Name: simulating temperature in a soil incubation experiment
Uploaded: 2022-10-28T13:15:00
Duration: 8 min 39 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment at JoVE.com

Les sources de financement utilisées pour soutenir la recherche comprennent un HBCU−EiR (n ° 1900885) de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, un programme sabbatique de recherche du corps professoral du département de l’Agriculture des États-Unis (USDA) des années 1890 (n ° 58-3098-9-005), une subvention NIFA de l’USDA (n ° 2021-67020-34933) et une subvention Evans-Allen de l’USDA (n ° 1017802). Nous remercions les membres du personnel du Main Campus Agriculture Research and Extension Center (AREC) de la TSU à Nashville, Tennessee.

1. Surveillance et programmation de la température
<ol><li>Identifier une zone d’échantillonnage dans une parcelle de recherche. Installez une ou quelques sondes de température automatiques dans les sols à 10 cm de profondeur. Connectez la station météo à un ordinateur via le câble de transmission de données et ouvrez le logiciel sur l’ordinateur.</li>
	<li>Cliquez sur le bouton Lancer/Propriétés de la barre d’outils pour configurer l’enregistreur pour les capteurs externes utilisés.</li>
	<li>Dans l’écran Propriétés , définissez le nom de l’enregistreur/de la station (c.-à-d. Explication d’incubation du sol) et l’intervalle de collecte des données (c.-à-d. 60 minutes). Ensuite, dans l’écran Propriétés , cliquez sur Activé sur les ports de capteur externe utilisés et sélectionnez le capteur/l’unité dans le bouton déroulant pour chaque port de capteur (c’est-à-dire Port A ; « Activé »: Température °C). Enfin, cliquez sur OK pour enregistrer les paramètres.</li>
	<li>Surveillez la lecture des sondes chaque semaine pour éviter les dysfonctionnements et téléchargez le jeu de données une fois par mois. Obtenir un dossier complet pour plusieurs mois couvrant la saison de croissance (c.-à-d. d’avril à septembre).</li>
	<li>Effectuer une analyse des données des enregistrements de température. Obtenir la température horaire moyenne de la saison de croissance en faisant la moyenne de toutes les observations.<ol><li>Obtenez la température moyenne de chaque heure sur une base quotidienne en faisant la moyenne des températures de la même heure sur tous les jours pendant la saison de croissance.</li>
	</ol></li>
	<li>Dans la chambre sophistiquée, lancez le logiciel et cliquez sur le bouton Profil sur l’écran du menu principal pour créer un nouveau fichier. Dans la ligne de saisie du nom de fichier, entrez « SW low ». En cliquant sur l’option Changement instantané , entrez 15,9 °C comme température initiale obtenue à l’étape 1.5, et entrez 2 sur la ligne Minutes pour maintenir la température pendant 2 min et cliquez sur le bouton Terminé . Ensuite, sous l’option Temps de rampe , entrez 15,9 °C comme point de consigne cible et sur la ligne Heures , entrez 850 h pour maintenir la température. Fianlly, cliquez sur le bouton Terminé .<ol><li>Répétez l’étape ci-dessus dans la deuxième chambre en ajoutant 5 °C à chaque nœud de température et créez un nouveau nom de fichier « SW high ».</li>
		<li>Répéter l’étape 1.4 dans la troisième chambre en ajoutant 23 étapes supplémentaires correspondant aux 23 températures horaires observées du sol obtenues à l’étape 1.5.1. À la dernière étape, appelée JUMP, définissez 42 boucles répétées (Jump Count 42). Cela conduit au scénario d’un réchauffement progressif ou GW faible.</li>
		<li>Répétez l’étape ci-dessus dans la quatrième chambre avec 5 °C ajoutés à chaque nœud de température. Cela permettra une simulation de températures variables pendant 42 jours à un niveau de température plus élevé (c.-à-d. GW élevé).</li>
	</ol></li>
	<li>Effectuer un essai préliminaire pendant 24 h et produire les températures enregistrées par les quatre chambres. Tracez les températures enregistrées par les chambres par rapport à celles programmées (Figure 2A-D).<ol><li>Si les températures obtenues dans la chambre correspondent aux températures programmées par une différence de température de <0,1 °C pendant les 24 h (Figure 2A,B,E,F), les chambres conviennent à l’expérience d’incubation du sol.</li>
		<li>Si les critères n’ont pas été remplis dans l’une de ces chambres, répéter un autre essai de 24 heures ou demander une nouvelle chambre.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Collecte et homogénéisation des sols
<ol><li>Près de la zone de sonde de température, prélever cinq échantillons de sol à une profondeur de 0 à 20 cm et les mettre dans un sac en plastique après avoir enlevé la couche de litière superficielle.</li>
	<li>Bien mélanger l’échantillon en tordant, pressant et mélangeant les matériaux dans le sac jusqu’à ce qu’aucun échantillon de sol individuel ne soit visible.</li>
	<li>Conservez les échantillons dans une glacière remplie de blocs réfrigérants et transportez-les immédiatement au laboratoire.</li>
	<li>Retirer les racines de chaque carotte, les tamiser à travers un tamis de 2 mm, mélanger et homogénéiser soigneusement l’échantillon avant l’analyse suivante.</li>
</ol>3. Incubation en laboratoire
<ol><li>Avant l’incubation, peser 10,0 g de terre fraîche, la sécher au four pendant 24 h à 105 °C et peser la terre sèche. Calculez la différence entre les échantillons de sol frais et sec et calculez le rapport de différence sur le poids du sol sec pour déterminer la teneur en humidité du sol dans une feuille de calcul.</li>
	<li>Utilisez la teneur en humidité dérivée pour calculer le carbone de la biomasse microbienne du sol (MBC), l’activité enzymatique extracellulaire (AEE) et la respiration hétérotrophe du sol, comme décrit dans les étapes suivantes. Ces données aideront à comprendre les effets du traitement sur la respiration du sol et les mécanismes microbiens sous-jacents.</li>
	<li>Avant l’incubation, peser le sous-échantillon de sol humide prélevé sur le terrain (10 g) et quantifier le MBC du sol par fumigation au chloroforme-K2SO4 et méthodes de digestion au persulfate de potassium18.</li>
	<li>Avant l’incubation, peser le sous-échantillon de sol humide au champ (1,0 g) et mesurer l’hydrolyse et l’oxydation du solEEA 19.</li>
	<li>Peser 16 sous-échantillons de sol humide sur le terrain (équivalent de 15,0 g de poids sec) dans 16 carottes de polychlorure de vinyle (PVC) (5 cm de diamètre, 7,5 cm de hauteur) scellées avec du papier de fibre de verre sur le fond.</li>
	<li>Placez les noyaux en PVC dans des bocaux Mason (~1 L) tapissés d’un lit de perles de verre pour vous assurer que les noyaux n’absorbent pas l’humidité.</li>
	<li>Placez quatre pots dans chacune des quatre chambres comme décrit à l’étape 1.4. Allumez les chambres et lancez le programme simultanément dans quatre chambres.</li>
	<li>Pendant l’incubation, à 2 h, jours 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 et 42, prenez tous les pots dans chacune des quatre chambres et utilisez un analyseur de gaz CO2 portable pour mesurer le taux de respiration du sol (Rs) en plaçant le collier de l’analyseur sur le dessus de chaque pot.</li>
	<li>Prélever de façon destructrice tous les pots à la fin de l’incubation (c.-à-d. jour 42) et quantifier le MBC du sol comme décrit à l’étape 3.3.</li>
	<li>Prélever de façon destructrice tous les pots à la fin de l’incubation (c.-à-d. jour 42) et quantifier l’activité enzymatique du sol comme décrit à l’étape 3.4.</li>
</ol>4. Comparaison des effets de réchauffement
<ol><li>En supposant une fréquence respiratoire constante (Rs) entre deux collectes consécutives, utilisez la fréquence respiratoire multipliée par la durée pour calculer la respiration cumulative (Rc).</li>
	<li>Effectuer une analyse de variance à mesures répétées (ANOVA) à trois voies pour tester les effets principaux et interactifs du temps, de la température (réchauffement) et du mode de température (scénario de réchauffement) surR s et Rc. En outre, mener une ANOVA bidirectionnelle pour tester le réchauffement et les effets du scénario de réchauffement sur MBC et l’AEE.</li>
</ol>

L’auteur n’a rien à divulguer.

La méthode de contrôle de la température constante a été largement appliquée (tableau 1). Cependant, l’ampleur et le schéma temporel de la température mis en œuvre dans ces procédures simulent mal la température du sol observée dans les conditions du terrain. Malgré les efforts naissants pour imiter le modèle diurne dans le passé, ces études étaient rares et n’ont pas permis de clarifier l’équipement et la procédure; Ils n’ont pas non plus validé la simulation de température en ce qui concerne la précision et la fiabilité16,17. Alors que la communauté s’efforçait d’améliorer sa compréhension des réponses au réchauffement du sol, il est impératif d’optimiser la procédure d’incubation du sol avec une température réaliste et un contrôle réalisable. Néanmoins, ces nouvelles méthodes n’ont pas été développées, et donc, une méthode standard pour les futures expériences d’incubation est toujours hors de portée. Face à la complexité croissante des changements de température mondiale en termes d’ampleur, d’amplitude, de saisonnalité, de durée et d’extrémalité, une procédure complète est très demandée.
Ici, une méthode de manipulation d’une procédure de changement de température diurne a été présentée, en s’appuyant sur la chambre sophistiquée, pour offrir la capacité d’établir un changement de température constant, linéaire et non linéaire et, par la suite, divers scénarios de réchauffement pour répondre aux besoins futurs de la recherche. Le protocole comporte quatre étapes essentielles. La première consiste à déterminer la température du sol dans les conditions du champ. Étant donné que le type de sol et la profondeur d’intérêt ainsi que le type d’utilisation du sol peuvent varier d’une étude à l’autre, le nombre de sondes de température nécessaires pour le site de recherche spécifique devrait être modifié pour s’adapter au mieux aux conditions réelles. En général, la profondeur du sol pour les sondes de température doit répondre à la plupart des besoins de recherche à 0-20 cm, et le nombre de sondes pour représenter la température du sol devrait être limité à un à trois. La clé est d’atteindre un enregistrement de température continu et consécutif à long terme dans au moins un emplacement typique du sol.
La deuxième étape critique consiste à mettre en place le programme pour atteindre l’amplitude et le modèle de température ciblés dans la chambre. En raison de la sensibilité et de la précision élevées de la chambre (figure 4), il est possible de programmer une représentation précise de la température observée dans les conditions de terrain. Bien que le protocole actuel ne présente que la température horaire observée telle que ciblée dans la chambre, une surveillance plus fréquente de la température du sol, telle que 30 minutes, 15 minutes ou même moins, peut être obtenue grâce à cette procédure. Néanmoins, un essai des températures cibles et de la chambre doit être effectué sur 24 heures et, avant l’expérience, les résultats de l’essai doivent satisfaire aux critères de moins de 0,1 °C entre la température cible et la température de la chambre en tous les points temporels. Plus l’observation de la température est fréquemment sélectionnée pour simuler, plus il faut d’étapes pour mettre en place le programme dans la chambre avant l’expérience.
La troisième étape critique consiste à effectuer l’incubation elle-même. Pour réduire l’influence des hétérogénéités du sol63, l’homogénéisation des échantillons de sol est essentielle, et au moins trois répétitions pour chaque traitement sont recommandées. Avant l’incubation, un traitement de pré-incubation est nécessaire, et la procédure actuelle peut faciliter le prétraitement en programmant la température et la durée avant le début officiel de l’expérience. Ceci est avantageux pour réduire la perturbation expérimentale et orchestrer l’ensemble de l’incubation de manière transparente. La dernière étape critique consiste à inclure à la fois des traitements à température constante et des traitements à température variable afin de pouvoir comparer les réponses au réchauffement du sol.
Ce protocole peut être facilement modifié pour permettre de manipuler l’ampleur, l’amplitude et la durée du changement de température. Par exemple, les températures extrêmes lors d’une vague de chaleur en été et les gelées soudaines au début du printemps en raison des changements climatiques peuvent être représentées à l’aide de cette procédure, en plus de sa capacité à tenir compte de leur durée et de leur intensité variables. La simulation combinée des températures régulières et irrégulières permet également de simuler les effets complexes à long terme des changements de température, tels que projetés à l’avenir. Comme le résume le tableau 2, les scénarios de réchauffement qui ont été étudiés dans de nombreuses études distinctes peuvent être réalisés collectivement dans une seule étude. Ce protocole devrait fournir une méthode sophistiquée pour simuler la température dans les études d’incubation du sol. Dans l’espoir d’une large application, l’adoption de ce protocole aidera à identifier ou à valider une méthode plus précise pour les futures études sur le réchauffement des sols basées sur l’incubation en laboratoire.
Une limitation importante de la procédure est que la chambre utilisée dans le protocole actuel a un volume relativement petit, donc ne peut accueillir que neuf pots d’incubation dans chaque chambre. Bien qu’un pot plus petit augmente la capacité de la chambre, un grand volume de chambre est recommandé. Un nouveau modèle (par exemple, TestEquity 1007) offrira huit fois plus de capacité et est donc recommandé pour les expériences à grande échelle. Malgré l’amélioration de la procédure de contrôle de la température dans les incubations de sol, les complications potentielles liées à l’humidité et à l’homogénéisation du sol ne seront pas soulagées par l’adoption du protocole actuel.
Nous démontrons les avantages significatifs de la procédure sophistiquée de contrôle de la température. Il fournit une stratégie de contrôle de la température fiable et abordable pour obtenir une simulation précise de la température et offre un moyen réalisable d’améliorer l’expérience d’incubation du sol nécessaire pour une meilleure compréhension des réponses au réchauffement du sol. Bien que le contrôle de la température constante soit largement accepté et facile à utiliser sur le plan logistique, les artefacts de température constante à long terme sur les communautés microbiennes du sol peuvent détourner les efforts visant à capturer les réponses authentiques du sol. Les autres méthodes de réchauffement en laboratoire signalées sont en grande partie moins contrôlables et reproductibles. Le protocole actuel est supérieur en raison de sa facilité d’utilisation, de sa grande précision et de sa reproductibilité de la simulation de température, de sa programmation explicite et de sa capacité à combiner divers scénarios de changement de température en une seule expérience. La faisabilité d’un contrôle de la température avec une grande précision permettra aux chercheurs d’explorer divers scénarios de changement de température.

La température à la surface du globe devrait augmenter au cours de ce siècle de 1,8 à 6,4 °C 1,2. Le réchauffement climatique peut augmenter le flux de CO2 du sol vers l’atmosphère, entraînant une rétroaction positive avec le réchauffement 3,4,5,6. Étant donné que les communautés microbiennes jouent un rôle essentiel dans la régulation des réponses respiratoires du sol au réchauffement7,8, les changements dans la respiration microbienne et les mécanismes microbiens sous-jacents au réchauffement ont été un axe de recherche. Bien que les expériences de réchauffement du sol déployées sur le terrain, via un câble chauffant9 et une chambre à toit ouvert10, aient été avantageuses pour capturer les caractéristiques naturelles du sol telles que la température11, leur coût élevé d’installation et d’entretien a limité leur application. Alternativement, les expériences d’incubation du sol soumises à différentes températures sont un choix favorable. Le principal avantage de l’incubation du sol en laboratoire est que les conditions environnementales bien contrôlées (p. ex. la température) permettent de démêler l’effet à un facteur des autres facteurs de confusion dans un contexte expérimental sur le terrain12,13. Malgré les différences entre les expériences en chambre de croissance et sur le terrain (p. ex., croissance des plantes), la traduction des résultats de laboratoire au terrain est facilement disponible14. L’incubation d’échantillons de sol en laboratoire pourrait aider à améliorer notre compréhension mécaniste de la réponse du sol au réchauffement15.
Notre revue de la littérature a permis de relever plusieurs méthodes de contrôle de la température et, par conséquent, des modes distincts de changement de température dans des études antérieures sur l’incubation du sol (tableau 1). Tout d’abord, les instruments utilisés pour contrôler la température sont principalement à travers un incubateur, une chambre de croissance, un bain-marie et, dans un cas rare, un câble chauffant. Compte tenu de ces instruments, trois modèles typiques de changement de température ont été générés (Figure 1). Il s’agit notamment du mode le plus implémenté, température constante (CT), changement linéaire (LC) avec un taux de changement de température constant non nul et changement non linéaire (NC) présenté avec un type de température diurne. Dans un cas de tomodensitométrie, l’ampleur de la température peut varier au fil du temps, bien que la température reste constante pendant une certaine période pendant l’incubation (Figure 1B). Pour la CL, le taux de changement de température pourrait varier dans différentes études à plus de deux ordres de grandeur (p. ex. 0,1 °C/jour contre 3,3 °C/h; Tableau 1); Pour les cas CN, la plupart reposaient sur la capacité intrinsèque des instruments utilisés, ce qui a conduit à divers modes. Malgré cela, un type de changement de température diurne a été revendiqué à travers un câble chauffant ou un incubateur16,17; Cependant, les températures de la chambre dans ces expériences n’ont pas été validées. D’autres résultats importants de l’examen présentés dans le tableau 1 comprennent la plage de température d’incubation de 0 à 40 °C, la plupart se situant entre 5 et 25 °C; La durée des expériences variait de quelques heures (<1 jour) à près de 2 ans (~725 jours). En outre, les sols soumis à des incubations ont été collectés dans des écosystèmes forestiers, de prairies et de terres cultivées, avec un horizon minéral dominant, un horizon organique et même des sols contaminés, situés principalement aux États-Unis, en Chine et en Europe (tableau 1).
Compte tenu des trois principaux modes de changement de température, plusieurs scénarios de réchauffement distincts réalisés dans les études antérieures ont été résumés dans le tableau 2. Ils comprennent le réchauffement par étapes (SW), le SW avec une magnitude variable (SWv), le réchauffement progressif linéaire (GWl), le réchauffement progressif non linéaire (GWn) et le réchauffement progressif diurne (GWd).
En résumé, les incubations passées dans le sol ont généralement capturé la température moyenne de l’air ou du sol dans un site. Dans de nombreux cas, comme le montre le tableau 1, les incubateurs ou les chambres étaient programmés manuellement à une température fixe, mais incapables d’ajuster automatiquement la température comme souhaité, ne permettant pas de contrôler le mode et le taux de changement de température avec le temps (Eq. 1), ce qui rendait difficile d’imiter la température diurne du sol local. D’autre part, bien que nous ayons tenté dans deux expériences16,17, nous n’avons identifié aucune étude imitant explicitement le réchauffement progressif diurne (GWd) dans leurs expériences d’incubation (Tableau 1). D’après la revue de la littérature, le principal obstacle réside dans la mauvaise conception expérimentale, en particulier l’absence d’un instrument sophistiqué permettant la mise en œuvre et la validation de scénarios de réchauffement diurne ou d’autres scénarios de réchauffement progressif.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64081/64081eq01.jpg" style="margin: auto;">(Éq. 1)
Où ΔT est la quantité de changement de température, m est le mode de changement de température, r est le taux de changement de température et t est la durée du changement.
Pour améliorer la rigueur expérimentale dans l’incubation du sol, une méthode précise et sophistiquée de contrôle de la température est présentée dans cette étude. Adoptant une chambre environnementale de pointe, de plus en plus disponible et économiquement viable, la nouvelle conception permettra non seulement la simulation précise de la température du sol in situ (p. ex., modèle diurne), mais aussi, en tenant compte des changements de température extrêmes possibles, fournira un moyen fiable de minimiser les artefacts de biais instrumental. La conception actuelle de l’incubation du sol devrait aider les chercheurs à déterminer les stratégies optimales qui répondent à leurs besoins en matière d’incubation et de recherche. L’objectif global de cette méthode est de présenter aux biogéochimistes des sols une approche hautement opérationnelle pour réformer la conception de l’incubation des sols.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>10 mL-Syringe</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-826-13</td>
			<td>for soil respiration measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Composer Software</td>
			<td>TestEquity</td>
			<td>Model #107</td>
			<td>for incubation temperature setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Environmental chamber</td>
			<td>TestEquity</td>
			<td>Model #107</td>
			<td>for soil incubation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Environmental gas analyzer</td>
			<td>PP Systems</td>
			<td>EGM5</td>
			<td>for soil respiration measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filter paper</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>1005-125</td>
			<td>for soil incubation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mason jar</td>
			<td>Ball</td>
			<td>15381-3</td>
			<td>for soil incubation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>15-103-0520</td>
			<td>for soil moisture measurement</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic Zipper Seal Storage Bag</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>09-800-16</td>
			<td>for soil collection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plate reader</td>
			<td>Molecular devices</td>
			<td>FilterMax F5</td>
			<td>for soil extracellular enzyme analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>R Software</td>
			<td>The R Foundation</td>
			<td>R version 4.1.3 (2022-03-10)</td>
			<td>For statistical computing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigerator/Freezer</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>13-991-898</td>
			<td>for soil storation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screwdriver</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>19-313-447</td>
			<td>for soil collection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sharpie</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>50-111-3135</td>
			<td>for soil collection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sieve</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>04-881G&#160;</td>
			<td>for sieving soil sample</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone Septa</td>
			<td>Duran Wheaton kimble</td>
			<td>224100-070</td>
			<td>for mason jars used for soil incubation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soil auger</td>
			<td>AMS</td>
			<td>350.05</td>
			<td>for soil collection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SpecWare Software</td>
			<td>Spectrum Technologies</td>
			<td>WatchDog E2700 (3340WD2)</td>
			<td>for temperature collection interval setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature probe</td>
			<td>Spectrum Technologies</td>
			<td>WatchDog E2700 (3340WD2)</td>
			<td>for soil temperature measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TOC/TN analyzer</td>
			<td>Shimadzu</td>
			<td>TOC-L series</td>
			<td>for soil microbial biomass analysis</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulating temperature in a soil incubation experiment

L’étude de l’impact du réchauffement sur les sols nécessite une représentation réaliste et précise de la température. Dans les études d’incubation en laboratoire, une méthode largement adoptée a consisté à obtenir des températures constantes dans plusieurs chambres et, par le biais de comparaisons des réponses du sol entre les chambres à basse et à haute température, pour calculer l’impact du réchauffement sur les changements du sol. Cependant, cette méthode couramment utilisée n’a pas réussi à imiter à la fois l’ampleur et l’amplitude des températures réelles observées dans des conditions de terrain, ce qui pourrait compromettre la validité de telles études. Avec des chambres environnementales sophistiquées de plus en plus disponibles, il est impératif d’examiner d’autres méthodes de contrôle de la température pour la recherche sur l’incubation des sols. Ce protocole introduira une chambre environnementale à la fine pointe de la technologie et démontrera des méthodes conventionnelles et nouvelles de contrôle de la température pour améliorer la conception expérimentale de l’incubation du sol. Le protocole comprend principalement quatre étapes : la surveillance et la programmation de la température, la collecte du sol, l’incubation en laboratoire et la comparaison des effets de réchauffement. Un exemple sera présenté pour démontrer différentes méthodes de contrôle de la température et les scénarios de réchauffement contrastés qui en résultent; c’est-à-dire une conception à température constante appelée réchauffement progressif (SW) et une conception de température simulée in situ comme réchauffement progressif (GW), ainsi que leurs effets sur la respiration du sol, la biomasse microbienne et les activités enzymatiques extracellulaires. De plus, nous présentons une stratégie visant à diversifier les scénarios de changement de température afin de répondre à des besoins de recherche spécifiques sur les changements climatiques (p. ex., chaleur accablante). Le protocole de contrôle de la température et les scénarios de changement de température bien adaptés et diversifiés recommandés aideront les chercheurs à établir des expériences d’incubation de sol fiables et réalistes en laboratoire.

Les chambres de pointe sélectionnées ont reproduit la température cible avec une grande précision (Figure 2A, B, E, F) et ont répondu aux exigences techniques de l’expérience d’incubation. Compte tenu de la facilité d’utilisation et d’utilisation, cela signifiait la technique pour améliorer la simulation de température dans les études de réchauffement du sol et dans d’autres applications telles que les études de plantes. La procédure a été utilisée dans notre récente étude de cas basée sur une terre cultivée de panic raide dans le Middle-Tennessee.
Les résultats de la recherche ont montré que, par rapport au traitement témoin, le réchauffement entraînait des pertes respiratoires significativement plus importantes (Rs et R c) dans les deux scénarios de réchauffement (SW et GW), et GW doublait la perte respiratoire induite par le réchauffement (Rc) par rapport au SW, 81% contre 40% (Figure 3). Au jour 42, la MBC et l’EEE étaient également significativement différentes entre SW et GW, de sorte que la MBC était plus élevée dans SW que dans GW (69% vs 38%; Graphique 4) et les glycosidases et la peroxydase (p. ex. AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) étaient significativement plus élevées dans les scénarios GW que dans les scénarios SW (figure 5).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig01.jpg"> Figure 1 : Illustration du mode de changement de température dans une expérience de réchauffement du sol telle que conceptualisée à partir du tableau 1. (A) Température constante (CT) adoptée par la plupart des études. (B) Température constante avec amplitude variable (CTv). (C, D) Changement linéaire (LC) avec des taux positifs et négatifs. (E,F) Changement non linéaire (NC) avec motif irrégulier et motif diurne. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig01large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig02.jpg"> Figure 2 : Température visée par programmation et température de la chambre au cours d’une période d’essai de 24 heures. (A,B) Enregistrements de température cible (ligne grise) et de température de la chambre (ligne pointillée) sous contrôle et traitements de réchauffement par étapes (SW); (C, D) Enregistrements de température cible (ligne grise) et de température de la chambre (ligne pointillée) sous contrôle et traitements de réchauffement du réchauffement progressif (GW); (E, F) La différence de température dérivée pour les enregistrements dans les panneaux C et D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig02large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig03.jpg"> Figure 3 : Taux cumulatif moyen (± SE) de respiration du sol (Rc, μg CO2-C·g sol-1) sous contrôle (creux) et de réchauffement (foncé) dans le SW et GW dans une expérience d’incubation dusol de 42 jours. Les encarts montrent les taux de respiration du sol (R s, μg CO2-C·h-1·g sol-1) appliqués pour estimer la respiration cumulative, en supposant que R s était constant jusqu’à la mesure suivante. (A) Réchauffement progressif (SW) et (B) réchauffement progressif (GW). N = 4 dans chaque collection. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig03large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig04.jpg"> Figure 4 : CMB moyen (± SE) sous contrôle et traitements de réchauffement dans le sud-ouest et le GW dans une expérience d’incubation du sol de 42 jours. MBC = carbone de biomasse microbienne; N = 4 dans chaque collection. S indique un effet significatif du scénario de réchauffement (SW vs GW), à p < 0,05, basé sur une ANOVA à mesures répétées à trois voies. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig04large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig05.jpg"> Figure 5 : Glycosidases moyennes (± SE) et peroxydase (activité μmol h-1·gsoil-1) sous contrôle et traitements de réchauffement dans le SW et GW dans une expérience d’incubation de 42 jours. BX =β1,4-xylosidase; PA = phosphatase acide; LAP = Leucine Aminopeptidase; NAG =β-1,4-N-acétyl-glucosaminidase; OX = Enzymes oxydatives; SPO = Phénol oxydase; PER = Peroxydase. N = 4 dans chaque collection. S indique un effet significatif du scénario de réchauffement (SW vs GW), à p < 0,05, basé sur une ANOVA à mesures répétées à trois voies. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig05large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.</a>
Tableau 1 : Revue de la littérature sur les méthodes de contrôle de la température et les modes de changement de température dans les études d’incubation du sol 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. Au total, 46 études ont été incluses dans la revue. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/Table1-64081R2.xlsx" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.</a>
Tableau 2 : Principaux modes de changement de température et scénarios de réchauffement correspondants fondés sur une revue de la littérature (tableau 1). Cinq modes et scénarios ont été établis pour représenter un large éventail de changements de température et de conditions de réchauffement possibles. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/Table%202-64081R2.xlsx" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.</a>

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Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment

Les expériences de réchauffement du sol en laboratoire utilisent généralement deux températures constantes ou plus dans plusieurs chambres. En présentant une chambre environnementale sophistiquée, nous fournissons une méthode précise de contrôle de la température pour imiter l’ampleur et l’amplitude de la température du sol in situ et améliorer la conception expérimentale des études d’incubation du sol.

Simulation de la température dans une expérience d’incubation du sol

The study of warming impact on soils requires a realistic and accurate representation of temperature. In laboratory incubation studies, a widely adopted ...

Ce protocole introduira une chambre environnementale de pointe et démontrera une nouvelle méthode de contrôle de la température pour améliorer la conception expérimentale d’une incubation du sol. Le principal avantage de cette technique est sa capacité à imiter l’ampleur et l’amplitude de la température du sol de l’institut. Cette méthode peut être appliquée pour simuler les différents scénarios de réchauffement dans l’incubation du sol, tels que la chaleur extrême.Un défi potentiel de cette technique est la mise en place du profil de température dans la chambre. Il serait nécessaire d’observer et de comprendre les variations de température diurne dans le sol. Pour commencer, ouvrez le logiciel sur l’ordinateur et cliquez sur le bouton Lancer et propriétés de la barre d’outils pour configurer l’enregistreur pour les capteurs externes utilisés.Définissez le nom de la station enregistreuse et l’intervalle de collecte des données. Ensuite, dans l’écran Propriétés, cliquez sur Activé sur les ports de capteur externe utilisés et sélectionnez le capteur et l’unité dans le menu déroulant pour chaque port de capteur. Enfin, cliquez sur OK pour enregistrer les paramètres.Téléchargez l’ensemble de données une fois par mois et obtenez un enregistrement complet pour plusieurs mois couvrant la saison de croissance. Pour analyser les données des enregistrements de température, obtenir la température horaire moyenne de la saison de croissance en faisant la moyenne de toutes les observations. Pour obtenir la température moyenne pour chaque heure quotidienne, faites la moyenne des températures à la même heure sur tous les jours pendant la saison de croissance.Dans la chambre sophistiquée, lancez le logiciel et cliquez sur le bouton Profil sur l’écran du menu principal pour créer un nouveau fichier. Dans la ligne File Name Input (Nom de fichier Input (Nom de fichier), entrez SW Low. En cliquant sur l’option Changement instantané, entrez 15,9 degrés Celsius comme température initiale.Entrez deux sur la ligne Minutes pour maintenir la température pendant deux minutes, puis cliquez sur le bouton Terminé. Ensuite, sous l’option Temps de rampe, entrez 15,9 degrés Celsius comme point de consigne cible et sur la ligne Heures, entrez 850 heures pour maintenir la température, cliquez sur le bouton Terminé. Dans la deuxième chambre, ajoutez cinq degrés Celsius à chaque nœud de température.Créez un nouveau nom de fichier SW High et répétez les étapes indiquées précédemment. Dans la troisième chambre, ajoutez 23 étapes supplémentaires correspondant à 23 températures horaires observées du sol et à la dernière étape appelée Jump, définissez 42 boucles répétées. Cela conduit au scénario d’un réchauffement progressif ou GW Low.Dans la quatrième chambre, ajoutez cinq degrés Celsius à chaque nœud de température et répétez les étapes indiquées précédemment. Cela permettra une simulation de températures variables pendant 42 jours à un niveau de température plus élevé. effectuer un essai préliminaire pendant 24 heures et produire les températures enregistrées par les quatre chambres.Tracez les températures enregistrées par les chambres par rapport à celles programmées. Si les températures obtenues dans la chambre correspondent aux températures programmées par une différence de température inférieure à 0,1 degré Celsius pendant les 24 heures, les chambres conviennent à l’expérience d’incubation du sol. Si les critères n’étaient pas satisfaits, répétez un autre test de 24 heures ou cherchez une nouvelle chambre.Près de la zone de sonde de température, prélevez cinq échantillons de sol à une profondeur de zéro à 20 centimètres et mettez-les dans un sac en plastique après avoir enlevé la couche de litière superficielle. Bien mélanger l’échantillon en tordant, pressant et mélangeant les matériaux dans le sac jusqu’à ce qu’aucun échantillon de sol individuel ne soit visible. Conservez les échantillons dans une glacière remplie de blocs réfrigérants et transportez-les immédiatement au laboratoire.Enlevez les racines dans chaque noyau. Tamiser à travers un tamis de sol de deux millimètres et bien mélanger et homogénéiser l’échantillon. Pesez 10 grammes de terre fraîche.Séchez-le au four pendant 24 heures à 105 degrés Celsius et pesez le sol sec. Calculez la différence entre les échantillons de sol frais et sec et calculez le rapport de différence sur le poids du sol sec pour déterminer la teneur en humidité du sol dans une feuille de calcul. Peser 10 grammes du sous-échantillon de sol humide du champ et quantifier le carbone de la biomasse microbienne du sol par fumigation au chloroforme, extraction au sulfate de potassium et digestion au sulfate de potassium par sulfate.Ensuite, pesez un gramme du sous-échantillon de sol humide du champ et mesurez l’activité enzymatique hydrolytique et oxydative extracellulaire du sol. Pesez ensuite 16 sous-échantillons de sol humide sur le terrain dans 16 noyaux de PVC scellés avec du papier de fibre de verre sur le fond. Placez les noyaux dans des bocaux Mason d’un litre tapissés d’un lit de perles de verre pour vous assurer que les noyaux n’absorbent pas l’humidité.Placez quatre pots dans chacune des quatre chambres. Allumez les chambres et lancez le programme simultanément dans quatre chambres. Pendant l’incubation, prenez tous les pots dans chacune des quatre chambres et mettez la couleur de l’analyseur de dioxyde de carbone portable sur chaque pot pour mesurer le taux de respiration du sol.Recueillir de manière destructrice tous les pots à la fin de l’incubation, c’est-à-dire au jour 42, et quantifier l’activité du carbone et des enzymes du sol dans la biomasse microbienne du sol. En supposant un taux de respiration constant entre deux collectes consécutives, utilisez la fréquence respiratoire multipliée par la durée pour calculer la respiration cumulative. Effectuer une analyse de la variance ou ANOVA à trois voies à mesures répétées pour tester les effets principaux et interactifs du temps, de la température et du mode de température sur la fréquence respiratoire et la respiration cumulative.De plus, effectuer une ANOVA bidirectionnelle pour tester le réchauffement et les effets du scénario de réchauffement sur le carbone de la biomasse microbienne et l’activité enzymatique extracellulaire. L’illustration du mode de changement de température dans une expérience de réchauffement du sol est présentée ici. La température constante adoptée par la plupart des études, la température constante avec une ampleur variable, le changement linéaire avec des taux positifs et négatifs, et le changement non linéaire avec des motifs irréguliers et diurnes sont présentés ici.Le taux cumulatif moyen de respiration du sol sous contrôle et les traitements de réchauffement dans le réchauffement progressif et le réchauffement progressif dans une expérience d’incubation du sol de 42 jours sont présentés dans cette figure. Les encarts montrent les taux de respiration du sol appliqués pour estimer et la respiration cumulative en supposant une fréquence respiratoire constante. Les résultats montrent que le réchauffement a entraîné des pertes respiratoires significativement plus importantes dans les deux scénarios de réchauffement et que le réchauffement progressif a doublé la perte respiratoire induite par le réchauffement par étapes, 81% contre 40%La biomasse microbienne moyenne sous contrôle et les traitements de réchauffement par étapes et progressifs dans une expérience d’incubation du sol de 42 jours sont présentés dans cette figure.Ici, S désigne l’effet significatif du scénario de réchauffement basé sur une ANOVA à mesures répétées à trois voies. Cette figure représente les activités moyennes des hydrolases et oxydases sous contrôle et des traitements de réchauffement par étapes et progressives dans une expérience de 42 jours. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux biogéochimistes du sol pour examiner les effets de divers scénarios de réchauffement sur la respiration du sol et les micros par une programmation sophistiquée dans la chambre.

Research

JoVE Journal

Environment

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

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Conception et l&#39;exploitation d&#39;un continu<sup&gt; 13</sup&gt; C et<sup&gt; 15</sup&gt; N Chambre pour uniforme ou différentiel étiquetage, métabolique et structurale, usine de production d&#39;isotopes étiquetage

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

Recherche

Environnement

Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity

Protocole expérimental pour l&#39;hétérogénéité du sol Manipulation des plantes induite

Coexistence theory has often treated environmental heterogeneity as being independent of the community composition; however biotic feedbacks such as ...

Soil Sampling and Isolation of Entomopathogenic Nematodes (Steinernematidae, Heterorhabditidae)

Soil Sampling and Isolation of Entomopathogenic Nematodes Steinernematidae, Heterorhabditidae

L&#39;échantillonnage du sol et isolement de nématodes entomopathogènes (Steinernematidae, Heterorhabditidae)

Entomopathogenic nematodes (a.k.a. EPN) represent a group of soil-inhabiting nematodes that parasitize a wide range of insects. These nematodes belong to ...

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Un protocole pour la collecte et la construction de sols Lysimètres Core

Leaching of nutrients from land applied fertilizers and manure used in agriculture can lead to accelerated eutrophication of surface water. Because the ...

Soil Lysimeter Excavation for Coupled Hydrological, Geochemical, and Microbiological Investigations

Sol Lysimètre Excavation pour Coupled hydrologiques, géochimiques et microbiologiques Enquêtes

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Mesure et cartographie des schémas d’érosion et de dépôt liées aux Concentrations de Carbonate du sol sous gestion agricole

Spatial patterns of soil erosion and deposition can be inferred from differences in ground elevation mapped at appropriate time increments. Such changes ...