應(yīng)用案例 || 微生物土壤呼吸實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法及數(shù)據(jù)對(duì)比

土壤呼吸，是指土壤中的植物根系、食碎屑動(dòng)物、真菌和細(xì)菌等進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)，消耗有機(jī)物，產(chǎn)生二氧化碳的過程。其中包括土壤中微生物分解有機(jī)物的過程。在這個(gè)過程中，需氧微生物消耗氧氣，將有機(jī)物最終分解為二氧化碳和水。

——土壤微生物有氧呼吸是通過觀測(cè)O₂的消耗和/或CO₂的釋放來(lái)測(cè)量。

——土壤呼吸強(qiáng)度是評(píng)價(jià)土壤微生物總活性的重要指標(biāo)，也可用于評(píng)價(jià)土壤肥力。

土壤呼吸體現(xiàn)了土壤承載包括作物、植物生長(zhǎng)、土壤動(dòng)物和微生物在內(nèi)的土壤生命的能力。它是土壤健康的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了生物活性、土壤有機(jī)質(zhì)和降解能力。尤其是在分解過程中，有機(jī)質(zhì)所含的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如有機(jī)磷、氮和硫)轉(zhuǎn)化為可供植物吸收的無(wú)機(jī)形式。

在實(shí)驗(yàn)室中，土壤呼吸被用來(lái)估算土壤微生物生物量。事實(shí)上，土壤呼吸表明土壤維持植物生長(zhǎng)的能力。由于保護(hù)有機(jī)質(zhì)的土壤團(tuán)聚體遭到破壞，土壤通氣性增加，導(dǎo)致耕作后過度呼吸和有機(jī)質(zhì)分解。在缺乏額外投入的情況下，有機(jī)質(zhì)減少、土壤聚集減少、植物和微生物可利用的養(yǎng)分有限，會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)。在未知碳添加量的情況下，很難預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)積累和損失的閾值。

得益于呼吸傳感器，我們可以直接測(cè)量土壤微生物呼吸：

——測(cè)定土壤微生物活性；

——確定添加劑（營(yíng)養(yǎng)物、污染物、土壤改良劑等）對(duì)微生物代謝能力的影響；

——確定微生物生物量。

樣品

生物土壤有機(jī)調(diào)節(jié)劑，ID EN99

所需試劑

氫氧化鉀（KOH），用于吸收二氧化碳。

分析儀器

樣品制備

調(diào)整土壤中的水分含量

土壤樣品必須濕度適當(dāng)，以使微生物得以活化。

•  如果土壤過干，微生物沒有活性，土壤微生物轉(zhuǎn)化過程停止。

•  如果土壤太濕，缺氧條件下發(fā)生厭氧呼吸，產(chǎn)生難聞的氣味和對(duì)植物有害的酸。

檢測(cè)土壤水分含量

一個(gè)簡(jiǎn)單方法，用手抓一把土壤，用力握緊，然后松開手。

•  如果土壤過干，就會(huì)散開，如果正常，就會(huì)保持原來(lái)的形狀。

•  如果土壤過濕，當(dāng)緊握時(shí)會(huì)有水分?jǐn)D出。

根據(jù)情況，可以采取必要的措施，如加水或者覆蓋干土。

當(dāng)土壤濕度調(diào)整合適后，需要測(cè)定土壤干質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

測(cè)量土壤體積

在200或250ml量筒中，加入100ml水，再加入50-100g土壤，加入土壤后的總體積減去水的體積就是土壤的體積。

分析過程

1、分析過程適宜的溫度是20-25 ℃，我們將培養(yǎng)箱設(shè)置為25 ℃。

2、連接Wireless DataBox，并填寫RESPIROSoft軟件數(shù)據(jù)庫(kù)。

3、在燒杯中稱取50-200克混合均勻的土壤，并將其轉(zhuǎn)移到1升測(cè)試瓶中。

4、在堿容器內(nèi)添加適量的KOH。

5、將呼吸傳感器安裝在測(cè)試瓶上，并擰緊。

6、將測(cè)試系統(tǒng)放入已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度的培養(yǎng)箱中。

7、等待至少3個(gè)小時(shí)，使測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度，并產(chǎn)生初始?jí)毫ι叩膱D形。

• 初始?jí)毫ι呤且驗(yàn)橄到y(tǒng)的加熱膨脹所致。
• 可以通過打開測(cè)試瓶來(lái)釋放壓力。

8、按下開始鍵，持續(xù)運(yùn)行測(cè)試至少15天。

測(cè)試結(jié)果

根據(jù)公式計(jì)算游離氣體積：

Vfg=Vtot-Vav-Vam-Vsm

Vfg：游離氣體積，單位升；

Vtot：測(cè)試容器的總體積，不包括土壤、吸附劑容器和吸附劑的總體積，單位升；

Vav：吸收容器的體積，單位升；

Vam：吸收劑體積，單位升；

Vsm：土壤體積，單位升。

干土質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)公式計(jì)算土壤干重：

msd=msm×Wsd

msd：土壤干重，單位千克；

msm：土壤濕重，單位千克；

Wsd：濕土樣品的干質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

O₂消耗率計(jì)算

根據(jù)公式計(jì)算O₂消耗率：

RO2=32000·Vfg·ΔP/t·R·T·msd

RO2：?jiǎn)挝毁|(zhì)量干土壤的氧氣消耗速率，mgO2/g/h；

32000：氧氣的摩爾質(zhì)量，mg/mol；

Vfg：游離氣體積，L；

R：氣體常數(shù)，83.14hPaL/mol/K；

T：測(cè)量溫度，K；

msd：土壤干重，g；

ΔP：測(cè)得的壓力差，hPa

t：測(cè)試時(shí)間，h

測(cè)試結(jié)果

VELP的RESPIROSoft軟件自動(dòng)采集壓力傳感器的壓力值，并以生成圖形顯示，下圖是100g樣品在298K測(cè)試的曲線圖。

注意：當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)壓力下降到800mbar時(shí)，瓶?jī)?nèi)氧氣消耗殆盡，需要打開測(cè)試瓶補(bǔ)充空氣，然后再繼續(xù)測(cè)試。

以下是對(duì)三個(gè)樣品測(cè)試的結(jié)果。分析時(shí)間20天，選擇這個(gè)時(shí)間是為了監(jiān)測(cè)氧氣消耗隨時(shí)間的變化。

樣品A

稱樣量：200g

T=298K

Vfg=0.965L

t=72h

樣品B

稱樣量：200g

T=298K

Vfg=1.037L

t=72h

樣品C

稱樣量：200g

T=298K

Vfg=1.081L

t=72h

結(jié)論

從RSD%值(＜3.29%)可以看出，VELP的土壤呼吸傳感器系統(tǒng)是一種可靠的微生物土壤呼吸測(cè)定解決方案，這些分析具有出色的重復(fù)性。

得益于其創(chuàng)新的無(wú)線技術(shù)，傳感器根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)傳輸頻率，將壓力值實(shí)時(shí)傳輸?shù)綗o(wú)線數(shù)據(jù)盒，然后，通過直觀的 RESPIROSoft^TM界面顯示結(jié)果，便于數(shù)據(jù)管理和結(jié)果對(duì)比。也可以將呼吸測(cè)量傳感器連接到VELPErmes云平臺(tái)，便于遠(yuǎn)程查看和監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程。