土壤呼吸组分区分及其测定方法_1

土壤呼吸组分区分及其测定方法_1第37卷第1期2009年1月东北林业大学学报JOURNALOFNORTHEASTFORESTRYUNIVERSITYVo.l37No.1Jan.2009土壤呼吸组分区分及其测定方法陈宝玉王洪君杨建刘世荣1)葛剑平(中国农业科技东北创新中心农业环境与资源研究中心,长春,130124) (中国林业科学研究院) (北京师范大学)摘要简要叙述了土壤呼吸在国内外的研究现状,综述了土壤呼吸测定方法,并对土壤呼吸组分区分方法做了详细介绍和评述,最后提出土壤呼吸研究中存在的问题和建议。

关键词土壤呼吸;测定方法;呼吸组分;问题;建议分类号 S714.2SeparationofSoilRespirationComponentsandMethodforMeasuringSoilRespiration/Chen Baoyu,WangHongjun,YangJian(AgriculturalEnvironmentandResourcesResearchCentre,N ortheastAgriculturalResearchCentreofChina,Chang-chun130124,P.R.China);LiuShirong(InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtec tion,ChineseAcademyofFores-try);GeJianping(BeijingNormalUniversity)//JournalofNortheastForestryUniversity .-2009,37(1).-96~99Inthispaper,researchprogressandmeasuringmethodsforsoilrespirationaresummarized ,andapproachestosepa-raterespirationcomponentsfromsoilrespirationarediscussedindetai.lIntheend,thep roblemsexistingintheresearchandsuggestionsareputforward.Itissuggestedthatmores tudiesarenecessaryinthefuturework.KeywordsSoilrespiration;Measuringmethods;Componentsofsoilrespiration;Problems;Suggesti ons 在过去100多年来,人类正以前所未有的速度和强度在全球尺度上对地球系统产生着巨大影响,其中气候变化及其影响是当前人类面临的一个最大的环境问题,与之密切相关的碳循环问题是其研究中的热点和关键[1-2]。

土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库,直接影响着大气CO2的体积分数。

从1850年到1998年,大气中CO2体积分数大约增加了80@10-6,达到了366@10-6[3]。

由于陆地生态系统的多样性和人为影响,目前对陆地生态系统碳循环的认识还存在很大的不确定性,如-碳汇.的强度和具体位置。

森林土壤碳库是陆地生态系统碳库中贮量最大的部分,其地上部分含3.60@1017~4.80@1017gC(占地上部分的80%左右),地下部分含7.90@1017~9.30@1017gC(占地下部分的40%左右)[4]。

森林土壤呼吸亦是陆地生态系统土壤呼吸的重要组成部分,其动态变化将对全球碳平衡产生深远影响。

土壤呼吸是植物固定碳后,又以CO2形式返回大气的主要途径[5-6],即未扰动土壤中产生CO2的所有代谢过程[7],包括3个生物学过程(土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸和土[8]壤根呼吸)和一个化学氧化过程。

化学氧化过程对土壤呼吸的作用较小,可以忽略不计。

植物光合作用所固定碳量的55%以CO2形式从土壤和植物中释放到大气中[9-10]。

据研究,全球每年由土壤释放的CO2量为6.8@1017gC,远远高于由燃料燃烧而释放的CO2量(5.2@1017gC)[11]。

因此,鉴于土壤呼吸对全球碳循环和气候变化的重要性,开展土壤呼吸及其对全球变化的响应的研究具有重要意义。

基于表土层CO2的释放[12-13],而且研究地区大多集中在北美,尤其对温带草原、温带森林、亚热带森林和印度热带草原的研究较多。

植被类型不同的生态系统其土壤呼吸速率存在很大的差异,一般地,在土壤温度和含水量基本一致的条件下,土壤碳排放速率表现为森林土壤>农田土壤>草甸土壤,森林土壤的呼吸速率为713.72~2102.56mg#m-2#h-1,明显高于草甸土壤呼吸速率215.87~329.68mg#m-2#h-1,是后者的2~10倍[14]。

在森林和草地生态系统土壤呼吸组分研究中,多数研究者认为根呼吸占土壤呼吸的大部分。

Wiant、Edward和Thieeron等分别对不同森林的土壤呼吸进行了测定,得出根呼吸分别占土壤呼吸的45%~60%、54%~[15-17]78%和90%以上的结论。

土壤呼吸在一年中的最高值出现在6)8月份[18-20]。

S nchez等在西班牙的利昂地区对农田(种植谷类)的土壤呼吸进行了为期2a的研究,发现该地区的土壤呼吸速率在3月)10月间较高,11月)2月的土壤呼吸速率较低,且较为稳定,约为年平均值的一半[21],这与该地区的土壤生物群和根系在冬季均不活跃相一致。

我国对土壤呼吸问题的研究起步较晚,仅在最近十几年针对北方森林[22-24]、亚热带森林[25]、热带季雨林[26]、北方草[27][14]原和西藏高寒草原开展了一些研究工作。

研究表明,各种植被类型土壤呼吸都有明显的日动态、季节动态[21,28]和年动态变化规律[29]:日动态土壤呼吸的最大值多出现在12:00)[30]14:00,个别植被类型有提前或者顺延的现象;季节动态中土壤呼吸最高值出现在6)8月份[27];关于土壤呼吸年际动态的文献较少,其变化还没有确定的依据,总体趋势是随温室效应的加剧,土壤呼吸速率增加[31]。

研究者普遍认为:对土壤呼吸速率影响最大的因子是温度和土壤水分[32-34],此外还有森林结构[35]、土壤肥力及人为[36]活动等。

土壤温度和土壤呼吸速率呈显著的相关关[37-38]系,呼吸速率随温度呈指数上升[39]。

土壤呼吸与土壤5cm或10cm温度相关性最显著[18,40-41]。

Q10是反映土壤呼吸速率对全球升温敏感性的一个重要指标,在全球的不同地区,Q10随温度的变化差别很大。

在温带地区,Q10值大约为2.4[42],在北极地区Q10值为2.0~8.8[43],而Mikan等在北极苔原冻1 国内外土壤呼吸研究现状国际上早期的土壤呼吸测定开始于80多年前,基本上是1)国家自然科学基金杰出青年基金项目(30125036);国家重点基础研究发展规划项目(G2002CB111504);国家科技攻关项目(2001BA510B06);国家自然科学基金重大项目(39990490)。

第一作者简介:陈宝玉,男,1976年3月生,中国农业科技东北创新中心农业环境与资源研究中心,助理研究员。

通信作者:刘世荣。

收稿日期:2008年3月6日。

责任编辑:李金荣。

第1期陈宝玉等:土壤呼吸组分区分及其测定方法土地带研究土壤呼吸时,得出Q10值为4.6~9.4的结果[44]。

土壤含水量对土壤呼吸的影响较复杂,取决于水分是否为研究区土壤呼吸的主要限制因子。

研究得出的一般结论是:土壤呼吸速率随水分的增加而升高,土壤干湿交替时土壤呼吸也会出现类似现象。

97取气体样品进入真空容器内,用气相色谱仪或红外分析仪测定其中的CO2体积分数,计算得出CO2的排放速率。

密闭气室法所需的仪器设备费用相对较高[45]。

2.1.3 涡度相关法涡度相关法是根据微气象学原理测定地表气体排放通量。

一般在允许的植物冠层高度范围内,涡度相关法测定CO2排放不受生态系统类型的限制,特别适合测定大尺度内土壤CO2排放,其中土壤植物系统与大气之间的水气、CO2、能量的测量尺度均超过1km。

这种方法的另一优点是几乎不会对土壤系统造成干扰。

但涡度相关法要求土壤表面的异质性和地形条件要相对简单,所测定土壤CO2排放的准确度很大程度上受到大气、土壤表面和仪器设备的影响[45]。

2.2 间接测定法通过测定其它相关指标来推算土壤呼吸速率。

研究者用土壤中的三磷酸腺苷(ATP)质量分数估算土壤呼吸,认为1g土壤呼吸速率与1gATP质量分数有较明显的线性关系[2]。

此外,有研究者通过研究温度和水分对土壤呼吸的影响,建立回归方程计算得出土壤呼吸的大小[50]。

间接方法需要建立所测指标与土壤间的定量关系,而这种关系一般适用于特定的生态系统。

因此这种方法的应用具有较大的时空局限性,并且测定结果难以与其他方法的测定结果进行比较。

2 土壤呼吸测定方法土壤呼吸是表征土壤质量和肥力的重要生物学指标,由于它在全球气候变化和全球碳循环中的重要作用和独特地位,从20世纪初开始,国内外学者就一直在关注土壤呼吸的研究,随之而来的就是寻求某种合适的方法来测定土壤呼吸速率,以便能精确地估计碳库和保持生态系统的碳平衡。

但由于生态系统的复杂性和多样性,致使土壤呼吸速率的测定方法都具有其本身的优点和局限性。

能否找出一种方法具有最广泛的应用性,一直是研究者们不断探索的课题。

测定土壤呼吸的方法可以分为直接测定法和间接测定法两大类。

2.1 直接测定法直接测定法包括动态气室法、静态气室法和涡度相关[45]法。

2.1.1 动态气室法使用不含CO2或已知其中CO2体积分数的空气,使之以一定的速率通过被密闭容器覆盖的土壤样品表面,然后用红外气体分析仪测量其中气体CO2的体积分数,从而根据其差值计算土壤呼吸速率。

动态气室法通常包括动态密闭气室法和开放气流红外CO2分析法。

由于动态法比静态法更能准确地测定土壤呼吸的真实值,因此,它更适用于测定瞬间和整段时间CO2排放的速率。

有研究者指出,该方法的缺点是空气流通速率和气室内外的压力差对测定所造成的负面影响[45]。

令人欣慰的是Licor公司很好地解决了这一问题,该公司的第三代产品Licor-6400采用透气式的6400-09土壤呼吸室,使腔室内外的气压处于动态平衡状态。

但此方法所需设备昂贵而且必须保证持续的电力供应,使它在使用和推广上受到了一些限制。

2.1.2 静态气室法静态气室法是将土壤排放的CO2收集到容器中,经过一定时间的积累后再对容器内的CO2进行定量计算,由此得到单位时间内土壤释放的CO2量。

静态气室法包括静态碱液吸收法和静态密闭气室法。

碱液吸收法:用碱液(NaOH或KOH溶液,也有用固体碱粒)吸收CO2形成碳酸根,再用重量法或者中和滴定法计算出剩余的碱量,根据公式计算出一定时间内土壤排放的CO2总量,从而得到CO2的排放速率。