Name: 土壤有机物分解速率的温度响应：温度梯度块块的构建与应用 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-01-30T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: 学习使用温度梯度块在22个离散温度下测量土壤有机质分解速率的方法。该技术通过精确控制土壤样品孵育条件，结合二氧化碳气体分析仪检测，为理解温度对土壤碳循环的影响机制提供可靠数据支持。

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我们感谢Pieter van de Broek在模块的编程、电子设计和测试方面提供的帮助。感谢Christopher Wedde协助撰写电子单元的操作规程。感谢Henk Martens在本实验装置材料采购过程中提供的协助。我们还感谢Tamas Salanki、Paolo Di Lonardo和Willeke van Tintelen在模块实验室安装过程中提供的支持与协助。我们感谢联合研究中心（Joint Research Center）授权使用历史样品，用于本温度模块的性能测试。最后，我们感谢Antoine Moinet和Tullia Calogiuri在土壤采样工作中对本方案测试所提供的帮助。本项目由瓦赫宁根大学与研究机构的土壤科学集群资助。

作者无任何利益冲突需要披露。

使用温度梯度模块测定土壤有机质（SOM）分解速率对短期温度变化的响应存在挑战，尤其是在低温下检测呼吸速率时。低温可直接抑制胞内和胞外酶的催化活性46,47。因此，培养时间必须足够长，以确保在温度范围的低温端，呼吸速率较低的情况下，玻璃小瓶中仍能积累足够的CO2，使其浓度处于气体分析仪的检测范围内。在本实验设置中，最低温度为4.1 °C；这些样品最先被装入模块，最后被分析，从而获得更长的培养时间。约3.5小时的模块培养时间被证明足以使样品中的CO2浓度产生可检测的变化。该培养时长可能取决于土壤类型，尤其是有机质含量。例如，有机质含量较低的砂质土壤可能需要比富碳土壤更长的培养时间。然而，在本研究的测试中，3.5小时的培养时间对大多数土壤类型和有机质含量水平均表现出普遍足够的效果。
除了优化低温下检测 CO2 的孵育时间外，同样重要的是在温度梯度的高温端尽量减少水分流失。土壤水分在底物向微生物群落的运输、扩散和溶解过程中起着关键作用48。例如，当水分含量较低时，土壤水分可通过限制底物扩散来降低呼吸速率；而在水分含量较高时，则会因降低氧气可用性而限制呼吸速率45,49。因此，在高温条件下尽量减少水分流失，有助于防止水分成为微生物获取底物的限制因素。尽管本实验方案中的小瓶已完全密封，但水分仍会凝结在瓶盖和瓶壁内侧。这种冷凝现象被视为土壤水分的损失。因此，我们将孵育时间从 Robinson 等 2017 年41所用的 4 小时缩短至 3.5 小时。尽管无法在所有温度处理组中完全保持恒定的水分水平，但在 3.5 小时的孵育期间，土壤始终维持在最佳水分状态。即使在高温条件下，土壤的持水能力（WHC）仍保持在 50% 以上，确保水分的可利用性不会限制微生物对底物的获取44,45。
另一个重要的考虑因素是孵育的温度范围。尽管冷却系统可达到低至 -30 °C 的温度，加热系统可升至 320 °C，但隔热材料的耐温范围为 -183 °C 至 148 °C。本装置所用的玻璃小瓶可耐受 500 °C 的高温。尽管这些范围较宽，但在高于 100 °C 的条件下孵育样品会对操作人员构成安全隐患。为防止过热，系统中增加了一个热敏电阻，确保当铝块温度达到 90 °C 时加热系统自动关闭。由于存在初始化超调现象，该热敏电阻的设置至关重要（图 13A）。若初始化过程中温度超过 90 °C，系统将自动停用。鉴于上述限制，我们建议为确保安全和可靠运行，本装置的最高操作温度不超过 60 °C。若需在 0 °C 以下孵育土壤样品，还需进行额外测试，以确保 CO2 检测的可靠性，因为冷凝及相关的湿度变化可能影响零下温度时的测量结果。在本方案中，我们选择 4 °C 作为最低温度，在此温度下未观察到冷凝现象。若系统需在更宽的温度范围内使用，我们建议实施额外的热安全规范。
该方法的另一个潜在限制是相对较短的培养周期不允许微生物群落适应温度变化。许多研究重点关注长期增温条件下土壤的温度响应，特别是旨在检验微生物适应性理论27,43,47,50,51。已有研究提出，微生物适应性可解释实验增温对土壤呼吸速率影响随时间减弱的现象47。然而，本文所述方法旨在测量土壤有机质（SOM）分解速率的短期温度响应。尽管微生物适应在短时间内不太可能发生47，但最近一项研究采用类似方法，通过培养来自地热梯度土壤的样品，量化了微生物适应的速率。在该研究中，使用MMRT拟合以估算关键参数，包括温度最适值和拐点。通过比较来自地热梯度不同土壤的这些参数，结果表明微生物适应的速率显著低于增温速率52。该研究强调了理解完整温度响应曲线的重要性，特别是准确捕捉土壤生物过程的温度最适值和拐点（图19C、D）。基于这些发现，我们建议在区块培养过程中于多个温度点取样，以评估微生物群落组成和功能如何与呼吸速率及温度敏感性参数相关联。
本文所述的温度梯度模块相较于传统方法具有显著优势。其中一个主要优点是，该方法能够在22个离散温度下，利用少量土壤高效且准确地测定土壤有机质（SOM）分解速率。这相对于仅在少数几个离散温度下培养土壤样品的方法是一种技术上的改进，后者迫使研究人员使用Q10温度系数——&#160;而这一方法已被许多研究质疑12,13,15。另一项重要优势在于，该装置所获取的数据能够清晰反映温度响应曲线的形态和陡峭程度。在宽广的温度梯度范围内设置多个离散温度处理，使我们能够识别生物过程的拐点温度和最适温度，从而实现不同处理之间的比较。本论文展示的示例呈现出两种截然不同的模式（图19A、B 与 图19C、D），研究人员可进一步结合不同的温度敏感性理论对这些模式进行分析。部分示例支持阿伦尼乌斯（Arrhenius）理论，即反应速率随温度呈指数增长（图19A、B）；而另一些示例则符合MMRT理论，表现出具有明确最适温度的单峰响应模式（图19C、D）。这两种不同模式表明，本文所提出的温度模块培养方案能够重现上述两类响应曲线，可用于检验关于土壤有机质分解速率温度敏感性的理论，从而加深我们对热力学、生物学和化学过程的理解。

大气中二氧化碳（CO2）浓度的升高导致地球温度上升1。这一现象最早由尤妮斯·富特（Eunice Foote）于1856年报道，她进行了一项简单却具有开创性的实验2。她将一个圆柱形容器充满环境空气，另一个充满CO2，并记录了两个容器内的温度变化1。实验结果明确显示：CO2浓度较高的容器温度更高，证明了大气中CO2增加所产生的增温效应1。这一发现对气候变化具有重要意义。如今，富特早期的洞察力仍在持续影响当代气候科学，指导着关于不断上升的CO2水平如何影响全球变暖及各类生态系统的科学研究。
在表层一米范围内，土壤储存的碳（C）量接近大气中碳量的两倍，在全球碳循环中发挥着关键作用3。影响土壤碳储量的一个关键过程是土壤有机质（SOM）的分解，该过程决定了碳以多快的速率重新释放到大气中4,5。由气候变化引起的年平均气温升高可能促进土壤有机质（SOM）的分解，从而加快CO2向大气的释放6,7。这构成了对气候变化的正反馈机制，特别是当温度升高通过SOM分解加速碳损失的程度超过其对光合作用固碳输入的促进作用时6。尽管该领域已有大量研究，但所谓陆地-碳-气候反馈的强度和方向仍存在广泛争议8,9,10,11。这种不确定性主要源于对SOM分解速率温度响应机制的基础知识仍存在空白。弥补这些知识缺口对于改进地球系统模型、并纳入基于理论的SOM分解速率温度响应表征至关重要。
土壤有机质（SOM）分解速率对温度的响应通常用Q10值和阿伦尼乌斯方程来表示。Q10&#160;值定义为温度每升高&#160;10 °C时，反应速率所乘的倍数因子。尽管其有效性面临诸多质疑12,13,14,15，Q10仍成为比较不同处理方式和不同类型土壤温度响应的默认方法。阿伦尼乌斯理论认为，诸如土壤有机质分解等过程的速率随温度升高呈指数增长16。然而，实际的酶活性通常表现为单峰曲线，具有明确的最适温度，并在更高温度下下降17,18,19。基于阿伦尼乌斯的方程试图通过假设在超过最适温度后酶发生变性来解释这种下降趋势6。但酶变性发生的温度通常高于土壤中常见的温度范围，这表明酶在发生变性之前已达到其热最适点19,20。此外，简单地在阿伦尼乌斯方程中加入第二个函数以反映因变性导致的呼吸速率下降，并不能估算出拐点温度——即呼吸速率变化率达到最大值时的温度21,22。因此，在通常观测到的土壤温度范围内，基于阿伦尼乌斯的方程无法充分描述实际测量得到的土壤有机质分解速率整体温度响应曲线的典型形态14,23。
为解决阿伦尼乌斯理论的局限性，研究人员已开发出多种方程以描述生物过程对温度的敏感性；然而，其中很少有基于生物学理论构建的方程被应用于土壤研究24,25。在基于生物学机制的方法中，大分子速率理论（MMRT）通过引入生物大分子（如酶）的热力学特性，克服了阿伦尼乌斯方程的部分局限性26。类似地，酶促辅助阿伦尼乌斯理论（EAAR）则考虑了酶在降低反应活化能过程中随温度变化的作用24。这两个方程均已成功应用于土壤及微生物中生化反应温度响应的研究17,24,27,28。这些方程为理解土壤有机质分解及其反应步骤的温度响应机制提供了重要的理论依据。然而，由于实验上的挑战，这些方程的广泛应用和参数化仍受到限制。
野外和实验室研究在理解土壤有机质（SOM）分解速率对温度响应方面各有优势和局限性。野外实验能够为SOM分解速率的长期温度响应提供有价值的见解。然而，由于自养呼吸、水分变化和底物可利用性等混杂因素的存在，解释野外测得的CO2通量数据具有挑战性29,30,31,32,33。尽管这些相互作用对于量化真实世界中的过程至关重要，但此类研究通常关注的是生态系统的长期响应，而非短期机制过程的测量。理解短期温度响应对于参数化由近期理论（如MMRT和EAAR）所定义的方程至关重要，而在这方面，实验室研究起着关键作用。许多实验室研究通常受到底物耗竭的混杂效应影响，这种效应会随着培养时间及温度处理的升高而加剧&#160;34,35,36。此外，大多数实验室实验仅使用少数几个温度处理水平37,38,39,40，导致只能拟合简单的指数方程或计算Q10比值，而无法应用需要在更多离散温度下测定速率的更先进方程41。为解决这些问题，迫切需要开发新的实验方法，以实现对更宽温度范围内SOM分解速率的精确测量，从而支持针对温度响应的SOM分解理论的严格检验与进一步发展。
本文介绍了温度梯度模块的构建与使用方法，该模块不仅解决了当前实验中的局限性，还提供了一项前沿研究，用于展示土壤有机质（SOM）分解对温度的短期响应。本文所提出的装置设计是在Thomas等人（1963）42首次建立、后由Robinson等人（2017）41改进的方法基础上进行的优化。主要改进之处包括：1）优化了冷却系统；2）通过将模块连接至CO2分析仪以直接测定CO2浓度，从而缩短了运行时间；3）消除了实验过程中转移样品瓶的需要。尽管先前的研究21,41,43对温度梯度模块进行了较为宽泛的描述，但其详细设计、构建方法和测试过程均较为简略，限制了其他研究人员对该技术的复现与应用。本文提供了该装置在设计与构建方面的完整细节，并展示了多个测试结果，以验证该系统在不同土壤样品中的正常功能与适用性。

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nl/product/prd1899911190</td></tr><tr><td>膝关节耦合</td><td>克拉普</td><td>MMI9006K</td><td>https://www.kramp.com/shop-nl/&lt;br/&gt; nl/p/可调式直角连接器&lt;br/&gt; r-bu-bu-3-8-bsp--MMI9006K</td></tr><tr><td>大直径管 3/8&quot;</td><td>Avantor</td><td>39213360</td><td>https://www.avantorsciences.co&lt;br/&gt; m/us/zh-cn/product/39213360/mast&lt;br/&gt; erflex-转移管-柔性&lt;br/&gt; vinyl-avantor</td></tr><tr><td>M6 螺丝，六角头</td><td>RS</td><td>281-120</td><td>https://nl.rs-online.com/web/p/so&lt;br/&gt; cket-screws/0281120?srsltid=Afm&lt;br/&gt; BOorVGq-ZyA2yrJG1kU7SHGiZ&lt;br/&gt; EblaRz0nDmX7MwhzIRjcc6P4YIYE</td></tr><tr><td>主接线盒</td><td>RS</td><td>检查 Dia。</td><td>https://nl.rs-online.com/w&lt;br/&gt; eb/p/通用型封装&lt;br/&gt; sures/2896320?gb=s</td></tr><tr><td>雄性接头</td><td>qosina</td><td>12090</td><td>https://www.qosina.com/male-&lt;br/&gt; 转为雄性鲁尔锁接头-12090</td></tr><tr><td>雄性鲁尔接头</td><td>Walternedical</td><td>BPC04M</td><td>https://www.waltersmedical.co.&lt;br/&gt; 中国台湾/nibp-connector-male-luer-slip/</td></tr><tr><td>MCB - 西门子 SENTRON</td><td>RS</td><td>3RF2320-1AA02</td><td>https://nl.rs-online.com/we&lt;br/&gt; b/p/mcbs/2383188?gb=s</td></tr><tr><td>PE/DND 穿通</td><td>RS</td><td>687-9411</td><td>https://uk.rs-online.com/we&lt;br/&gt; b/p/导轨式接线端子块/&lt;br/&gt; 6879411?searchId=c9a9c1&lt;br/&gt; b1-3def-40d0-8b14-b792f8269615&amp;amp;gb=s</td></tr><tr><td>电源指示 LED</td><td>RS</td><td>909-2437</td><td>https://uk.rs-online.com/&lt;br/&gt; 网页/试点项目/9092437？gb=s</td></tr><tr><td>电源</td><td>Antratek</td><td>X-2902992</td><td>https://nl.rs-online.com/web/&lt;br/&gt; p/导轨式电源/054&lt;br/&gt; 0731?srsltid=AfmBOoqMPIO&lt;br/&gt; Av7bZd1Qu_Acy3KMFR0-x&lt;br/&gt; OD_Hkw3NeQCYyzKJLzEGXzxQ</td></tr><tr><td>五重导体桥</td><td>RS</td><td>803-6713</td><td>https://uk.rs-online.com/web&lt;br/&gt; /p/导轨式接线端子/80&lt;br/&gt; 36713?searchId=7de6627a-&lt;br/&gt; 3634-42ed-a600-2e3ce8974fe7&amp;amp;gb=s</td></tr><tr><td>红色导线</td><td>RS</td><td>361-822</td><td>https://nl.rs-online.com/web&lt;br/&gt; /p/连接线/0361822</td></tr><tr><td>2.5 mm 环形端子&amp;sup2;</td><td>RS</td><td>534-569</td><td>https://uk.rs-online.com/&lt;br/&gt; 网络/压接端子/0534569</td></tr><tr><td>传感器</td><td>Antratek</td><td>X-DTS-S3C</td><td>https://www.antratek.nl/dig&lt;br/&gt; ITAl 温度传感器，1 米电缆</td></tr><tr><td>Septa 红色丁基橡胶垫</td><td>家庭绿色</td><td>A255</td><td>https://www.homegreen.nl/la&lt;br/&gt; b-必要品/隔膜-红色&lt;br/&gt; -丁基-20-mm？srsltid=AfmBO&lt;br/&gt; ooStonU5v9Q9j7i_RgQMJ9F&lt;br/&gt; m6ZVbPbIRU0cD1_47-BEVmb1r5I5</td></tr><tr><td>单导体馈通</td><td>Elektramat</td><td>401167865</td><td>https://www.elektramat.nl/&lt;br/&gt; catalogsearch/result/?q=401167865</td></tr><tr><td>单相电力电缆</td><td>RS</td><td>626-6694</td><td>https://nl.rs-online.com/w&lt;br/&gt; eb/p/电源线/6266694?gb=s</td></tr><tr><td>单相导线</td><td>RS</td><td>775-6123</td><td>https://uk.rs-online.com/web&lt;br/&gt; /p/电源线/7756123?gb=s</td></tr><tr><td>小型接线盒</td><td>RS</td><td>498-5387</td><td>https://nl.rs-online.com/web/p&lt;br/&gt; 通用型防护罩/4985387</td></tr><tr><td>固态继电器</td><td>RS</td><td>467-4762</td><td>https://nl.rs-online.com/web/p&lt;br/&gt; 固态继电器/4674762</td></tr><tr><td>螺旋钻头&amp;nbsp;</td><td>Ericks</td><td>10471300</td><td>https://shop.eriks.nl/nl/gereed&lt;br/&gt; schappen-verspanende-geree&lt;br/&gt; dschappen-boren-hss-en-hsse&lt;br/&gt; -硼烷-圆柱形套管/螺旋&lt;br/&gt; aalboor-din340-hsse-geslepen-&lt;br/&gt; type-ti-5-80mm-12592599/?srslt&lt;br/&gt; id=AfmBOoopMLgX1mtyuUxkU&lt;br/&gt; KU7jW4fYY1bY5wSTvSGQUkO&lt;br/&gt; zTc6E2wdxUZQ</td></tr><tr><td>不锈钢外壳和盖子</td><td>247 Tailore 钢</td><td></td><td>https://247tailorsteel.com/nl/?ut&lt;br/&gt; m_term=24%207%20steel&amp;amp;utm&lt;br/&gt; _campaign=B+-+NL+-+247tailo&lt;br/&gt; rsteel+-+NL+-+目标扩展&lt;br/&gt; 百分比 > 转化 Waa&lt;br/&gt; rde+met+目标ROAS&amp;amp;utm_so&lt;br/&gt; 来源=谷歌广告&amp;amp;utm_medium=&lt;br/&gt; ppc&amp;amp;hsa_acc=2007690635&amp;amp;h&lt;br/&gt; sa_cam=783787418&amp;amp;hsa_grp&lt;br/&gt; =118504886580&amp;amp;hsa_ad=67&lt;br/&gt; 1662182959&amp;amp;hsa_src=g&amp;amp;hsa&lt;br/&gt; _tgt=kwd-374862287021&amp;amp;人类（Homo sapiens）&lt;br/&gt; a_kw=24%207%20steel&amp;amp;hsa&lt;br/&gt; _mt=p&amp;amp;hsa_net=adwords&amp;amp;hsa&lt;br/&gt; _ver=3&amp;amp;gad_source=1&amp;amp;gclid=&lt;br/&gt; Cj0KCQjw8MG1BhCoARIsAHx&lt;br/&gt; SiQnhmktBk_3c_wobSJobrTVp4&lt;br/&gt; _nqiW26Zt7XzSkHdK-htW8medy&lt;br/&gt; NCcQaAjbrEALw_wcB</td></tr><tr><td>切换两位</td><td>RS</td><td>746-9336</td><td>https://nl.rs-online.com/web/p&lt;br/&gt; /cam-switch-handles/7469336</td></tr><tr><td>末端桥接</td><td>Elektramat</td><td>401043503</td><td>https://www.elektramat.nl/phoenix-c&lt;br/&gt; 穿线式连接桥接端子&lt;br/&gt; klem-2-polig-5-2-mm-rood-fbs-2-5/?c&lt;br/&gt; hannable=0141ac6964003330383936&lt;br/&gt; ec&amp;amp;utm_source=google-surfaces&amp;amp;utm&lt;br/&gt; _medium=organic&amp;amp;bg_source=ga&amp;amp;bg_&lt;br/&gt; campaign=19011971421&amp;amp;-mi-9&lt;br/&gt; 214030-图-401043503-相互作用&amp;amp;bg_source&lt;br/&gt; _id=&amp;amp;gad_source=1&amp;amp;gclid=CjwKCAjw&lt;br/&gt; 8fu1BhBsEiwAwDrsjE2kRcDZUHPupfy&lt;br/&gt; 源文本无法识别，可能为乱码或非有效内容。请提供符合要求的英文科学文本以进行翻译。&lt;br/&gt; 9OaI25ALRoCvmUQAvD_BwE</td></tr><tr><td>恒温器数据采集系统</td><td>Antratek</td><td>X-300-I</td><td>温度&amp;uuml;监测 &amp;amp; ControlByWeb（antratek.nl）温控器（+X-DTS-S3C）</td></tr><tr><td>万能铣床</td><td>Mach4Metal</td><td>MACH-ID 7580</td><td>https://mach4metal.com/en&lt;br/&gt; /铣床/数控/fehlm&lt;br/&gt; ann-picomax-p54-2</td></tr><tr><td>Wago 3芯穿线端子</td><td>RS</td><td>803-6713</td><td>https://nl.rs-online.com/web/&lt;br/&gt; p/din导轨接线端子/80&lt;br/&gt; 36713?cm_mmc=NL-PLA-D&lt;br/&gt; S3A-_-google-_-CSS_NL_N&lt;br/&gt; L_Pmax_0525-_--_-803671&lt;br/&gt; 3&amp;amp;匹配类型=&amp;amp;&amp;amp;gclsrc=aw.d&lt;br/&gt; s&amp;amp;gad_source=1&amp;amp;gad_campa&lt;br/&gt; ignid=22555696009&amp;amp;gbraid=0&lt;br/&gt; AAAAADkeWNNXeREaDmJ5n&lt;br/&gt; yYqYMqp-c7A6&amp;amp;gclid=CjwKCAj&lt;br/&gt; wtfvEBhAmEiwA-DsKjilXxL8uO&lt;br/&gt; 4Jo6XyDesHGaQkoz6Ggi4ATI6&lt;br/&gt; FUInWV9TxmIX519DGIZBoCh9&lt;br/&gt; YQAvD_BwE</td></tr><tr><td>Wago 连接器</td><td>RS</td><td>883-7557</td><td>https://uk.rs-online.com/&lt;br/&gt; web/p/standard-terminal-b&lt;br/&gt; 锁/8837557？gb=s</td></tr><tr><td>导线端套管（100 个）</td><td>Elektramat</td><td>401173609</td><td>https://www.elektramat.nl/solar&lt;br/&gt; -粘附性囊泡分离-2.5毫米&lt;br/&gt; 2-孔，长度8 mm，蓝色，每100个&lt;br/&gt; -stuks-1505145/?channable=014&lt;br/&gt; 1ac696400343034a4&amp;amp;utm_source&lt;br/&gt; 谷歌表面&amp;amp;utm_medium&lt;br/&gt; 有机&amp;amp;bg_source=ga&amp;amp;bg_c&lt;br/&gt; ampaign=17673967332&amp;amp;bg_kw=&lt;br/&gt; -mi-9214030-pi-401173609-ppi-&amp;amp;背景&lt;br/&gt; _source_id=&amp;amp;gad_source=1&amp;amp;gclid=&lt;br/&gt; CjwKCAjw8fu1BhBsEiwAwDrsjNms&lt;br/&gt; VYTNZ5TuXEHtsF34hcY-T5kLFnhi&lt;br/&gt; zir1fUsR3UYcG9bxmugqJRoCp_Y&lt;br/&gt; QAvD_BwE</td></tr></tbody></table>

土壤有机质分解速率对温度的响应：温度梯度模块的构建与应用

Temperature Response of Soil Organic Matter Decomposition Rates: Construction and Applications of a Temperature Gradient Block

土壤是地球上最大的碳（C）库，其碳储量几乎是大气中碳含量的两倍。气候变化引起的温度升高可能会增强土壤有机质（SOM）的分解，从而向大气中释放二氧化碳（CO2），进而对气候变化产生正反馈效应。这就提出了一个问题：我们如何界定SOM分解速率对短期温度变化的响应？能否利用这些数据拟合地球系统模型中具有机理基础的方程，以用于气候预测？迄今为止，大多数研究集中在不同离散温度下的实验室土壤培养实验。然而，这种方法无法获得详细的温度响应曲线，而这类曲线对于检验该领域最新进展（如大分子速率理论，MMRT）所提出的新假设至关重要。本文介绍了一种经过改进和优化的温度梯度模块，详细说明了其构建过程，并提供了该装置使用的完整操作说明。该温度梯度模块为一个铝制块体，设有四排共22个独立孔位，可同时孵育88个微宇宙系统（60 mL 小瓶）。模块一端冷却、另一端加热，形成线性温度分布，在0至90 °C范围内可根据用户设定提供22个离散温度点。经过3.5小时的孵育后，分别测定88个微宇宙系统中每个系统的CO2生成量。结果表明，该模块能够实现用户设定的温度梯度，并有助于构建SOM分解的温度响应曲线。此外，通过该装置获取的数据可用于检验和发展有关温度变化对SOM分解速率影响的新假设与理论，这一研究方向在当前气候变化背景下正变得日益重要。

模块温度的稳定性和分布 
在本方案的开发过程中，我们测试了模块内部温度的线性度和时间稳定性。开启制冷系统和加热器后，模块的初始化时间约为一小时，在此期间，八个均匀分布的温度传感器中的大部分均达到目标温度，并在出现短暂过冲后保持恒定（图13A）。在此阶段之后，八个传感器记录的温度证实了铝制模块沿长度方向具有理想的线性温度分布（图13B）。
<img alt="温度与时间及距离的关系图；传感器数据分析；孵育过程；相关性图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig13.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="Figure 13"> 
图13：温度梯度模块内部的线性度与时间稳定性。（A）孵育期间模块内部温度的时间稳定性，以及（B）孵育开始时传感器记录的温度。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig13large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
模块温度与土壤温度 
我们测试了模块内土壤样品达到八个传感器所记录温度所需的时间（图14）。在本研究中，我们测量了模块内八个不同位置的土壤样品温度，这些位置靠近传感器。传感器位于模块内部，并已预先稳定至目标温度。根据上述方案，当模块温度稳定后，将土壤样品放入模块中。本次测试使用了与模块分离的额外传感器。每次使用15 g土壤，并确保传感器探头与土壤完全接触。土壤样品保持敞口状态，每分钟记录一次温度，持续30分钟。测试过程中，模块轻微闭合，以尽量减少温度波动，并尽可能模拟实际使用条件（完全闭合）。我们发现，土壤样品大约需要12分钟才能达到目标温度并趋于稳定。考虑到培养时间至少为3.5小时，我们认为该稳定时间是可接受的。此外，我们评估了模块培养12分钟后土壤温度的线性关系。结果表明，土壤温度呈现良好的线性关系，与八个传感器所显示的线性趋势高度一致（图15）。
<img alt="土壤温度与时间关系图；八个小瓶；热响应数据分析；研究结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig14.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="图14"> 
图14：在不同温度下孵育的土壤温度记录。样品A、B、C和D分别在靠近相应传感器的小瓶中孵育（参见图10作为参考）。土壤温度由直接插入土壤样品中的热电偶记录。各传感器监测的具体温度如下：（A）传感器1（S1）为4.1 °C，（B）传感器2（S2）为12.5 °C，（C）传感器3（S3）为20.1 °C，（D）传感器4（S4）为28.1 °C，（E）传感器5（S5）为36.1 °C，（F）传感器6（S6）为43.8 °C，（G）传感器7（S7）为51.9 °C，以及（H）传感器8（S8）为60 °C。将土壤样品放入金属块后，大约需要12分钟达到目标温度。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig14large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="温度相关性图；土壤与传感器，线性拟合，R²=0.9999，摄氏度，实验数据。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig15.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="图15"> 
图15：土壤温度与传感器温度之间存在强线性相关性。 在A、B、C和D区的八个传感器附近放置了四个含土壤的小瓶。土壤温度由插入土壤样品中的热电偶记录。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig15large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
温度与湿度的相互作用 
在培养期间，温度与湿度之间存在不可避免的相互作用，需要加以评估。例如，高温会加速水分蒸发，而低温则可能导致水汽凝结。在本实验中，我们选取了四种不同质地的土壤样品（补充表2）进行随机测试。根据实验方案，每种土壤样品在全部22个温度条件下均置于相同的区块位置。结果显示，在平均3.5小时的培养时间后，无论土壤质地如何，较高温度下的土壤水分损失均显著大于较低温度（图16）。在60 °C下培养的土壤平均损失了所加水量的12%，而在4.1 °C下培养的土壤平均仅损失了所加水量的1.88%。这表明，在3.5小时的区块培养过程中，无论培养温度如何，土壤的湿度均维持在50%至60%持水能力的适宜范围内44,45（补充图6）。
<img alt="水分损失与温度关系图；土壤质地类型：壤土、粉壤土、黏土；数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig16.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="图16"> 
图16：四种不同样品在土块培养过程中土壤水分的相对损失。 水分损失量以调整WHC时所添加的总水量为基准进行计算。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig16large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
CO2 浓度测量 
为了测试气体分析仪的准确性和精确性，我们对一种有证标准气体（413 ± 5 ppm CO2）进行了四次测量，分析仪测得的结果为 413.71 ± 0.60（ppm CO2，均值 ± 标准差）。该结果证实了气体分析仪所记录的 CO2 测量值具有很高的准确性和精确性。此外，为符合制造商的规范，应每年使用有证标准气体进行一次测试。
鉴于进样管路和流量降低装置对气体分析仪造成的滞后时间，我们进行了多次测试以确定最佳测量时间。结果表明，进样管路引起的延迟约为5秒。在此装置中，理想的测量时间为20秒，可确保充分填充CO2检测单元，并有5秒时间达到平衡（图17）。由于流量降低装置的流速为1.17 mL/s，该测量时间相当于从60 mL样品瓶中抽取空气含量的39%。此外，我们观察到当气体分析仪作为封闭系统使用时，会出现压力下降。这种压力下降发生在针头从样品瓶中抽出时约1秒的无进样间隔期间。为了在数据处理过程中校正这一压力下降的影响，我们排除了比前一个或后一个数值略低（低3%至5%）的CO2数值。
<img alt="CO2浓度随时间变化图；针头注射/抽取；显示平衡状态、压力下降。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig17.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="图17"> 
图17：在三种不同温度下培养的单个土壤样品的最佳测量时间。 该图显示了针头的注射和抽取时间、CO2在5秒内的平衡状态，以及所选时间段相关的压力下降。Incubation_ID 显示培养块位置（C）和样品瓶位置（5、10 和 15）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig17large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
完整实验方案的测试 
为评估本实验方案的功能性与可重复性，我们选取两种不同的样品，每种设置四个技术重复，在4 °C至60 °C范围内共22个离散温度条件下进行孵育。选择这些土壤样品旨在展示该实验装置所产生的数据类型及其性能表现。具体样品特征见补充表2。温度梯度模块能够稳定地捕捉不同土壤样品在各个温度点的土壤呼吸速率，从而生成温度响应曲线。此外，所有重复样品所得的温度响应曲线几乎完全一致，这体现在各温度下平均呼吸速率周围的标准差极小（图18）。上述结果表明该方案具有高度可重复性，并验证了其操作的精确性。
<img alt="呼吸速率（Rs）随温度变化的关系图；土壤科学中的数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig18.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="图 18"> 
图 18：两种土壤的典型土壤有机质分解速率（Rs），每种土壤在完整的温度梯度下进行培养，并设有四个技术重复。 每个数据点表示在对应温度下的呼吸速率均值，误差线表示技术重复之间的标准偏差。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig18large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
进行了第二次测试以验证该方案的科学适用性。我们测量了在整个温度梯度范围内的土壤呼吸速率，并使用阿伦尼乌斯（Arrhenius）或MMRT模型对数据进行拟合（图19）。所选的土壤样品旨在展示系统在不同温度响应曲线下的性能表现（样品特征详见补充表2）。结果表明，利用温度梯度模块所采集的数据可进一步用于检验关于土壤有机质（SOM）分解速率温度敏感性的不同理论。然而，在任何实验中使用新鲜土壤时都会面临挑战。在为期10天的预培养期间，我们观察到部分土壤样品的试管中出现了真菌群落的生长，超出了代表性样品的范围。尽管我们努力在不扰动土壤的前提下小心去除真菌群落，但其生长仍对部分样品的结果造成了影响（图20）。因此，我们决定将受影响的样品整体剔除，而不仅仅是移除受真菌生长影响的个别试管。
<img alt="温度与反应速率关系图；Arrhenius 模型与 MMRT 模型；实验数据拟合。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig19.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="Figure 19"> 
图 19：在温度梯度模块中培养的四种不同土壤样品的代表性结果及其呼吸速率（Rs）。 红线表示（A、B）Arrhenius 拟合结果，蓝线表示（C、D）MMRT 拟合结果。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig19large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="土壤呼吸速率与温度关系图，不同温度下 Rs（gC/kg土壤/小时）的数据分析。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/69785/69785fig20.jpg" data-altupdatedat="1773720005000" data-alt="Figure 20"> 
图20：受真菌生长影响的某些样品的呼吸速率模式。这些结果是（A、B）两个被污染样品的示例，已从后续分析中剔除。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/69785fig20large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
补充图1：基本的常开/常闭电路。“C”也可标记为“COM”，表示公共端。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Figure%20S1.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图2：冷却系统控制面板。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Figure_S2.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图3：系统开关与指示灯。（A）温度梯度模块控制系统开关；以及（B）绿灯表示传感器和加热系统已开启。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Figure%20S3.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图4：在线界面中的温度梯度金属浴加热模块控制。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Figure%20S4.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图5：气体分析仪的诊断界面。所有状态显示为绿色表示仪器已准备就绪，可以进行测量。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Figure%20S5.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图6：在不同温度下培养的土壤的持水能力，在方块培养3.5小时后记录的测量结果。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Figure%20S6.png" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充文件 1：详细接线说明。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Supplementary%20File%201.docx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充表1：所需材料及其数量列表。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Supplementary%20Table%201.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充表 2：用于水分损失测试和完整方案的土壤样品特性。 选择这些样品以展示该方案的功能性。质地分类遵循美国农业部（USDA）系统，其中粗粒、黏粒、粉粒和砂粒以百分比表示。OC 指有机碳含量（g C·kg-1 土壤），pH 值在水中测定，CaCO3 表示碳酸钙含量（g·kg-1 土壤）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/69785/Supplementary%20Table%202.xlsx" target="_blank">请点击此处下载此文件。</a>

我们介绍一种温度梯度模块，并详细说明其构建和使用方法。该模块可提供22个离散温度点，在用户定义的0至90 °C范围内呈线性分布。利用该装置采集的数据可用于检验并发展关于土壤有机质分解速率温度响应的新理论。

土壤是地球上最大的碳（C）库，其碳储量几乎是大气中碳含量的两倍。由气候变化引起的温度升高可能会……

我们的研究探讨了温度变化如何影响土壤有机质的分解过程。研究目标是明确其温度响应关系，从而帮助改进碳-气候反馈的预测。近期研究表明，土壤有机质分解的温度响应存在广泛差异，但过于简化的基质限制了深入理解。改进的方法将有助于收集数据，以实现对机制的更深入理解。首先，将土壤样品放入金属罐中，并充分混合至均匀。然后将混合均匀的土壤分装到22个预先标记好的60毫升玻璃小瓶中。使用称量纸，将约三克土壤加入每个60毫升的小瓶中。用移液器根据漏斗法将每个小瓶中的土壤调节至目标持水能力。调节土壤含水量至目标百分比持水能力后，记录每个小瓶的精确重量。用脱脂棉塞住每个小瓶口，以允许与环境空气交换。将小瓶置于温度控制在20摄氏度的实验室内，预培养10天。开始加样准备前1小时，调节含水量至持水能力水平，随后开始培养。在将样品放入模块前10分钟，检查加热控制器以确保其已达到设定温度。然后打开实验室内的环境导体。连接冲洗系统，并将气体分析仪连接至计算机。开始采集空白样品时，将冲洗管路连接至气体分析仪的进样系统，并直接从冲洗管路读取二氧化碳浓度（单位为百万分之一）。进行第二次空白测量时，将五个60毫升玻璃小瓶放入一个空的支架中，每个小瓶插入一根冲洗管路。一分钟后，移除冲洗管路并为每个小瓶加盖。四小时后测量小瓶内的二氧化碳含量。接着，打开温度梯度模块，将计算机和冲洗系统放置在模块盖上方。将样本盒放置在可移动的台面上。准备一个电子表格，用于记录每个小瓶的关闭时间，同时观察气体分析仪上显示的时间。以每批八个的顺序开始将样本装入温度梯度模块中。将未加盖的样品从较冷的一端开始放入金属块中。将冲洗管插入八个样品瓶中。一分钟后移除冲洗管，并立即为每个样品瓶加盖。在电子表格中记录确切的关闭时间。当第一批次正在冲洗时，将下一批样品加载到模块中，并将冲洗管路插入该下一批样品。重复加样和冲洗步骤，直至温度梯度模块完全加载。关闭温度梯度模块，并从最后一个样品瓶关闭的时刻起等待3.5小时。为测量二氧化碳，启动冲洗系统并将气体分析仪放置在可移动平台上。孵育3.5小时后，开始测量样品，优先从温度最高的样品开始。在样品之间，将分析仪的进样针连接至冲洗管路。在气体分析仪软件中，使用备注功能在每次测量前创建一个唯一且简明的备注。将分析仪进样针插入60毫升样品瓶中持续20秒，然后将进样针从瓶中取出。从零秒开始记录。第10秒时插入针头，第30秒时取出针头。并在第45秒时停止记录。每检测16个样品后，更换连接至进样针的0.45微米滤膜。卸载样品时，从温度梯度模块中逐个取出样品瓶，放入样品盒中，同时继续进行二氧化碳测定。在开启冷却系统和加热器后，八个温度传感器中的大部分在约一小时内达到目标温度，并在孵育初期出现短暂的超调后保持稳定。稳定后，八个传感器记录的温度沿铝块长度方向呈现完全线性的分布。将土壤样品置于已稳定的铝块内后，其温度在大约12分钟内即达到传感器所记录的目标温度。孵育12分钟后，整个区组内土壤温度与传感器温度之间表现出强烈的线性关系。在平均孵育时间为3.5小时的条件下，无论土壤质地如何，较高的孵育温度均导致更大的土壤水分损失。确定了20秒为最佳测量时间，可使二氧化碳信号达到约5秒的平衡状态。当气体分析仪用作封闭系统时，出现了压力下降。在22个不同温度下测得的土壤呼吸速率产生了标准偏差较小的一致温度响应曲线。利用温度梯度模块采集的土壤呼吸数据，成功地通过阿伦尼乌斯方程和大分子速率理论模型进行了拟合。一些土壤样品表现出与真菌生长相关的呼吸模式改变，因此被排除在进一步分析之外。本方案采用先进的温度梯度模块，在22个温度点测定土壤呼吸，从而获得详细的土壤有机质分解速率的多样化响应曲线。该方法提高了对温度影响土壤有机质分解机制的理解，揭示了土壤性质和土地管理的作用。

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环境

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土壤有机质分解速率对温度的响应：温度梯度模块的构建与应用

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