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

Las fuentes de financiamiento utilizadas para apoyar la investigación incluyen un HBCU−EiR (No. 1900885) de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF), un Programa Sabático de Investigación de la Facultad del Departamento de Agricultura (USDA) del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) de la década de 1890 (No. 58-3098-9-005), una subvención NIFA del USDA (No. 2021-67020-34933) y una Beca Evans-Allen del USDA (No. 1017802). Agradecemos la asistencia recibida de los miembros del personal del Centro de Investigación y Extensión Agrícola del Campus Principal (AREC) de TSU en Nashville, Tennessee.

1. Monitoreo y programación de temperatura
<ol><li>Identificar una zona de muestreo dentro de una parcela de investigación. Instale una o varias sondas automáticas de temperatura en suelos a 10 cm de profundidad. Conecte la estación meteorológica a una computadora a través del cable de transmisión de datos y abra el software en la computadora.</li>
	<li>Haga clic en el botón de la barra de herramientas Inicio/Propiedades para configurar el registrador para los sensores externos que se utilizan.</li>
	<li>En la pantalla Propiedades , establezca el nombre del registrador/estación (es decir, Soil incubation exp.) y el intervalo de recopilación de datos (es decir, 60 min). Luego, en la pantalla Propiedades , haga clic en Habilitado en los puertos del sensor externo que se están utilizando y seleccione el sensor/unidad en el botón desplegable para cada puerto del sensor (es decir, Puerto A; "Habilitado": Temperatura °C). Finalmente, haga clic en Aceptar para guardar la configuración.</li>
	<li>Supervise la lectura de las sondas semanalmente para evitar un mal funcionamiento y descargue el conjunto de datos una vez al mes. Obtenga un registro completo de varios meses que cubra la temporada de crecimiento (es decir, de abril a septiembre).</li>
	<li>Realizar análisis de datos de los registros de temperatura. Obtenga la temperatura media por hora de la temporada de crecimiento promediando todas las observaciones.<ol><li>Obtenga la temperatura media de cada hora diariamente promediando temperaturas de la misma hora durante todos los días durante la temporada de crecimiento.</li>
	</ol></li>
	<li>En la cámara sofisticada, inicie el software y haga clic en el botón Perfil en la pantalla del menú principal para crear un nuevo archivo. En la línea de entrada del nombre de archivo, escriba "SW bajo". Al hacer clic en la opción Cambio instantáneo , ingrese 15.9 ° C como temperatura inicial como se obtuvo en el paso 1.5, e ingrese 2 en la fila Minutos para mantener la temperatura durante 2 minutos y haga clic en el botón Listo . Luego, en la opción Tiempo de rampa , ingrese 15.9 ° C como punto de ajuste objetivo y en la fila Horas ingrese 850 h para mantener la temperatura. En primer lugar, haga clic en el botón Listo .<ol><li>Repita el paso anterior en la segunda cámara agregando 5 °C a cada nodo de temperatura y cree un nuevo nombre de archivo "SW high".</li>
		<li>Repita el paso 1.4 en la tercera cámara añadiendo 23 pasos adicionales correspondientes a las 23 temperaturas horarias observadas del suelo obtenidas en el paso 1.5.1. En el último paso, llamado JUMP, establece 42 bucles repetidos (Jump Count 42). Esto lleva al escenario de calentamiento gradual o GW bajo.</li>
		<li>Repita el paso anterior en la cuarta cámara con 5 °C añadidos a cada nodo de temperatura. Esto permitirá una simulación de temperaturas variables durante 42 días a un nivel de temperatura más alto (es decir, GW alto).</li>
	</ol></li>
	<li>Realizar una ejecución preliminar durante 24 h y emitir las temperaturas registradas por las cuatro cámaras. Trazar las temperaturas registradas por las cámaras contra las programadas (Figura 2A-D).<ol><li>Si las temperaturas alcanzadas en la cámara coinciden con las temperaturas programadas por una diferencia de temperatura <0,1 °C durante las 24 h (Figura 2A,B,E,F), las cámaras son adecuadas para el experimento de incubación del suelo.</li>
		<li>Si los criterios no se cumplieron en cualquiera de estas cámaras, repita otra prueba de 24 h o busque una nueva cámara.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Recolección y homogeneización del suelo
<ol><li>Cerca del área de la sonda de temperatura, recoja cinco muestras de suelo a una profundidad de 0-20 cm y colóquelas en una bolsa de plástico después de quitar la capa de basura superficial.</li>
	<li>Mezcle bien la muestra retorciéndolo, presionando y mezclando los materiales en la bolsa hasta que no se vea ninguna muestra de suelo individual.</li>
	<li>Guarde las muestras en una hielera llena de bolsas de hielo y transporte las muestras al laboratorio inmediatamente.</li>
	<li>Retire las raíces en cada núcleo, tamizarlo a través de un tamiz de tierra de 2 mm, y mezclar y homogeneizar bien la muestra antes del siguiente análisis.</li>
</ol>3. Incubación de laboratorio
<ol><li>Antes de la incubación, pesar 10,0 g de tierra fresca, séquela al horno durante 24 h a 105 °C y pese la tierra seca. Derive la diferencia entre muestras de suelo fresco y seco y calcule la relación de diferencia sobre el peso del suelo seco para determinar el contenido de humedad del suelo en una hoja de cálculo.</li>
	<li>Utilice el contenido de humedad derivado para calcular el carbono de la biomasa microbiana del suelo (MBC), la actividad enzimática extracelular (EEA) y la respiración heterótrofa del suelo como se describe en los siguientes pasos. Estos datos ayudarán a comprender los efectos del tratamiento en la respiración del suelo y los mecanismos microbianos subyacentes.</li>
	<li>Antes de la incubación, pesar la submuestra de suelo húmedo de campo (10 g) y cuantificar el MBC del suelo mediante la fumigación con cloroformo-K2SO4 y los métodos de digestión de persulfato de potasio18.</li>
	<li>Antes de la incubación, pesar la submuestra de suelo húmedo de campo (1,0 g) y medir el suelo hidrolítico y oxidativoEEE 19.</li>
	<li>Pesar 16 submuestras de suelo húmedo de campo (equivalente a 15,0 g de peso seco) en 16 núcleos de cloruro de polivinilo (PVC) (5 cm de diámetro, 7,5 cm de alto) sellados con papel de fibra de vidrio en la parte inferior.</li>
	<li>Coloque los núcleos de PVC en frascos Mason (~ 1 L) forrados con una cama de cuentas de vidrio para asegurarse de que los núcleos no absorban la humedad.</li>
	<li>Coloque cuatro frascos en cada una de las cuatro cámaras como se describe en el paso 1.4. Encienda las cámaras e inicie el programa simultáneamente en cuatro cámaras.</li>
	<li>Durante la incubación, a las 2 h, días 1, 2, 7, 14, 21, 28, 35 y 42, tome todos los frascos en cada una de las cuatro cámaras y use un analizador portátil de gas CO2 para medir la tasa de respiración del suelo (Rs) colocando el collar del analizador en la parte superior de cada frasco.</li>
	<li>Recoja destructivamente todos los frascos al final de la incubación (es decir, el día 42) y cuantifique la CMM del suelo como se describe en el paso 3.3.</li>
	<li>Recolectar destructivamente todos los frascos al final de la incubación (es decir, el día 42) y cuantificar la actividad enzimática del suelo como se describe en el paso 3.4.</li>
</ol>4. Comparación del efecto de calentamiento
<ol><li>Suponiendo una tasa de respiración constante (Rs) entre dos colecciones consecutivas, use la tasa de respiración multiplicada por la duración para derivar la respiración acumulada (Rc).</li>
	<li>Realizar un análisis de varianza de medidasrepetidas de tres vías (ANOVA) para probar los efectos principales e interactivos del tiempo, la temperatura (calentamiento) y el modo de temperatura (escenario de calentamiento) en R s y Rc. Además, realice un ANOVA bidireccional para probar el calentamiento y los efectos del escenario de calentamiento en MBC y EEA.</li>
</ol>

El autor no tiene nada que revelar.

El método de control de temperatura constante se ha aplicado ampliamente (Tabla 1). Sin embargo, la magnitud y el patrón temporal de temperatura implementado en estos procedimientos simulan mal la temperatura del suelo observada en la condición de campo. A pesar de los esfuerzos emergentes que imitaban el patrón diurno en el pasado, tales estudios eran escasos y no lograban aclarar el equipo y el procedimiento; Tampoco validaron la simulación de temperatura en cuanto a exactitud y confiabilidad16,17. A medida que la comunidad se esforzó por mejorar su comprensión de las respuestas al calentamiento del suelo, es imperativo optimizar el procedimiento de incubación del suelo con una temperatura realista y un control factible. Sin embargo, tales nuevos métodos no se han desarrollado, y por lo tanto, un método estándar para futuros experimentos de incubación todavía está fuera de alcance. Ante la creciente complejidad del cambio de temperatura global en magnitud, amplitud, estacionalidad, duración y extremidad, un procedimiento integral tiene una gran demanda.
Aquí, se presentó un método para manipular un procedimiento de cambio de temperatura diurno, basándose en la cámara sofisticada, para ofrecer la capacidad de establecer un cambio de temperatura constante, lineal y no lineal y, posteriormente, varios escenarios de calentamiento para satisfacer futuras necesidades de investigación. Hay cuatro pasos críticos dentro del protocolo. El primero es determinar la temperatura del suelo en la condición del campo. Debido a que el tipo de suelo y la profundidad de interés, así como el tipo de uso de la tierra, pueden variar de un estudio a otro, el número de sondas de temperatura necesarias para el sitio de investigación específico debe modificarse para adaptarse mejor a las condiciones reales tanto como sea posible. En general, la profundidad del suelo para las sondas de temperatura debe satisfacer la mayoría de las necesidades de investigación a 0-20 cm, y el número de sondas para representar la temperatura del suelo debe limitarse de una a tres. La clave es lograr un registro de temperatura continuo y consecutivo a largo plazo en al menos una ubicación típica del suelo.
El segundo paso crítico es configurar el programa para lograr la magnitud y el patrón de temperatura objetivo en la cámara. Debido a la alta sensibilidad y precisión de la cámara (Figura 4), es factible programar para una representación precisa de la temperatura observada en la condición de campo. Aunque el protocolo actual solo presentaba la temperatura horaria observada como objetivo en la cámara, se puede lograr un monitoreo más frecuente de la temperatura del suelo, como 30 min, 15 min o incluso más corto, a través de este procedimiento. No obstante, deberá realizarse un ensayo de las temperaturas objetivo y de la cámara durante 24 h y, antes del experimento, los resultados del ensayo deberán cumplir los criterios inferiores a 0,1 °C entre el objetivo y las temperaturas de la cámara en todos los puntos temporales. Cuanto más frecuente sea la observación de temperatura seleccionada para simular, más pasos se necesitan para configurar el programa en la cámara antes del experimento.
El tercer paso crítico es llevar a cabo la incubación en sí. Para reducir la influencia de las heterogeneidades del suelo63, la homogeneización de las muestras de suelo es clave, y se recomiendan al menos tres réplicas para cada tratamiento. Antes de la incubación, se requiere un tratamiento previo a la incubación, y el procedimiento actual puede facilitar el tratamiento previo programando la temperatura y la duración antes del inicio oficial del experimento. Esto es ventajoso para reducir la perturbación experimental y orquestar toda la incubación sin problemas. El último paso crítico es incluir tratamientos de temperatura constante y temperatura variable para que se pueda hacer una comparación en cuanto a las respuestas de calentamiento del suelo.
Este protocolo se puede modificar fácilmente para permitir manipular la magnitud, amplitud y duración del cambio de temperatura. Por ejemplo, las temperaturas extremas durante una ola de calor en verano y las heladas repentinas a principios de primavera debido al cambio climático, se pueden representar utilizando este procedimiento, además de su capacidad para tener en cuenta su duración e intensidad variables. La simulación de las temperaturas regulares e irregulares en combinación también permite simular los efectos complejos de cambio de temperatura a largo plazo proyectados en el futuro. Como se resume en la Tabla 2, los escenarios de calentamiento que se han estudiado en muchos estudios distintos se pueden lograr colectivamente en un estudio. Se espera que este protocolo proporcione un método sofisticado para simular la temperatura en los estudios de incubación del suelo. Con la esperanza de una amplia aplicación, la adopción de este protocolo ayudará a identificar o validar un método más preciso para futuros estudios de calentamiento del suelo basados en la incubación de laboratorio.
Una limitación importante del procedimiento es que la cámara utilizada en el protocolo actual tiene un volumen relativamente pequeño, por lo que solo puede acomodar nueve frascos de incubación en cada cámara. Aunque un frasco más pequeño aumentará la capacidad de la cámara, se recomienda un gran volumen de cámara. Un nuevo modelo (por ejemplo, TestEquity 1007) ofrecerá ocho veces más capacidad y, por lo tanto, se recomienda para experimentos a gran escala. A pesar de la mejora del procedimiento de control de temperatura en las incubaciones de suelo, las posibles complicaciones con la humedad y la homogeneización del suelo no se aliviarán mediante la adopción del protocolo actual.
Demostramos las ventajas significativas del sofisticado procedimiento de control de temperatura. Proporciona una estrategia de control de temperatura confiable y asequible para obtener una simulación precisa de la temperatura y ofrece una forma factible de mejorar el experimento de incubación del suelo requerido para una mejor comprensión de las respuestas de calentamiento del suelo. Aunque el control de temperatura constante es ampliamente aceptado y logísticamente fácil de operar, los artefactos de temperatura constante a largo plazo en las comunidades microbianas del suelo pueden desviar los esfuerzos para capturar las respuestas genuinas del suelo. Los otros métodos de calentamiento de laboratorio reportados son en gran medida menos controlables y replicables. El protocolo actual es superior debido a su fácil operación, alta precisión y replicabilidad de la simulación de temperatura, programación explícita y capacidad para combinar varios escenarios de cambio de temperatura en un solo experimento. La viabilidad del control de temperatura con alta precisión permitirá a los investigadores explorar varios escenarios de cambio de temperatura.

Se espera que la temperatura global de la superficie aumente este siglo en 1.8-6.4 °C 1,2. El calentamiento global puede aumentar el flujo deCO2 del suelo a la atmósfera, lo que resulta en una retroalimentación positiva con el calentamiento 3,4,5,6. Debido a que las comunidades microbianas desempeñan un papel fundamental en la regulación de las respuestas respiratorias del suelo al calentamiento7,8, los cambios en la respiración microbiana y los mecanismos microbianos subyacentes con el calentamiento han sido un foco de investigación. Aunque los experimentos de calentamiento del suelo desplegados en la condición de campo, a través de un cable calefactor9 y una cámara superior abierta10, fueron ventajosos para capturar características naturales del suelo como la temperatura11, su alto costo de instalación y mantenimiento ha limitado su aplicación. Alternativamente, los experimentos de incubación de suelo sujetos a diferentes temperaturas son una opción favorable. La principal ventaja de la incubación del suelo en un laboratorio es que las condiciones ambientales bien controladas (por ejemplo, la temperatura) son capaces de separar el efecto de un factor de otros factores de confusión en un entorno experimental de campo12,13. A pesar de las diferencias entre la cámara de crecimiento y los experimentos de campo (por ejemplo, el crecimiento de las plantas), la traducción de los resultados de laboratorio al campo está fácilmente disponible14. La incubación de muestras de suelo en un entorno de laboratorio podría ayudar a mejorar nuestra comprensión mecanicista de la respuesta del suelo al calentamiento15.
Nuestra revisión de la literatura identificó varios métodos de control de temperatura y, en consecuencia, distintos modos de cambio de temperatura en estudios anteriores de incubación del suelo (Tabla 1). Primero, los instrumentos utilizados para controlar la temperatura son principalmente a través de una incubadora, cámara de crecimiento, baño de agua y, en un caso raro, cable calefactor. Dados estos instrumentos, se han generado tres patrones típicos de cambio de temperatura (Figura 1). Estos incluyen el modo más implementado, temperatura constante (CT), cambio lineal (LC) con una tasa de cambio de temperatura constante no nula y cambio no lineal (NC) presentado con un tipo de temperatura diurna. Para un caso de patrón de TC, la temperatura puede variar en magnitud con el tiempo, aunque la temperatura constante permanece durante un cierto período de tiempo durante la incubación (Figura 1B). Para la CL, la tasa de cambio de temperatura podría variar en diferentes estudios a más de dos órdenes de magnitud (p. ej., 0,1 °C/día vs. 3,3 °C/h; Cuadro 1); Para los casos NC, la mayoría se basó en la capacidad intrínseca de los instrumentos utilizados, lo que condujo a varios modos. A pesar de que se reclamó un tipo de cambio de temperatura diurna a través de un cable calefactor o incubadora16,17; Sin embargo, las temperaturas de la cámara en estos experimentos no fueron validadas. Otros resultados importantes de la revisión en la Tabla 1 incluyen el rango de temperatura de incubación de 0-40 °C, con la mayoría entre 5-25 °C; La duración de los experimentos varió de unas pocas horas (<1 día) a casi 2 años (~725 días). Además, los suelos sometidos a incubaciones se recolectaron de ecosistemas forestales, pastizales y tierras de cultivo, con horizonte mineral dominante, horizonte orgánico e incluso suelo contaminado, ubicados principalmente en los Estados Unidos, China y Europa (Tabla 1).
Dados los tres modos principales de cambio de temperatura, varios escenarios de calentamiento distintos logrados en los estudios anteriores se resumieron en la Tabla 2. Incluyen calentamiento escalonado (SW), SW con magnitud variable (SWv), calentamiento gradual lineal (GWl), calentamiento gradual no lineal (GWn) y calentamiento gradual diurno (GWd).
En resumen, las incubaciones de suelo pasadas generalmente capturaron la temperatura promedio del aire o del suelo en un sitio. En muchos casos, como se muestra en la Tabla 1, las incubadoras o cámaras se programaron manualmente a una temperatura fija, pero no pudieron ajustar automáticamente la temperatura según lo deseado, careciendo de la capacidad de controlar el modo y la velocidad del cambio de temperatura con el tiempo (Ec. 1), lo que dificulta imitar la temperatura diurna del suelo local. Por otro lado, aunque se intentó en dos experimentos16,17, no identificamos estudios que imitaran explícitamente el calentamiento gradual diurno (GWd) en sus experimentos de incubación (Tabla 1). Según la revisión de la literatura, el principal obstáculo radica en el diseño experimental deficiente, particularmente la falta de un instrumento sofisticado que permita la implementación y validación de escenarios de calentamiento diurno u otros escenarios de calentamiento gradual.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64081/64081eq01.jpg" style="margin: auto;">(Ec. 1)
Donde ΔT es la cantidad de cambio de temperatura, m es el modo de cambio de temperatura, r es la tasa de cambio de temperatura y t es la duración del cambio.
Para mejorar el rigor experimental en la incubación del suelo, en este estudio se presenta un método de control de temperatura preciso y sofisticado. Al adoptar una cámara ambiental de última generación, cada vez más disponible y económicamente viable, el nuevo diseño no solo permitirá la simulación precisa de la temperatura del suelo in situ (por ejemplo, patrón diurno), sino que también, al tener en cuenta posibles cambios extremos de temperatura, proporcionará una forma confiable de minimizar los artefactos de sesgo instrumental. El diseño actual de incubación del suelo debe ayudar a los investigadores a identificar estrategias óptimas que satisfagan sus necesidades de incubación e investigación. El objetivo general de este método es presentar a los biogeoquímicos del suelo un enfoque altamente operativo para reformar el diseño de incubación del suelo.

<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

El estudio del impacto del calentamiento en los suelos requiere una representación realista y precisa de la temperatura. En estudios de incubación de laboratorio, un método ampliamente adoptado ha sido hacer temperaturas constantes en múltiples cámaras, y mediante comparaciones de las respuestas del suelo entre cámaras de baja y alta temperatura, para derivar el impacto del calentamiento en los cambios del suelo. Sin embargo, este método comúnmente utilizado no logró imitar tanto la magnitud como la amplitud de las temperaturas reales observadas en condiciones de campo, lo que podría socavar la validez de tales estudios. Con cámaras ambientales sofisticadas cada vez más disponibles, es imperativo examinar métodos alternativos de control de temperatura para la investigación de incubación del suelo. Este protocolo introducirá una cámara ambiental de última generación y demostrará métodos convencionales y nuevos de control de temperatura para mejorar el diseño experimental de la incubación del suelo. El protocolo comprende principalmente cuatro pasos: monitoreo y programación de temperatura, recolección de suelo, incubación de laboratorio y comparación del efecto de calentamiento. Se presentará un ejemplo para demostrar diferentes métodos de control de temperatura y los escenarios de calentamiento contrastantes resultantes; es decir, un diseño de temperatura constante denominado calentamiento gradual (SW) y un diseño de temperatura simulado in situ como calentamiento gradual (GW), así como sus efectos sobre la respiración del suelo, la biomasa microbiana y las actividades enzimáticas extracelulares. Además, presentamos una estrategia para diversificar los escenarios de cambio de temperatura para satisfacer las necesidades específicas de investigación del cambio climático (por ejemplo, calor extremo). El protocolo de control de temperatura y los escenarios de cambio de temperatura bien adaptados y diversificados recomendados ayudarán a los investigadores a establecer experimentos de incubación de suelo confiables y realistas en el laboratorio.

Las cámaras seleccionadas de última generación replicaron la temperatura objetivo con alta precisión (Figura 2A, B, E, F) y cumplieron con los requisitos técnicos del experimento de incubación. Dado el fácil uso y operación, esto significó la técnica para mejorar la simulación de temperatura en estudios de calentamiento del suelo y en otras aplicaciones como estudios de plantas. El procedimiento se ha empleado en nuestro reciente estudio de caso basado en una tierra de cultivo de pasto varilla en el centro de Tennessee.
Los resultados de la investigación mostraron que, en relación con el tratamiento de control, el calentamiento condujo a pérdidas respiratorias significativamente mayores (Rs y R c) en ambos escenarios de calentamiento (SW y GW), y GW duplicó la pérdida respiratoria inducida por el calentamiento (Rc) en relación con SW, 81% vs. 40% (Figura 3). En el día 42, MBC y EEA también fueron significativamente diferentes entre SW y GW, de modo que MBC fue mayor en SW que en GW (69% vs. 38%; Figura 4) y las glicosidasas y la peroxidasa (p. ej., AG, BG, BX, CBH, NAG, AP, LAP) fueron significativamente mayores en GW que en los escenarios SW (Figura 5). 
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig01.jpg"> Figura 1: La ilustración del modo de cambio de temperatura en un experimento de calentamiento del suelo como se conceptualiza a partir de la Tabla 1. (A) Temperatura constante (TC) adoptada por la mayoría de los estudios. (B) Temperatura constante con magnitud variable (CTv). (C,D) Cambio lineal (LC) con tasas positivas y negativas. (E,F) Cambio no lineal (NC) con patrón irregular y patrón diurno. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig01large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig02.jpg"> Figura 2: Temperatura dirigida a través de la programación y la temperatura de la cámara durante un período de prueba de 24 horas. (A,B) Temperatura objetivo (línea gris) y registros de temperatura de la cámara (línea discontinua) bajo control y tratamientos de calentamiento escalonado (SW); (C,D) Temperatura objetivo (línea gris) y registros de temperatura de la cámara (línea discontinua) bajo control y tratamientos de calentamiento gradual (GW); (E, F) La diferencia de temperatura derivada para los registros en los paneles C y D. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig02large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig03.jpg"> Figura 3: Tasa media (± SE) acumulada de respiración del suelo (Rc, μg CO2-C·g suelo-1) bajo control (hueco) y calentamiento (oscuro) tratamientos en SW y GW en un experimento de incubación desuelo de 42 días. Los recuadros muestran las tasas de respiración del suelo (R s, μg CO2-C·h-1·g suelo-1) aplicadas para estimar la respiración acumulada, asumiendo que R s era constante hasta la siguiente medición. (A) Calentamiento gradual (SW) y (B) calentamiento gradual (GW). N = 4 en cada colección. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig03large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig04.jpg"> Figura 4: Media (± SE) MBC bajo control y tratamientos de calentamiento en SW y GW en un experimento de incubación de suelo de 42 días. MBC = carbono de biomasa microbiana; N = 4 en cada colección. S denota un efecto significativo del escenario de calentamiento (SW vs. GW), en p < 0.05, basado en un ANOVA de tres vías de medidas repetidas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig04large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64081/64081fig05.jpg"> Figura 5: Media (± SE) glicosidasas y peroxidasa (actividad μmol h-1·gsuelo-1) bajo control y tratamientos de calentamiento en SW y GW en un experimento de incubación de 42 días. BX =β1,4-xilosidasa; AP = fosfatasa ácida; LAP = Leucina aminopeptidasa; NAG =β-1,4-N-acetil-glucosaminidasa; OX = Enzimas oxidativas; PHO = Fenol oxidasa; PER = Peroxidasa. N = 4 en cada colección. S denota un efecto significativo del escenario de calentamiento (SW vs. GW), en p < 0.05, basado en un ANOVA de tres vías de medidas repetidas. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/64081fig05large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Tabla 1: Revisión bibliográfica de métodos de control de temperatura y modos de cambio de temperatura en estudios de incubación de suelos 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. En total, se incluyeron 46 estudios en la revisión. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/Table1-64081R2.xlsx" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta tabla.</a>
Tabla 2: Principales modos de cambio de temperatura y los escenarios de calentamiento correspondientes basados en una revisión de la literatura (Tabla 1). Se establecieron cinco modos y escenarios para representar una amplia gama de posibles condiciones de cambio de temperatura y calentamiento. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64081/Table%202-64081R2.xlsx" target="_blank">Haga clic aquí para descargar esta tabla.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment at JoVE.com

Simulating Temperature in a Soil Incubation Experiment

Los experimentos de calentamiento del suelo de laboratorio generalmente emplean dos o más temperaturas constantes en múltiples cámaras. Al presentar una cámara ambiental sofisticada, proporcionamos un método preciso de control de temperatura para imitar la magnitud y amplitud de la temperatura del suelo in situ y mejorar el diseño experimental de los estudios de incubación del suelo.

Simulación de temperatura en un experimento de incubación de suelo

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

Este protocolo introducirá una cámara ambiental de última generación y demostrará un nuevo método de control de temperatura para mejorar el diseño experimental de una incubación de suelo. La principal ventaja de esta técnica es su capacidad para imitar la magnitud y amplitud de la temperatura del suelo. Este método se puede aplicar para simular los diferentes escenarios de calentamiento en la incubación del suelo, como el calor extremo.Un desafío potencial de esta técnica es configurar el perfil de temperatura en la cámara. Se requeriría observar y comprender las variaciones diurnas de temperatura en el suelo. Para comenzar, abra el software en la computadora y haga clic en el botón Iniciar y Barra de herramientas de propiedades para configurar el registrador para los sensores externos que se utilizan.Establezca el nombre de la estación del registrador y el intervalo de recopilación de datos. Luego, en la pantalla Propiedades, haga clic en Habilitado en los puertos del sensor externo que se están utilizando y seleccione el sensor y la unidad en el menú desplegable para cada puerto del sensor. Finalmente, haga clic en Aceptar para guardar la configuración.Descargue el conjunto de datos una vez al mes y obtenga un registro completo de varios meses que cubra la temporada de crecimiento. Para analizar los datos de los registros de temperatura, obtenga la temperatura media por hora de la temporada de crecimiento promediando todas las observaciones. Para obtener la temperatura media para cada hora diaria, promedie las temperaturas en la misma hora durante todos los días durante la temporada de crecimiento.En la cámara sofisticada, inicie el software y haga clic en el botón Perfil en la pantalla del menú principal para crear un nuevo archivo. En la línea File Name Input (Entrada de nombre de archivo), escriba SW Low. Al hacer clic en la opción Cambio instantáneo, ingrese 15.9 grados centígrados como temperatura inicial.Introduzca dos en la fila Minutos para mantener la temperatura durante dos minutos y haga clic en el botón Listo. Luego, en la opción Tiempo de rampa, ingrese 15.9 grados centígrados como el punto de ajuste objetivo y en la fila Horas, ingrese 850 horas para mantener la temperatura, haga clic en el botón Listo. En la segunda cámara, agregue cinco grados centígrados a cada nodo de temperatura.Cree un nuevo nombre de archivo SW High y repita los pasos mostrados anteriormente. En la tercera cámara, agregue 23 pasos adicionales correspondientes a 23 temperaturas horarias observadas del suelo y en el último paso llamado Saltar, establezca 42 bucles repetidos. Esto lleva al escenario de calentamiento gradual o GW Low.En la cuarta cámara, agregue cinco grados centígrados a cada nodo de temperatura y repita los pasos mostrados anteriormente. Esto permitirá una simulación de temperaturas variables durante 42 días a un nivel de temperatura más alto. Realice una ejecución preliminar durante 24 horas y emita las temperaturas registradas por las cuatro cámaras.Trazar las temperaturas registradas por las cámaras contra las programadas. Si las temperaturas alcanzadas en la cámara coinciden con las temperaturas programadas por una diferencia de temperatura de menos de 0,1 grados centígrados durante las 24 horas, las cámaras son adecuadas para el experimento de incubación del suelo. Si no se cumplen los criterios, repita otra prueba de 24 horas o busque una nueva cámara.Cerca del área de la sonda de temperatura, recoja cinco muestras de suelo de cero a 20 centímetros de profundidad y colóquelas en una bolsa de plástico después de quitar la capa de basura superficial. Mezcle bien la muestra retorciendo y presionando y mezclando los materiales en la bolsa hasta que no se vea ninguna muestra de suelo individual. Guarde las muestras en una hielera llena de bolsas de hielo y transporte las muestras al laboratorio inmediatamente.Retire las raíces en cada núcleo. Tamizarlo a través de un tamiz de tierra de dos milímetros y mezclar y homogeneizar bien la muestra. Pesar 10 gramos de tierra fresca.Seque al horno durante 24 horas a 105 grados centígrados y pese el suelo seco. Derive la diferencia entre muestras de suelo fresco y seco y calcule la relación de diferencia sobre el peso del suelo seco para determinar el contenido de humedad del suelo en una hoja de cálculo. Pesar 10 gramos de la submuestra de suelo húmedo de campo y cuantificar el carbono de biomasa microbiana del suelo mediante fumigación con cloroformo, extracción de sulfato de potasio y potasio por métodos de digestión de sulfato.A continuación, pese un gramo de la submuestra de suelo húmedo de campo y mida la actividad enzimática extracelular hidrolítica y oxidativa del suelo. Luego pese 16 submuestras de suelo húmedo de campo en 16 núcleos de PVC sellados con papel de fibra de vidrio en la parte inferior. Coloque los núcleos en frascos de un litro forrados con una cama de cuentas de vidrio para asegurarse de que los núcleos no absorban la humedad.Coloque cuatro frascos en cada una de las cuatro cámaras. Encienda las cámaras e inicie el programa simultáneamente en cuatro cámaras. Durante la incubación, tome todos los frascos en cada una de las cuatro cámaras y coloque el color del analizador portátil de gas de dióxido de carbono en la parte superior de cada frasco para medir la tasa de respiración del suelo.Recoja destructivamente todos los frascos al final de la incubación, es decir, el día 42, y cuantifique el carbono de la biomasa microbiana del suelo y la actividad enzimática del suelo. Suponiendo una tasa de respiración constante entre dos colecciones consecutivas, use la tasa de respiración multiplicada por la duración para derivar la respiración acumulada. Realice un análisis de varianza de medidas repetidas de tres vías o ANOVA para probar los efectos principales e interactivos del tiempo, la temperatura y el modo de temperatura sobre la frecuencia respiratoria y la respiración acumulativa.Además, realice un ANOVA bidireccional para probar los efectos del escenario de calentamiento y calentamiento en el carbono de la biomasa microbiana y la actividad de las enzimas extracelulares. Aquí se presenta la ilustración del modo de cambio de temperatura en un experimento de calentamiento del suelo. Aquí se muestran la temperatura constante adoptada por la mayoría de los estudios, la temperatura constante con magnitud variable, el cambio lineal con tasas positivas y negativas, y el cambio no lineal con patrones irregulares y diurnos.La tasa media acumulada de respiración del suelo bajo control y los tratamientos de calentamiento en el calentamiento gradual y el calentamiento gradual en un experimento de incubación del suelo de 42 días se muestra en esta figura. Los recuadros muestran las tasas de respiración del suelo aplicadas a la estimación y la respiración acumulada asumiendo una tasa de respiración constante. Los resultados muestran que el calentamiento condujo a pérdidas respiratorias significativamente mayores tanto en escenarios de calentamiento como en el calentamiento gradual duplicó la pérdida respiratoria inducida por el calentamiento en relación con el calentamiento escalonado, 81% versus 40%.Aquí, S denota el efecto significativo del escenario de calentamiento basado en un ANOVA de tres medidas repetidas. Esta figura representa las actividades medias de hidrolasas y oxidasas bajo control y tratamientos de calentamiento en calentamiento gradual y gradual en un experimento de 42 días. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los biogeoquímicos del suelo examinaran los efectos de varios escenarios de calentamiento en la respiración del suelo y los micros mediante una programación sofisticada en la cámara.

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

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

Diseño y aplicación de un continuo<sup&gt; 13</sup&gt; C y<sup&gt; 15</sup&gt; N Cámara Etiquetado de Uniforme o Diferencial, metabólico y estructural, Planta de isótopos de etiquetado

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

Investigación

Medio ambiente

Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity

Protocolo Experimental para la inducida por la planta Manipulación de la heterogeneidad del suelo

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

Muestreo de suelos y aislamiento de nematodos entomopatógenos (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 ...

A Protocol for Collecting and Constructing Soil Core Lysimeters

Un protocolo de recogida y la construcción de Lisímetros testigo del suelo

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

Lisímetro suelo de excavación para acoplados hidrológicos, geoquímicos, e investigaciones microbiológicas

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled ...

Assessment of Labile Organic Carbon in Soil Using Sequential Fumigation Incubation Procedures

Evaluación de la lábil de carbono orgánico en el suelo Uso de procedimientos de incubación secuencial Fumigación

Management practices and environmental changes can alter soil nutrient and carbon cycling. Soil labile organic carbon, a readily decomposable C pool, is ...

A Gusseted Thermogradient Table to Control Soil Temperatures for Evaluating Plant Growth and Monitoring Soil Processes

Una tabla de fuelle Thermogradient para controlar las temperaturas del suelo para evaluar el crecimiento de la planta y Seguimiento de los procesos del suelo

Thermogradient tables were first developed in the 1950s primarily to test seed germination over a range of temperatures simultaneously without using a ...

Protocols for Quantifying Transferable Pesticide Residues in Turfgrass Systems

Protocolos para la cuantificación de residuos de plaguicidas transferibles en Sistemas de céspedes

Plant canopies in established turfgrass systems can intercept an appreciable amount of sprayed pesticides, which can be transferred through various routes ...

A Lipid Extraction and Analysis Method for Characterizing Soil Microbes in Experiments with Many Samples

Un método de extracción y análisis de lípidos para caracterizar los microbios del suelo en experimentos con muchas muestras

Microbial communities are important drivers and regulators of ecosystem processes. To understand how management of ecosystems may affect microbial ...

Measuring and Mapping Patterns of Soil Erosion and Deposition Related to Soil Carbonate Concentrations Under Agricultural Management

Medición y mapeo de patrones de erosión y deposición relacionadas las concentraciones de carbonato de suelo bajo manejo agrícola

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