根際碳氮循環(huán)是植物和土壤系統(tǒng)之間活躍的土壤過(guò)程，對(duì)環(huán)境變化極其敏感。根際碳氮耦合機(jī)制對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮積累潛能具有至關(guān)重要的意義。根系的生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳氮的生物地球化學(xué)循環(huán)。 細(xì)根產(chǎn)量占全球年度凈初級(jí)產(chǎn)量 NPP 的 33%。細(xì)根周轉(zhuǎn)對(duì)單株植物生長(zhǎng)、植物相互作用以及地下碳氮和養(yǎng)分循環(huán)具有重要意義。

一、根系生長(zhǎng)對(duì)土壤碳氮排放影響的研究

1、 根生長(zhǎng)與土壤碳氮排放

土壤呼吸和凈氮礦化是碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)的兩個(gè)重要過(guò)程。細(xì)根(直徑<2 mm)對(duì)土壤碳氮循環(huán)具有重要的調(diào)節(jié)作用。土壤剖面上 SOC 的周轉(zhuǎn)主要由根系及其對(duì)土壤環(huán)境的轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)。生根深度會(huì)刺激儲(chǔ)存在深層土壤中的土壤有機(jī)質(zhì)的礦化。植物根系對(duì)深層土壤的開(kāi)發(fā)可能會(huì)使土壤C流失擴(kuò)大到深層土壤，從而導(dǎo)致大量的CO2釋放。植物物質(zhì)的輸入對(duì)微生物來(lái)說(shuō)是不穩(wěn)定的基質(zhì)和能量來(lái)源，可以刺激微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，從而加速SOC的礦化和損失。

圖1：累積CO2排放量與土壤細(xì)根輸入水平的關(guān)系(A)北方針葉林，(B)溫帶落葉闊葉林，(C)亞熱帶常綠闊葉林，和(D)熱帶山地雨林  Jingyun Fang et al，2016

2、 根系與土壤固碳能力

細(xì)根巨大的碳庫(kù)是土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源，其對(duì)土壤有機(jī)碳形成的貢獻(xiàn)約為地上凋落物的2.4倍。細(xì)根在森林、農(nóng)田和草原的碳循環(huán)中具有重要作用。細(xì)根生產(chǎn)量和地下總生物量均與土壤有機(jī)碳含量正相關(guān)。低碳、高氮的細(xì)根分解速度更快，有利于有機(jī)碳和其他養(yǎng)分向土壤的輸入。隨著細(xì)根死亡，其分解的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤系統(tǒng)，在那里有可能轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)壽命碳或根殘留物的持續(xù)輸入增加總 SOC 儲(chǔ)量。

地上地下生物量和土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)性 Morales Ruiz DE， Land Degrad Dev. 2020

細(xì)根生物量與土壤C、N存儲(chǔ)量密切相關(guān)   Dessie Assefa  et al，2017

3、 影響根際碳氮排放的因素

干旱使土壤有機(jī)碳濃度下降3.3%，干旱導(dǎo)致草地土壤有機(jī)碳濃度大幅下降(-8.7%)，但對(duì)森林和灌木無(wú)影響。灌木中的 CO2 總排放量因干旱而顯著降低了 15.0%，但森林和草地的變化不顯著。

干旱使灌木林土壤TN濃度顯著增加22.6%，但對(duì)森林和草地土壤TN濃度沒(méi)有影響。灌木中的氮礦化率不受影響，但硝化率大幅下降（-56.4%），反映干旱條件下植物對(duì)氮的吸收減少。同樣，草地土壤中的礦物氮形式也增加。

土壤水分與SOC、CO2排放、TN和氮礦化速率的關(guān)系 Zhouping Shangguan，etal，2021

氣候變暖可以通過(guò)刺激土壤呼吸增加土壤碳損失，盡管這些短期損失可能被長(zhǎng)期的呼吸適應(yīng)、微生物生物量減少和土壤水分減少抑制微生物活動(dòng)所抵消。土壤C儲(chǔ)量高的生態(tài)系統(tǒng)(如北極和苔原)顯示出最大的土壤C流失。升溫也通過(guò)改變植物生產(chǎn)力和群落組成來(lái)影響土壤碳平衡。碳輸入土壤的數(shù)量和質(zhì)量的變化會(huì)改變碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“啟動(dòng)”。

CH4和N2O排放隨氧化還原電位的變化規(guī)律表明，氧化還原電位至低時(shí)，CH4排放最高，同時(shí)N2O排放也至低。在高氧化還原值時(shí)，N2O排放高，但沒(méi)有CH 4排放。研究發(fā)現(xiàn)這兩種氣體的產(chǎn)生是土壤氧化還原電位的函數(shù)。實(shí)驗(yàn)室研究表明，CH4 和 N2O 產(chǎn)生的臨界土壤氧化還原電位：低于約 -150 mV 產(chǎn)生CH 4 和高于約 +250 mV 產(chǎn)生N2O (Wang et al., 1993; Masscheleyn etal., 1993)。也表明CH4和N2O不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生。

土壤有機(jī)碳含量越高，氧化還原電位越低。較低的電勢(shì)使CH4形成。當(dāng)土壤氧化還原電位較高時(shí)，土壤發(fā)生硝化作用，產(chǎn)生N2O。

氧化還原電位與CH4和N2O排放的關(guān)系 A.X. Hou，etal，2000

二、RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)-根系生態(tài)倉(cāng)

目前根系生長(zhǎng)及根際碳氮排放監(jiān)測(cè)需要多個(gè)儀器，缺乏在一個(gè)平臺(tái)上協(xié)同觀(guān)測(cè)根系生長(zhǎng)、碳氮變化、土壤環(huán)境因子的集成技術(shù)，無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各參數(shù)的協(xié)同性和消長(zhǎng)關(guān)系。RhizoScope 根際碳氮變化測(cè)量系統(tǒng)因此而設(shè)計(jì)。

RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)可用于研究原位觀(guān)測(cè)根系生物量變化、細(xì)根周轉(zhuǎn)、根際微生態(tài)過(guò)程，同步測(cè)量地下碳氮?dú)怏w廓線(xiàn)，研究根系生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)與土壤不同深度 CO2、CH4 、NO2、NH3等氣體濃度變化相關(guān)性。依托控制型土柱平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)土壤熱通量、土壤水勢(shì)梯度等控制，同步觀(guān)測(cè)蒸散量、滲漏量、土壤氧化還原電位、酸堿度、水分、溫度、電導(dǎo)率等土壤環(huán)境對(duì)根系生長(zhǎng)、土壤碳氮?dú)怏w廓線(xiàn)的影響。

RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)為如下研究提供了新能力：

1、根際生物量多尺度協(xié)同測(cè)量RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)合根系測(cè)量?jī)x（AZR-300）采用微根窗（Minirhizotron），集攝像和掃描技術(shù)于一體，能快速、清晰獲取植物根系整體和局部圖片。

攝像技術(shù)對(duì)很小的細(xì)根和根毛有良好的分辨率，適合研究根系的動(dòng)態(tài)包括生長(zhǎng)、發(fā)育、死亡、壽命、數(shù)量動(dòng)態(tài)、營(yíng)養(yǎng)吸收，攝像區(qū)域分辨率10um，帶紫外光源，可辨別活根和死根。  

掃描獲取根系圖像面積大，很適合研究根系生態(tài)、生物量。  掃描區(qū)域22.0cm×21.5cm，分辨率最大1200dpi。

軟件分析計(jì)算細(xì)根長(zhǎng)度、細(xì)根直徑、細(xì)根面積、細(xì)根總長(zhǎng)、細(xì)根總面積、細(xì)根平均直徑、細(xì)根數(shù)量及生物量、細(xì)根壽命、細(xì)根周轉(zhuǎn)率。用于根系生物量變化與土壤碳儲(chǔ)量的相關(guān)性研究。

2、根際CO2、CH4、N2O及碳氮同位素同步觀(guān)測(cè)

RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)根際CO2、CH4、N2O或CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)同步觀(guān)測(cè)，有助于揭示根際微生物的代謝及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)，及微生物的生化過(guò)程，如硝化作用、產(chǎn)甲烷作用、呼吸作用和微生物通訊的過(guò)程和機(jī)理。

iChamber-G 土壤采氣矛可埋設(shè)在不同深度，在線(xiàn)、連續(xù)采集土壤氣體，采氣腔70ml，氣體交換速率180s，實(shí)現(xiàn)根際厘米尺度的氣體采集。采氣矛管壁的小孔與土壤氣體交換平衡后將氣體泵出，與氣體分析儀通過(guò)管路連接，可以測(cè)量不同深度土壤氣體的實(shí)時(shí)濃度。AZG-300 CO₂ CH₄ 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀采用紅外吸收法測(cè)量CO₂ 、紅外激光吸收法測(cè)量CH₄ 。系統(tǒng)自帶大屏幕彩屏顯示、觸摸控制、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、聯(lián)機(jī)通訊、自動(dòng)標(biāo)定等功能。

測(cè)量范圍：

CO₂：0～2000ppm,可選0-5000ppm、0-10000ppm（適用于濕地、工廠(chǎng)或垃圾廠(chǎng)）

CH₄：0～100ppm，至低檢測(cè)限：0.8ppm

分辨率： CO₂：0.01ppm   CH₄ ：0.1ppm

碳氮痕量氣體測(cè)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‰；

測(cè)量量程：

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

– 0.3μmole；H₂O ：4%。

響應(yīng)時(shí)間：10Hz（1-10Hz可調(diào)）

3、根系土壤環(huán)境控制試驗(yàn)

RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測(cè)量系統(tǒng)可配置控制型土柱平臺(tái)，配置地下水連通模塊，自動(dòng)控制水勢(shì)或水位，既可用于溫度、水分控制試驗(yàn)，也可實(shí)時(shí)調(diào)控與大田水力學(xué)梯度一致，作物生長(zhǎng)環(huán)境與大田同步。

實(shí)現(xiàn)土壤熱通量、土壤水勢(shì)梯度等控制，同步觀(guān)測(cè)蒸散量、滲漏量、土壤氧化還原、pH、水分、溫度、電導(dǎo)率，用于研究土壤環(huán)境對(duì)根周轉(zhuǎn)率、根系生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、根系空間分布的影響。

土柱1平方米，高2米，水通量測(cè)量精度0.1mm、滲漏測(cè)量精度0.01mm、熱通量可調(diào)。