农田生态系统土壤呼吸研究进展

农田生态系统土壤呼吸研究进展

摘要综述了国内外对农田生态系统土壤呼吸的相关研究，以期为土壤呼吸以及全球碳循环研究提供参考。

关键词农田；土壤呼吸；碳循环；CO2通量

土壤呼吸指土壤向大气排放CO2的过程，是土壤有机碳输出的主要形式。土壤呼吸包括3个生物学过程（植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤动物呼吸）和1个非生物学过程（土壤中含碳物质化学氧化过程）。其中，土壤微生物呼吸和植物根系呼吸所排放的CO2占土壤呼吸总量的绝大部分。土壤呼吸不仅可以改变灌层CO2梯度，为下层提供更多的光合作用产物，而且可以表征土壤质量、肥力、通气性等理化性质指标，反映农田生态系统对环境胁迫敏感程度。

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的一个重要过程，对全球碳素的变化有着重要的影响。土壤碳库通过呼吸作用所排放的总碳量约为68～100PgC/a，仅次于全球陆地总初级生产力的估算值（100～120PgC/a），且比全球陆地净初级生产力的量值（50～60PgC/a）要高。农田是全球碳库中最活跃的部分，其生产活动对土壤呼吸影响巨大，每年释放的CO2量可达640g/m2。目前，各种陆地生态系统土壤CO2释放问题成为当前气候变化的核心之一，对评价未来全球环境变化有重要意义。

1农田土壤呼吸的测定方法

1.1直接测定法

1.1.1静态气室法。一般是在一个密闭的气室内放有吸收CO2的物质来测定土壤CO2的释放量。通过计算碱液的消耗量，再根据碱液与CO2反应的定量关系求算出CO2的释放量以及推算土壤呼吸速率。此法简便、经济，虽沿用至今，但其最大的缺陷是测量面积相对较小，且对被测表面的自然状态产生干扰。

1.1.2动态气室法。是通过一个气流交换式的采集气体系统连接红外线气体分析仪（IRGA）对气室中产生CO2的连续测定，目前被认为是最为理想的测定方法。该测量法最主要的优点是能基本保持被测量表面的环境状况而使得测量结果更接近于真实值。对于两者测定精度，有研究表明，静态测量法结果偏大，约是动态测量值的2倍，但Myeong Hui Yim的研究表明，当土壤气体通量值较低时，动态法敏感性较弱，静态测量法则接近真实水平。

1.1.3微气象法-涡度相关法。涡度相关法是目前国际上的主流方法，它是通过计算物理量的脉动与风速脉动的协方差求算湍流输送量的方法，是一种非破坏性测定的微气象技术，且可以长时间较大范围的观测，已广泛地应用于农田生态系统碳通量的测定中；但涡度相关技术是从土壤表面测得的CO2通量，仅为土壤呼吸真实碳通量的近似估计，特别是通过短时间内测量值的外推尤为如此。

1.2间接测定法

间接测定法是通过其他参数来估算土壤CO2释放量。该方法需要建立所测指标与土壤间的定量关系，而且这种定量关系一般适用于特定的生态系统。因此，这类方法在实际应用过程中具有较大的时空局限性，并且测定的结果也难以和其他方法直接比较。

2农田生态系统土壤呼吸影响因子

2.1温度对农田土壤呼吸的影响

土壤呼吸过程以土壤中的微生物和植物根系呼吸为主。有研究表明，土壤呼吸与土壤温度具有良好的相关性，温度直接影响着微生物活性和植物呼吸酶的活性。通常用土壤呼吸熵Q10值来表征土壤CO2通量对温度变化的敏感性，Q10是指当温度上升10℃时，土壤呼吸增加的倍数，其计算公式为：Q10=e10b（b 为温度敏感系数）。一般情况下，微生物活动最适温度约为25～35℃，超出这个范围，微生物活性和根呼吸酶活性就会受到明显抑制。此外，许多研究发现，土壤呼吸和地下5cm、10cm、15cm、20cm处土层温度有良好的相关关系。王立刚等对黄淮海平原农田的研究发现，土壤呼吸受5cm处地温影响最大，两者相关系数R=0.839 6，达极显著水平（p=0.01），与10cm地温相关系数达到0.788 1。

2.2湿度对农田土壤呼吸的影响

土壤湿度是土壤重要的物理性质，Orchard等认为，湿度通过限制土壤微生物与有效基质的接触来降低其活性和生物量，从而使土壤呼吸降低。土壤湿度不仅对土壤中有机质的迁移，还对植物根系的分布、生长和呼吸有影响，进而导致土壤呼吸剧烈变动。目前，对土壤湿度和土壤呼吸关系的研究相对较少，多数研究者认为，两者呈正相关关系，但Virzo等研究表明，两者之间存在负相关性。

温度和湿度是影响农田生态系统土壤呼吸的主要因子。许多研究表明，在复杂的生态系统中，往往表现为土壤温度和湿度协同作用，Keith等认为土壤温度和湿度可以解释土壤呼吸变异的97%以上。在农田土壤呼吸因子研究方面，国内多采用单因素分析，双因素呼吸模型较少，故对两者协同作用的机制还有待进一

步深入研究。

此外，农田管理（施肥、排灌、耕地等）、全球CO2浓度的升高、土壤的理化性质（通气性、结构、pH值等）、生物量等都会对农田土壤呼吸速率造成不同程度的影响。

3问题与展望

土壤呼吸是全球碳素平衡中的重要过程，对全球气候变化有着重要影响，近年来，土壤呼吸CO2通量已成为研究的热点问题之一。目前有关碳循环的研究较多，但多数集中在某个地带、大区、大地形等宏观尺度，针对中小尺度单元内的土壤碳循环研究尚不多见。我国对土壤呼吸研究较晚，多集中在森林、草地等方面，农田生态系统土壤呼吸研究较少。经过数十年，到目前为止，有关农田土壤呼吸研究中还存在着如土壤呼吸通量的精确测定、测定方法标准化、各组分对呼吸的贡献度、温度和湿度等多因子协同作用的机制等一些基本问题。针对当前研究存在的问题，在以后的研究中对土壤呼吸机理、影响因子协同机制，以及测定方法的完善、农田土壤呼吸模型和人为活动影响评价体系等方面应该进一步探究。

4参考文献

[1] RAICH J W，SCHLESINGER W H. The global carbon dioxide fux in soil respiration and its relationship to vegetation and clirnate[J].Tellus，1992（44B）：81-89.

[2] 刘立新，董云社，齐玉春.草地生态系统土壤呼吸研究进展[J].地理科学进展，2004，23（4）35-41.

[3] MYEONG HUI YIM，SEUNG JIN JOO，KANEYUKI NAKANE. Comparison of field methods for measuring soil respiration：a static alkali absorption method and two dynamic closed chamber methods[J].Forest Ecology and Management，2002（170）：189-197.

[4] 唐凯，丁丽佳，陈往溪.土壤呼吸研究概述[J].广东气象，2008，30（3），36-38.

[5] CONANT R T，PETER D B，KLOPATEK C C，et al. Controls onsoilrespiration in semiarid soils[J].Soil Biology&Bioche mistry，2004（36）：945-951.