全自動變溫土壤溫室氣體分析在復旦聶明團隊土壤碳循環研究的應用
近日，復旦大學生科院聶明團隊在全球變化生態學研究領域取得重要進展。相關成果以“Rising temperature may trigger deep soil carbon loss across forest ecosystems”為題發表于Advanced Science 雜志。
因大氣CO2濃度升高引起的全球變暖問題是21世紀人類社會所面臨的最嚴峻挑戰之一。全球土壤有機碳庫儲量約是大氣碳庫的三倍，因此通過土壤有機碳分解釋放的CO2對大氣CO2濃度有著重要的影響，進而改變區域乃至全球氣候。土壤有機碳的分解強度受到溫度的調控，其對溫度的敏感性被認為是決定未來氣候變化態勢的關鍵因素之一，也是陸地氣候預測模型的關鍵假設與重要參數。底層土壤儲藏著與表層土壤相當的有機碳，然而以往研究主要集中于表層土壤，對底層土壤碳分解的溫度敏感性還知之甚少，這直接制約了對未來氣候變化態勢的判斷。
為此，該研究團隊選取我國90個典型森林生態系統（圖1），涉及熱帶雨林、亞熱帶森林、暖溫帶森林、寒溫帶森林與北方森林。每個森林中分6個土層采集了1米深度的土壤，探究土壤有機碳分解溫度敏感性隨土壤剖面變化的一般性規律及其調控機制。
為此，該研究團隊選取我國90個典型森林生態系統（圖1），涉及熱帶雨林、亞熱帶森林、暖溫帶森林、寒溫帶森林與北方森林。每個森林中分6個土層采集了1米深度的土壤，探究土壤有機碳分解溫度敏感性隨土壤剖面變化的一般性規律及其調控機制。
圖1 中國森林90個典型土壤剖面采樣點空間分布圖。
研究發現，隨著土壤深度的增加，有機碳分解的溫度敏感性隨之增大，表明底層土壤碳分解對全球變暖的響應更為敏感（圖2a）。此外，表層土壤碳分解溫度敏感性主要受氣候因子調控，而底層土壤主要受氣候因子和碳質量的共同調控（圖2b）。
圖2 土壤有機碳分解溫度敏感性（Q10）隨土壤深度增加而增大（a）及不同因子對Q10調控作用的相對貢獻隨土壤深度的變化（b）。
該研究還發現，忽視土壤有機碳分解溫度敏感性沿土壤剖面的變異，會極大低估土壤釋放的CO2量（圖3），強調急需將這一特征納入到陸地氣候預測模型中以提高預測精度。
圖3 與多層模型（six-layer model；使用剖面變異的溫度敏感性Q10值）相比，單層模型（single-layer model；將表層0–10 cm土壤的Q10值應用于整個土壤剖面）會低估本世紀末溫度升高3°C時土壤碳排放，即高估土壤相對碳庫（relative SOC stock）。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001242
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001242
從聶明老師團隊的研究中發現，土壤有機質分解的溫度敏感性（Q10）不僅是生態學和土壤學研究的核心科學問題之一，也是全球變化生態學研究的熱點領域。國內外學者對Q10的影響因素或機制開展了大量卓有成效的研究工作，并有不少相關的綜述或展望。
在該項研究中，聶明老師團隊運用的測定方法是連續變溫培養+氣相色譜手動測量，而今天要為大家介紹的是一種更快的連續變溫培養+連續自動測試新模式。
長期以來，室內培養研究的方法經歷了幾次技術更新。最早是用堿液吸收法+氣相色譜來進行（CDM模式），該方法無法變溫，測試點少，并且需要人工操作；之后經過技術改進，可以變溫培養，仍然采用氣相色譜設備檢測（VDM模式），該方法仍然存在取樣點少，人工操作不方便，無法大量樣點試驗等問題。
鑒于培養和測定模式對實驗研究的重要性，北京普瑞億科科技有限公司和中國科學院地理科學與資源研究所何念鵬研究團隊合作研發了PRI-8800全自動變溫土壤培養溫室氣體（同位素）分析系統，并發展了Q10研究的連續變溫培養+連續自動測試的新模式。3種模式的示意圖見【圖1】，各自的特點、優缺點見【表1】。
圖1：3種模式示意
表1：3種模式的特點
VCM模式實驗過程
150mL樣品瓶（PRI-8800樣品瓶）中填裝40g土壤樣品，向其中混入10g石英砂，防止土壤板結，調整含水量至60%（WHC），放置在樣品盤上。土壤樣本在25°C下預培養7天，排除微生物活動干擾。分別在第1天、5天、8天、15天、22天和26天的時候，使用PRI-8800全自動變溫控制土壤通量系統（PRI-ECO，中國）測量每個樣品瓶中SOM分解速率（Rs）。該系統允許連續改變培養溫度并在高頻下測量Rs。測樣時，每個樣品需在一個設定溫度恒溫穩定至少30分鐘，然后在12小時的測量周期內測量36次（75s一個樣品）。PRI-8800每秒鐘記錄一次CO2濃度，同步記錄土壤溫度，以提供準確的Rs和土壤溫度配對數據。采用稱重法監測土壤水分。最后，使用經典指數方程計算Q10值，每個方法的R2和P值。
所用設備
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PRI-8800即可對接溫室氣體分析儀，又可對接碳氮同位素分析儀。穩定同位素技術具有示蹤、整合和指示等多項功能和檢測快速、結果準確等特點，δ13C、δ15N同位素技術被廣泛用于土壤碳氮循環研究，也成為探討土壤中有機組分來源和轉化動態的有效手段，利用δ13C同位素可區分土壤呼吸的不同成分，指示碳的來源和周轉途徑；δ15N用于土壤氮素轉換等的研究。
- 可靈活對接不同分析儀（同位素分析儀、氣體濃度分析儀等）；
- 標配16位樣品盤，也可選配4位或9位樣品盤；
- 自動化程度高，無人值守，24h不間斷工作；
- 可方便拆卸土壤瓶固定裝置，實現在線置換土壤瓶；
- 全自動控溫系統（-20~80 ℃），控溫精度優于0.1 ℃；
- 土壤溫度傳感器探針可頻繁自動插入土壤瓶中，準確測量土壤溫度；
- 高效的氣體循環氣路——雙回路氣路設計，可根據需要對CO2濃度進行預處理，調控系統內的起始CO2濃度（避免過高CO2濃度的抑制效應）；
- 高效的氣路設計，縮短響應時間；
- 可靈活設定的標定系統，保障測量數據的準確性；
- 友好的軟件界面，可根據具體實驗需要設定參數及數據存儲等功能；
- 全自動日變化溫度模擬功能。
參考文獻：
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, 徐麗, et al. 土壤有機質分解的溫度敏感性:培養與測定模式[J]. 生態學報, 2018, 38(11).
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