全自動(dòng)變溫土壤溫室氣體分析在復(fù)旦聶明團(tuán)隊(duì)土壤碳循環(huán)研究的應(yīng)用
近日，復(fù)旦大學(xué)生科院聶明團(tuán)隊(duì)在全球變化生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Rising temperature may trigger deep soil carbon loss across forest ecosystems”為題發(fā)表于Advanced Science 雜志。
因大氣CO2濃度升高引起的全球變暖問題是21世紀(jì)人類社會(huì)所面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。全球土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量約是大氣碳庫的三倍，因此通過土壤有機(jī)碳分解釋放的CO2對大氣CO2濃度有著重要的影響，進(jìn)而改變區(qū)域乃至全球氣候。土壤有機(jī)碳的分解強(qiáng)度受到溫度的調(diào)控，其對溫度的敏感性被認(rèn)為是決定未來氣候變化態(tài)勢的關(guān)鍵因素之一，也是陸地氣候預(yù)測模型的關(guān)鍵假設(shè)與重要參數(shù)。底層土壤儲(chǔ)藏著與表層土壤相當(dāng)?shù)挠袡C(jī)碳，然而以往研究主要集中于表層土壤，對底層土壤碳分解的溫度敏感性還知之甚少，這直接制約了對未來氣候變化態(tài)勢的判斷。
為此，該研究團(tuán)隊(duì)選取我國90個(gè)典型森林生態(tài)系統(tǒng)（圖1），涉及熱帶雨林、亞熱帶森林、暖溫帶森林、寒溫帶森林與北方森林。每個(gè)森林中分6個(gè)土層采集了1米深度的土壤，探究土壤有機(jī)碳分解溫度敏感性隨土壤剖面變化的一般性規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制。
為此，該研究團(tuán)隊(duì)選取我國90個(gè)典型森林生態(tài)系統(tǒng)（圖1），涉及熱帶雨林、亞熱帶森林、暖溫帶森林、寒溫帶森林與北方森林。每個(gè)森林中分6個(gè)土層采集了1米深度的土壤，探究土壤有機(jī)碳分解溫度敏感性隨土壤剖面變化的一般性規(guī)律及其調(diào)控機(jī)制。
圖1 中國森林90個(gè)典型土壤剖面采樣點(diǎn)空間分布圖。
研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳分解的溫度敏感性隨之增大，表明底層土壤碳分解對全球變暖的響應(yīng)更為敏感（圖2a）。此外，表層土壤碳分解溫度敏感性主要受氣候因子調(diào)控，而底層土壤主要受氣候因子和碳質(zhì)量的共同調(diào)控（圖2b）。
圖2 土壤有機(jī)碳分解溫度敏感性（Q10）隨土壤深度增加而增大（a）及不同因子對Q10調(diào)控作用的相對貢獻(xiàn)隨土壤深度的變化（b）。
該研究還發(fā)現(xiàn)，忽視土壤有機(jī)碳分解溫度敏感性沿土壤剖面的變異，會(huì)極大低估土壤釋放的CO2量（圖3），強(qiáng)調(diào)急需將這一特征納入到陸地氣候預(yù)測模型中以提高預(yù)測精度。
圖3 與多層模型（six-layer model；使用剖面變異的溫度敏感性Q10值）相比，單層模型（single-layer model；將表層0–10 cm土壤的Q10值應(yīng)用于整個(gè)土壤剖面）會(huì)低估本世紀(jì)末溫度升高3°C時(shí)土壤碳排放，即高估土壤相對碳庫（relative SOC stock）。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001242
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001242
從聶明老師團(tuán)隊(duì)的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)分解的溫度敏感性（Q10）不僅是生態(tài)學(xué)和土壤學(xué)研究的核心科學(xué)問題之一，也是全球變化生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者對Q10的影響因素或機(jī)制開展了大量卓有成效的研究工作，并有不少相關(guān)的綜述或展望。
在該項(xiàng)研究中，聶明老師團(tuán)隊(duì)運(yùn)用的測定方法是連續(xù)變溫培養(yǎng)+氣相色譜手動(dòng)測量，而今天要為大家介紹的是一種更快的連續(xù)變溫培養(yǎng)+連續(xù)自動(dòng)測試新模式。
長期以來，室內(nèi)培養(yǎng)研究的方法經(jīng)歷了幾次技術(shù)更新。最早是用堿液吸收法+氣相色譜來進(jìn)行（CDM模式），該方法無法變溫，測試點(diǎn)少，并且需要人工操作；之后經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)，可以變溫培養(yǎng)，仍然采用氣相色譜設(shè)備檢測（VDM模式），該方法仍然存在取樣點(diǎn)少，人工操作不方便，無法大量樣點(diǎn)試驗(yàn)等問題。
鑒于培養(yǎng)和測定模式對實(shí)驗(yàn)研究的重要性，北京普瑞億科科技有限公司和中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所何念鵬研究團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)了PRI-8800全自動(dòng)變溫土壤培養(yǎng)溫室氣體（同位素）分析系統(tǒng)，并發(fā)展了Q10研究的連續(xù)變溫培養(yǎng)+連續(xù)自動(dòng)測試的新模式。3種模式的示意圖見【圖1】，各自的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)見【表1】。
圖1：3種模式示意
表1：3種模式的特點(diǎn)
VCM模式實(shí)驗(yàn)過程
150mL樣品瓶（PRI-8800樣品瓶）中填裝40g土壤樣品，向其中混入10g石英砂，防止土壤板結(jié)，調(diào)整含水量至60%（WHC），放置在樣品盤上。土壤樣本在25°C下預(yù)培養(yǎng)7天，排除微生物活動(dòng)干擾。分別在第1天、5天、8天、15天、22天和26天的時(shí)候，使用PRI-8800全自動(dòng)變溫控制土壤通量系統(tǒng)（PRI-ECO，中國）測量每個(gè)樣品瓶中SOM分解速率（Rs）。該系統(tǒng)允許連續(xù)改變培養(yǎng)溫度并在高頻下測量Rs。測樣時(shí)，每個(gè)樣品需在一個(gè)設(shè)定溫度恒溫穩(wěn)定至少30分鐘，然后在12小時(shí)的測量周期內(nèi)測量36次（75s一個(gè)樣品）。PRI-8800每秒鐘記錄一次CO2濃度，同步記錄土壤溫度，以提供準(zhǔn)確的Rs和土壤溫度配對數(shù)據(jù)。采用稱重法監(jiān)測土壤水分。最后，使用經(jīng)典指數(shù)方程計(jì)算Q10值，每個(gè)方法的R2和P值。
所用設(shè)備
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PRI-8800即可對接溫室氣體分析儀，又可對接碳氮同位素分析儀。穩(wěn)定同位素技術(shù)具有示蹤、整合和指示等多項(xiàng)功能和檢測快速、結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn)，δ13C、δ15N同位素技術(shù)被廣泛用于土壤碳氮循環(huán)研究，也成為探討土壤中有機(jī)組分來源和轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)的有效手段，利用δ13C同位素可區(qū)分土壤呼吸的不同成分，指示碳的來源和周轉(zhuǎn)途徑；δ15N用于土壤氮素轉(zhuǎn)換等的研究。
- 可靈活對接不同分析儀（同位素分析儀、氣體濃度分析儀等）；
- 標(biāo)配16位樣品盤，也可選配4位或9位樣品盤；
- 自動(dòng)化程度高，無人值守，24h不間斷工作；
- 可方便拆卸土壤瓶固定裝置，實(shí)現(xiàn)在線置換土壤瓶；
- 全自動(dòng)控溫系統(tǒng)（-20~80 ℃），控溫精度優(yōu)于0.1 ℃；
- 土壤溫度傳感器探針可頻繁自動(dòng)插入土壤瓶中，準(zhǔn)確測量土壤溫度；
- 高效的氣體循環(huán)氣路——雙回路氣路設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要對CO2濃度進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)的起始CO2濃度（避免過高CO2濃度的抑制效應(yīng)）；
- 高效的氣路設(shè)計(jì)，縮短響應(yīng)時(shí)間；
- 可靈活設(shè)定的標(biāo)定系統(tǒng)，保障測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；
- 友好的軟件界面，可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)需要設(shè)定參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；
- 全自動(dòng)日變化溫度模擬功能。
參考文獻(xiàn)：
Robinson J M , T. A. O’Neill, Ryburn J , et al. Rapid laboratory measurement of the temperature dependence of soil respiration and application to changes in three diverse soils through the year[J]. Biogeochemistry, 2017, 133(3):101-112.
Liu Y, He NP*, Xu L, Tian J, Gao Y, Zheng S, Wang Q, Wen XF, Xu XL, Yakov K. A new incubation and measurement approach to estimate the temperature response of soil organic matter decomposition[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2019, 138, 107596
何念鵬, 劉遠(yuǎn), 徐麗, et al. 土壤有機(jī)質(zhì)分解的溫度敏感性:培養(yǎng)與測定模式[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(11).
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