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土壤呼吸温度敏感性(Q10)室内快速测量的新方法——用PRI-8800 新设备服务国家“双碳”目标
来源:普瑞亿科PRIECO        2022-02-28 14:49:15        阅读:408
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       根据世界气象组织(WMO)发布的《2021全球气候状况—极端事件和主要影响》临时报告,截止至2021年9月,全球平均温度比1850-1900年的平均值高约1.09°C,比预期提前了10年。为降低升温带来的全球生态恶化后果,最大限度减缓全球气温的升高步伐,全球各国依据不同的经济发展阶段,分别提出了不同的碳中和目标,中国也不例外,为此,习总书记做出了重要部署,提出了“30年碳达峰、60年碳中和”的“双碳”任务和目标。


 

       土壤有机质是陆地生态系统最大的碳库,储存了约1500 Pg(1Pg=1015g)有机碳。土壤有机质分解所释放的CO2是陆地生态系统与大气间最大的气体交换通量之一(60 Pg),约为化石燃料燃烧的10倍。大量研究表明:土壤有机质分解速率(R或土壤呼吸速率)与环境温度关系非常密切;在未超过土壤微生物活性最适温度的情况下,R与温度整体呈正相关关系,并可用直线方程、指数方程或幂函数方程等来描述。在全球变暖背景下,土壤有机质分解对温度变化的响应很大程度影响着陆地生态系统对全球气候变化反馈效应,成为近二十年研究的热点;在国内,为能更好地实现“双碳”的任务和目标,加强气候升温条件下土壤呼吸速率的研究任重道远。

       土壤有机质分解速率(R)对温度变化的响应非常敏感。科研人员采用温度敏感性参数(Q10) 来刻画土壤有机质分解对温度变化的响应程度。
 

那什么是Q10呢?

       Q10是指温度每升高10℃,R所增加的倍数;Q10值越大,表明土壤有机质分解对温度变化就越敏感。Q10不仅取决于有机质分子的固有动力学属性,也受到环境条件的限制。正如大家所熟悉的,Q10能抽象地描述土壤有机质分解对温度变化的响应,在不同生态类型系统、不同研究间建起了一个规范的和可比较的参数。科学家围绕Q10时空变异和影响机制等开展了大量研究工作,Q10也成为了绝大多数机理模型的重要参数。

       然而,由于不同传统培养模式与测试方法的可比性较弱,科学家在短期内难以给机理模型(尤其是大尺度模型) 提供一套兼顾时空变异特征的Q10参数,许多模型 (如Century, Roth-C、PnET、TEM等) 仍是依据土壤酶动力学特征推导而将Q10设定为2.0或1.5。实践证明,模型中Q10的较小偏差会对土壤呼吸的估算和预测产生较大误差,无论在野外还是室内,土壤呼吸Q10极易受环境变量主控因子(温度和湿度)及其它变量(酶促反应、有机底物、土壤生物、时空变异)的影响。

       综上,气候变暖如何影响土壤有机质分解,以及陆地生态系统碳排放如何响应气候变暖成了目前科学家主要关注的内容之一。在国内“双碳”背景的目标下,如何快速、科学、高效地监测、核查和支持(Monitoring Verification Support)因为升温导致的土壤呼吸速率的增加成了科学家和政府组织的重点关注。

       北京普瑞亿科科技有限公司与中国科学院地理科学与资源研究所在科技部和中国科学院重大仪器项目的支持下,联合研发的PRI-8800 全自动变温培养土壤呼吸测量系统结合了连续变温培养和高频土壤呼吸在线测量的优势,克服了恒温培养模式土壤微生物对特定培养温度的适应性和底物消化不均的缺憾,基于自动化的逻辑控制,结合培养过程的温度特征,在升降温过程中对每个样品进行连续且高频的测试(2-20min/次),通过测量不少于20个点的温度梯度(Robinson,2017)下的土壤呼吸,更精准的拟合Q10。与此同时,模式的培养与测试过程非常简单高效,这极大方便了大量样品的测试或大尺度联网的研究。PRI-8800的成功推出,为“双碳”目标研究和评价提供了强有力的工具。

PRI-8800

       PRI-8800是进行Q10研究卓有价值的利器,利用PRI-8800,科学家可以尝试进行哪些与Q10相关的研究呢?我们可以从以下方面进行设计:
 

1、温度依赖性的研究

       既然温度的变化会极大影响土壤呼吸,基于温度变化的Q10研究成为科学家研究中的重中之重。2017年Robinson提出的最低20个温度梯度拟合土壤呼吸对温度响应曲线的建议,将纠正以往研究人员只设置3-5个温度点(大约相隔5-10℃)进行呼吸测量的做法,该建议能解决传统方法因温度梯度少而导致的不同土壤的呼吸对温度变化拟合相似度高的问题,更能提升不同的理论模型或随后模型推算结果的准确性。而上述至少20个温度点的设置和对应的土壤呼吸测量,仅仅需要在PRI-8800程序中预设几个温度梯度即可完成多个样品在不同温度下的自动测量,这将极大提高科学家的工作效率。

       除了上述变温应用案例外,科学家还可以依据自己的实验设计进行诸如日变化、月变化、季节变化、甚至年度温度变化的模拟培养,通过PRI-8800的“傻瓜式”操作测量,将极大减少科学家实验实施的周期和工作量,并提高了工作效率。

       PRI-8800除了具有上述变温培养的特色,还可以进行恒温培养,抑或是恒温/变温交替培养,这些组合无疑拓展了系统在不同温度组合条件下的应用场景。

2、水分依赖性的研究

       多数研究表明,在温度恒定的情况下,Q10很容易受土壤含水量的影响,表现出一定的水分依赖特性。PRI-8800可以通过手动调整土壤含水量的做法,并在PRI-8800快速连续测量模式下,实现不同水分梯度条件下土壤呼吸的精准测量,而PRI-8800的逻辑设计,为短期、中期和长期湿度控制条件下的土壤呼吸的连续、高品质测量提供了可能。

3、底物依赖性的研究

       底物质量与Q10密切相关,这里的底物包含不限于自然态的土壤,如含碳量,含氮量,易分解/难分解的碳比例、土壤粘粒含量、酸碱盐度等;也可能包含了某些外源底物,如外源的生物质碳、微生物种群、各种肥料、呼吸促进/抑制剂、同位素试剂等。通过PRI-8800快速在线变温培养测量,能加速某些研究进程并获得可靠结果,如生物质炭在土壤改良过程中的土壤呼吸研究、缓释肥缓释不同阶段对土壤呼吸的持续影响、盐碱土壤不同改良措施下的土壤呼吸的变化响应等等。

4、生物依赖性的研究

       土壤呼吸包含土壤微生物呼吸(>90%)和土壤动物呼吸(1-10%),土壤微生物群落对Q10影响重大。通过温度响应了解培养前后的微生物种群和数量的变化以及对应的土壤呼吸速率的变化有重要意义。外源微生物种群的添加,或许帮助科学家找出更好的Q10对土壤生物依赖性的响应解析。


依托PRI-8800可开展的创新研究

       PRI-8800 全自动变温培养土壤呼吸测量系统克服了传统的Q10室内研究的主要缺陷并具有连续变温培养+连续自动测试的特点,具备自动、连续、快速的特点。能为大多数实验室提供一种快速测试土壤微生物呼吸速率的通用途径和设备,可替代传统的碱液吸收法和气相色谱法。同时,PRI-8800 还可以用于包含但不限于以下的创新研究,如:

1)利用其自动、连续、快速的特点,开展区域尺度的联网研究,揭示不同区域或植被类型的Q10变异及其控制机制。受传统培养和测试方法的影响,研究人员很难开展类似的研究,虽然整合分析能一定程度解决这个问题,但也存在不同实验处理条件和实验测定方法造成的高不确定性问题。

2)开展Q10对连续温度变化过程响应研究,更真实的模拟温度变化情况,从而揭示土壤微生物呼吸对温度变化的响应机制。受传统方法的限制,当前大多数研究均在小时、天、周尺度来开展,并没有揭示真实的温度日动态。

3)更好地开展土壤微生物对水分或资源快速变化情景下的研究。例如,降水脉冲是干旱-半干旱区的常见现象,土壤微生物活性( 碳矿化速率或氮矿化速率) 对水分可获得性的响应一直是非常重要又极具挑战性的科学问题;类似的,土壤微生物对外界资源脉冲式供应的响应或激发效应也是近期研究热点。

4)与CO2同位素分析设备连用,捕捉恒温和变温培养过程中更微小的指纹变化,更深层次的解析土壤呼吸的机理。

 

有测试需求但是没有仪器怎么办?

购置仪器不是一件小事,一直在观望,无法下定决心怎么办?

       为了帮助有购买意向或有测试需求的客户体验到PRI-8800强大的性能和配置,普瑞亿科现已开放PRI-8800样机,为有需求的客户朋友们提供测试服务,免去您的后顾之忧。

       
 

参考文献

  • 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.

  • 何念鹏, 刘远, 徐丽, et al. 土壤有机质分解的温度敏感性:培养与测定模式[J]. 生态学报, 2018, 38(11).

  • 刘洪升,刘华杰,王智平,et al,土壤呼吸的温度敏感性. 地理科学进展,2008, 27(4)

  • 盛浩,杨玉盛,陈光水,et al. 土壤异养呼吸温度敏感性(Q10)的影响因子. 亚热带资源与环境学报,2006,1(74)

 

关于PRI-8800的更多内容点击链接:

· PRI-8800——助力发展SOM分解对温度响应的新培养和测定模式

· PRI-8800应用案例分享:最优选的VCM模式(变温培养+连续测定)

 

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