一种测定菌根真菌呼吸的装置及方法

1.本发明属于生态与环境科学领域，具体涉及一种测定菌根真菌呼吸的装置及方法。


背景技术：

2.土壤是陆地生态系统最大的碳库，每年土壤向大气约排放50～76pg c，约是人类化石燃料燃烧释放碳的7～10倍。因此，土壤碳排放微小的变化将导致大气co2浓度的较大波动，进而改变区域及全球碳平衡。菌根是植物根系与菌根真菌形成的共生体，调控了植物养分获取、土壤养分循环和碳动态等诸多关键生态过程。研究表明，菌根真菌生长与代谢过程对土壤碳排放具有至关重要的影响，其呼吸最高可占土壤呼吸通量的25％。全球变化下，菌根真菌生长及呼吸动态是预测土壤co2释放速率变化的必须考虑但较难估算的因素。
3.当前，国际上尚未有较为成熟、能直接应用于野外的菌根真菌呼吸测定方法。仅有少数研究采用壕沟-围网法和内生长土芯法对菌根真菌呼吸进行测定，但这些方法均存在自身缺陷。壕沟-围网法：在壕沟四周围上不同孔径的尼龙网袋，以形成菌根真菌生长/隔绝处理；但由于壕沟-围网法将植物根系切断以后，残留在土壤中的死根对土壤呼吸有较大的影响，所以测定数据的准确性相对较低；同时，壕沟法费时费力，并会对邻近树木生长产生严重的影响。内生长土芯法：在植物周围表层土壤打孔，放入装有无根土壤的纱网和环壁切孔的土环，待一定时间根外菌丝穿过纱网进入土环内后测定处理的土壤呼吸；但内生长土芯法单点取样直径大，不适用于植被发育密集、盖度大的地区。并且，以上两种方法均忽略了菌丝与腐生微生物相互作用产生的碳通量，从而造成估算的不准确。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种测定菌根真菌呼吸的装置及方法，排除腐生微生物的干扰，准确评估菌根呼吸的碳通量。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种测定菌根真菌呼吸的装置，包括：
7.3种呼吸圈，所述呼吸圈包括从上到下依次连接在一起的顶座、内生长圈和底座，所述内生长圈的内壁及底部附有尼龙网袋，3种呼吸圈的尼龙网袋孔径不同；所述尼龙网袋内部填满酸化后的石英砂；所述内生长圈的圈壁中下部设有若干小孔；
8.抽气装置，置于顶座上部，用于获取内生长圈中气体。
9.上述技术方案中，所述抽气装置包括底部镂空的圆柱外壳、气阀、注射器和气袋，所述圆柱外壳置于顶座上部，所述气阀设置在圆柱外壳顶部，所述注射器插入气阀抽气后注入气袋中。
10.上述技术方案中，3种呼吸圈的尼龙网袋的孔径分别为2mm、50μm和1μm，制成根系与菌丝生长、隔绝根系仅菌丝生长以及隔绝根系与菌丝的3种类型呼吸圈。
11.上述技术方案中，所述圈壁中下部设有550～600个小孔。
12.上述技术方案中，所述顶座为中空设计，且内生长圈顶部和顶座下部均设有卡口，通过旋转卡口配合连接。
13.上述技术方案中，所述气阀为三通阀。
14.一种测定菌根真菌呼吸的方法：
15.3种类型呼吸圈作为一组，多组呼吸圈均匀围绕布置在树干外围的土壤表层，且顶座露出地表；
16.利用注射器对各个气阀进行抽气并注入气袋，气袋分组分类做好标记后，带回实验室；
17.在实验室中，测量各气袋中的土壤co2通量，基于3种类型呼吸圈的土壤co2通量表征根呼吸、菌丝呼吸和自养呼吸，进而得到植物的菌根真菌呼吸通量在总co2呼吸通量中的占比情况。
18.本发明的有益效果为：本发明测定菌根真菌呼吸的装置由3种呼吸圈和抽气装置组成，使用时，3种呼吸圈作为一组，围绕布置在树干外围的土壤表层，测量时，利用抽气装置的注射器对各个呼吸圈内生长圈上圆柱外壳顶部的气阀进行抽气并注入气袋，分组分类做好标记后带回实验室进行测定；呼吸圈由顶座、内生长圈、底座和尼龙网袋组成，顶座卡接在内生长圈顶部，底座粘在内生长圈底部，不同孔径的尼龙网袋附在不同内生长圈的内壁及底部，利用酸化后的石英砂作为生长基质放置在内生长圈内部的尼龙网袋中，可以抑制腐生微生物生长，从而对菌根真菌生长影响较小，排除腐生微生物的干扰，准确评估菌根呼吸的碳通量。本发明产品组装简单，用于野外实验方便，方便科研人员大量采购并开展相关科研探索。
附图说明
19.图1为本发明所述测定菌根真菌呼吸的装置示意图；
20.图2为本发明实施例1中木荷的3种类型呼吸圈测定的菌丝呼吸通量和壕沟围网法测定的菌丝呼吸通量对比图；
21.图3(a)为本发明实施例2中金钱松的3种类型呼吸圈测定的土壤呼吸月动态变化图；
22.图3(b)为本发明实施例2中细叶青冈的3种类型呼吸圈测定的土壤呼吸月动态变化图；
23.图4(a)为本发明实施例3中木荷对照组中菌根生长/隔绝处理对土壤碳通量的影响图；
24.图4(b)为本发明实施例3中木荷在干旱胁迫下，菌根生长/隔绝处理对土壤碳通量的影响图；
25.图中：1-顶座，2-内生长圈，3-底座，4-尼龙网袋，5-抽气装置。
具体实施方式
26.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
27.如图1所述，一种测定菌根真菌呼吸的装置，包括3种呼吸圈和抽气装置5，每种呼
吸圈均由顶座1、内生长圈2、底座3和尼龙网袋4组成。顶座1为中空设计，内生长圈2顶部和顶座1下部均设有卡口，通过旋转两卡口配合，使得顶座1旋转连接在内生长圈2顶部，连接后，使用玻璃胶封住连接处，从而提高气密性。底座3的直径与内生长圈2的内径相同，使用玻璃胶将底座3粘在内生长圈2的底部。尼龙网袋4有3种不同的孔径，不同孔径的尼龙网袋4分别附在不同内生长圈2的内壁及底部，制成根系与菌丝生长、隔绝根系仅菌丝生长以及隔绝根系与菌丝的3种类型呼吸圈。抽气装置5由底部镂空的圆柱外壳、气阀、注射器和气袋组成，圆柱外壳底部放置在呼吸圈的顶座1上部，为保证气密性，在圆柱外壳顶部设有气阀，抽气时打开气阀，注射器插入抽气装置顶部气阀抽气后注入气袋中，然后将气袋中的气体带回室内用气相色谱法测定co2浓度。
28.具体地，本实施例中，顶座1的直径为10cm、高度为5cm；内生长圈2的直径为8cm、高为15cm，圈壁中下部设有550～600个小孔，小孔孔径为0.5cm；3种呼吸圈的尼龙网袋4的孔径分别为2mm、50μm和1μm；圆柱外壳的直径为10cm、高为12cm；气阀为三通阀；气袋为实验室常规双阀门铝箔采气袋；注射器的规格为50ml。
29.由于腐生微生物的碳源是土壤有机质，而菌根真菌获取碳主要是依靠植物光合作用输送，因此内生长圈2以酸化后的石英砂作为生长基质可以抑制腐生微生物生长，从而对菌根真菌生长影响较小，从而排除腐生微生物的干扰，准确评估菌根呼吸的碳通量。使用时，酸化后的石英砂放置在内生长圈2内部的尼龙网袋4中，将尼龙网袋填满。
30.一种测定菌根真菌呼吸的方法，具体包括如下步骤：
31.(1)3种类型呼吸圈作为一组，多组呼吸圈均匀围绕布置在树干外围80cm左右的土壤表层，且内生长圈2埋入地15cm左右，使顶座1露出地表；
32.(2)测量周期为每月一次，分别利用注射器对各个内生长圈上圆柱外壳顶部的气阀进行抽气并注入气袋，气袋分组分类做好标记后，带回实验室；
33.(3)在实验室中，用气相色谱法测量各气袋中的土壤co2通量，每种呼吸圈的土壤co2通量为所有此种呼吸圈的土壤co2通量的平均值；基于3种类型呼吸圈的土壤co2通量表征根呼吸、菌丝呼吸和自养呼吸，进而得到植物的菌根真菌呼吸通量在总co2呼吸通量中的占比情况。本方法所测定的根呼吸为根系与菌丝生长处理组和隔绝根系仅菌丝生长处理组之间co2通量的差值，菌丝呼吸为隔绝根系仅菌丝生长处理组和隔绝根系与菌丝之间co2通量的差值，自养呼吸为根呼吸和菌丝呼吸之和。
34.实施例1
35.选择林龄50年且林分密度较为均匀的木荷林，将呼吸圈按照标记布置在每一个样方中，同一个样方中的3种呼吸圈围绕同一棵高大粗壮、无病虫害的木荷布置，露出地表5cm。测量时间为期一年，每月选择晴朗无风的一天，于当天8：00-12：00内分别利用注射器对各个内生长圈上圆柱外壳顶部的气阀进行抽气并注入气袋，每2h抽取一次，每次50ml，气袋分组分类做好标记后，带回实验室进行测定。同时在样方内，用壕沟-围网法对菌丝呼吸进行测定。本发明测得的数据与传统方法(壕沟-围网法)对木荷林测得的菌丝呼吸通量值进行对比，参见图2，发现测量值趋势相同且接近，说明本发明可以有效替代传统壕沟-围网法。
36.实施例2
37.选取外生菌根树种金钱松及细叶青冈作为研究对象，每个树种人工林设置6个重
复小区。测定菌根真菌呼吸的装置的布置方式及测定方法与实施例1相同。测定时间为10个月，测得的数据处理后参见图3(a)、(b)，不同林地的土壤呼吸速率月动态变化均是根系与菌丝生长处理》隔绝根系仅菌丝生长处理》隔绝根系与菌丝处理，可见本发明的准确性较高。
38.实施例3
39.干旱样地建成于2013年7月，样地内主要树种为木荷和石栎，采用pvc透明塑料板来隔离自然降水的流通，对照组样地不设置pvc透明塑料板。在对照组和干旱组各选取3个25m
×
25m样方，不同的样方之间的距离设置至少保证为5m，每个样方上、下、左、右各设置2.5m的缓冲区，以减少人为活动干扰，剩余20m
×
20m为实验区域。在干旱组的每个样方中，用厚度为2.5mm的pvc透明塑料板插入样方四周，插入深度为2m，以隔绝样方内、外之间的水分流通。
40.测定菌根真菌呼吸的装置的布置方式及测定方法与实施例1相同。测定时间为2020年11月到2022年12月，在每个月选择1-2天，于当天8：00-12：00之间进行测定。测得的数据见图4(a)、(b)。参见图4(a)，不设置pvc透明塑料板隔绝降水的对照组中菌根生长/隔绝处理对土壤碳通量的影响情况，可以得出，隔绝根系与菌丝处理的土壤co2通量和隔绝根系仅菌丝生长处理的土壤co2通量以及根系与菌丝生长处理的土壤co2通量有显著差异；参见图4(b)，干旱组菌根生长/隔绝处理对土壤碳通量的影响情况，可以得出，在干旱胁迫下，隔绝根系与菌丝处理的土壤co2通量仅与根系与菌丝生长处理的土壤co2通量有显著差异。
41.综上所述，针对不同作物以及相同作物在不同环境下均可采用本发明方法测定菌根真菌呼吸，且其测定菌丝呼吸通量准确性较高。
42.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种测定菌根真菌呼吸的装置，其特征在于，包括：3种呼吸圈，所述呼吸圈包括从上到下依次连接在一起的顶座(1)、内生长圈(2)和底座(3)，所述内生长圈(2)的内壁及底部附有尼龙网袋(4)，3种呼吸圈的尼龙网袋(4)孔径不同；所述尼龙网袋(4)内部填满酸化后的石英砂；所述内生长圈(2)的圈壁中下部设有若干小孔；抽气装置(5)，置于顶座(1)上部，用于获取内生长圈(2)中气体。2.根据权利要求1所述的测定菌根真菌呼吸的装置，其特征在于，所述抽气装置(5)包括底部镂空的圆柱外壳、气阀、注射器和气袋，所述圆柱外壳置于顶座(1)上部，所述气阀设置在圆柱外壳顶部，所述注射器插入气阀抽气后注入气袋中。3.根据权利要求1所述的测定菌根真菌呼吸的装置，其特征在于，3种呼吸圈的尼龙网袋(4)的孔径分别为2mm、50μm和1μm，制成根系与菌丝生长、隔绝根系仅菌丝生长以及隔绝根系与菌丝的3种类型呼吸圈。4.根据权利要求1所述的测定菌根真菌呼吸的装置，其特征在于，所述圈壁中下部设有550～600个小孔。5.根据权利要求1所述的测定菌根真菌呼吸的装置，其特征在于，所述顶座(1)为中空设计，且内生长圈(2)顶部和顶座(1)下部均设有卡口，通过旋转卡口配合连接。6.根据权利要求2所述的测定菌根真菌呼吸的装置，其特征在于，所述气阀为三通阀。7.一种基于权利要求1-6任一项所述的测定菌根真菌呼吸的装置的方法，其特征在于：3种类型呼吸圈作为一组，多组呼吸圈均匀围绕布置在树干外围的土壤表层，且顶座(1)露出地表；利用注射器对各个气阀进行抽气并注入气袋，气袋分组分类做好标记后，带回实验室；在实验室中，测量各气袋中的土壤co2通量，基于3种类型呼吸圈的土壤co2通量表征根呼吸、菌丝呼吸和自养呼吸，进而得到植物的菌根真菌呼吸通量在总co2呼吸通量中的占比情况。

技术总结
本发明公开一种测定菌根真菌呼吸的装置及方法，该装置包括3种呼吸圈和抽气装置，呼吸圈包括从上到下依次连接在一起的顶座、内生长圈和底座，内生长圈的内壁及底部附有尼龙网袋，3种呼吸圈的尼龙网袋孔径不同，尼龙网袋内部填满酸化后的石英砂，内生长圈的圈壁中下部设有若干小孔，抽气装置置于顶座上部；多组呼吸圈均匀围绕布置在树干外围的土壤表层，且顶座露出地表；注射器对各个气阀进行抽气并注入气袋，在实验室测量各气袋中的土壤CO2通量，表征根呼吸、菌丝呼吸和自养呼吸，进而得到植物的菌根真菌呼吸通量在总CO2呼吸通量中的占比情况。本发明组装简单，便于野外实验，并有效减少了腐生微生物的干扰，能准确测定菌根真菌呼吸通量。吸通量。吸通量。


技术研发人员：刘瑞强 闫晓蕾 何杨辉 陈鸿洋 杜正刚 王衍良
受保护的技术使用者：东北林业大学
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/7