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1、土壤呼吸及其测量土壤呼吸及其测量 技术概述技术概述 易科泰生态技术有限公司易科泰生态技术有限公司 Eco-Lab生态研究室生态研究室 李川李川 土壤呼吸的定义土壤呼吸的定义 土壤呼吸土壤呼吸（Soil Respiration）是指未扰动）是指未扰动 土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用，包土壤中产生二氧化碳的所有代谢作用，包 括三个生物学过程（即土壤微生物呼吸、括三个生物学过程（即土壤微生物呼吸、 根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物 学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。 Ryan & Law，2005 土壤呼吸的组成土壤呼吸
2、的组成 在土壤呼吸组分中，大约在土壤呼吸组分中，大约50%来源于活根和菌根来源于活根和菌根 的呼吸，剩下的大部分来源于新近形成的有机质的呼吸，剩下的大部分来源于新近形成的有机质 的分解，仅有的分解，仅有10%左右来源于更老的、更难利用左右来源于更老的、更难利用 的有机碳分解（的有机碳分解（Hgberg，2001）。）。 各类生态系统中根系呼吸占土壤总呼吸的比例大各类生态系统中根系呼吸占土壤总呼吸的比例大 致为：苔原带致为：苔原带50 93， 温带森林温带森林40 50 ， 草地草地1760（Ohashi，2000）。）。 土壤动物呼吸和含碳矿物质的化学氧化作用一般土壤动物呼吸和含碳矿物质的化学
3、氧化作用一般 忽略不计。忽略不计。 碳循环碳循环 生态生态 农牧业农牧业 工矿业工矿业 全球变化全球变化 地质水文地质水文 1997.12.9日本京都联合国气候大会日本京都联合国气候大会 2009.12哥本哈根世界气候大会哥本哈根世界气候大会 人为增加排放碳的吸收汇人为增加排放碳的吸收汇 Canadell et al. 2007, PNAS Ocean 24% Land 30% 55%被自然汇所吸收被自然汇所吸收 45%释放的释放的CO2进入大气进入大气 2000-2006 The global carbon dioxide budget 2002 2011 土壤呼吸作用的碳排放土壤呼吸作用的
4、碳排放 量的估计量为量的估计量为68Pg/a至至 100Pg/a。土壤碳储量。土壤碳储量 是大气碳储量的是大气碳储量的2倍，倍， 土壤呼吸约占整个生态土壤呼吸约占整个生态 系统呼吸的系统呼吸的50-80% (Giardina and Ryan 2002)。土壤呼吸即使。土壤呼吸即使 发生较小的变化（发生较小的变化（10%） 也可能会超过由于土地也可能会超过由于土地 利用改变和化石燃料燃利用改变和化石燃料燃 烧而进入大气的烧而进入大气的 CO2年年 输入量。输入量。 The impact of increased aboveThe impact of increased above- - and
5、 belowand below- -groundground plant litter input on carbon cycling. plant litter input on carbon cycling. KuzyakovKuzyakov，20112011 温室气体只有温室气体只有CO2吗？吗？ 水汽水汽(H2O)、二氧化碳、二氧化碳(CO2)、 氧化亚氮氧化亚氮 (N2O)、甲烷、甲烷(CH4)、 臭氧臭氧(O3)等是地球大气中主要等是地球大气中主要 的温室气体。的温室气体。 甲烷是天然气的最主要成分，甲烷是天然气的最主要成分， 作为温室气体，其全球变暖潜作为温室气体，其全球变暖潜
6、能为能为21。 测定测定O2的重要性的重要性 O2是是CO2和和CH4排放的重要控制因素，因此湿地土排放的重要控制因素，因此湿地土 壤壤O2测量监测对研究湿地碳排放和碳循环至关重要测量监测对研究湿地碳排放和碳循环至关重要 （IPCC, 2007；Bo Elberling et al., 2011）。呼）。呼 吸商（吸商（Respiration Quotient, CO2/O2）可以提供）可以提供 土壤营养状况及自养呼吸与异氧呼吸的生态信息。土壤营养状况及自养呼吸与异氧呼吸的生态信息。 由于由于CO2溶解于水的能力是溶解于水的能力是O2的的30倍，同时测量土倍，同时测量土 壤壤O2和和CO2可以
7、更加精确、客观、全面地反映土壤可以更加精确、客观、全面地反映土壤 碳排放。碳排放。 土壤呼吸的主要影响因素土壤呼吸的主要影响因素 非生物因素非生物因素 1. 温度温度 温度对土壤呼吸的影响主要是通过对土壤温度对土壤呼吸的影响主要是通过对土壤 微生物活性以及根系生长的影响造成的。微生物活性以及根系生长的影响造成的。 土壤呼吸的温度敏感性通常利用土壤呼吸的温度敏感性通常利用 Q10描述，描述， 并通过下式确定值：并通过下式确定值：Q10 e10b。它是指温。它是指温 度每增加度每增加10土壤呼吸增加的倍数。陆地土壤呼吸增加的倍数。陆地 生态系统的生态系统的Q10值为值为1.33.3，中值约为，中值
8、约为2.4， 高纬度地区大于低纬度地区高纬度地区大于低纬度地区（Raich， 1992）。）。 2. 土壤湿度土壤湿度 在一定条件下，当土壤湿度较低时，土壤呼吸与在一定条件下，当土壤湿度较低时，土壤呼吸与 水分表现为明显的相关关系，并且在一定范围内水分表现为明显的相关关系，并且在一定范围内 呼吸强度随土壤水分的增加而增加。但当土壤含呼吸强度随土壤水分的增加而增加。但当土壤含 水量超过一定的阈值，土壤湿度就成了土壤呼吸水量超过一定的阈值，土壤湿度就成了土壤呼吸 的抑制因子。的抑制因子。 有研究表明，在土壤含水量接近土壤持水量有研究表明，在土壤含水量接近土壤持水量(66. 3%)的一定范围内，土壤
9、呼吸量最高。的一定范围内，土壤呼吸量最高。 3. 大气大气 CO2浓度升高浓度升高 大气大气 CO2浓度升高的施肥效应和抗蒸腾效应将提浓度升高的施肥效应和抗蒸腾效应将提 高植物生长量和根系生物量，必然会导致根系呼高植物生长量和根系生物量，必然会导致根系呼 吸量的提高。同时吸量的提高。同时 CO2浓度升高加速了细根的衰浓度升高加速了细根的衰 老，促进了呼吸碳损失。老，促进了呼吸碳损失。 但也有研究表明，土壤中但也有研究表明，土壤中CO2浓度较高时，根系浓度较高时，根系 呼吸和微生物呼吸都会受到抑制（刘绍辉，呼吸和微生物呼吸都会受到抑制（刘绍辉， 1997）。）。 温室效应造成的大气温度升高也会影
10、响土壤呼吸。温室效应造成的大气温度升高也会影响土壤呼吸。 生物因素生物因素 不同植被类型不同植被类型 温度、温度、 湿度、湿度、 土壤有机质含量和土壤有机质含量和 pH值等值等 生态环境因子各不相同，因而土壤呼吸的生态环境因子各不相同，因而土壤呼吸的 强度也不同。强度也不同。 人为因素人为因素 土地利用方式改变土地利用方式改变 森林砍伐森林砍伐 开垦开垦 放牧利用放牧利用 土壤呼吸的测量方法土壤呼吸的测量方法 间接测量方法间接测量方法 直接测量方法直接测量方法 静态气室法静态气室法 碱液吸收法碱液吸收法 密闭气室法密闭气室法 动态气室法动态气室法 封闭动态箱法封闭动态箱法 开放动态箱法开放动态
11、箱法 涡度相关法涡度相关法 碱液吸收法碱液吸收法 Bornemann, F. 1920. Kohlensaure und Pflanzenwachstum. Mitt. Dtsch. Landwirtsch.-Ges. 35:363. Lundegrdh, H. 1921. Ecological studies in the assimilation of certain forest plants and shore plants. Sven. Bot. Tidskr. 15:4694. 24小时后小时后 优点：操作简便，不需要复杂的设备，利优点：操作简便，不需要复杂的设备，利 于进行多次重
12、复测定。于进行多次重复测定。 缺点：破坏原始环境状况，测定精度不理缺点：破坏原始环境状况，测定精度不理 想。想。 密闭气室法密闭气室法 优点：与碱液吸收法相比，实验时间减少，优点：与碱液吸收法相比，实验时间减少， 减少对原始环境的影响，精度有所提高减少对原始环境的影响，精度有所提高 缺点：因为气体保存运输中的泄漏问题，缺点：因为气体保存运输中的泄漏问题， 精度仍不理想精度仍不理想 IRGA红外气体分析技术红外气体分析技术 CO2 吸收光谱吸收光谱 4.25m吸收峰吸收峰 IR 发射光谱发射光谱 CO2 free gas CO2 High CO2 封闭动态箱法封闭动态箱法 用空气以一定的速率循环
13、通过密闭容器覆盖的土用空气以一定的速率循环通过密闭容器覆盖的土 壤样品表面，测量气体中壤样品表面，测量气体中CO2含量的变化值，计含量的变化值，计 算土壤呼吸速率。算土壤呼吸速率。 优点：可以在优点：可以在3-5分钟之内得到足够的数据，并通分钟之内得到足够的数据，并通 过线性回归忽略掉放置气室时的影响。气路完全过线性回归忽略掉放置气室时的影响。气路完全 封闭，受环境因素影响较小。封闭，受环境因素影响较小。 缺点：由菲克第一扩散定律决定，当气室的缺点：由菲克第一扩散定律决定，当气室的CO2 浓度增加时，土壤中浓度增加时，土壤中CO2扩散梯度就会随之减小，扩散梯度就会随之减小， 进而使进而使CO2
14、通量下降，造成对实际呼吸速率的低通量下降，造成对实际呼吸速率的低 估。估。 开放动态箱法开放动态箱法 Edwards N T (1974), A moving chamber design for accurate measurements of soil respiration rates. Oikos 25, 97101. 用空气以一定的速率通过容器覆盖的土壤样用空气以一定的速率通过容器覆盖的土壤样 品表面，测量进出容器气体的品表面，测量进出容器气体的 CO2浓度差，浓度差， 计算土壤呼吸速率。计算土壤呼吸速率。 优点：消除了封闭气室改变优点：消除了封闭气室改变CO2扩散梯度而扩散梯度而
15、造成的误差，测定精度更高。造成的误差，测定精度更高。 缺点：测定数据易受大风等环境因素干扰。缺点：测定数据易受大风等环境因素干扰。 涡度相关法涡度相关法 涡度相关法首先由涡度相关法首先由Swiabank于于1951年提出。年提出。 1961年年Dyer制成第一台涡度通量仪。但直制成第一台涡度通量仪。但直 到最近到最近20年，随着测量仪器设计制造的完年，随着测量仪器设计制造的完 善度、耐久性、可靠性及准确度的提高才善度、耐久性、可靠性及准确度的提高才 使得涡动相关法比较具有实际意义。使得涡动相关法比较具有实际意义。 涡度相关法是在某一高度上，测量垂直风涡度相关法是在某一高度上，测量垂直风 速和被
16、测气体密度的脉动值即可确定该气速和被测气体密度的脉动值即可确定该气 体在这一高度上的通量。体在这一高度上的通量。 优点：在植物的冠层高度范围内，涡度相关法测优点：在植物的冠层高度范围内，涡度相关法测 定定CO2排放不受生态系统类型的限制，特别适合测排放不受生态系统类型的限制，特别适合测 定大尺度内土壤定大尺度内土壤CO2排放，同时对土壤系统几乎不排放，同时对土壤系统几乎不 造成干扰。造成干扰。 缺点：要求土壤表面的异质性和地形条件要相对缺点：要求土壤表面的异质性和地形条件要相对 简单，测定土壤简单，测定土壤CO2排放的准确度很大程度上受大排放的准确度很大程度上受大 气、土壤表面和仪器设备的影响。不能直接测定气、土壤表面和仪器设备的影响。不能直接测定 土壤呼吸。而且不能区分土壤呼吸和植物呼吸。土壤呼吸。而且不能区分土壤呼吸和植物呼吸。 SRS1000 SRS2
