土壤有機碳分解熱適應的調控機制詳解

       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)在土壤有機質分解速率、Q10及其調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，相關文章發(fā)表已達18篇。

       今天與大家分享的文章是東北林業(yè)大學林學院周旭輝教授團隊首次從底物消耗與微生物適應角度，揭示了土壤有機碳分解熱適應的調控機制的研究論文。在該研究中，采用了PRI-8800作為關鍵設備之一，我們來具體了解一下吧~

       長期以來，學界普遍認為氣候變暖加速土壤有機碳分解，進而使得地球平均溫度上升，形成正反饋效應。而近期的一些長期增溫實驗發(fā)現(xiàn)土壤有機碳分解速率可能會隨著增溫時間呈逐漸下降趨勢，表現(xiàn)出熱適應現(xiàn)象。當前，針對土壤有機碳分解的熱適應調控機制，國內外生態(tài)學家仍存在較大爭議，其根本難點在于無法有效區(qū)分底物消耗與微生物適應在土壤碳分解中的相對貢獻。為了解決這一難題，何楊輝等研究人員依托長期野外增溫實驗平臺，巧妙地使用土壤微生物滅菌-接種方法區(qū)分底物與微生物的調控作用，研究結果表明土壤底物可利用性是調控土壤有機碳分解熱適應的主要因素。這一重要發(fā)現(xiàn)將增進人們對土壤有機碳分解熱適應性的理解，為準確預測陸地土壤碳-氣候反饋提供重要的科學依據(jù)。

 

       值得注意的是，在實驗過程中，研究團隊通過PRI-8800連續(xù)變溫培養(yǎng)和高頻土壤呼吸在線測量的優(yōu)勢，克服了恒溫培養(yǎng)模式土壤微生物對特定培養(yǎng)溫度的適應性和底物消化不均的難題，加速研究進程并獲得可靠的研究結果。

       研究成果“Apparent thermal acclimation of soil heterotrophic respiration mainly mediated by substrate availability”為題，在線發(fā)表于國際頂級生態(tài)學期刊Global Change Biology（IF=13.211），何楊輝教授為論文的第一作者，周旭輝教授為論文通訊作者。

相關論文信息：He Y, Zhou X, Jia Z, et al. Apparent thermal acclimation of soil heterotrophic respiration mainly mediated by substrate availability[J]. Global Change Biology, 2022.

全文鏈接：https://doi.org/10.1111/gcb.16523

 

UPGRADED！

 

       土壤有機質是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，在全球變暖背景下，土壤有機質分解對溫度變化的響應很大程度影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候變化反饋效應。氣候變暖如何影響土壤有機質分解，以及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳排放如何響應氣候變暖已成為目前科學家主要關注的內容之一。

       為響應國家“雙碳”目標，針對國內“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。

 

 

       土壤有機質分解速率（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，表明土壤有機質分解對溫度變化就越敏感。Q10不僅取決于有機質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。

 

01 主要特點

• 可進行恒溫或變溫培養(yǎng)設定；

• 溫度控制波動優(yōu)于±0.05℃；

• 平均升降溫速率不小于1°C/min；

• 150ml樣品瓶適配25位樣品盤；

• 具有CO2預降低的雙回路設計；

• 一體化設計，內置CO2 H2O模塊；

• 可以外接濃度和同位素分析儀等。

02 PRI-8800 實驗設計

1）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全自動變溫培養(yǎng)土壤CO2 H2O在線測量系統(tǒng)主要包含自動進樣器、水槽、壓縮機、CO2 H2O 分析儀、內部計算機、25位樣品盤等，25個樣品瓶。

PRI-8800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。

2）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可以通過手動調整土壤含水量的做法，并在PRI-8800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)、高品質測量提供了可能。

3）底物依賴性的研究：底物物質量與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。

4）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。

03 PRI-8800相關文獻信息
1.Li, C., Xiao, C.W., Guenet, B., Li, M.X., Xu, L., He, N.P. 2022. Short-term effects of labile organic C addition on soil microbial response to temperature in a temperate steppe. Soil Biology and Biochemistry 167, 108589. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108589.

2.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.

3.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.

4.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.

5.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.

6.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.

7.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.

8.Liu Y, Wen XF, Zhang YH, Tian J, Gao Y, Ostle NJ, Niu SL, Chen SP, Sun XM, He NP. Widespread asymmetric response of soil heterotrophic respiration to warming and cooling. Science of Total Environment, 635: 423-431.

9.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.

10.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.

11.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.

12.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.

13.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.

14.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.

15.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.

16.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.

17.Mao X1, Zheng J1, Yu W, Guo X, Xu K, Zhao R, Xiao L, Wang M, Jiang Y, Zhang S, Luo L, Chang J, Shi Z, Luo Z* 2022. Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile. Soil Biology and Biochemistry 172, 108743.

18.He Y, Zhou X, Jia Z, et al. Apparent thermal acclimation of soil heterotrophic respiration mainly mediated by substrate availability[J]. Global Change Biology, 2022.

 

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