VCM模式變溫培養(yǎng)和連續(xù)測定在土壤呼吸室內(nèi)模擬實驗的應用
上一期我們與大家分享了土壤呼吸室內(nèi)模擬實驗的三代不同技術，本期我們將繼續(xù)與大家分享——為什么目前VCM模式（變溫培養(yǎng)+連續(xù)測定）是最優(yōu)選的實驗方案。關于土壤呼吸室內(nèi)培養(yǎng)模擬實驗方案，可點擊鏈接查看
土壤與大氣之間通過光合作用和呼吸作用的碳交換是全球碳循環(huán)的一個組成部分。土地利用或管理的變化會頻繁的改變光合作用輸入和土壤呼吸消耗之間的平衡，導致生態(tài)系統(tǒng)尺度的碳凈積累或凈損失。與光合作用和/或呼吸作用密切相關的因素也起到重要的調(diào)節(jié)作用，其中溫度的控制一直是人們關注的重點。有大量的文獻以及模型用于計算或解釋觀察到的呼吸對溫度升高的反應。
由于土壤呼吸受溫度、濕度、反應底物等多重的相互作用控制，野外呼吸速率對溫度具有高度的離散性，許多不同的理論和經(jīng)驗公式將給出相似的擬合優(yōu)度。呼吸的溫度響應也可以在實驗室中測量，但通常受限于實驗條件，研究人員通常只在3-5個溫度點(大約相隔5-10℃)進行呼吸測量。同樣，有限數(shù)量的離散溫度往往導致相似的擬合優(yōu)度，不同的方程之間幾乎沒有能力分離。
2017年，Robinson等經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)至少需要20個點來擬合溫度響應曲線，他們建議，應更大程度地考慮由于設置溫度點太少而造成的擬合誤差，特別是在測試不同的理論模型或隨后在模型中使用擬合參數(shù)時。
圖1.離散溫度樣點與呼吸速率測量值的靈敏性分析(Robinson,et al.,2017)
x軸是測量呼吸的離散溫度的數(shù)量，y軸是土壤呼吸速率值在57條InRS-T曲線上95%置信區(qū)間的標準化范圍（均值±std）
圖2.3種模式示意（Liu Y,et al.,2019）
CDM模式（恒溫培養(yǎng)+間斷測定模式）：通常，根據(jù)不同實驗目的或?qū)嶒炇覘l件，研究人員先設置３-６個恒定溫度對土壤進行培養(yǎng)（ 如5、10、15、20、25、30℃ 等 ）， 然后在天、周、月間隔，測定Rs；在測試方法上，大多采用堿液吸收法或氣相色譜法進行測定，然后再利用所測定的Rs和對應溫度計算Q10。該模式最大優(yōu)點是操作簡單、對儀器要求不高。
VDM模式（漸進式變溫培養(yǎng)+間斷測定模式）：該模式對同一批土壤樣品采用逐漸升溫，然后再降溫的培養(yǎng)方式，同時配套低頻度的間斷測定模式測定土壤有機質(zhì)分解速率。首先，將土壤樣品在適宜的溫度下培養(yǎng)3-7ｄ，實現(xiàn)土壤樣品活化并防止脈沖式效應對實驗結(jié)果的干擾。隨后，采用氣象色譜或者CO2紅外氣體分析儀的方法測定土壤樣品的分解速率，在完成特定溫度的測試任務后，將培養(yǎng)溫度升高到預先設定的溫度，并在土壤樣品適應和穩(wěn)定一段時間后，測定該溫度狀況下的土壤有機質(zhì)分解速率；依序升溫直到預定的最高溫度，隨后再采用逆向降溫模式進行隨后的培養(yǎng)與測試。這種變溫過程較為繁瑣，一般溫度處理系列約為4-6個。
VCD模式（連續(xù)變溫+連續(xù)測量）：該模式是在CDM和VDM基礎上，發(fā)展出的連續(xù)變溫培養(yǎng)結(jié)合連續(xù)-高頻土壤微生物呼吸速率的測定方式，可結(jié)合培養(yǎng)過程的溫度特征，在升/降溫過程中對每個樣品進行連續(xù)的、高頻度的測試（2-20 min/次）， 通過測定更多溫度下土壤微生物呼吸速率來提高Q10的擬合精度。目前，基于何念鵬老師原型機的基礎上，已經(jīng)開發(fā)了商業(yè)化的定型產(chǎn)品并公開銷售（PRI-8800，普瑞億科，北京），為大面積推廣VCD 模式提供了設備和技術保障。
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PRI-8800既可對接溫室氣體分析儀，又可對接碳氮同位素分析儀。穩(wěn)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(jié)果準確等特點，δ13C、δ15N同位素技術被廣泛用于土壤碳氮循環(huán)研究，也成為探討土壤中有機組分來源和轉(zhuǎn)化動態(tài)的有效手段，利用δ13C同位素可區(qū)分土壤呼吸的不同成分，指示碳的來源和周轉(zhuǎn)途徑；δ15N用于土壤氮素轉(zhuǎn)換等的研究。
- 可靈活對接不同的分析儀；
- 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(xiàn)在線置換土壤瓶；
- 全自動控溫系統(tǒng)（-20~80 ℃），控溫精度優(yōu)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(huán)氣路——雙回路氣路設計，可根據(jù)需要對CO2濃度進行預處理，調(diào)控系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)，保障測量數(shù)據(jù)的準確性；
- 友好的軟件界面，可根據(jù)具體實驗需要設定參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲等功能。
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(zhì)分解的溫度敏感性:培養(yǎng)與測定模式[J]. 生態(tài)學報, 2018, 38(11).
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