Method Article

Toprak Kuluçka Deneyinde Sıcaklığı Simüle Etme

DOI:

10.3791/64081

⸱

October 28th, 2022

 ,  ,  ,  , 
1Department of Agricultural and Environmental Sciences, Tennessee State University, 2Department of Plant Biology and Microbiology, University of Oklahoma, Norman

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Laboratuvar toprak ısınma deneyleri genellikle birden fazla odada iki veya daha fazla sabit sıcaklık kullanır. Sofistike bir çevre odası sunarak, in situ toprak sıcaklığının büyüklüğünü ve genliğini taklit etmek ve toprak inkübasyon çalışmalarının deneysel tasarımını geliştirmek için doğru bir sıcaklık kontrol yöntemi sunuyoruz.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Topraklar üzerindeki ısınma etkisinin incelenmesi, sıcaklığın gerçekçi ve doğru bir şekilde temsil edilmesini gerektirir. Laboratuvar inkübasyon çalışmalarında, yaygın olarak benimsenen bir yöntem, toprak değişimleri üzerindeki ısınma etkisini elde etmek için birden fazla odada sabit sıcaklıklar oluşturmak ve düşük ve yüksek sıcaklık odaları arasındaki toprak tepkilerinin karşılaştırılması yoluyla olmuştur. Bununla birlikte, yaygın olarak kullanılan bu yöntem, saha koşullarında gözlemlendiği gibi gerçek sıcaklıkların hem büyüklüğünü hem de genliğini taklit edememiş, böylece bu tür çalışmaların geçerliliğini potansiyel olarak baltalamıştır. Gelişmiş çevre odalarının giderek daha fazla kullanılabilir hale gelmesiyle, toprak inkübasyon araştırması için alternatif sıcaklık kontrol yöntemlerini incelemek zorunludur. Bu protokol, son teknoloji ürünü bir çevre odası tanıtacak ve toprak inkübasyonunun deneysel tasarımını geliştirmek için hem geleneksel hem de yeni sıcaklık kontrol yöntemlerini gösterecektir. Protokol temel olarak dört adımdan oluşur: sıcaklık izleme ve programlama, toprak toplama, laboratuvar inkübasyonu ve ısınma etkisi karşılaştırması. Farklı sıcaklık kontrol yöntemlerini ve bunun sonucunda ortaya çıkan zıt ısınma senaryolarını göstermek için bir örnek sunulacaktır; yani, kademeli ısınma (SW) olarak adlandırılan sabit bir sıcaklık tasarımı ve kademeli ısınma (GW) olarak simüle edilen in situ sıcaklık tasarımının yanı sıra toprak solunumu, mikrobiyal biyokütle ve hücre dışı enzim aktiviteleri üzerindeki etkileri. Ek olarak, belirli iklim değişikliği araştırma ihtiyaçlarını (örneğin, aşırı sıcak) karşılamak için sıcaklık değişikliği senaryolarını çeşitlendirmek için bir strateji sunuyoruz. Sıcaklık kontrol protokolü ve önerilen iyi uyarlanmış ve çeşitlendirilmiş sıcaklık değişim senaryoları, araştırmacıların laboratuvarda güvenilir ve gerçekçi toprak inkübasyon deneyleri oluşturmalarına yardımcı olacaktır.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Küresel yüzey sıcaklığının bu yüzyılda 1,8-6,4 °C 1,2 artması bekleniyor. Küresel ısınma, topraktan atmosfere CO2 akışını artırabilir ve ısınma3,4,5,6 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 ortamında12,13 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 inkübatör16,17 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 gün) arasında değişiyordu. Ayrıca, inkübasyona tabi tutulan topraklar, çoğunlukla ABD, Çin ve Avrupa'da bulunan baskın mineral ufku, organik ufuk ve hatta kirlenmiş topraklara sahip orman, otlak ve 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 (SWv), kademeli doğrusal ısınma (GWl), kademeli ısınma doğrusal olmayan (GWn) ve günlük olarak kademeli ısınma (GWd) 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 deneyde16,17 olarak denenmiş olmasına rağmen, inkübasyon deneylerinde kademeli ısınmayı günlük olarak (GWd) 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.

figure-introduction-1(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.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 EEA19'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 (Rs) 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 (Rc) elde etmek için solunum hızının süresinin çarpımını kullanın.
  2. Zamanın, sıcaklığın (ısınma) ve sıcaklık modunun (ısınma senaryosu) Rsve 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.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 (i'a karşı 8; Şekil 4) glikozidazlar ve peroksidaz (örneğin, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) GW'de SW senaryolarına göre anlamlı derecede yüksekti (Şekil 5).

figure-results-1
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.

figure-results-2
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.

figure-results-3
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.

figure-results-4
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.

figure-results-5
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.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sabit sıcaklık kontrol yöntemi yaygın olarak uygulanmaktadır (Tablo 1). Bununla birlikte, bu prosedürlerde uygulanan sıcaklığın büyüklüğü ve zamansal paterni, tarla koşullarında gözlemlenen toprak sıcaklığını zayıf bir şekilde simüle eder. Geçmişte günlük kalıbı taklit eden ortaya çıkan çabalara rağmen, bu tür çalışmalar azdı ve ekipman ve prosedürü açıklığa kavuşturmakta başarısız oldu; doğruluk ve güvenilirlik16,17 ile ilgili sıcaklık simülasyonunu da doğrulamadılar. Topluluk, toprak ısınma tepkileri hakkındaki anlayışını geliştirmeye çalışırken, toprak inkübasyon prosedürünü gerçekçi sıcaklık ve uygulanabilir kontrol ile optimize etmek zorunludur. Bununla birlikte, bu tür yeni yöntemler geliştirilmemiştir ve bu nedenle, gelecekteki inkübasyon deneyleri için standart bir yönteme hala ulaşılamamaktadır. Küresel sıcaklık değişiminin büyüklük, genlik, mevsimsellik, süre ve ekstremite bakımından artan karmaşıklığı karşısında, kapsamlı bir prosedür yüksek talep görmektedir.

Burada, sabit, doğrusal ve doğrusal olmayan sıcaklık değişimi ve daha sonra gelecekteki araştırma ihtiyaçlarını karşılamak için çeşitli ısınma senaryoları oluşturma kapasitesini sunmak için sofistike odaya dayanarak, günlük bir sıcaklık değişim prosedürünü manipüle etmek için bir yöntem sunulmuştur. Protokolde dört kritik adım vardır. Birincisi, tarla koşulunda toprak sıcaklığını belirlemektir. Toprak tipi ve ilgi derinliğinin yanı sıra arazi kullanım tipi bir çalışmadan diğerine değişebildiğinden, belirli bir araştırma alanı için gereken sıcaklık problarının sayısı, gerçek koşullara mümkün olduğunca en iyi şekilde uyacak şekilde değiştirilmelidir. Genel olarak, sıcaklık probları için toprak derinliği 0-20 cm'de en fazla araştırma ihtiyacını karşılayacak ve toprak sıcaklığını temsil edecek prob sayısı bir ila üç ile sınırlandırılmalıdır. Önemli olan, en az bir tipik toprak konumunda uzun vadeli sürekli ve ardışık bir sıcaklık kaydı elde etmektir.

İkinci kritik adım, odada hedeflenen sıcaklık büyüklüğünü ve modelini elde etmek için programı kurmaktır. Odanın yüksek hassasiyeti ve doğruluğu nedeniyle (Şekil 4), saha koşullarında gözlemlendiği gibi sıcaklığın doğru bir şekilde temsil edilmesi için programlama yapmak mümkündür. Mevcut protokol sadece gözlemlenen saatlik sıcaklığı odada hedeflendiği gibi sunsa da, bu prosedürle 30 dakika, 15 dakika veya daha kısa gibi daha sık bir toprak sıcaklığı izlemesi sağlanabilir. Bununla birlikte, hedef ve oda sıcaklıklarının bir testi 24 saat boyunca yapılmalı ve deneyden önce, test sonuçları tüm zaman noktalarında hedef ve oda sıcaklıkları arasında 0,1 ° C'den daha düşük kriterleri karşılamalıdır. Simüle etmek için sıcaklık gözlemi ne kadar sık seçilirse, deneyden önce programı odacıkta kurmak için o kadar fazla adıma ihtiyaç duyulur.

Üçüncü kritik adım, inkübasyonun kendisini yapmaktır. Toprak heterojenliklerinin etkisini azaltmak için63, toprak örneklerinin homojenleştirilmesi anahtardır ve her işlem için en az üç kopya önerilir. Kuluçkadan önce, bir ön inkübasyon işlemi gereklidir ve mevcut prosedür, deneyin resmi başlangıcından önce sıcaklığı ve süreyi programlayarak ön işlemi kolaylaştırabilir. Bu, deneysel rahatsızlığı azaltmak ve tüm inkübasyonu sorunsuz bir şekilde düzenlemek için avantajlıdır. Son kritik adım, hem sabit sıcaklığı hem de değişen sıcaklık işlemlerini dahil etmektir, böylece toprak ısınma tepkileri hakkında bir karşılaştırma yapılabilir.

Bu protokol, sıcaklık değişiminin büyüklüğünü, genliğini ve süresini manipüle etmesine izin vermek için kolayca değiştirilebilir. Örneğin, yaz aylarında bir sıcak hava dalgası sırasında aşırı sıcaklıklar ve iklim değişikliği nedeniyle erken ilkbaharda ani don, değişen sürelerini ve yoğunluklarını hesaba katma kapasitesine ek olarak, bu prosedür kullanılarak temsil edilebilir. Düzenli ve düzensiz sıcaklıkların kombinasyon halinde simüle edilmesi, gelecekte öngörüldüğü gibi uzun vadeli karmaşık sıcaklık değişim etkilerini simüle etmeyi de sağlar. Tablo 2'de özetlendiği gibi, birçok farklı çalışmada incelenen ısınma senaryoları tek bir çalışmada toplu olarak gerçekleştirilebilir. Bu protokolün, toprak inkübasyon çalışmalarında sıcaklığı simüle etmek için sofistike bir yöntem sağlaması beklenmektedir. Geniş bir uygulama umuduyla, bu protokolün benimsenmesi, laboratuvar inkübasyonuna dayanan gelecekteki toprak ısınma çalışmaları için daha doğru bir yöntemin belirlenmesine veya doğrulanmasına yardımcı olacaktır.

Prosedürün önemli bir sınırlaması, mevcut protokolde kullanılan odanın nispeten küçük bir hacme sahip olmasıdır, bu nedenle her odada sadece dokuz kuluçka kavanozu barındırabilir. Daha küçük bir kavanoz odanın kapasitesini artıracak olsa da, büyük miktarda oda tavsiye edilir. Yeni bir model (örneğin, TestEquity 1007) sekiz kat daha fazla kapasite sunacak ve bu nedenle büyük ölçekli deneyler için önerilecektir. Toprak inkübasyonlarında sıcaklık kontrol prosedürünün iyileştirilmesine rağmen, nem ve toprak homojenizasyonu ile ilgili potansiyel komplikasyonlar mevcut protokolün benimsenmesiyle giderilmeyecektir.

Gelişmiş sıcaklık kontrol prosedürünün önemli avantajlarını gösteriyoruz. Doğru sıcaklık simülasyonu elde etmek için güvenilir ve uygun fiyatlı bir sıcaklık kontrol stratejisi sağlar ve toprak ısınma tepkilerinin daha iyi anlaşılması için gereken toprak inkübasyon deneyini geliştirmek için uygulanabilir bir yol sunar. Sabit sıcaklık kontrolü yaygın olarak kabul edilmesine ve lojistik olarak kullanımı kolay olmasına rağmen, toprak mikrobiyal toplulukları üzerindeki uzun vadeli sabit sıcaklığın eserleri, gerçek toprak tepkilerini yakalama çabalarını yönlendirebilir. Bildirilen diğer laboratuvar ısınma yöntemleri büyük ölçüde daha az kontrol edilebilir ve tekrarlanabilir. Mevcut protokol, kolay kullanımı, sıcaklık simülasyonunun yüksek doğruluğu ve tekrarlanabilirliği, açık programlama ve çeşitli sıcaklık değişim senaryolarını tek bir deneyde birleştirme kapasitesi nedeniyle üstündür. Sıcaklık kontrolünün yüksek doğrulukla fizibilitesi, araştırmacıların çeşitli sıcaklık değişim senaryolarını keşfetmelerini sağlayacaktır.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarın açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Araştırmayı desteklemek için kullanılan finansman kaynakları arasında ABD Ulusal Bilim Vakfı (NSF) HBCU − EiR (No. 1900885), ABD Tarım Bakanlığı (USDA) Tarımsal Araştırma Hizmeti (ARS) 1890'ların Fakülte Araştırma Sabbatical Programı (No. 58-3098-9-005), USDA NIFA hibesi (No. 2021-67020-34933) ve USDA Evans - Allen Grant (No. 1017802) bulunmaktadır. TSU'nun Nashville, Tennessee'deki Ana Kampüs Tarım Araştırma ve Genişletme Merkezi'ndeki (AREC) personelden alınan yardıma teşekkür ederiz.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Toprak solunum ölçümü için10 mL-ŞırıngaFisher Scientific14-826-13
Besteci YazılımıKuluçka sıcaklığı ayarı içinTestEquityModel #107
Toprak inkübasyonu içinçevre odasıTestEquityModel #107
Çevresel gaz analizörüToprak solunum ölçümü
Toprak inkübasyonu içinfiltre kağıdıFisher Scientific1005-125
Toprak inkübasyonu içinMason kavanozTopu15381-3
FırınFisher Scientific15-103-0520toprak nemi ölçümü için
Plastik Fermuarlı Mühür Saklama ÇantasıFisher Scientific09-800-16toprak toplama için
Plaka okuyucuMoleküler cihazlarToprakhücre dışı enzim analizi için
R YazılımıR FoundationR sürüm 4.1.3 (2022-03-10)İstatistiksel hesaplama için
Buzdolabı/DondurucuFisher Scientific13-991-898toprak depolama için
TornavidaFisher Scientific19-313-447toprak toplama için
SharpieFisher Scientific50-111-3135toprak toplama için
ElekFisher Scientific04-881G toprak örneğini elemek için
Toprak inkübasyonu için kullanılan mason kavanozları içinSeptaDuran Wheaton kimble224100-070
Toprak toplama içintoprak burguAMS350.05
SpecWare Yazılımıtoplama aralığı ayarı içinSpectrum TechnologiesWatchDog E2700 (3340WD2)
Sıcaklık probuToprakWatchDog E2700 (3340WD2) Toprak
mikrobiyal biyokütle analizi içinTOC/TN analizörüShimadzuTOC-L serisi
için PP Systems EGM5FilterMax F5silikon Sıcaklık sıcaklığı için ölçümleri

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chatterjee, D., Saha, S. Response of Soil Properties and Soil Microbial Communities to the Projected Climate Change. Advances in Crop Environment Interaction. Bal, S., Mukherjee, J., Choudhury, B., Dhawan, A. , Springer. Singapore. 87-136 (2018).
  2. Feral, J. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate. Pachauri, R. K., Meyer, L. A. , IPCC. Geneva, Switzerland. 151(2014).
  3. Davidson, E. A. Carbon dioxide loss from tropical soils increases on warming. Nature. 584 (7820), 198-199 (2020).
  4. Davidson, E. A., Janssens, I. A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change. Nature. 440 (7081), 165-173 (2006).
  5. Van Gestel, N., et al. Predicting soil carbon loss with warming. Nature. 554 (7693), 4-5 (2018).
  6. Tarnocai, C., et al. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region. Global Biogeochemical Cycles. 23 (2), 2023(2009).
  7. Allison, S. D., Treseder, K. K. Warming and drying suppress microbial activity and carbon cycling in boreal forest soils. Global Change Biology. 14 (12), 2898-2909 (2008).
  8. Allison, S. D., Wallenstein, M. D., Bradford, M. A. Soil-carbon response to warming dependent on microbial physiology. Nature Geoscience. 3 (5), 336-340 (2010).
  9. Melillo, J. M., et al. Soil warming, carbon-nitrogen interactions, and forest carbon budgets. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (23), 9508-9512 (2011).
  10. Pelini, S. L., et al. Heating up the forest: open-top chamber warming manipulation of arthropod communities at Harvard and Duke Forests. Methods in Ecology and Evolution. 2 (5), 534-540 (2011).
  11. Hamdi, S., Moyano, F., Sall, S., Bernoux, M., Chevallier, T. Synthesis analysis of the temperature sensitivity of soil respiration from laboratory studies in relation to incubation methods and soil conditions. Soil Biology and Biochemistry. 58, 115-126 (2013).
  12. Benton, T. G., Solan, M., Travis, J. M., Sait, S. M. Microcosm experiments can inform global ecological problems. Trends in Ecology & Evolution. 22 (10), 516-521 (2007).
  13. Schädel, C., et al. Decomposability of soil organic matter over time: the Soil Incubation Database (SIDb, version 1.0) and guidance for incubation procedures. Earth System Science Data. 12 (3), 1511-1524 (2020).
  14. Poorter, H., et al. Pampered inside, pestered outside? Differences and similarities between plants growing in controlled conditions and in the field. New Phytologist. 212 (4), 838-855 (2016).
  15. Jian, S., et al. Multi-year incubation experiments boost confidence in model projections of long-term soil carbon dynamics. Nature Communications. 11 (1), 5864(2020).
  16. Zhu, B., Cheng, W. Constant and diurnally-varying temperature regimes lead to different temperature sensitivities of soil organic carbon decomposition. Soil Biology and Biochemistry. 43 (4), 866-869 (2011).
  17. Whitby, T. G., Madritch, M. D. Native temperature regime influences soil response to simulated warming. Soil Biology and Biochemistry. 60, 202-209 (2013).
  18. Brookes, P. C., Landman, A., Pruden, G., Jenkinson, D. S. Chloroform fumigation and the release of soil nitrogen: A rapid direct extraction method to measure microbial biomass nitrogen in soil. Soil Biology and Biochemistry. 17 (6), 837-842 (1985).
  19. Saiya-Cork, K., Sinsabaugh, R., Zak, D. The effects of long term nitrogen deposition on extracellular enzyme activity in an Acer saccharum forest soil. Soil Biology and Biochemistry. 34 (9), 1309-1315 (2002).
  20. Adekanmbi, A. A., Shu, X., Zhou, Y., Shaw, L. J., Sizmur, T. Legacy effect of constant and diurnally oscillating temperatures on soil respiration and microbial community structure. bioRxiv. , (2021).
  21. Akbari, A., Ghoshal, S. Effects of diurnal temperature variation on microbial community and petroleum hydrocarbon biodegradation in contaminated soils from a sub-Arctic site. Environmental Microbiology. 17 (12), 4916-4928 (2015).
  22. Bai, Z., et al. Shifts in microbial trophic strategy explain different temperature sensitivity of CO2 flux under constant and diurnally varying temperature regimes. FEMS Microbiology Ecology. 93 (5), (2017).
  23. Bao, X., et al. Effects of soil temperature and moisture on soil respiration on the Tibetan plateau. PLoS One. 11 (10), 0165212(2016).
  24. Chang, X., et al. Temperature and moisture effects on soil respiration in alpine grasslands. Soil science. 177 (9), 554-560 (2012).
  25. Chen, X., et al. Evaluating the impacts of incubation procedures on estimated Q10 values of soil respiration. Soil Biology and Biochemistry. 42 (12), 2282-2288 (2010).
  26. Conant, R. T., Dalla-Betta, P., Klopatek, C. C., Klopatek, J. M. Controls on soil respiration in semiarid soils. Soil Biology and Biochemistry. 36 (6), 945-951 (2004).
  27. Conant, R. T., et al. Sensitivity of organic matter decomposition to warming varies with its quality. Global Change Biology. 14 (4), 868-877 (2008).
  28. Ding, J., et al. Linking temperature sensitivity of soil CO2 release to substrate, environmental, and microbial properties across alpine ecosystems. Global Biogeochemical Cycles. 30 (9), 1310-1323 (2016).
  29. En, C., Al-Kaisi, M. M., Liange, W., Changhuan, D., Deti, X. Soil organic carbon mineralization as affected by cyclical temperature fluctuations in a karst region of southwestern China. Pedosphere. 25 (4), 512-523 (2015).
  30. Fang, C., Moncrieff, J. The dependence of soil CO2 efflux on temperature. Soil Biology and Biochemistry. 33 (2), 155-165 (2001).
  31. Fierer, N., Colman, B. P., Schimel, J. P., Jackson, R. B. Predicting the temperature dependence of microbial respiration in soil: A continental-scale analysis. Global Biogeochemical Cycles. 20 (3), 3026(2006).
  32. Guntinas, M., Gil-Sotres, F., Leiros, M., Trasar-Cepeda, C. Sensitivity of soil respiration to moisture and temperature. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 13 (2), 445-461 (2013).
  33. Kittredge, H. A., Cannone, T., Funk, J., Chapman, S. K. Soil respiration and extracellular enzyme production respond differently across seasons to elevated temperatures. Plant and Soil. 425 (1), 351-361 (2018).
  34. Knorr, W., Prentice, I. C., House, J., Holland, E. Long-term sensitivity of soil carbon turnover to warming. Nature. 433 (7023), 298-301 (2005).
  35. Lefevre, R., et al. Higher temperature sensitivity for stable than for labile soil organic carbon-Evidence from incubations of long-term bare fallow soils. Global Change Biology. 20 (2), 633-640 (2014).
  36. Li, J., et al. Asymmetric responses of soil heterotrophic respiration to rising and decreasing temperatures. Soil Biology and Biochemistry. 106, 18-27 (2017).
  37. Li, J., et al. Biogeographic variation in temperature sensitivity of decomposition in forest soils. Global Change Biology. 26 (3), 1873-1885 (2020).
  38. Li, J., et al. Rising temperature may trigger deep soil carbon loss across forest ecosystems. Advanced Science. 7 (19), 2001242(2020).
  39. Liang, J., et al. Methods for estimating temperature sensitivity of soil organic matter based on incubation data: A comparative evaluation. Soil Biology and Biochemistry. 80, 127-135 (2015).
  40. Lin, J., Zhu, B., Cheng, W. Decadally cycling soil carbon is more sensitive to warming than faster-cycling soil carbon. Global Change Biology. 21 (12), 4602-4612 (2015).
  41. Liu, H., et al. Differential response of soil respiration to nitrogen and phosphorus addition in a highly phosphorus-limited subtropical forest, China. Forest Ecology and Management. 448, 499-508 (2019).
  42. Liu, H. S., et al. Respiratory substrate availability plays a crucial role in the response of soil respiration to environmental factors. Applied Soil Ecology. 32 (3), 284-292 (2006).
  43. Liu, Y., et al. A new incubation and measurement approach to estimate the temperature response of soil organic matter decomposition. Soil Biology and Biochemistry. 138, 107596(2019).
  44. Meyer, N., Welp, G., Amelung, W. The temperature sensitivity (Q10) of soil respiration: Controlling factors and spatial prediction at regional scale based on environmental soil classes. Global Biogeochemical Cycles. 32 (2), 306-323 (2018).
  45. Mikan, C. J., Schimel, J. P., Doyle, A. P. Temperature controls of microbial respiration in arctic tundra soils above and below freezing. Soil Biology and Biochemistry. 34 (11), 1785-1795 (2002).
  46. Podrebarac, F. A., Laganière, J., Billings, S. A., Edwards, K. A., Ziegler, S. E. Soils isolated during incubation underestimate temperature sensitivity of respiration and its response to climate history. Soil Biology and Biochemistry. 93, 60-68 (2016).
  47. Quan, Q., et al. type affects the coupled relationships of soil C and N mineralization in the temperate forests of northern China. Scientific Reports. 4 (1), 6584(2014).
  48. Robinson, J., et al. Rapid laboratory measurement of the temperature dependence of soil respiration and application to changes in three diverse soils through the year. Biogeochemistry. 133 (1), 101-112 (2017).
  49. Sierra, C. A., Trumbore, S. E., Davidson, E. A., Vicca, S., Janssens, I. Sensitivity of decomposition rates of soil organic matter with respect to simultaneous changes in temperature and moisture. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 7 (1), 335-356 (2015).
  50. Sihi, D., Inglett, P. W., Gerber, S., Inglett, K. S. Rate of warming affects temperature sensitivity of anaerobic peat decomposition and greenhouse gas production. Global Change Biology. 24 (1), 259-274 (2018).
  51. Sihi, D., Inglett, P. W., Inglett, K. S. Warming rate drives microbial nutrient demand and enzyme expression during peat decomposition. Geoderma. 336, 12-21 (2019).
  52. Subke, J. -A., Bahn, M. On the 'temperature sensitivity'of soil respiration: can we use the immeasurable to predict the unknown. Soil Biology and Biochemistry. 42 (9), 1653-1656 (2010).
  53. Tucker, C. L., Bell, J., Pendall, E., Ogle, K. Does declining carbon-use efficiency explain thermal acclimation of soil respiration with warming. Global Change Biology. 19 (1), 252-263 (2013).
  54. Wang, J., et al. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition due to shifts in soil extracellular enzymes after afforestation. Geoderma. 374, 114426(2020).
  55. Wang, Q., et al. Important interaction of chemicals, microbial biomass and dissolved substrates in the diel hysteresis loop of soil heterotrophic respiration. Plant and Soil. 428 (1), 279-290 (2018).
  56. Wang, Q., et al. Differences in SOM decomposition and temperature sensitivity among soil aggregate size classes in a temperate grasslands. PLoS One. 10 (2), 0117033(2015).
  57. Weedon, J. T., et al. Temperature sensitivity of peatland C and N cycling: does substrate supply play a role. Soil Biology and Biochemistry. 61, 109-120 (2013).
  58. Wei, L., et al. Labile carbon matters more than temperature for enzyme activity in paddy soil. Soil Biology and Biochemistry. 135, 134-143 (2019).
  59. Wetterstedt, J. M., Persson, T., Ågren, G. I. Temperature sensitivity and substrate quality in soil organic matter decomposition: results of an incubation study with three substrates. Global Change Biology. 16 (6), 1806-1819 (2010).
  60. Winkler, J. P., Cherry, R. S., Schlesinger, W. H. The Q10 relationship of microbial respiration in a temperate forest soil. Soil Biology and Biochemistry. 28 (8), 1067-1072 (1996).
  61. Yan, D., et al. The temperature sensitivity of soil organic carbon decomposition is greater in subsoil than in topsoil during laboratory incubation. Scientific Reports. 7, 5181(2017).
  62. Yang, K., et al. Temperature response of soil carbon decomposition depends strongly on forest management practice and soil layer on the eastern Tibetan Plateau. Scientific Reports. 7, 4777(2017).
  63. Li, J. W. Sampling soils in a heterogeneous research plot. Journal of Visualized Experiments. (143), e58519(2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Soil IncubationTemperature SimulationEnvironmental ChamberGradual WarmingStepwise WarmingSoil RespirationMicrobial BiomassExtracellular Enzyme ActivityTemperature MonitoringSoil Warming Experiment

Related Articles