубируемых при разных температурах, измерения зафиксированы после 3,5 часа блочной инкубации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительный файл 1: Подробные инструкции по электропроводке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительная таблица 1: Список материалов с требуемым количеством. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительная таблица 2: характеристики образцов почвы, используемых для теста на потерю влаги, и полного протокола. Эти образцы были выбраны для демонстрации функциональности протокола. Классификация текстуры соответствует системе USDA, где крупные, глинистые, иловые и песчаные выражения выражаются в процентах. OC относится к содержанию органического углерода (g C·kg-1 почва), pH измерялся в воде, аCaCO 3 — содержание карбоната кальция (g·kg-1 почва). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.