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.

Ambiente

محاكاة درجة الحرارة في تجربة حضانة التربة

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

عادة ما تستخدم تجارب تسخين التربة المختبرية درجتي حرارة ثابتتين أو أكثر في غرف متعددة. من خلال تقديم غرفة بيئية متطورة ، نقدم طريقة دقيقة للتحكم في درجة الحرارة لتقليد حجم وسعة درجة حرارة التربة في الموقع وتحسين التصميم التجريبي لدراسات حضانة التربة.

Abstract

تتطلب دراسة تأثير الاحترار على التربة تمثيلا واقعيا ودقيقا لدرجة الحرارة. في دراسات الحضانة المختبرية ، كانت الطريقة المعتمدة على نطاق واسع هي تقديم درجات حرارة ثابتة في غرف متعددة ، ومن خلال مقارنات استجابات التربة بين الغرف ذات درجات الحرارة المنخفضة والعالية ، لاستخلاص تأثير الاحترار على تغيرات التربة. ومع ذلك ، فشلت هذه الطريقة الشائعة الاستخدام في تقليد كل من حجم وسعة درجات الحرارة الفعلية كما لوحظ في الظروف الميدانية ، مما قد يقوض صحة هذه الدراسات. مع تزايد توافر الغرف البيئية المتطورة ، من الضروري دراسة طرق بديلة للتحكم في درجة الحرارة لأبحاث حضانة التربة. سيقدم هذا البروتوكول غرفة بيئية حديثة ويعرض كلا من الطرق التقليدية والجديدة للتحكم في درجة الحرارة لتحسين التصميم التجريبي لحضانة التربة. يتكون البروتوكول بشكل أساسي من أربع خطوات: مراقبة درجة الحرارة والبرمجة ، وجمع التربة ، وحضانة المختبرات ، ومقارنة تأثير الاحترار. وسيقدم مثال واحد لبيان الطرق المختلفة للتحكم في درجة الحرارة وسيناريوهات الاحترار المتناقضة الناتجة عن ذلك؛ أي تصميم درجة حرارة ثابتة يشار إليه باسم الاحترار التدريجي (SW) ومحاكاة تصميم درجة الحرارة في الموقع مثل الاحترار التدريجي (GW) ، بالإضافة إلى تأثيراتها على تنفس التربة والكتلة الحيوية الميكروبية وأنشطة الإنزيم خارج الخلية. بالإضافة إلى ذلك ، نقدم استراتيجية لتنويع سيناريوهات تغير درجة الحرارة لتلبية احتياجات بحثية محددة لتغير المناخ (مثل الحرارة الشديدة). سيساعد بروتوكول التحكم في درجة الحرارة وسيناريوهات تغير درجة الحرارة المتنوعة والمصممة جيدا والموصى بها الباحثين في إنشاء تجارب حضانة تربة موثوقة وواقعية في المختبر.

Introduction

من المتوقع أن ترتفع درجة حرارة السطح العالمية هذا القرن بمقدار 1.8-6.4 درجة مئوية ^1,2. قد يؤدي الاحترار العالمي إلى زيادة تدفق CO₂ من التربة إلى الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى ردود فعل إيجابية مع الاحترار³،⁴،⁵^،⁶. نظرا لأن المجتمعات الميكروبية تلعب دورا مهما في تنظيم استجابات التربة التنفسية للاحترار ^7,8 ، فإن التغييرات في التنفس الميكروبي والآليات الميكروبية الأساسية مع الاحترار كانت محور تركيز بحثي. على الرغم من أن تجارب ارتفاع درجة حرارة التربة التي تم نشرها في الحالة الميدانية ، عبر كابل التدفئة⁹ والغرفة المفتوحة¹⁰ ، كانت مفيدة في التقاط ميزات التربة الطبيعية مثل درجة الحرارة¹¹ ، إلا أن تكلفتها العالية للتركيب والصيانة حدت من تطبيقها. بدلا من ذلك ، تعد تجارب حضانة التربة الخاضعة لدرجات حرارة مختلفة خيارا مناسبا. الميزة الأساسية لحضانة التربة في المختبر هي أن الظروف البيئية التي يتم التحكم فيها جيدا (مثل درجة الحرارة) قادرة على فصل تأثير العامل الواحد عن العوامل المربكة الأخرى في بيئة تجريبية ميدانية^12,13. على الرغم من الاختلافات بين غرفة النمو والتجارب الميدانية (على سبيل المثال ، نمو النبات) ، فإن الترجمة من نتائج المختبر إلى الميدان متاحة بسهولة¹⁴. يمكن أن يساعد احتضان عينات التربة في بيئة معملية في تحسين فهمنا الميكانيكي لاستجابة التربة للاحترار¹⁵.

حددت مراجعة الأدبيات الخاصة بنا العديد من طرق التحكم في درجة الحرارة ، وبالتالي ، أنماط تغير درجة الحرارة المتميزة في دراسات حضانة التربة السابقة (الجدول 1). أولا ، الأدوات المستخدمة للتحكم في درجة الحرارة هي في الغالب من خلال حاضنة ، وغرفة نمو ، وحمام مائي ، وفي حالة نادرة ، كابل تدفئة. بالنظر إلى هذه الأدوات ، تم إنشاء ثلاثة أنماط نموذجية لتغير درجة الحرارة (الشكل 1). وتشمل هذه الوضع الأكثر تنفيذا ، ودرجة الحرارة الثابتة (CT) ، والتغيير الخطي (LC) مع معدل تغيير درجة حرارة ثابت غير صفري ، والتغيير غير الخطي (NC) المميز بنوع نهاري من درجة الحرارة. بالنسبة لحالة نمط التصوير المقطعي المحوسب ، قد تختلف درجة الحرارة في الحجم بمرور الوقت ، على الرغم من بقاء درجة حرارة ثابتة لفترة زمنية معينة أثناء الحضانة (الشكل 1 ب). بالنسبة ل LC ، يمكن أن يختلف معدل تغير درجة الحرارة في دراسات مختلفة بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم (على سبيل المثال ، 0.1 درجة مئوية / يوم مقابل 3.3 درجة مئوية / ساعة ؛ الجدول 1)؛ بالنسبة لحالات NC ، اعتمد معظمها على القدرة الجوهرية للأدوات المستخدمة ، مما أدى إلى أنماط مختلفة. على الرغم من أنه تم المطالبة بنوع من التغير في درجة الحرارة النهارية من خلال كابل تسخين أو حاضنة^16,17 ؛ ومع ذلك ، لم يتم التحقق من صحة درجات حرارة الغرفة في هذه التجارب. وتشمل نتائج الاستعراض الرئيسية الأخرى الواردة في الجدول 1 نطاق درجة حرارة الحضانة من 0-40 درجة مئوية، مع ما بين 5-25 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية؛ ودرجة حرارة الحضانة بين 0-40 درجة مئوية، ويتراوح معظمها بين 5 و25 درجة مئوية؛ وتتراوح درجة حرارة الحضانة بين 0-40 تراوحت مدة التجارب من بضع ساعات (<1 يوم) إلى ما يقرب من 2 سنوات (~ 725 يوما). أيضا ، تم جمع التربة المعرضة للحضانة من الغابات والأراضي العشبية والنظم الإيكولوجية للأراضي الزراعية ، مع الأفق المعدني السائد ، والأفق العضوي ، وحتى التربة الملوثة ، والتي تقع في الغالب في الولايات المتحدة والصين وأوروبا (الجدول 1).

بالنظر إلى أنماط تغير درجة الحرارة الرئيسية الثلاثة ، تم تلخيص العديد من سيناريوهات الاحترار المتميزة التي تحققت في الدراسات السابقة في الجدول 2. وهي تشمل الاحترار التدريجي (SW) ، SW بأحجام متفاوتة (SW_v) ، الاحترار التدريجي خطيا (GW_l) ، الاحترار التدريجي غير الخطي (GW_n) ، والاحترار التدريجي يوميا (GW_d).

باختصار ، عادة ما تلتقط حضانات التربة السابقة متوسط درجة حرارة الهواء أو التربة في الموقع. في كثير من الحالات ، كما هو موضح في الجدول 1 ، تمت برمجة الحاضنات أو الغرف يدويا عند درجة حرارة ثابتة ولكنها غير قادرة على ضبط درجة الحرارة تلقائيا حسب الرغبة ، وتفتقر إلى القدرة على التحكم في وضع ومعدل تغير درجة الحرارة مع مرور الوقت (مكافئ 1) ، مما يؤدي إلى صعوبة تقليد درجة الحرارة النهارية للتربة المحلية. من ناحية أخرى ، على الرغم من محاولتنا في تجربتين^16,17 ، لم نحدد أي دراسات تقلد صراحة الاحترار التدريجي يوميا (GW_d) في تجارب الحضانة (الجدول 1). واستنادا إلى مراجعة الأدبيات، تكمن العقبة الرئيسية في التصميم التجريبي الضعيف، ولا سيما الافتقار إلى أداة متطورة تمكن من تنفيذ سيناريوهات الاحترار النهاري أو غيرها من سيناريوهات الاحترار التدريجي والتحقق من صحتها.

(مكافئ 1)

حيث ΔT هي كمية التغير في درجة الحرارة ، m هي طريقة تغير درجة الحرارة ، r هي معدل تغير درجة الحرارة ، و t هي مدة التغيير.

لتحسين الصرامة التجريبية في حضانة التربة ، تم تقديم طريقة دقيقة ومتطورة للتحكم في درجة الحرارة في هذه الدراسة. من خلال اعتماد غرفة بيئية حديثة ، متاحة بشكل متزايد وقابلة للتطبيق اقتصاديا ، لن يتيح التصميم الجديد فقط المحاكاة الدقيقة لدرجة حرارة التربة في الموقع (على سبيل المثال ، النمط النهاري) ولكن أيضا ، من خلال حساب التغيرات القصوى المحتملة في درجات الحرارة ، يوفر طريقة موثوقة لتقليل القطع الأثرية للتحيز الفعال. يجب أن يساعد التصميم الحالي لاحتضان التربة الباحثين على تحديد الاستراتيجيات المثلى التي تلبي احتياجاتهم من الحضانة والبحث. الهدف العام من هذه الطريقة هو تقديم كيميائيين حيويين للتربة بنهج تشغيلي للغاية لإصلاح تصميم حضانة التربة.

Protocol

1. مراقبة درجة الحرارة والبرمجة تحديد منطقة أخذ العينات داخل مخطط البحث. قم بتركيب واحد أو عدد قليل من مجسات درجة الحرارة الأوتوماتيكية في التربة على عمق 10 سم. قم بتوصيل محطة الطقس بجهاز كمبيوتر عبر كابل نقل البيانات وافتح البرنامج على الكمبيوتر. انقر فوق زر شريط أدوات التشغيل / الخصائص لتكوين المسجل لأجهزة الاستشعار الخارجية المستخدمة. في شاشة الخصائص ، قم بتعيين اسم المسجل / المحطة (أي Soil incubation exp.) والفاصل الزمني لجمع البيانات (أي 60 دقيقة). ثم ، في شاشة الخصائص ، انقر فوق ممكن على منافذ المستشعر الخارجية المستخدمة وحدد المستشعر / الوحدة من زر القائمة المنسدلة لكل منفذ مستشعر (على سبيل المثال ، المنفذ A ؛ “ممكن”: درجة الحرارة °C). أخيرا ، انقر فوق “موافق ” لحفظ الإعدادات. راقب قراءة المجسات أسبوعيا لتجنب حدوث عطل وقم بتنزيل مجموعة البيانات مرة واحدة في الشهر. احصل على سجل كامل لعدة أشهر يغطي موسم النمو (أي من أبريل إلى سبتمبر). إجراء تحليل البيانات لسجلات درجة الحرارة. الحصول على متوسط درجة الحرارة كل ساعة لموسم النمو عن طريق حساب متوسط جميع الملاحظات.الحصول على متوسط درجة الحرارة لكل ساعة على أساس يومي عن طريق حساب متوسط درجات الحرارة لنفس الساعة عبر جميع الأيام خلال موسم النمو. في الغرفة المتطورة ، قم بتشغيل البرنامج وانقر على زر الملف الشخصي على شاشة القائمة الرئيسية لإنشاء ملف جديد. في سطر إدخال اسم الملف ، أدخل “SW low”. بالنقر فوق خيار التغيير الفوري ، أدخل 15.9 درجة مئوية كدرجة حرارة أولية كما تم الحصول عليها في الخطوة 1.5 ، وأدخل 2 في صف الدقائق للحفاظ على درجة الحرارة لمدة دقيقتين وانقر على زر تم . ثم ، ضمن خيار وقت المنحدر ، أدخل 15.9 درجة مئوية كنقطة ضبط مستهدفة وفي صف الساعات أدخل 850 ساعة للحفاظ على درجة الحرارة. Fianlly ، انقر فوق الزر تم .كرر الخطوة المذكورة أعلاه في الغرفة الثانية بإضافة 5 درجات مئوية إلى كل عقدة درجة حرارة وإنشاء اسم ملف جديد “SW high”. كرر الخطوة 1.4 في الغرفة الثالثة بإضافة 23 خطوة إضافية تقابل 23 درجة حرارة تربة ملحوظة كل ساعة كما تم الحصول عليها في الخطوة 1.5.1. في الخطوة الأخيرة ، المسماة JUMP ، قم بتعيين 42 حلقة متكررة (Jump Count 42). هذا يؤدي إلى سيناريو الاحترار التدريجي أو انخفاض غيغاواط. كرر الخطوة أعلاه في الغرفة الرابعة مع إضافة 5 درجات مئوية إلى كل عقدة درجة حرارة. سيسمح ذلك بمحاكاة درجات حرارة متفاوتة لمدة 42 يوما عند مستوى درجة حرارة أعلى (أي ارتفاع GW). إجراء تشغيل أولي لمدة 24 ساعة وإخراج درجات الحرارة المسجلة من قبل الغرف الأربع. ارسم درجات الحرارة التي سجلتها الغرف مقابل تلك المبرمجة (الشكل 2A-D).إذا كانت درجات الحرارة المحققة في الغرفة تتطابق مع درجات الحرارة كما تمت برمجتها باختلاف درجة الحرارة <0.1 درجة مئوية خلال 24 ساعة (الشكل 2 أ ، ب ، ه ، و) ، فإن الغرف مناسبة لتجربة حضانة التربة. إذا لم يتم استيفاء المعايير في أي من هذه الغرف ، كرر اختبارا آخر لمدة 24 ساعة أو ابحث عن غرفة جديدة. 2. جمع التربة وتجانسها بالقرب من منطقة مسبار درجة الحرارة ، اجمع خمس عينات من التربة على عمق 0-20 سم وضعها في كيس بلاستيكي واحد بعد إزالة طبقة القمامة السطحية. امزج العينة جيدا عن طريق لف المواد الموجودة في الكيس والضغط عليها وخلطها حتى لا تظهر عينة تربة فردية. قم بتخزين العينات في مبرد مملوء بأكياس الثلج ونقل العينات إلى المختبر على الفور. قم بإزالة الجذور في كل قلب ، وقم بغربلها من خلال غربال تربة 2 مم ، وقم بخلط العينة وتجانسها جيدا قبل التحليل التالي. 3. حضانة المختبر قبل الحضانة ، قم بوزن 10.0 جم من التربة الطازجة ، وجففها في الفرن لمدة 24 ساعة عند 105 درجة مئوية ، وقم بوزن التربة الجافة. اشتق الفرق بين عينات التربة الطازجة والجافة واحسب نسبة الاختلاف على وزن التربة الجافة لتحديد محتوى رطوبة التربة في جدول بيانات. استخدم محتوى الرطوبة المشتق لحساب كربون الكتلة الحيوية الميكروبية للتربة (MBC) ، ونشاط الإنزيم خارج الخلية (EEA) ، وتنفس التربة غير المتجانس كما هو موضح في الخطوات التالية. ستساعد هذه البيانات في فهم تأثيرات المعالجة على تنفس التربة والآليات الميكروبية الأساسية. قبل الحضانة ، قم بوزن العينة الفرعية للتربة الرطبة الحقلية (10 جم) وحدد كمية التربة MBC عن طريق التبخير الكلوروفورم – K2SO4 طرق الاستخراج وهضم بيرسلفات البوتاسيوم18. قبل الحضانة ، قم بوزن العينة الفرعية للتربة الرطبة الحقلية (1.0 جم) وقم بقياس تحلل التربة المائي والأكسدة EEA19. قم بوزن 16 عينة فرعية من التربة الرطبة الحقلية (15.0 جم مكافئ للوزن الجاف) في 16 نواة من البولي فينيل كلوريد (PVC) (قطرها 5 سم ، طولها 7.5 سم) مختومة بورق ألياف زجاجية في الأسفل. ضع نوى PVC في برطمانات ميسون (~ 1 لتر) مبطنة بسرير من الخرز الزجاجي للتأكد من أن النوى لا تمتص الرطوبة. ضع أربعة برطمانات في كل غرفة من الغرف الأربع كما هو موضح في الخطوة 1.4. قم بتشغيل الغرف وابدأ تشغيل البرنامج في وقت واحد في أربع غرف. أثناء الحضانة ، في الساعة 2 ، الأيام 1 و 2 و 7 و 14 و 21 و 28 و 35 و 42 ، خذ جميع الجرار في كل غرفة من الغرف الأربع واستخدم محلل غاز CO2 المحمول لقياس معدل تنفس التربة (Rs) عن طريق وضع طوق المحلل في أعلى كل جرة. جمع جميع الجرار بشكل مدمر في نهاية الحضانة (أي اليوم 42) وتحديد كمية التربة MBC كما هو موضح في الخطوة 3.3. اجمع كل الجرار بشكل مدمر في نهاية الحضانة (أي اليوم 42) وحدد نشاط إنزيم التربة كما هو موضح في الخطوة 3.4. 4. مقارنة تأثير الاحترار بافتراض معدل تنفس ثابت (Rs) بين مجموعتين متتاليتين ، استخدم معدل التنفس مضروبا في المدة لاشتقاق التنفس التراكمي (Rc). إجراء تحليل ثلاثي للمقاييس المتكررة للتباين (ANOVA) لاختبار التأثيرات الرئيسية والتفاعلية للوقت ودرجة الحرارة (الاحترار) ووضع درجة الحرارة (سيناريو الاحترار) على Rs و Rc. بالإضافة إلى ذلك ، قم بإجراء تحليل تحليل التباين الأحادي ثنائي الاتجاه لاختبار تأثيرات سيناريو الاحترار والاحترار على MBC و EEA.

Representative Results

قامت الغرف الحديثة المختارة بتكرار درجة الحرارة المستهدفة بدقة عالية (الشكل 2 أ ، ب ، ه ، و) واستوفت المتطلبات الفنية لتجربة الحضانة. نظرا لسهولة الاستخدام والتشغيل ، فإن هذا يدل على تقنية تحسين محاكاة درجة الحرارة في دراسات ارتفاع درجة حرارة التربة وفي التطبيقات الأخرى مثل الدراسات النباتية. تم استخدام الإجراء في دراسة الحالة الأخيرة الخاصة بنا بناء على أرض زراعة عشبية في وسط تينيسي. أظهرت نتائج الأبحاث أنه بالنسبة للعلاج الضابط ، أدى الاحترار إلى خسائر تنفسية أكبر بكثير (Rs و R c) في كلا سيناريوهتي الاحترار (SW و GW) ، وضاعف GW فقدان الجهاز التنفسي الناجم عن الاحترار (Rc) بالنسبة إلى SW ، 81٪ مقابل 40٪ (الشكل 3). في اليوم 42 ، كانت MBC و EEA مختلفة أيضا بشكل كبير بين SW و GW ، بحيث كانت MBC أعلى في SW منها في GW (69٪ مقابل 38٪ ؛ الشكل 4) والجليكوزيداز والبيروكسيديز (على سبيل المثال ، AG ، BG ، BX ، CBH ، NAG ، AP ، LAP) كانت أعلى بكثير في GW منها في سيناريوهات SW (الشكل 5). الشكل 1: الرسم التوضيحي لنمط تغير درجة الحرارة في تجربة ارتفاع درجة حرارة التربة كما هو موضح في الجدول 1. (أ) درجة حرارة ثابتة (CT) اعتمدتها معظم الدراسات. (ب) درجة حرارة ثابتة ذات مقدار متفاوت (CTv). (ج، د) التغير الخطي (LC) بمعدلات إيجابية وسالبة. (ه، واو) التغيير غير الخطي (NC) مع نمط غير منتظم ونمط نهاري. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 2: درجة الحرارة المستهدفة عبر البرمجة ودرجة حرارة الغرفة خلال فترة اختبار 24 ساعة. (أ ، ب) درجة الحرارة المستهدفة (الخط الرمادي) وسجلات درجة حرارة الغرفة (الخط المتقطع) تحت السيطرة ومعالجات الاحترار التدريجي (SW) ؛ (ج، د) درجة الحرارة المستهدفة (الخط الرمادي) وسجلات درجة حرارة الغرفة (الخط المتقطع) تحت السيطرة ومعالجات الاحترار التدريجي (GW) ؛ (ه، واو) الفرق في درجة الحرارة المستمدة للسجلات في اللوحتين C و D. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 3: متوسط معدل التنفس التراكمي للتربة (± SE) (Rc ، μg CO2-C · g التربة -1) تحت السيطرة (أجوف) وعلاجات الاحترار (الداكن) في SW و GW في تجربة حضانةالتربة لمدة 42 يوما. تظهر الأجزاء الداخلية معدلات تنفس التربة (R s ، μg CO2-C · h-1 · g soil-1) المطبقة لتقدير التنفس التراكمي ، بافتراض أن Rs كان ثابتا حتى القياس التالي. (أ) الاحترار التدريجي (SW) و (ب) الاحترار التدريجي (GW). N = 4 في كل مجموعة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 4: متوسط (± SE) MBC تحت السيطرة وعلاجات الاحترار في SW و GW في تجربة حضانة التربة لمدة 42 يوما. MBC = كربون الكتلة الحيوية الميكروبية ؛ N = 4 في كل مجموعة. يشير S إلى تأثير كبير لسيناريو الاحترار (SW مقابل GW) ، عند p < 0.05 ، بناء على مقاييس متكررة ثلاثية الاتجاهات ANOVA. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 5: متوسط (± SE) جليكوزيداز وبيروكسيديز (نشاط μmol h-1 · gsoil-1) تحت السيطرة وعلاجات الاحترار في SW و GW في تجربة حضانة مدتها 42 يوما. BX = β1،4-زيلوسيداز ؛ ا ف ب = حمض الفوسفاتيز اللفة = ليوسين أمينوببتيداز. NAG =β-1،4-N-أسيتيل-جلوكوزامينيداز ؛ OX = الانزيمات المؤكسدة; فو = الفينول أوكسيديز. لكل = البيروكسيداز. N = 4 في كل مجموعة. يشير S إلى تأثير كبير لسيناريو الاحترار (SW مقابل GW) ، عند p < 0.05 ، بناء على مقاييس متكررة ثلاثية الاتجاهات ANOVA. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الجدول 1: مراجعة الأدبيات لطرق التحكم في درجة الحرارة وأنماط تغير درجة الحرارة في دراسات حضانة التربة12،13،16،17،20،21،22،23،24،25،26،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.في المجموع ، تم تضمين 46 دراسة في المراجعة. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول. الجدول 2: أنماط تغير درجة الحرارة الرئيسية وسيناريوهات الاحترار المقابلة بناء على مراجعة الأدبيات (الجدول 1). تم وضع خمسة أنماط وسيناريوهات لتمثيل مجموعة واسعة من التغيرات المحتملة في درجات الحرارة وظروف الاحترار. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.

Discussion

تم تطبيق طريقة التحكم في درجة الحرارة الثابتة على نطاق واسع (الجدول 1). ومع ذلك ، فإن الحجم والنمط الزمني لدرجة الحرارة المطبقة في هذه الإجراءات تحاكي بشكل سيئ درجة حرارة التربة التي لوحظت في حالة الحقل. وعلى الرغم من الجهود الناشئة التي قلدت النمط النهاري في الماضي، فإن هذه الدراسات كانت نادرة ولم توضح المعدات والإجراءات؛ كما أنهم لم يتحققوا من صحة محاكاة درجة الحرارة فيما يتعلق بالدقة والموثوقية^16,17. نظرا لأن المجتمع يسعى جاهدا لتحسين فهمه لاستجابات ارتفاع درجة حرارة التربة ، فإن تحسين إجراء حضانة التربة بدرجة حرارة واقعية وتحكم ممكن أمر حتمي. ومع ذلك ، لم يتم تطوير مثل هذه الأساليب الجديدة ، وبالتالي ، فإن الطريقة القياسية لتجارب الحضانة المستقبلية لا تزال بعيدة المنال. في مواجهة التعقيد المتزايد لتغير درجة الحرارة العالمية من حيث الحجم والسعة والموسمية والمدة والقصوى ، هناك طلب كبير على إجراء شامل.

هنا ، تم تقديم طريقة لمعالجة إجراء تغير درجة الحرارة النهاري ، بالاعتماد على الغرفة المتطورة ، لتوفير القدرة على تحديد تغير ثابت وخطي وغير خطي في درجة الحرارة وبالتالي سيناريوهات الاحترار المختلفة لتلبية احتياجات البحث المستقبلية. هناك أربع خطوات حاسمة داخل البروتوكول. الأول هو تحديد درجة حرارة التربة في حالة الحقل. نظرا لأن نوع التربة وعمق الاهتمام وكذلك نوع استخدام الأراضي يمكن أن يختلف من دراسة إلى أخرى ، يجب تعديل عدد مجسات درجة الحرارة اللازمة لموقع البحث المحدد ليناسب الظروف الفعلية قدر الإمكان. بشكل عام ، يجب أن يلبي عمق التربة لمجسات درجة الحرارة معظم احتياجات البحث عند 0-20 سم ، ويجب أن يقتصر عدد المجسات لتمثيل درجة حرارة التربة على واحد إلى ثلاثة. المفتاح هو تحقيق سجل درجة حرارة مستمر ومتسلسل طويل الأجل في موقع تربة نموذجي واحد على الأقل.

الخطوة الحاسمة الثانية هي إعداد البرنامج لتحقيق حجم درجة الحرارة المستهدفة ونمطها في الغرفة. نظرا للحساسية العالية ودقة الغرفة (الشكل 4) ، من الممكن البرمجة للحصول على تمثيل دقيق لدرجة الحرارة كما لوحظ في الحالة الميدانية. على الرغم من أن البروتوكول الحالي قدم فقط درجة الحرارة المرصودة بالساعة على النحو المستهدف في الغرفة ، إلا أنه يمكن تحقيق مراقبة أكثر تكرارا لدرجة حرارة التربة ، مثل 30 دقيقة أو 15 دقيقة أو حتى أقصر ، من خلال هذا الإجراء. ومع ذلك ، يجب إجراء اختبار لدرجات حرارة الهدف والغرفة على مدار 24 ساعة ، وقبل التجربة ، يجب أن تفي نتائج الاختبار بمعايير أقل من 0.1 درجة مئوية بين درجات حرارة الهدف والغرفة في جميع النقاط الزمنية. كلما تم اختيار مراقبة درجة الحرارة بشكل متكرر للمحاكاة ، زادت الحاجة إلى خطوات لإعداد البرنامج في الغرفة قبل التجربة.

الخطوة الحاسمة الثالثة هي إجراء الحضانة نفسها. للحد من تأثير عدم تجانس التربة⁶³ ، يعد تجانس عينات التربة أمرا أساسيا ، ويوصى بثلاث نسخ متماثلة على الأقل لكل معالجة. قبل الحضانة ، يلزم إجراء علاج ما قبل الحضانة ، ويمكن للإجراء الحالي تسهيل المعالجة المسبقة عن طريق برمجة درجة الحرارة والمدة قبل البدء الرسمي للتجربة. هذا مفيد لأحد للحد من الاضطراب التجريبي وتنظيم الحضانة بأكملها بسلاسة. الخطوة الحاسمة الأخيرة هي تضمين كل من درجات الحرارة الثابتة ومعالجات درجات الحرارة المتغيرة بحيث يمكن إجراء مقارنة بين استجابات ارتفاع درجة حرارة التربة.

يمكن تعديل هذا البروتوكول بسهولة للسماح للمرء بمعالجة حجم وسعة ومدة تغير درجة الحرارة. على سبيل المثال ، يمكن تمثيل درجات الحرارة القصوى أثناء موجة الحر في الصيف والصقيع المفاجئ في أوائل الربيع بسبب تغير المناخ ، باستخدام هذا الإجراء ، بالإضافة إلى قدرته على حساب مدتها وشدتها المتفاوتة. تسمح محاكاة درجات الحرارة العادية وغير المنتظمة مجتمعة أيضا بمحاكاة تأثيرات تغير درجة الحرارة المعقدة طويلة المدى كما هو متوقع في المستقبل. كما هو موجز في الجدول 2 ، يمكن تحقيق سيناريوهات الاحترار التي تمت دراستها في العديد من الدراسات المتميزة بشكل جماعي في دراسة واحدة. ومن المتوقع أن يوفر هذا البروتوكول طريقة متطورة لمحاكاة درجة الحرارة في دراسات حضانة التربة. مع الأمل في تطبيق واسع النطاق ، سيساعد اعتماد هذا البروتوكول في تحديد أو التحقق من صحة طريقة أكثر دقة لدراسات ارتفاع درجة حرارة التربة المستقبلية بناء على الحضانة المختبرية.

أحد القيود المهمة لهذا الإجراء هو أن الغرفة المستخدمة في البروتوكول الحالي لها حجم صغير نسبيا ، وبالتالي فهي قادرة فقط على استيعاب تسعة جرار حضانة في كل غرفة. على الرغم من أن الجرة الأصغر ستزيد من سعة الغرفة ، يوصى باستخدام حجم كبير من الغرفة. سيوفر نموذج جديد (على سبيل المثال ، TestEquity 1007) سعة أكبر بثمانية أضعاف ، وبالتالي يوصى به للتجارب واسعة النطاق. على الرغم من تحسين إجراءات التحكم في درجة الحرارة في حضانات التربة ، لن يتم تخفيف المضاعفات المحتملة مع الرطوبة وتجانس التربة من خلال اعتماد البروتوكول الحالي.

نظهر مزايا كبيرة لإجراء التحكم في درجة الحرارة المتطور. يوفر استراتيجية موثوقة وبأسعار معقولة للتحكم في درجة الحرارة للحصول على محاكاة دقيقة لدرجة الحرارة ويوفر طريقة مجدية لتحسين تجربة حضانة التربة المطلوبة لفهم أفضل لاستجابات ارتفاع درجة حرارة التربة. على الرغم من أن التحكم في درجة الحرارة الثابتة مقبول على نطاق واسع وسهل التشغيل من الناحية اللوجستية ، إلا أن القطع الأثرية لدرجة الحرارة الثابتة طويلة الأجل على المجتمعات الميكروبية في التربة قد تحول الجهود المبذولة لالتقاط استجابات التربة الحقيقية. طرق الاحترار المختبرية الأخرى المبلغ عنها أقل قابلية للتحكم وقابلة للتكرار إلى حد كبير. يتفوق البروتوكول الحالي نظرا لسهولة تشغيله ودقته العالية وإمكانية تكرار محاكاة درجة الحرارة والبرمجة الصريحة والقدرة على الجمع بين سيناريوهات تغير درجة الحرارة المختلفة في تجربة واحدة. ستسمح جدوى التحكم في درجة الحرارة بدقة عالية للباحثين باستكشاف سيناريوهات مختلفة لتغير درجة الحرارة.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تشمل مصادر التمويل المستخدمة لدعم البحث مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) HBCU−EiR (رقم 1900885) ، وبرنامج تفرغ أبحاث أعضاء هيئة التدريس التابع لوزارة الزراعة الأمريكية (USDA) (ARS) 1890s (رقم 58-3098-9-005) ، ومنحة NIFA التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية (رقم 2021-67020-34933) ، ومنحة Evans-Allen التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية (رقم 1017802). نشكر المساعدة التي تلقيناها من الموظفين في مركز البحوث والإرشاد الزراعي في الحرم الجامعي الرئيسي (AREC) التابع ل TSU في ناشفيل ، تينيسي.

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

Riferimenti

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

Citazione di questo articolo

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).