土壤呼吸及其測定法

1、. 36.在土壤新陳代謝功能過程中,由于產(chǎn)生大量的 二氧化碳,并向大氣釋放二氧化碳的過程稱之土壤 呼吸。它包括微生物呼吸、根呼吸和動物呼吸三個 生物過程,以及一個非生物過程:即在高溫條件下 的化學(xué)氧化過程。土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué) 指標(biāo),它反映了土壤生物活性和土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng) 度。在生態(tài)演替過程中,植被的變化通過吸收養(yǎng)分 和歸還有機(jī)物等,以影響土壤的物理、化學(xué)和生物 學(xué)性狀,土壤呼吸亦隨之變化,指示著生態(tài)系統(tǒng)演 替的過程與方向。此外,從小氣候?qū)W角度看,土 壤釋放的CO 2改變了近地面的微氣象條件, 為植物下 部冠層提供了更豐富的碳源。碳循環(huán)是地球系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié),與氣候、水分 循

2、環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)以及陸地、海洋的光合生產(chǎn)息息相 關(guān)。正確理解全球碳循環(huán),是了解地球的環(huán)境歷史 及人類的生存環(huán)境,以及預(yù)測它所操縱的未來的中 心 構(gòu) 成 。為了區(qū)分系統(tǒng)內(nèi)自然與人類之間錯綜復(fù)雜的關(guān) 系, 我們就必須努力確定大氣-陸地-海洋之間的碳 分配與碳儲量。陸地生物圈的碳庫主要包括生物 量、凋落物、土壤碳和泥炭,其中,土壤碳的儲 量占整個陸地生物圈碳儲量的主要部分。其次是陸 地生物量。大氣與陸地植被間的 CO 2交換,是全球 碳循環(huán)中最主要的途徑之一。植物通過光合作用將 大氣中的 CO 2吸收到陸地生態(tài)中 ;陸地生態(tài)系統(tǒng)中 的 CO 2又通過土壤呼吸作用進(jìn)入大氣。 土壤呼吸作 用是陸地生態(tài)系統(tǒng)中

3、碳素回到大氣的主要途徑,其 微小的變化都會引起大氣CO 2濃度的較大變化, 所以 增加土壤中的碳儲量, 可以抵消由于人類活動釋放 到大氣中的 CO 2。反之,土壤有機(jī)碳的釋放也可以 顯著的增加大氣中的CO 2濃度, 從而加劇全球變化的 進(jìn)程。所以了解土壤呼吸,有助于了解土壤碳變化 的速率和趨勢,以及全球碳循環(huán)的過程,對減緩全 球變化十分重要。影響土壤呼吸的因素,主要是溫度和水分等氣土壤呼吸及其測定法楊晶李凌浩象因子,其次還有土壤的養(yǎng)分狀況、有機(jī)質(zhì)含量、 植被類型與地表覆蓋、風(fēng)速及人為活動造成的土地 利用方式改變的影響等。溫度和濕度主要是通過對土壤微生物代謝和植 物根系生長的影響來改變土壤呼吸作

4、用的。許多野 外測定和實(shí)驗(yàn)室測定均表明,土壤呼吸與溫度間存 在明顯的相關(guān)關(guān)系,大量的函數(shù)曾被用來描述它們 之間的關(guān)系,包括線性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù) 等。 Q 10值也通常用來描述溫度與土壤呼吸之間的關(guān) 系,它是指當(dāng)溫度升高 10時,土壤呼吸速率增大 的倍數(shù),平均值為 2.4。此外,濕度和溫度通常都 是共同作用于土壤呼吸,產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。在一定溫 度范圍內(nèi),土壤呼吸隨著溫度和濕度的增加而增 高。在水分飽和或漬水或過干的條件下,土壤呼吸 速率將被抑制。不同的植被類型,其地下生物量、根系活性、 土壤微生物活性、土壤的理化性質(zhì)等都有很大差 別,使得土壤呼吸速率的時間、空間異質(zhì)性較大。近年來,人類活動對

5、土壤呼吸的影響也逐漸引 起廣泛的關(guān)注,其中土地利用方式對土壤呼吸的影 響就十分顯著,例如不同的土地利用方式改變了地 表植被、土壤通透性,使得土壤有機(jī)質(zhì)含量等發(fā)生 改變,相應(yīng)的土壤呼吸也大不相同。從上個世紀(jì)初開始,人們就一直關(guān)注著土壤呼 吸,隨之而來的是尋找某種合適的方法來測定土壤 呼吸的速率。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性,雖 有一些測定方法各具優(yōu)點(diǎn)與局限性,但至今仍無一 種方法能夠得到更廣泛的應(yīng)用。1.間接測定方法間接方法是通過測定其他相關(guān)指標(biāo)來推算土壤 呼吸速率,例如,土壤總的新陳代謝,可以從凈 初級生產(chǎn)量中扣除地上食草動物所消耗的能量進(jìn)行估 算。也有研究者用土壤中的三磷酸腺苷(ATP 含

6、量估算土壤呼吸, 認(rèn)為 log10(土壤呼吸 與log10(A T P 濃度有較明顯的線性關(guān)系。此外,有研究 者通過研究溫度和水分對土壤呼吸的影響,建立回. 37.歸方程計算得出土壤呼吸的大小。間接方法需要建 立所測指標(biāo)與土壤間的定量關(guān)系,而這種關(guān)系一般 適用于特定的生態(tài)系統(tǒng)。因此這類方法的應(yīng)用具有 較大的時空局限性,并且測定結(jié)果難以和其他方法 測定結(jié)果進(jìn)行比較。2.直接測定方法直接測定土壤呼吸的方法基本可分為靜態(tài)氣室 法、動態(tài)氣室法和微氣象法三種,其中靜態(tài)氣室法 包括靜態(tài)堿液吸收法和靜態(tài)密閉氣室法。 (1靜態(tài)氣室法靜態(tài)法是以土壤排放的 C O 2,經(jīng)過一定時間的 積累進(jìn)入到收集容器, 再對容

7、器內(nèi)的CO 2進(jìn)行定量計 算。由此得到單位時間內(nèi)土壤釋放的 C O 2量。靜態(tài)堿液吸收法:人們利用堿液吸收法研究森 林、草原和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸。有些研究者 用堿液(NaOH 或者 KOH 溶液 ,也有研究者用固體 堿粒。他們的原理是一樣的,即堿吸收 CO 2形成碳 酸根,再用重量法或者中和滴定法計算出剩余的堿 量, 根據(jù)公式計算得出一定時間內(nèi)土壤排放的CO 2總 量。以堿液法為例,具體的操作過程如下:在樣 地內(nèi)選定直徑為 25厘米的圓形測定點(diǎn), 將圓內(nèi)的綠 色植物齊地剪掉后,將一高 2厘米左右的小三角架 固定在圓心,其上放置事先已經(jīng)注入 1.0mol/L 的 NaOH 溶液20ml的玻璃

8、廣口瓶, 迅速用鍍鋅金屬圓桶 (直徑 25厘米,高 30厘米,一端密閉扣在選定 的樣圓上, 為隔絕外界空氣避免大氣CO 2的干擾, 圓 桶下緣壓入土中 2厘米,確保桶與外界無氣體交換 (下圖 。一段時間后取出堿液瓶,迅速蓋好蓋子 帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析,可得到該時間內(nèi)的土壤呼吸速 率。近年來,在我國溫帶草原多用這種方法測定草 原生態(tài)系統(tǒng)的土壤CO 2排放量。 堿液法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便,在進(jìn)行野外測定的時候,不需要復(fù)雜的設(shè) 備,利于進(jìn)行多次重復(fù)測定,對于空間異質(zhì)性大的 土壤呼吸而言,這是很大的優(yōu)點(diǎn)。堿液法的局限性 在于測定的精度不理想。在土壤呼吸速率低的情況 下,測定的結(jié)果比真實(shí)值高。在土壤呼吸速率高的

9、 情況下,測定結(jié)果比真實(shí)值偏低。密閉氣室法:密閉氣室法包括氣相色譜法和紅 外CO 2分析法兩種。 此法是將一無底無蓋的管狀容器 一端插入土壤中,經(jīng)過一段時間內(nèi)的穩(wěn)定后,加 蓋,用一針狀連接器以一定的時間間隔抽取氣體樣 品進(jìn)入真空容器內(nèi),用氣相色譜儀或紅外分析儀測 定其中 CO 2的濃度,計算得出 CO 2排放的速率。密 閉氣室法所需的儀器的設(shè)備花費(fèi)相對比較高。(2動態(tài)氣室法動態(tài)法是用不含 CO 2的空氣或已知其中濃度的 CO 2, 以一定的速率通過一密閉容器覆蓋的土壤樣品 表面, 然后用紅外氣體分析儀測量其中氣體的CO 2含 量。根據(jù)進(jìn)出容器的 CO 2濃度差,計算土壤呼吸速 率 。動態(tài)氣室法

10、通常包括動態(tài)密閉氣室法和開放氣 流紅外CO 2分析法。 由于動態(tài)法比靜態(tài)法更能準(zhǔn)確的 測定土壤排放CO 2的真實(shí)值, 因此它更適于測定瞬間 和整段時間 CO 2排放的速率。應(yīng)該指出的是,該方 法的缺點(diǎn)為空氣流通速率和氣室內(nèi)外的壓力差對測定 所造成的負(fù)面影響,如當(dāng)氣流通過氣室內(nèi)的土壤表 面時,氧氣的輸入速率增加,從而導(dǎo)致更多 CO 2從 土壤中吸出,土壤的新陳代謝也就增加了。另外, 由于這種方法所需設(shè)備的昂貴和必須有電力供應(yīng), 故使得它在野外的使用受到了一定的限制。(3微氣象法渦度相關(guān)法是依據(jù)微氣象學(xué)原理測定地表氣體 排放通量。一般在允許植物的冠層高度范圍內(nèi),渦 度相關(guān)法測定CO 2排放不受生態(tài)系統(tǒng)類型的限制, 特 別適合測定大尺度內(nèi)土壤CO 2排放, 其中土壤植物系 統(tǒng)與大氣之間的水汽、C O 2、能量的測定尺度均