應用案例 || 微生物土壤呼吸實驗室測量方法及數據對比

土壤呼吸，是指土壤中的植物根系、食碎屑動物、真菌和細菌等進行新陳代謝活動，消耗有機物，產生二氧化碳的過程。其中包括土壤中微生物分解有機物的過程。在這個過程中，需氧微生物消耗氧氣，將有機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O₂的消耗和/或CO₂的釋放來測量。

——土壤呼吸強度是評價土壤微生物總活性的重要指標，也可用于評價土壤肥力。

土壤呼吸體現了土壤承載包括作物、植物生長、土壤動物和微生物在內的土壤生命的能力。它是土壤健康的重要指標，體現了生物活性、土壤有機質和降解能力。尤其是在分解過程中，有機質所含的有機營養物質(如有機磷、氮和硫)轉化為可供植物吸收的無機形式。

在實驗室中，土壤呼吸被用來估算土壤微生物生物量。事實上，土壤呼吸表明土壤維持植物生長的能力。由于保護有機質的土壤團聚體遭到破壞，土壤通氣性增加，導致耕作后過度呼吸和有機質分解。在缺乏額外投入的情況下，有機質減少、土壤聚集減少、植物和微生物可利用的養分有限，會導致作物減產。在未知碳添加量的情況下，很難預測有機質積累和損失的閾值。

得益于呼吸傳感器，我們可以直接測量土壤微生物呼吸：

——測定土壤微生物活性；

——確定添加劑（營養物、污染物、土壤改良劑等）對微生物代謝能力的影響；

——確定微生物生物量。

樣品

生物土壤有機調節劑，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

調整土壤中的水分含量

土壤樣品必須濕度適當，以使微生物得以活化。

•  如果土壤過干，微生物沒有活性，土壤微生物轉化過程停止。

•  如果土壤太濕，缺氧條件下發生厭氧呼吸，產生難聞的氣味和對植物有害的酸。

檢測土壤水分含量

一個簡單方法，用手抓一把土壤，用力握緊，然后松開手。

•  如果土壤過干，就會散開，如果正常，就會保持原來的形狀。

•  如果土壤過濕，當緊握時會有水分擠出。

根據情況，可以采取必要的措施，如加水或者覆蓋干土。

當土壤濕度調整合適后，需要測定土壤干質量分數。

測量土壤體積

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 ℃，我們將培養箱設置為25 ℃。

2、連接Wireless DataBox，并填寫RESPIROSoft軟件數據庫。

3、在燒杯中稱取50-200克混合均勻的土壤，并將其轉移到1升測試瓶中。

4、在堿容器內添加適量的KOH。

5、將呼吸傳感器安裝在測試瓶上，并擰緊。

6、將測試系統放入已經達到設定溫度的培養箱中。

7、等待至少3個小時，使測量系統達到設定溫度，并產生初始壓力升高的圖形。

• 初始壓力升高是因為系統的加熱膨脹所致。
• 可以通過打開測試瓶來釋放壓力。

8、按下開始鍵，持續運行測試至少15天。

測試結果

根據公式計算游離氣體積：

Vfg=Vtot-Vav-Vam-Vsm

Vfg：游離氣體積，單位升；

Vtot：測試容器的總體積，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。

干土質量計算

根據公式計算土壤干重：

msd=msm×Wsd

msd：土壤干重，單位千克；

msm：土壤濕重，單位千克；

Wsd：濕土樣品的干質量分數。

O₂消耗率計算

根據公式計算O₂消耗率：

RO2=32000·Vfg·ΔP/t·R·T·msd

RO2：單位質量干土壤的氧氣消耗速率，mgO2/g/h；

32000：氧氣的摩爾質量，mg/mol；

Vfg：游離氣體積，L；

R：氣體常數，83.14hPaL/mol/K；

T：測量溫度，K；

msd：土壤干重，g；

ΔP：測得的壓力差，hPa

t：測試時間，h

測試結果

VELP的RESPIROSoft軟件自動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測試的曲線圖。

注意：當測試系統內壓力下降到800mbar時，瓶內氧氣消耗殆盡，需要打開測試瓶補充空氣，然后再繼續測試。

以下是對三個樣品測試的結果。分析時間20天，選擇這個時間是為了監測氧氣消耗隨時間的變化。

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

結論

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

得益于其創新的無線技術，傳感器根據設定的數據傳輸頻率，將壓力值實時傳輸到無線數據盒，然后，通過直觀的 RESPIROSoft^TM界面顯示結果，便于數據管理和結果對比。也可以將呼吸測量傳感器連接到VELPErmes云平臺，便于遠程查看和監測實驗過程。