温度依赖性

2018年，由北京普瑞亿科科技有限公司研发的PRI-8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统，一经推出便得到了广泛关注。该系统在土壤有机质分解速率、Q10及其调控机制方面提供了一整套高效的解决方案，为科研人员提供室内变温培养模拟野外环境的条件，让科研可以更广、更深层次地开展。目前以PRI-8800为关键设备发表的相关文章已达24篇。 今天与大家分享的是中国科学院地理科学与资源研究所刘远团队在调查基质可用性（根系分泌物）的变化如何影响不同土壤剖面中土壤有机碳（SOC）矿化的温度响应（Q10）方面取得的进展，在该项研究中，研究团队利用PRI-8800对SOC矿化率进行高频测量，为研究结果提供了有力的数据支撑。 土壤有机碳（SOC）矿化是导致大量碳从土壤流失到大气中的一个主要过程，而温度会极大地影响这一过程。预计在下个世纪，底土和表土都将经历类似程度的变暖。气候变暖预计会产生土壤碳-气候正反馈，从而加速气候变化。这种正反馈的大小在很大程度上取决于不同深度SOC矿化的温度敏感性（Q10）。因此，更好地了解不同深度的Q10变化及其内在机制，对于准确预测气候变化情景下的土壤碳动态至关重要。尽管在理解全球变暖对底土碳动态影响方面取得了进展，但对于Q10在土壤剖面不同深度的变化方式仍未达成共识。 为了更好地理解气候变化背景下土壤碳动态，刘远团队从三个地点采集了土壤剖面的土壤样品，包括四个深度区间（0-10厘米，10-30厘米，30-50厘米和50-70厘米）：两个地点具有典型的矿物质土壤，一个地点是埋藏土壤。研究团队在实验室中使用这些土壤来探讨随着土壤深度的增加SOC矿化的Q10对底物可利用性变化的响应。葡萄糖是一种容易获得的底物，因为它是根分泌物的重要组成部分。土壤在10-25°C的温度下孵育，以0.75°C的温度间隔进行了24小时。然后，在孵育1天后，通过高频率连续测量SOC矿化速率，避免了底物限制和微生物群落的变化对结果的影响，估算Q10。 值得注意的是，针对SOC矿化速率的测量，研究团队使用的是由北京普瑞亿科科技有限公司研发的PRI–8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统，该系统允许在一定时间内逐步提高孵育温度并与SOC矿化速率的高频测量同步进行，为该项研究提供了更准确的Q10估计。图1：不同土壤深度和不同站点下，控制组（CK）和底物添加组（S+）的土壤有机碳（SOC）矿化的温度响应，使用指数拟合表示。站点：Liangshui（LS）、Huinan（HN）和Hongyuan（HY）。***代表P0.001的显著差异。图2 a：在控制组（CK）和底物添加组（S+）中，土壤有机碳（SOC）矿化速率（R22）在22°C下随深度增加的变化。b：不同站点下不同土壤深度的底物可利用性指数（CAI）；c：在CK和S+处理中，SOC矿化的温度敏感性（Q10）随深度增加的变化；d：不同站点下不同土壤深度中CK和S+处理之间Q10的差异（ΔQ10）。 研究结果表明，在典型的矿质土壤中，Q10随深度的增加而降低，但在埋藏土壤中，Q10则先降低后增加。不出所料，在不同的土壤深度，基质的添加会明显增加Q10；但是，增加的幅度（ΔQ10）随土壤深度和类型的不同而不同。出乎意料的是，在典型的矿质土壤中，表土中的ΔQ10比底土中的高，反之亦然。ΔQ10与土壤初始基质可用性（CAI）呈负相关，与土壤无机氮呈正相关。总体而言，气候变化情景下基质可用性的增加（即二氧化碳浓度升高导致根系渗出物增加）会进一步加强SOC矿化的温度响应，尤其是在无机氮含量高的土壤或氮沉积率高的地区。 相关研究成果以“Substrate availability reconciles the contrasting temperature response of SOC mineralization in different soil profiles”为题在线发表于期刊《Journal Of Soils And Sediments》上（中科院三区Top，IF5 =3.8）。相关论文信息：Liu Y, Kumar A, Tiemann L K, et al. Substrate availability reconciles the contrasting temperature response of SOC mineralization in different soil profiles[J]. Journal of Soils and Sediments, 2023: 1-15.原文链接：https://doi.org/10.1007/s11368-023-03602-y 截至目前，以PRI-8800为关键设备发表的相关文章已达24篇，分别发表在10余种影响因子较高的国际期刊上——数据来源：https://sci.justscience.cn/ 很荣幸PRI-8800可以为这些高质量学术研究贡献一份力量，感谢各位老师对普瑞亿科产品的支持和信任。如果您成功发表文章，并且在研究过程中使用了普瑞亿科的国产仪器设备，请与我们公司联络，我们为您准备了一份小礼物，以感谢您对国产设备以及普瑞亿科的信任和支持！ 自2018年上市以来，PRI-8800全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统得到了广泛关注。该系统在土壤有机质分解速率、Q10及其调控机制方面提供了一整套高效的解决方案，为科研人员提供室内变温培养模拟野外环境的条件，让科研可以更广、更深层次地开展。目前以PRI-8800为关键设备发表的相关文章已达23篇。 为响应国家“双碳”目标，针对国内“双碳”行动有效性评估，普瑞亿科全新升级了PRI-8800 全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统，结合了连续变温培养和高频土壤呼吸在线测量的优势，模式的培养与测试过程非常简单高效，这极大方便了大量样品的测试或大尺度联网的研究，可以有效服务科学研究和生态观测。PRI-8800的成功推出，为“双碳”目标研究和评价提供了强有力的工具。 土壤有机质分解速率（R）对温度变化的响应非常敏感。温度敏感性参数（Q10）可以刻画土壤有机质分解对温度变化的响应程度。Q10是指温度每升高10℃，Ｒ所增加的倍数；Q10值越大，表明土壤有机质分解对温度变化就越敏感。Q10不仅取决于有机质分子的固有动力学属性，也受到环境条件的限制。Q10能抽象地描述土壤有机质分解对温度变化的响应，在不同生态类型系统、不同研究间架起了一个规范的和可比较的参数，因此其研究意义重大。 以往Q10研究通过选取较少的温度梯度（3-5个点）进行测量，从而导致不同土壤的呼吸对温度变化拟合相似度高的问题无法被克服。Robinson最近的研究（2017）指出，最低20个温度梯度拟合土壤呼吸对温度的响应曲线可以有效解决上述问题。PRI-8800全自动变温土壤温室气体在线测量系统为Q10的研究提供了强有力的工具，不仅能用于测量Q10对环境变量主控温度因子的响应，也能用于测量其对土壤含水量、酶促反应、有机底物、土壤生物及时空变异等的响应。PRI-8800为Q10对关联影响因子的研究，提供了一套快捷、高效、准确的整体解决方案。可设定恒温或变温培养模式；温度控制波动优于±0.05℃；平均升降温速率不小于1°C/min；150ml样品瓶，25位样品盘；大气本底缓冲气或钢瓶气清洗气路；一体化设计，内置CO2 H2O模块；可外接高精度浓度或同位素分析仪。 为了更好地助力科学研究，拓展设备应用场景，普瑞亿科重磅推出「加强版」PRI-8800——PRI-8800 Plus全自动变温培养土壤温室气体在线测量系统。 1）原状土冻融过程模拟：气候变化改变了土壤干湿循环和冻融循环的频率和强度。这些波动影响了土壤微生物活动的关键驱动力，即土壤水分利用率。虽然这些波动使土壤微生物结构有少许改变，但一种气候波动的影响（例如干湿交替）是否影响了对另一种气候（例如冻融交替）的反应，其温室气体排放是如何响应的？通过PRI-8800 Plus 的冻融模拟，我们可以找出清晰答案。 2）湿地淹水深度模拟：在全球尺度上湿地甲烷（CH4）排放的温度敏感性大小主要取决于水位变化，而二氧化碳（CO2）排放的温度敏感性不受水位影响。复杂多样的湿地生态系统不同水位的变化及不同温度的变化如何影响和调控着湿地温室气体的排放？我们该如何量化不同水位的变化及不同温度的变化下湿地的温室气体排放？借助PRI-8800 Plus，通过淹水深度和温度变化的组合测试，可以查出真相。 3）温度依赖性的研究：既然温度的变化会极大影响土壤呼吸，基于温度变化的Q10研究成为科学家研究中重中之重。2017年Robinson提出的最低20个温度梯度拟合土壤呼吸对温度响应曲线的建议，将纠正以往研究人员只设置3-5个温度点(大约相隔5-10℃)进行呼吸测量的做法，该建议能解决传统方法因温度梯度少而导致的不同土壤的呼吸对温度变化拟合相似度高的问题，更能提升不同的理论模型或随后模型推算结果的准确性。而上述至少20个温度点的设置和对应的土壤呼吸测量，仅仅需要在PRI-8800 Plus程序中预设几个温度梯度即可完成多个样品在不同温度下的自动测量，这将极大提高科学家的工作效率。 除了上述变温应用案例外，科学家还可以依据自己的实验设计进行诸如日变化、月变化、季节变化、甚至年度温度变化的模拟培养，通过PRI-8800 Plus的“傻瓜式”操作测量，将极大减少科学家实验实施的周期和工作量，并提高了工作效率。 PRI-8800 Plus除了具有上述变温培养的特色，还可以进行恒温培养，抑或是恒温/变温交替培养，这些组合无疑拓展了系统在不同温度组合条件下的应用场景。 4）水分依赖性的研究：多数研究表明，在温度恒定的情况下，Q10很容易受土壤含水量的影响，表现出一定的水分依赖特性。PRI-8800 Plus可以通过手动调整土壤含水量的做法，并在PRI-8800 Plus快速连续测量模式下，实现不同水分梯度条件下土壤呼吸的精准测量，而PRI-8800 Plus的逻辑设计，为短期、中期和长期湿度控制条件下的土壤呼吸的连续、高品质测量提供了可能。 5）底物依赖性的研究：底物物质量与Q10密切相关，这里的底物包含不限于自然态的土壤，如含碳量，含氮量，易分解/难分解的碳比例、土壤粘粒含量、酸碱盐度等；也可能包含了某些外源底物，如外源的生物质碳、微生物种群、各种肥料、呼吸促进/抑制剂、同位素试剂等。通过PRI-8800快速在线变温培养测量，能加速某些研究进程并获得可靠结果，如生物质炭在土壤改良过程中的土壤呼吸研究、缓释肥缓释不同阶段对土壤呼吸的持续影响、盐碱土壤不同改良措施下的土壤呼吸的变化响应等等。 6）生物依赖性的研究：土壤呼吸包含土壤微生物呼吸（90%）和土壤动物呼吸（1-10%），土壤微生物群落对Q10影响重大。通过温度响应了解培养前后的微生物种群和数量的变化以及对应的土壤呼吸速率的变化有重要意义。外源微生物种群的添加，或许帮助科学家找出更好的Q10对土壤生物依赖性的响应解析。1.Li C, Xiao C, Li M, et al. The quality and quantity of SOM determines the mineralization of recently added labile C and priming of native SOM in grazed grasslands[J]. Geoderma, 2023, 432: 116385.2.Ma X, Jiang S, Zhang Z, et al. Long‐term collar deployment leads to bias in soil respiration measurements[J]. Methods in Ecology and Evolution, 2023, 14(3): 981-990.3.He Y, Zhou X, Jia Z, et al. Apparent thermal acclimation of soil heterotrophic respiration mainly mediated by substrate availability[J]. Global Change Biology, 2023, 29(4): 1178-1187.4.Mao X, Zheng J, Yu W, et al. Climate-induced shifts in composition and protection regulate temperature sensitivity of carbon decomposition through soil profile[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2022, 172: 108743.5.Pan J, He N, Liu Y, et al. Growing season average temperature range is the optimal choice for Q10 incubation experiments of SOM decomposition[J]. Ecological Indicators, 2022, 145: 109749.6.Li C, Xiao C, Guenet B, et al. Short-term effects of labile organic C addition on soil microbial response to temperature in a temperate steppe[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2022, 167: 108589.7.Jiang ZX, Bian HF, Xu L, He NP. 2021. Pulse effect of precipitation: spatial patterns and mechanisms of soil carbon emissions. Frontiers in Ecology and Evolution, 9: 673310.8.Liu Y, Xu L, Zheng S, Chen Z, Cao YQ, Wen XF, He NP. 2021. Temperature sensitivity of soil microbial respiration in soils with lower substrate availability is enhanced more by labile carbon input. Soil Biology and Biochemistry, 154: 108148.9.Bian HF, Zheng S, Liu Y, Xu L, Chen Z, He NP. 2020. Changes in soil organic matter decomposition rate and its temperature sensitivity along water table gradients in cold-temperate forest swamps. Catena, 194: 104684.10.Xu M, Wu SS, Jiang ZX, Xu L, Li MX, Bian HF, He NP. 2020. Effect of pulse precipitation on soil CO2 release in different grassland types on the Tibetan Plateau. European Journal of Soil Biology, 101: 103250.11.Liu Y, He NP, Xu L, Tian J, Gao Y, Zheng S, Wang Q, Wen XF, Xu XL, Yakov K. 2019. A new incubation and measurement approach to estimate the temperature response of soil organic matter decomposition. Soil Biology & Biochemistry, 138, 107596.12.Yingqiu C, Zhen Z, Li X, et al. Temperature Affects new Carbon Input Utilization By Soil Microbes: Evidence Based on a Rapid δ13C Measurement Technology[J]. Journal of Resources and Ecology, 2019, 10(2): 202-212.13.Cao Y, Xu L, Zhang Z, et al. Soil microbial metabolic quotient in inner mongolian grasslands: Patterns and influence factors[J]. Chinese Geographical Science, 2019, 29: 1001-1010.14.Liu Y, He NP, Wen XF, Xu L, Sun XM, Yu GR, Liang LY, Schipper LA. 2018. The optimum temperature of soil microbial respiration: Patterns and controls. Soil Biology and Biochemistry, 121: 35-42.15.Liu Y, Wen XF, Zhang YH, Tian J, Gao Y, Ostle NJ, Niu SL, Chen SP, Sun XM, He NP. 2018.Widespread asymmetric response of soil heterotrophic respiration to warming and cooling. Science of Total Environment, 635: 423-431.16.Wang Q, He NP, Xu L, Zhou XH. 2018. Important interaction of chemicals, microbial biomass and dissolved substrates in the diel hysteresis loop of soil heterotrophic respiration. Plant and Soil, 428: 279-290.17.Wang Q, He NP, Xu L, Zhou XH. 2018. Microbial properties regulate spatial variation in the differences in heterotrophic respiration and its temperature sensitivity between primary and secondary forests from tropical to cold-temperate zones. Agriculture and Forest Meteorology, 262, 81-88.18.He N P, Liu Y, Xu L, Wen X F, Yu G R, Sun X M. Temperature sensitivity of soil organic matter decomposition:New insights into models of incubation and measurement. Acta Ecologica Sinica, 2018, 38(11): 4045-4051.19.Li J, He NP, Xu L, Chai H, Liu Y, Wang DL, Wang L, Wei XH, Xue JY, Wen XF, Sun XM. 2017. Asymmetric responses of soil heterotrophic respiration to rising and decreasing temperatures. Soil Biology & Biochemistry, 106: 18-27.20.Liu Y, He NP, Xu L, Niu SL, Yu GR, Sun XM, Wen XF. 2017. Regional variation in the temperature sensitivity of soil organic matter decomposition in China’s forests and grasslands. Global Change Biology, 23: 3393-3402.21.Wang Q, He NP*, Liu Y, Li ML, Xu L. 2016. Strong pulse effects of precipitation event on soil microbial respiration in temperate forests. Geoderma, 275: 67-73.22.Wang Q, He NP, Yu GR, Gao Y, Wen XF, Wang RF, Koerner SE, Yu Q*. 2016. Soil microbial respiration rate and temperature sensitivity along a north-south forest transect in eastern China: Patterns and influencing factors. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 121: 399-410.23.He NP, Wang RM, Dai JZ, Gao Y, Wen XF, Yu GR. 2013. Changes in the temperature sensitivity of SOM decomposition with grassland succession: Implications for soil C sequestration. Ecology and Evolution, 3: 5045-5054.24.Liu Y, Kumar A, Tiemann L K, et al. Substrate availability reconciles the contrasting temperature response of SOC mineralization in different soil profiles[J]. Journal of Soils and Sediments, 2023: 1-15.

去年“两会”期间，“大型科研设备共享难”成为代表委员热议的话题，今年记者追踪采访发现，与此相关的另一个问题，同样引人深思：我国每年上万亿元的科研固定资产投资中，有60%用于设备进口；部分高端仪器100%依赖进口。政协委员忧心——科研仪器过度依赖进口拖了创新后腿。　　“我们的TD—SCDMA技术发展得不错，但是技术上的制约也很多，其中一个重要方面就是测试的仪器仪表。没有先进的测试仪器，技术和质量就很难保证。”在今天的政协科技界联组会上，列席会议的工业和信息化部副部长娄勤俭以这个例子呼应朱星委员关于加强国内科学仪器研发的发言。　　北京大学物理学院教授朱星的发言源于他参与的一项关于国内科学仪器现状的调研。这份调研显示，我国每年上万亿元的科研固定资产投资中，有60%是用于进口设备，部分领域的高端仪器100%依赖进口，每年进口仪器总额几十亿美元，并以每年约30%的速度增加。　　“过去20年来，我国在关键先进仪器的创新方面逐步丧失了国际竞争力，在大部分重大先进装备领域的竞争上更处于劣势，关键科学仪器装备严重依赖国外技术。”朱星颇为忧虑，“我国在科学仪器的研究和制造方面与发达国家相比差距不是缩小，而是逐步拉大，对国外仪器依赖度逐年增高。”　　科技部原副部长刘燕华也曾指出，中国人购买科研仪器的热潮不知道救活了多少外国公司，由于科研仪器对外依存度过高，中国的科学研究存在严重的“空芯化”现象。　　“那是因为我们做的大部分研究是跟踪模仿别人，这些研究中使用的仪器都可以从国外买到，根本用不到高精尖、定制的仪器，所以也就没有人去做。”对于这一问题，有政协委员这样认为。　　而在朱星看来，“之所以出现这种现象，首先是目前的科技评估体系侧重快速跟踪国际发展前沿，潜心于系统仪器研发人员的贡献在科技论文、引用率和获得奖项方面没有得到充分认可”。朱星说，由于急功近利的学术环境，很少有人愿意坐冷板凳去从事显示度低的工作，因而很多单位原有的仪器研发人员、配套的辅助人员已经不复存在。　　此外，近年来迅速增长的科研经费使得研究人员有更多的经费购置以前不可想象的昂贵科研仪器，客观上影响了研究人员从事仪器研发的积极性。　　而对于我国学者参与国际大型研究装置合作项目，朱星认为其实也是把双刃剑，这虽然锻炼了国内的仪器研发队伍，但也导致了对国际大型装置项目的依赖性，不利于发展自主知识产权仪器。　　“我们必须意识到，现代科技的重大突破越来越依赖于先进的科学仪器，谁掌握最先进的科学仪器研发技术，就掌握了科技发展的主动权。”朱星说。　　“我从事的纳米光学研究工作和扫描隧道显微镜（STM）的发明有密切联系。”他以STM的开发开辟了纳米技术研究新领域为例说，1986年的诺贝尔物理学奖颁给了在瑞士IBM实验室工作的科学家，这一奖项的颁发震动了科学界：为什么这项仅仅依据量子力学最基本原理的实验观测技术能够在问世仅5年后就获得科学的桂冠？　　“因为，这项成果的核心部分关键仪器STM的发明，使得科学家用纳米尺度的探针在物体表面扫描时，可以直接‘看’到单个原子，使人们的眼界一下拓展到单个原子、单个分子的水平。20多年来，STM这项创新仪器打开了纳米技术研究新领域，成为纳米显微最关键的表征仪器。”朱星说，“实际上，诺贝尔奖已经数十次授予新技术、新方法和新仪器研发的科学家。”　　“所以，加强科学仪器的自主研发和产业化能力是提高我国自主创新能力、建设创新型国家的必然选择，特别是今年的政府工作报告对纳米技术研究等作为关键基础研究和前沿技术研究做前沿部署，而要在这些领域取得突破，必须研发出先进的科学仪器做支撑。”朱星说。　　他认为，为了提高我国在科学仪器资助研发能力，应当从不同部门、不同层次设立创新型仪器研发专项资助；并明确重点资助方向，针对某一时期的重点资助领域，从关键部件到关键技术再转向整机研制，直到进行集成创新，形成有特色和竞争力的科学仪器产业。“希望相关政策能在‘十二五’规划中予以落实。”　　此外，他还表示，应完善科技评估体系，建立良好的先进科学仪器研发氛围，支持和鼓励科研人员从事具有长远影响的创新型科学仪器装置，建立一支耐得住寂寞的研发队伍，以保证我国在某些关键领域仪器研制的创新地位。

2010年06月21日 15:00[中文]　　温度调制DSC技术(TMDSC)通常用于研究重叠的热效应，它不仅可以在大学或研究所中应用，而且可以用于工业研究。TMDSC方法可以将温度依赖性的过程和时间依赖性的过程进行分离。　　TOPEM的基本思路是在等温或动态的温度程序上叠加不同周期的随机温度脉冲。目前TMDSC技术通常所使用的方法为在等温或升温程序上叠加正弦的温度调制，与之对比，TOPEM是一种新的高级多频温度调制技术，它使用许多不同的频率(多频)。　　TOPEM的优点是：　　1. 一次测试-在比较宽的频率范围内同时测试样品的性质随时间或温度变化的函数。　　2. 从脉冲响应中测定cp-非常准确地测定准稳态比热容　　3. 同步高灵敏度和高分辨率-可以进行低能转变测试和/或重叠的温度依赖性效应测试。　　4. 分离可逆和不可逆过程-可以非常准确地测定热容，甚至在效应重叠的情况下。　　5. 简化曲线解析-可以非常容易地将频率依赖性效应(例如玻璃化转变)和非频率依赖性效应(例如失水)进行分离。　　6. 扩展PEM技术-消除仪器影响，扩大测试频率范围。　　得益于频率信息，您可以很容易地将随频率变化的效应与非频率依赖的效应进行分离。这大大简化了具有重叠热效应的样品的曲线解析。同时，TOPEM可以测试非频率依赖的准稳态比热容。　　网络研讨会(webinar)　　您注册参加网络研讨会后，您将获得有关这种创新性技术的必要信息。　　中文讲解之后，您可以与梅特勒托利多的热分析应用技术专家直接讨论您的问题。　　注册参加网络研讨会