全自動溫室氣體在線測量系統(tǒng)在土壤有機碳分解對溫度變化響應(yīng)的應(yīng)用

       土壤有機碳是指土壤中各種正價態(tài)的含碳有機化合物，是土壤極其重要的組成部分，對地球碳循環(huán)有巨大的影響，既是溫室氣體“源”，也是其重要的“匯”。由于土壤有機碳的組成成分和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加之受到環(huán)境與測量技術(shù)的限制，目前對其分解特征和循環(huán)轉(zhuǎn)化尚未得到充分的認(rèn)識。

       2018年，由北京普瑞億科科技有限公司與中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所聯(lián)合研發(fā)的PRI-8800全自動變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)，一經(jīng)推出便得到了廣泛關(guān)注。該系統(tǒng)在土壤有機質(zhì)分解速率、Q10及其調(diào)控機制方面提供了一整套高效的解決方案，為科研人員提供室內(nèi)變溫培養(yǎng)模擬野外環(huán)境的條件，讓科研可以更廣、更深層次地開展，相關(guān)文章發(fā)表已達17篇。

       今天與大家分享的文章是羅忠奎課題組關(guān)于揭示剖面土壤有機碳分解對溫度變化的響應(yīng)特征及其控制因子的研究。

 

       在該項研究中，針對土壤培養(yǎng)和Q10估算，采用PRI-8800作為關(guān)鍵設(shè)備之一，該成果發(fā)表于《Soil Biology and Biochemistry》，我們一起學(xué)習(xí)一下吧！
 

       在氣候變暖的背景下，土壤有機碳分解溫度敏感性（Q10）的研究主要集中在表層土壤，而深層土壤有機碳分解特征及其控制因子還未得到充分的認(rèn)識，這將會明顯增加陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫—氣候反饋的強度和方向預(yù)測的不確定性。

       針對上述問題，浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院遙感所羅忠奎研究員課題組在中國西藏東南部，采集沿著海拔區(qū)間約2500米（約2100米至約4600米）的樣帶（從常綠闊葉林到高寒草甸）10個地點、5個連續(xù)土層深度（0-10、10-20、20-30、30-50和50-100 cm）土壤樣品，結(jié)合13C-NMR和物理化學(xué)分組技術(shù)表征了有機碳的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)穩(wěn)定性，并對剖面土壤進行培養(yǎng)（128天），評估了土壤有機碳分解的溫度敏感性及其主要影響因子。

 

圖1.不同海拔和土層間Q10值的分布，Q10-cum，基于128天累積培養(yǎng)呼吸計算；Q10-q，基于累積消耗碳組分0-0.1%、0.2-0.3%、0.4-0.5%計算；Q10-k基于模型模擬快庫、慢庫、惰庫計算。
 

 

       研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同海拔和不同土層土壤有機碳的化學(xué)穩(wěn)定性和物理化學(xué)穩(wěn)定性都存在顯著差異。高海拔地區(qū)（海拔3600米以上的冷杉林和高山草甸）土壤有機碳的化學(xué)抗性高于低海拔地區(qū)。土壤有機碳分解的Q10受土壤深度和海拔高度的顯著影響。而深度對Q10的影響遠小于海拔梯度對Q10的影響。高海拔地區(qū)土壤有機碳礦化的溫度敏感性高于低海拔地區(qū)。

 

 

       土壤有機碳的化學(xué)性質(zhì)在土壤有機碳礦化溫度敏感性的變異中起主要解釋作用，其中有機碳疏水性、累積礦化碳組分和烷基碳/氧烷基碳比率為重要性前三的土壤有機碳化學(xué)性質(zhì)；土壤有機碳物理保護作用次之。

 

 

 

       有機碳的化學(xué)組成及其對分解的物理化學(xué)保護對Q10值的解釋方差貢獻了80%。路徑分析表明，氣候通過調(diào)控土壤有機碳的化學(xué)組成及其物理化學(xué)穩(wěn)定性間接影響Q10�；�于數(shù)據(jù)約束的碳模型進一步揭示，快速、緩慢和被動碳庫的Q10表現(xiàn)出顯著差異，這是由于其分解過程中化學(xué)組成參與和物理化學(xué)保護的不同造成。

       研究成果以“Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile”為題，于2022年6月2日在線發(fā)表于土壤學(xué)科領(lǐng)域著名期刊Soil Biology and Biochemistry（5年影響因子8.312）。浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院助理研究員毛霞麗為第一作者，博士研究生鄭金陽成為共同第一作者，浙江大學(xué)環(huán)資與資源學(xué)院研究員羅忠奎為通訊作者。該項目得到國家自然科學(xué)基金項目（41930754、32171639），國家重點研發(fā)政府間國際科技創(chuàng)新合作項目（2021YFE0114500），中央高�；�礎(chǔ)研究基金（226-2022-00084）。

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服務(wù)國家“雙碳”目標(biāo)

普瑞億科從未停止創(chuàng)新的腳步

歷時一年的研究與探索

升級后的系統(tǒng)有哪些亮點？

我們一起了解一下~

       土壤有機質(zhì)分解速率（R）對溫度變化的響應(yīng)非常敏感。溫度敏感性參數(shù)（Q10）可以刻畫土壤有機質(zhì)分解對溫度變化的響應(yīng)程度。Q10是指溫度每升高10℃，Ｒ所增加的倍數(shù)；Q10值越大，表明土壤有機質(zhì)分解對溫度變化就越敏感。Q10不僅取決于有機質(zhì)分子的固有動力學(xué)屬性，也受到環(huán)境條件的限制。Q10能抽象地描述土壤有機質(zhì)分解對溫度變化的響應(yīng)，在不同生態(tài)類型系統(tǒng)、不同研究間架起了一個規(guī)范的和可比較的參數(shù)，因此其研究意義重大。

       以往Q10研究通過選取較少的溫度梯度（3-5個點）進行測量，從而導(dǎo)致不同土壤的呼吸對溫度變化擬合相似度高的問題無法被克服。Robinson最近的研究（2017）指出，最低20個溫度梯度擬合土壤呼吸對溫度的響應(yīng)曲線可以有效解決上述問題。PRI-8800全自動變溫土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)為Q10的研究提供了強有力的工具，不僅能用于測量Q10對環(huán)境變量主控溫度因子的響應(yīng)，也能用于測量其對土壤含水量、酶促反應(yīng)、有機底物、土壤生物及時空變異等的響應(yīng)。PRI-8800為Q10對關(guān)聯(lián)影響因子的研究，提供了一套快捷、高效、準(zhǔn)確的整體解決方案。

1）溫度依賴性的研究：既然溫度的變化會極大影響土壤呼吸，基于溫度變化的Q10研究成為科學(xué)家研究中重中之重。2017年Robinson提出的最低20個溫度梯度擬合土壤呼吸對溫度響應(yīng)曲線的建議，將糾正以往研究人員只設(shè)置3-5個溫度點（大約相隔5-10℃）進行呼吸測量的做法，該建議能解決傳統(tǒng)方法因溫度梯度少而導(dǎo)致的不同土壤的呼吸對溫度變化擬合相似度高的問題，更能提升不同的理論模型或隨后模型推算結(jié)果的準(zhǔn)確性。而上述至少20個溫度點的設(shè)置和對應(yīng)的土壤呼吸測量，僅僅需要在PRI-8800程序中預(yù)設(shè)幾個溫度梯度即可完成多個樣品在不同溫度下的自動測量，這將極大提高科學(xué)家的工作效率。

除了上述變溫應(yīng)用案例外，科學(xué)家還可以依據(jù)自己的實驗設(shè)計進行諸如日變化、月變化、季節(jié)變化、甚至年度溫度變化的模擬培養(yǎng)，通過PRI-8800的“傻瓜式”操作測量，將極大減少科學(xué)家實驗實施的周期和工作量，并提高了工作效率。PRI-8800全自動變溫培養(yǎng)土壤CO2 H2O在線測量系統(tǒng)主要包含自動進樣器、水槽、壓縮機、CO2 H2O 分析儀、內(nèi)部計算機、25位樣品盤等，25個樣品瓶。

PRI-8800除了具有上述變溫培養(yǎng)的特色，還可以進行恒溫培養(yǎng)，抑或是恒溫/變溫交替培養(yǎng)，這些組合無疑拓展了系統(tǒng)在不同溫度組合條件下的應(yīng)用場景。

2）水分依賴性的研究：多數(shù)研究表明，在溫度恒定的情況下，Q10很容易受土壤含水量的影響，表現(xiàn)出一定的水分依賴特性。PRI-8800可以通過手動調(diào)整土壤含水量的做法，并在PRI-8800快速連續(xù)測量模式下，實現(xiàn)不同水分梯度條件下土壤呼吸的精準(zhǔn)測量，而PRI-8800的邏輯設(shè)計，為短期、中期和長期濕度控制條件下的土壤呼吸的連續(xù)、高品質(zhì)測量提供了可能。

3）底物依賴性的研究：底物物質(zhì)量與Q10密切相關(guān)，這里的底物包含不限于自然態(tài)的土壤，如含碳量，含氮量，易分解/難分解的碳比例、土壤粘粒含量、酸堿鹽度等；也可能包含了某些外源底物，如外源的生物質(zhì)碳、微生物種群、各種肥料、呼吸促進/抑制劑、同位素試劑等。通過PRI-8800快速在線變溫培養(yǎng)測量，能加速某些研究進程并獲得可靠結(jié)果，如生物質(zhì)炭在土壤改良過程中的土壤呼吸研究、緩釋肥緩釋不同階段對土壤呼吸的持續(xù)影響、鹽堿土壤不同改良措施下的土壤呼吸的變化響應(yīng)等等。

4）生物依賴性的研究：土壤呼吸包含土壤微生物呼吸（>90%）和土壤動物呼吸（1-10%），土壤微生物群落對Q10影響重大。通過溫度響應(yīng)了解培養(yǎng)前后的微生物種群和數(shù)量的變化以及對應(yīng)的土壤呼吸速率的變化有重要意義。外源微生物種群的添加，或許幫助科學(xué)家找出更好的Q10對土壤生物依賴性的響應(yīng)解析。