根據(jù)世界氣象組織（WMO）發(fā)布的《2021全球氣候狀況—極端事件和主要影響》臨時報告，截止至2021年9月，全球平均溫度比1850-1900年的平均值高約1.09°C，比預(yù)期提前了10年。為降低升溫帶來的全球生態(tài)惡化后果，更大限度減緩全球氣溫的升高步伐，全球各國依據(jù)不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，分別提出了不同的碳中和目標(biāo)，中國也不例外，為此，習(xí)總書記做出了重要部署，提出了“30年碳達(dá)峰、60年碳中和”的“雙碳”任務(wù)和目標(biāo)。  

       土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，儲存了約1500 Pg（1Pg=1015g）有機(jī)碳。土壤有機(jī)質(zhì)分解所釋放的CO2是陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間最大的氣體交換通量之一（60 Pg），約為化石燃料燃燒的10倍。大量研究表明：土壤有機(jī)質(zhì)分解速率(R或土壤呼吸速率）與環(huán)境溫度關(guān)系非常密切；在未超過土壤微生物活性最適溫度的情況下，Ｒ與溫度整體呈正相關(guān)關(guān)系，并可用直線方程、指數(shù)方程或冪函數(shù)方程等來描述。在全球變暖背景下，土壤有機(jī)質(zhì)分解對溫度變化的響應(yīng)很大程度影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化反饋效應(yīng)，成為近二十年研究的熱點；在國內(nèi)，為能更好地實現(xiàn)“雙碳”的任務(wù)和目標(biāo)，加強氣候升溫條件下土壤呼吸速率的研究任重道遠(yuǎn)。

       土壤有機(jī)質(zhì)分解速率（R）對溫度變化的響應(yīng)非常敏感�？蒲腥藛T采用溫度敏感性參數(shù)（Q10） 來刻畫土壤有機(jī)質(zhì)分解對溫度變化的響應(yīng)程度。
 

那什么是Q10呢？

       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)分子的固有動力學(xué)屬性，也受到環(huán)境條件的限制。正如大家所熟悉的，Ｑ10能抽象地描述土壤有機(jī)質(zhì)分解對溫度變化的響應(yīng)，在不同生態(tài)類型系統(tǒng)、不同研究間建起了一個規(guī)范的和可比較的參數(shù)�？茖W(xué)家圍繞Q10時空變異和影響機(jī)制等開展了大量研究工作，Ｑ10也成為了絕大多數(shù)機(jī)理模型的重要參數(shù)。

       然而，由于不同傳統(tǒng)培養(yǎng)模式與測試方法的可比性較弱，科學(xué)家在短期內(nèi)難以給機(jī)理模型（尤其是大尺度模型） 提供一套兼顧時空變異特征的Ｑ10參數(shù)，許多模型 (如Century, Roth-C、PnET、TEM等) 仍是依據(jù)土壤酶動力學(xué)特征推導(dǎo)而將Ｑ10設(shè)定為2.0或1.5。實踐證明，模型中Q10的較小偏差會對土壤呼吸的估算和預(yù)測產(chǎn)生較大誤差，無論在野外還是室內(nèi)，土壤呼吸Q10極易受環(huán)境變量主控因子（溫度和濕度）及其它變量（酶促反應(yīng)、有機(jī)底物、土壤生物、時空變異）的影響。

       綜上，氣候變暖如何影響土壤有機(jī)質(zhì)分解，以及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放如何響應(yīng)氣候變暖成了目前科學(xué)家主要關(guān)注的內(nèi)容之一。在國內(nèi)“雙碳”背景的目標(biāo)下，如何快速、科學(xué)、高效地監(jiān)測、核查和支持（Monitoring Verification Support）因為升溫導(dǎo)致的土壤呼吸速率的增加成了科學(xué)家和政府組織的重點關(guān)注。

       北京普瑞億科科技有限公司與中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在科技部和中國科學(xué)院重大儀器項目的支持下，聯(lián)合研發(fā)的PRI-8800 全自動變溫培養(yǎng)土壤呼吸測量系統(tǒng)結(jié)合了連續(xù)變溫培養(yǎng)和高頻土壤呼吸在線測量的優(yōu)勢，克服了恒溫培養(yǎng)模式土壤微生物對特定培養(yǎng)溫度的適應(yīng)性和底物消化不均的缺憾，基于自動化的邏輯控制，結(jié)合培養(yǎng)過程的溫度特征，在升降溫過程中對每個樣品進(jìn)行連續(xù)且高頻的測試（2-20min/次），通過測量不少于20個點的溫度梯度（Robinson，2017）下的土壤呼吸，更準(zhǔn)確的擬合Q10。與此同時，模式的培養(yǎng)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(lián)網(wǎng)的研究。PRI-8800的成功推出，為“雙碳”目標(biāo)研究和評價提供了強有力的工具。

PRI-8800        PRI-8800是進(jìn)行Q10研究卓有價值的利器，利用PRI-8800,科學(xué)家可以嘗試進(jìn)行哪些與Q10相關(guān)的研究呢？我們可以從以下方面進(jìn)行設(shè)計：

1、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(xué)家研究中的重中之重。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(yīng)曲線的建議，將糾正以往研究人員只設(shè)置3-5個溫度點(大約相隔5-10℃)進(jìn)行呼吸測量的做法，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(jié)果的準(zhǔn)確性。而上述至少20個溫度點的設(shè)置和對應(yīng)的土壤呼吸測量，僅僅需要在PRI-8800程序中預(yù)設(shè)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(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)自己的實驗設(shè)計進(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PRI-8800的“傻瓜式”操作測量，將極大減少科學(xué)家實驗實施的周期和工作量，并提高了工作效率。

       PRI-8800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)，這些組合無疑拓展了系統(tǒng)在不同溫度組合條件下的應(yīng)用場景。

2、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可以通過手動調(diào)整土壤含水量的做法，并在PRI-8800快速連續(xù)測量模式下，實現(xiàn)不同水分梯度條件下土壤呼吸的準(zhǔn)確測量，而PRI-8800的邏輯設(shè)計，為短期、中期和長期濕度控制條件下的土壤呼吸的連續(xù)、高品質(zhì)測量提供了可能。

3、底物依賴性的研究

       底物質(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PRI-8800快速在線變溫培養(yǎng)測量，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(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。

4、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(yīng)了解培養(yǎng)前后的微生物種群和數(shù)量的變化以及對應(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對土壤生物依賴性的響應(yīng)解析。

依托PRI-8800可開展的創(chuàng)新研究

       PRI-8800 全自動變溫培養(yǎng)土壤呼吸測量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)的Q10室內(nèi)研究的主要缺陷并具有連續(xù)變溫培養(yǎng)＋連續(xù)自動測試的特點，具備自動、連續(xù)、快速的特點。能為大多數(shù)實驗室提供一種快速測試土壤微生物呼吸速率的通用途徑和設(shè)備，可替代傳統(tǒng)的堿液吸收法和氣相色譜法。同時，PRI-8800 還可以用于包含但不限于以下的創(chuàng)新研究，如：

1）利用其自動、連續(xù)、快速的特點，開展區(qū)域尺度的聯(lián)網(wǎng)研究，揭示不同區(qū)域或植被類型的Q10變異及其控制機(jī)制。受傳統(tǒng)培養(yǎng)和測試方法的影響，研究人員很難開展類似的研究，雖然整合分析能一定程度解決這個問題，但也存在不同實驗處理條件和實驗測定方法造成的高不確定性問題。

２）開展Q10對連續(xù)溫度變化過程響應(yīng)研究，更真實的模擬溫度變化情況，從而揭示土壤微生物呼吸對溫度變化的響應(yīng)機(jī)制。受傳統(tǒng)方法的限制，當(dāng)前大多數(shù)研究均在小時、天、周尺度來開展，并沒有揭示真實的溫度日動態(tài)。

３）更好地開展土壤微生物對水分或資源快速變化情景下的研究。例如，降水脈沖是干旱－半干旱區(qū)的常見現(xiàn)象，土壤微生物活性（ 碳礦化速率或氮礦化速率） 對水分可獲得性的響應(yīng)一直是非常重要又極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題；類似的，土壤微生物對外界資源脈沖式供應(yīng)的響應(yīng)或激發(fā)效應(yīng)也是近期研究熱點。

4）與CO2同位素分析設(shè)備連用，捕捉恒溫和變溫培養(yǎng)過程中更微小的指紋變化，更深層次的解析土壤呼吸的機(jī)理。

 

       為了幫助有購買意向或有測試需求的客戶體驗到PRI-8800強大的性能和配置，普瑞億科現(xiàn)已開放PRI-8800樣機(jī)，為有需求的客戶朋友們提供測試服務(wù)，免去您的后顧之憂。
 

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, 2018, 38(11).

• 劉洪升，劉華杰，王智平，et al，土壤呼吸的溫度敏感性. 地理科學(xué)進(jìn)展，2008， 27（4）

• 盛浩，楊玉盛，陳光水，et al. 土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性（Q10）的影響因子. 亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報，2006，1（74）

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