今天要与大家分享的文章是兰州大学贺金生教授团队关于土壤呼吸环安装时间影响土壤呼吸准确测定的最新研究成果。这项研究不仅量化了长期呼吸环安装对土壤呼吸测定的影响，同时提出了相应的校正方法，为未来土壤呼吸的标准化测量提供了依据，填补了国际上对这一现象进行系统研究的空白。

       土壤呼吸（Soil Respiration）是指土壤释放二氧化碳的过程。和动物的呼吸一样，土壤中的植物根系、动物、真菌和细菌等进行新陈代谢活动，都会释放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是陆地生态系统仅次于光合作用的第二大碳通量，约是人为碳排放总量的9倍。土壤呼吸微小的变化可能导致大气中二氧化碳浓度和土壤中碳库的重大变化。因此，对土壤呼吸的准确测定，不仅关系到对生态系统碳循环过程的正确理解，也直接与生态系统碳收支的评估、土壤健康等方面密切相关。

       土壤呼吸不仅随土壤的生物和非生物因素发生变化，也与植物的光合、生长状况密切相关。受这些因素的影响，土壤呼吸处于高度的动态变化过程中，表现出明显的日变化、季节变化和年际变化。因此，对土壤呼吸的准确测定需要长期、高频率的动态监测。

       目前国际上通用的测定方法是土壤碳通量长期自动监测系统，该系统的运行依赖于安装在土壤表层的呼吸环底座（collar）。然而，在野外测定过程中发现，土壤呼吸环的安装时长可能会影响土壤呼吸的准确测定，但目前国际上还没有对这一现象进行系统的研究。

       基于此，兰州大学贺金生教授团队在青藏高原东北部的青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站，对土壤呼吸进行了3个生长季（2017-2019年）的连续测定，对土壤环内外的生物和非生物因素进行了分析。此项研究不仅量化了呼吸环安装时间对土壤呼吸测定的影响，同时揭示了测定偏差的潜在原因。

       整个研究项目也开展了对温度敏感性的测试。采用原位在线测量（2017-2019）和室内培养实验对土壤呼吸的温度敏感性进行了量化。野外试验是对5厘米深度土壤的Rs和ST（土壤温度）进行了测试。在培养实验中，采用了由北京普瑞亿科研发的PRI-8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统对长期和短期土壤环内不同深度的土壤样品进行培养（Liu et al.,2018）。使用同位素和气体浓度分析仪自动监测顶空CO₂浓度的变化。具体来说，对于每个样品，将20g新鲜土壤调整为55%的持水量，放置在150毫升的聚乙烯塑料瓶中培养测试。共选取6个样地的48份土壤样品进行培养试验。所有土壤样品置于PRI-8800中，在20℃下预培养1周。为了保持恒定的土壤水分水平，每2天检查一次失水，并根据重量调整土壤含水量（Liu et al.,2018）。设置了16个培养温度（-15 ~ 15℃，间隔2℃）。培养温度由-15℃升高至15℃。每天每个温度保持3 h(平衡时间)，使土样能够适应温度的变化，排除因温度变化而导致CO₂的滞后排放（Liu et al.,2018）。根据CO₂浓度随时间变化的斜率曲线计算土壤有机碳分解速率。

       研究发现，长期土壤呼吸环安装对土壤呼吸速率的影响随时间变化。长期呼吸环安装后的第二和第三个生长季节，土壤呼吸速率分别降低了8.9%和18.2%，特别从第二个生长季中期开始，长期底座安装使土壤呼吸速率迅速下降。研究进一步发现，在长期呼吸环安装的后期，环内根系生物量、土壤微生物量碳的显著下降和土壤容重的显著增加是土壤呼吸被低估的主要原因。这些研究结果表明，在解释基于长期呼吸环底座测量的土壤呼吸数据时，应考虑呼吸环安装时长这种潜在的影响因素。文章同时建议，使用短期呼吸环测量土壤呼吸或呼吸环安装超过1-2年后应及时更换位置，以降低因呼吸环安装时长所引起的测定偏差。这项研究不仅量化了长期呼吸环安装对土壤呼吸测定的影响，同时提出了相应的校正方法，为未来土壤呼吸的标准化测量提供了依据。

       目前，研究成果以“Long-term collar deployment leads to bias in soil respiration measurements”为题正式在线发表于国际重要生态学期刊《生态学与进化研究方法》（Methods in Ecology and Evolution）上。兰州大学草地农业科技学院2019级博士生马小亮为论文第一作者、贺金生教授为论文通讯作者、蒋胜竞青年研究员、北京大学博士生张智起、生态学院宋超教授和汪浩青年研究员为论文共同作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（32130065和32192461）的资助。

相关论文信息：Ma X, Jiang S, Zhang Z, et al. Long‐term collar deployment leads to bias in soil respiration measurements[J]. Methods in Ecology and Evolution, 2023, 14(3): 981-990.

原文链接：https://doi.org/10.1111/2041-210X.14056

 

来源丨兰州大学草地农业科技学院

       自2018年上市以来，PRI-8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统得到了广泛关注。该系统在土壤有机质分解速率、Q₁₀及其调控机制方面提供了一整套高效的解决方案，为科研人员提供室内变温培养模拟野外环境的条件，让科研可以更广、更深层次地开展。目前以PRI-8800为关键设备发表的相关文章已达23篇。

       为响应国家“双碳”目标，针对国内“双碳”行动有效性评估，普瑞亿科全新升级了PRI-8800 全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统，结合了连续变温培养和高频土壤呼吸在线测量的优势，模式的培养与测试过程非常简单高效，这极大方便了大量样品的测试或大尺度联网的研究，可以有效服务科学研究和生态观测。PRI-8800的成功推出，为“双碳”目标研究和评价提供了强有力的工具。

戳视频↓

       2023年，为了更好地助力科学研究，拓展设备应用场景，普瑞亿科重磅推出「加强版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统。

       2）湿地淹水深度模拟：在全球尺度上湿地甲烷（CH₄）排放的温度敏感性大小主要取决于水位变化，而二氧化碳（CO₂）排放的温度敏感性不受水位影响。复杂多样的湿地生态系统不同水位的变化及不同温度的变化如何影响和调控着湿地温室气体的排放？我们该如何量化不同水位的变化及不同温度的变化下湿地的温室气体排放？借助PRI-8800 Plus，通过淹水深度和温度变化的组合测试，可以查出真相。

       3）温度依赖性的研究：既然温度的变化会极大影响土壤呼吸，基于温度变化的Q₁₀研究成为科学家研究中重中之重。2017年Robinson提出的最低20个温度梯度拟合土壤呼吸对温度响应曲线的建议，将纠正以往研究人员只设置3-5个温度点(大约相隔5-10℃)进行呼吸测量的做法，该建议能解决传统方法因温度梯度少而导致的不同土壤的呼吸对温度变化拟合相似度高的问题，更能提升不同的理论模型或随后模型推算结果的准确性。而上述至少20个温度点的设置和对应的土壤呼吸测量，仅仅需要在PRI-8800 Plus程序中预设几个温度梯度即可完成多个样品在不同温度下的自动测量，这将极大提高科学家的工作效率。

       除了上述变温应用案例外，科学家还可以依据自己的实验设计进行诸如日变化、月变化、季节变化、甚至年度温度变化的模拟培养，通过PRI-8800 Plus的“傻瓜式”操作测量，将极大减少科学家实验实施的周期和工作量，并提高了工作效率。

       PRI-8800 Plus除了具有上述变温培养的特色，还可以进行恒温培养，抑或是恒温/变温交替培养，这些组合无疑拓展了系统在不同温度组合条件下的应用场景。

       4）水分依赖性的研究：多数研究表明，在温度恒定的情况下，Q₁₀很容易受土壤含水量的影响，表现出一定的水分依赖特性。PRI-8800 Plus可以通过手动调整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus快速连续测量模式下，实现不同水分梯度条件下土壤呼吸的精准测量，而PRI-8800 Plus的逻辑设计，为短期、中期和长期湿度控制条件下的土壤呼吸的连续、高品质测量提供了可能。

       5）底物依赖性的研究：底物物质量与Q₁₀密切相关，这里的底物包含不限于自然态的土壤，如含碳量，含氮量，易分解/难分解的碳比例、土壤粘粒含量、酸碱盐度等；也可能包含了某些外源底物，如外源的生物质碳、微生物种群、各种肥料、呼吸促进/抑制剂、同位素试剂等。通过PRI-8800快速在线变温培养测量，能加速某些研究进程并获得可靠结果，如生物质炭在土壤改良过程中的土壤呼吸研究、缓释肥缓释不同阶段对土壤呼吸的持续影响、盐碱土壤不同改良措施下的土壤呼吸的变化响应等等。