土壤呼吸及其测量技术概述

Ryan & Law，2005
土壤呼吸的组成



在土壤呼吸组分中，大约50%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 的分解，仅有10%左右来源于更老的、更难利用 的有机碳分解（Högberg，2001）。 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50％～ 93％， 温带森林40％～ 50 ％， 草地17％～60％（Ohashi，2000）。 土壤动物呼吸和含碳矿物质的化学氧化作用一般 忽略不计。
CO2 吸收光谱— 4.25μm吸收峰
IR 发射光谱
CO2 free gas
CO2
High CO2
封闭动态箱法

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CO2含量的变化值，计 算土壤呼吸速率。


优点：可以在3-5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 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CO2 浓度增加时，土壤中CO2扩散梯度就会随之减小， 进而使CO2通量下降，造成对实际呼吸速率的低 估。
土壤呼吸及其测量 技术概述
易科泰生态技术有限公司 Eco-Lab生态研究室 李川
土壤呼吸的定义

土壤呼吸（Soil Respiration）是指未扰动 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、 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。
碳循环
生态
地质水文
全球变化
农牧业
工矿业
1997.12.9日本京都联合国气候大会
2009.12哥本哈根世界气候大会
人为增加排放碳的吸收汇
[2000-2006]
45%释放的CO2进入大气
Ocean 24%
55%被自然汇所吸收
Land 30%
Canadell et al. 2007, PNAS
2. 土壤湿度


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 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 的抑制因子。 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，土壤呼吸量最高。
3. 大气 CO2浓度升高 大气 CO2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 吸量的提高。同时 CO2浓度升高加速了细根的衰 老，促进了呼吸碳损失。 但也有研究表明，土壤中CO2浓度较高时，根系 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响土壤呼吸。
The impact of increased above- and below-ground plant litter input on carbon cycling. Kuzyakov，2011
温室气体只有CO2吗？


水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、 氧化亚氮 (N2O)、甲烷(CH4)、 臭氧(O3)等是地球大气中主要 的温室气体。 甲烷是天然气的最主要成分， 作为温室气体，其全球变暖潜 能为21。
The global carbon dioxide budget 2002– 2011

土壤呼吸作用的碳排放 量的估计量为68Pg/a至 100Pg/a。土壤碳储量 是大气碳储量的2倍， 土壤呼吸约占整个生态 系统呼吸的50-80% (Giardina and Ryan 2002)。土壤呼吸即使 发生较小的变化（10%） 也可能会超过由于土地 利用改变和化石燃料燃 烧而进入大气的 CO2年 输入量。
优点：消除了封闭气室改变CO2扩散梯度而 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。

涡度相关法

涡度相关法首先由Swiabank于1951年提出。 1961年Dyer制成第一台涡度通量仪。但直 到最近20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 使得涡动相关法比较具有实际意义。
测定O2的重要性

Байду номын сангаас
O2是CO2和CH4排放的重要控制因素，因此湿地土 壤O2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 吸商（Respiration Quotient, CO2/O2）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。 由于CO2溶解于水的能力是O2的30倍，同时测量土 壤O2和CO2可以更加精确、客观、全面地反映土壤 碳排放。
开放动态箱法

Edwards N T (1974), A moving chamber design for accurate measurements of soil respiration rates. Oikos 25, 97–101.

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 CO2浓度差， 计算土壤呼吸速率。
SRS2000
SRS1000
Soilbox-343
空间异质性和时间异质性
监测系统
ACE自动土壤呼吸监测系统
ACE多通道土壤呼吸全自动监 测系统（ACE-Net）
SCG-N土壤剖面CO2原位梯度监测系统
SCG-ES湿地CO2原位梯度监测系统

WS-TRIME便携式土壤温 室气体分析仪

SoilBox-FMS便携式土壤 呼吸测量系统
封闭动态箱法 开放动态箱法

涡度相关法
碱液吸收法
Bornemann, F. 1920. Kohlensaure und Pflanzenwachstum. Mitt. Dtsch. Landwirtsch.-Ges. 35:363. Lundegårdh, H. 1921. Ecological studies in the assimilation of certain forest plants and shore plants. Sven. Bot. Tidskr. 15:46–94.
透明和不透明呼吸室
Soil only
Soil and small plants
Soil flux
NCER
易科泰生态技术公司Ecolab生态实验室 http://www.eco-tech.com.cn/ eco-lab@eco-tech.com.cn info@eco-lab.cn

24小时后……
优点：操作简便，不需要复杂的设备，利 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 想。

密闭气室法
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 缺点：因为气体保存运输中的泄漏问题， 精度仍不理想

IRGA红外气体分析技术
生物因素
不同植被类型 温度、 湿度、 土壤有机质含量和 pH值等 生态环境因子各不相同，因而土壤呼吸的 强度也不同。

人为因素
土地利用方式改变 森林砍伐 开垦 放牧利用
土壤呼吸的测量方法
间接测量方法 直接测量方法

静态气室法
碱液吸收法 密闭气室法

动态气室法
土壤呼吸的主要影响因素
非生物因素
1. 温度 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。

土壤呼吸的温度敏感性通常利用 Q10描述， 并通过下式确定值：Q10 ＝e10b。它是指温 度每增加10℃土壤呼吸增加的倍数。陆地 生态系统的Q10值为1.3~3.3，中值约为2.4， 高纬度地区大于低纬度地区（Raich， 1992）。

涡度相关法是在某一高度上，测量垂直风 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。


优点：在植物的冠层高度范围内，涡度相关法测 定CO2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CO2排放，同时对土壤系统几乎不 造成干扰。 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CO2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 土壤呼吸。而且不能区分土壤呼吸和植物呼吸。