Simulation der Temperatur in einem Bodeninkubationsexperiment

Die Methode der konstanten Temperaturregelung wurde weitgehend angewandt (Tabelle 1). Die Größe und das zeitliche Muster der Temperatur, die in diesen Verfahren implementiert werden, simulieren jedoch schlecht die Bodentemperatur, die unter Feldbedingungen beobachtet wird. Trotz der sich abzeichnenden Bemühungen, das Tagesmuster in der Vergangenheit nachzuahmen, waren solche Studien selten und konnten die Ausrüstung und das Verfahren nicht klären; Sie validierten auch nicht die Temperatursimulation hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit^16,17. Da die Gemeinschaft bestrebt war, ihr Verständnis der Reaktionen auf die Bodenerwärmung zu verbessern, ist die Optimierung des Bodeninkubationsprozesses mit realistischer Temperatur und praktikabler Kontrolle unerlässlich. Dennoch wurden solche neuen Methoden nicht entwickelt, so dass eine Standardmethode für zukünftige Inkubationsexperimente immer noch außer Reichweite ist. Angesichts der zunehmenden Komplexität der globalen Temperaturänderung in Größe, Amplitude, Saisonalität, Dauer und Extremalität ist ein umfassendes Verfahren sehr gefragt.

Hier wurde eine Methode zur Manipulation eines täglichen Temperaturänderungsverfahrens vorgestellt, die sich auf die ausgeklügelte Kammer stützt, um die Fähigkeit zu bieten, konstante, lineare und nichtlineare Temperaturänderungen und anschließend verschiedene Erwärmungsszenarien für zukünftige Forschungsbedürfnisse zu etablieren. Es gibt vier kritische Schritte innerhalb des Protokolls. Die erste besteht darin, die Bodentemperatur im Feldzustand zu bestimmen. Da die Bodenart und die interessierende Tiefe sowie die Landnutzungsart von Studie zu Studie variieren können, sollte die Anzahl der für den jeweiligen Forschungsstandort benötigten Temperatursonden so weit wie möglich an die tatsächlichen Bedingungen angepasst werden. Im Allgemeinen sollte die Bodentiefe für Temperatursonden den größten Forschungsbedarf bei 0-20 cm decken, und die Anzahl der Sonden zur Darstellung der Bodentemperatur sollte auf ein bis drei begrenzt werden. Der Schlüssel liegt darin, einen langfristigen kontinuierlichen und aufeinanderfolgenden Temperaturrekord an mindestens einem typischen Bodenstandort zu erreichen.

Der zweite kritische Schritt besteht darin, das Programm so einzurichten, dass die angestrebte Temperaturgröße und das angestrebte Temperaturmuster in der Kammer erreicht werden. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit der Kammer (Abbildung 4) ist es möglich, eine genaue Darstellung der Temperatur zu programmieren, wie sie unter den Feldbedingungen beobachtet wird. Obwohl das aktuelle Protokoll nur die beobachtete stündliche Temperatur als in der Kammer angestrebt darstellte, kann durch dieses Verfahren eine häufigere Bodentemperaturüberwachung wie 30 min, 15 min oder noch kürzer erreicht werden. Dennoch muss eine Prüfung der Ziel- und Kammertemperaturen über 24 h durchgeführt werden, und vor dem Versuch müssen die Testergebnisse die Kriterien von weniger als 0,1 °C zwischen der Ziel- und der Kammertemperatur zu allen Zeitpunkten erfüllen. Je häufiger die Temperaturbeobachtung zur Simulation ausgewählt wird, desto mehr Schritte sind erforderlich, um das Programm vor dem Experiment in der Kammer einzurichten.

Der dritte kritische Schritt besteht darin, die Inkubation selbst durchzuführen. Um den Einfluss von Bodenheterogenitäten zu reduzieren⁶³, ist die Homogenisierung von Bodenproben von entscheidender Bedeutung, und für jede Behandlung werden mindestens drei Replikate empfohlen. Vor der Inkubation ist eine Vorinkubationsbehandlung erforderlich, und das derzeitige Verfahren kann die Vorbehandlung erleichtern, indem Temperatur und Dauer vor dem offiziellen Beginn des Experiments programmiert werden. Dies ist vorteilhaft, um die experimentelle Störung zu reduzieren und die gesamte Inkubation nahtlos zu orchestrieren. Der letzte kritische Schritt besteht darin, sowohl konstante Temperatur- als auch variierende Temperaturbehandlungen einzubeziehen, damit ein Vergleich der Bodenerwärmungsreaktionen durchgeführt werden kann.

Dieses Protokoll kann leicht modifiziert werden, um die Größe, Amplitude und Dauer der Temperaturänderung zu manipulieren. Zum Beispiel können extreme Temperaturen während einer Hitzewelle im Sommer und plötzlicher Frost im zeitigen Frühjahr aufgrund des Klimawandels mit diesem Verfahren dargestellt werden, zusätzlich zu seiner Fähigkeit, ihre unterschiedliche Dauer und Intensität zu berücksichtigen. Die Simulation der regelmäßigen und unregelmäßigen Temperaturen in Kombination ermöglicht es auch, langfristige komplexe Temperaturänderungseffekte zu simulieren, wie sie in der Zukunft projiziert werden. Wie in Tabelle 2 zusammengefasst, können die Erwärmungsszenarien, die in vielen verschiedenen Studien untersucht wurden, in einer Studie gemeinsam durchgeführt werden. Es wird erwartet, dass dieses Protokoll eine ausgeklügelte Methode zur Simulation der Temperatur in Bodeninkubationsstudien bietet. In der Hoffnung auf eine breite Anwendung wird die Annahme dieses Protokolls dazu beitragen, eine genauere Methode für zukünftige Bodenerwärmungsstudien auf der Grundlage von Laborinkubation zu identifizieren oder zu validieren.

Eine wichtige Einschränkung des Verfahrens besteht darin, dass die im aktuellen Protokoll verwendete Kammer ein relativ kleines Volumen hat und daher nur neun Inkubationsgläser in jeder Kammer aufnehmen kann. Obwohl ein kleineres Glas die Kapazität der Kammer erhöht, wird ein großes Volumen der Kammer empfohlen. Ein neues Modell (z.B. TestEquity 1007) bietet achtmal mehr Kapazität und empfiehlt sich daher für Großexperimente. Trotz der Verbesserung des Temperaturkontrollverfahrens bei Bodeninkubationen werden die möglichen Komplikationen mit Feuchtigkeit und Bodenhomogenisierung durch die Annahme des aktuellen Protokolls nicht gelindert.

Wir demonstrieren wesentliche Vorteile des ausgeklügelten Temperierverfahrens. Es bietet eine zuverlässige und erschwingliche Temperaturregelungsstrategie, um eine genaue Temperatursimulation zu erhalten, und bietet eine praktikable Möglichkeit zur Verbesserung des Bodeninkubationsexperiments, das für ein besseres Verständnis der Bodenerwärmungsreaktionen erforderlich ist. Obwohl die konstante Temperaturregelung weithin akzeptiert und logistisch einfach zu bedienen ist, können die Artefakte einer langfristig konstanten Temperatur auf mikrobiellen Bodengemeinschaften die Bemühungen zur Erfassung der echten Bodenreaktionen ablenken. Die anderen berichteten Laborerwärmungsmethoden sind weitgehend weniger kontrollierbar und replizierbar. Das aktuelle Protokoll ist aufgrund seiner einfachen Bedienung, der hohen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Temperatursimulation, der expliziten Programmierung und der Fähigkeit, verschiedene Temperaturänderungsszenarien in einem einzigen Experiment zu kombinieren, überlegen. Die Machbarkeit einer Temperaturregelung mit hoher Genauigkeit wird es den Forschern ermöglichen, verschiedene Temperaturänderungsszenarien zu untersuchen.