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)27篇。

       今天與大家分享的是何念鵬、潘俊等研究人員在森林-農(nóng)田長(zhǎng)期轉(zhuǎn)化對(duì)土壤微生物呼吸溫度敏感性及空間變異的影響方面取得的進(jìn)展。在該項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用PRI-8800測(cè)定土壤樣品的R_s和Q₁₀，為研究結(jié)果提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

 

       土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，所含碳量相當(dāng)于大氣和植被的總和。土壤微生物呼吸（R_s）是重要的碳循環(huán)過(guò)程，控制著陸地生態(tài)系統(tǒng)向大氣的碳釋放。此外，全球變暖會(huì)加速土壤中碳的分解，增加大氣二氧化碳（CO₂）濃度，從而導(dǎo)致土壤碳循環(huán)與氣候變暖之間的正反饋。這種反饋的方向和強(qiáng)度在很大程度上取決于Rs的溫度敏感性（Temperature sensitivity, Q₁₀）。

       土地利用變化是當(dāng)前生物圈碳循環(huán)的主要人為驅(qū)動(dòng)因素之一（也是全球變化的重要組成要素），土地利用變化將促進(jìn)/抑制土壤碳釋放到大氣中，被認(rèn)為是僅次于化石燃燒的第二大人為碳源，累計(jì)約占人為二氧化碳排放量的12.5%。由于人口的增長(zhǎng)和對(duì)農(nóng)產(chǎn)品需求的增加，全球范圍內(nèi)大量森林生態(tài)系統(tǒng)已被轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這些與農(nóng)業(yè)相關(guān)的森林砍伐，不僅會(huì)導(dǎo)致生物多樣性喪失，改變土壤碳循環(huán)過(guò)程，還可能削弱生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力。由于土壤微生物呼吸對(duì)溫度變化的響應(yīng)異常敏感，土壤Q₁₀對(duì)土地利用變化的潛在響應(yīng)（提升或壓制），可能會(huì)對(duì)未來(lái)氣候產(chǎn)生重大影響。因此，為了提高人們關(guān)于土地利用變化對(duì)土壤碳循環(huán)的影響及其對(duì)氣候變化反饋的認(rèn)識(shí)，確定Q₁₀對(duì)土地利用變化響應(yīng)的生物地理格局及其調(diào)控因素至關(guān)重要（圖1）。

圖1 不同區(qū)域森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田對(duì)土壤微生物呼吸溫度敏感性（Q₁₀）潛在影響
 

       為了更好地闡明土地利用變化對(duì)土壤Q₁₀的影響及其空間變異機(jī)制，研究人員收集了中國(guó)東部從熱帶到溫帶的19個(gè)“森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田”配對(duì)地塊的土壤樣品，采用由普瑞億科研發(fā)的PRI-8800全自動(dòng)變溫土壤培養(yǎng)溫室氣體分析系統(tǒng)，在5~30 °C進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，并測(cè)量Rs和計(jì)算了Q₁₀，此數(shù)據(jù)的獲取為該項(xiàng)研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖2 中國(guó)東部土壤微生物呼吸Q₁₀的空間變異模式
 

       研究結(jié)果表明: 森林土壤Q₁₀的緯度模式主要受到氣候因素的驅(qū)動(dòng)。類(lèi)似的，農(nóng)田土壤Q₁₀隨緯度而升高，氣候因素、pH、粘粒和SOC共同調(diào)節(jié)了耕地土壤Q₁₀的空間變化（圖2）�？傮w而言，森林和耕地之間的Q₁₀值隨著緯度的增加趨于一致；DQ₁₀從熱帶地區(qū)（9.23~3.58%）到亞熱帶地區(qū)（0.58~1.93%）和溫帶地區(qū)（–0.97~1.11%）顯著下降。DQ₁₀的空間變化受到氣候因子、DpH、DMBC及其相互作用的影響。此外，研究還發(fā)現(xiàn)森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田土壤Q₁₀呈現(xiàn)了明顯的閾值現(xiàn)象（約1.5），受到pH和MBC的共同調(diào)控（圖3）。

圖3 長(zhǎng)期的森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田導(dǎo)致Q₁₀出現(xiàn)不同方向的偏離（閾值約1.5）

       預(yù)計(jì)全球氣溫升高2.0 °C的情景下，與生物地理可變的Q₁₀相比，使用固定的Q₁₀平均值將導(dǎo)致土壤CO₂排放量估算產(chǎn)生偏差：森林為–0.93%~3.66%，農(nóng)田為–0.71%~2.05%，森林-農(nóng)田轉(zhuǎn)換的偏差范圍為–5.97~2.14%（表1）。

表1 中國(guó)東部不同生物群落在2.0°C升溫情景下表土（0-20 cm）CO2排放預(yù)測(cè)

 

       總的來(lái)說(shuō)，相關(guān)研究結(jié)果凸顯了與長(zhǎng)期土地利用變化相關(guān)的生物地理變化對(duì)土壤微生物呼吸溫度響應(yīng)的潛在影響，并強(qiáng)調(diào)了將長(zhǎng)期土地利用對(duì)土壤溫度敏感性的影響納入陸地碳循環(huán)模型以改進(jìn)未來(lái)碳-氣候反饋預(yù)測(cè)的重要性。

       研究論文近期在線發(fā)表于土壤學(xué)著名期刊《Soil Biology and Biochemistry》。第一作者為北京林業(yè)大學(xué)博士研究生潘俊、通訊作者為東北林業(yè)大學(xué)何念鵬教授和北京林業(yè)大學(xué)的孫建新教授；其他重要的合作作者還包括密歇根州立大學(xué)劉遠(yuǎn)博士、中央民族大學(xué)李超博士、中國(guó)科學(xué)院地理資源所李明旭博士和徐麗博士。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32171544，42141004, 31988102）、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（YSBR-037）等資助。

原文鏈接：

Pan J, He NP, Li C, Li MX, Xu L, Osbert Sun JX. 2024. The influence of forest-to-cropland conversion on temperature sensitivity of soil microbial respiration across tropical to temperate zones. Soil Biology and Biochemistry, doi:10.1016/j. soilbio.2024.109322.

 

       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)27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。即日起，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；
• 307 mL樣品瓶，25位樣品盤(pán)；
• 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。

       2023年，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�不同水位的變化及不同溫度的變化下濕地的溫室氣體排放？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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