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。
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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。因此,该方法操作简便,尤其野外测定时不需要复杂的设备,利于进行多次重复测定,对于空间异质性大的土壤而言,这是很大的优点。正是由于该方法的这些优点,近年来此方法在研究草原[27-28,46]、农田生
[47][7,48-49]
态系统和森林土壤呼吸时得到了广泛应用。但碱液法也有其局限性,测定的精度不理想,在土壤呼吸速率低的情况下测定的结果比真实值高,反之,测定的结果比真实值低。
密闭气室法:密闭气室法包括气象色谱法和红外CO2分析法两种,是将一无底无盖的管状容器一端插入土壤中,经过一段时间稳定后加盖,用一针状连接器以一定的时间间隔抽
3 土壤呼吸组分的区分方法及评述
土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的主要环节,是大气CO2体积分数升高的关键生态学过程,每年土壤向大气释放6.80@1017~7.65@1017gC[12-13]。对土壤呼吸不同组分所占的比例,不同的研究者有不同的结论,因此,精确测定土壤呼吸及其各组分的呼吸是目前全球变化研究中最基础和最迫切需要研究的课题。
土壤呼吸可以综合为两个过程:自养呼吸和异养呼吸。严格来说,土壤根呼吸属于自养呼吸,但也很难把根际微生物呼吸和根呼吸严格区分开,所以一般研究者把根际微生物呼吸和根呼吸统称为根呼吸。3.1 组分合成法
组分合成法就是将土壤呼出的CO2按不同来源测量不同组分的呼吸速率,然后再将每部分的呼吸速率相加,即得出土壤总呼吸速率。易志刚等人认为组分合成法存在如下缺点:¹土壤各组分的区分过于人为化,某些组分的呼吸不能精确地加以区分,如土壤动物和微生物,一般算在矿质土壤呼吸内或者枯枝落叶层呼吸内;º该方法对系统的扰动剧烈,导致影响呼吸速率的因子较多,得到的各组分呼吸速率都不代表自然(原位)水平,与实际各组分呼吸相差较远,数据可靠性较低[51]。3.2 根去除法
此方法又可分为3部分,即根移走法、挖沟法和林窗分析法。
根移走法:首先原位测量土壤总呼吸速率,然后分土层将样方中的根去掉,然后将无根土按土层回填,最后用隔离物将无根土与周围环境隔离开。土壤总呼吸速率与测得的呼吸速率之差就是根呼吸速率。优点是不会带入大量死根影响呼吸速率,同时又能够得到根生物量数据;缺点是对土壤的扰动太大,测定的数据不准确。
挖沟法:在选定的样方边缘开沟,将样方与四周的根切