Laboratoriejordopvarmningseksperimenter anvender normalt to eller flere konstante temperaturer i flere kamre. Ved at præsentere et sofistikeret miljøkammer giver vi en nøjagtig temperaturkontrolmetode til at efterligne størrelsen og amplituden af in situ jordtemperatur og forbedre det eksperimentelle design af jordinkubationsundersøgelser.
Undersøgelsen af opvarmningspåvirkning på jord kræver en realistisk og nøjagtig repræsentation af temperaturen. I laboratorieinkubationsundersøgelser har en bredt anvendt metode været at gengive konstante temperaturer i flere kamre og via sammenligninger af jordresponser mellem lav- og højtemperaturkamre for at udlede opvarmningseffekten på jordændringer. Denne almindeligt anvendte metode kunne imidlertid ikke efterligne både størrelsen og amplituden af de faktiske temperaturer som observeret under feltforhold, hvilket potentielt underminerer gyldigheden af sådanne undersøgelser. Da sofistikerede miljøkamre bliver mere og mere tilgængelige, er det bydende nødvendigt at undersøge alternative metoder til temperaturkontrol til jordinkubationsforskning. Denne protokol vil indføre et avanceret miljøkammer og demonstrere både konventionelle og nye metoder til temperaturkontrol for at forbedre det eksperimentelle design af jordinkubation. Protokollen består hovedsageligt af fire trin: temperaturovervågning og programmering, jordindsamling, laboratorieinkubation og sammenligning af opvarmningseffekt. Et eksempel vil blive præsenteret for at demonstrere forskellige metoder til temperaturkontrol og de resulterende kontrasterende opvarmningsscenarier; det vil sige et konstant temperaturdesign kaldet trinvis opvarmning (SW) og simuleret in situ temperaturdesign som gradvis opvarmning (GW) samt deres virkninger på jordånding, mikrobiel biomasse og ekstracellulære enzymaktiviteter. Derudover præsenterer vi en strategi for at diversificere temperaturændringsscenarier for at imødekomme specifikke forskningsbehov for klimaændringer (f.eks. ekstrem varme). Temperaturkontrolprotokollen og de anbefalede skræddersyede og diversificerede temperaturændringsscenarier vil hjælpe forskere med at etablere pålidelige og realistiske jordinkubationseksperimenter i laboratoriet.
Den globale overfladetemperatur forventes at stige i dette århundrede med 1,8-6,4 °C 1,2. Global opvarmning kan øge CO2 -flux fra jord til atmosfæren, hvilket resulterer i positiv feedback med opvarmning 3,4,5,6. Fordi mikrobielle samfund spiller en kritisk rolle i reguleringen af jordens respiratoriske reaktioner på opvarmning7,8, har ændringerne i mikrobiel respiration og de underliggende mikrobielle mekanismer med opvarmning været et forskningsfokus. Selvom jordopvarmningseksperimenter, der blev implementeret i felttilstanden, via et varmekabel9 og et åbent topkammer10, var fordelagtige til at fange naturlige jordfunktioner såsom temperatur11, har deres høje omkostninger til installation og vedligeholdelse begrænset deres anvendelse. Alternativt er jordinkubationseksperimenter underlagt forskellige temperaturer et gunstigt valg. Den primære fordel ved jordinkubation i et laboratorium er, at de velkontrollerede miljøforhold (f.eks. temperatur) er i stand til at adskille enfaktoreffekten fra andre forvirrende faktorer i en felteksperimentel indstilling12,13. På trods af forskelle mellem vækstkammer- og feltforsøg (f.eks. plantevækst) er oversættelse fra laboratorieresultater til marken let tilgængelig14. Inkubering af jordprøver i laboratorieindstilling kan hjælpe med at forbedre vores mekaniske forståelse af jordens reaktion på opvarmning15.
Vores litteraturgennemgang identificerede flere temperaturkontrolmetoder og følgelig forskellige temperaturændringsmetoder i tidligere jordinkubationsundersøgelser (tabel 1). For det første er instrumenter, der bruges til at kontrollere temperaturen, for det meste gennem en inkubator, vækstkammer, vandbad og i sjældne tilfælde varmekabel. På baggrund af disse instrumenter er der genereret tre typiske temperaturændringsmønstre (figur 1). Disse omfatter den mest implementerede tilstand, konstant temperatur (CT), lineær ændring (LC) med en ikke-nul konstant temperaturændringshastighed og ikke-lineær ændring (NC) med en daglig type temperatur. I tilfælde af CT-mønster kan temperaturen variere i størrelse over tid, selvom konstant temperatur forbliver i en vis periode under inkubationen (figur 1B). For LC kan temperaturændringen variere i forskellige undersøgelser i mere end to størrelsesordener (f.eks. 0,1 °C/dag vs. 3,3 °C/h; Tabel 1); I NC-tilfælde var de fleste afhængige af den iboende kapacitet af anvendte instrumenter, hvilket førte til forskellige tilstande. På trods af at en type daglig temperaturændring blev hævdet gennem et varmekabel eller inkubator16,17; Kammertemperaturerne i disse eksperimenter blev imidlertid ikke valideret. Andre større revisionsresultater i tabel 1 omfatter inkubationstemperaturen på 0-40 °C, hvor de fleste ligger mellem 5-25 °C. Varigheden af eksperimenter varierede fra et par timer (<1 dag) til næsten 2 år (~ 725 dage). Også jord, der blev udsat for inkubationer, blev indsamlet fra skov-, græsarealer og afgrødeøkosystemer med dominerende mineralhorisont, organisk horisont og endda forurenet jord, der hovedsagelig ligger i USA, Kina og Europa (tabel 1).
I betragtning af de tre vigtigste temperaturændringsmetoder blev flere forskellige opvarmningsscenarier opnået i de tidligere undersøgelser opsummeret i tabel 2. De omfatter trinvis opvarmning (SW), SW med varierende størrelse (SWv), gradvis opvarmning lineært (GWl), gradvis opvarmning nonlinearly (GWn) og gradvis opvarmning dagligt (GWd).
Sammenfattende fangede tidligere jordinkubationer normalt den gennemsnitlige luft- eller jordtemperatur på et sted. I mange tilfælde, som vist i tabel 1, blev inkubatorer eller kamre manuelt programmeret ved en fast temperatur, men ude af stand til automatisk at justere temperaturen efter ønske, uden evnen til at kontrollere tilstanden og hastigheden af temperaturændringen med tiden (Eq. 1) og dermed føre til vanskeligheder med at efterligne døgntemperaturen i den lokale jord. På den anden side, selvom vi forsøgte i to eksperimenter16,17, identificerede vi ingen undersøgelser, der eksplicit efterlignede gradvis opvarmning dagligt (GWd) i deres inkubationseksperimenter (tabel 1). Baseret på litteraturgennemgangen ligger den største hindring i dårligt eksperimentelt design, især mangler et sofistikeret instrument, der muliggør implementering og validering af daglige eller andre gradvise opvarmningsscenarier.
(Arkivfoto)
Hvor ΔT er mængden af temperaturændring, m er tilstanden for temperaturændring, r er temperaturændringshastigheden, og t er varigheden af ændringen.
For at forbedre den eksperimentelle strenghed i jordinkubation præsenteres en nøjagtig og sofistikeret temperaturkontrolmetode i denne undersøgelse. Ved at vedtage et avanceret miljøkammer, der i stigende grad er tilgængeligt og økonomisk levedygtigt, skal det nye design ikke kun muliggøre nøjagtig simulering af jordtemperaturen på stedet (f.eks. døgnmønster), men også ved at tage højde for mulige ekstreme temperaturændringer give en pålidelig måde at minimere artefakterne af instrumentel bias. Det nuværende jordinkubationsdesign skal hjælpe forskere med at identificere optimale strategier, der opfylder deres inkubations- og forskningsbehov. Det overordnede mål med denne metode er at præsentere jordbiogeokemikere for en meget operationel tilgang til reform af jordinkubationsdesign.
Metoden til konstant temperaturregulering er blevet anvendt bredt (tabel 1). Imidlertid simulerer størrelsen og det tidsmæssige temperaturmønster, der er implementeret i disse procedurer, dårligt jordtemperaturen observeret i marktilstanden. På trods af de nye bestræbelser, der efterlignede det daglige mønster i fortiden, var sådanne undersøgelser knappe og undlod at afklare udstyret og proceduren; de validerede heller ikke temperatursimuleringen med hensyn til nøjagtighed og pålidelighed16,17. Da samfundet stræbte efter at forbedre sin forståelse af jordopvarmningsresponser, er det bydende nødvendigt at optimere jordinkubationsproceduren med realistisk temperatur og gennemførlig kontrol. Ikke desto mindre er sådanne nye metoder ikke udviklet, og derfor er en standardmetode til fremtidige inkubationseksperimenter stadig uden for rækkevidde. I lyset af den stigende kompleksitet af globale temperaturændringer i størrelse, amplitude, sæsonbestemthed, varighed og ekstremitet er en omfattende procedure i høj efterspørgsel.
Her blev en metode til manipulation af en daglig temperaturændringsprocedure præsenteret på grundlag af det sofistikerede kammer for at tilbyde kapacitet til at etablere konstant, lineær og ikke-lineær temperaturændring og efterfølgende forskellige opvarmningsscenarier for at imødekomme fremtidige forskningsbehov. Der er fire kritiske trin i protokollen. Den første er at bestemme jordtemperaturen i marktilstanden. Da jordtypen og interessedybden samt arealanvendelsestypen kan variere fra den ene undersøgelse til den anden, bør antallet af temperatursonder, der er nødvendige for det specifikke forskningssted, ændres, så de passer bedst muligt til de faktiske forhold. Generelt skal jorddybden for temperatursonder opfylde de fleste forskningsbehov ved 0-20 cm, og antallet af sonder, der repræsenterer jordtemperaturen, bør begrænses til en til tre. Nøglen er at opnå en langsigtet kontinuerlig og på hinanden følgende temperaturrekord på mindst en typisk jordplacering.
Det andet kritiske trin er at oprette programmet for at opnå den målrettede temperaturstørrelse og mønster i kammeret. På grund af kammerets høje følsomhed og nøjagtighed (figur 4) er det muligt at programmere til en nøjagtig repræsentation af temperaturen som observeret i felttilstanden. Selvom den nuværende protokol kun præsenterede den observerede timetemperatur som målrettet i kammeret, kan en hyppigere jordtemperaturovervågning, såsom 30 min, 15 minutter eller endnu kortere, opnås gennem denne procedure. Ikke desto mindre skal der udføres en test af mål- og kammertemperaturer over 24 timer, og inden forsøget skal testresultaterne opfylde kriterierne på mindre end 0,1 °C mellem mål- og kammertemperaturer på alle tidspunkter. Jo hyppigere temperaturobservationen vælges for at simulere, jo flere trin er nødvendige for at oprette programmet i kammeret forud for eksperimentet.
Det tredje kritiske trin er at udføre inkubationen selv. For at reducere indflydelsen af jordens heterogeniteter63 er homogenisering af jordprøver nøglen, og mindst tre replikater for hver behandling anbefales. Før inkubation kræves en præinkubationsbehandling, og den nuværende procedure kan lette forbehandlingen ved at programmere temperaturen og varigheden inden den officielle start af eksperimentet. Dette er fordelagtigt for en at reducere den eksperimentelle forstyrrelse og orkestrere hele inkubationen problemfrit. Det sidste kritiske skridt er at inkludere både konstant temperatur og varierende temperaturbehandlinger, så der kan foretages en sammenligning med jordens opvarmningsresponser.
Denne protokol kan let ændres, så man kan manipulere størrelsen, amplituden og varigheden af temperaturændringen. For eksempel kan ekstreme temperaturer under en hedebølge om sommeren og pludselig frost i det tidlige forår på grund af klimaændringer repræsenteres ved hjælp af denne procedure ud over dens evne til at tage højde for deres varierende varighed og intensitet. Simulering af de regelmæssige og uregelmæssige temperaturer i kombination gør det også muligt at simulere langsigtede komplekse temperaturændringseffekter som forventet i fremtiden. Som opsummeret i tabel 2 kan de opvarmningsscenarier, der er blevet undersøgt i mange forskellige undersøgelser, opnås samlet i en undersøgelse. Denne protokol forventes at give en sofistikeret metode til at simulere temperatur i jordinkubationsundersøgelser. Med håb om en bred anvendelse vil vedtagelsen af denne protokol hjælpe med at identificere eller validere en mere præcis metode til fremtidige jordopvarmningsundersøgelser baseret på laboratorieinkubation.
En vigtig begrænsning af proceduren er, at det kammer, der anvendes i den nuværende protokol, har et relativt lille volumen og derfor kun er i stand til at rumme ni inkubationsglas i hvert kammer. Selvom en mindre krukke vil øge kammerets kapacitet, anbefales et stort volumen kammer. En ny model (f.eks. TestEquity 1007) vil tilbyde otte gange mere kapacitet og anbefales derfor til store eksperimenter. På trods af forbedringen af temperaturkontrolproceduren i jordinkubationer vil de potentielle komplikationer med fugt og jordhomogenisering ikke blive lettet ved at vedtage den nuværende protokol.
Vi demonstrerer betydelige fordele ved den sofistikerede temperaturkontrolprocedure. Det giver en pålidelig og overkommelig temperaturkontrolstrategi for at opnå nøjagtig temperatursimulering og tilbyder en mulig måde at forbedre jordinkubationseksperimentet, der kræves for en bedre forståelse af jordopvarmningsresponser. Selvom den konstante temperaturkontrol er bredt accepteret og logistisk let at betjene, kan artefakterne af langvarig konstant temperatur på jordmikrobielle samfund aflede bestræbelserne på at fange de ægte jordresponser. De andre rapporterede laboratorieopvarmningsmetoder er stort set mindre kontrollerbare og replikerbare. Den nuværende protokol er overlegen på grund af dens nemme betjening, høje nøjagtighed og replikabilitet af temperatursimulering, eksplicit programmering og kapacitet til at kombinere forskellige temperaturændringsscenarier i et enkelt eksperiment. Gennemførligheden af temperaturkontrol med høj nøjagtighed vil give forskere mulighed for at udforske forskellige temperaturændringsscenarier.
The authors have nothing to disclose.
Finansieringskilder, der bruges til at støtte forskningen, omfatter en US National Science Foundation (NSF) HBCU − EiR (nr. 1900885), en US Department of Agriculture (USDA) Agricultural Research Service (ARS) 1890’erne Faculty Research Sabbatical Program (nr. 58-3098-9-005), et USDA NIFA-tilskud (nr. 2021-67020-34933) og et USDA Evans – Allen Grant (nr. 1017802). Vi takker for hjælp fra medarbejdere på TSU’s 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 |