PRI-8800溫室測(cè)量系統(tǒng)在不同土壤剖面SOC礦化溫度響應(yīng)的應(yīng)用
2018年，由北京普瑞億科科技有限公司研發(fā)的PRI-8800全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)，一經(jīng)推出便得到了廣泛關(guān)注。該系統(tǒng)在土壤有機(jī)質(zhì)分解速率、Q10及其調(diào)控機(jī)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(nèi)變溫培養(yǎng)模擬野外環(huán)境的條件，讓科研可以更廣、更深層次地開(kāi)展。目前以PRI-8800為關(guān)鍵設(shè)備發(fā)表的相關(guān)文章已達(dá)24篇。
今天與大家分享的是中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)在調(diào)查基質(zhì)可用性（根系分泌物）的變化如何影響不同土壤剖面中土壤有機(jī)碳（SOC）礦化的溫度響應(yīng)（Q10）方面取得的進(jìn)展，在該項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用PRI-8800對(duì)SOC礦化率進(jìn)行高頻測(cè)量，為研究結(jié)果提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。
土壤有機(jī)碳（SOC）礦化是導(dǎo)致大量碳從土壤流失到大氣中的一個(gè)主要過(guò)程，而溫度會(huì)極大地影響這一過(guò)程。預(yù)計(jì)在下個(gè)世紀(jì)，底土和表土都將經(jīng)歷類(lèi)似程度的變暖。氣候變暖預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生土壤碳-氣候正反饋，從而加速氣候變化。這種正反饋的大小在很大程度上取決于不同深度SOC礦化的溫度敏感性（Q10）。因此，更好地了解不同深度的Q10變化及其內(nèi)在機(jī)制，對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣候變化情景下的土壤碳動(dòng)態(tài)至關(guān)重要。盡管在理解全球變暖對(duì)底土碳動(dòng)態(tài)影響方面取得了進(jìn)展，但對(duì)于Q10在土壤剖面不同深度的變化方式仍未達(dá)成共識(shí)。
為了更好地理解氣候變化背景下土壤碳動(dòng)態(tài)，劉遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)從三個(gè)地點(diǎn)采集了土壤剖面的土壤樣品，包括四個(gè)深度區(qū)間（0-10厘米，10-30厘米，30-50厘米和50-70厘米）：兩個(gè)地點(diǎn)具有典型的礦物質(zhì)土壤，一個(gè)地點(diǎn)是埋藏土壤。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中使用這些土壤來(lái)探討隨著土壤深度的增加SOC礦化的Q10對(duì)底物可利用性變化的響應(yīng)。葡萄糖是一種容易獲得的底物，因?yàn)樗歉置谖锏闹匾M成部分。土壤在10-25°C的溫度下孵育，以0.75°C的溫度間隔進(jìn)行了24小時(shí)。然后，在孵育1天后，通過(guò)高頻率連續(xù)測(cè)量SOC礦化速率，避免了底物限制和微生物群落的變化對(duì)結(jié)果的影響，估算Q10。
值得注意的是，針對(duì)SOC礦化速率的測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)使用的是由北京普瑞億科科技有限公司研發(fā)的PRI–8800全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在一定時(shí)間內(nèi)逐步提高孵育溫度并與SOC礦化速率的高頻測(cè)量同步進(jìn)行，為該項(xiàng)研究提供了更準(zhǔn)確的Q10估計(jì)。
圖1：不同土壤深度和不同站點(diǎn)下，控制組（CK）和底物添加組（S+）的土壤有機(jī)碳（SOC）礦化的溫度響應(yīng)，使用指數(shù)擬合表示。站點(diǎn)：Liangshui（LS）、Huinan（HN）和Hongyuan（HY）。***代表P<0.001的顯著差異。
圖2 a：在控制組（CK）和底物添加組（S+）中，土壤有機(jī)碳（SOC）礦化速率（R22）在22°C下隨深度增加的變化。b：不同站點(diǎn)下不同土壤深度的底物可利用性指數(shù)（CAI）；c：在CK和S+處理中，SOC礦化的溫度敏感性（Q10）隨深度增加的變化；d：不同站點(diǎn)下不同土壤深度中CK和S+處理之間Q10的差異（ΔQ10）。
研究結(jié)果表明，在典型的礦質(zhì)土壤中，Q10隨深度的增加而降低，但在埋藏土壤中，Q10則先降低后增加。不出所料，在不同的土壤深度，基質(zhì)的添加會(huì)明顯增加Q10；但是，增加的幅度（ΔQ10）隨土壤深度和類(lèi)型的不同而不同。出乎意料的是，在典型的礦質(zhì)土壤中，表土中的ΔQ10比底土中的高，反之亦然。ΔQ10與土壤初始基質(zhì)可用性（CAI）呈負(fù)相關(guān)，與土壤無(wú)機(jī)氮呈正相關(guān)�？傮w而言，氣候變化情景下基質(zhì)可用性的增加（即二氧化碳濃度升高導(dǎo)致根系滲出物增加）會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)SOC礦化的溫度響應(yīng)，尤其是在無(wú)機(jī)氮含量高的土壤或氮沉積率高的地區(qū)。
相關(guān)研究成果以“Substrate availability reconciles the contrasting temperature response of SOC mineralization in different soil profiles”為題在線發(fā)表于期刊《Journal Of Soils And Sediments》上（中科院三區(qū)Top，IF5 =3.8）。
相關(guān)論文信息：Liu Y, Kumar A, Tiemann L K, et al. Substrate availability reconciles the contrasting temperature response of SOC mineralization in different soil profiles[J]. Journal of Soils and Sediments, 2023: 1-15.原文鏈接：https://doi.org/10.1007/s11368-023-03602-y
截至目前，以PRI-8800為關(guān)鍵設(shè)備發(fā)表的相關(guān)文章已達(dá)24篇，分別發(fā)表在10余種影響因子較高的國(guó)際期刊上——
數(shù)據(jù)來(lái)源：https://sci.justscience.cn/
很榮幸PRI-8800可以為這些高質(zhì)量學(xué)術(shù)研究貢獻(xiàn)一份力量，感謝各位老師對(duì)普瑞億科產(chǎn)品的支持和信任。如果您成功發(fā)表文章，并且在研究過(guò)程中使用了普瑞億科的國(guó)產(chǎn)儀器設(shè)備，請(qǐng)與我們公司聯(lián)絡(luò)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了一份小禮物，以感謝您對(duì)國(guó)產(chǎn)設(shè)備以及普瑞億科的信任和支持！
為響應(yīng)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，針對(duì)國(guó)內(nèi)“雙碳”行動(dòng)有效性評(píng)估，普瑞億科全新升級(jí)了PRI-8800 全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)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(cè)量的優(yōu)勢(shì)，模式的培養(yǎng)與測(cè)試過(guò)程非常簡(jiǎn)單高效，這極大方便了大量樣品的測(cè)試或大尺度聯(lián)網(wǎng)的研究，可以有效服務(wù)科學(xué)研究和生態(tài)觀測(cè)。PRI-8800的成功推出，為“雙碳”目標(biāo)研究和評(píng)價(jià)提供了強(qiáng)有力的工具。
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土壤有機(jī)質(zhì)分解速率（R）對(duì)溫度變化的響應(yīng)非常敏感。溫度敏感性參數(shù)（Q10）可以刻畫(huà)土壤有機(jī)質(zhì)分解對(duì)溫度變化的響應(yīng)程度。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(duì)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(dòng)力學(xué)屬性，也受到環(huán)境條件的限制。Q10能抽象地描述土壤有機(jī)質(zhì)分解對(duì)溫度變化的響應(yīng)，在不同生態(tài)類(lèi)型系統(tǒng)、不同研究間架起了一個(gè)規(guī)范的和可比較的參數(shù)，因此其研究意義重大。
以往Q10研究通過(guò)選取較少的溫度梯度（3-5個(gè)點(diǎn)）進(jìn)行測(cè)量，從而導(dǎo)致不同土壤的呼吸對(duì)溫度變化擬合相似度高的問(wèn)題無(wú)法被克服。Robinson最近的研究（2017）指出，最低20個(gè)溫度梯度擬合土壤呼吸對(duì)溫度的響應(yīng)曲線可以有效解決上述問(wèn)題。PRI-8800全自動(dòng)變溫土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)為Q10的研究提供了強(qiáng)有力的工具，不僅能用于測(cè)量Q10對(duì)環(huán)境變量主控溫度因子的響應(yīng)，也能用于測(cè)量其對(duì)土壤含水量、酶促反應(yīng)、有機(jī)底物、土壤生物及時(shí)空變異等的響應(yīng)。PRI-8800為Q10對(duì)關(guān)聯(lián)影響因子的研究，提供了一套快捷、高效、準(zhǔn)確的整體解決方案。
- 可設(shè)定恒溫或變溫培養(yǎng)模式；
- 溫度控制波動(dòng)優(yōu)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(pán)；
- 大氣本底緩沖氣或鋼瓶氣清洗氣路；
- 一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)置CO2 H2O模塊；
- 可外接高精度濃度或同位素分析儀。
為了更好地助力科學(xué)研究，拓展設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景，普瑞億科重磅推出「加強(qiáng)版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自動(dòng)變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測(cè)量系統(tǒng)。
1）原狀土凍融過(guò)程模擬：氣候變化改變了土壤干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的頻率和強(qiáng)度。這些波動(dòng)影響了土壤微生物活動(dòng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，即土壤水分利用率。雖然這些波動(dòng)使土壤微生物結(jié)構(gòu)有少許改變，但一種氣候波動(dòng)的影響（例如干濕交替）是否影響了對(duì)另一種氣候（例如凍融交替）的反應(yīng)，其溫室氣體排放是如何響應(yīng)的？通過(guò)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(fù)雜多樣的濕地生態(tài)系統(tǒng)不同水位的變化及不同溫度的變化如何影響和調(diào)控著濕地溫室氣體的排放？我們?cè)撊绾瘟炕煌坏淖兓安煌瑴囟鹊淖兓聺竦氐臏厥覛怏w排放？借助PRI-8800 Plus，通過(guò)淹水深度和溫度變化的組合測(cè)試，可以查出真相。
3）溫度依賴(lài)性的研究：既然溫度的變化會(huì)極大影響土壤呼吸，基于溫度變化的Q10研究成為科學(xué)家研究中重中之重。2017年Robinson提出的最低20個(gè)溫度梯度擬合土壤呼吸對(duì)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(gè)溫度點(diǎn)(大約相隔5-10℃)進(jìn)行呼吸測(cè)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(duì)溫度變化擬合相似度高的問(wèn)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(gè)溫度點(diǎn)的設(shè)置和對(duì)應(yīng)的土壤呼吸測(cè)量，僅僅需要在PRI-8800 Plus程序中預(yù)設(shè)幾個(gè)溫度梯度即可完成多個(gè)樣品在不同溫度下的自動(dòng)測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(guò)PRI-8800 Plus的“傻瓜式”操作測(cè)量，將極大減少科學(xué)家實(shí)驗(yàn)實(shí)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(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(wú)疑拓展了系統(tǒng)在不同溫度組合條件下的應(yīng)用場(chǎng)景。
4）水分依賴(lài)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(lài)特性。PRI-8800 Plus可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus快速連續(xù)測(cè)量模式下，實(shí)現(xiàn)不同水分梯度條件下土壤呼吸的精準(zhǔn)測(cè)量，而PRI-8800 Plus的邏輯設(shè)計(jì)，為短期、中期和長(zhǎng)期濕度控制條件下的土壤呼吸的連續(xù)、高品質(zhì)測(cè)量提供了可能。
5）底物依賴(lài)性的研究：底物物質(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(guò)PRI-8800快速在線變溫培養(yǎng)測(cè)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(guò)程中的土壤呼吸研究、緩釋肥緩釋不同階段對(duì)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。
6）生物依賴(lài)性的研究：土壤呼吸包含土壤微生物呼吸（>90%）和土壤動(dòng)物呼吸（1-10%），土壤微生物群落對(duì)Q10影響重大。通過(guò)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(duì)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(duì)土壤生物依賴(lài)性的響應(yīng)解析。
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