土壤呼吸测量全面解决方案

土壤呼吸测量全面解决方案

土壤呼吸（Soil Respiration）是指土壤释放二氧化碳和甲烷的过程，严格意义上讲是指未扰动土壤中产生二氧化碳和甲烷的所有代谢作用，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。土壤动物呼吸和含碳矿物质的化学氧化作用因为比例很小，一般在计算土壤呼吸时忽略不计。

土壤呼吸组成示意图（Ryan & Law，2005）

土壤呼吸在全球生态系统中的重要地位

第一篇高精度的监测大气中二氧化碳浓度的文章由Keeling发表在1958年。之后众多研究者的大量工作发现大气中二氧化碳的浓度在不断升高，并由此造成了温室效应与一系列全球性的变化。

自1958年以来大气CO2升高示意图

研究发现，现在大气中温室气体急剧增加的罪魁祸首就是化石燃料的燃烧和土地利用方式的改变尤其是热带雨林的砍伐。在全球最大碳库——陆地生态系统中，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。所以土壤呼吸的变化能显著地减缓或加剧大气中 CO2的增加，进而影响气候变化（李玉宁，2002）。现在由于温室效应引起的全球变化中，最主要的现象就是气候异常和气温升高，而土壤呼吸速率会随着温度的升高呈指数函数增加，这又会进一步加剧温室效应。同时，森林砍伐等土地利用方式改变本身就会增加土壤呼吸。

全球碳循环示意图

因此，对各种类型的陆地生态系统土壤呼吸的研究一直是全球变化研究中的热点，并逐渐成为生态学研究中一个必不可少的测量指标。

研究方案与相关仪器

1.长期监测

由于土壤呼吸速率与土壤温度、土壤水分密切相

关，而这两项参数会随着日周期在一天的不同时段发

生显著的变化。所以为了更准确地估算土壤的碳排

放，有必要对土壤呼吸进行长期的监测。

ACE(Automated Soil CO2 Exchange Station)自

动土壤呼吸监测系统完美地适应了科研工作者的需

要，自动化测量，可长期连续无人值守监测土壤呼吸，

12V 40Ah蓄电池即可持续供电最长达28天。采用高

精度CO2分析仪，紧邻呼吸室，测量响应时间短，精

度高。土壤呼吸室表面积增大至415cm2，配合专用

土壤圈，使测量更准确。用户可选择多种测量模式和

呼吸室，设置不同的测量参数，适合更多的测量研究工作。

2.测量土壤CO2并同时测量O2、CH4

甲烷(CH4) 是除CO2以外的主要温室气体之一，其全球变暖潜能为21（即它的暖化能力比CO2高二十一倍）。对于土壤微生物来说，在有氧条件下呼吸主要排出CO2，但在无氧条件下，厌氧微生物则会排出大量的CH4。其基本反应式如下：

好氧微生物：C6H12O6→ 2C2H5OH + 2CO2

C2H5OH + 2[O] → CH3COOH + H2O

CH3COOH + 2O2→ 2CO2 + 2H2O

厌氧微生物：C6H12O6→ CH3CH3CH2COOH + 2CO2 + 2H2

2CH3CH3CH2COOH + 2H2O →5CH4 + 3CO2

由反应式即可看出，决定土壤在呼吸过程中是否会放出CH4的决定因素就是O2，所以在测定土壤呼吸尤其是测定湿地、水田等生态系统的土壤呼吸时必须同时测定CH4或O2。O2除了可以作为土壤排放CH4的决定因素，还可以计算呼吸商（Respiration Quotient，CO2/O2），从而提供土壤营养状况及自养

呼吸与异氧呼吸的生态信息。

便携式土壤温室气体分析仪由温室

气体分析仪、数据采集手持机、

TRIME-PICO土壤水分温度探头（智能传

感器）及土壤通量测量室组成，可同时精

确测量CH4、CO2、H2O及土壤水分和温

度，数据采集手持机通过蓝牙自动采集温

室气体分析仪与TRIME-PICO的测量数

据，并可通过GPS定位分析。广泛适用于农业、森林、草地、沼泽、湿地等的土壤呼吸、温室气体／碳通量测量、土壤生态修复监测研究、生物气（沼气）散失、垃圾掩埋研究及家畜温室气体排放等研究。

SoilBox-FMS便携式土壤呼吸测量系统由气体抽样模块、气体分析模块（包括水汽分析仪、CO2分析仪和O2分析仪）、数据采集器及Baseline模块（双通道气路转换器）等集成于便携式箱内，用于测量分析土壤呼吸、土壤根系呼吸、湿地气体通量测量、垃圾填埋场气体通量测量、地质碳排放、土壤异氧微生物呼吸、土壤动物呼吸、动物洞穴呼吸及生态系统净光合与净呼吸等，可广泛应用于碳源碳汇研究、生态修复研究、土壤活力监测、气候变化及动植物生理生态研究等。

SoilBox-FGA便携式土壤呼吸测量系统是SoilBox-FMS的简化版，由FGA CO2/O2分析仪和SoilBox土壤呼吸室组成，FGA内置CO2分析仪、O2分析仪、气体抽样单元及数据采集器。

3.多通道测量

土壤是个很复杂的系统。由于土壤质地的不均匀和地下根系分布，在相邻很近（甚至距离不足1米）的两个地点测量得到的土壤呼吸数据就可能差距很大。这一空间特异性是土壤呼吸测量中一个很重要的问题。所以在实际实验中，一般都需要在同一地点选择多个条件较为一致的样点进行测量，将数据平均后作为一个数据。因此在测量土壤呼吸的日周期变化时进行多通道多点测量就十分有必要了，另一方面，较大面积的测量区域对于估算整个生态系

统的土壤呼吸也更有代表性。

ACE多通道土壤呼吸全自动监测系统

（ACE-Net）是目前国际上唯一一款真正实现同

步化多通道土壤碳通量自动测量的完整系统。本

系统由一台控制主机和多台单机组成，既可组网

工作，每台单机也可以独立工作。它解决了土壤