土壤呼吸的有機(jī)碳通量測定

土壤呼吸的有機(jī)碳通量測定

土壤呼吸是指土壤通過大氣向大氣排放co的過程，是土壤中有機(jī)碳的主要形式。土壤呼吸包括3個(gè)生物學(xué)過程(植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤動(dòng)物呼吸)和1個(gè)非生物學(xué)過程(土壤中含碳物質(zhì)化學(xué)氧化過程)。其中,土壤微生物呼吸和植物根系呼吸所排放的CO2占土壤呼吸總量的絕大部分。土壤呼吸不僅可以改變灌層CO2梯度,為下層提供更多的光合作用產(chǎn)物,而且可以表征土壤質(zhì)量、肥力、通氣性等理化性質(zhì)指標(biāo),反映農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境脅迫敏感程度。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的一個(gè)重要過程,對全球碳素的變化有著重要的影響。土壤碳庫通過呼吸作用所排放的總碳量約為68~100PgC/a,僅次于全球陸地總初級(jí)生產(chǎn)力的估算值(100~120PgC/a),且比全球陸地凈初級(jí)生產(chǎn)力的量值(50~60PgC/a)要高。農(nóng)田是全球碳庫中最活躍的部分,其生產(chǎn)活動(dòng)對土壤呼吸影響巨大,每年釋放的CO2量可達(dá)640g/m2。目前,各種陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2釋放問題成為當(dāng)前氣候變化的核心之一,對評價(jià)未來全球環(huán)境變化有重要意義。1農(nóng)業(yè)土壤呼吸測定1.1直接測量法1.1.1呼吸速率的計(jì)算一般是在一個(gè)密閉的氣室內(nèi)放有吸收CO2的物質(zhì)來測定土壤CO2的釋放量。通過計(jì)算堿液的消耗量,再根據(jù)堿液與CO2反應(yīng)的定量關(guān)系求算出CO2的釋放量以及推算土壤呼吸速率。此法簡便、經(jīng)濟(jì),雖沿用至今,但其最大的缺陷是測量面積相對較小,且對被測表面的自然狀態(tài)產(chǎn)生干擾。1.1.2測量法是通過一個(gè)氣流交換式的采集氣體系統(tǒng)連接紅外線氣體分析儀(IRGA)對氣室中產(chǎn)生CO2的連續(xù)測定,目前被認(rèn)為是最為理想的測定方法。該測量法最主要的優(yōu)點(diǎn)是能基本保持被測量表面的環(huán)境狀況而使得測量結(jié)果更接近于真實(shí)值。對于兩者測定精度,有研究表明,靜態(tài)測量法結(jié)果偏大,約是動(dòng)態(tài)測量值的2倍,但MyeongHuYim的研究表明,當(dāng)土壤氣體通量值較低時(shí),動(dòng)態(tài)法敏感性較弱,靜態(tài)測量法則接近真實(shí)水平。1.1.3自然湍流輸送量的測定渦度相關(guān)法是目前國際上的主流方法,它是通過計(jì)算物理量的脈動(dòng)與風(fēng)速脈動(dòng)的協(xié)方差求算湍流輸送量的方法,是一種非破壞性測定的微氣象技術(shù),且可以長時(shí)間較大范圍的觀測,已廣泛地應(yīng)用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳通量的測定中;但渦度相關(guān)技術(shù)是從土壤表面測得的CO2通量,僅為土壤呼吸真實(shí)碳通量的近似估計(jì),特別是通過短時(shí)間內(nèi)測量值的外推尤為如此。1.2建立并確定所測指標(biāo)與土壤的定量關(guān)系間接測定法是通過其他參數(shù)來估算土壤CO2釋放量。該方法需要建立所測指標(biāo)與土壤間的定量關(guān)系,而且這種定量關(guān)系一般適用于特定的生態(tài)系統(tǒng)。因此,這類方法在實(shí)際應(yīng)用過程中具有較大的時(shí)空局限性,并且測定的結(jié)果也難以和其他方法直接比較。2影響耕地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的因素2.1溫度敏感系數(shù)土壤呼吸過程以土壤中的微生物和植物根系呼吸為主。有研究表明,土壤呼吸與土壤溫度具有良好的相關(guān)性,溫度直接影響著微生物活性和植物呼吸酶的活性。通常用土壤呼吸熵Q10值來表征土壤CO2通量對溫度變化的敏感性,Q10是指當(dāng)溫度上升10℃時(shí),土壤呼吸增加的倍數(shù),其計(jì)算公式為:Q10=e10b(b為溫度敏感系數(shù))。一般情況下,微生物活動(dòng)最適溫度約為25~35℃,超出這個(gè)范圍,微生物活性和根呼吸酶活性就會(huì)受到明顯抑制。此外,許多研究發(fā)現(xiàn),土壤呼吸和地下5cm、10cm、15cm、20cm處土層溫度有良好的相關(guān)關(guān)系。王立剛等對黃淮海平原農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn),土壤呼吸受5cm處地溫影響最大,兩者相關(guān)系數(shù)R=0.8396,達(dá)極顯著水平(p=0.01),與10cm地溫相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7881。2.2農(nóng)田土壤呼吸因子研究土壤濕度是土壤重要的物理性質(zhì),Orchard等認(rèn)為,濕度通過限制土壤微生物與有效基質(zhì)的接觸來降低其活性和生物量,從而使土壤呼吸降低。土壤濕度不僅對土壤中有機(jī)質(zhì)的遷移,還對植物根系的分布、生長和呼吸有影響,進(jìn)而導(dǎo)致土壤呼吸劇烈變動(dòng)。目前,對土壤濕度和土壤呼吸關(guān)系的研究相對較少,多數(shù)研究者認(rèn)為,兩者呈正相關(guān)關(guān)系,但Virzo等研究表明,兩者之間存在負(fù)相關(guān)性。溫度和濕度是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的主要因子。許多研究表明,在復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中,往往表現(xiàn)為土壤溫度和濕度協(xié)同作用,Keith等認(rèn)為土壤溫度和濕度可以解釋土壤呼吸變異的97%以上。在農(nóng)田土壤呼吸因子研究方面,國內(nèi)多采用單因素分析,雙因素呼吸模型較少,故對兩者協(xié)同作用的機(jī)制還有待進(jìn)一步深入研究。此外,農(nóng)田管理(施肥、排灌、耕地等)、全球CO2濃度的升高、土壤的理化性質(zhì)(通氣性、結(jié)構(gòu)、pH值等)、生物量等都會(huì)對農(nóng)田土壤呼吸速率造成不同程度的影響。3農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸研究現(xiàn)狀土壤呼吸是全球碳素平衡中的重要過程,對全球氣候變化有著重要影響,近年來,土壤呼吸CO2通量已成為研究的熱點(diǎn)問題之一。目前有關(guān)碳循環(huán)的研究較多,但多數(shù)集中在某個(gè)地帶、大區(qū)、大地形等宏觀尺度,針對中小尺度單元內(nèi)的土壤碳循環(huán)研究尚不多見。我國對土壤呼吸研究較晚,多集中在森林、草地等方面,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸研究較少。經(jīng)過數(shù)十年,到目前為止,有關(guān)農(nóng)田土壤呼吸研究中還存在著如土壤呼吸通量的精確測定、測定方法標(biāo)準(zhǔn)化