VCM模式變溫培養(yǎng)和連續(xù)測(cè)定在土壤呼吸室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用
上一期我們與大家分享了土壤呼吸室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的三代不同技術(shù)，本期我們將繼續(xù)與大家分享——為什么目前VCM模式（變溫培養(yǎng)+連續(xù)測(cè)定）是最優(yōu)選的實(shí)驗(yàn)方案。關(guān)于土壤呼吸室內(nèi)培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)方案，可點(diǎn)擊鏈接查看
土壤與大氣之間通過(guò)光合作用和呼吸作用的碳交換是全球碳循環(huán)的一個(gè)組成部分。土地利用或管理的變化會(huì)頻繁的改變光合作用輸入和土壤呼吸消耗之間的平衡，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)尺度的碳凈積累或凈損失。與光合作用和/或呼吸作用密切相關(guān)的因素也起到重要的調(diào)節(jié)作用，其中溫度的控制一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。有大量的文獻(xiàn)以及模型用于計(jì)算或解釋觀察到的呼吸對(duì)溫度升高的反應(yīng)。
由于土壤呼吸受溫度、濕度、反應(yīng)底物等多重的相互作用控制，野外呼吸速率對(duì)溫度具有高度的離散性，許多不同的理論和經(jīng)驗(yàn)公式將給出相似的擬合優(yōu)度。呼吸的溫度響應(yīng)也可以在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量，但通常受限于實(shí)驗(yàn)條件，研究人員通常只在3-5個(gè)溫度點(diǎn)(大約相隔5-10℃)進(jìn)行呼吸測(cè)量。同樣，有限數(shù)量的離散溫度往往導(dǎo)致相似的擬合優(yōu)度，不同的方程之間幾乎沒(méi)有能力分離。
2017年，Robinson等經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)至少需要20個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合溫度響應(yīng)曲線，他們建議，應(yīng)更大程度地考慮由于設(shè)置溫度點(diǎn)太少而造成的擬合誤差，特別是在測(cè)試不同的理論模型或隨后在模型中使用擬合參數(shù)時(shí)。
圖1.離散溫度樣點(diǎn)與呼吸速率測(cè)量值的靈敏性分析(Robinson,et al.,2017)
x軸是測(cè)量呼吸的離散溫度的數(shù)量，y軸是土壤呼吸速率值在57條InRS-T曲線上95%置信區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)化范圍（均值±std）
圖2.3種模式示意（Liu Y,et al.,2019）
CDM模式（恒溫培養(yǎng)+間斷測(cè)定模式）：通常，根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康幕驅(qū)嶒?yàn)室條件，研究人員先設(shè)置３-６個(gè)恒定溫度對(duì)土壤進(jìn)行培養(yǎng)（ 如5、10、15、20、25、30℃ 等 ）， 然后在天、周、月間隔，測(cè)定Rs；在測(cè)試方法上，大多采用堿液吸收法或氣相色譜法進(jìn)行測(cè)定，然后再利用所測(cè)定的Rs和對(duì)應(yīng)溫度計(jì)算Q10。該模式最大優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、對(duì)儀器要求不高。
VDM模式（漸進(jìn)式變溫培養(yǎng)+間斷測(cè)定模式）：該模式對(duì)同一批土壤樣品采用逐漸升溫，然后再降溫的培養(yǎng)方式，同時(shí)配套低頻度的間斷測(cè)定模式測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)分解速率。首先，將土壤樣品在適宜的溫度下培養(yǎng)3-7ｄ，實(shí)現(xiàn)土壤樣品活化并防止脈沖式效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。隨后，采用氣象色譜或者CO2紅外氣體分析儀的方法測(cè)定土壤樣品的分解速率，在完成特定溫度的測(cè)試任務(wù)后，將培養(yǎng)溫度升高到預(yù)先設(shè)定的溫度，并在土壤樣品適應(yīng)和穩(wěn)定一段時(shí)間后，測(cè)定該溫度狀況下的土壤有機(jī)質(zhì)分解速率；依序升溫直到預(yù)定的最高溫度，隨后再采用逆向降溫模式進(jìn)行隨后的培養(yǎng)與測(cè)試。這種變溫過(guò)程較為繁瑣，一般溫度處理系列約為4-6個(gè)。
VCD模式（連續(xù)變溫+連續(xù)測(cè)量）：該模式是在CDM和VDM基礎(chǔ)上，發(fā)展出的連續(xù)變溫培養(yǎng)結(jié)合連續(xù)-高頻土壤微生物呼吸速率的測(cè)定方式，可結(jié)合培養(yǎng)過(guò)程的溫度特征，在升/降溫過(guò)程中對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行連續(xù)的、高頻度的測(cè)試（2-20 min/次）， 通過(guò)測(cè)定更多溫度下土壤微生物呼吸速率來(lái)提高Q10的擬合精度。目前，基于何念鵬老師原型機(jī)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了商業(yè)化的定型產(chǎn)品并公開(kāi)銷售（PRI-8800，普瑞億科，北京），為大面積推廣VCD 模式提供了設(shè)備和技術(shù)保障。
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PRI-8800既可對(duì)接溫室氣體分析儀，又可對(duì)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(cè)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(lái)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(lái)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(duì)接不同的分析儀；
- 標(biāo)配16位樣品盤(pán)，也可選配4位或9位樣品盤(pán)；
- 自動(dòng)化程度高，無(wú)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(cè)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(duì)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(guò)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(cè)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。
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(cè)定模式[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(11).
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