地下生态学研究技术
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基于生态学原理的水生态修复技术及效果研究
基于生态学原理的水生态修复技术及效果研究水生态系统的保护与修复已成为当前生态环境治理的重要课题。
随着经济的发展和人口的增加，水污染问题愈发严重。
为了保护和修复水生态系统，人们积极探索研究基于生态学原理的水生态修复技术。
本文将介绍几种常见的水生态修复技术，并分析这些技术在不同水域环境中的应用效果。
一、湿地修复技术湿地是一个重要的生态系统，不仅具有净化水质、保持水源、保护生物多样性等功能，还能固定沉积物和养分，减缓洪水威胁。
湿地修复技术主要包括人工湿地和天然湿地恢复。
人工湿地采用人工构建的方法，模拟天然湿地的生态功能，通过湿地植被和微生物代谢等作用降解和吸附水中的有机物和无机物质。
天然湿地恢复则是通过蓄水、沉淀泥沙和培育湿地植被等方式使湿地重新恢复自然状态。
研究表明，湿地修复技术在水生态系统的修复中具有较好的效果。
二、人工渗漏堤修复技术人工渗漏堤修复技术是一种修复河流水生态系统的有效方法。
通过在河岸上开凿槽道，使地下湿地与河流相连，形成了自然的河道系统。
采用这种方法，可以提供更多的栖息地和滋养涵养水的功能。
此外，人工渗漏堤还能提高水流的平衡性，减少河道水流的冲击，稳定河岸，降低水污染的风险。
这种修复技术可以提高水生物的存活率，增加水生物多样性，进一步改善水生态系统的健康状况。
三、植物修复技术植物修复技术是一种使用适应性较强的植物来吸收和提取有害物质或改变环境中的有害因素的方法。
这些植物被称为修复植物，其根系具有可吸收和富集金属离子、有机物质和营养物质的能力。
植物修复技术在水生态系统的修复中被广泛应用，如用于河流污染的浮萍修复、湖泊底泥中重金属的富集修复等。
植物修复技术的优势在于操作简单、成本较低，且对生态系统的干扰较小。
四、生物多样性修复技术生物多样性修复技术旨在促进和恢复水生态系统中的物种多样性。
物种多样性对于水生态系统的稳定性和功能具有重要影响，因此，通过生物多样性修复技术可以提高水生态系统的抗干扰能力和稳定性。
野外生态学-研究方法和数据处理
这部分介绍英美学派和法瑞学派在植物群落学研究中的一些主要方法。需要实习人员有一定 的植被生态学基础，才能较好的掌握。 （一）植被调查的准备工作
1.背景资料准备
（1）调查研究之初，必须明确和设计好实验方案。包括目的、要求、对象、范围、深度、工 作时间、参加的人数，所采用的方法及预期所获的成果。 （2）对调查研究地和对象的前人研究工作要尽可能的收集资料，加以熟悉。 （3）对相关学科的资料也要收集，如地区的气象资料、地质资料、土壤资料、地貌水文资料 等。
在我国亚热带常绿阔叶林及其次生林中采用这个方法，据说 20 个中心点的数据可以与 2个 500平方米样方的精确度相当。同样该方法也可用于草地群落，只是相关的距离要根据实际 情况（纬度、经度、生态系统类型、干扰、地形等）进行调整。
5
二、群落特征的描述和度量
1. 多优度—群聚度的估测及其准则
多优度和群聚度相结合的打分法和记分法是法瑞学派的传统的野外工作方法。要有一定 的野外经验，这一方法与重视植物种类成相结合构成了这一学派的特色。
6
3. 生活力的记录
生活力又称生活强度或茂盛度。这也是全年连续定时记录的指标。一次性调查中只记录 该种植物当时的生活力强弱，主要反映生态上的适应和竞争能力，不包括因物候原因而生活 力变化者。
生活力一般分为 3 级： 强（或盛）： ●（营养生长良好，繁殖能力强，在群落中生长势很好） 中：不记（中等或正常的生活力，即具有营养和繁殖能力，生长势一般） 弱（或衰）：Ο（营养生长不良，繁殖很差或不能繁殖，生长势很不好）
坡向
分层及各层特点
突出的生态现象
地被物情况 此群落还分布 于何处 人为影响方式 和程度 群落动态
表1 植物群落野外样地记录总表
日期 地点
1.背景资料准备
（1）调查研究之初，必须明确和设计好实验方案。包括目的、要求、对象、范围、深度、工 作时间、参加的人数，所采用的方法及预期所获的成果。 （2）对调查研究地和对象的前人研究工作要尽可能的收集资料，加以熟悉。 （3）对相关学科的资料也要收集，如地区的气象资料、地质资料、土壤资料、地貌水文资料 等。
在我国亚热带常绿阔叶林及其次生林中采用这个方法，据说 20 个中心点的数据可以与 2个 500平方米样方的精确度相当。同样该方法也可用于草地群落，只是相关的距离要根据实际 情况（纬度、经度、生态系统类型、干扰、地形等）进行调整。
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二、群落特征的描述和度量
1. 多优度—群聚度的估测及其准则
多优度和群聚度相结合的打分法和记分法是法瑞学派的传统的野外工作方法。要有一定 的野外经验，这一方法与重视植物种类成相结合构成了这一学派的特色。
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3. 生活力的记录
生活力又称生活强度或茂盛度。这也是全年连续定时记录的指标。一次性调查中只记录 该种植物当时的生活力强弱，主要反映生态上的适应和竞争能力，不包括因物候原因而生活 力变化者。
生活力一般分为 3 级： 强（或盛）： ●（营养生长良好，繁殖能力强，在群落中生长势很好） 中：不记（中等或正常的生活力，即具有营养和繁殖能力，生长势一般） 弱（或衰）：Ο（营养生长不良，繁殖很差或不能繁殖，生长势很不好）
坡向
分层及各层特点
突出的生态现象
地被物情况 此群落还分布 于何处 人为影响方式 和程度 群落动态
表1 植物群落野外样地记录总表
日期 地点
环境DNA技术在地下生态学中的应用_于水强
Abstract： Ecological processes below ground have the least understood factors in ecosystem structure，functions，and processes． Due to technical and methodological limitations，the underground ecosystem ecology，as a “black box ” ，has become a bottleneck in the development of modern ecology． With the recent development of new DNA methods，the underground ecological research is becoming a hot topic in ecology． Environmental DNA technology includes extraction of DNA fragments directly from environmental samples such as soil ， qualitative and quantitative analyses of target organisms by DNA sequencing，and determination of the distribution and functional characteristics of target organisms in the ecosystem． The technology has been successfully applied to study underground ecological processes． Currently，environmental DNA technology is relatively established in the study of microbial diversity and function，and overcomes the long and unsolved issue that most soil microorganisms cannot be cultured． The environmental DNA technology can effectively analyze soil
第3节 生态学研究方法-生态因子测定
缺点：是多点样品混合后的测定值，从分析结果看
不出该地块土壤的细微变化。 过程：采样区的划分及采样点的布置；
采样路线； 采样工具； 采样方法。
（1）采样区的划分及采样点的布置： 在划分采样区之前，首先应该了解该地区的土壤 类型、地形、作物种类、耕作措施、施肥水平、产 量等基本情况，然后在基本情况大体一致的地块内 划分采样区。 A、采样区的面积：根据测定目的、要求及土壤的 变异情况来划分。
近年来，西欧有些国家测定土壤在氯化钙溶液[c （CaCl；）= 0.o1mol· L-1]中的pH。但土壤在氯化钾溶 液或氯化钙溶液中的pH值较在水中者为低，因此，测 定结果应注明，当解释结果时，要考虑这种差异（于 天仁，1988）。
在测定土壤pH时，选择一个合适的水土比例是非常重 要的。水土比例愈大，pH值愈高。国际土壤学会规定 水土比为2.5：1，在我国例行分析中以1: 1，2.5：1， 5：1较多，为使测定结果更接近田间的实际情况，水 土比以1：1或2.5：1甚至饱和泥浆较好，盐土用5：1。 此外，随着坚固的玻璃电极的出现，对于一般水分含 量的田间土壤也有可能进行原位的测定
采样原则： 具有高度的代表性。
此原则应始终贯穿在整个采样过程中，如何做到呢？ 两点要求： （1）避免一切主观因素的影响，做到随机、多点取样； （2）几个相互比较的样品组应由同等数量的土样组成。
采样方法： 分析目的不同，采样的要求与方法也不同。
*混合样品的采集： 目的：把土壤不均一性的影响减小到最低限度，以 减小采样误差，提高分析数据的可靠性，并且大 大减轻了工作量。
注意：微量元素样品不能放在报纸上。（为什么？）
水田样品：搅匀后取一部分进行测定，并同时测水 分含量，然后换算成干土重，计算测定结果。
1.生态学实验技术--土壤呼吸测定方法研究进展17
“土壤呼吸过程是除光合作用之外的 生态系统第二大碳通量过程，对于大 多数生态系统来说，由土壤呼吸释放 的 CO2 占 生态 系 统总碳 释 放量的 6090%”- Longdoz et al 2000.
地表释放CO2的过程
Air CO2
生物学 化学
浓度梯度
Soil CO2
物理 扩散
最早可追溯到19 世纪末 主要针对于耕作土壤 自然土壤测定:20世纪60 年代国 际生物学计划(IBP)以来。
A: soil area inside the collar
Ct Cx C0 Cx eat
Initial rate = slope at C = C0
dC dt
t0 a(Cx C0 )
FCO 2
10V
Po
(1
Wo ) 1000
RS(To 273.15)
C t
-0.08% lower for R2
我们把土壤呼吸定义为土壤中有机体和植物体地下部分产生二氧化碳的过程buscot2005土壤呼吸有时也称为地下部分呼吸虽然枯枝落叶层不属于地下部分但凋落物分解的呼吸产生的co2也包括在土壤呼吸里面luo2006土壤呼吸是指未经扰动的土壤中产生co2的所有代谢作用主要包括根系呼吸自养呼吸的一部分以及土壤微生物和土壤动物的异养呼吸方精云2007最早可追溯到19世纪末主要针对于耕作土壤自然土壤测定
-12.8% lower for flux
室内气体混合完全Good mixing
Since only a small volume of air inside a chamber is pumped into the IRGA for determining dC/dt, air inside the chamber needs a good mixing.
地表释放CO2的过程
Air CO2
生物学 化学
浓度梯度
Soil CO2
物理 扩散
最早可追溯到19 世纪末 主要针对于耕作土壤 自然土壤测定:20世纪60 年代国 际生物学计划(IBP)以来。
A: soil area inside the collar
Ct Cx C0 Cx eat
Initial rate = slope at C = C0
dC dt
t0 a(Cx C0 )
FCO 2
10V
Po
(1
Wo ) 1000
RS(To 273.15)
C t
-0.08% lower for R2
我们把土壤呼吸定义为土壤中有机体和植物体地下部分产生二氧化碳的过程buscot2005土壤呼吸有时也称为地下部分呼吸虽然枯枝落叶层不属于地下部分但凋落物分解的呼吸产生的co2也包括在土壤呼吸里面luo2006土壤呼吸是指未经扰动的土壤中产生co2的所有代谢作用主要包括根系呼吸自养呼吸的一部分以及土壤微生物和土壤动物的异养呼吸方精云2007最早可追溯到19世纪末主要针对于耕作土壤自然土壤测定
-12.8% lower for flux
室内气体混合完全Good mixing
Since only a small volume of air inside a chamber is pumped into the IRGA for determining dC/dt, air inside the chamber needs a good mixing.
技术与深层生态学
计算机以及它高科技 电子 设备 的使用 也许 不会专 门造 成
什么环境后果 ， 但 是它们 的制 造 已被证 明会对 人 、 非人 生物 以及它们的环境产生破坏 。 许多环境主义者认为 ， 技术应该 以对环境 敏感和 负责任 的方 式被使用 ， 甚 至 在保 护 自然 世界 的努 力 中承 担 核心 作 用， 而其他环境主 义者则 指 出， 技术 发展 和使 用所带 来 的额 外 负面后果 总是被 忽视 。这 些批评 指 向 了技术 的经 济和 政 治组 织以及技 术“ 统 治” 的社会后 果。批评者 指 出技 术 的发 展要求高度组 织的 、 分级决 策 的结构 ， 以及资本 集 中于少数 人 的手 中。核 能是经 常被提 及来说 明这 一点 的例 子。核 能 的发展要求 大量 的资金 、 集 中的控制 ， 以及 建立 政府 官僚 机 构 以监督安全 、 分配和处理核废料 。在将 建造核工 厂的社 区
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ４ － ０ ８
基金项 目： “ 中央高校基本科研业务 费专项 资金 ” （ 编号 ： １ ２ Ｌ Ｚ Ｕ Ｊ Ｂ ＷＹ Ｂ ０ ８ ３ ） ； 第三批 中国博士后科学基金特别资助（ 编号 ： ２ ０ １ ０ ０ ３ ５ ７ ８ ） 。
作者简介 ： 孙冠 臣（ １ ９ ７ Ｏ ～
编者按 ： 在技术的全球统 治下， 我们人类应该如何重新 筑造我们 的家园？面对越 来越 多的全球性 问题—— 饥 荒、 灾 害、 战争等— —人类应该如何思 想？如何 生存 ？在危机 面前， 是寻找拯救之途 ， 还是 思考如何 自我成全？ 生态哲学 已不再属 于伦理 学的范畴 ， 解决全球性 的生态危机 既是政 治、 经济 、 社 会、 技术等 实践 层 面的问题 ， 也 是反思人 与 自 然、 人与技术 、 人 的生存 方式等理 论层 面的 问题 。我们组 织摘译 了三组 文章 ， 从技 术、 深 层生 态学 以及人 类 的未来
生态学主要研究法
7.3 群落生态研究方法 7.3.1 群落一般特征研究 7.3.2 群落多样性研究 7.3.3 群落动态研究 7.3.1 群落一般特征研究 （1）物种组成研究 种-面积曲线法 也叫巢氏小区法 起始样方面积 草本1*1 灌木2*2 乔木5*5或10*10 （2）群落组成种的数量特征 样地法、样带法、无样地法 样地大小：用群落最小面积或通用标准地 临时样地、永久样地 样带法适合环境因子具有梯度变化的群落
要注意破坏性采样，如测定不同时期的生物量就需要整个植株采样，这样的话， 每个小区重复数一定要足够多，设计的时候要考虑总共采样多少次，每次采样多 少株，再加上成活率等意外影响
每个植株或者器官采样之后进行生长、生理生化指标的测定，每个指标的测定也 需要重复
以水分胁迫对银杏幼苗的生理特性的影响研究为例 如果因子少，如单一研究不同水分胁迫水平的影响，一般采用单因素随机区组设
测定目标个体与其最近个体的距离 继续寻找离目标个体次近个体，测定目标个体与次近个体间的距离 点-四分法 以群落中一个个体作为中心点，画出坐标图 在四个坐标象限中将其他个体进行定位，测定各个个体与中心点的距离
无样方法种群分布格局的判断 集群系数 7.2.2 种群的动态研究 （1）传统的方法： 种群生命表 种群存活曲线 以生命表为常见 适合小尺度的种群动态研究 植物种群一般采用静态生命表 即：用一次调查的该种群的种子、一年生幼苗、幼树、成年大树、衰老大树的数量
作为基本数据，计算各个年龄段的死亡率和存活率得到的结果 是一种空间代时间的方法
棕榈的静态生命表 对于一、二年生植物可以采用动态生命表的方式 即：跟踪一批同时出生的新个体，间隔一定的时间统计存活数，直至这些个体全部
死亡为止 （2）基于GIS的种群动态研究方法 以农业害虫的种群动态为例 获取研究区域的土地利用图或者分类后的卫星影像图和遥感影像图 建立各种土地利用类型的基本属性数据库，包括自然气候土壤特征、作物品种、
要注意破坏性采样，如测定不同时期的生物量就需要整个植株采样，这样的话， 每个小区重复数一定要足够多，设计的时候要考虑总共采样多少次，每次采样多 少株，再加上成活率等意外影响
每个植株或者器官采样之后进行生长、生理生化指标的测定，每个指标的测定也 需要重复
以水分胁迫对银杏幼苗的生理特性的影响研究为例 如果因子少，如单一研究不同水分胁迫水平的影响，一般采用单因素随机区组设
测定目标个体与其最近个体的距离 继续寻找离目标个体次近个体，测定目标个体与次近个体间的距离 点-四分法 以群落中一个个体作为中心点，画出坐标图 在四个坐标象限中将其他个体进行定位，测定各个个体与中心点的距离
无样方法种群分布格局的判断 集群系数 7.2.2 种群的动态研究 （1）传统的方法： 种群生命表 种群存活曲线 以生命表为常见 适合小尺度的种群动态研究 植物种群一般采用静态生命表 即：用一次调查的该种群的种子、一年生幼苗、幼树、成年大树、衰老大树的数量
作为基本数据，计算各个年龄段的死亡率和存活率得到的结果 是一种空间代时间的方法
棕榈的静态生命表 对于一、二年生植物可以采用动态生命表的方式 即：跟踪一批同时出生的新个体，间隔一定的时间统计存活数，直至这些个体全部
死亡为止 （2）基于GIS的种群动态研究方法 以农业害虫的种群动态为例 获取研究区域的土地利用图或者分类后的卫星影像图和遥感影像图 建立各种土地利用类型的基本属性数据库，包括自然气候土壤特征、作物品种、
北大考研-城市与环境学院研究生导师简介-贺金生
国,1 台 5.RetschBallMill，德国,1 台 6.RetschCentrifugalMill,德国,1 台 7.Win-Rhizo 根系分析系
统,加拿大,1 台 8.Li-Cor8150 八通道土壤呼吸分析系统,2 台 9.Li-Cor8100 土壤呼吸仪，2 台
10.PicarroCO2/CH4/H2OG2301GHG 分析仪，1 台 11.控温控湿培养箱，4 台◆研究项目 1.国
齿槲栎林的格局和过程"2.2003 年，获教育部自然科学一等奖一项：中国陆地生态系统碳循
环与植被生产力的研究，贺金生为第 3 完成人 3.2004 年，国家自然科学二等奖：中国陆地
生态系统生产力和碳循环的研究，贺金生为第 5 完成人 4.2006 年，北京大学“宝洁”奖 5.2007
年
，
Sino-SwissScienceandTechnologyCooperationResearchFellowship,SwissFederalInstituteofTechno
logy(ETHZurich),SwissNationalScienceFoundation6.2007 年 ， 北 京 大 学 优 秀 班 主 任 三 等 奖
7.2010"国家杰出青年科学基金"获得者
爱考机构 中国高端考研第一品牌（保过 保录 限额）
◆代表性论文 HeJ-S,WangX,SchmidB,FlynnDFB,LiXF,ReichPB,FangJ.2010.Taxonomicidentity,phylogeny,clim ateandsoilfertilityasdriversofleaftraitsacrossChinesegrasslandbiomes.JournalofPlantResearch123:5 51–561 MaW.H.,HeJ.-S.*,YangY.H.,WangX.P.,LiangC.Z.,AnwarM.,ZengH.,FangJ.Y.&SchmidB.2010.Env ironmentalfactorsco-varywithplantdiversity-productivityrelationshipsamongChinesegrasslandsites. GlobalEcologyandBiogeography19:233–243 BaumannF,HeJ-S,SchmidtK,KühnP,ScholtenT.2009.Pedogenesis,permafrost,andsoilmoistureascon trollingfactorsforsoilnitrogenandcarboncontentsacrosstheTibetanPlateau.GlobalChangeBiology15: 3001–3017 YangYH,FangJY,SmithP,TangYH,ChenAP,JiCJ,HuHF,RaoS,TanK,HeJ-S.2009.Changesintopsoilc arbonstockintheTibetangrasslandsbetweenthe1980sand2004.GlobalChangeBiology15:2723–2729 HeJ-S,WangXP,FlynnDF,WangL,SchmidB,FangJY.2009.Taxonomic,phylogeneticandenvironment altradeoffsbetweenleafproductivityandpersistence.Ecology90:2779-2791 HeJ-S,WangL,FlynnDFB,WangX,MaW,FangJ.2008.Leafnitrogen:phosphorusstoichiometryacross Chinesegrasslandbiomes.Oecologia155,301-310 HeJ-S,FangJY,WangZH,GuoDL,FlynnDFB,GengZ.2006.Stoichiometryandlarge-scalepatternsoflea fcarbonandnitrogeninthegrasslandbiomesofChina.Oecologia,149:115-122 HeJ-S,WangZH,WangXP,SchmidB,ZuoW,ZhouM,ZhengCY,WangMF,FangJY,2006.Atestofthegen eralityofleaftraitrelationshipsontheTibetanPlateau.NewPhytologist,170:835-848 BalvaneraP,PfistererAB,BuchmannN,HeJ-S,NakashizukaT,RaffaelliD,SchmidB.2006.Quantifyingt heevidenceforbiodiversityeffectsonecosystemfunctioningandservices.EcologyLetters,99:1146 – 1156 HeJ-S,FlynnDFB,Wolfe-BellinK,FangJ,BazzazFA.2005.CO2andnitrogen,butnotpopulationdensity, alterthesizeandC/NratioofPhytolaccaamericanaseeds.FunctionalEcology,19:437-444 HeJ-S,Wolfe-BellinKS,SchmidB,BazzazFA.2005.Densitymayalterdiversity-productivityrelationshi psinexperimentalplantcommunities.BasicandAppliedEcology,6:505-517 HeJ-S,Wolfe-BellinKS,BazzazFA.2005.Leaf-levelphysiology,biomass,andreproductionofPhytolac caamericanaunderconditionsofelevatedCO2andalteredtemperatureregimes.InternationalJournalofP lantSciences,166:615-622 HeJ-S,BazzazFA.2003.Density-dependentresponsesofreproductiveallocationtoelevatedatmospheric CO2inPhytolaccaamericana.NewPhytologist,157:229-239. HeJ-S,BazzazFA,SchmidB.2002.Interactiveeffectsofdiversity,nutrientsandelevatedCO2onexperim entalplantcommunities. 点 基 础 研 究 发 展 规 划 (973 计 划 ) ： 中 国 陆 地 生 态 系 统 碳 循 环 及 其 驱 动 机 制 研 究
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便携式土壤温室气体分析仪同 时精确测量CH4、CO2、H2O及 土壤水分和温度，数据采集手 持机通过蓝牙自动采集温室气 体分析仪与TRIME-PICO的测 量数据，并可通过GPS定位分 析。 SoilBox-FMS便携式土壤呼吸 测量系统由气体抽样模块、气 体分析模块（包括水汽分析仪、 CO2分析仪和O2分析仪）、数 据采集器及Baseline模块（双 通道气路转换器）等集成于便 携式箱内。
加利福尼亚大学保护生物学研究中心（Vargas，2008） 原位研究监测土壤表面与剖面CO2浓度、根系及土壤过 程的时空动态变化
BTC-100微根窗根 系观测系统、 3层土壤剖面CO2、 水分、温度观测系 统 Li8100和ACE土壤 呼吸监测系统
上图：细根长度（上图空心蓝点）、菌根长度（上图实心红点）及 土壤呼吸动态变化； 下图：土温度与土壤体积含水量的动态变化（DOY为Day of year）
它的研究对象 包括植物根系、 地下动物和土 壤微生物，分 析生态系统地 上和地下部分 的关联、根系 生态、根系生 物地理以及地 下生物多样性 等方面（贺金 生，2004）。
Gerlinde B，2005
地下生态学的研究对象
根系
细根 菌根
水分 养分 呼吸 土壤碳氮水循环 （蒸渗仪）
土壤
易科泰生态技术公司Ecolab生态实验室 / eco-lab@ info@
茎流
Nadezhdina，2003
EMS62和EMS51多通道 植物茎流测量系统采用茎 热平衡原理（SHB，stem heat balance）连续准确 测量植物茎流量，是《中 华人民共和国林业行业标 准---森林生态系统长期定 位观测方法》（2011年7 月1日实施，本实验室参 与编制）中指定的液流测 量方法。 EMS62适用直 径6-12mm和12-20mm 的茎干， EMS51适于测 量直径大于12cm的树干。
蒸渗仪
蒸渗仪技术是通过对原位（或实验）土壤-植物柱 体系统（Soil Monolith）的精确监测和土壤水分 析，以研究土壤碳氮水循环包括水分平衡、物质平 衡、土壤溶质运移等的重要监测技术，是目前唯一 公认的基于水量平衡原理的蒸散监测方法，在欧洲 等广泛应用于农田、草原、森林及河流湿地等生态 系统的长期监测。
位于德国 Homécourt 的 大型蒸渗仪站
位于瑞士苏黎世 州 Reckenholz 的大型蒸渗仪站
小型蒸渗仪
SoilTron植物根系观测小型蒸渗 仪主体结构包括土壤柱体、漏斗 渗漏器及底座、称重系统等组成。 土壤柱体标准配置底面积500 cm2，高40cm，可选配其它规格 的土壤柱体。 标准配置3层土壤水分、土壤电导、 土壤温度及张力计监测。 8通道数据采集器，可接8个土壤 水分盐分传感器；另有土壤温度 和张力接口可接10个以上传感器 BTC-Borescope微根窗根系监测 系统，标准配置测管长度20cm、 直径2.85cm；带360视野可旋 转镜管；可充电式光纤照明。
微根窗技术
BTC根系生态监测系统是利 用微根管(Minirhizotron， 又称微根窗)技术进行非破 坏性监测分析根系动态的仪 器。这是一种非破坏性、定 点直接观察和研究植物根系 的方法，其最大优点是在不 干扰细根生长过程的前提下， 能连续监测单个细根从出生 到死亡的变化过程，也能记 录细根乃至根毛和菌根的生 长、生产和物候等特征。
CH4与O2在土壤呼吸中的地位
甲烷(CH4) 是除CO2以外的主要温 室气体之一，其全球变暖潜能为21。 对于土壤微生物来说，在有氧条件 下呼吸主要排出CO2，但在无氧条 件下，厌氧微生物则会排出大量的 CH4。 决定土壤在呼吸过程中是否会放出 CH4的决定因素就是O2，所以在测 定土壤呼吸尤其是测定湿地、水田 等生态系统的土壤呼吸时必须同时 测定CH4或O2。O2除了可以作为土 壤排放CH4的决定因素，还可以计 算呼吸商（Respiration Quotient， CO2/O2），从而提供土壤营养状况 及自养呼吸与异氧呼吸的生态信息。
地下生态学研究技术与应用
Ecolab生态研究室 李川
地下生态学
自 1990 年代后期以来，伴随着全球生态学研 究的深入，一个新兴的生态学领域——地下生 态学(belowground ecology)开始形成，并 得到了快速发展。地下生态学从不同学科层次 探索地下部分的结构、 功能、 过程以及与地上 部分的关系，并特别关注其对全球变化的响应。 地下生态学将是21世纪生态学的重要发展方向， 将揭开生态系统神秘的另一面。
生态系统地上和地下部分的关联
茎流 光合
根系
生态系统地上与地下部分主要是通过根系实现联合的。 但是，根系，尤其是细根(fine roots)可能是最不被 人们了解的植物器官。它作为提供植物养分和水分的 “源”和消耗 C的“汇”。已成为生态系统生态学及 全球变化研究中最受关注的热点(Morgan，2002)。 优势植物根系的形态(morphology)、 构型特性 (architecture)及分布(distribution)，尤其是细根 的周转过程，在很大程度上决定了该生态系统的 C 过 程、水分平衡、以及矿质元素的生物地球化学循环 (Schlesinger，1997)。 使用传统方法进行生态系统地下过程研究，特别是根 系研究时，一般都必须采取破坏性的采样方法.
电磁法
电磁学方法
TDR时域反射法
利用电磁脉冲技术，测量时金属波导体被用 来传输TDR信号，产生一个1GHz的高频电 磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周 围产生一个电磁场。信号传输到波导体的末 端后又反射回发射源。传输时间(10ps-2ns) 与土壤含水量密切相关。
FDR频域法
根据探测器发出的电磁波在不同介电常数物 质中反馈出来的电磁波不同，计算土壤水分， 土壤介质点特性受电磁频率、温度和盐度、 土壤颗粒形态及其所包含水的形态影响。
多通道监测系统
由于土壤质地的不均匀和地下根 系分布，在相邻很近的两个地点 测量得到的土壤呼吸数据就可能 差距很大。因此在测量土壤呼吸 进行多通道多点测量就十分有必 要了。 ACE多通道土壤呼吸全自动监测 系统（ACE-Net）是目前国际上 唯一一款真正实现同步化多通道 土壤碳通量自动测量的完整系统。 本系统由一台控制主机和多台单 机组成，既可组网工作，每台单 机也可以独立工作。它有效监测 直径200m，可连接多达30个测 量单机，整套系统可进行长期监 测。
芬兰的欧洲赤松林根系季节变化 Advancing the use of minirhizotrons in wetlands， Iversen，2011
加利福尼亚草原旱季土壤菌根的周转和生产力 Treseder，2010
土壤水分
土壤水是植物吸收 水分的主要来源。
烘干称重法 中子仪法
土壤水分 测量方法
光合测量与生理监测
PTM-48A植物生理生态监测系 统可长期、自动监测植物的光合 速率、蒸腾速率，植物生理生长 状态，环境因子。 系统具备4个自动开合的叶室叶 室平时处于打开位置，不影响叶 片的自然生长状态；测量时叶室 闭合，读取叶片的CO2、H2O交 换速率，闭合时间只有30秒， 最大程度减少对叶片的扰动。 系统还具备1个数字通道连接 RTH-48传感器组合（组合了空 气温、湿度传感器、光合有效辐 射传感器、干湿传感器）；8个 模拟通道连接其他可选传感器， 如茎干微变化、树干生长、果实 生长、叶温、茎流等。
蒸渗仪规格：表面积1m2，高2m 特别设计的湿地取土系统取原位湿地土柱 高精度称重系统 渗漏测量 高精度即时地下水位模拟控制系统BTC-100微根 窗根系生态观测系统 气体通量观测单元用于测量分析湿地土壤CO2、O2 和甲烷通量 在线原位测量分析总氮、硝态氮和亚硝态氮等 无线传输 传感器：土壤水势、TDR土壤含水量、温度传感器
大型蒸渗仪
湿地地下水生态观测蒸渗仪由德 国UFZ环境研究中心与德国UGT 公司研制，利用特制的原位取土 系统采取原位湿地土柱，采用精 确的地下水控制系统，可精确重 现真实的野外条件。 通过地下水位模拟控制系统、精 准称重系统、根系观测单元、气 体通量观测单元、溶质在线分析 单元等，原位（In-situ）观测 或异地（Ex-situ）模拟观测地 下水位变化与湿地土壤蒸散、渗 漏、降雨及溶质运移的即时动态 变化关系，适于三角洲、河滩及 洪泛平原、泥炭地、高山湿地及 其它地下水位较浅（常年一般维 持在0－2m）的土地类型。
便携式测量仪器
TRIME-PICO TDR土壤 水分测量系统，是目前 国际上公认的最为准确 的土壤水分测量仪，可 测定土壤表面和剖面水 分含量，精度最高可达 1%。
原位监测系统
GlobeLog 土壤水分三维立体监测系统由 GlobeLog 数据采集器、 TRIME-PICO 土壤水分 传感器及相应网络化总线模块、无线传输模块等组 成的一套强大的区域三维立体土壤水分动态监测系 统。系统采用模块化结构，设置简单，安装操作非 常容易，可长期置于野外自动监测并无线传输数据 至客户终端。
The impact of increased above- and below-ground plant litter input on carbon cycling. Kuzyakov，2011
监测系统
由于土壤呼吸速率与土壤温 度、土壤水分密切相关，而 这两项参数会随着日周期在 一天的不同时段发生显著的 变化。所以为了更准确地估 算土壤的碳排放，有必要对 土壤呼吸进行长期的监测。 ACE自动土壤呼吸监测系统 完美地适应了科研工作者的 需要，自动化测量，可长期 连续无人值守监测土壤呼吸， 12V 40Ah蓄电池即可持续 供电最长达28天。