土壤呼吸測定方法述評與展望

閆美杰,時偉宇,杜 盛

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

隨著全球氣候變化對人類生存環境和經濟發展的影響日益加劇,地球溫暖化已成為人類面臨的重大環境問題[1]。而大氣CO2濃度的升高被廣泛認為是導致這一問題的重要原因[2]。因此,近年來對生態系統的碳固定與碳排放的研究成為生態與環境科學以及社會經濟學關注的熱點。

土壤是全球陸地生態系統中最大的碳庫,它儲存的有機碳總量約為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。正因為土壤呼吸的高CO2釋放量,它的細微變化便有可能引起大氣CO2濃度的明顯改變[5]。土壤有機碳的動態變化,將直接影響全球的碳平衡。為此,在研究全球規模的碳收支時,對土壤中CO2的釋放過程應寄予極大的關注[6]。土壤呼吸的精確測定也成為研究生態系統碳循環和地球溫暖化的關鍵問題之一。

在陸地生態系統的碳循環中,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和生態學的重要研究內容,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的固定和生產力。近年來,利用衛星遙感技術,基于植物表層對放射的吸收與反射等特性,以監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的固定和初級生產力[7]。盡管土壤呼吸也與溫度有關[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,分別進行研究,以此向外擴展。

土壤呼吸(Soil respiration)是指土壤產生和向大氣釋放CO2的現象。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生物(動物、土壤微生物等)進行的有機物分解(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行比較,分析各自的特點及存在的問題,并對其應用作一定的評述與展望。

1 土壤呼吸測定方法的分類

隨著科學技術的不斷發展,土壤呼吸的測定方法從最早單一的化學方法,到目前包括化學、物理學和生態學的多方位、多角度的方法,一直在不斷地完善、發展中。在諸多測定方法中,大致可分為兩大類,一類是微氣象學法,另一類是氣室測定法。

1.1 微氣象學法

嚴格地講,該種方法不能夠準確測定土壤呼吸,它測定的是群落整體的CO2動態變化,包括土壤層和植被地上層兩部分。經過其它手段進行測算,可以估算土壤呼吸的CO2貢獻率。微氣象學的代表方法是渦度相關法,它根據微氣象學原理在植被層上方直接測量CO2的渦流傳遞速度,從而計算出植物群落的CO2收支動態[11]。在允許的植物冠層高度范圍內,用此法測定CO2的吸收和排放動態,不受生態系統類型的限制,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定性,受地表附近的地形和植被構造的影響顯著。而且該方法還要受到成本和技術的限制,在實際應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,根據氣室內從土壤表面向大氣擴散CO2的速率進而算出土壤呼吸速率的方法。這種測定方法的優點是能觀測到小范圍的土壤呼吸特性及其細微的變化。但在受到空間不均一性的影響下,進行大尺度擴展同樣有一定的困難。此外,從氣室安置于地表時起,氣室內的環境就和自然狀態產生一定差異,由此會產生一些誤差。

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]。兩者的區別是氣室內的空氣與外界是否連通。封閉型氣室法在測定時氣室內的空氣暫時與外界隔絕,通過測定氣室內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注入一定流量的氣體,通過計算入口處與出口處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一步分為靜態氣室法(靜態堿液吸收法、靜態密閉氣室法)和動態氣室法(動態密閉氣室法、自動開閉氣室法)。靜態氣室法就是測定一個時間段前后氣室內的CO2濃度,由此得到單位時間內土壤釋放的CO2量。動態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循環,由此計算出其空氣中的CO2濃度的時間變化。兩者的區別在于是否使氣室內的空氣強制流動。開放型氣室法都屬于動態式的,以通氣法最具代表性。

2 各種氣室法的特點及實際應用

2.1 靜態堿液吸收法

該方法是靜態氣室法中常用的、也是應用最早的一種化學方法。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,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算出剩余的堿量,便可根據相應公式計算出一定時間內土壤釋放的CO2量[13]。這種方法操作非常簡單,不需要復雜的儀器設備,也可以多點測定,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]、農田生態系統[17]、森林[18-19]和沙地[20]的土壤研究中得到了廣泛應用。但堿液吸收法測定精度不甚理想,普遍認為當土壤呼吸率低時,測定結果高于真實值[21-23];若土壤呼吸率處于很高水平,則測定結果會低于真實值[24]。因此對于堿液吸收法測定的土壤呼吸數據需進行校正[24]。

2.2 靜態密閉氣室法

用真空采樣瓶等每隔一定時間采取氣室內的空氣樣品,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,運用也很普遍。

2.3 動態密閉氣室法

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循環,同時檢測其中CO2濃度隨時間的變化。隨著IRGA分析技術及相關儀器的不斷改進,此法已成為目前最為流行的測定方法,以美國LI-COR的相關儀器最為著名。

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。根據注入的空氣和所吸出的空氣中CO2濃度差來計算土壤的呼吸速率[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證和廣泛的應用。隨著光合作用研究技術的迅速發展,新的儀器設備大大提高了通氣法的測量精度。目前在農田[27]、果園[28-30]和林地[31-32]等許多生態系統的土壤呼吸測定中得以應用。通氣法在測定一個群體的CO2流量(流入或流出)方面有很多應用。例如：在位于北極凍土地帶的植被設置透明材料制作的氣室,應用此法可直接測定群落的凈生產量[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[13-23]進行了分析和探討。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

堿液吸收法和靜態密閉氣室法在野外操作簡便,曾經被廣泛應用。如有可能同時多設置幾個氣室,運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,精確度會受到質疑,而且也不適合連續測定。低成本是堿液吸收法的最大特點;靜態密閉氣室法盡管在采樣階段成本較低,但進行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公司還開發了可以進行多點測量的多路系統,通過自動轉換能夠對多達16個氣室進行輪流測定,實現了同一樣點重復測定的時間間隔在2 h之內。事實上,動態氣室法已經實現了從動態密閉氣室法向自動開閉氣室法的轉變。盡管如此,測定點數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注入一定流量的氣體,不會改變氣室內的環境,因此在一定期間內可以進行連續測定。但這種方法也存在著氣室內外氣壓差的問題[37]。在測定期間,氣室內的氣壓常常高于外界,導致土壤中CO2的釋放受到一定的抑制,使測定值略低于實際值。受流量控制的影響,有時也會出現氣室內的氣壓低于外界氣壓的情況,導致在通常大氣壓下釋放不出的CO2得以釋放,使得測定結果偏高。這個問題受氣室和氣泵之間距離的影響,在儀器設置時應予以注意。

4 測定方法的改善

在運用氣室法測定土壤呼吸時,人們普遍關注以下3個方面的問題：(1)能否進行多點同時測定;(2)能否進行長期、連續的測定;(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。技術人員正是圍繞上述目標不斷進行儀器的研發和改進。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,同時也使設備小型化、輕量化。

開頂箱法就是在通氣法的基礎上改良了氣室的形狀[38]。隨著氣室形狀的改變,通氣路線也發生變化,避免了氣室內外氣壓差的問題。這種方法能夠將氣室周圍的空氣直接吸入氣室內,使CO2濃度基本穩定,而且可以增加測定的氣室數量。

自動開閉氣室法克服了動態密閉氣室法早期的各種不足之處,能夠長期連續測定和多點測定,進氣口和壓力通風口設計獨特,大大提高了測量的精確度。自動開閉氣室法在開發初期是不能搬運的,而且常常出現氣室開閉的機械故障,但目前已經大大改善。LI-COR公司開發的分別適合于單點測定和多點測定的LI-8100和LI-8150測量系統雖然價格比較昂貴,但在測量準確性、穩定性和使用便利性等方面都達到了很高的水準?？梢灶A料,這種方法將在今后的土壤呼吸測定中占主導地位。

5 土壤呼吸測定方法及研究熱點展望

對于上述多種測定方法的運用,可根據研究目的有所側重。測定自然環境條件下的總呼吸速率,LICOR公司的單點和多點測量系統受到廣泛歡迎。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率進行計算,從而使該方法得以進一步發展[39-40],實現對同一樣品隨時間推移的多次測定,這是中和滴定法所達不到的。該方法在研究誘導呼吸等項目時十分便利。

測定土壤呼吸不僅是研究陸地生態系統碳循環的重要內容,而且對研究全球范圍的碳排放有著重大意義。為了準確把握生態系統的固碳效應,除了探明植被通過光合作用從大氣中吸收CO2的動態以外,還要探明系統內通過土壤呼吸向大氣釋放CO2的動態特征。

探明土壤呼吸各組分的動態特征也是一項重要的研究課題。據初步研究顯示,土壤呼吸中根呼吸的貢獻率在10%～90%,偏差很大[41-43]。這一方面表明各組分的貢獻率是動態變化的,另一方面也說明由于測定方法的不同也會產生較大的誤差。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境隔開,放置一段時間后再測定樣方內外的土壤呼吸,根據差值來推算根系呼吸的貢獻率。

研究環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,而且應對不同的生態系統進行比較研究。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一種正相關關系,但在溫度因子為非主導環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出來。因此,在全球氣候變化越來越受到廣泛關注的今后一個時期,研究各典型生態系統中土壤呼吸對溫度的響應特征也將受到關注。

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