Geoderma丨肖春旺教授团队在草地土壤碳激发效应研究领域取得新进展
2018年，由北京普瑞亿科科技有限公司研发的PRI-8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统，一经推出便得到了广泛关注。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。
今天与大家分享的是肖春旺教授团队在草地土壤碳激发效应研究领域取得新进展，在该项研究中，研究团队利用PRI-8800对来自外源碳和土壤有机质的土壤微生物呼吸的快速、连续、高频观测，为研究结果提供了有力的数据支撑。
来自植物根际和凋落物层淋溶的易分解外源碳（LOC）输入土壤是生态系统常见的自然现象，其在微生物介导的土壤碳循环中发挥着关键作用，尤其是在植物根系密集的草原生态系统。然而，外源碳的输入并不总是意味着土壤碳的净增加，因其能为异养微生物群落提供可用的碳和能量，进一步对土壤有机质的分解产生影响，即激发效应（Priming Effect，PE）。长期以来，尽管许多研究已经探讨了由外源碳添加诱导的激发效应，但很少有研究关注其短期效应。其次，输入土壤的外源碳是高度动态变化的，会迅速融入微生物、土壤有机质，或分解为CO2，但由于土壤微生物对外源碳输入的反应很快，来自外源碳的呼吸作用对微生物呼吸作用的相对贡献及其影响因素仍不确定。此外，围栏禁牧被认为是实现草地生态系统自我恢复的重要途径，其对土壤碳氮特性具有重要的积极影响，而围栏禁牧所导致的土壤碳氮特征变化可能进一步影响微生物对外源碳和土壤有机质的分解，但目前仍然缺乏对此的全面了解。
针对以上科学问题，肖春旺教授团队在中科院内蒙古草原生态站开展了相关研究，研究人员采集了3个不同围封禁牧时间（42年、22年和0年[自由放牧]）和4个不同土层深度（0–10、10–30、30–50、50–100 cm）的土壤。通过向土壤中添加δ13C标记的葡萄糖以模拟自然界的碳输入，并使用北京普瑞亿科科技有限公司研发的PRI–8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统，在105-h内实现了分钟尺度上对来自外源碳和土壤有机质的土壤微生物呼吸的快速、连续、高频观测，主要探究了土壤碳氮特征变化对土壤微生物响应外源碳输入的短期过程以及对外源碳和土壤有机质分解的影响及机制。
研究结果发现，土壤微生物对外源碳的输入反应迅速，由土壤有机碳和碳氮比控制的微生物生物量是直接影响微生物对外源碳输入反应强度的最重要因素。放牧和较深的土壤层减少了来自外源碳的呼吸作用及其对总呼吸作用的相对贡献（图1），主要归因于土壤碳氮比和真菌/细菌的变化。此外，外源碳添加促进了所有土壤中有机质的分解，使土壤有机质的呼吸作用增加了11.3–92.4 mg C g-1 SOC，相当于18.7–266.1%的激发效应。放牧和土壤深度增加导致了更大的激发效应和土壤碳损失，其中土壤碳氮比和有机碳含量是最重要的调节因素。
图1不同土壤中来自外源碳和土壤有机质的累积碳矿化量及其比值
注：GE42（10）、GE22（10）和GE0（10）分别代表围栏禁牧42年、22年和0年样点的0–10 cm土壤；GE42（10）、GE42（30）、GE42（50）和GE42（50）分别代表围栏42年样点的0–10、10–30、30–50、50–100 cm的土壤。
禁牧被认为是实现草原生态系统自我恢复的重要途径，了解放牧对外源碳输入下草原碳循环的影响可能有助于提高我们对未来草原土壤碳动态的预测。因此，结合本研究结果，研究人员建立了一个概念框架，阐明了禁牧年限和土壤深度变化对外源碳输入下草原土壤微生物呼吸和土壤碳动态的影响（图2）。禁牧对植被的积极影响进一步提升了土壤有机质的质和量，进而通过影响微生物特性导致更多的外源碳被微生物呼吸代谢，并增大其对总微生物呼吸的贡献，但是却会减小其诱导的激发效应和土壤碳损失。然而，对于不同深度的土壤而言，增加土层深度会影响土壤有机质的质和量，导致来自外源碳的呼吸及其对总微生物呼吸的贡献均减小，但是却会减小其诱导的激发效应和土壤碳损失。目前在世界大部分地区，由于受到人类活动的影响，草原正面临着严重退化的困境，而禁牧可能是实现表层土壤碳固持的有效措施。
图2 禁牧和土壤深度变化对外源碳输入下草原土壤微生物呼吸和土壤碳动态影响的概念图
相关研究成果以“The quality and quantity of SOM determines the mineralization of recently added labile C and priming of native SOM in grazed grasslands”为题在线发表于国际土壤学领域主流期刊《Geoderma》（中科院一区Top，IF5 = 7.444）上。
生命与环境科学学院2019级博士研究生李超为本论文第一作者，肖春旺教授为本论文的通讯作者。中国科学院地理科学与资源研究所何念鹏研究员为本研究的重要合作作者，另外，中国科学院地理科学与资源研究所的徐丽副研究员和李明旭博士也参与了本研究。
来源丨中央民族大学生命与环境科学学院官网
相关论文信息：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.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2023.116385.
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。
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土壤有机质分解速率（R）对温度变化的响应非常敏感。温度敏感性参数（Q10）可以刻画土壤有机质分解对温度变化的响应程度。Q10是指温度每升高10℃，Ｒ所增加的倍数；Q10值越大，表明土壤有机质分解对温度变化就越敏感。Q10不仅取决于有机质分子的固有动力学属性，也受到环境条件的限制。Q10能抽象地描述土壤有机质分解对温度变化的响应，在不同生态类型系统、不同研究间架起了一个规范的和可比较的参数，因此其研究意义重大。
以往Q10研究通过选取较少的温度梯度（3-5个点）进行测量，从而导致不同土壤的呼吸对温度变化拟合相似度高的问题无法被克服。Robinson最近的研究（2017）指出，最低20个温度梯度拟合土壤呼吸对温度的响应曲线可以有效解决上述问题。PRI-8800全自动变温土壤温室气体在线测量系统为Q10的研究提供了强有力的工具，不仅能用于测量Q10对环境变量主控温度因子的响应，也能用于测量其对土壤含水量、酶促反应、有机底物、土壤生物及时空变异等的响应。PRI-8800为Q10对关联影响因子的研究，提供了一套快捷、高效、准确的整体解决方案。
- 可设定恒温或变温培养模式；
- 温度控制波动优于±0.05℃；
- 平均升降温速率不小于1°C/min；
- 150ml样品瓶，25位样品盘；
- 大气本底缓冲气或钢瓶气清洗气路；
- 一体化设计，内置CO2 H2O模块；
- 可外接高精度浓度或同位素分析仪。
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。
1）原状土冻融过程模拟：气候变化改变了土壤干湿循环和冻融循环的频率和强度。这些波动影响了土壤微生物活动的关键驱动力，即土壤水分利用率。虽然这些波动使土壤微生物结构有少许改变，但一种气候波动的影响（例如干湿交替）是否影响了对另一种气候（例如冻融交替）的反应，其温室气体排放是如何响应的？通过PRI-8800 Plus 的冻融模拟，我们可以找出清晰答案。
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。
6）生物依赖性的研究：土壤呼吸包含土壤微生物呼吸（>90%）和土壤动物呼吸（1-10%），土壤微生物群落对Q10影响重大。通过温度响应了解培养前后的微生物种群和数量的变化以及对应的土壤呼吸速率的变化有重要意义。外源微生物种群的添加，或许帮助科学家找出更好的Q10对土壤生物依赖性的响应解析。
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