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RhizoScope 根际碳氮排放协同测量系统

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根际碳氮循环是植物和土壤系统之间最活跃的土壤过程,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。

根系生长对土壤碳氮排放影响的研究


根生长与土壤碳氮排放

Jingyun Fang et al,2016研究发现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。

 根系与土壤固碳能力

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

 影响根际碳氮排放的因素

Zhouping Shangguan,etal,2021研究了土壤水分与SOC、CO2排放、TN和氮矿化速率的关系。得出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%),干旱使灌木林土壤TN浓度显著增加22.6%。

A.X. Hou,etal,2000 发现氧化还原电位最低时,CH4排放最高,同时N2O排放也最低。在高氧化还原值时,N2O排放高,但没有CH4排放。Wang et al., 1993; Masscheleyn etal., 1993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CH4 和高于约 +250 mV 产生N2O,也表明CH4和N2O不会同时产生。 

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:

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。

AZR-300复合系统获取根系信息快速、分辨率高



RhizoScope根系图像拼成总根长


高清根系图像 

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、δ15N14N16O、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。


Aerodyne 碳氮气体同位素测量仪


AZG-300土壤CO2、CH4在线分析仪 



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。


根区控制试验

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。

控制土柱中分层垂直布设根测管,获取根系的水平分布和垂直分布,观测环境因子,如土壤热通量、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,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。 土壤热通量可随夏季、冬季调节控制。 


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