Toprak Kuluçka Deneyinde Sıcaklığı Simüle Etme

Küresel yüzey sıcaklığının bu yüzyılda 1,8-6,4 °C ^1,2 artması bekleniyor. Küresel ısınma, topraktan atmosfere CO₂ akışını artırabilir ve ısınma^3,4,5,6 ile olumlu geri bildirimle sonuçlanabilir. Mikrobiyal topluluklar, ısınmaya karşı toprak solunum tepkilerinin düzenlenmesinde kritik bir rol oynadığından,^7,8, mikrobiyal solunumdaki değişiklikler ve ısınma ile birlikte altta yatan mikrobiyal mekanizmalar bir araştırma odağı olmuştur. Saha koşullarında bir ısıtma kablosu⁹ ve üstü açık bir oda¹⁰ aracılığıyla uygulanan toprak ısınma deneyleri, sıcaklık¹¹ gibi doğal toprak özelliklerini yakalamada avantajlı olmasına rağmen, kurulum ve bakım için yüksek maliyetleri uygulamalarını sınırlamıştır. Alternatif olarak, farklı sıcaklıklara tabi toprak inkübasyon deneyleri uygun bir seçimdir. Bir laboratuvarda toprak inkübasyonunun birincil avantajı, iyi kontrol edilen çevresel koşulların (örneğin, sıcaklık), bir saha deney ortamında^12,13 diğer kafa karıştırıcı faktörlerden tek faktörlü etkiyi çözebilmesidir. Büyüme odası ve saha deneyleri (örneğin, bitki büyümesi) arasındaki farklılıklara rağmen, laboratuvar sonuçlarından tarlaya çeviri kolayca yapılabilir¹⁴. Toprak örneklerini laboratuvar ortamında kuluçkaya yatırmak, toprağın ısınmaya tepkisi hakkındaki mekanik anlayışımızı geliştirmeye yardımcı olabilir¹⁵.

Literatür taramamızda, geçmiş toprak inkübasyon çalışmalarında çeşitli sıcaklık kontrol yöntemleri ve dolayısıyla farklı sıcaklık değişim modları tanımlanmıştır (Tablo 1). İlk olarak, sıcaklığı kontrol etmek için kullanılan aletler çoğunlukla bir inkübatör, büyüme odası, su banyosu ve nadir bir durumda ısıtma kablosundan geçer. Bu aletler göz önüne alındığında, üç tipik sıcaklık değişim modeli oluşturulmuştur (Şekil 1). Bunlar arasında en çok uygulanan mod, sabit sıcaklık (CT), sıfır olmayan sabit sıcaklık değişim oranına sahip doğrusal değişim (LC) ve günlük sıcaklık türünde bulunan doğrusal olmayan değişim (NC) bulunur. Bir BT paterni vakası için, sıcaklık zamanla büyüklük olarak değişebilir, ancak inkübasyon sırasında sabit sıcaklık belirli bir süre kalır (Şekil 1B). LC için, sıcaklık değişim hızı farklı çalışmalarda ikiden fazla büyüklük sırasına göre değişebilir (örneğin, 0,1 ° C / gün ve 3,3 ° C / s; Tablo 1); NC vakaları için, çoğu kullanılan aletlerin içsel kapasitesine dayanıyordu, böylece çeşitli modlara yol açtı. Buna rağmen, bir ısıtma kablosu veya inkübatör^16,17 aracılığıyla bir tür günlük sıcaklık değişimi talep edildi; Bununla birlikte, bu deneylerdeki oda sıcaklıkları doğrulanmamıştır. Tablo 1'deki diğer önemli gözden geçirme sonuçları arasında, çoğu 5-25 °C arasında olmak üzere 0-40 °C kuluçka sıcaklığı aralığı; deneylerin süresi birkaç saat (<1 gün) ile yaklaşık 2 yıl (~ 725 arasında değişiyordu. ayrıca, inkübasyona tabi tutulan topraklar, çoğunlukla abd, Çin ve avrupa'da bulunan baskın mineral ufku, organik ufuk hatta kirlenmiş topraklara sahip orman, otlak ekin ekosistemlerinden toplanmıştır (Tablo 1).

Üç ana sıcaklık değişim modu göz önüne alındığında, geçmiş çalışmalarda elde edilen birkaç farklı ısınma senaryosu Tablo 2'de özetlenmiştir. Bunlar arasında kademeli ısınma (SW), değişen büyüklükte SW (SW_v), kademeli doğrusal ısınma (GW_l), kademeli ısınma doğrusal olmayan (GW_n) ve günlük olarak kademeli ısınma (GW_d) bulunur.

Özetle, geçmiş toprak inkübasyonları genellikle bir alandaki ortalama hava veya toprak sıcaklığını yakaladı. Birçok durumda, Tablo 1'de gösterildiği gibi, inkübatörler veya hazneler sabit bir sıcaklıkta manuel olarak programlanmış, ancak sıcaklığı istenildiği gibi otomatik olarak ayarlayamamış, zamanla sıcaklık değişim modunu ve hızını kontrol etme yeteneğinden yoksundur (Eq. 1) ve böylece yerel toprağın günlük sıcaklığını taklit etmede zorluğa yol açmıştır. Öte yandan, iki deneyde^16,17 olarak denenmiş olmasına rağmen^, inkübasyon deneylerinde kademeli ısınmayı günlük olarak (GW_d) açıkça taklit eden hiçbir çalışma tespit etmedik (Tablo 1). Literatür taramasına dayanarak, en büyük engel, özellikle günlük veya diğer kademeli ısınma senaryolarının uygulanmasını ve doğrulanmasını sağlayan sofistike bir araçtan yoksun olan zayıf deneysel tasarımda yatmaktadır.

(Ek. 1)

ΔT'nin sıcaklık değişiminin miktarı olduğu yerde, m sıcaklık değişim modudur, r sıcaklık değişim hızıdır ve t değişim süresidir.

Toprak inkübasyonundaki deneysel titizliği arttırmak için, bu çalışmada doğru ve sofistike bir sıcaklık kontrol yöntemi sunulmuştur. Giderek daha fazla kullanılabilir ve ekonomik olarak uygulanabilir olan son teknoloji ürünü bir çevre odasını benimseyen yeni tasarım, yalnızca in situ toprak sıcaklığının (örneğin, günlük desen) doğru simülasyonunu sağlamakla kalmayacak, aynı zamanda olası sıcaklık değişimi aşırılıklarını hesaba katarak, araçsal önyargının eserlerini en aza indirmenin güvenilir bir yolunu sağlayacaktır. Mevcut toprak inkübasyon tasarımı, araştırmacıların kuluçka ve araştırma ihtiyaçlarını karşılayan en uygun stratejileri belirlemelerine yardımcı olmalıdır. Bu yöntemin genel amacı, toprak biyojeokimyacılarına toprak inkübasyon tasarımında reform yapmak için oldukça operasyonel bir yaklaşım sunmaktır.

1. Sıcaklık izleme ve programlama

1. Bir araştırma grafiği içinde bir örnekleme bölgesi tanımlayın. Topraklara 10 cm derinlikte bir veya birkaç otomatik sıcaklık probu takın. Hava durumu istasyonunu veri iletim kablosuyla bir bilgisayara bağlayın ve yazılımı bilgisayarda açın.
2. Kullanılan harici sensörler için logger'ı yapılandırmak üzere Başlat / Özellikler araç çubuğu düğmesine tıklayın.
3. Özellikler ekranında, kaydedici/istasyon adını (yani, Toprak inkübasyon exp.) ve veri toplama aralığını (yani, 60 dakika) ayarlayın. Ardından, Özellikler ekranında, kullanılmakta olan harici sensör bağlantı noktalarında Etkin'e tıklayın ve her sensör bağlantı noktası için açılır düğmeden sensörü/birimi seçin (örneğin, Bağlantı Noktası A; "Etkin": Sıcaklık °C). Son olarak, ayarları kaydetmek için Tamam'a tıklayın.
4. Arızayı önlemek için probların haftalık okumasını izleyin ve veri kümesini ayda bir kez indirin. Büyüme mevsimini kapsayan birkaç ay boyunca tam bir kayıt elde edin (yani, Nisan-Eylül).
5. Sıcaklık kayıtlarının veri analizini yapın. Tüm gözlemlerin ortalamasını alarak büyüme mevsiminin ortalama saatlik sıcaklığını elde edin.
   1. Büyüme mevsimi boyunca tüm günlerde aynı saatin ortalama sıcaklıklarını kullanarak günlük olarak her saatin ortalama sıcaklığını elde edin.
6. Gelişmiş odada, yazılımı başlatın ve yeni bir dosya oluşturmak için ana menü ekranındaki Profil düğmesine tıklayın. Dosya adı giriş satırına "SW low" yazın. Anında Değişim seçeneğine tıklayarak, adım 1.5'te elde edilen başlangıç sıcaklığı olarak 15,9 °C girin ve sıcaklığı 2 dakika boyunca korumak için Dakika satırına 2 girin ve Bitti düğmesine tıklayın. Ardından, Rampa Süresi seçeneğinin altında, hedef ayar noktası olarak 15,9 °C girin ve sıcaklığı korumak için Saatler satırına 850 saat girin. Nişanlı, Bitti düğmesine tıklayın.
   1. Her sıcaklık düğümüne 5 °C ekleyerek yukarıdaki adımı ikinci bölmede tekrarlayın ve "SW yüksek" yeni bir dosya adı oluşturun.
   2. Adım 1.5.1'de elde edilen 23 gözlemlenen saatlik toprak sıcaklığına karşılık gelen 23 ek adım ekleyerek üçüncü odadaki adım 1.4'ü tekrarlayın. JUMP adı verilen son adımda, 42 tekrarlanan döngü ayarlayın (Atlama Sayısı 42). Bu, kademeli ısınma veya GW düşük senaryosuna yol açar.
   3. Yukarıdaki adımı, her sıcaklık düğümüne 5 °C eklenmiş olarak dördüncü bölmede tekrarlayın. Bu, 42 gün boyunca daha yüksek bir sıcaklık seviyesinde (yani, GW yüksek) değişen sıcaklıkların simülasyonuna izin verecektir.
7. 24 saat boyunca bir ön çalışma yapın ve dört oda tarafından kaydedilen sıcaklıkları verin. Odalar tarafından kaydedilen sıcaklıkları programlananlara göre çizin (Şekil 2A-D).
   1. Haznede elde edilen sıcaklıklar, 24 saat boyunca <0.1 °C'lik bir sıcaklık farkı ile programlanan sıcaklıklarla eşleşiyorsa (Şekil 2A, B, E, F), odalar toprak inkübasyon deneyi için uygundur.
   2. Bu odaların hiçbirinde kriterler karşılanmadıysa, 24 saatlik başka bir testi tekrarlayın veya yeni bir oda arayın.

2. Toprak toplama ve homojenleştirme

1. Sıcaklık probu alanının yakınında, 0-20 cm derinlikte beş toprak örneği toplayın ve yüzey çöp tabakasını çıkardıktan sonra bunları bir plastik torbaya koyun.
2. Tek bir toprak örneği görünmeyene kadar torbadaki malzemeleri bükerek, presleyerek ve karıştırarak numuneyi iyice karıştırın.
3. Numuneleri buz paketleriyle dolu bir soğutucuda saklayın ve numuneleri derhal laboratuvara taşıyın.
4. Her çekirdekteki kökleri çıkarın, 2 mm'lik bir toprak eleğinden geçirin ve aşağıdaki analizden önce numuneyi iyice karıştırın ve homojenize edin.

3. Laboratuvar inkübasyonu

1. Kuluçkadan önce, 10.0 g taze toprağı tartın, 105 ° C'de 24 saat fırında kurutun ve kuru toprağı tartın. Taze ve kuru toprak örnekleri arasındaki farkı türetin ve bir elektronik tabloda toprak nem içeriğini belirlemek için farkın kuru toprak ağırlığına oranını hesaplayın.
2. Aşağıdaki adımlarda açıklandığı gibi toprak mikrobiyal biyokütle karbonunu (MBC), hücre dışı enzim aktivitesini (EEA) ve toprak heterotrofik solunumunu hesaplamak için türetilmiş nem içeriğini kullanın. Bu veriler, toprak solunumu üzerindeki tedavi etkilerini ve altta yatan mikrobiyal mekanizmaları anlamaya yardımcı olacaktır.
3. Kuluçkadan önce, tarla nemli toprak alt numunesini (10 g) tartın ve kloroform fümigasyon-K₂SO₄ ekstraksiyonu ve potasyum persülfat sindirim yöntemleri¹⁸ ile toprak MBC'sini ölçün.
4. Kuluçkadan önce, tarla nemli toprağının (1,0 g) alt örneğini tartın ve toprak hidrolitik ve oksidatif EEA^19'u ölçün.
5. Altta cam elyaf kağıtla kapatılmış 16 polivinil klorür (PVC) çekirdeğinde (5 cm çaplı, 7,5 cm boyunda) 16 tarla nemli toprak alt numunesini (kuru ağırlığa eşdeğer 15,0 g) tartın.
6. PVC çekirdekleri, çekirdeklerin nemi emmemesini sağlamak için cam boncuk yatağıyla kaplı Mason kavanozlara (~ 1 L) yerleştirin.
7. Adım 1.4'te açıklandığı gibi dört odanın her birine dört kavanoz yerleştirin. Odaları açın ve programı aynı anda dört odada başlatın.
8. Kuluçka sırasında, 2 saatte, 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 ve 42. günlerde, dört odanın her birindeki tüm kavanozları alın ve analizörün yakasını her bir kavanozun üstüne koyarak toprak solunum hızını (R_s) ölçmek için taşınabilir bir CO₂ gaz analizörü kullanın.
9. Kuluçka sonunda (yani, 42. gün) tüm kavanozları yıkıcı bir şekilde toplayın ve adım 3.3'te açıklandığı gibi toprak MBC'sini ölçün.
10. Kuluçka sonunda (yani, 42. gün) tüm kavanozları yıkıcı bir şekilde toplayın ve adım 3.4'te açıklandığı gibi toprak enzim aktivitesini ölçün.

4. Isınma etkisi karşılaştırması

1. İki ardışık koleksiyon arasında sabit bir solunum hızı (Rs) varsayarak, kümülatif solunumu (R_c) elde etmek için solunum hızının süresinin çarpımını kullanın.
2. Zamanın, sıcaklığın (ısınma) ve sıcaklık modunun (ısınma senaryosu) Rs_{ve R c} üzerindeki ana ve etkileşimli etkilerini test etmek için üç yönlü tekrarlanan bir varyans analizi (ANOVA) yapın. Ek olarak, MBC ve AEA üzerindeki ısınma ve ısınma senaryosu etkilerini test etmek için iki yönlü bir ANOVA uygulayın.

Seçilen son teknoloji ürünü odalar, hedef sıcaklığı yüksek hassasiyetle kopyaladı (Şekil 2A, B, E, F) ve inkübasyon deneyinin teknik gereksinimini karşıladı. Kolay kullanım ve kullanım göz önüne alındığında, bu, toprak ısınma çalışmalarında ve bitki çalışmaları gibi diğer uygulamalarda sıcaklık simülasyonunu iyileştirme tekniğini ifade ediyordu. Prosedür, Orta Tennessee'deki bir şalter çimi ekim alanına dayanan son vaka çalışmamızda kullanılmıştır.

Araştırma sonuçları, kontrol tedavisine göre, ısınmanın her iki ısınma senaryosunda (SW ve GW) önemli ölçüde daha fazla solunum kaybına (Rs ve R c) yol açtığını ve GW'nin ısınmaya bağlı solunum kaybını (Rc) SW'ye göre% 81'e karşı% 40 oranında iki katına çıkardığını göstermiştir (Şekil 3). 42. günde, MBC ve AÇA da SW ve GW arasında anlamlı derecede farklıydı, öyle ki MBC SW'de GW'den daha yüksekti (%69'a karşı %38; Şekil 4) glikozidazlar ve peroksidaz (örneğin, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) GW'de SW senaryolarına göre anlamlı derecede yüksekti (Şekil 5).

Şekil 1: Tablo 1'den kavramsallaştırıldığı gibi bir toprak ısınma deneyinde sıcaklık değişim modunun gösterimi. (A) Çoğu çalışma tarafından benimsenen sabit sıcaklık (BT). (B) Değişen büyüklükte sabit sıcaklık (CTv). (C,D) Pozitif ve negatif oranlarda doğrusal değişim (LC). (E,F) Düzensiz desen ve günlük desen ile doğrusal olmayan değişim (NC). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: 24 saatlik bir test süresi boyunca programlama ve oda sıcaklığı ile hedeflenen sıcaklık. (A,B) Kontrol altında hedef sıcaklık (gri çizgi) ve oda sıcaklığı kayıtları (kesikli çizgi) ve kademeli ısınmanın (SW) ısınma işlemleri; (C,D) Hedef sıcaklık (gri çizgi) ve oda sıcaklığı kayıtları (kesikli çizgi) kontrol altında ve kademeli ısınmanın (GW) ısınma işlemleri; (E, F) C ve D panellerindeki kayıtlar için elde edilen sıcaklık farkı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3:42 günlük bir toprak inkübasyon deneyinde SW ve GW'de ortalama (± SE) kümülatif toprak solunum hızı (Rc, μg CO 2-C·g toprak-1) kontrol altında (içi boş) ve ısınma (karanlık) işlemleri. İçkısımlar, kümülatif solunumu tahmin etmek için uygulanan toprak solunum hızlarını (R s, μg CO 2-C · h-1 · g toprak-1) gösterir veR'nin aşağıdaki ölçüme kadar sabit olduğu varsayılır. (A) Kademeli ısınma (SW) ve (B) kademeli ısınma (GW). Her koleksiyonda N = 4. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: 42 günlük bir toprak inkübasyon deneyinde SW ve GW'de kontrol altındaki ortalama (± SE) MBC ve ısınma işlemleri. MBC = mikrobiyal biyokütle karbonu; Her koleksiyonda N = 4. S, ısınma senaryosunun (SW vs GW), p < 0.05'te, üç yönlü tekrarlanan ölçümlere dayanan ANOVA'ya göre önemli etkisini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: 42 günlük bir inkübasyon deneyinde SW ve GW'de kontrol altında olan ortalama (± SE) glikozidazlar ve peroksidaz (μmol aktivitesi h-1 · gsoil-1). BX =β1,4-ksilosidaz; AP = Asit Fosfataz; TUR = Lösin Aminopeptidaz; NAG =β-1,4-N-asetil-glukozaminidaz; OX = Oksidatif enzimler; PHO = Fenol oksidaz; BAŞINA = Peroksidaz. Her koleksiyonda N = 4. S, ısınma senaryosunun (SW vs GW), p < 0.05'te, üç yönlü tekrarlanan ölçümlere dayanan ANOVA'ya göre önemli etkisini gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tablo 1: Toprak inkübasyon çalışmalarında sıcaklık kontrol yöntemleri ve sıcaklık değişim modlarının literatür taraması 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.
Derlemeye toplam 46 çalışma dahil edilmiştir. Bu tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Tablo 2: Başlıca sıcaklık değişim modları ve literatür taramasına dayalı ilgili ısınma senaryoları (Tablo 1). Çok çeşitli olası sıcaklık değişimi ve ısınma koşullarını temsil etmek için beş mod ve senaryo oluşturulmuştur. Bu tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Yazarın açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.