全自動土壤溫室氣體測量系統(tǒng)在草地土壤碳激發(fā)效應研究的應用
2018年，由北京普瑞億科科技有限公司研發(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。目前以PRI-8800為關(guān)鍵設(shè)備發(fā)表的相關(guān)文章已達23篇。
今天與大家分享的是肖春旺教授團隊在草地土壤碳激發(fā)效應研究領(lǐng)域取得新進展，在該項研究中，研究團隊利用PRI-8800對來自外源碳和土壤有機質(zhì)的土壤微生物呼吸的快速、連續(xù)、高頻觀測，為研究結(jié)果提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。
來自植物根際和凋落物層淋溶的易分解外源碳（LOC）輸入土壤是生態(tài)系統(tǒng)常見的自然現(xiàn)象，其在微生物介導的土壤碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是在植物根系密集的草原生態(tài)系統(tǒng)。然而，外源碳的輸入并不總是意味著土壤碳的凈增加，因其能為異養(yǎng)微生物群落提供可用的碳和能量，進一步對土壤有機質(zhì)的分解產(chǎn)生影響，即激發(fā)效應（Priming Effect，PE）。長期以來，盡管許多研究已經(jīng)探討了由外源碳添加誘導的激發(fā)效應，但很少有研究關(guān)注其短期效應。其次，輸入土壤的外源碳是高度動態(tài)變化的，會迅速融入微生物、土壤有機質(zhì)，或分解為CO2，但由于土壤微生物對外源碳輸入的反應很快，來自外源碳的呼吸作用對微生物呼吸作用的相對貢獻及其影響因素仍不確定。此外，圍欄禁牧被認為是實現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)自我恢復的重要途徑，其對土壤碳氮特性具有重要的積極影響，而圍欄禁牧所導致的土壤碳氮特征變化可能進一步影響微生物對外源碳和土壤有機質(zhì)的分解，但目前仍然缺乏對此的全面了解。
針對以上科學問題，肖春旺教授團隊在中科院內(nèi)蒙古草原生態(tài)站開展了相關(guān)研究，研究人員采集了3個不同圍封禁牧時間（42年、22年和0年[自由放牧]）和4個不同土層深度（0–10、10–30、30–50、50–100 cm）的土壤。通過向土壤中添加δ13C標記的葡萄糖以模擬自然界的碳輸入，并使用北京普瑞億科科技有限公司研發(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)，在105-h內(nèi)實現(xiàn)了分鐘尺度上對來自外源碳和土壤有機質(zhì)的土壤微生物呼吸的快速、連續(xù)、高頻觀測，主要探究了土壤碳氮特征變化對土壤微生物響應外源碳輸入的短期過程以及對外源碳和土壤有機質(zhì)分解的影響及機制。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤微生物對外源碳的輸入反應迅速，由土壤有機碳和碳氮比控制的微生物生物量是直接影響微生物對外源碳輸入反應強度的最重要因素。放牧和較深的土壤層減少了來自外源碳的呼吸作用及其對總呼吸作用的相對貢獻（圖1），主要歸因于土壤碳氮比和真菌/細菌的變化。此外，外源碳添加促進了所有土壤中有機質(zhì)的分解，使土壤有機質(zhì)的呼吸作用增加了11.3–92.4 mg C g-1 SOC，相當于18.7–266.1%的激發(fā)效應。放牧和土壤深度增加導致了更大的激發(fā)效應和土壤碳損失，其中土壤碳氮比和有機碳含量是最重要的調(diào)節(jié)因素。
圖1不同土壤中來自外源碳和土壤有機質(zhì)的累積碳礦化量及其比值
注：GE42（10）、GE22（10）和GE0（10）分別代表圍欄禁牧42年、22年和0年樣點的0–10 cm土壤；GE42（10）、GE42（30）、GE42（50）和GE42（50）分別代表圍欄42年樣點的0–10、10–30、30–50、50–100 cm的土壤。
禁牧被認為是實現(xiàn)草原生態(tài)系統(tǒng)自我恢復的重要途徑，了解放牧對外源碳輸入下草原碳循環(huán)的影響可能有助于提高我們對未來草原土壤碳動態(tài)的預測。因此，結(jié)合本研究結(jié)果，研究人員建立了一個概念框架，闡明了禁牧年限和土壤深度變化對外源碳輸入下草原土壤微生物呼吸和土壤碳動態(tài)的影響（圖2）。禁牧對植被的積極影響進一步提升了土壤有機質(zhì)的質(zhì)和量，進而通過影響微生物特性導致更多的外源碳被微生物呼吸代謝，并增大其對總微生物呼吸的貢獻，但是卻會減小其誘導的激發(fā)效應和土壤碳損失。然而，對于不同深度的土壤而言，增加土層深度會影響土壤有機質(zhì)的質(zhì)和量，導致來自外源碳的呼吸及其對總微生物呼吸的貢獻均減小，但是卻會減小其誘導的激發(fā)效應和土壤碳損失。目前在世界大部分地區(qū)，由于受到人類活動的影響，草原正面臨著嚴重退化的困境，而禁牧可能是實現(xiàn)表層土壤碳固持的有效措施。
圖2 禁牧和土壤深度變化對外源碳輸入下草原土壤微生物呼吸和土壤碳動態(tài)影響的概念圖
相關(guān)研究成果以“The quality and quantity of SOM determines the mineralization of recently added labile C and priming of native SOM in grazed grasslands”為題在線發(fā)表于國際土壤學領(lǐng)域主流期刊《Geoderma》（中科院一區(qū)Top，IF5 = 7.444）上。
生命與環(huán)境科學學院2019級博士研究生李超為本論文第一作者，肖春旺教授為本論文的通訊作者。中國科學院地理科學與資源研究所何念鵬研究員為本研究的重要合作作者，另外，中國科學院地理科學與資源研究所的徐麗副研究員和李明旭博士也參與了本研究。
來源丨中央民族大學生命與環(huán)境科學學院官網(wǎng)
相關(guān)論文信息：Li C, Xiao C, Li M, et al. The quality and quantity of SOM determines the mineralization of recently added labile C and priming of native SOM in grazed grasslands[J]. Geoderma, 2023, 432: 116385.原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116385.
為響應國家“雙碳”目標，針對國內(nèi)“雙碳”行動有效性評估，普瑞億科全新升級了PRI-8800 全自動變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)，結(jié)合了連續(xù)變溫培養(yǎng)和高頻土壤呼吸在線測量的優(yōu)勢，模式的培養(yǎng)與測試過程非常簡單高效，這極大方便了大量樣品的測試或大尺度聯(lián)網(wǎng)的研究，可以有效服務科學研究和生態(tài)觀測。PRI-8800的成功推出，為“雙碳”目標研究和評價提供了強有力的工具。
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土壤有機質(zhì)分解速率（R）對溫度變化的響應非常敏感。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，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，也能用于測量其對土壤含水量、酶促反應、有機底物、土壤生物及時空變異等的響應。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、準確的整體解決方案。
- 可設(shè)定恒溫或變溫培養(yǎng)模式；
- 溫度控制波動優(yōu)于±0.05℃；
- 平均升降溫速率不小于1°C/min；
- 150ml樣品瓶，25位樣品盤；
- 大氣本底緩沖氣或鋼瓶氣清洗氣路；
- 一體化設(shè)計，內(nèi)置CO2 H2O模塊；
- 可外接高精度濃度或同位素分析儀。
為了更好地助力科學研究，拓展設(shè)備應用場景，普瑞億科重磅推出「加強版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自動變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)。
1）原狀土凍融過程模擬：氣候變化改變了土壤干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的頻率和強度。這些波動影響了土壤微生物活動的關(guān)鍵驅(qū)動力，即土壤水分利用率。雖然這些波動使土壤微生物結(jié)構(gòu)有少許改變，但一種氣候波動的影響（例如干濕交替）是否影響了對另一種氣候（例如凍融交替）的反應，其溫室氣體排放是如何響應的？通過PRI-8800 Plus 的凍融模擬，我們可以找出清晰答案。
2）濕地淹水深度模擬：在全球尺度上濕地甲烷（CH4）排放的溫度敏感性大小主要取決于水位變化，而二氧化碳（CO2）排放的溫度敏感性不受水位影響。復雜多樣的濕地生態(tài)系統(tǒng)不同水位的變化及不同溫度的變化如何影響和調(diào)控著濕地溫室氣體的排放？我們該如何量化不同水位的變化及不同溫度的變化下濕地的溫室氣體排放？借助PRI-8800 Plus，通過淹水深度和溫度變化的組合測試，可以查出真相。
3）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)果的準確性。而上述至少20個溫度點的設(shè)置和對應的土壤呼吸測量，僅僅需要在PRI-8800 Plus程序中預設(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，這將極大提高科學家的工作效率。
除了上述變溫應用案例外，科學家還可以依據(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 Plus的“傻瓜式”操作測量，將極大減少科學家實驗實施的周期和工作量，并提高了工作效率。
PRI-8800 Plus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用場景。
4）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 Plus可以通過手動調(diào)整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus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測量，而PRI-8800 Plus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。
5）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等等。
6）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。通過溫度響應了解培養(yǎng)前后的微生物種群和數(shù)量的變化以及對應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，或許幫助科學家找出更好的Q10對土壤生物依賴性的響應解析。
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