LI-7810 應用案例 | 【Biogeosciences】土壤過(guò)濕和“新碳”輸入是灰化土產(chǎn)生CH4的先決條件

原文以Excess soil moisture and fresh carbon input are prerequisites for methane production in podzolic soil為標題發(fā)表在Biogeosciences上，

作者: Mika Korkiakoski等

翻譯: 王軍、劉美玲

傳統觀(guān)點(diǎn)認為，由于CH₄氧化菌的主導地位，使得北方高地森林通常表現為CH₄匯。然而，在雨季或降雨較多的年份，北方高地森林可表現為短暫的CH₄源。

從景觀(guān)尺度和年際角度來(lái)看，在生長(cháng)季，天氣條件可能引發(fā)洪水，洪水可能在生長(cháng)季持續較長(cháng)時(shí)間。而且，通常情況下，典型的北方集水區內森林覆蓋率遠遠高于濕地。

目前，對于礦質(zhì)土由弱CH₄匯變?yōu)閺奀H₄源的條件和過(guò)程還不太清楚。

基于上述背景，一方面，研究者們連續兩個(gè)生長(cháng)季在野外原位測定定期灌溉和對照處理20個(gè)樣點(diǎn)的土壤CH₄通量。另一方面，研究者們采集不同層的土壤樣品，將其帶回實(shí)驗室，通過(guò)控制含水量和添加葡萄糖模擬不同土壤含水量和根系分泌活性碳輸入，進(jìn)而評估不同層土壤CH₄產(chǎn)生和氧化潛勢。

借助野外原位觀(guān)測和室內培養實(shí)驗，旨在揭示北方高地森林土壤CH₄產(chǎn)生的控制因素。

結果顯示，除了2019年7月灌溉樣地出現顯著(zhù)的CH₄排放外(速率18200 μg CH₄m^?2 h^?1)，連續兩年(2018-2019) 的實(shí)驗，并未觀(guān)測到灌溉處理后有顯著(zhù)的CH₄排放，這可能與這兩個(gè)夏季都很干旱有關(guān)，土壤始終表現為CH₄的匯。

對照和灌溉處理土壤CH₄吸收速率的中位數分別為260-290 μg CH₄m^?2 h^?1、150–170 μg CH₄m^?2 h^?1。

與對照相比，2018和2019年，灌溉樣地的土壤CH₄吸收速率分別降低88%和50%。室內實(shí)驗結果顯示，在有機質(zhì)層土壤CH₄產(chǎn)生潛勢max(~0.2-0.6 nmol CH₄ g^?1 d^?1)，淋溶層也同樣觀(guān)測到CH₄產(chǎn)生，但是在其他土層土壤中并未觀(guān)測到顯著(zhù)的CH₄產(chǎn)生。

除了有機質(zhì)層和深層土壤接近于0的CH₄氧化潛勢外，其他土層CH₄氧化潛勢均在10-40 nmol CH₄ g^?1 d^?1的范圍內。

室內實(shí)驗結果表明，高土壤含水量這一單一環(huán)境因素并不能驅使北方高地森林土壤成為CH₄源，但土壤中“簡(jiǎn)單”的碳源，例如，高土壤含水量條件下根系分泌物的輸入將驅使土壤由CH₄匯轉變?yōu)镃H₄源。

這一研究為CH₄產(chǎn)生和氧化過(guò)程及其控制因素提供了新的見(jiàn)解，同時(shí)通量結果可以納入描述全球CH₄循環(huán)的過(guò)程模型中。

LI-7810高精度CH₄/CO₂/H₂O分析儀在該研究中的作用

本研究中，研究者們設計了一個(gè)微宇宙實(shí)驗來(lái)確定土壤最初產(chǎn)生CH₄所需的條件(溫度和土壤含水量)。

緊挨著(zhù)灌溉樣地采集土壤剖面樣品并使用該樣品在1.6 L塑料瓶?jì)葮嫿ㄈ斯ね寥榔拭?，人工剖面包含植被和有機質(zhì)層、淋溶層和富集層。

僅使用土壤剖面樣品填充至塑料瓶體積的一半，剩余一半體積用于氣體測量。人工剖面樣品分成兩份分別在15和25 ℃下進(jìn)行培養。

兩種溫度條件下均包含3種處理，對照(C)、低土壤含水量(M1)和高土壤含水量(M2)，同時(shí)還設置添加底物實(shí)驗，對照樣品中加入葡萄糖(Cglu)、低土壤含水量添加葡糖糖(M1glu)和高土壤含水量添加葡萄糖(M2glu)。

在測量開(kāi)始時(shí)向每個(gè)塑料瓶?jì)燃尤?4 mL 1M的葡萄糖，加入葡萄糖的量約為北方高地森林土壤微生物生物量碳的兩倍之多，在微生物有足夠底物的情況下，以模擬“新碳”(根系分泌物)輸入對微生物的影響，觀(guān)察其可能產(chǎn)生的效應。

塑料瓶?jì)鹊膬煞N濕度條件差異足夠大以觀(guān)測處理間的效應，調整后M1、M2和對照C中土壤含水量分別約為50%、80%和30-35%。

根據8月底芬蘭北部的光照條件(約15小時(shí)光照，9小時(shí)黑暗)對生長(cháng)室內的光照進(jìn)行了調整，以模擬自然光照條件。每周將塑料瓶從一個(gè)生長(cháng)室轉移至另一個(gè)生長(cháng)室，以避免由于生長(cháng)室本身差異而導致的數據誤差。

通過(guò)兩周一次的稱(chēng)重補水以維持塑料瓶?jì)人趾愣?，減少蒸發(fā)對實(shí)驗的影響。

使用LI-7810便攜式CH₄/CO₂/H₂O分析儀（LI-COR Biosciences, NE, USA）從塑料瓶頂部測量瓶?jì)葮悠返腃H₄濃度，連續測定5周，每周一次，并使用指數模型計算通量（e.g., Korkiakoski et al., 2017）。

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原文中的主要數據圖