聶棠棠王 娟姚槐應(yīng)葛超榮*

土壤呼吸及其13C同位素測定方法的對比研究①

聶棠棠1，2，王 娟2，姚槐應(yīng)1，2，葛超榮1*

(1 武漢工程大學(xué)環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院環(huán)境生態(tài)與工程研究中心，武漢 430073；2 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361021)

為比較不同方法在土壤呼吸及其13C同位素測定中的差異，應(yīng)用氣相色譜儀法(GC-TCD)、穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀氣體進(jìn)樣法(Gasbench-IRMS)、甲酚紅顯色法(MicroResp)、堿液吸收法4種方法測定土壤呼吸速率，并采用Gasbench-IRMS法和堿液吸收法兩種方式檢測土壤呼吸的13C同位素豐度，以期準(zhǔn)確評估土壤呼吸及碳排放，并為相關(guān)研究提供參考。結(jié)果表明：①兩種儀器法(GC、IRMS)測定土壤呼吸速率的數(shù)值結(jié)果相近(基礎(chǔ)呼吸)或趨勢一致(誘導(dǎo)呼吸)，且重復(fù)性好(標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.011、0.010 mg/(kg·h))，準(zhǔn)確度高；MicroResp法的測定結(jié)果與儀器測量值較為相近，但分辨率較低；堿液吸收法的測定結(jié)果較真實(shí)值偏高(當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量低時)或偏低(當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)含量高時)。②在測定CO2中的13C含量上，Gasbench-IRMS法直接測定的結(jié)果誤差小(δ13C值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.137‰)，接近實(shí)際值，可以準(zhǔn)確地反映出土壤微生物呼吸對底物的利用狀況。綜上，儀器法較化學(xué)分析法(MicroResp、堿液吸收)更能準(zhǔn)確測定土壤呼吸及其13C同位素。

土壤呼吸測定；13C同位素豐度；方法比較

與工業(yè)革命前相比，大氣中CO2濃度增幅已經(jīng)超過了31%[1]。作為對全球氣候變暖貢獻(xiàn)最大的溫室氣體，自1850年以來，CO2濃度變化已經(jīng)使全球氣溫上升了0.9 ～ 1.2 ℃，并且現(xiàn)在正以每10年0.2 ℃ 的速率繼續(xù)增加[2]。由溫室氣體引起的全球氣候變暖已經(jīng)成為現(xiàn)今人類面臨的主要環(huán)境問題之一。土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳儲存庫之一，其貯存量為1 300 ～ 2 000 Pg C，是大氣碳庫的2倍、植物碳庫的3倍[3]。因此，由環(huán)境變化引起的土壤碳庫的任何細(xì)微改變都有可能對生態(tài)系統(tǒng)碳平衡產(chǎn)生顯著的影響。作為土壤碳庫向大氣輸出碳的主要途徑，土壤呼吸是繼總初級生產(chǎn)力之后的陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間的第二大碳通量[4]，其在調(diào)節(jié)大氣中CO2濃度、介導(dǎo)陸地–大氣碳循環(huán)中具有一定的重要性。近些年來，土壤向大氣釋放CO2的速率正在增加，土壤碳匯功能開始逐漸削弱[5]。土壤呼吸能否準(zhǔn)確測定，可能關(guān)系到土壤碳庫在技術(shù)層面上起著碳源還是碳匯的角色，從而對計算大氣CO2收支產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。有關(guān)土壤呼吸的研究出現(xiàn)在20世紀(jì)之前，但是當(dāng)時的研究文獻(xiàn)數(shù)量很少，且并未系統(tǒng)化。此后，由于意識到土壤特性會影響農(nóng)作物的產(chǎn)量，土壤呼吸才成為了評估農(nóng)業(yè)土地生產(chǎn)力、量化土壤管理對土壤有機(jī)質(zhì)礦化率影響的指標(biāo)，研究人員也開始研究影響土壤呼吸的因素[6]。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，測定土壤呼吸的方法越來越多，然而，目前的測定方法到底適用性如何？還缺乏相關(guān)報道。

作為能夠反映微生物生長和土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)動態(tài)含量的常見指標(biāo)，土壤呼吸起著十分重要的作用。有作者通過基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸方法測量土壤CO2釋放量來評估土壤微生物生物量的大小[7]，也有研究通過測定土壤呼吸來估計微生物的碳維持需求[8]。土壤CO2排放速率的大小還可以作為判斷土壤肥沃與否的條件之一[9]。因此，考慮到其作為土壤學(xué)科研究中最基礎(chǔ)的指標(biāo)之一，準(zhǔn)確測定土壤呼吸量顯得尤為重要。然而，由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，眾多土壤呼吸的測定方法各具優(yōu)點(diǎn)與局限性。故本文就氣相色譜儀法(GC-TCD)、穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀氣體直接進(jìn)樣法(Gasbench-IRMS)、甲酚紅顯色法(MicroResp)、堿液吸收法等幾種較為常見的測定土壤呼吸速率的方法進(jìn)行了試驗(yàn)探究和總結(jié)，同時比較了兩種測定土壤呼吸中δ13C值的方法，從而為大氣CO2濃度升高環(huán)境下準(zhǔn)確測定土壤呼吸速率及其13C同位素給予數(shù)據(jù)支持，并以期在今后的研究工作中，給科研人員評估與選擇土壤呼吸測定方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

本試驗(yàn)通過在全國范圍內(nèi)選取不同有機(jī)質(zhì)含量水平(10 ～ 62 g/kg)的土壤，用于基礎(chǔ)土壤呼吸速率測定試驗(yàn)。研究樣本為原采自廣東湛江、云南紅河、云南普洱、四川達(dá)州、江西宜春、江蘇宿遷、福建三明、湖南湘潭、福建龍巖、浙江嘉興、黑龍江哈爾濱等共11個地區(qū)的水稻土壤，并依次記為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11。各土壤樣本的基本理化性質(zhì)和地理信息見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)用以測定土壤基礎(chǔ)呼吸速率的方法主要為GC-TCD法、Gasbench-IRMS法、MicroResp法以及堿液吸收法4種測定方式。

表1 供試土壤樣本的基本理化性質(zhì)和地理信息

1.2.1 氣相色譜儀法(GC-TCD) 取相當(dāng)于15 g干重的土壤樣品(調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的60%，并預(yù)培養(yǎng)7 d)于120 mL棕色血清瓶中，加蓋橡膠塞和鋁蓋后在密閉黑暗環(huán)境下培養(yǎng)，24 h后以溫室氣相色譜儀(Agilent Technologies GC7890A，USA)檢測土壤呼吸的CO2釋放量。土壤呼吸速率(C，mg/(kg·h))通過公式計算：

式中：分子為該方法下測定所得的標(biāo)線方程，用以計算瓶內(nèi)頂空CO2的含量(mg)。同理，后面涉及的所有公式，其分子部分均為相應(yīng)方法下的標(biāo)線方程。因此，即為每個方法中涉及的儀器所測定的CO2之峰面積，則代表各方法中用到的土壤重量(kg)，即是土壤呼吸的培養(yǎng)時間與儀器取樣測定過程中耗費(fèi)的時間之和(h)。

1.2.2 穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀氣體進(jìn)樣法(Gasbench-IRMS) 測定過程與GC-TCD類似：稱取1.5 g土壤置于12 mL Labco采氣管，黑暗密閉環(huán)境下培養(yǎng)24 h后上氣體同位素質(zhì)譜儀(ThermoFisher Scientific Delta V Advantage，Germany)測定。其土壤呼吸速率通過下列公式計算：

式中：各字母釋義可見公式 (1)。

1.2.3 甲酚紅顯色法(MicroResp) 該方法的實(shí)驗(yàn)原理主要是以酸堿指示劑甲酚紅的顯色程度來判定CO2濃度。通過添加甲酚紅顯示劑于檢測板孔內(nèi)(每個樣品3個重復(fù))，再分別將每塊檢測板(3個檢測孔)放入到裝有15 g土壤的棕色血清瓶中，經(jīng)由24 h內(nèi)土壤呼吸釋放的CO2所“浸染”，最后通過多功能酶標(biāo)儀(Tecan Infinite M200 Pro，Austria)來檢測捕獲CO2后的甲酚紅指示劑的吸光度。該方法測定的土壤呼吸速率計算公式如下：

式中：M為酶標(biāo)儀所測定的檢測孔的吸光度。

1.2.4 堿液吸收法 用堿液(NaOH或者KOH溶液)吸收CO2生成鹽，再用滴定法中和剩余的堿量，最后使用差減法計算出一定時間內(nèi)土壤排放的CO2量的測定方法[10]。本試驗(yàn)為方便檢測，對經(jīng)典的堿液吸收法稍作改變，主要是利用穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀測定堿液吸收的CO2含量，具體細(xì)節(jié)可見圖1。將盛有15 mL 0.1 mol/L NaOH溶液的西林瓶放置于事先稱好15 g土壤的帶密封墊的100 mL藍(lán)蓋瓶里，加塞加蓋培養(yǎng)24 h后取出吸收了CO2的堿液，轉(zhuǎn)移至15 mL離心管密封保存。測量時取0.5 mL于Labco管，氦氣沖洗頂空后再加入0.5 mL 1 mol/L H3PO4溶液，以釋放出吸收的CO2。最后經(jīng)由Gasbench-IRMS檢測碳總量，并通過下列公式計算出該方法下的土壤呼吸速率：

1.2.5 土壤呼吸的13CO2含量測定 關(guān)于土壤呼吸中低/高13C含量測定方式的比較，鑒于在野外試驗(yàn)中，堿液吸收法經(jīng)常被用于農(nóng)田、森林等生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸原位動態(tài)監(jiān)測[11-12]，本試驗(yàn)就此對比Gasbench-IRMS直接測定和堿液吸收間接測定這兩種方法。間接法也必須經(jīng)由穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀來分析測定，本對比試驗(yàn)旨在探究堿液吸收后對碳同位素是否造成不可忽視的影響，從而為后續(xù)研究者在野外試驗(yàn)中以堿液捕獲CO2并需檢測13C含量時提供數(shù)據(jù)參考。低13C含量在基礎(chǔ)土壤呼吸速率試驗(yàn)中一同測定，高13C含量通過在土壤中加入13C標(biāo)記物誘導(dǎo)土壤呼吸來實(shí)現(xiàn)并測定。本試驗(yàn)采用13C豐度為2% 的葡萄糖溶液作為標(biāo)記物，選用S1、S4、S5、S6、S8、S11這6個水稻土壤作為研究對象。兩種方法的具體操作過程與測定土壤基礎(chǔ)呼吸速率試驗(yàn)過程相似，區(qū)別在于土壤稱樣后需加入13C標(biāo)記的葡萄糖溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%)，添加比例為0.1%。最終，兩種方法的碳同位素上機(jī)測定都通過IRMS完成。試驗(yàn)中原始土壤以及經(jīng)誘導(dǎo)呼吸后的土壤的13C含量通過EA-IRMS方法測定。

兩個試驗(yàn)分別于2021年8月和10月，在中國科學(xué)院寧波城市環(huán)境觀測研究站進(jìn)行。每種測定方法中每個土壤3組重復(fù)，同一試驗(yàn)的不同處理一同放置于恒溫培養(yǎng)箱(設(shè)置溫度25 ℃)中避光培養(yǎng)24 h后取出各自測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016整理，并計算均值、標(biāo)準(zhǔn)差，采用SPSS19.0軟件對部分?jǐn)?shù)據(jù)(不同有機(jī)質(zhì)含量下的基礎(chǔ)土壤呼吸速率)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和鄧肯檢驗(yàn)(Duncan’s test，<0.05)，通過OriginPro 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)土壤呼吸速率的測定

由圖2可見，前10個有機(jī)質(zhì)含量(10 ～ 55 g/kg)不同的土壤，其CO2排放通量主要表現(xiàn)為：有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤，基礎(chǔ)呼吸速率高；有機(jī)質(zhì)含量較低的，基礎(chǔ)呼吸速率較低。并且，根據(jù)線性回歸分析圖所示，有機(jī)質(zhì)含量可以解釋基礎(chǔ)土壤呼吸速率75% 左右的差異性，兩者具有顯著的正相關(guān)性(圖3A、3B、3C)。然而，堿液吸收法與前3種測定方法相差較大，其測定所得數(shù)據(jù)未能呈現(xiàn)出基礎(chǔ)土壤呼吸速率隨有機(jī)質(zhì)含量升高而增大的梯度趨勢(圖2、圖3D)。

(圖中小寫字母不同表示同一土壤樣品不同測定方法間差異顯著(P<0.05))

圖3 基礎(chǔ)土壤呼吸速率與土壤有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系

在4種基礎(chǔ)土壤呼吸速率的方法測定中，GC- TCD和Gasbench-IRMS的結(jié)果比較相似，重復(fù)性均較好，測量標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.011、0.010 mg/(kg·h)。MicroResp所得結(jié)果與儀器測定值接近，但分辨率不如儀器，標(biāo)準(zhǔn)偏差偏大，為0.026 mg/(kg·h)。對于堿液吸收法，有機(jī)質(zhì)含量較低時，測定結(jié)果高于真實(shí)值，反之則偏低；且測定的平行性不如前3種方法，測量標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)0.035 mg/(kg·h)。

2.2 土壤呼吸中低/高13C含量的測定

土壤呼吸中13C同位素的測定以Gasbench-IRMS法為準(zhǔn)(圖4A)。測定結(jié)果表明，對于基礎(chǔ)土壤呼吸，Gasbench-IRMS 法直接測定同位素的平行性好，測定δ13C值(13C豐度)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.137‰ (堿液吸收法為0.929‰)。而堿液吸收法會受空氣中CO2的影響，在存取堿液過程中易被污染，導(dǎo)致δ13C測定值比真值高(測定時空氣δ13C值約為–13‰)。

在具體測量過程中，水準(zhǔn)測量的測站數(shù)據(jù)長，前、后視距差和黑、紅（基、輔面）面讀數(shù)各項內(nèi)容都要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并且不得因?yàn)樽x數(shù)問題，導(dǎo)致誤差過度，對最終的測量結(jié)果造成不良影響，針對測量中涉及到的轉(zhuǎn)點(diǎn)，要采用尺墊完成相應(yīng)的操作[2]。通常來說，水準(zhǔn)點(diǎn)到沉降測點(diǎn)間轉(zhuǎn)點(diǎn)次數(shù)都是一次，最多不得超過兩次。需要觀測人員在實(shí)際作業(yè)過程中特別注意的是，針對路堤填筑期的觀測，應(yīng)當(dāng)依據(jù)四等水準(zhǔn)測量要求完成相應(yīng)的觀測。

圖4 水稻土基礎(chǔ)呼吸產(chǎn)生的δ13C 值(A)及誘導(dǎo)呼吸釋放的13C-CO2的豐度(B)

對于誘導(dǎo)土壤呼吸，堿液吸收法在13C同位素的測定上，結(jié)果偏低，重復(fù)性差。由于加入了13C標(biāo)記物，土壤呼吸的13C豐度大大升高，因此操作過程中一旦接觸空氣，就會出現(xiàn)不同程度的污染。Gasbench-IRMS法在測定含量較高的13C-CO2時，平行性較基礎(chǔ)呼吸有所降低，但依舊較為可信。該法更加真實(shí)地反映了土壤微生物對外源加入的標(biāo)記物的利用狀況(圖4B)，其AT%值(13C豐度)的平均測量值高達(dá)1.885%，宜春(S5)的13C含量測定值甚至達(dá)到了1.942%，十分接近誘導(dǎo)底物葡萄糖溶液的13C豐度(2%)。此外，除哈爾濱(S11)水稻土的13C含量為1.791% 外，其余地區(qū)的土壤，其被誘導(dǎo)呼吸產(chǎn)生的13C含量均在1.850% 以上。相比之下，堿液吸收法測定結(jié)果不甚理想。達(dá)州地區(qū)(S4)土壤呼吸釋放的CO2中13C含量最高，但也僅為1.805%，遠(yuǎn)低于Gasbench-IRMS測定的平均值。6個樣本土壤呼吸的AT%平均值為1.710%，即土壤納入底物13C的程度為85.5%。

為探究整個試驗(yàn)體系中堿液的存在是否有激發(fā)土壤微生物呼吸的作用，最終導(dǎo)致土壤呼吸中13C的AT%值不高，我們對誘導(dǎo)土壤呼吸速率也進(jìn)行了測定，并加入了氣相色譜儀的檢測以示準(zhǔn)確性(圖5)。對于Gasbench-IRMS法，無論是基礎(chǔ)呼吸速率或是誘導(dǎo)呼吸速率，其測定結(jié)果趨勢均與氣相色譜儀法相一致，甚至基礎(chǔ)呼吸速率的數(shù)值與GC的幾乎吻合。然而，除湘潭(S8)外，堿液吸收法測定的其余5個地區(qū)的土壤誘導(dǎo)呼吸速率均高于儀器的測定結(jié)果，即表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量低的土壤，其測定數(shù)值偏高(S11除外)，正如圖2結(jié)果所示?？偟膩碚f，圖4、5體現(xiàn)了Gasbench-IRMS法在土壤呼吸速率及其13C豐度(基礎(chǔ)/誘導(dǎo))測定中的可靠性；而堿液吸收法可能由于其存在的誘導(dǎo)作用，使得土壤呼吸速率偏高(S1、S4、S5、S6、S11)，更高的土壤CO2釋放量也可能是導(dǎo)致該方法下測定的13C(誘導(dǎo)呼吸)豐度偏低的原因之一。

圖5 水稻土的土壤呼吸(基礎(chǔ)/誘導(dǎo))速率

3 討論

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)對基礎(chǔ)土壤呼吸速率的影響

土壤有機(jī)質(zhì)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，是土壤微生物進(jìn)行分解活動，從而為自身生長繁殖提供所需碳源等營養(yǎng)物質(zhì)，并向外界釋放CO2的物質(zhì)基礎(chǔ)[13]。有研究表明，約80% 的土壤異養(yǎng)呼吸作用是由于土壤活性有機(jī)組分被微生物分解而產(chǎn)生的，剩余20% 為中性有機(jī)組分貢獻(xiàn)[14]。因此，土微微生物種群及其呼吸強(qiáng)度會受到土壤中易分解有機(jī)質(zhì)的影響，當(dāng)土壤活性有機(jī)碳輸入增加時，微生物可利用碳源充足，基礎(chǔ)土壤呼吸速率將隨之增加[15-16]。閆靖華等[17]的研究表明，土壤呼吸速率與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.82。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，基礎(chǔ)土壤呼吸速率隨土壤有機(jī)質(zhì)含量升高而增大，符合兩者之間的正相關(guān)關(guān)系。另外，在本試驗(yàn)條件下，一定范圍內(nèi)的(10 ～ 55 g/kg)土壤有機(jī)質(zhì)含量與基礎(chǔ)土壤呼吸速率的相關(guān)系數(shù)在0.85左右(圖3)。然而，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定水平后，本試驗(yàn)情況下有機(jī)質(zhì)含量達(dá)61.80 g/kg時，4種方法測得的基礎(chǔ)土壤呼吸速率依次為0.104、0.130、0.240、1.734 mg/(kg·h)；除堿液吸收法外，其余3種方法的測定結(jié)果都表現(xiàn)為土壤CO2釋放量急劇降低。這與龔振平等[9]的研究結(jié)果一致，即低有機(jī)質(zhì)下隨有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤CO2排放總量升高，但有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一定水平時(59.80 g/kg)，基礎(chǔ)土壤呼吸速率有降低趨勢。

3.2 土壤呼吸速率測定方法的比較

本研究中4種實(shí)驗(yàn)室測定土壤呼吸的方法各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，土壤呼吸中13C同位素的測定則以Gasbench-IRMS直接測定為優(yōu)，若非實(shí)際情況或現(xiàn)實(shí)條件不允許，間接測定13C-CO2含量時應(yīng)盡可能避免通過堿液吸收的方式收集CO2氣體。本試驗(yàn)結(jié)合其他文獻(xiàn)研究，給出以下差異比較(表2)。

3.2.1 氣相色譜法 有文獻(xiàn)表明，測量土壤呼吸的標(biāo)準(zhǔn)方法并不存在。Anderson[18]認(rèn)為，測量土壤呼吸涉及多種儀器和技術(shù)方法，其中幾種技術(shù)的重復(fù)和有效使用形成了一種偽標(biāo)準(zhǔn)化的狀態(tài)，并在某種程度上以指導(dǎo)方針的形式存在。氣相色譜分析儀作為學(xué)者們普遍應(yīng)用的技術(shù)儀器，為測定土壤、大氣中CO2含量提供了一種簡單、靈敏、準(zhǔn)確的方法[19]。由于其探測器的靈敏度和速度，允許快速并準(zhǔn)確地測量土壤CO2排放[20]；與完全計算機(jī)化的采樣系統(tǒng)相連接的配置又賦予了該儀器易于取樣的優(yōu)勢[21]。因此，氣相色譜(GC)經(jīng)常被用來測量實(shí)驗(yàn)室條件下土壤的呼吸狀態(tài)[22]。另外，在一些野外的田間試驗(yàn)中通常也會采用GC來進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測[19，23]。本試驗(yàn)中，GC-TCD在4種實(shí)驗(yàn)室土壤呼吸測定方法中測定結(jié)果最佳，具有靈敏度和準(zhǔn)確度均較高、測定范圍寬(0.03%～ 5.0%)、測定時間快(約7 ～ 8 min/樣品)等優(yōu)點(diǎn)(圖2和表2)。即便其存在需實(shí)驗(yàn)室配備相應(yīng)儀器及設(shè)備的較高成本要求，仍得到了研究學(xué)者們的廣泛應(yīng)用，并在一定程度上可作為其他方法測定結(jié)果的參考標(biāo)準(zhǔn)。

表2 四種測定土壤呼吸速率及兩種測定13C-CO2豐度的方法比較

3.2.2 穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀氣體直接進(jìn)樣法 1919年，阿斯頓研制了世界上第一臺質(zhì)譜儀。彼時質(zhì)譜儀的主要功能是可以測定出不同元素中同位素的相對原子質(zhì)量，從而肯定了同位素的普遍存在[24]?；谫|(zhì)譜儀建立起來的穩(wěn)定同位素技術(shù)，最初是在20世紀(jì)30年代發(fā)展于物理學(xué)，后來逐步應(yīng)用到了地質(zhì)地球化學(xué)、植物學(xué)、水環(huán)境生態(tài)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中[25-26]。利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)可以探究農(nóng)業(yè)土壤、還田造林土地(綠化)及天然草地對土壤碳動態(tài)的影響，并最終可通過13C計算出綠化土壤中舊碳與新碳的比例[27]。穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀(IRMS)是同位素技術(shù)中測定分析的重要儀器，經(jīng)常用于對有機(jī)碳或無機(jī)碳的同位素定量分析[28]。作為可以測定某物質(zhì)的同位素質(zhì)量及其在該物質(zhì)中的相對含量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，其在土壤有機(jī)碳來源、周轉(zhuǎn)周期、土壤 CO2通量的變化和組分區(qū)分及同位素富集等研究領(lǐng)域中起著重要的作用[29]。

此外，IRMS還允許通過同位素比值色譜圖對釋放的CO2量進(jìn)行量化[30]。其在穩(wěn)定同位素分析中均是以氣體形式進(jìn)行質(zhì)譜分析，因此常有氣體質(zhì)譜儀之稱[25]。本身為氣體的CO2無需經(jīng)過轉(zhuǎn)化，通過IRMS的氣體直接進(jìn)樣系統(tǒng)(Gasbench)便可測定出其土壤CO2釋放量及13C含量。在本試驗(yàn)中，利用該儀器能夠精確測定土壤呼吸中低/高13C的含量變化(圖4)，真實(shí)地反映出微生物呼吸利用的土壤原有機(jī)物質(zhì)及外源添加有機(jī)底物中的穩(wěn)定碳同位素豐度。另外，在土壤CO2排放量測定方面，Gasbench-IRMS也能較為準(zhǔn)確地計算出基礎(chǔ)土壤呼吸速率，接近GC-TCD的測定結(jié)果(圖2)。但由于該儀器設(shè)備價格高，在只需測定CO2釋放量數(shù)據(jù)的情況下，不建議使用該方法。

3.2.3 甲酚紅顯色法 MicroRespTM法，一種通過顯色法便能夠監(jiān)測到土壤中的CO2排放過程，從而測定碳源的利用率，并以此獲悉土壤微生物群落的生理特征的方法[31]。這提供了一種可以快速衡量微生物生物量豐富程度的途徑，即添加一系列碳源以誘導(dǎo)微生物呼吸，微生物群落的多樣性越大，碳源利用的范圍就越廣[32]。Creamer等[33]利用MicroRespTM方法評估了歐洲81個不同理化參數(shù)地點(diǎn)的潛在微生物活性。Drage等[34]對這一專門用于研究土壤微生物群落的系統(tǒng)進(jìn)行了輕微修改，以便于探索微生物在特定藥物或其組合中的生長效率，從而研究它們對有毒含碳化合物(如天然產(chǎn)物、藥物或外源性化合物)的敏感性。MicroResp一般用于多碳源誘導(dǎo)呼吸，培養(yǎng)過程由專用的96深孔板(培養(yǎng)板)和檢測板組成，本方法利用其測定原理，僅以血清瓶進(jìn)行培養(yǎng)以測定基礎(chǔ)呼吸。在本試驗(yàn)的4種測定方法中，該方法操作簡便、檢測最快速，可迅速完成大批量樣品的測定。但是，該法檢測范圍較窄，只能測量一定時間段內(nèi)的土壤CO2釋放量，并且重復(fù)性略差(表2)。

3.2.4 堿液吸收法 堿液吸收法作為測定土壤表層CO2排放通量的經(jīng)典方法，最初于1927年由Lundeg?rdh[35]引入，后被廣泛應(yīng)用于多種生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2的分析[36]。多年來，在實(shí)驗(yàn)室中測量土壤呼吸最普遍應(yīng)用的方法就是堿液吸收法。但這種方法的測定精度不理想，普遍出現(xiàn)測定結(jié)果準(zhǔn)確性低的現(xiàn)象，與實(shí)際土壤呼吸速率存在顯著差異[10]。主要表現(xiàn)為：有機(jī)質(zhì)含量或土壤呼吸速率低時，測定結(jié)果高于真實(shí)值；有機(jī)質(zhì)含量或土壤呼吸速率高時，測定結(jié)果低于真實(shí)值[10，37]。本試驗(yàn)樣品除S3、S4(有機(jī)質(zhì)含量低，但所得結(jié)果未高于真實(shí)值)，以及S11(有機(jī)質(zhì)含量高，呼吸速率也高)外，總體上也體現(xiàn)出了這種規(guī)律。此外，堿液在反復(fù)接觸空氣后無法維持其最初吸收的CO2量，故不允許頻繁測量[19]。因此為保證土壤呼吸測定的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量選擇除堿液吸收外的其他方法。

除此之外，經(jīng)堿液吸收后再通過Gasbench-IRMS檢測穩(wěn)定碳同位素的含量，結(jié)果也缺乏一定的準(zhǔn)確性。由于堿液吸收法會有一定的(正/負(fù))激發(fā)效應(yīng)，故而在使用該方法測定誘導(dǎo)呼吸釋放的碳同位素含量時尤其應(yīng)當(dāng)注意：一方面，堿液吸收會導(dǎo)致空氣中的CO2污染待測樣品(無論是培養(yǎng)還是測定過程中氦氣沖洗都無法消除其影響，但測定過程中空氣的污染可以通過計算法扣除)；另一方面，堿液吸收引起的激發(fā)效應(yīng)會低估或高估添加碳源的誘導(dǎo)呼吸速率(圖5)，進(jìn)而影響到同位素的準(zhǔn)確測定及溯源(圖4)，特別是對碳源激發(fā)效應(yīng)的計算。另外，對于土壤基礎(chǔ)呼吸，堿液在存取過程中也易被空氣污染，導(dǎo)致待測樣品的δ13C值比真值高。

綜上，堿液吸收法在土壤呼吸速率測定中存在較大局限性，土壤有機(jī)質(zhì)處于中等水平時，其基礎(chǔ)呼吸速率測定數(shù)值才與儀器法的較為接近；在13C同位素豐度測定上，即便土壤呼吸速率與GC-TCD測定結(jié)果相近的情況下(圖5中S4)，堿液吸收法仍高估或低估了樣品的13C含量(圖4)。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量避免堿液吸收法的使用。

4 結(jié)論

1) 11個有機(jī)質(zhì)含量呈梯度水平的水稻土壤，在以4種方式測定其基礎(chǔ)土壤呼吸速率試驗(yàn)中，土壤CO2釋放速率具有明顯變化趨勢，具體表現(xiàn)為：有機(jī)質(zhì)含量在10 ～ 55 g/kg水平范圍內(nèi)，基礎(chǔ)土壤呼吸速率呈隨有機(jī)質(zhì)含量升高而增大的線性變化。GC- TCD法測定土壤呼吸的準(zhǔn)確度最高，Gasbench- IRMS法次之；MicroResp法在靈敏度及重復(fù)性方面尚有欠缺；而堿液吸收法測定結(jié)果與真實(shí)值相差最大，準(zhǔn)確度最低。

2) Gasbench-IRMS法直接測定土壤呼吸的13C含量誤差小、接近真實(shí)值，較為精確；堿液吸收后再經(jīng)同位素測定土壤呼吸的13C含量誤差偏大，且易被空氣污染，導(dǎo)致自然豐度的樣品同位素比值偏高而標(biāo)記樣品同位素比值偏低。

3) 測定建議：①儀器測定法的結(jié)果更真實(shí)可靠。GC-TCD可測定低/高強(qiáng)度的土壤呼吸速率，測定范圍大且不失準(zhǔn)確性；Gasbench-IRMS測定基礎(chǔ)(低)土壤呼吸速率同時可兼?zhèn)渫凰氐臏y定。②MicroResp法不需要高成本設(shè)備，操作簡便，速度快，但靈敏度有所欠缺。③堿液吸收法適合測定有機(jī)質(zhì)處于中等水平的基礎(chǔ)土壤呼吸速率；因空氣的污染問題，如需測定呼吸釋放的碳同位素豐度，則應(yīng)盡量避免使用堿液吸收法。

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Comparative Study on Determination Methods of Soil Respiration and Its13C Isotope

NIE Tangtang1, 2, WANG Juan2, YAO Huaiying1, 2, GE Chaorong1*

(1 Research Center for Environmental Ecology and Engineering, School of Environmental Ecology and Biological Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China; 2 Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen, Fujian 361021, China)

In order to compare the differences between various methods in determining soil respiration as well as its13C isotope, gas chromatograph (GC-TCD), stable isotope mass spectrometer (Gasbench-IRMS), cresol red coloration (MicroResp) and alkali absorption were applied to measure soil respiration rates, two methods that Gasbench-IRMS andalkali absorption were used to detect13C isotope abundance in soil respiration, so as to accurately assess soil respiration and carbon emissions, and provide reference for related research. The results show that: 1) Soil CO2emission rates measured by the two instrumental methods (GC and IRMS) are analogical (basal respiration) or trend-consistent (induced respiration), with good repeatability (standard deviation is 0.011, 0.010 mg /(kg·h), respectively) and high accuracy. The data from MicroResp is similar to that from apparatus, but the precision is relatively poor. Partial results determined through alkali absorption method are either higher (soils with low SOM content) or lower (soils with high SOM content) than the real values. 2) In the detection of13CO2abundance, the deviation determined by Gasbench-IRMS is small (standard deviation of the δ13C value is 0.137‰), and the results is closed to the expected values, can accurately reflect the utilization of surrounding substrate by soil microbes during respiration. In conclusion, the instrumental method can more accurately determine soil respiration and its13C isotope than chemical analysis methods (MicroResp and alkali absorption).

Soil respiration measurement;13C isotope abundance; Method comparison

S154.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.03.015

聶棠棠, 王娟, 姚槐應(yīng), 等. 土壤呼吸及其13C同位素測定方法的對比研究. 土壤, 2023, 55(3): 578–586.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)家基金項目(41701282)資助。

(chaorongge@wit.edu.cn)

聶棠棠(1997—)，女，廣西梧州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥捞佳h(huán)。E-mail: tt1542605054@163.com