土壤呼吸測定方法述評與展望

閆美杰,時偉宇,杜 盛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西楊陵712100;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西楊陵712100;3.中國科學(xué)院 研究生院,北京100049)

隨著全球氣候變化對人類生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響日益加劇,地球溫暖化已成為人類面臨的重大環(huán)境問題[1]。而大氣CO2濃度的升高被廣泛認(rèn)為是導(dǎo)致這一問題的重要原因[2]。因此,近年來對生態(tài)系統(tǒng)的碳固定與碳排放的研究成為生態(tài)與環(huán)境科學(xué)以及社會經(jīng)濟(jì)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。

土壤是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫,它儲存的有機(jī)碳總量約為1 500 Pg,是植被儲碳量(500～600 Pg)的2～3倍,大氣儲碳量(750 Pg)的 2倍多[3]。每年因土壤呼吸向大氣釋放的CO2約占大氣CO2的10%[4],成為大氣CO2的重要碳源。正因?yàn)橥寥篮粑母逤O2釋放量,它的細(xì)微變化便有可能引起大氣CO2濃度的明顯改變[5]。土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化,將直接影響全球的碳平衡。為此,在研究全球規(guī)模的碳收支時,對土壤中CO2的釋放過程應(yīng)寄予極大的關(guān)注[6]。土壤呼吸的精確測定也成為研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和地球溫暖化的關(guān)鍵問題之一。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)中,植物通過光合作用固定大氣中的CO2,同時又通過土壤呼吸將土壤中的碳素以CO2的形式釋放到大氣中。植物的光合作用一直是植物生理學(xué)和生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容,利用直接和間接的測定方法,可以從葉片、植株和群落等尺度上估算植被對CO2的固定和生產(chǎn)力。近年來,利用衛(wèi)星遙感技術(shù),基于植物表層對放射的吸收與反射等特性,以監(jiān)測植被表面的溫度變化為途徑,可從大尺度范圍推測植物對CO2的固定和初級生產(chǎn)力[7]。盡管土壤呼吸也與溫度有關(guān)[8-9],但是土壤呼吸放出的CO2源于土壤表面和土壤中,遙感技術(shù)等大尺度的研究方法難以適用。為此,在對土壤呼吸的研究中,只能以各種植被為對象,分別進(jìn)行研究,以此向外擴(kuò)展。

土壤呼吸(Soil respiration)是指土壤產(chǎn)生和向大氣釋放CO2的現(xiàn)象。這些CO2來源于植物地下部(根、根莖等)的呼吸(Root respiration)和土壤中的從屬營養(yǎng)生物(動物、土壤微生物等)進(jìn)行的有機(jī)物分解(Heterotrophic respiration)[10]。對土壤呼吸的測定方法雖然有很多,但每一種方法都存在著不同程度的缺陷。本文將土壤呼吸的各種測定方法進(jìn)行比較,分析各自的特點(diǎn)及存在的問題,并對其應(yīng)用作一定的評述與展望。

1 土壤呼吸測定方法的分類

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,土壤呼吸的測定方法從最早單一的化學(xué)方法,到目前包括化學(xué)、物理學(xué)和生態(tài)學(xué)的多方位、多角度的方法,一直在不斷地完善、發(fā)展中。在諸多測定方法中,大致可分為兩大類,一類是微氣象學(xué)法,另一類是氣室測定法。

1.1 微氣象學(xué)法

嚴(yán)格地講,該種方法不能夠準(zhǔn)確測定土壤呼吸,它測定的是群落整體的CO2動態(tài)變化,包括土壤層和植被地上層兩部分。經(jīng)過其它手段進(jìn)行測算,可以估算土壤呼吸的CO2貢獻(xiàn)率。微氣象學(xué)的代表方法是渦度相關(guān)法,它根據(jù)微氣象學(xué)原理在植被層上方直接測量CO2的渦流傳遞速度,從而計(jì)算出植物群落的CO2收支動態(tài)[11]。在允許的植物冠層高度范圍內(nèi),用此法測定CO2的吸收和排放動態(tài),不受生態(tài)系統(tǒng)類型的限制,特別適用于大范圍、中長期的定位觀測,能推算出數(shù)公頃的植被的代表值。但此法要求下墊面氣流保持一定的穩(wěn)定性,受地表附近的地形和植被構(gòu)造的影響顯著。而且該方法還要受到成本和技術(shù)的限制,在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性。

1.2 氣室法

氣室法是在土壤表面安裝用金屬或樹脂制作的氣室,根據(jù)氣室內(nèi)從土壤表面向大氣擴(kuò)散CO2的速率進(jìn)而算出土壤呼吸速率的方法。這種測定方法的優(yōu)點(diǎn)是能觀測到小范圍的土壤呼吸特性及其細(xì)微的變化。但在受到空間不均一性的影響下,進(jìn)行大尺度擴(kuò)展同樣有一定的困難。此外,從氣室安置于地表時起,氣室內(nèi)的環(huán)境就和自然狀態(tài)產(chǎn)生一定差異,由此會產(chǎn)生一些誤差。

氣室法按其測定原理也可分為兩大類型,一類是封閉型氣室法,另一類是開放型氣室法[12]。兩者的區(qū)別是氣室內(nèi)的空氣與外界是否連通。封閉型氣室法在測定時氣室內(nèi)的空氣暫時與外界隔絕,通過測定氣室內(nèi)CO2濃度隨時間的變化而獲得土壤呼吸釋放CO2的速率。而開放型氣室法是向氣室內(nèi)注入一定流量的氣體,通過計(jì)算入口處與出口處CO2濃度而獲得土壤呼吸速率的一種方法。其中,封閉型氣室法又可進(jìn)一步分為靜態(tài)氣室法(靜態(tài)堿液吸收法、靜態(tài)密閉氣室法)和動態(tài)氣室法(動態(tài)密閉氣室法、自動開閉氣室法)。靜態(tài)氣室法就是測定一個時間段前后氣室內(nèi)的CO2濃度,由此得到單位時間內(nèi)土壤釋放的CO2量。動態(tài)氣室法是使用紅外線CO2分析儀(IRGA)和氣室連成一個閉合型流路,使一定量的空氣在流路內(nèi)循環(huán),由此計(jì)算出其空氣中的CO2濃度的時間變化。兩者的區(qū)別在于是否使氣室內(nèi)的空氣強(qiáng)制流動。開放型氣室法都屬于動態(tài)式的,以通氣法最具代表性。

2 各種氣室法的特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用

2.1 靜態(tài)堿液吸收法

該方法是靜態(tài)氣室法中常用的、也是應(yīng)用最早的一種化學(xué)方法。具體做法是把盛有堿溶液(NaOH或KOH)或固體堿粒的容器敞口置于氣室內(nèi),放置一段時間后,因部分堿液吸收CO2形成碳酸鹽,用中和滴定法或重量法計(jì)算出剩余的堿量,便可根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算出一定時間內(nèi)土壤釋放的CO2量[13]。這種方法操作非常簡單,不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備,也可以多點(diǎn)測定,便于在較大的時空尺度上展開研究。迄今為止,堿液吸收法在草原[14-16]、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[17]、森林[18-19]和沙地[20]的土壤研究中得到了廣泛應(yīng)用。但堿液吸收法測定精度不甚理想,普遍認(rèn)為當(dāng)土壤呼吸率低時,測定結(jié)果高于真實(shí)值[21-23];若土壤呼吸率處于很高水平,則測定結(jié)果會低于真實(shí)值[24]。因此對于堿液吸收法測定的土壤呼吸數(shù)據(jù)需進(jìn)行校正[24]。

2.2 靜態(tài)密閉氣室法

用真空采樣瓶等每隔一定時間采取氣室內(nèi)的空氣樣品,用紅外線CO2分析儀[25]或氣相色譜儀[26]來分析其中的CO2濃度,根據(jù)CO2濃度的時間變化算出土壤的呼吸速率。該方法在野外期間只采樣氣,操作簡便,不需要藥品和動力,運(yùn)用也很普遍。

2.3 動態(tài)密閉氣室法

將氣室和紅外線CO2分析儀連成閉合型流路,使一定流量的空氣在流路內(nèi)循環(huán),同時檢測其中CO2濃度隨時間的變化。隨著IRGA分析技術(shù)及相關(guān)儀器的不斷改進(jìn),此法已成為目前最為流行的測定方法,以美國LI-COR的相關(guān)儀器最為著名。

2.4 通氣法

通氣法是開放型氣室法的代表方法,它的測定原理是從氣室的一方往氣室內(nèi)注入一定流量的空氣,再從另一方將相同流量的空氣吸出。根據(jù)注入的空氣和所吸出的空氣中CO2濃度差來計(jì)算土壤的呼吸速率[12-13,27]。它的測定原理與光合作用同化相同,在光合作用測定中得到了充分驗(yàn)證和廣泛的應(yīng)用。隨著光合作用研究技術(shù)的迅速發(fā)展,新的儀器設(shè)備大大提高了通氣法的測量精度。目前在農(nóng)田[27]、果園[28-30]和林地[31-32]等許多生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸測定中得以應(yīng)用。通氣法在測定一個群體的CO2流量(流入或流出)方面有很多應(yīng)用。例如：在位于北極凍土地帶的植被設(shè)置透明材料制作的氣室,應(yīng)用此法可直接測定群落的凈生產(chǎn)量[33]。還有人將透明的氣室固定在水田表面,測定水面總體的CO2流量(包括土壤呼吸、浮草類和綠藻類的光合作用與呼吸量等)[34]。此外,還有人用該方法測定雪地表面的CO2流量[35-36]。

3 氣室法的性能比較和存在的主要問題

氣室法雖然是目前測量土壤呼吸的主要方法,但在實(shí)際操作中每種氣室法都各有利弊。Nakadai et al和Bekku et al就它的有效性和問題點(diǎn)[13-23]進(jìn)行了分析和探討。本文也將各種方法的主要性能作了簡要的比較(表1)。

表1 各種氣室法的性能比較

堿液吸收法和靜態(tài)密閉氣室法在野外操作簡便,曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用。如有可能同時多設(shè)置幾個氣室,運(yùn)用這種手法可以研究土壤呼吸的空間變異。但這兩種方法具有明顯的人工采樣、人工測定的特點(diǎn),精確度會受到質(zhì)疑,而且也不適合連續(xù)測定。低成本是堿液吸收法的最大特點(diǎn);靜態(tài)密閉氣室法盡管在采樣階段成本較低,但進(jìn)行CO2濃度分析的儀器(如氣相色譜儀)還是高額的。

目前廣泛使用的動態(tài)氣室法由于儀器性能比過去大大提高,自動化程度高,受到了很好的評價。而且,LI-COR公司還開發(fā)了可以進(jìn)行多點(diǎn)測量的多路系統(tǒng),通過自動轉(zhuǎn)換能夠?qū)Χ噙_(dá)16個氣室進(jìn)行輪流測定,實(shí)現(xiàn)了同一樣點(diǎn)重復(fù)測定的時間間隔在2 h之內(nèi)。事實(shí)上,動態(tài)氣室法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從動態(tài)密閉氣室法向自動開閉氣室法的轉(zhuǎn)變。盡管如此,測定點(diǎn)數(shù)問題仍然是該方法的一個限制因素,此外還有高額的儀器價格這一問題。

通氣法由于往氣室內(nèi)注入一定流量的氣體,不會改變氣室內(nèi)的環(huán)境,因此在一定期間內(nèi)可以進(jìn)行連續(xù)測定。但這種方法也存在著氣室內(nèi)外氣壓差的問題[37]。在測定期間,氣室內(nèi)的氣壓常常高于外界,導(dǎo)致土壤中CO2的釋放受到一定的抑制,使測定值略低于實(shí)際值。受流量控制的影響,有時也會出現(xiàn)氣室內(nèi)的氣壓低于外界氣壓的情況,導(dǎo)致在通常大氣壓下釋放不出的CO2得以釋放,使得測定結(jié)果偏高。這個問題受氣室和氣泵之間距離的影響,在儀器設(shè)置時應(yīng)予以注意。

4 測定方法的改善

在運(yùn)用氣室法測定土壤呼吸時,人們普遍關(guān)注以下3個方面的問題：(1)能否進(jìn)行多點(diǎn)同時測定;(2)能否進(jìn)行長期、連續(xù)的測定;(3)測量的精度是否滿足要求。如果能同時滿足以上3個條件,便是一種非常理想的土壤呼吸測定方法。技術(shù)人員正是圍繞上述目標(biāo)不斷進(jìn)行儀器的研發(fā)和改進(jìn)。自動開閉氣室法和開頂箱法就是近年來不斷完善的方法。這兩種方法使CO2濃度分析器的精確度得到了提高,同時也使設(shè)備小型化、輕量化。

開頂箱法就是在通氣法的基礎(chǔ)上改良了氣室的形狀[38]。隨著氣室形狀的改變,通氣路線也發(fā)生變化,避免了氣室內(nèi)外氣壓差的問題。這種方法能夠?qū)馐抑車目諝庵苯游霘馐覂?nèi),使CO2濃度基本穩(wěn)定,而且可以增加測定的氣室數(shù)量。

自動開閉氣室法克服了動態(tài)密閉氣室法早期的各種不足之處,能夠長期連續(xù)測定和多點(diǎn)測定,進(jìn)氣口和壓力通風(fēng)口設(shè)計(jì)獨(dú)特,大大提高了測量的精確度。自動開閉氣室法在開發(fā)初期是不能搬運(yùn)的,而且常常出現(xiàn)氣室開閉的機(jī)械故障,但目前已經(jīng)大大改善。LI-COR公司開發(fā)的分別適合于單點(diǎn)測定和多點(diǎn)測定的LI-8100和LI-8150測量系統(tǒng)雖然價格比較昂貴,但在測量準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和使用便利性等方面都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)?？梢灶A(yù)料,這種方法將在今后的土壤呼吸測定中占主導(dǎo)地位。

5 土壤呼吸測定方法及研究熱點(diǎn)展望

對于上述多種測定方法的運(yùn)用,可根據(jù)研究目的有所側(cè)重。測定自然環(huán)境條件下的總呼吸速率,LICOR公司的單點(diǎn)和多點(diǎn)測量系統(tǒng)受到廣泛歡迎。但是通過采集土壤樣品測量其特定條件下的呼吸速率,堿液吸收法仍然具有普遍適用性。由于堿液對CO2的吸收量也可通過測定溶液電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算,從而使該方法得以進(jìn)一步發(fā)展[39-40],實(shí)現(xiàn)對同一樣品隨時間推移的多次測定,這是中和滴定法所達(dá)不到的。該方法在研究誘導(dǎo)呼吸等項(xiàng)目時十分便利。

測定土壤呼吸不僅是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要內(nèi)容,而且對研究全球范圍的碳排放有著重大意義。為了準(zhǔn)確把握生態(tài)系統(tǒng)的固碳效應(yīng),除了探明植被通過光合作用從大氣中吸收CO2的動態(tài)以外,還要探明系統(tǒng)內(nèi)通過土壤呼吸向大氣釋放CO2的動態(tài)特征。

探明土壤呼吸各組分的動態(tài)特征也是一項(xiàng)重要的研究課題。據(jù)初步研究顯示,土壤呼吸中根呼吸的貢獻(xiàn)率在10%～90%,偏差很大[41-43]。這一方面表明各組分的貢獻(xiàn)率是動態(tài)變化的,另一方面也說明由于測定方法的不同也會產(chǎn)生較大的誤差。推算土壤根呼吸常用的方法是開溝隔離法[32]。就是將樣方與四周的根切斷,用隔離板將樣方與周圍的植物及土壤環(huán)境隔開,放置一段時間后再測定樣方內(nèi)外的土壤呼吸,根據(jù)差值來推算根系呼吸的貢獻(xiàn)率。

研究環(huán)境因子對土壤根呼吸和微生物呼吸影響也將是一個重要課題,而且應(yīng)對不同的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行比較研究。土壤含水量和土壤溫度是影響土壤呼吸速率的主要因子[44]。在干燥氣候環(huán)境下和土壤水分含量較低的土壤,水分因子的影響尤為顯著,一次降水過程后土壤呼吸會有大幅度的升高,而且暫時增大的這部分土壤呼吸量相當(dāng)于年間土壤呼吸量的16%～21%,是不容忽視的[31-32]。溫度影響所有的生物代謝過程,土壤呼吸也不例外。溫度與土壤呼吸總體上呈現(xiàn)一種正相關(guān)關(guān)系,但在溫度因子為非主導(dǎo)環(huán)境因子的情況下可能不明顯。在較大的時間和空間尺度上,溫度的影響會明顯地體現(xiàn)出來。因此,在全球氣候變化越來越受到廣泛關(guān)注的今后一個時期,研究各典型生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸對溫度的響應(yīng)特征也將受到關(guān)注。

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