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全自動(dòng)土壤溫室氣體測(cè)量系統(tǒng)在賀金生團(tuán)隊(duì)土壤呼吸測(cè)定研究的應(yīng)用
今天要與大家分享的文章是蘭州大學(xué)賀金生教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于土壤呼吸環(huán)安裝時(shí)間影響土壤呼吸準(zhǔn)確測(cè)定的最新研究成果。這項(xiàng)研究不僅量化了長(zhǎng)期呼吸環(huán)安裝對(duì)土壤呼吸測(cè)定的影響，同時(shí)提出了相應(yīng)的校正方法，為未來(lái)土壤呼吸的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量提供了依據(jù)，填補(bǔ)了國(guó)際上對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)研究的空白。
土壤呼吸（Soil Respiration）是指土壤釋放二氧化碳的過(guò)程。和動(dòng)物的呼吸一樣，土壤中的植物根系、動(dòng)物、真菌和細(xì)菌等進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)，都會(huì)釋放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)僅次于光合作用的第二大碳通量，約是人為碳排放總量的9倍。土壤呼吸微小的變化可能導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度和土壤中碳庫(kù)的重大變化。因此，對(duì)土壤呼吸的準(zhǔn)確測(cè)定，不僅關(guān)系到對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程的正確理解，也直接與生態(tài)系統(tǒng)碳收支的評(píng)估、土壤健康等方面密切相關(guān)。
土壤呼吸不僅隨土壤的生物和非生物因素發(fā)生變化，也與植物的光合、生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)。受這些因素的影響，土壤呼吸處于高度的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，表現(xiàn)出明顯的日變化、季節(jié)變化和年際變化。因此，對(duì)土壤呼吸的準(zhǔn)確測(cè)定需要長(zhǎng)期、高頻率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
目前國(guó)際上通用的測(cè)定方法是土壤碳通量長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)行依賴于安裝在土壤表層的呼吸環(huán)底座（collar）。然而，在野外測(cè)定過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，土壤呼吸環(huán)的安裝時(shí)長(zhǎng)可能會(huì)影響土壤呼吸的準(zhǔn)確測(cè)定，但目前國(guó)際上還沒(méi)有對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
基于此，蘭州大學(xué)賀金生教授團(tuán)隊(duì)在青藏高原東北部的青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，對(duì)土壤呼吸進(jìn)行了3個(gè)生長(zhǎng)季（2017-2019年）的連續(xù)測(cè)定，對(duì)土壤環(huán)內(nèi)外的生物和非生物因素進(jìn)行了分析。此項(xiàng)研究不僅量化了呼吸環(huán)安裝時(shí)間對(duì)土壤呼吸測(cè)定的影響，同時(shí)揭示了測(cè)定偏差的潛在原因。
整個(gè)研究項(xiàng)目也開展了對(duì)溫度敏感性的測(cè)試。采用原位在線測(cè)量（2017-2019）和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)土壤呼吸的溫度敏感性進(jìn)行了量化。野外試驗(yàn)是對(duì)5厘米深度土壤的Rs和ST（土壤溫度）進(jìn)行了測(cè)試。在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，采用了由北京普瑞億科研發(fā)的PRI-8800全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)期和短期土壤環(huán)內(nèi)不同深度的土壤樣品進(jìn)行培養(yǎng)（Liu et al.,2018）。使用同位素和氣體濃度分析儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)頂空CO2濃度的變化。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于每個(gè)樣品，將20g新鮮土壤調(diào)整為55%的持水量，放置在150毫升的聚乙烯塑料瓶中培養(yǎng)測(cè)試。共選取6個(gè)樣地的48份土壤樣品進(jìn)行培養(yǎng)試驗(yàn)。所有土壤樣品置于PRI-8800中，在20℃下預(yù)培養(yǎng)1周。為了保持恒定的土壤水分水平，每2天檢查一次失水，并根據(jù)重量調(diào)整土壤含水量（Liu et al.,2018）。設(shè)置了16個(gè)培養(yǎng)溫度（-15 ~ 15℃，間隔2℃）。培養(yǎng)溫度由-15℃升高至15℃。每天每個(gè)溫度保持3 h(平衡時(shí)間)，使土樣能夠適應(yīng)溫度的變化，排除因溫度變化而導(dǎo)致CO2的滯后排放（Liu et al.,2018）。根據(jù)CO2濃度隨時(shí)間變化的斜率曲線計(jì)算土壤有機(jī)碳分解速率。
圖：長(zhǎng)期土壤呼吸環(huán)安裝后的土壤呼吸速率變化
研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期土壤呼吸環(huán)安裝對(duì)土壤呼吸速率的影響隨時(shí)間變化。長(zhǎng)期呼吸環(huán)安裝后的第二和第三個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)，土壤呼吸速率分別降低了8.9%和18.2%，特別從第二個(gè)生長(zhǎng)季中期開始，長(zhǎng)期底座安裝使土壤呼吸速率迅速下降。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期呼吸環(huán)安裝的后期，環(huán)內(nèi)根系生物量、土壤微生物量碳的顯著下降和土壤容重的顯著增加是土壤呼吸被低估的主要原因。這些研究結(jié)果表明，在解釋基于長(zhǎng)期呼吸環(huán)底座測(cè)量的土壤呼吸數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)考慮呼吸環(huán)安裝時(shí)長(zhǎng)這種潛在的影響因素。文章同時(shí)建議，使用短期呼吸環(huán)測(cè)量土壤呼吸或呼吸環(huán)安裝超過(guò)1-2年后應(yīng)及時(shí)更換位置，以降低因呼吸環(huán)安裝時(shí)長(zhǎng)所引起的測(cè)定偏差。這項(xiàng)研究不僅量化了長(zhǎng)期呼吸環(huán)安裝對(duì)土壤呼吸測(cè)定的影響，同時(shí)提出了相應(yīng)的校正方法，為未來(lái)土壤呼吸的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量提供了依據(jù)。
目前，研究成果以“Long-term collar deployment leads to bias in soil respiration measurements”為題正式在線發(fā)表于國(guó)際重要生態(tài)學(xué)期刊《生態(tài)學(xué)與進(jìn)化研究方法》（Methods in Ecology and Evolution）上。蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院2019級(jí)博士生馬小亮為論文第一作者、賀金生教授為論文通訊作者、蔣勝競(jìng)青年研究員、北京大學(xué)博士生張智起、生態(tài)學(xué)院宋超教授和汪浩青年研究員為論文共同作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32130065和32192461）的資助。
相關(guān)論文信息：Ma X, Jiang S, Zhang Z, et al. Long‐term collar deployment leads to bias in soil respiration measurements[J]. Methods in Ecology and Evolution, 2023, 14(3): 981-990.
原文鏈接：https://doi.org/10.1111/2041-210X.14056
來(lái)源丨蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院
自2018年上市以來(lái)，PRI-8800全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注。該系統(tǒng)在土壤有機(jī)質(zhì)分解速率、Q10及其調(diào)控機(jī)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(dá)23篇。
為響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，針對(duì)國(guó)內(nèi)“雙碳”行動(dòng)有效性評(píng)估，普瑞億科全新升級(jí)了PRI-8800 全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)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(cè)量的優(yōu)勢(shì)，模式的培養(yǎng)與測(cè)試過(guò)程非常簡(jiǎn)單高效，這極大方便了大量樣品的測(cè)試或大尺度聯(lián)網(wǎng)的研究，可以有效服務(wù)科學(xué)研究和生態(tài)觀測(cè)。PRI-8800的成功推出，為“雙碳”目標(biāo)研究和評(píng)價(jià)提供了強(qiáng)有力的工具。
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土壤有機(jī)質(zhì)分解速率（R）對(duì)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(jī)質(zhì)分解對(duì)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(jī)質(zhì)分解對(duì)溫度變化就越敏感。Q10不僅取決于有機(jī)質(zhì)分子的固有動(dòng)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(jī)質(zhì)分解對(duì)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(gè)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(guò)選取較少的溫度梯度（3-5個(gè)點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)量，從而導(dǎo)致不同土壤的呼吸對(duì)溫度變化擬合相似度高的問(wèn)題無(wú)法被克服。Robinson最近的研究（2017）指出，最低20個(gè)溫度梯度擬合土壤呼吸對(duì)溫度的響應(yīng)曲線可以有效解決上述問(wèn)題。PRI-8800全自動(dòng)變溫土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)為Q10的研究提供了強(qiáng)有力的工具，不僅能用于測(cè)量Q10對(duì)環(huán)境變量主控溫度因子的響應(yīng)，也能用于測(cè)量其對(duì)土壤含水量、酶促反應(yīng)、有機(jī)底物、土壤生物及時(shí)空變異等的響應(yīng)。PRI-8800為Q10對(duì)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。
- 可設(shè)定恒溫或變溫培養(yǎng)模式；
- 溫度控制波動(dòng)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(jì)，內(nèi)置CO2 H2O模塊；
- 可外接高精度濃度或同位素分析儀。
2023年，為了更好地助力科學(xué)研究，拓展設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景，普瑞億科重磅推出「加強(qiáng)版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)。
1）原狀土凍融過(guò)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(qiáng)度。這些波動(dòng)影響了土壤微生物活動(dòng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，即土壤水分利用率。雖然這些波動(dòng)使土壤微生物結(jié)構(gòu)有少許改變，但一種氣候波動(dòng)的影響（例如干濕交替）是否影響了對(duì)另一種氣候（例如凍融交替）的反應(yīng)，其溫室氣體排放是如何響應(yīng)的？通過(guò)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(fù)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?cè)撊绾瘟炕煌坏淖兓安煌瑴囟鹊淖兓聺竦氐臏厥覛怏w排放？借助PRI-8800 Plus，通過(guò)淹水深度和溫度變化的組合測(cè)試，可以查出真相。
3）溫度依賴性的研究：既然溫度的變化會(huì)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(gè)溫度梯度擬合土壤呼吸對(duì)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(gè)溫度點(diǎn)(大約相隔5-10℃)進(jìn)行呼吸測(cè)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(duì)溫度變化擬合相似度高的問(wèn)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(gè)溫度點(diǎn)的設(shè)置和對(duì)應(yīng)的土壤呼吸測(cè)量，僅僅需要在PRI-8800 Plus程序中預(yù)設(shè)幾個(gè)溫度梯度即可完成多個(gè)樣品在不同溫度下的自動(dòng)測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)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(guò)PRI-8800 Plus的“傻瓜式”操作測(cè)量，將極大減少科學(xué)家實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jìn)行恒溫培養(yǎng)，抑或是恒溫/變溫交替培養(yǎng)，這些組合無(wú)疑拓展了系統(tǒng)在不同溫度組合條件下的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)手動(dòng)調(diào)整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus快速連續(xù)測(cè)量模式下，實(shí)現(xiàn)不同水分梯度條件下土壤呼吸的精準(zhǔn)測(cè)量，而PRI-8800 Plus的邏輯設(shè)計(jì)，為短期、中期和長(zhǎng)期濕度控制條件下的土壤呼吸的連續(xù)、高品質(zhì)測(cè)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(jìn)/抑制劑、同位素試劑等。通過(guò)PRI-8800快速在線變溫培養(yǎng)測(cè)量，能加速某些研究進(jìn)程并獲得可靠結(jié)果，如生物質(zhì)炭在土壤改良過(guò)程中的土壤呼吸研究、緩釋肥緩釋不同階段對(duì)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。
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(dòng)物呼吸（1-10%），土壤微生物群落對(duì)Q10影響重大。通過(guò)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(duì)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(duì)土壤生物依賴性的響應(yīng)解析。
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