Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment

Jianwei Li; Precious Areeveso; Xuehan Wang; Siyang Jian; Lahiru Gamage

doi:10.3791/64081

JoVE Journal > Environment

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Medio ambiente

הדמיית טמפרטורה בניסוי דגירה בקרקע

Published: October 28, 2022

doi:

10.3791/64081

Jianwei Li¹, Precious Areeveso¹, Xuehan Wang¹, Siyang Jian^1,2, Lahiru Gamage¹

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

Summary

ניסויי התחממות קרקע במעבדה משתמשים בדרך כלל בשתי טמפרטורות קבועות או יותר במספר תאים. על ידי הצגת תא סביבתי מתוחכם, אנו מספקים שיטת בקרת טמפרטורה מדויקת כדי לחקות את הגודל והמשרעת של טמפרטורת הקרקע באתרה ולשפר את התכנון הניסויי של מחקרי דגירה בקרקע.

Abstract

חקר השפעת ההתחממות על קרקעות דורש ייצוג מציאותי ומדויק של הטמפרטורה. במחקרי דגירה במעבדה, שיטה שאומצה באופן נרחב הייתה עיבוד טמפרטורות קבועות במספר תאים, ובאמצעות השוואות של תגובות קרקע בין תאים בטמפרטורה נמוכה וגבוהה, כדי לגזור את השפעת ההתחממות על שינויים בקרקע. עם זאת, שיטה נפוצה זו לא הצליחה לחקות הן את הגודל והן את המשרעת של הטמפרטורות בפועל כפי שנצפו בתנאי שדה, ובכך עלולה לערער את תקפותם של מחקרים כאלה. כאשר תאים סביבתיים מתוחכמים הופכים לזמינים יותר ויותר, חובה לבחון שיטות חלופיות לבקרת טמפרטורה לחקר דגירה בקרקע. פרוטוקול זה יציג תא סביבתי משוכלל וידגים שיטות קונבנציונליות וחדשות של בקרת טמפרטורה כדי לשפר את התכנון הניסויי של דגירה בקרקע. הפרוטוקול מורכב בעיקר מארבעה שלבים: ניטור ותכנות טמפרטורה, איסוף קרקע, דגירה במעבדה והשוואת אפקט התחממות. דוגמה אחת תוצג כדי להדגים שיטות שונות של בקרת טמפרטורה ואת תרחישי ההתחממות המנוגדים הנובעים מכך; כלומר, תכנון טמפרטורה קבועה המכונה התחממות מדורגת (SW) ומדומה תכנון טמפרטורה באתרה כהתחממות הדרגתית (GW), כמו גם השפעתם על נשימת הקרקע, ביומסה מיקרוביאלית ופעילות אנזימים חוץ-תאיים. בנוסף, אנו מציגים אסטרטגיה לגיוון תרחישי שינוי טמפרטורה כדי לענות על צרכים ספציפיים של מחקר שינויי אקלים (למשל, חום קיצוני). פרוטוקול בקרת הטמפרטורה ותרחישי שינוי הטמפרטורה המומלצים והמגוונים יסייעו לחוקרים לבסס ניסויים אמינים ומציאותיים בדגירה בקרקע במעבדה.

Introduction

טמפרטורת פני השטח העולמית צפויה לעלות במאה זו ב-1.8-6.4 מעלות צלזיוס ^1,2. התחממות כדור הארץ עשויה להגביר את שטף ה-CO₂ מהקרקע לאטמוספרה, וכתוצאה מכך לקבל משוב חיובי עם התחממות^של 3,4,5,6. מאחר שקהילות מיקרוביות ממלאות תפקיד קריטי בוויסות תגובות הנשימה של הקרקע להתחממות^7,8^, השינויים בנשימה המיקרוביאלית ובמנגנונים המיקרוביאליים הבסיסיים עם ההתחממות היו מוקד מחקרי. אף על פי שניסויי חימום קרקע שנפרסו בתנאי שדה, באמצעות כבל חימום⁹ ותא עליון פתוח¹⁰, היו יתרון בלכידת תכונות קרקע טבעיות כגון טמפרטורה¹¹, העלות הגבוהה שלהם להתקנה ותחזוקה הגבילה את היישום שלהם. לחלופין, ניסויי דגירה בקרקע בכפוף לטמפרטורות שונות הם בחירה חיובית. היתרון העיקרי של דגירה בקרקע במעבדה הוא שתנאי הסביבה המבוקרים היטב (למשל, טמפרטורה) מסוגלים לנתק את אפקט הגורם האחד מגורמים מבלבלים אחרים במסגרת ניסוי שדה^12,13^. למרות ההבדלים בין תא הגידול לניסויי שדה (למשל, גידול צמחים), התרגום מתוצאות המעבדה לשדה זמין^{בקלות 14}. דגירה של דגימות קרקע בסביבת מעבדה יכולה לעזור לשפר את ההבנה המכניסטית שלנו של תגובת הקרקע להתחממות¹⁵.

סקירת הספרות שלנו זיהתה מספר שיטות לבקרת טמפרטורה, וכתוצאה מכך, מצבי שינוי טמפרטורה שונים במחקרי דגירה קודמים בקרקע (טבלה 1). ראשית, מכשירים המשמשים לשליטה בטמפרטורה הם בעיקר באמצעות אינקובטור, תא צמיחה, אמבט מים, ובמקרה נדיר, כבל חימום. בהינתן המכשירים האלה, נוצרו שלושה דפוסי שינוי טמפרטורה אופייניים (איור 1). אלה כוללים את המצב המיושם ביותר, טמפרטורה קבועה (CT), שינוי ליניארי (LC) עם קצב שינוי טמפרטורה קבוע שאינו אפס, ושינוי לא ליניארי (NC) המוצג עם סוג יומי של טמפרטורה. במקרה של דפוס CT, הטמפרטורה עשויה להשתנות בגודלה עם הזמן, אם כי טמפרטורה קבועה נשארת למשך פרק זמן מסוים במהלך הדגירה (איור 1B). עבור LC, קצב שינוי הטמפרטורה עשוי להשתנות במחקרים שונים ביותר משני סדרי גודל (למשל, 0.1 °C ליום לעומת 3.3 °C/h; טבלה 1); במקרים של NC, רובם הסתמכו על היכולת הפנימית של המכשירים המשמשים, ובכך הובילו למצבים שונים. למרות זאת סוג של שינוי טמפרטורה יומי נטען באמצעות כבל חימום או אינקובטור^16,17; עם זאת, טמפרטורות התאים בניסויים אלה לא אומתו. תוצאות סקירה עיקריות אחרות בטבלה 1 כוללות את טווח טמפרטורת הדגירה של 0-40 מעלות צלזיוס, כאשר רובן בין 5-25 מעלות צלזיוס; משך הניסויים נע בין כמה שעות (<יום אחד) לכמעט שנתיים (~725 ימים). כמו כן, קרקעות שהיו נתונות לדגירות נאספו ממערכות אקולוגיות של יערות, ערבות ושטחי יבול, עם אופק מינרלי דומיננטי, אופק אורגני ואף קרקע מזוהמת, הממוקמת בעיקר בארה"ב, סין ואירופה (טבלה 1).

בהתחשב בשלושת מצבי שינוי הטמפרטורה העיקריים, סוכמו בטבלה 2 כמה תרחישי התחממות שונים שהושגו במחקרים קודמים. הם כוללים התחממות הדרגתית (SW), SW עם גודל משתנה (SW_v), התחממות הדרגתית ליניארית (GW_l), התחממות הדרגתית לא ליניארית (GW_n), והתחממות הדרגתית מדי יום (GW_d).

לסיכום, דגירה של קרקע בעבר תפסה בדרך כלל את טמפרטורת האוויר או הקרקע הממוצעת באתר. במקרים רבים, כפי שמוצג בטבלה 1, אינקובטורים או תאים תוכנתו ידנית בטמפרטורה קבועה אך לא היו מסוגלים להתאים את הטמפרטורה באופן אוטומטי לפי הצורך, ללא יכולת לשלוט במצב ובקצב שינוי הטמפרטורה עם הזמן (Eq. 1), ובכך הובילו לקושי לחקות את הטמפרטורה היומית של הקרקע המקומית. מצד שני, למרות שניסינו בשני ניסויים^16,17^, לא זיהינו מחקרים שחיקו במפורש התחממות הדרגתית יומית (GW_d) בניסויי הדגירה שלהם (טבלה 1). על פי סקירת הספרות, המכשול העיקרי טמון בתכנון ניסויי לקוי, במיוחד היעדר מכשיר מתוחכם המאפשר יישום ואימות של תרחישי התחממות יומיים או הדרגתיים אחרים.

(סעיף 1)

כאשר ΔT הוא כמות שינוי הטמפרטורה, m הוא מצב שינוי הטמפרטורה, r הוא קצב שינוי הטמפרטורה, ו-t הוא משך השינוי.

כדי לשפר את הקפדנות הניסויית בדגירה בקרקע, מוצגת במחקר זה שיטת בקרת טמפרטורה מדויקת ומתוחכמת. תוך אימוץ תא סביבתי משוכלל, זמין יותר ויותר וכדאי מבחינה כלכלית, העיצוב החדש לא רק יאפשר סימולציה מדויקת של טמפרטורת הקרקע באתרה (למשל, תבנית יומית), אלא גם, על ידי התחשבות בשינויי טמפרטורה קיצוניים אפשריים, יספק דרך אמינה למזער את החפצים של הטיה אינסטרומנטלית. תכנון הדגירה הנוכחי של הקרקע אמור לסייע לחוקרים לזהות אסטרטגיות אופטימליות העונות על צורכי הדגירה והמחקר שלהם. המטרה הכוללת של שיטה זו היא להציג לביוגיאוכימאים של הקרקע גישה מבצעית ביותר לרפורמה בתכנון הדגירה בקרקע.

Protocol

1. ניטור טמפרטורה ותכנות זהה אזור דגימה בתוך חלקת מחקר. התקן אחד או כמה בדיקות טמפרטורה אוטומטיות בקרקע בעומק 10 ס”מ. חבר את תחנת מזג האוויר למחשב באמצעות כבל העברת הנתונים ופתח את התוכנה במחשב. לחץ על כפתור סרגל הכלים Launch/ Properties כדי להגדיר את הלוגר עבור החיישנים החיצוניים הנמצאים בשימוש. במסך מאפיינים , הגדר את שם הלוגר/תחנה (כלומר, הוצאת דגירה בקרקע) ואת מרווח איסוף הנתונים (כלומר, 60 דקות). לאחר מכן, במסך מאפיינים , לחץ על מופעל ביציאות החיישן החיצוניות הנמצאות בשימוש ובחר את החיישן/היחידה מהלחצן הנפתח עבור כל יציאת חיישן (כלומר, יציאה A; “מופעל”: טמפרטורה °C). לבסוף, לחץ על אישור כדי לשמור את ההגדרות. עקוב אחר קריאת הבדיקות מדי שבוע כדי למנוע תקלה והורד את מערך הנתונים פעם בחודש. השג תיעוד מלא במשך מספר חודשים המכסה את עונת הגידול (כלומר, אפריל עד ספטמבר). בצע ניתוח נתונים של רשומות הטמפרטורה. השג את הטמפרטורה הממוצעת לשעה של עונת הגידול על ידי ממוצע כל התצפיות.השג את הטמפרטורה הממוצעת של כל שעה על בסיס יומי על ידי ממוצע טמפרטורות של אותה שעה בכל הימים בעונת הגידול. בחדר המתוחכם, הפעל את התוכנה ולחץ על פרופיל כפתור במסך התפריט הראשי כדי ליצור קובץ חדש. בשורת הקלט של שם הקובץ, הזן “SW נמוך”. על ידי לחיצה על שינוי מיידי אפשרות, הזן 15.9 °C (75 °F) כטמפרטורה ראשונית כמתקבלת בשלב 1.5, והזן 2 בשורה דקות כדי לשמור על הטמפרטורה למשך 2 דקות ולחץ על בוצע לחצן. לאחר מכן, תחת האפשרות זמן רמפה , הזן 15.9 °C כנקודת היעד שנקבעה ובשורה שעות הזן 850 שעות כדי לשמור על הטמפרטורה. Fianlly, לחץ על כפתור סיום .חזור על השלב לעיל בתא השני על ידי הוספת 5 °C לכל צומת טמפרטורה וצור שם קובץ חדש “SW גבוה”. חזור על שלב 1.4 בחדר השלישי על ידי הוספת 23 שלבים נוספים המתאימים ל-23 טמפרטורות קרקע שנצפו מדי שעה כפי שהתקבלו בשלב 1.5.1. בשלב האחרון, הנקרא JUMP, הגדר 42 לולאות חוזרות (ספירת קפיצות 42). זה מוביל לתרחיש של התחממות הדרגתית או GW נמוך. חזור על השלב לעיל בתא הרביעי עם 5 °C הוסיף לכל צומת טמפרטורה. זה יאפשר סימולציה של טמפרטורות משתנות במשך 42 ימים ברמת טמפרטורה גבוהה יותר (כלומר, GW גבוה). ערכו ריצה מקדימה במשך 24 שעות והוציאו את הטמפרטורות שנרשמו על ידי ארבעת התאים. שרטטו את הטמפרטורות שנרשמו על-ידי התאים כנגד אלה כפי שתוכנתו (איור 2A-D).אם הטמפרטורות שהושגו בתא תואמות את הטמפרטורות כפי שהן מתוכנתות על ידי הפרש טמפרטורות <0.1 מעלות צלזיוס במהלך 24 השעות (איור 2A,B,E,F), התאים מתאימים לניסוי הדגירה בקרקע. אם הקריטריונים לא עמדו באף אחד מהתאים הללו, חזור על בדיקה נוספת של 24 שעות או חפש חדר חדש. 2. איסוף קרקע והומוגניות בסמוך לאזור בדיקת הטמפרטורה, אספו חמש דגימות קרקע בעומק 0-20 ס”מ והכניסו אותן לשקית ניילון אחת לאחר הסרת שכבת הפסולת על פני השטח. ערבבו היטב את הדגימה על ידי פיתול, לחיצה וערבוב החומרים בשקית עד שלא נראית דגימת קרקע בודדת. אחסנו את הדגימות בצידנית מלאה בחבילות קרח והעבירו את הדגימות למעבדה באופן מיידי. מסירים את השורשים בכל ליבה, מסננים אותה דרך מסננת אדמה של 2 מ”מ, ומערבבים היטב את הדגימה לפני הניתוח הבא. 3. דגירה במעבדה לפני הדגירה שוקלים 10.0 גרם אדמה טרייה, מייבשים אותה בתנור במשך 24 שעות בטמפרטורה של 105 מעלות צלזיוס, ושוקלים את האדמה היבשה. גזור את ההבדל בין דגימות קרקע טריות ויבשות וחשב את היחס בין ההפרש על פני משקל הקרקע היבשה כדי לקבוע את תכולת הלחות בקרקע בגיליון אלקטרוני. השתמש בתכולת הלחות הנגזרת כדי לחשב את הביומסה המיקרוביאלית של הקרקע פחמן (MBC), פעילות האנזים החוץ-תאית (EEA) והנשימה ההטרוטרופית של הקרקע, כמתואר בשלבים הבאים. נתונים אלה יסייעו להבין את השפעות הטיפול על הנשימה בקרקע ואת המנגנונים המיקרוביאליים העומדים בבסיסה. לפני הדגירה, יש לשקול את תת-דגימת הקרקע הלחה בשדה (10 גרם) ולכמת את הקרקע MBC על ידי תיעול כלורופורם-K2SO4 ושיטות עיכול אשלגן פרסולפט18. לפני הדגירה, שקלו את תת-הדגימה של אדמת שדה לחה (1.0 גרם) ומדדו קרקע הידרוליטית וחמצונית EEA19. שקלו 16 תת-דגימות קרקע לחות (15.0 גרם שווה ערך למשקל יבש) ב-16 ליבות פוליוויניל כלוריד (PVC) (קוטר 5 ס”מ, 7.5 ס”מ גובה) אטומות בנייר סיבי זכוכית בתחתית. הניחו את ליבות ה-PVC בצנצנות מייסון (~1 ליטר) מרופדות במצע חרוזי זכוכית כדי להבטיח שהליבות לא יספגו לחות. הניחו ארבע צנצנות בכל אחד מארבעת התאים כמתואר בשלב 1.4. הפעל את התאים והפעל את התוכנית בו זמנית בארבעה תאים. במהלך הדגירה, בשעה 2 שעות, ימים 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 ו-42, קחו את כל הצנצנות בכל אחד מארבעת התאים והשתמשו במנתח גז CO2 נייד כדי למדוד את קצב נשימת הקרקע (Rs) על ידי הנחת הקולר של המנתח לחלק העליון של כל צנצנת. לאסוף באופן הרסני את כל הצנצנות בסוף הדגירה (כלומר, יום 42) ולכמת את הקרקע MBC כמתואר בשלב 3.3. לאסוף באופן הרסני את כל הצנצנות בסוף הדגירה (כלומר, יום 42) ולכמת את פעילות אנזימי הקרקע כמתואר בשלב 3.4. 4. השוואת אפקט התחממות על ידי הנחת קצב נשימה קבוע (Rs) בין שני אוספים עוקבים, השתמש בקצב הנשימה כפול משך הזמן כדי לגזור את הנשימה המצטברת (Rc). בצע ניתוח מדידות חוזרות ומשולשות של שונות (ANOVA) כדי לבחון את ההשפעות העיקריות והאינטראקטיביות של זמן, טמפרטורה (התחממות) ומצב טמפרטורה (תרחיש התחממות) על Rs ו- Rc. בנוסף, ערכו ANOVA דו-כיווני כדי לבחון את השפעות תרחישי ההתחממות וההתחממות על MBC ו-EEA.

Representative Results

התאים החדישים שנבחרו שיכפלו את טמפרטורת המטרה בדיוק גבוה (איור 2A,B,E,F) ועמדו בדרישה הטכנית של ניסוי הדגירה. בהתחשב בשימוש ובתפעול הקלים, זה סימן את הטכניקה לשיפור סימולציית הטמפרטורה במחקרי התחממות קרקע וביישומים אחרים כגון מחקרי צמחים. הנוהל נעשה שימוש במחקר המקרה האחרון שלנו המבוסס על שטח יבול של עשב מתג בתיכונה-טנסי. תוצאות המחקר הראו כי יחסית לטיפול בקרה, ההתחממות הובילה להפסדים נשימתיים גדולים יותר באופן משמעותי (Rs ו-R c) בשני תרחישי ההתחממות (SW ו-GW), ו-GW הכפילה את האובדן הנשימתי הנגרם על ידי התחממות (Rc) ביחס ל-SW, 81% לעומת 40% (איור 3). ביום ה-42, MBC ו-EEA היו גם שונים באופן משמעותי בין SW ל-GW, כך ש-MBC היה גבוה יותר ב-SW מאשר ב-GW (69% לעומת 38%; תרשים 4) וגליקוזידזות ופרוקסידאז (לדוגמה, AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) היו גבוהות משמעותית ב-GW מאשר בתרחישי SW (איור 5). איור 1: המחשה של מצב שינוי הטמפרטורה בניסוי התחממות קרקע כפי שהומצא מטבלה 1. (A) טמפרטורה קבועה (CT) שאומצה על ידי רוב המחקרים. (B) טמפרטורה קבועה בעוצמה משתנה (CTv). (ג,ד) שינוי ליניארי (LC) עם שיעורים חיוביים ושליליים. (ה,ו) שינוי לא ליניארי (NC) עם תבנית לא סדירה ותבנית יומית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 2: טמפרטורה ממוקדת באמצעות תכנות וטמפרטורת התא במהלך תקופת בדיקה של 24 שעות. (A,B) טמפרטורת יעד (קו אפור) ורשומות טמפרטורת תא (קו מקווקו) תחת טיפול בקרה והתחממות של התחממות שלב (SW); (ג,ד) טמפרטורת יעד (קו אפור) וטמפרטורת תא (קו מקווקו) תחת טיפולי בקרה והתחממות של התחממות הדרגתית (GW); (ה, ו) הפרש הטמפרטורות נגזר עבור רשומות בלוחות C ו- D. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 3: קצב נשימה מצטבר ממוצע (± SE) (Rc, μg CO2-C·gאדמה-1) תחת בקרה (חלול) והתחממות (כהה) ב-SW וב-GW בניסוי דגירה של קרקע שנמשך 42 יום. הסטים מראים את קצבי הנשימה של הקרקע (R s, μg CO2-C·h-1·g אדמה-1) החלים על אומדן הנשימה המצטברת, בהנחהש-R s היה קבוע עד למדידה הבאה. (A) התחממות הדרגתית (SW) ו-(B) התחממות הדרגתית (GW). N = 4 בכל אוסף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 4: MBC ממוצע (± SE) תחת טיפולי בקרה והתחממות ב-SW וב-GW בניסוי דגירה של קרקע שנמשך 42 יום. MBC = פחמן ביומסה מיקרוביאלית; N = 4 בכל אוסף. S מציין השפעה משמעותית של תרחיש התחממות (SW לעומת GW), ב- p < 0.05, בהתבסס על מדדים חוזרים תלת-כיווניים ANOVA. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 5: גליקוזידזות ממוצעות (± SE) ופרוקסידאז (פעילות מיקרומול H-1·gsoil-1) תחת טיפולי בקרה והתחממות ב-SW וב-GW בניסוי דגירה שנמשך 42 יום. BX =β1,4-קסילוזידאז; AP = חומצה פוספטאז; LAP = לאוצין אמינופטידאז; NAG =β-1,4-N-אצטיל-גלוקוזאמינידאז; OX = אנזימים חמצוניים; PHO = פנול אוקסידאז; לכל = פרוקסידאז. N = 4 בכל אוסף. S מציין השפעה משמעותית של תרחיש התחממות (SW לעומת GW), ב- p < 0.05, בהתבסס על מדדים חוזרים משולשים ANOVA. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. טבלה 1: סקירת ספרות של שיטות בקרת טמפרטורה ומצבי שינוי טמפרטורה במחקרי דגירה בקרקע 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.בסך הכל נכללו בסקירה 46 מחקרים. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו. טבלה 2: מצבי שינוי טמפרטורה עיקריים ותרחישי ההתחממות המתאימים בהתבסס על סקירת ספרות (טבלה 1). חמישה מצבים ותרחישים נקבעו כדי לייצג מגוון רחב של שינויי טמפרטורה אפשריים ותנאי התחממות. אנא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

Discussion

שיטת בקרת הטמפרטורה הקבועה יושמה באופן נרחב (טבלה 1). עם זאת, הגודל והדפוס הזמני של הטמפרטורה המיושמים בהליכים אלה מדמים בצורה גרועה את טמפרטורת הקרקע שנצפתה במצב השדה. למרות המאמצים המתהווים לחקות את הדפוס היומי בעבר, מחקרים כאלה היו נדירים ולא הצליחו להבהיר את הציוד והנוהל; הם גם לא אימתו את סימולציית הטמפרטורה לגבי דיוק ואמינות^16,17. מכיוון שהקהילה שאפה לשפר את הבנתה את תגובות התחממות הקרקע, אופטימיזציה של הליך הדגירה בקרקע עם טמפרטורה מציאותית ובקרה אפשרית היא הכרחית. עם זאת, שיטות חדשות כאלה לא פותחו, ולכן, שיטה סטנדרטית לניסויי דגירה עתידיים עדיין מחוץ להישג יד. לנוכח המורכבות הגוברת של שינוי הטמפרטורה הגלובלית בגודל, משרעת, עונתיות, משך זמן וקיצוניות, הליך מקיף מבוקש מאוד.

כאן הוצגה שיטה למניפולציה של הליך שינוי טמפרטורה יומי, בהסתמך על התא המתוחכם, כדי להציע את היכולת לקבוע שינוי טמפרטורה קבוע, ליניארי ולא ליניארי ובהמשך תרחישי התחממות שונים כדי לענות על צרכי מחקר עתידיים. ישנם ארבעה שלבים קריטיים בתוך הפרוטוקול. הראשון הוא לקבוע את טמפרטורת הקרקע במצב השדה. מכיוון שסוג הקרקע ועומק העניין, כמו גם סוג השימוש בקרקע, יכולים להשתנות ממחקר אחד למשנהו, יש לשנות את מספר בדיקות הטמפרטורה הדרושות לאתר המחקר הספציפי כך שיתאימו בצורה הטובה ביותר לתנאים בפועל ככל האפשר. באופן כללי, עומק הקרקע עבור בדיקות טמפרטורה יענה על רוב צרכי המחקר ב 0-20 ס”מ, ואת מספר הגשושיות שייצגו את טמפרטורת הקרקע צריך להיות מוגבל לאחד עד שלושה. המפתח הוא להשיג שיא טמפרטורה רציף ורציף לטווח ארוך לפחות במיקום קרקע טיפוסי אחד.

השלב הקריטי השני הוא להגדיר את התוכנית כדי להשיג את גודל הטמפרטורה הממוקדת ואת התבנית בחדר. בגלל הרגישות והדיוק הגבוהים של התא (איור 4), ניתן לתכנת לייצוג מדויק של הטמפרטורה כפי שנצפתה בתנאי השדה. למרות שהפרוטוקול הנוכחי הציג רק את הטמפרטורה השעתית הנצפית כפי שהיא ממוקדת בחדר, ניתן להשיג ניטור טמפרטורת קרקע תכוף יותר, כגון 30 דקות, 15 דקות או אפילו קצר יותר, באמצעות הליך זה. עם זאת, יש לבצע בדיקה של טמפרטורת המטרה והתא במשך 24 שעות, ולפני הניסוי, תוצאות הבדיקה חייבות לעמוד בקריטריונים של פחות מ-0.1 מעלות צלזיוס בין טמפרטורת היעד לטמפרטורת התא בכל נקודות הזמן. ככל שתצפית הטמפרטורה נבחרת להדמיה בתדירות גבוהה יותר, כך נדרשים שלבים רבים יותר כדי להגדיר את התוכנית בתא לפני הניסוי.

השלב הקריטי השלישי הוא לנהל את הדגירה עצמה. כדי להפחית את ההשפעה של הטרוגניות הקרקע⁶³, הומוגניזציה של דגימות קרקע היא המפתח, ומומלץ לפחות שלושה שכפולים לכל טיפול. לפני הדגירה, נדרש טיפול קדם-דגירה, וההליך הנוכחי יכול להקל על הטיפול המקדים על ידי תכנות הטמפרטורה ומשך הזמן לפני ההתחלה הרשמית של הניסוי. זה יתרון עבור אחד להפחית את ההפרעה הניסויית ולתזמר את הדגירה כולה בצורה חלקה. השלב הקריטי האחרון הוא לכלול גם טיפולים בטמפרטורה קבועה וגם בטמפרטורות משתנות, כך שניתן יהיה לערוך השוואה לגבי תגובות התחממות הקרקע.

פרוטוקול זה ניתן לשינוי בקלות כדי לאפשר לאדם לתפעל את הגודל, המשרעת ומשך שינוי הטמפרטורה. לדוגמה, טמפרטורות קיצוניות במהלך גל חום בקיץ וכפור פתאומי בתחילת האביב עקב שינוי האקלים, ניתן לייצג באמצעות הליך זה, בנוסף ליכולתו להסביר את משך הזמן והעוצמה המשתנים שלהם. הדמיית הטמפרטורות הרגילות והלא סדירות בשילוב מאפשרת גם לדמות השפעות ארוכות טווח של שינויי טמפרטורה מורכבים כפי שצפויים בעתיד. כפי שמסוכם בטבלה 2, אותם תרחישי התחממות שנחקרו במחקרים שונים רבים יכולים להתבצע באופן קולקטיבי במחקר אחד. פרוטוקול זה צפוי לספק שיטה מתוחכמת להדמיית טמפרטורה במחקרי דגירה בקרקע. עם תקווה ליישום רחב, אימוץ פרוטוקול זה יסייע לזהות או לאמת שיטה מדויקת יותר למחקרי התחממות קרקע עתידיים המבוססים על דגירה במעבדה.

מגבלה חשובה של ההליך היא שלתא המשמש בפרוטוקול הנוכחי יש נפח קטן יחסית, ולכן הוא מסוגל להכיל רק תשע צנצנות דגירה בכל תא. למרות שצנצנת קטנה יותר תגדיל את קיבולת התא, מומלץ נפח גדול של התא. דגם חדש (לדוגמה, TestEquity 1007) יציע קיבולת גדולה פי שמונה ולכן מומלץ לניסויים בקנה מידה גדול. למרות השיפור בהליך בקרת הטמפרטורה בדגירות הקרקע, הסיבוכים הפוטנציאליים עם לחות והומוגניות הקרקע לא יוקלו על ידי אימוץ הפרוטוקול הנוכחי.

אנו מדגימים יתרונות משמעותיים של הליך בקרת הטמפרטורה המתוחכם. הוא מספק אסטרטגיית בקרת טמפרטורה אמינה ובמחיר סביר לקבלת סימולציית טמפרטורה מדויקת ומציע דרך אפשרית לשפר את ניסוי הדגירה בקרקע הנדרש להבנה טובה יותר של תגובות התחממות הקרקע. למרות שבקרת הטמפרטורה המתמדת מקובלת מאוד וקלה לתפעול מבחינה לוגיסטית, הממצאים של טמפרטורה קבועה לטווח ארוך על קהילות מיקרוביאליות בקרקע עשויים להסיט את המאמצים ללכוד את תגובות הקרקע האמיתיות. שיטות ההתחממות המעבדתיות המדווחות האחרות הן במידה רבה פחות ניתנות לשליטה ולשכפול. הפרוטוקול הנוכחי מעולה בשל פעולתו הקלה, הדיוק הגבוה והשכפול של סימולציית טמפרטורה, תכנות מפורש ויכולת לשלב תרחישי שינוי טמפרטורה שונים בניסוי יחיד. ההיתכנות של בקרת טמפרטורה עם דיוק גבוה תאפשר לחוקרים לחקור תרחישים שונים של שינוי טמפרטורה.

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מקורות המימון ששימשו לתמיכה במחקר כוללים קרן המדע הלאומית של ארה”ב (NSF) HBCU−EiR (מס’ 1900885), שירות מחקר חקלאי של משרד החקלאות האמריקאי (USDA) (ARS) משנות ה-90 של המאה ה-19 (מס’ 58-3098-9-005), מענק NIFA של USDA (מס’ 2021-67020-34933) ומענק של USDA אוונס-אלן (מס’ 1017802). אנו מודים לסיוע שקיבלנו מחברי הצוות במרכז המחקר וההרחבה החקלאית של הקמפוס הראשי של TSU (AREC) בנאשוויל, טנסי.

Materials

10 mL-Syringe	Fisher Scientific	14-826-13	for soil respiration measurement
Composer Software	TestEquity	Model #107	for incubation temperature setup
Environmental chamber	TestEquity	Model #107	for soil incubation
Environmental gas analyzer	PP Systems	EGM5	for soil respiration measurement
Filter paper	Fisher Scientific	1005-125	for soil incubation
Mason jar	Ball	15381-3	for soil incubation
Oven	Fisher Scientific	15-103-0520	for soil moisture measurement
Plastic Zipper Seal Storage Bag	Fisher Scientific	09-800-16	for soil collection
Plate reader	Molecular devices	FilterMax F5	for soil extracellular enzyme analysis
R Software	The R Foundation	R version 4.1.3 (2022-03-10)	For statistical computing
Refrigerator/Freezer	Fisher Scientific	13-991-898	for soil storation
Screwdriver	Fisher Scientific	19-313-447	for soil collection
Sharpie	Fisher Scientific	50-111-3135	for soil collection
Sieve	Fisher Scientific	04-881G	for sieving soil sample
Silicone Septa	Duran Wheaton kimble	224100-070	for mason jars used for soil incubation
Soil auger	AMS	350.05	for soil collection
SpecWare Software	Spectrum Technologies	WatchDog E2700 (3340WD2)	for temperature collection interval setup
Temperature probe	Spectrum Technologies	WatchDog E2700 (3340WD2)	for soil temperature measurements
TOC/TN analyzer	Shimadzu	TOC-L series	for soil microbial biomass analysis

Referencias

Chatterjee, D., Saha, S., Bal, S., Mukherjee, J., Choudhury, B., Dhawan, A. Response of Soil Properties and Soil Microbial Communities to the Projected Climate Change. Advances in Crop Environment Interaction. , 87-136 (2018).
Feral, J., Pachauri, R. K., Meyer, L. A. . Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate. , 151 (2014).
Davidson, E. A. Carbon dioxide loss from tropical soils increases on warming. Nature. 584 (7820), 198-199 (2020).
Davidson, E. A., Janssens, I. A. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change. Nature. 440 (7081), 165-173 (2006).
Van Gestel, N., et al. Predicting soil carbon loss with warming. Nature. 554 (7693), 4-5 (2018).
Tarnocai, C., et al. Soil organic carbon pools in the northern circumpolar permafrost region. Global Biogeochemical Cycles. 23 (2), 2023 (2009).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Whitby, T. G., Madritch, M. D. Native temperature regime influences soil response to simulated warming. Soil Biology and Biochemistry. 60, 202-209 (2013).
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).
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).
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).
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).
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).
Bao, X., et al. Effects of soil temperature and moisture on soil respiration on the Tibetan plateau. PLoS One. 11 (10), 0165212 (2016).
Chang, X., et al. Temperature and moisture effects on soil respiration in alpine grasslands. Soil science. 177 (9), 554-560 (2012).
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).
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).
Conant, R. T., et al. Sensitivity of organic matter decomposition to warming varies with its quality. Global Change Biology. 14 (4), 868-877 (2008).
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).
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).
Fang, C., Moncrieff, J. The dependence of soil CO2 efflux on temperature. Soil Biology and Biochemistry. 33 (2), 155-165 (2001).
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).
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).
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).
Knorr, W., Prentice, I. C., House, J., Holland, E. Long-term sensitivity of soil carbon turnover to warming. Nature. 433 (7023), 298-301 (2005).
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).
Li, J., et al. Asymmetric responses of soil heterotrophic respiration to rising and decreasing temperatures. Soil Biology and Biochemistry. 106, 18-27 (2017).
Li, J., et al. Biogeographic variation in temperature sensitivity of decomposition in forest soils. Global Change Biology. 26 (3), 1873-1885 (2020).
Li, J., et al. Rising temperature may trigger deep soil carbon loss across forest ecosystems. Advanced Science. 7 (19), 2001242 (2020).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Wang, J., et al. Temperature sensitivity of soil carbon decomposition due to shifts in soil extracellular enzymes after afforestation. Geoderma. 374, 114426 (2020).
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).
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).
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).
Wei, L., et al. Labile carbon matters more than temperature for enzyme activity in paddy soil. Soil Biology and Biochemistry. 135, 134-143 (2019).
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).
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).
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).
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).
Li, J. W. Sampling soils in a heterogeneous research plot. Journal of Visualized Experiments. (143), e58519 (2019).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citar este artículo

Li, J., Areeveso, P., Wang, X., Jian, S., Gamage, L. Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment. J. Vis. Exp. (188), e64081, doi:10.3791/64081 (2022).