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文獻上新！PRI-8800助力土壤有機碳分解對溫度變化響應的研究

來源：北京普瑞億科科技有限公司 2022年08月11日 15:34

土壤有機碳是指土壤中各種正價態的含碳有機化合物，是土壤極其重要的組成部分，對地球碳循環有巨大的影響，既是溫室氣體“源”，也是其重要的“匯”。由于土壤有機碳的組成成分和結構十分復雜，加之受到環境與測量技術的限制，目前對其分解特征和循環轉化尚未得到充分的認識。

2018年，由北京普瑞億科科技有限公司與地理科學與資源研究所聯合研發的PRI-8800全自動變溫培養土壤溫室氣體在線測量系統，一經推出便得到了廣泛關注。該系統在土壤有機質分解速率、Q10及其調控機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變溫培養模擬野外環境的條件，讓科研可以更廣、更深層次地開展，相關文章發表已達17篇。

今天與大家分享的文章是羅忠奎課題組關于揭示剖面土壤有機碳分解對溫度變化的響應特征及其控制因子的研究。

在該項研究中，針對土壤培養和Q10估算，采用PRI-8800作為關鍵設備之一，該成果發表于《Soil Biology and Biochemistry》，我們一起學習一下吧！

在氣候變暖的背景下，土壤有機碳分解溫度敏感性（Q10）的研究主要集中在表層土壤，而深層土壤有機碳分解特征及其控制因子還未得到充分的認識，這將會明顯增加陸地生態系統土壤碳庫—氣候反饋的強度和方向預測的不確定性。

針對上述問題，浙江大學環境與資源學院遙感所羅忠奎研究員課題組在中國西藏東南部，采集沿著海拔區間約2500米（約2100米至約4600米）的樣帶（從常綠闊葉林到高寒草甸）10個地點、5個連續土層深度（0-10、10-20、20-30、30-50和50-100 cm）土壤樣品，結合13C-NMR和物理化學分組技術表征了有機碳的化學分子結構和物理化學穩定性，并對剖面土壤進行培養（128天），評估了土壤有機碳分解的溫度敏感性及其主要影響因子。

圖1.不同海拔和土層間Q10值的分布，Q10-cum，基于128天累積培養呼吸計算；Q10-q，基于累積消耗碳組分0-0.1%、0.2-0.3%、0.4-0.5%計算；Q10-k基于模型模擬快庫、慢庫、惰庫計算。

表1.海拔和土層對不同Q10的影響

研究結果發現不同海拔和不同土層土壤有機碳的化學穩定性和物理化學穩定性都存在顯著差異。高海拔地區（海拔3600米以上的冷杉林和高山草甸）土壤有機碳的化學抗性高于低海拔地區。土壤有機碳分解的Q10受土壤深度和海拔高度的顯著影響。而深度對Q10的影響遠小于海拔梯度對Q10的影響。高海拔地區土壤有機碳礦化的溫度敏感性高于低海拔地區。

圖2.隨機森林模型明確氣候因素、土壤理化性質、化學組分和物理保護對Q10-q的影響

土壤有機碳的化學性質在土壤有機碳礦化溫度敏感性的變異中起主要解釋作用，其中有機碳疏水性、累積礦化碳組分和烷基碳/氧烷基碳比率為重要性前三的土壤有機碳化學性質；土壤有機碳物理保護作用次之。

圖3.氣候、土壤理化性質、化學組分和物理保護對Q10的影響

有機碳的化學組成及其對分解的物理化學保護對Q10值的解釋方差貢獻了80%。路徑分析表明，氣候通過調控土壤有機碳的化學組成及其物理化學穩定性間接影響Q10。基于數據約束的碳模型進一步揭示，快速、緩慢和被動碳庫的Q10表現出顯著差異，這是由于其分解過程中化學組成參與和物理化學保護的不同造成。

研究成果以“Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile”為題，于2022年6月2日在線發表于土壤學科領域期刊Soil Biology and Biochemistry（5年影響因子8.312）。浙江大學環境與資源學院助理研究員毛霞麗為第yi作者，博士研究生鄭金陽成為共同第yi作者，浙江大學環資與資源學院研究員羅忠奎為通訊作者。該項目得到國家自然科學基金項目（41930754、32171639），國家重點研發政府間國際科技創新合作項目（2021YFE0114500），高校基礎研究基金（226-2022-00084）。

相關論文信息：Mao X1, Zheng J1, Yu W, Guo X, Xu K, Zhao R, Xiao L, Wang M, Jiang Y, Zhang S, Luo L, Chang J, Shi Z, Luo Z* 2022. Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile. Soil Biology and Biochemistry 172, 108743.

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土壤有機質分解速率（R）對溫度變化的響應非常敏感。溫度敏感性參數（Q10）可以刻畫土壤有機質分解對溫度變化的響應程度。Q10是指溫度每升高10℃，Ｒ所增加的倍數；Q10值越大，表明土壤有機質分解對溫度變化就越敏感。Q10不僅取決于有機質分子的固有動力學屬性，也受到環境條件的限制。Q10能抽象地描述土壤有機質分解對溫度變化的響應，在不同生態類型系統、不同研究間架起了一個規范的和可比較的參數，因此其研究意義重大。

以往Q10研究通過選取較少的溫度梯度（3-5個點）進行測量，從而導致不同土壤的呼吸對溫度變化擬合相似度高的問題無法被克服。Robinson最近的研究（2017）指出，zui低20個溫度梯度擬合土壤呼吸對溫度的響應曲線可以有效解決上述問題。PRI-8800全自動變溫土壤溫室氣體在線測量系統為Q10的研究提供了強有力的工具，不僅能用于測量Q10對環境變量主控溫度因子的響應，也能用于測量其對土壤含水量、酶促反應、有機底物、土壤生物及時空變異等的響應。PRI-8800為Q10對關聯影響因子的研究，提供了一套快捷、高效、準確的整體解決方案。

01 主要特點

可進行恒溫或變溫培養設定；
溫度控制波動優于±0.05℃；
平均升降溫速率不小于1°C/min；
150ml樣品瓶適配25位樣品盤；
具有CO2預降低的雙回路設計；
一體化設計，內置CO2 H2O模塊；
可以外接濃度和同位素分析儀等。

02 PRI-8800 實驗設計

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研究成為科學家研究中重中之重。2017年Robinson提出的zui低20個溫度梯度擬合土壤呼吸對溫度響應曲線的建議，將糾正以往研究人員只設置3-5個溫度點（大約相隔5-10℃）進行呼吸測量的做法，該建議能解決傳統方法因溫度梯度少而導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果的準確性。而上述至少20個溫度點的設置和對應的土壤呼吸測量，僅僅需要在PRI-8800程序中預設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，這將極大提高科學家的工作效率。

除了上述變溫應用案例外，科學家還可以依據自己的實驗設計進行諸如日變化、月變化、季節變化、甚至年度溫度變化的模擬培養，通過PRI-8800的“傻瓜式”操作測量，將極大減少科學家實驗實施的周期和工作量，并提高了工作效率。PRI-8800全自動變溫培養土壤CO2 H2O在線測量系統主要包含自動進樣器、水槽、壓縮機、CO2 H2O 分析儀、內部計算機、25位樣品盤等，25個樣品瓶。

PRI-8800除了具有上述變溫培養的特色，還可以進行恒溫培養，抑或是恒溫/變溫交替培養，這些組合無疑拓展了系統在不同溫度組合條件下的應用場景。

2）水分依賴性的研究：多數研究表明，在溫度恒定的情況下，Q10很容易受土壤含水量的影響，表現出一定的水分依賴特性。PRI-8800可以通過手動調整土壤含水量的做法，并在PRI-8800快速連續測量模式下，實現不同水分梯度條件下土壤呼吸的精準測量，而PRI-8800的邏輯設計，為短期、中期和長期濕度控制條件下的土壤呼吸的連續、高品質測量提供了可能。

3）底物依賴性的研究：底物物質量與Q10密切相關，這里的底物包含不限于自然態的土壤，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，如外源的生物質碳、微生物種群、各種肥料、呼吸促進/抑制劑、同位素試劑等。通過PRI-8800快速在線變溫培養測量，能加速某些研究進程并獲得可靠結果，如生物質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影響、鹽堿土壤不同改良措施下的土壤呼吸的變化響應等等。

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。通過溫度響應了解培養前后的微生物種群和數量的變化以及對應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，或許幫助科學家找出更好的Q10對土壤生物依賴性的響應解析。

03 PRI-8800相關文獻信息
1.Li, C., Xiao, C.W., Guenet, B., Li, M.X., Xu, L., He, N.P. 2022. Short-term effects of labile organic C addition on soil microbial response to temperature in a temperate steppe. Soil Biology and Biochemistry 167, 108589.
2.Jiang ZX, Bian HF, Xu L, He NP. 2021. Pulse effect of precipitation: spatial patterns and mechanisms of soil carbon emissions. Frontiers in Ecology and Evolution, 9: 673310.
3.Liu Y, Xu L, Zheng S, Chen Z, Cao YQ, Wen XF, He NP. 2021. Temperature sensitivity of soil microbial respiration in soils with lower substrate availability is enhanced more by labile carbon input. Soil Biology and Biochemistry, 154: 108148.
4.Bian HF, Zheng S, Liu Y, Xu L, Chen Z, He NP. 2020. Changes in soil organic matter decomposition rate and its temperature sensitivity along water table gradients in cold-temperate forest swamps. Catena, 194: 104684.
5.Xu M, Wu SS, Jiang ZX, Xu L, Li MX, Bian HF, He NP. 2020. Effect of pulse precipitation on soil CO2 release in different grassland types on the Tibetan Plateau. European Journal of Soil Biology, 101: 103250.
6.Liu Y, He NP, Xu L, Tian J, Gao Y, Zheng S, Wang Q, Wen XF, Xu XL, Yakov K. 2019. A new incubation and measurement approach to estimate the temperature response of soil organic matter decomposition. Soil Biology & Biochemistry, 138, 107596.
7.Liu Y, He NP, Wen XF, Xu L, Sun XM, Yu GR, Liang LY, Schipper LA. 2018. The optimum temperature of soil microbial respiration: Patterns and controls. Soil Biology and Biochemistry, 121: 35-42.
8.Liu Y, Wen XF, Zhang YH, Tian J, Gao Y, Ostle NJ, Niu SL, Chen SP, Sun XM, He NP. Widespread asymmetric response of soil heterotrophic respiration to warming and cooling. Science of Total Environment, 635: 423-431.
9.Wang Q, He NP, Xu L, Zhou XH. 2018. Important interaction of chemicals, microbial biomass and dissolved substrates in the diel hysteresis loop of soil heterotrophic respiration. Plant and Soil, 428: 279-290.
10.Wang Q, He NP, Xu L, Zhou XH. 2018. Microbial properties regulate spatial variation in the differences in heterotrophic respiration and its temperature sensitivity between primary and secondary forests from tropical to cold-temperate zones. Agriculture and Forest Meteorology, 262, 81-88.
11.Li J, He NP, Xu L, Chai H, Liu Y, Wang DL, Wang L, Wei XH, Xue JY, Wen XF, Sun XM. 2017. Asymmetric responses of soil heterotrophic respiration to rising and decreasing temperatures. Soil Biology & Biochemistry, 106: 18-27.
12.Liu Y, He NP, Xu L, Niu SL, Yu GR, Sun XM, Wen XF. 2017. Regional variation in the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in China’s forests and grasslands. Global Change Biology, 23: 3393-3402.
13.Wang Q, He NP*, Liu Y, Li ML, Xu L. 2016. Strong pulse effects of precipitation event on soil microbial respiration in temperate forests. Geoderma, 275: 67-73.
14.Wang Q, He NP, Yu GR, Gao Y, Wen XF, Wang RF, Koerner SE, Yu Q*. 2016. Soil microbial respiration rate and temperature sensitivity along a north-south forest transect in eastern China: Patterns and influencing factors. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 121: 399-410.
15.He NP, Wang RM, Dai JZ, Gao Y, Wen XF, Yu GR. 2013. Changes in the temperature sensitivity of SOM decomposition with grassland succession: Implications for soil C sequestration. Ecology and Evolution, 3: 5045-5054.
16.何念鵬, 劉遠, 徐麗, 溫學發, 于貴瑞, 孫曉敏. 2018. 土壤有機質分解溫度敏感性研究：培養與測定模式. 生態學報, 38: 4045-4051.
17.Mao X1, Zheng J1, Yu W, Guo X, Xu K, Zhao R, Xiao L, Wang M, Jiang Y, Zhang S, Luo L, Chang J, Shi Z, Luo Z* 2022. Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile. Soil Biology and Biochemistry 172, 108743.

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