根際碳氮循環(huán)是植物和土壤系統之間活躍的土壤過(guò)程，對環(huán)境變化極其敏感。根際碳氮耦合機制對準確預測陸地生態(tài)系統碳氮積累潛能具有至關(guān)重要的意義。根系的生產(chǎn)和周轉直接影響陸地生態(tài)系統中碳氮的生物地球化學(xué)循環(huán)。 細根產(chǎn)量占全球年度凈初級產(chǎn)量 NPP 的 33%。細根周轉對單株植物生長(cháng)、植物相互作用以及地下碳氮和養分循環(huán)具有重要意義。

一、根系生長(cháng)對土壤碳氮排放影響的研究

1、 根生長(cháng)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。細根(直徑<2 mm)對土壤碳氮循環(huán)具有重要的調節作用。土壤剖面上 SOC 的周轉主要由根系及其對土壤環(huán)境的轉化驅動(dòng)。生根深度會(huì )刺激儲存在深層土壤中的土壤有機質(zhì)的礦化。植物根系對深層土壤的開(kāi)發(fā)可能會(huì )使土壤C流失擴大到深層土壤，從而導致大量的CO2釋放。植物物質(zhì)的輸入對微生物來(lái)說(shuō)是不穩定的基質(zhì)和能量來(lái)源，可以刺激微生物的生長(cháng)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

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

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

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

3、 影響根際碳氮排放的因素

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

干旱使灌木林土壤TN濃度顯著(zhù)增加22.6%，但對森林和草地土壤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(cháng)期的呼吸適應、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儲量高的生態(tài)系統(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。碳輸入土壤的數量和質(zhì)量的變化會(huì )改變碳循環(huán)的動(dòng)態(tài)，這種現象被稱(chēng)為“啟動(dòng)”。

CH4和N2O排放隨氧化還原電位的變化規律表明，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)現這兩種氣體的產(chǎn)生是土壤氧化還原電位的函數。實(shí)驗室研究表明，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。

土壤有機碳含量越高，氧化還原電位越低。較低的電勢使CH4形成。當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)同測量系統-根系生態(tài)倉

目前根系生長(cháng)及根際碳氮排放監測需要多個(gè)儀器，缺乏在一個(gè)平臺上協(xié)同觀(guān)測根系生長(cháng)、碳氮變化、土壤環(huán)境因子的集成技術(shù)，無(wú)法實(shí)時(shí)監測各參數的協(xié)同性和消長(cháng)關(guān)系。RhizoScope 根際碳氮變化測量系統因此而設計。

RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測量系統可用于研究原位觀(guān)測根系生物量變化、細根周轉、根際微生態(tài)過(guò)程，同步測量地下碳氮氣體廓線(xiàn)，研究根系生長(cháng)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，實(shí)現土壤熱通量、土壤水勢梯度等控制，同步觀(guān)測蒸散量、滲漏量、土壤氧化還原電位、酸堿度、水分、溫度、電導率等土壤環(huán)境對根系生長(cháng)、土壤碳氮氣體廓線(xiàn)的影響。

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

1、根際生物量多尺度協(xié)同測量RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測量系統的復合根系測量?jì)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)對很小的細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(cháng)、發(fā)育、死亡、壽命、數量動(dòng)態(tài)、營(yíng)養吸收，攝像區域分辨率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。  掃描區域22.0cm×21.5cm，分辨率最大1200dpi。

軟件分析計算細根長(cháng)度、細根直徑、細根面積、細根總長(cháng)、細根總面積、細根平均直徑、細根數量及生物量、細根壽命、細根周轉率。用于根系生物量變化與土壤碳儲量的相關(guān)性研究。

2、根際CO2、CH4、N2O及碳氮同位素同步觀(guān)測

RhizoScope 根系碳氮排放協(xié)同測量系統可實(shí)現根際CO2、CH4、N2O或CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)同步觀(guān)測，有助于揭示根際微生物的代謝及其對環(huán)境變化的響應，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)程和機理。

iChamber-G 土壤采氣矛可埋設在不同深度，在線(xiàn)、連續采集土壤氣體，采氣腔70ml，氣體交換速率180s，實(shí)現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，可以測量不同深度土壤氣體的實(shí)時(shí)濃度。AZG-300 CO₂ CH₄ 在線(xiàn)監測儀采用紅外吸收法測量CO₂ 、紅外激光吸收法測量CH₄ 。系統自帶大屏幕彩屏顯示、觸摸控制、海量數據存儲、聯(lián)機通訊、自動(dòng)標定等功能。

測量范圍：

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，至低檢測限：0.8ppm

分辨率： CO₂：0.01ppm   CH₄ ：0.1ppm

碳氮痕量氣體測量精度: 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%。

響應時(shí)間：10Hz（1-10Hz可調）

3、根系土壤環(huán)境控制試驗

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

實(shí)現土壤熱通量、土壤水勢梯度等控制，同步觀(guān)測蒸散量、滲漏量、土壤氧化還原、pH、水分、溫度、電導率，用于研究土壤環(huán)境對根周轉率、根系生長(cháng)動(dòng)力學(xué)、根系空間分布的影響。

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