土壤呼吸测定方法述评与展望

闫美杰,时伟宇,杜 盛

(1.西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨陵712100;2.中国科学院水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100;3.中国科学院 研究生院,北京100049)

随着全球气候变化对人类生存环境和经济发展的影响日益加剧,地球温暖化已成为人类面临的重大环境问题[1]。而大气CO2浓度的升高被广泛认为是导致这一问题的重要原因[2]。因此,近年来对生态系统的碳固定与碳排放的研究成为生态与环境科学以及社会经济学关注的热点。

土壤是全球陆地生态系统中最大的碳库,它储存的有机碳总量约为1 500 Pg,是植被储碳量(500～600 Pg)的2～3倍,大气储碳量(750 Pg)的 2倍多[3]。每年因土壤呼吸向大气释放的CO2约占大气CO2的10%[4],成为大气CO2的重要碳源。正因为土壤呼吸的高CO2释放量,它的细微变化便有可能引起大气CO2浓度的明显改变[5]。土壤有机碳的动态变化,将直接影响全球的碳平衡。为此,在研究全球规模的碳收支时,对土壤中CO2的释放过程应寄予极大的关注[6]。土壤呼吸的精确测定也成为研究生态系统碳循环和地球温暖化的关键问题之一。

在陆地生态系统的碳循环中,植物通过光合作用固定大气中的CO2,同时又通过土壤呼吸将土壤中的碳素以CO2的形式释放到大气中。植物的光合作用一直是植物生理学和生态学的重要研究内容,利用直接和间接的测定方法,可以从叶片、植株和群落等尺度上估算植被对CO2的固定和生产力。近年来,利用卫星遥感技术,基于植物表层对放射的吸收与反射等特性,以监测植被表面的温度变化为途径,可从大尺度范围推测植物对CO2的固定和初级生产力[7]。尽管土壤呼吸也与温度有关[8-9],但是土壤呼吸放出的CO2源于土壤表面和土壤中,遥感技术等大尺度的研究方法难以适用。为此,在对土壤呼吸的研究中,只能以各种植被为对象,分别进行研究,以此向外扩展。

土壤呼吸(Soil respiration)是指土壤产生和向大气释放CO2的现象。这些CO2来源于植物地下部(根、根茎等)的呼吸(Root respiration)和土壤中的从属营养生物(动物、土壤微生物等)进行的有机物分解(Heterotrophic respiration)[10]。对土壤呼吸的测定方法虽然有很多,但每一种方法都存在着不同程度的缺陷。本文将土壤呼吸的各种测定方法进行比较,分析各自的特点及存在的问题,并对其应用作一定的评述与展望。

1 土壤呼吸测定方法的分类

随着科学技术的不断发展,土壤呼吸的测定方法从最早单一的化学方法,到目前包括化学、物理学和生态学的多方位、多角度的方法,一直在不断地完善、发展中。在诸多测定方法中,大致可分为两大类,一类是微气象学法,另一类是气室测定法。

1.1 微气象学法

严格地讲,该种方法不能够准确测定土壤呼吸,它测定的是群落整体的CO2动态变化,包括土壤层和植被地上层两部分。经过其它手段进行测算,可以估算土壤呼吸的CO2贡献率。微气象学的代表方法是涡度相关法,它根据微气象学原理在植被层上方直接测量CO2的涡流传递速度,从而计算出植物群落的CO2收支动态[11]。在允许的植物冠层高度范围内,用此法测定CO2的吸收和排放动态,不受生态系统类型的限制,特别适用于大范围、中长期的定位观测,能推算出数公顷的植被的代表值。但此法要求下垫面气流保持一定的稳定性,受地表附近的地形和植被构造的影响显著。而且该方法还要受到成本和技术的限制,在实际应用中具有一定的局限性。

1.2 气室法

气室法是在土壤表面安装用金属或树脂制作的气室,根据气室内从土壤表面向大气扩散CO2的速率进而算出土壤呼吸速率的方法。这种测定方法的优点是能观测到小范围的土壤呼吸特性及其细微的变化。但在受到空间不均一性的影响下,进行大尺度扩展同样有一定的困难。此外,从气室安置于地表时起,气室内的环境就和自然状态产生一定差异,由此会产生一些误差。

气室法按其测定原理也可分为两大类型,一类是封闭型气室法,另一类是开放型气室法[12]。两者的区别是气室内的空气与外界是否连通。封闭型气室法在测定时气室内的空气暂时与外界隔绝,通过测定气室内CO2浓度随时间的变化而获得土壤呼吸释放CO2的速率。而开放型气室法是向气室内注入一定流量的气体,通过计算入口处与出口处CO2浓度而获得土壤呼吸速率的一种方法。其中,封闭型气室法又可进一步分为静态气室法(静态碱液吸收法、静态密闭气室法)和动态气室法(动态密闭气室法、自动开闭气室法)。静态气室法就是测定一个时间段前后气室内的CO2浓度,由此得到单位时间内土壤释放的CO2量。动态气室法是使用红外线CO2分析仪(IRGA)和气室连成一个闭合型流路,使一定量的空气在流路内循环,由此计算出其空气中的CO2浓度的时间变化。两者的区别在于是否使气室内的空气强制流动。开放型气室法都属于动态式的,以通气法最具代表性。

2 各种气室法的特点及实际应用

2.1 静态碱液吸收法

该方法是静态气室法中常用的、也是应用最早的一种化学方法。具体做法是把盛有碱溶液(NaOH或KOH)或固体碱粒的容器敞口置于气室内,放置一段时间后,因部分碱液吸收CO2形成碳酸盐,用中和滴定法或重量法计算出剩余的碱量,便可根据相应公式计算出一定时间内土壤释放的CO2量[13]。这种方法操作非常简单,不需要复杂的仪器设备,也可以多点测定,便于在较大的时空尺度上展开研究。迄今为止,碱液吸收法在草原[14-16]、农田生态系统[17]、森林[18-19]和沙地[20]的土壤研究中得到了广泛应用。但碱液吸收法测定精度不甚理想,普遍认为当土壤呼吸率低时,测定结果高于真实值[21-23];若土壤呼吸率处于很高水平,则测定结果会低于真实值[24]。因此对于碱液吸收法测定的土壤呼吸数据需进行校正[24]。

2.2 静态密闭气室法

用真空采样瓶等每隔一定时间采取气室内的空气样品,用红外线CO2分析仪[25]或气相色谱仪[26]来分析其中的CO2浓度,根据CO2浓度的时间变化算出土壤的呼吸速率。该方法在野外期间只采样气,操作简便,不需要药品和动力,运用也很普遍。

2.3 动态密闭气室法

将气室和红外线CO2分析仪连成闭合型流路,使一定流量的空气在流路内循环,同时检测其中CO2浓度随时间的变化。随着IRGA分析技术及相关仪器的不断改进,此法已成为目前最为流行的测定方法,以美国LI-COR的相关仪器最为著名。

2.4 通气法

通气法是开放型气室法的代表方法,它的测定原理是从气室的一方往气室内注入一定流量的空气,再从另一方将相同流量的空气吸出。根据注入的空气和所吸出的空气中CO2浓度差来计算土壤的呼吸速率[12-13,27]。它的测定原理与光合作用同化相同,在光合作用测定中得到了充分验证和广泛的应用。随着光合作用研究技术的迅速发展,新的仪器设备大大提高了通气法的测量精度。目前在农田[27]、果园[28-30]和林地[31-32]等许多生态系统的土壤呼吸测定中得以应用。通气法在测定一个群体的CO2流量(流入或流出)方面有很多应用。例如：在位于北极冻土地带的植被设置透明材料制作的气室,应用此法可直接测定群落的净生产量[33]。还有人将透明的气室固定在水田表面,测定水面总体的CO2流量(包括土壤呼吸、浮草类和绿藻类的光合作用与呼吸量等)[34]。此外,还有人用该方法测定雪地表面的CO2流量[35-36]。

3 气室法的性能比较和存在的主要问题

气室法虽然是目前测量土壤呼吸的主要方法,但在实际操作中每种气室法都各有利弊。Nakadai et al和Bekku et al就它的有效性和问题点[13-23]进行了分析和探讨。本文也将各种方法的主要性能作了简要的比较(表1)。

表1 各种气室法的性能比较

碱液吸收法和静态密闭气室法在野外操作简便,曾经被广泛应用。如有可能同时多设置几个气室,运用这种手法可以研究土壤呼吸的空间变异。但这两种方法具有明显的人工采样、人工测定的特点,精确度会受到质疑,而且也不适合连续测定。低成本是碱液吸收法的最大特点;静态密闭气室法尽管在采样阶段成本较低,但进行CO2浓度分析的仪器(如气相色谱仪)还是高额的。

目前广泛使用的动态气室法由于仪器性能比过去大大提高,自动化程度高,受到了很好的评价。而且,LI-COR公司还开发了可以进行多点测量的多路系统,通过自动转换能够对多达16个气室进行轮流测定,实现了同一样点重复测定的时间间隔在2 h之内。事实上,动态气室法已经实现了从动态密闭气室法向自动开闭气室法的转变。尽管如此,测定点数问题仍然是该方法的一个限制因素,此外还有高额的仪器价格这一问题。

通气法由于往气室内注入一定流量的气体,不会改变气室内的环境,因此在一定期间内可以进行连续测定。但这种方法也存在着气室内外气压差的问题[37]。在测定期间,气室内的气压常常高于外界,导致土壤中CO2的释放受到一定的抑制,使测定值略低于实际值。受流量控制的影响,有时也会出现气室内的气压低于外界气压的情况,导致在通常大气压下释放不出的CO2得以释放,使得测定结果偏高。这个问题受气室和气泵之间距离的影响,在仪器设置时应予以注意。

4 测定方法的改善

在运用气室法测定土壤呼吸时,人们普遍关注以下3个方面的问题：(1)能否进行多点同时测定;(2)能否进行长期、连续的测定;(3)测量的精度是否满足要求。如果能同时满足以上3个条件,便是一种非常理想的土壤呼吸测定方法。技术人员正是围绕上述目标不断进行仪器的研发和改进。自动开闭气室法和开顶箱法就是近年来不断完善的方法。这两种方法使CO2浓度分析器的精确度得到了提高,同时也使设备小型化、轻量化。

开顶箱法就是在通气法的基础上改良了气室的形状[38]。随着气室形状的改变,通气路线也发生变化,避免了气室内外气压差的问题。这种方法能够将气室周围的空气直接吸入气室内,使CO2浓度基本稳定,而且可以增加测定的气室数量。

自动开闭气室法克服了动态密闭气室法早期的各种不足之处,能够长期连续测定和多点测定,进气口和压力通风口设计独特,大大提高了测量的精确度。自动开闭气室法在开发初期是不能搬运的,而且常常出现气室开闭的机械故障,但目前已经大大改善。LI-COR公司开发的分别适合于单点测定和多点测定的LI-8100和LI-8150测量系统虽然价格比较昂贵,但在测量准确性、稳定性和使用便利性等方面都达到了很高的水准。可以预料,这种方法将在今后的土壤呼吸测定中占主导地位。

5 土壤呼吸测定方法及研究热点展望

对于上述多种测定方法的运用,可根据研究目的有所侧重。测定自然环境条件下的总呼吸速率,LICOR公司的单点和多点测量系统受到广泛欢迎。但是通过采集土壤样品测量其特定条件下的呼吸速率,碱液吸收法仍然具有普遍适用性。由于碱液对CO2的吸收量也可通过测定溶液电导率进行计算,从而使该方法得以进一步发展[39-40],实现对同一样品随时间推移的多次测定,这是中和滴定法所达不到的。该方法在研究诱导呼吸等项目时十分便利。

测定土壤呼吸不仅是研究陆地生态系统碳循环的重要内容,而且对研究全球范围的碳排放有着重大意义。为了准确把握生态系统的固碳效应,除了探明植被通过光合作用从大气中吸收CO2的动态以外,还要探明系统内通过土壤呼吸向大气释放CO2的动态特征。

探明土壤呼吸各组分的动态特征也是一项重要的研究课题。据初步研究显示,土壤呼吸中根呼吸的贡献率在10%～90%,偏差很大[41-43]。这一方面表明各组分的贡献率是动态变化的,另一方面也说明由于测定方法的不同也会产生较大的误差。推算土壤根呼吸常用的方法是开沟隔离法[32]。就是将样方与四周的根切断,用隔离板将样方与周围的植物及土壤环境隔开,放置一段时间后再测定样方内外的土壤呼吸,根据差值来推算根系呼吸的贡献率。

研究环境因子对土壤根呼吸和微生物呼吸影响也将是一个重要课题,而且应对不同的生态系统进行比较研究。土壤含水量和土壤温度是影响土壤呼吸速率的主要因子[44]。在干燥气候环境下和土壤水分含量较低的土壤,水分因子的影响尤为显著,一次降水过程后土壤呼吸会有大幅度的升高,而且暂时增大的这部分土壤呼吸量相当于年间土壤呼吸量的16%～21%,是不容忽视的[31-32]。温度影响所有的生物代谢过程,土壤呼吸也不例外。温度与土壤呼吸总体上呈现一种正相关关系,但在温度因子为非主导环境因子的情况下可能不明显。在较大的时间和空间尺度上,温度的影响会明显地体现出来。因此,在全球气候变化越来越受到广泛关注的今后一个时期,研究各典型生态系统中土壤呼吸对温度的响应特征也将受到关注。

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