根际碳氮排放协同测量系统

根际碳氮循环是植物和土壤系统之间活跃的土壤过程，对环境变化极其敏感。根际碳氮耦合机制对准确预测陆地生态系统碳氮积累潜能具有至关重要的意义。根系的生产和周转直接影响陆地生态系统中碳氮的生物地球化学循环。 细根产量占全球年度净初级产量 NPP 的 33%。细根周转对单株植物生长、植物相互作用以及地下碳氮和养分循环具有重要意义。

一、根系生长对土壤碳氮排放影响的研究

1、 根生长与土壤碳氮排放

土壤呼吸和净氮矿化是碳、氮生物地球化学循环的两个重要过程。细根(直径<2 mm)对土壤碳氮循环具有重要的调节作用。土壤剖面上 SOC 的周转主要由根系及其对土壤环境的转化驱动。生根深度会刺激储存在深层土壤中的土壤有机质的矿化。植物根系对深层土壤的开发可能会使土壤C流失扩大到深层土壤，从而导致大量的CO2释放。植物物质的输入对微生物来说是不稳定的基质和能量来源，可以刺激微生物的生长和活动，从而加速SOC的矿化和损失。

图1：累积CO2排放量与土壤细根输入水平的关系(A)北方针叶林，(B)温带落叶阔叶林，(C)亚热带常绿阔叶林，和(D)热带山地雨林  Jingyun Fang et al，2016

2、 根系与土壤固碳能力

细根巨大的碳库是土壤有机碳的重要来源，其对土壤有机碳形成的贡献约为地上凋落物的2.4倍。细根在森林、农田和草原的碳循环中具有重要作用。细根生产量和地下总生物量均与土壤有机碳含量正相关。低碳、高氮的细根分解速度更快，有利于有机碳和其他养分向土壤的输入。随着细根死亡，其分解的有机质进入土壤系统，在那里有可能转化为长寿命碳或根残留物的持续输入增加总 SOC 储量。

地上地下生物量和土壤有机碳含量的相关性 Morales Ruiz DE， Land Degrad Dev. 2020

细根生物量与土壤C、N存储量密切相关   Dessie Assefa  et al，2017

3、 影响根际碳氮排放的因素

干旱使土壤有机碳浓度下降3.3%，干旱导致草地土壤有机碳浓度大幅下降(-8.7%)，但对森林和灌木无影响。灌木中的 CO2 总排放量因干旱而显着降低了 15.0%，但森林和草地的变化不显着。

干旱使灌木林土壤TN浓度显著增加22.6%，但对森林和草地土壤TN浓度没有影响。灌木中的氮矿化率不受影响，但硝化率大幅下降（-56.4%），反映干旱条件下植物对氮的吸收减少。同样，草地土壤中的矿物氮形式也增加。

土壤水分与SOC、CO2排放、TN和氮矿化速率的关系 Zhouping Shangguan，etal，2021

气候变暖可以通过刺激土壤呼吸增加土壤碳损失，尽管这些短期损失可能被长期的呼吸适应、微生物生物量减少和土壤水分减少抑制微生物活动所抵消。土壤C储量高的生态系统(如北极和苔原)显示出最大的土壤C流失。升温也通过改变植物生产力和群落组成来影响土壤碳平衡。碳输入土壤的数量和质量的变化会改变碳循环的动态，这种现象被称为“启动”。

CH4和N2O排放随氧化还原电位的变化规律表明，氧化还原电位至低时，CH4排放最高，同时N2O排放也至低。在高氧化还原值时，N2O排放高，但没有CH 4排放。研究发现这两种气体的产生是土壤氧化还原电位的函数。实验室研究表明，CH4 和 N2O 产生的临界土壤氧化还原电位：低于约 -150 mV 产生CH 4 和高于约 +250 mV 产生N2O (Wang et al., 1993; Masscheleyn etal., 1993)。也表明CH4和N2O不会同时产生。

土壤有机碳含量越高，氧化还原电位越低。较低的电势使CH4形成。当土壤氧化还原电位较高时，土壤发生硝化作用，产生N2O。

氧化还原电位与CH4和N2O排放的关系 A.X. Hou，etal，2000

二、RhizoScope 根系碳氮排放协同测量系统-根系生态仓

目前根系生长及根际碳氮排放监测需要多个仪器，缺乏在一个平台上协同观测根系生长、碳氮变化、土壤环境因子的集成技术，无法实时监测各参数的协同性和消长关系。RhizoScope 根际碳氮变化测量系统因此而设计。

RhizoScope 根系碳氮排放协同测量系统可用于研究原位观测根系生物量变化、细根周转、根际微生态过程，同步测量地下碳氮气体廓线，研究根系生长动态与土壤不同深度 CO2、CH4 、NO2、NH3等气体浓度变化相关性。依托控制型土柱平台，实现土壤热通量、土壤水势梯度等控制，同步观测蒸散量、渗漏量、土壤氧化还原电位、酸碱度、水分、温度、电导率等土壤环境对根系生长、土壤碳氮气体廓线的影响。

RhizoScope 根系碳氮排放协同测量系统为如下研究提供了新能力：

1、根际生物量多尺度协同测量RhizoScope 根系碳氮排放协同测量系统的复合根系测量仪（AZR-300）采用微根窗（Minirhizotron），集摄像和扫描技术于一体，能快速、清晰获取植物根系整体和局部图片。

摄像技术对很小的细根和根毛有良好的分辨率，适合研究根系的动态包括生长、发育、死亡、寿命、数量动态、营养吸收，摄像区域分辨率10um，带紫外光源，可辨别活根和死根。  

扫描获取根系图像面积大，很适合研究根系生态、生物量。  扫描区域22.0cm×21.5cm，分辨率最大1200dpi。

软件分析计算细根长度、细根直径、细根面积、细根总长、细根总面积、细根平均直径、细根数量及生物量、细根寿命、细根周转率。用于根系生物量变化与土壤碳储量的相关性研究。

2、根际CO2、CH4、N2O及碳氮同位素同步观测

RhizoScope 根系碳氮排放协同测量系统可实现根际CO2、CH4、N2O或CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)同步观测，有助于揭示根际微生物的代谢及其对环境变化的响应，及微生物的生化过程，如硝化作用、产甲烷作用、呼吸作用和微生物通讯的过程和机理。

iChamber-G 土壤采气矛可埋设在不同深度，在线、连续采集土壤气体，采气腔70ml，气体交换速率180s，实现根际厘米尺度的气体采集。采气矛管壁的小孔与土壤气体交换平衡后将气体泵出，与气体分析仪通过管路连接，可以测量不同深度土壤气体的实时浓度。AZG-300 CO₂ CH₄ 在线监测仪采用红外吸收法测量CO₂ 、红外激光吸收法测量CH₄ 。系统自带大屏幕彩屏显示、触摸控制、海量数据存储、联机通讯、自动标定等功能。

测量范围：

CO₂：0～2000ppm,可选0-5000ppm、0-10000ppm（适用于湿地、工厂或垃圾厂）

CH₄：0～100ppm，至低检测限：0.8ppm

分辨率： CO₂：0.01ppm   CH₄ ：0.1ppm

碳氮痕量气体测量精度: 1s/100s：

CH₄：0.2ppb/0.05ppb；δ¹³C(CH₄)：1‰/0.2‰；

N₂O ：0.03ppb/0.01ppb；δ¹⁴N¹⁵N¹⁶O：6‰/1.5‰；δ¹⁵N¹⁴N¹⁶O：9‰/2.3‰；

δ¹⁴N¹⁴N¹⁸O：12‰/3‰；

CO₂：0.1ppm/0.03ppm；δ¹³C(CO₂)：0.1‰/0.03‰；δ¹⁸O(CO₂)：0.1‰/0.03‰；

H₂O：10ppm/5ppm；δ¹⁸O(H₂O)：0.1‰/0.03‰；δHDO：0.3‰/0.1‰；

测量量程：

CH₄ : 2 to 20ppm；N₂O : 0.3 to 100ppm；CO₂ ：300 – 1000ppm 或者 0.1

– 0.3μmole；H₂O ：4%。

响应时间：10Hz（1-10Hz可调）

3、根系土壤环境控制试验

RhizoScope 根系碳氮排放协同测量系统可配置控制型土柱平台，配置地下水连通模块，自动控制水势或水位，既可用于温度、水分控制试验，也可实时调控与大田水力学梯度一致，作物生长环境与大田同步。

实现土壤热通量、土壤水势梯度等控制，同步观测蒸散量、渗漏量、土壤氧化还原、pH、水分、温度、电导率，用于研究土壤环境对根周转率、根系生长动力学、根系空间分布的影响。

土柱1平方米，高2米，水通量测量精度0.1mm、渗漏测量精度0.01mm、热通量可调。