全自動土壤溫室氣體測量系統在賀金生團隊土壤呼吸測定研究的應用
今天要與大家分享的文章是蘭州大學賀金生教授團隊關于土壤呼吸環安裝時間影響土壤呼吸準確測定的最新研究成果。這項研究不僅量化了長期呼吸環安裝對土壤呼吸測定的影響，同時提出了相應的校正方法，為未來土壤呼吸的標準化測量提供了依據，填補了國際上對這一現象進行系統研究的空白。
土壤呼吸（Soil Respiration）是指土壤釋放二氧化碳的過程。和動物的呼吸一樣，土壤中的植物根系、動物、真菌和細菌等進行新陳代謝活動，都會釋放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是陸地生態系統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致大氣中二氧化碳濃度和土壤中碳庫的重大變化。因此，對土壤呼吸的準確測定，不僅關系到對生態系統碳循環過程的正確理解，也直接與生態系統碳收支的評估、土壤健康等方面密切相關。
土壤呼吸不僅隨土壤的生物和非生物因素發生變化，也與植物的光合、生長狀況密切相關。受這些因素的影響，土壤呼吸處于高度的動態變化過程中，表現出明顯的日變化、季節變化和年際變化。因此，對土壤呼吸的準確測定需要長期、高頻率的動態監測。
目前國際上通用的測定方法是土壤碳通量長期自動監測系統，該系統的運行依賴于安裝在土壤表層的呼吸環底座（collar）。然而，在野外測定過程中發現，土壤呼吸環的安裝時長可能會影響土壤呼吸的準確測定，但目前國際上還沒有對這一現象進行系統的研究。
基于此，蘭州大學賀金生教授團隊在青藏高原東北部的青海海北高寒草地生態系統國家野外科學觀測研究站，對土壤呼吸進行了3個生長季（2017-2019年）的連續測定，對土壤環內外的生物和非生物因素進行了分析。此項研究不僅量化了呼吸環安裝時間對土壤呼吸測定的影響，同時揭示了測定偏差的潛在原因。
整個研究項目也開展了對溫度敏感性的測試。采用原位在線測量（2017-2019）和室內培養實驗對土壤呼吸的溫度敏感性進行了量化。野外試驗是對5厘米深度土壤的Rs和ST（土壤溫度）進行了測試。在培養實驗中，采用了由北京普瑞億科研發的PRI-8800全自動變溫培養土壤溫室氣體在線測量系統對長期和短期土壤環內不同深度的土壤樣品進行培養（Liu et al.,2018）。使用同位素和氣體濃度分析儀自動監測頂空CO2濃度的變化。具體來說，對于每個樣品，將20g新鮮土壤調整為55%的持水量，放置在150毫升的聚乙烯塑料瓶中培養測試。共選取6個樣地的48份土壤樣品進行培養試驗。所有土壤樣品置于PRI-8800中，在20℃下預培養1周。為了保持恒定的土壤水分水平，每2天檢查一次失水，并根據重量調整土壤含水量（Liu et al.,2018）。設置了16個培養溫度（-15 ~ 15℃，間隔2℃）。培養溫度由-15℃升高至15℃。每天每個溫度保持3 h(平衡時間)，使土樣能夠適應溫度的變化，排除因溫度變化而導致CO2的滯后排放（Liu et al.,2018）。根據CO2濃度隨時間變化的斜率曲線計算土壤有機碳分解速率。
圖：長期土壤呼吸環安裝后的土壤呼吸速率變化
研究發現，長期土壤呼吸環安裝對土壤呼吸速率的影響隨時間變化。長期呼吸環安裝后的第二和第三個生長季節，土壤呼吸速率分別降低了8.9%和18.2%，特別從第二個生長季中期開始，長期底座安裝使土壤呼吸速率迅速下降。研究進一步發現，在長期呼吸環安裝的后期，環內根系生物量、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。這些研究結果表明，在解釋基于長期呼吸環底座測量的土壤呼吸數據時，應考慮呼吸環安裝時長這種潛在的影響因素。文章同時建議，使用短期呼吸環測量土壤呼吸或呼吸環安裝超過1-2年后應及時更換位置，以降低因呼吸環安裝時長所引起的測定偏差。這項研究不僅量化了長期呼吸環安裝對土壤呼吸測定的影響，同時提出了相應的校正方法，為未來土壤呼吸的標準化測量提供了依據。
目前，研究成果以“Long-term collar deployment leads to bias in soil respiration measurements”為題正式在線發表于國際重要生態學期刊《生態學與進化研究方法》（Methods in Ecology and Evolution）上。蘭州大學草地農業科技學院2019級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、蔣勝競青年研究員、北京大學博士生張智起、生態學院宋超教授和汪浩青年研究員為論文共同作者。該研究得到了國家自然科學基金項目（32130065和32192461）的資助。
相關論文信息：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
來源丨蘭州大學草地農業科技學院
自2018年上市以來，PRI-8800全自動變溫培養土壤溫室氣體在線測量系統得到了廣泛關注。該系統在土壤有機質分解速率、Q10及其調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變溫培養模擬野外環境的條件，讓科研可以更廣、更深層次地開展。目前以PRI-8800為關鍵設備發表的相關文章已達23篇。
為響應國家“雙碳”目標，針對國內“雙碳”行動有效性評估，普瑞億科全新升級了PRI-8800 全自動變溫培養土壤溫室氣體在線測量系統，結合了連續變溫培養和高頻土壤呼吸在線測量的優勢，模式的培養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網的研究，可以有效服務科學研究和生態觀測。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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土壤有機質分解速率（R）對溫度變化的響應非常敏感。溫度敏感性參數（Q10）可以刻畫土壤有機質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；Q10值越大，表明土壤有機質分解對溫度變化就越敏感。Q10不僅取決于有機質分子的固有動力學屬性，也受到環境條件的限制。Q10能抽象地描述土壤有機質分解對溫度變化的響應，在不同生態類型系統、不同研究間架起了一個規范的和可比較的參數，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為Q10的研究提供了強有力的工具，不僅能用于測量Q10對環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對關聯影響因子的研究，提供了一套快捷、高效、準確的整體解決方案。
- 可設定恒溫或變溫培養模式；
- 溫度控制波動優于±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；
- 一體化設計，內置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研究，拓展設備應用場景，普瑞億科重磅推出「加強版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自動變溫培養土壤溫室氣體在線測量系統。
1）原狀土凍融過程模擬：氣候變化改變了土壤干濕循環和凍融循環的頻率和強度。這些波動影響了土壤微生物活動的關鍵驅動力，即土壤水分利用率。雖然這些波動使土壤微生物結構有少許改變，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系統不同水位的變化及不同溫度的變化如何影響和調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果的準確性。而上述至少20個溫度點的設置和對應的土壤呼吸測量，僅僅需要在PRI-8800 Plus程序中預設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，科學家還可以依據自己的實驗設計進行諸如日變化、月變化、季節變化、甚至年度溫度變化的模擬培養，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的特色，還可以進行恒溫培養，抑或是恒溫/變溫交替培養，這些組合無疑拓展了系統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，表現出一定的水分依賴特性。PRI-8800 Plus可以通過手動調整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus快速連續測量模式下，實現不同水分梯度條件下土壤呼吸的精準測量，而PRI-8800 Plus的邏輯設計，為短期、中期和長期濕度控制條件下的土壤呼吸的連續、高品質測量提供了可能。
5）底物依賴性的研究：底物物質量與Q10密切相關，這里的底物包含不限于自然態的土壤，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快速在線變溫培養測量，能加速某些研究進程并獲得可靠結果，如生物質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前后的微生物種群和數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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