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

一、根系生長對土壤碳氮排放影響的研究

1、 根生長與土壤碳氮排放

土壤呼吸和凈氮礦化是碳、氮生物地球化學循環的兩個重要過程。細根(直徑<2 mm)對土壤碳氮循環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境的轉化驅動。生根深度會刺激儲存在深層土壤中的土壤有機質的礦化。植物根系對深層土壤的開發可能會使土壤C流失擴大到深層土壤，從而導致大量的CO2釋放。植物物質的輸入對微生物來說是不穩定的基質和能量來源，可以刺激微生物的生長和活動，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中具有重要作用。細根生產量和地下總生物量均與土壤有機碳含量正相關。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。隨著細根死亡，其分解的有機質進入土壤系統，在那里有可能轉化為長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   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%)，但對森林和灌木無影響。灌木中的 CO2 總排放量因干旱而顯著降低了 15.0%，但森林和草地的變化不顯著。

干旱使灌木林土壤TN濃度顯著增加22.6%，但對森林和草地土壤TN濃度沒有影響。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和氮礦化速率的關系 Zhouping Shangguan，etal，2021

氣候變暖可以通過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所抵消。土壤C儲量高的生態系統(如北極和苔原)顯示出最大的土壤C流失。升溫也通過改變植物生產力和群落組成來影響土壤碳平衡。碳輸入土壤的數量和質量的變化會改變碳循環的動態，這種現象被稱為“啟動”。

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，CH4排放最高，同時N2O排放也至低。在高氧化還原值時，N2O排放高，但沒有CH 4排放。研究發現這兩種氣體的產生是土壤氧化還原電位的函數。實驗室研究表明，CH4 和 N2O 產生的臨界土壤氧化還原電位：低于約 -150 mV 產生CH 4 和高于約 +250 mV 產生N2O (Wang et al., 1993; Masscheleyn etal., 1993)。也表明CH4和N2O不會同時產生。

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，土壤發生硝化作用，產生N2O。

氧化還原電位與CH4和N2O排放的關系 A.X. Hou，etal，2000

二、RhizoScope 根系碳氮排放協同測量系統-根系生態倉

目前根系生長及根際碳氮排放監測需要多個儀器，缺乏在一個平臺上協同觀測根系生長、碳氮變化、土壤環境因子的集成技術，無法實時監測各參數的協同性和消長關系。RhizoScope 根際碳氮變化測量系統因此而設計。

RhizoScope 根系碳氮排放協同測量系統可用于研究原位觀測根系生物量變化、細根周轉、根際微生態過程，同步測量地下碳氮氣體廓線，研究根系生長動態與土壤不同深度 CO2、CH4 、NO2、NH3等氣體濃度變化相關性。依托控制型土柱平臺，實現土壤熱通量、土壤水勢梯度等控制，同步觀測蒸散量、滲漏量、土壤氧化還原電位、酸堿度、水分、溫度、電導率等土壤環境對根系生長、土壤碳氮氣體廓線的影響。

RhizoScope 根系碳氮排放協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同測量RhizoScope 根系碳氮排放協同測量系統的復合根系測量儀（AZR-300）采用微根窗（Minirhizotron），集攝像和掃描技術于一體，能快速、清晰獲取植物根系整體和局部圖片。

攝像技術對很小的細根和根毛有良好的分辨率，適合研究根系的動態包括生長、發育、死亡、壽命、數量動態、營養吸收，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、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度、細根直徑、細根面積、細根總長、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性研究。

2、根際CO2、CH4、N2O及碳氮同位素同步觀測

RhizoScope 根系碳氮排放協同測量系統可實現根際CO2、CH4、N2O或CH₄、δ¹³C(CH₄)、N₂O、δ¹⁵N ¹⁴N¹⁶O、δ¹⁴N ¹⁵N¹⁶O、δ¹⁸O(N₂O)同步觀測，有助于揭示根際微生物的代謝及其對環境變化的響應，及微生物的生化過程，如硝化作用、產甲烷作用、呼吸作用和微生物通訊的過程和機理。

iChamber-G 土壤采氣矛可埋設在不同深度，在線、連續采集土壤氣體，采氣腔70ml，氣體交換速率180s，實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，與氣體分析儀通過管路連接，可以測量不同深度土壤氣體的實時濃度。AZG-300 CO₂ CH₄ 在線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、聯機通訊、自動標定等功能。

測量范圍：

CO₂：0～2000ppm,可選0-5000ppm、0-10000ppm（適用于濕地、工廠或垃圾廠）

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%。

響應時間：10Hz（1-10Hz可調）

3、根系土壤環境控制試驗

RhizoScope 根系碳氮排放協同測量系統可配置控制型土柱平臺，配置地下水連通模塊，自動控制水勢或水位，既可用于溫度、水分控制試驗，也可實時調控與大田水力學梯度一致，作物生長環境與大田同步。

實現土壤熱通量、土壤水勢梯度等控制，同步觀測蒸散量、滲漏量、土壤氧化還原、pH、水分、溫度、電導率，用于研究土壤環境對根周轉率、根系生長動力學、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。