2018年，由北京普瑞億科科技有限公司研發(fā)的PRI-8800全自動變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)，一經(jīng)推出便得到了廣泛關注。該系統(tǒng)在土壤有機質(zhì)分解速率、Q₁₀及其調(diào)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(nèi)變溫培養(yǎng)模擬野外環(huán)境的條件，讓科研可以更廣、更深層次地開展。目前以PRI-8800為關鍵設備發(fā)表的相關文章已達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)田長期轉(zhuǎn)化對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展。在該項研究中，研究團隊利用PRI-8800測定土壤樣品的R_s和Q₁₀，為研究結果提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

 

       土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，所含碳量相當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，全球變暖會加速土壤中碳的分解，增加大氣二氧化碳（CO₂）濃度，從而導致土壤碳循環(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）。

       土地利用變化是當前生物圈碳循環(huán)的主要人為驅(qū)動因素之一（也是全球變化的重要組成要素），土地利用變化將促進/抑制土壤碳釋放到大氣中，被認為是僅次于化石燃燒的第二大人為碳源，累計約占人為二氧化碳排放量的12.5%。由于人口的增長和對農(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)相關的森林砍伐，不僅會導致生物多樣性喪失，改變土壤碳循環(huán)過程，還可能削弱生態(tài)系統(tǒng)應對氣候變化的能力。由于土壤微生物呼吸對溫度變化的響應異常敏感，土壤Q₁₀對土地利用變化的潛在響應（提升或壓制），可能會對未來氣候產(chǎn)生重大影響。因此，為了提高人們關于土地利用變化對土壤碳循環(huán)的影響及其對氣候變化反饋的認識，確定Q₁₀對土地利用變化響應的生物地理格局及其調(diào)控因素至關重要（圖1）。

圖1 不同區(qū)域森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田對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土壤Q₁₀的影響及其空間變異機制，研究人員收集了中國東部從熱帶到溫帶的19個“森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田”配對地塊的土壤樣品，采用由普瑞億科研發(fā)的PRI-8800全自動變溫土壤培養(yǎng)溫室氣體分析系統(tǒng)，在5~30 °C進行室內(nèi)培養(yǎng)，并測量Rs和計算了Q₁₀，此數(shù)據(jù)的獲取為該項研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖2 中國東部土壤微生物呼吸Q₁₀的空間變異模式
 

       研究結果表明: 森林土壤Q₁₀的緯度模式主要受到氣候因素的驅(qū)動。類似的，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 長期的森林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田導致Q₁₀出現(xiàn)不同方向的偏離（閾值約1.5）

       預計全球氣溫升高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排放預測

 

       總的來說，相關研究結果凸顯了與長期土地利用變化相關的生物地理變化對土壤微生物呼吸溫度響應的潛在影響，并強調(diào)了將長期土地利用對土壤溫度敏感性的影響納入陸地碳循環(huán)模型以改進未來碳-氣候反饋預測的重要性。

       研究論文近期在線發(fā)表于土壤學著名期刊《Soil Biology and Biochemistry》。第一作者為北京林業(yè)大學博士研究生潘俊、通訊作者為東北林業(yè)大學何念鵬教授和北京林業(yè)大學的孫建新教授；其他重要的合作作者還包括密歇根州立大學劉遠博士、中央民族大學李超博士、中國科學院地理資源所李明旭博士和徐麗博士。該研究受到國家自然科學基金項目（32171544，42141004, 31988102）、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃（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為關鍵設備發(fā)表的相關文章已達27篇，分別發(fā)表在10余種影響因子較高的國際期刊上——

數(shù)據(jù)來源：https://sci.justscience.cn/

       很榮幸PRI-8800可以為這些高質(zhì)量學術研究貢獻一份力量，感謝各位老師對普瑞億科產(chǎn)品的支持和信任。即日起，如果您成功發(fā)表文章，并且在研究過程中使用了普瑞億科的國產(chǎn)儀器設備，請與我們公司聯(lián)絡，我們?yōu)槟鷾蕚淞艘环菪《Y物，以感謝您對國產(chǎn)設備以及普瑞億科的信任和支持！

 

 

 

       為響應國家“雙碳”目標，針對國內(nèi)“雙碳”行動有效性評估，普瑞億科全新升級了PRI-8800 全自動變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)，結合了連續(xù)變溫培養(yǎng)和高頻土壤呼吸在線測量的優(yōu)勢，模式的培養(yǎng)與測試過程非常簡單高效，這極大方便了大量樣品的測試或大尺度聯(lián)網(wǎng)的研究，可以有效服務科學研究和生態(tài)觀測。PRI-8800的成功推出，為“雙碳”目標研究和評價提供了強有力的工具。

戳視頻↓

 

       土壤有機質(zhì)分解速率（R）對溫度變化的響應非常敏感。溫度敏感性參數(shù)（Q₁₀）可以刻畫土壤有機質(zhì)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(shù)；Q₁₀值越大，表明土壤有機質(zhì)分解對溫度變化就越敏感。Q₁₀不僅取決于有機質(zhì)分子的固有動力學屬性，也受到環(huán)境條件的限制。Q₁₀能抽象地描述土壤有機質(zhì)分解對溫度變化的響應，在不同生態(tài)類型系統(tǒng)、不同研究間架起了一個規(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，最低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(tǒng)為Q₁₀的研究提供了強有力的工具，不僅能用于測量Q₁₀對環(huán)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(lián)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。

• 可設定恒溫或變溫培養(yǎng)模式；
• 溫度控制波動優(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；
• 一體化設計，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研究，拓展設備應用場景，普瑞億科重磅推出「加強版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自動變溫培養(yǎng)土壤溫室氣體在線測量系統(tǒng)。

       1）原狀土凍融過程模擬：氣候變化改變了土壤干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的頻率和強度。這些波動影響了土壤微生物活動的關鍵驅(qū)動力，即土壤水分利用率。雖然這些波動使土壤微生物結構有少許改變，但一種氣候波動的影響（例如干濕交替）是否影響了對另一種氣候（例如凍融交替）的反應，其溫室氣體排放是如何響應的？通過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？我們該如何量化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，通過淹水深度和溫度變化的組合測試，可以查出真相。

       3）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提出的最低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(tǒng)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 Plus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(jù)自己的實驗設計進行諸如日變化、月變化、季節(jié)變化、甚至年度溫度變化的模擬培養(yǎng)，通過PRI-8800 Plus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 Plus除了具有上述變溫培養(yǎng)的特色，還可以進行恒溫培養(yǎng)，抑或是恒溫/變溫交替培養(yǎng)，這些組合無疑拓展了系統(tǒng)在不同溫度組合條件下的應用場景。

       4）水分依賴性的研究：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)出一定的水分依賴特性。PRI-8800 Plus可以通過手動調(diào)整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus快速連續(xù)測量模式下，實現(xiàn)不同水分梯度條件下土壤呼吸的精準測量，而PRI-8800 Plus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(xù)、高品質(zhì)測量提供了可能。

       5）底物依賴性的研究：底物物質(zhì)量與Q₁₀密切相關，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/抑制劑、同位素試劑等。通過PRI-8800快速在線變溫培養(yǎng)測量，能加速某些研究進程并獲得可靠結果，如生物質(zhì)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(xù)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。

       6）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(yǎng)前后的微生物種群和數(shù)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。

1.Li C, Xiao C, Li M, et al. The quality and quantity of SOM determines the mineralization of recently added labile C and priming of native SOM in grazed grasslands[J]. Geoderma, 2023, 432: 116385.
2.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.
3.He Y, Zhou X, Jia Z, et al. Apparent thermal acclimation of soil heterotrophic respiration mainly mediated by substrate availability[J]. Global Change Biology, 2023, 29(4): 1178-1187.
4.Mao X, Zheng J, Yu W, et al. Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2022, 172: 108743.
5.Pan J, He N, Liu Y, et al. Growing season average temperature range is the optimal choice for Q₁₀ incubation experiments of SOM decomposition[J]. Ecological Indicators, 2022, 145: 109749.
6.Li C, Xiao C, Guenet B, et al. Short-term effects of labile organic C addition on soil microbial response to temperature in a temperate steppe[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2022, 167: 108589.
7.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.
8.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.
9.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.
10.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.
11.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.
12.Yingqiu C, Zhen Z, Li X, et al. Temperature Affects new Carbon Input Utilization By Soil Microbes: Evidence Based on a Rapid δ13C Measurement Technology[J]. Journal of Resources and Ecology, 2019, 10(2): 202-212.
13.Cao Y, Xu L, Zhang Z, et al. Soil microbial metabolic quotient in inner mongolian grasslands: Patterns and influence factors[J]. Chinese Geographical Science, 2019, 29: 1001-1010.
14.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.
15.Liu Y, Wen XF, Zhang YH, Tian J, Gao Y, Ostle NJ, Niu SL, Chen SP, Sun XM, He NP. 2018.Widespread asymmetric response of soil heterotrophic respiration to warming and cooling. Science of Total Environment, 635: 423-431.
16.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.
17.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.
18.He N P, Liu Y, Xu L, Wen X F, Yu G R, Sun X M. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition:New insights into models of incubation and measurement. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(11): 4045-4051.
19.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.
20.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.
21.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.
22.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.
23.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.
24.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.
25.Liu YH,Xiong DC,Wu C,et al.Effects of exogenous carbon addition on soil carbon emission in a subtropical evergreen broad-leaf forest[J]. Journal of Forest & Environment, 2023, 43(5).
26.Zheng, J., Mao, X., Jan van Groenigen, K., Zhang, S., Wang, M., Guo, X. et al. (2024). Decoupling of soil carbon mineralization and microbial community composition across a climate gradient on the Tibetan Plateau. 441, 116736.
27.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.

 

 

如果您對我們的產(chǎn)品或本期內(nèi)容有任何問題，歡迎致電垂詢：

• 地址：北京市海淀區(qū)瀚河園路自在香山98-1號樓
• 電話：010-51651246 88121891
• 郵箱：info@pri-eco.com