Laboratoriejordoppvarmingseksperimenter bruker vanligvis to eller flere konstante temperaturer i flere kamre. Ved å presentere et sofistikert miljøkammer, gir vi en nøyaktig temperaturkontrollmetode for å etterligne størrelsen og amplituden til in situ jordtemperatur og forbedre den eksperimentelle utformingen av jordinkubasjonsstudier.
Studien av oppvarmingspåvirkning på jord krever en realistisk og nøyaktig representasjon av temperaturen. I laboratorieinkubasjonsstudier har en allment vedtatt metode vært å gjengi konstante temperaturer i flere kamre, og via sammenligninger av jordresponser mellom lav- og høytemperaturkamre, for å utlede oppvarmingseffekten på jordendringer. Imidlertid klarte ikke denne ofte brukte metoden å etterligne både størrelsen og amplituden til faktiske temperaturer som observert i feltforhold, og dermed potensielt undergrave gyldigheten av slike studier. Med sofistikerte miljøkamre som blir stadig mer tilgjengelige, er det viktig å undersøke alternative metoder for temperaturkontroll for jordinkubasjonsforskning. Denne protokollen vil introdusere et toppmoderne miljøkammer og demonstrere både konvensjonelle og nye metoder for temperaturkontroll for å forbedre eksperimentell utforming av jordinkubasjon. Protokollen består hovedsakelig av fire trinn: temperaturovervåking og programmering, jordsamling, laboratorieinkubasjon og sammenligning av oppvarmingseffekt. Et eksempel vil bli presentert for å demonstrere forskjellige metoder for temperaturkontroll og de resulterende kontrasterende oppvarmingsscenariene; det vil si en konstant temperaturdesign referert til som trinnvis oppvarming (SW) og simulert in situ temperaturdesign som gradvis oppvarming (GW), samt deres effekter på jordånding, mikrobiell biomasse og ekstracellulære enzymaktiviteter. I tillegg presenterer vi en strategi for å diversifisere temperaturendringsscenarier for å møte spesifikke forskningsbehov for klimaendringer (f.eks. Ekstrem varme). Temperaturkontrollprotokollen og de anbefalte godt skreddersydde og diversifiserte temperaturendringsscenariene vil hjelpe forskere med å etablere pålitelige og realistiske jordinkubasjonseksperimenter i laboratoriet.
Den globale overflatetemperaturen forventes å øke i dette århundret med 1,8-6,4 °C 1,2. Global oppvarming kan øke CO 2-fluksen fra jord til atmosfæren, noe som resulterer i positiv tilbakemelding med oppvarming 3,4,5,6. Fordi mikrobielle samfunn spiller en kritisk rolle i å regulere jordens respiratoriske responser på oppvarming7,8, har endringene i mikrobiell respirasjon og de underliggende mikrobielle mekanismene med oppvarming vært et forskningsfokus. Selv om jordoppvarmingseksperimenter utplassert i felttilstanden, via en varmekabel9 og et åpent toppkammer10, var fordelaktige for å fange naturlige jordegenskaper som temperatur11, har de høye kostnadene for installasjon og vedlikehold begrenset applikasjonen. Alternativt er jordinkubasjonseksperimenter utsatt for forskjellige temperaturer et gunstig valg. Den primære fordelen med jordinkubasjon i et laboratorium er at de velkontrollerte miljøforholdene (f.eks. Temperatur) er i stand til å løsne enfaktoreffekten fra andre forstyrrende faktorer i en felteksperimentell innstilling12,13. Til tross for forskjeller mellom vekstkammer og felteksperimenter (f.eks. Plantevekst), er oversettelse fra laboratorieresultater til feltet lett tilgjengelig14. Inkubering av jordprøver i en laboratorieinnstilling kan bidra til å forbedre vår mekanistiske forståelse av jordrespons på oppvarming15.
Vår litteraturgjennomgang identifiserte flere temperaturkontrollmetoder og følgelig distinkte temperaturendringsmoduser i tidligere jordinkubasjonsstudier (tabell 1). For det første er instrumenter som brukes til å kontrollere temperaturen for det meste gjennom en inkubator, vekstkammer, vannbad og i sjeldne tilfeller varmekabel. Gitt disse instrumentene er det generert tre typiske temperaturendringsmønstre (figur 1). Disse inkluderer den mest implementerte modusen, konstant temperatur (CT), lineær endring (LC) med en ikke-null konstant temperaturendringshastighet og ikke-lineær endring (NC) kjennetegnet med en daglig type temperatur. For et tilfelle av CT-mønster kan temperaturen variere i størrelse over tid, selv om konstant temperatur forblir i en viss tidsperiode under inkubasjonen (figur 1B). For LC kan temperaturendringen variere i forskjellige studier med mer enn to størrelsesordener (f.eks. 0,1 °C/dag vs. 3,3 °C/t; Tabell 1); For NC-tilfeller var de fleste avhengige av den iboende kapasiteten til instrumentene som ble brukt, og førte dermed til forskjellige moduser. Til tross for at en type daglig temperaturendring ble hevdet gjennom en varmekabel eller inkubator16,17; Kammertemperaturene i disse forsøkene ble imidlertid ikke validert. Andre store gjennomgangsresultater i tabell 1 inkluderer inkubasjonstemperaturen på 0-40 °C, med de fleste mellom 5-25 °C; Varigheten av forsøkene varierte fra noen få timer (<1 dag) til nesten 2 år (~ 725 dager). Også jord utsatt for inkubasjoner ble samlet inn fra skog, gressletter og avlinger økosystemer, med dominerende mineralhorisont, organisk horisont og til og med forurenset jord, som hovedsakelig ligger i USA, Kina og Europa (tabell 1).
Gitt de tre store temperaturendringsmodusene, ble flere forskjellige oppvarmingsscenarier oppnådd i de tidligere studiene oppsummert i tabell 2. De inkluderer trinnvis oppvarming (SW), SW med varierende størrelse (SWv), gradvis oppvarming lineært (GWl), gradvis oppvarming nonlinearly (GWn) og gradvis oppvarming diurnally (GWd).
Oppsummert fanget tidligere jordinkubasjoner vanligvis den gjennomsnittlige luft- eller jordtemperaturen på et sted. I mange tilfeller, som vist i tabell 1, ble inkubatorer eller kamre manuelt programmert ved en fast temperatur, men ute av stand til automatisk å justere temperaturen etter ønske, uten evne til å kontrollere modus og hastighet for temperaturendring med tiden (Eq. 1), og dermed føre til vanskeligheter med å etterligne døgntemperaturen i den lokale jorda. På den annen side, selv om vi ble forsøkt i to eksperimenter16,17, identifiserte vi ingen studier som eksplisitt imiterte gradvis oppvarming diurnalt (GWd) i deres inkubasjonseksperimenter (tabell 1). Basert på litteraturgjennomgangen ligger det største hinderet i dårlig eksperimentell design, spesielt mangler et sofistikert instrument som muliggjør implementering og validering av daglige eller andre gradvise oppvarmingsscenarier.
(Eq. 1)
Hvor ΔT er mengden temperaturendring, m er modusen for temperaturendring, r er hastigheten på temperaturendringen, og t er varigheten av endringen.
For å forbedre den eksperimentelle strengheten i jordinkubasjon, presenteres en nøyaktig og sofistikert temperaturkontrollmetode i denne studien. Ved å vedta et toppmoderne miljøkammer, stadig mer tilgjengelig og økonomisk levedyktig, skal den nye utformingen ikke bare muliggjøre nøyaktig simulering av in situ jordtemperatur (f.eks. Daglig mønster), men også, ved å ta hensyn til mulige ekstreme temperaturendringer, gi en pålitelig måte å minimere artefaktene av instrumentell skjevhet. Den nåværende jordinkubasjonsdesignen skal hjelpe forskere til å identifisere optimale strategier som oppfyller deres inkubasjons- og forskningsbehov. Det overordnede målet med denne metoden er å presentere jordbiogeokjemikere med en svært operativ tilnærming til reform av jordinkubasjonsdesign.
Metoden for konstant temperaturkontroll har blitt brukt mye (tabell 1). Imidlertid simulerer størrelsen og tidsmønsteret av temperatur implementert i disse prosedyrene dårlig jordtemperatur observert i felttilstanden. Til tross for den nye innsatsen som etterlignet det daglige mønsteret tidligere, var slike studier knappe og klarte ikke å avklare utstyret og prosedyren; de validerte heller ikke temperatursimuleringen med hensyn til nøyaktighet og pålitelighet16,17. Ettersom samfunnet forsøkte å forbedre sin forståelse av jordoppvarmingsresponser, er det viktig å optimalisere jordinkubasjonsprosedyren med realistisk temperatur og gjennomførbar kontroll. Likevel er slike nye metoder ikke utviklet, og dermed er en standardmetode for fremtidige inkubasjonseksperimenter fortsatt utenfor rekkevidde. I lys av den økende kompleksiteten av global temperaturendring i størrelse, amplitude, sesongmessighet, varighet og ekstremitet, er en omfattende prosedyre i høy etterspørsel.
Her ble en metode for å manipulere en daglig temperaturendringsprosedyre presentert, avhengig av det sofistikerte kammeret, for å tilby kapasiteten til å etablere konstant, lineær og ikke-lineær temperaturendring og deretter ulike oppvarmingsscenarier for å møte fremtidige forskningsbehov. Det er fire kritiske trinn i protokollen. Den første er å bestemme jordtemperaturen i felttilstanden. Fordi jordtype og dybde av interesse samt arealbrukstype kan variere fra en studie til en annen, bør antall temperaturprober som trengs for det spesifikke forskningsstedet endres for å passe best mulig til de faktiske forholdene så mye som mulig. Generelt skal jorddybde for temperaturprober dekke de fleste forskningsbehov ved 0-20 cm, og antall sonder som representerer jordtemperaturen bør begrenses til en til tre. Nøkkelen er å oppnå en langsiktig kontinuerlig og påfølgende temperaturrekord på minst ett typisk jordsted.
Det andre kritiske trinnet er å sette opp programmet for å oppnå den målrettede temperaturstørrelsen og mønsteret i kammeret. På grunn av kammerets høye følsomhet og nøyaktighet (figur 4), er det mulig å programmere for en nøyaktig representasjon av temperatur som observert i felttilstanden. Selv om den nåværende protokollen bare presenterte den observerte timetemperaturen som målrettet i kammeret, kan en hyppigere jordtemperaturovervåking, for eksempel 30 min, 15 minutter eller enda kortere, oppnås gjennom denne prosedyren. Likevel må en test av mål- og kammertemperaturene utføres over 24 timer, og før forsøket må testresultatene oppfylle kriteriene på mindre enn 0,1 °C mellom mål- og kammertemperaturene til enhver tid. Jo hyppigere temperaturobservasjonen velges for å simulere, jo flere trinn er nødvendig for å sette opp programmet i kammeret før eksperimentet.
Det tredje kritiske trinnet er å gjennomføre inkubasjonen selv. For å redusere påvirkningen av jordens heterogeniteter63 er homogenisering av jordprøver nøkkelen, og minst tre replikasjoner for hver behandling anbefales. Før inkubasjon er det nødvendig med en pre-inkubasjonsbehandling, og den nåværende prosedyren kan lette forbehandling ved å programmere temperatur og varighet før den offisielle starten av forsøket. Dette er en fordel for å redusere den eksperimentelle forstyrrelsen og orkestrere hele inkubasjonen sømløst. Det siste kritiske trinnet er å inkludere både konstant temperatur og varierende temperaturbehandlinger, slik at en sammenligning kan gjøres med hensyn til jordoppvarmingsresponsene.
Denne protokollen kan enkelt endres slik at man kan manipulere størrelsen, amplituden og varigheten av temperaturendringen. For eksempel kan ekstreme temperaturer under en varmebølge om sommeren og plutselig frost tidlig på våren på grunn av klimaendringer, representeres ved hjelp av denne prosedyren, i tillegg til dens evne til å redegjøre for deres varierende varighet og intensitet. Ved å simulere de vanlige og uregelmessige temperaturene i kombinasjon kan man også simulere langsiktige komplekse temperaturendringseffekter som anslått i fremtiden. Som oppsummert i tabell 2, kan de oppvarmingsscenariene som er studert i mange forskjellige studier, oppnås samlet i en studie. Denne protokollen forventes å gi en sofistikert metode for å simulere temperatur i jordinkubasjonsstudier. Med håp om en bred anvendelse vil vedtakelsen av denne protokollen bidra til å identifisere eller validere en mer nøyaktig metode for fremtidige jordoppvarmingsstudier basert på laboratorieinkubasjon.
En viktig begrensning ved prosedyren er at kammeret som brukes i den nåværende protokollen har et relativt lite volum, og dermed bare har plass til ni inkubasjonskrukker i hvert kammer. Selv om en mindre krukke vil øke kapasiteten til kammeret, anbefales et stort volum kammer. En ny modell (f.eks. TestEquity 1007) vil tilby åtte ganger mer kapasitet og anbefales derfor for storskala eksperimenter. Til tross for forbedring av temperaturkontrollprosedyren i jordinkubasjoner, vil de potensielle komplikasjonene med fuktighet og jordhomogenisering ikke lindres ved å vedta gjeldende protokoll.
Vi demonstrerer betydelige fordeler med den sofistikerte temperaturkontrollprosedyren. Det gir en pålitelig og rimelig temperaturkontrollstrategi for å oppnå nøyaktig temperatursimulering og tilbyr en mulig måte å forbedre jordinkubasjonseksperimentet som kreves for en bedre forståelse av jordoppvarmingsresponser. Selv om den konstante temperaturkontrollen er allment akseptert og logistisk enkel å betjene, kan artefaktene med langvarig konstant temperatur på jordmikrobielle samfunn avlede innsatsen for å fange de ekte jordresponsene. De andre rapporterte laboratorieoppvarmingsmetodene er i stor grad mindre kontrollerbare og replikerbare. Den nåværende protokollen er overlegen på grunn av sin enkle betjening, høy nøyaktighet og replikerbarhet av temperatursimulering, eksplisitt programmering og kapasitet til å kombinere ulike temperaturendringsscenarier i et enkelt eksperiment. Muligheten for temperaturkontroll med høy nøyaktighet vil tillate forskere å utforske ulike temperaturendringsscenarier.
The authors have nothing to disclose.
Finansieringskilder som brukes til å støtte forskningen inkluderer en US National Science Foundation (NSF) HBCU-EiR (nr. 1900885), en US Department of Agriculture (USDA) Agricultural Research Service (ARS) 1890-tallet Faculty Research Sabbatical Program (nr. 58-3098-9-005), et USDA NIFA-stipend (nr. 2021-67020-34933), og et USDA Evans-Allen Grant (nr. 1017802). Vi takker hjelp mottatt fra ansatte ved TSUs Main Campus Agriculture Research and Extension Center (AREC) i Nashville, Tennessee.
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 |