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SOM分解对温度响应的新培养和测定模式

2020.2.12

土壤有机质(SOM)对温度变化的响应,不仅影响土壤养分循环、还影响陆地生态系统碳源/汇效应。土壤有机质分解的温度敏感性(Q10)不仅是生态学和土壤学研究的核心科学问题之一,也是全球变化生态学研究的热点领域。国内外学者对Q10的影响因素或机制开展了大量卓有成效的研究工作,并有不少相关的综述或展望;然而,迄今为止有关培养与测定模式的探讨却非常少。

技术难点:

传统上,科研人员广泛采用了恒温培养+间断测定模式(CDM模式);即通过设置3~6个恒定温度对土壤进行培养(如5、10、15、20、25℃等),然后在天、周、月间隔,测定土壤有机碳分解速率(Rs);在测试方法上,大多采用碱液吸收法或气相色谱法进行测定,然后再利用所测定的Rs和对应温度计算Q10。后来,也有人在此基础上提出将土壤培养改良为连续变温的模式,即连续变温培养+间段测试模式(VDM模式)。这两种经典模式极大地推动了SOM分解对温度响应的研究,但却无法从理论、算法、操作上克服其固有的问题。

为了克服CDM和VDM模式的弊端,在总结前人相关研究的基础上,通过和中国科学院地理科学与资源研究所何念鹏研究团队合作研发了PRI-8800全自动变温土壤培养温室气体(同位素)分析系统,并发展了Q10研究的连续变温培养+连续自动测试的新模式(如图所示)。

SOM分解对温度变化响应的连续变温培养+连续测定模式(VCM模式)

VCM模式充分利用连续变温培养+连续–高频土壤微生物呼吸测定装置联用的优势,实现了对土壤样品连续变温培养,基本克服了CDM模式中土壤微生物对特定培养温度的适应性和底物消耗不均的重要缺陷。VCM模式通过开发连续–高频土壤微生物呼吸测定系统,可结合培养过程的温度特征,在升/降温过程中对每个样品进行连续的、高频度的测试。通过测定更多温度下土壤微生物呼吸速率,从而提高Q10的拟合精度。同时,在新设备支持下,VCM模式的培养与测试过程非常简单快捷,有利于开展大量样品测试或大尺度联网研究。

在理论上深入探讨三种模式优缺点的基础上,研究团队结合三种模式开展了多点的对比性案例研究,有关VCM模式优缺点和应用前景的相关论文近期在土壤学领域国际期刊soil Biology & Biochemistry 正式在线发表。该论文是团队前期大量研究的延续,为今后国内外开展SOM分解对温度变化响应的相关研究提供了可借鉴的方法学。

相关研究受到国家自然科学基金项目(31770655,41571130043)、国家重点研发计划项目(2016YFC0500102)、生态系统观测与模拟重点实验室青年团队项目(LENOM2016Q0005)等的资助。

PRI-8800全自动变温土壤培养温室气体(同位素)分析系统,可对接土壤呼吸研究的不同分析仪,组装为成套设备,填补分析仪器无法直接应用试验课题的空白,解决该方向从分析仪器到实验室直接应用最后一公里的难题。

性能优势:

  • 可灵活对接不同分析仪(同位素分析仪、气体浓度分析仪等);

  • 标配16位样品盘,也可选配4位或9位样品盘;

  • 自动化程度高,无人值守,24小时不间断工作;

  • 可方便拆卸土壤瓶固定装置,实现在线置换土壤瓶;

  • 全自动控温系统(-20~80 ℃),控温精度优于0.1 ℃;

  • 土壤温度传感器探针可频繁自动插入土壤瓶中,准确测量土壤温度;

  • 高效的气体循环气路——双回路气路设计,可根据需要对CO2浓度进行预处理,调控系统内的起始CO2浓度(避免过高CO2浓度的抑制效应);

  • 高效的气路设计,缩短响应时间;

  • 可灵活设定的标定系统,保障测量数据的准确性;

  • 友好的软件界面,可根据具体实验需要设定参数及数据存储等功能。


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