土壤呼吸作為土壤生物活性指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力，是預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力對氣候變化相應(yīng)的參數(shù)之一。森林土壤呼吸可以占生態(tài)系統(tǒng)呼吸的60-90%，因此它對生態(tài)系統(tǒng)碳平衡起著重要的調(diào)節(jié)作用，即便土壤呼吸發(fā)生微小變化也會引起大氣中CO₂濃度的明顯改變，進(jìn)而影響氣候變化^[1-3]。

v 什么是土壤呼吸？

廣義上的土壤呼吸是指未經(jīng)擾動的土壤中產(chǎn)生CO₂的所有代謝作用，主要包括根系呼吸（自養(yǎng)呼吸的一部分）以及土壤微生物和土壤動物的異養(yǎng)呼吸；而在嚴(yán)格意義上講，土壤呼吸包括以下四部分：

? 土壤微生物呼吸

? 根系呼吸

? 土壤動物呼吸

? 含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用

其中，土壤微生物呼吸、根系呼吸和土壤動物呼吸屬于生物學(xué)過程；含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用屬于非生物學(xué)過程^[4]。

。

圖1 土壤呼吸組成

以上過程均發(fā)生在土壤之中，作為各種生命與非生命物質(zhì)的綜合體，土壤呼吸是幾個不同過程共同作用的結(jié)果，包括了復(fù)雜的生物過程和物理變化，任何單一過程的改變都會掩蓋、加速或遲滯其它過程的作用^[5-7]。

v 土壤呼吸影響因素

? 土壤溫度

土壤溫度是土壤呼吸重要的也是研究極多的影響因子，它主要是通過對土壤微生物代謝和植物根系生長的影響來調(diào)控土壤呼吸作用^[8]。研究證實(shí)，土壤呼吸的季節(jié)變化基本上與土壤溫度的變化一致，二者之間具有較明顯的規(guī)律性^[9]。

? 土壤含水量

土壤含水量對土壤微生物活性及其所參與的生物過程也有很大影響。它不僅對土壤養(yǎng)分等各種物質(zhì)的遷移和活性有影響^[10]，同時(shí)還影響著土壤中植物根系的生長和呼吸，土壤含水量的改變勢必植物根系的分布、根系呼吸以及土壤微生物群落的組成造成擾動，進(jìn)而導(dǎo)致土壤呼吸的劇烈變化。

? 地表植被類型

土壤呼吸速率在不同的植物群落中變動很大，植被可以通過影響土壤微環(huán)境、土壤結(jié)構(gòu)、土壤中碎屑的數(shù)量、質(zhì)量以及根系呼吸速率來影響土壤呼吸速率。有研究者比較了不同植被類型下的土壤呼吸速率的差異，發(fā)現(xiàn)草地的土壤呼吸速率極大，其次是森林，然后是農(nóng)田^[11]。除以上幾種影響因素外，土壤呼吸還受到植被季相、土壤質(zhì)地、土地利用方式等的影響。

v 全球氣候變化下的土壤呼吸

在全球CO₂濃度升高、氣溫上升、大氣氮沉降等發(fā)生變化的背景下，了解土壤呼吸對全球變化的響應(yīng)和適應(yīng)過程，研究土壤呼吸與相關(guān)因子的關(guān)系，有助于推動對未來氣候變化下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的認(rèn)識，也是全球變化研究的重要內(nèi)容^[12]。目前，研究者在土壤呼吸效應(yīng)和全球氣候變化之間的關(guān)系方面進(jìn)行了許多卓有成效的工作，為以后的進(jìn)一步研究提供了可借鑒的理論依據(jù)。

圖2 全球氣候變化因子對土壤呼吸影響

圖片來源于（李聳聳等，2018）

? 全球氣候變暖

土壤呼吸隨著溫度的升高而增強(qiáng)^[13]，全球變暖會導(dǎo)致土壤呼吸效應(yīng)增加，幾乎所有全球氣候變化的模型都預(yù)測變暖將促進(jìn)土壤碳的釋放^[14]。在全球尺度上，溫度每升高 2 ℃，土壤呼吸平均增加 12% ^[15]。同時(shí)，土壤碳的損失是全球氣候變暖的原因之一，這表明全球氣候變暖將使土壤微生物和土壤動物活動加劇，導(dǎo)致全球土壤碳庫釋放CO₂速度加快，顯著改變陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡動態(tài)，尤其在熱帶生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)敏感^[12]，但仍有待于深入的研究。

? 全球CO₂濃度升高

CO₂濃度升高也會刺激土壤呼吸的正反饋機(jī)制，升高的大氣 CO₂濃度將顯著加強(qiáng)植物的施肥效應(yīng)和抗蒸騰效應(yīng)，促使植物光合產(chǎn)物更多地流向根系，導(dǎo)致植被中地下碳分配增加，同時(shí)伴隨著根系分泌物、地上和地下部分凋落物增加，土壤微生物活性增強(qiáng)，從而導(dǎo)致土壤呼吸增加^[13,16]，并進(jìn)一步加劇溫室效應(yīng)^[16,17]，同時(shí)。全球溫度升高可能降低土壤碳匯的能力，甚至使土壤轉(zhuǎn)變?yōu)閮籼荚?sup>[13]。此外，CO₂濃度升高能夠促進(jìn)光合產(chǎn)物合成，促進(jìn)根生物量的累積，增加細(xì)根生物量、加快根周轉(zhuǎn)、分泌根際沉淀物影響微生物代謝過程等增強(qiáng)土壤呼吸^[15]。

? 大氣氮沉降

化石燃料的燃燒、工農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致大氣中排放的含氮化合物迅速增加是大氣氮沉降發(fā)生的主要原因。大氣氮沉降可以改變土壤理化性質(zhì)（如碳氮比）、土壤微生物活性，從而影響凋落物及土壤有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而改變土壤呼吸的碳排放速率^[18]?，F(xiàn)有研究表明，大氣氮沉降對土壤呼吸存在三種作用，分別為促進(jìn)作用、抑制作用或無影響，其具體的正向或負(fù)向作用因氣候條件和生態(tài)系統(tǒng)類型等原因而異^[15]。目前，由于影響機(jī)制的復(fù)雜性和多樣性，大氣氮沉降對土壤的影響仍存在爭議。

v 土壤呼吸組分區(qū)分

土壤呼吸組分區(qū)分的精準(zhǔn)測定是目前全球變化研究中迫切需要研究的課題。研究土壤呼吸的組成成分有助于解釋碳轉(zhuǎn)化過程和土壤呼吸過程，以及它們對環(huán)境因素的適應(yīng)性和響應(yīng)性。目前，土壤呼吸組分區(qū)分的測定方法^[19] 包括：

? 組分合成法

? 根去除法

? 根生物量外推法

? 同位素法

但這些方法均存在一定局限性, 還沒有一種完善的方法來區(qū)分植物根和根際微生物的呼吸。我們需要準(zhǔn)確區(qū)分土壤各呼吸組分, 才能準(zhǔn)確了解土壤呼吸的本質(zhì)，進(jìn)一步探究全球變化背景下土壤有機(jī)質(zhì)的變化模式和改善全球碳循環(huán)模型^[20]。

v 土壤呼吸測定方法

土壤表面通量的準(zhǔn)確測定是土壤呼吸研究的重要前提和基礎(chǔ)。因此為了解決土壤呼吸測量中的難題得到準(zhǔn)確可靠的研究數(shù)據(jù)，研究者們進(jìn)行了廣泛的研究，開發(fā)了多種土壤呼吸測定方法^[19]。

? 堿化學(xué)反應(yīng)吸收法（alkali absorption）

一種土壤呼吸初始的測定方法，普遍應(yīng)用于早期的土壤呼吸研究。它可以長時(shí)間、多點(diǎn)測定土壤碳通量。但由于反應(yīng)時(shí)間較長，時(shí)間分辨率低，無法進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)連續(xù)測定.其測量精度受眾多因素影響，諸如堿液用量、呼吸室進(jìn)入土壤的深度、堿液吸收面積、堿液距地面高度、呼吸室高度以及動態(tài)氣室中氣流的速率等，測定結(jié)果變異性較大，往往低估實(shí)際土壤呼吸速率。

? 靜態(tài)箱-氣相色譜法（Chromatograph techniques）

利用密閉靜態(tài)箱，按一定時(shí)間間隔，收集土壤表面釋放到箱內(nèi)的氣體，之后通過氣相色譜技術(shù)分析測定氣體中的溫室氣體濃度，計(jì)算出土壤溫室氣體排放速率的方法^[21]。氣相色譜法相對經(jīng)濟(jì)可靠，其優(yōu)點(diǎn)是可以多點(diǎn)同時(shí)取樣而且一個氣體樣品能同時(shí)測量幾種氣體成分。其缺點(diǎn)是在生長旺季，測量持續(xù)時(shí)間會顯著影響土壤呼吸速率，與其他方法相比可能會低估土壤呼吸速率。

? 動態(tài)箱—紅外氣體分析儀法（IRGA）

利用一個密閉的或氣流交換式的氣體采樣箱與紅外線氣體分析儀（IRGA）相聯(lián)接，對采樣箱中產(chǎn)生的CO₂直接進(jìn)行連續(xù)測定，是目前理想的測定方法。動態(tài)箱主要的優(yōu)點(diǎn)是能基本保持被測表面的環(huán)境狀況而使測量結(jié)果更接近于真實(shí)值，從而優(yōu)于堿液吸收法等靜態(tài)箱法。動態(tài)氣室結(jié)合便攜式紅外氣體分析儀一度是野外測定的主導(dǎo)方法^[22]。

? 微氣象學(xué)測定法—渦度相關(guān)法（Eddy covanance method）

渦度相關(guān)法是一種非破壞性測定的微氣象技術(shù)，它主要是應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量的測定中，是一種通過計(jì)算物理量脈動與風(fēng)速脈動的協(xié)方差求算湍流輸送量的方法。渦度相關(guān)技術(shù)從土壤表面測得的CO₂通量，僅為土壤呼吸真實(shí)碳通量的近似估計(jì)，并不能滿足土壤呼吸的準(zhǔn)確估算。

? 全自動長期土壤呼吸室

全自動長期土壤呼吸一種對于來自土壤的氣體進(jìn)行收集測量的土壤呼吸測量裝置，通過連接土壤溫度和土壤水分傳感器，研究環(huán)境條件變化與土壤CO₂通量的相關(guān)性。空氣溫濕度傳感器采用高精度熱敏電阻快速響應(yīng)溫度變化產(chǎn)生阻值變化反饋出溫度變化，測定土壤的介電常數(shù)來確定含水量，可實(shí)現(xiàn)對土壤CO₂通量的在線長期、連續(xù)監(jiān)測。

相比于其他方法的局限性，全自動土壤呼吸監(jiān)測系統(tǒng)可以為土壤呼吸的探測與研究提供巨大的幫助，從日變化到季節(jié)動態(tài)乃至更長時(shí)間尺度的年際變化，土壤呼吸全自動監(jiān)測系統(tǒng)為長時(shí)間尺度的土壤呼吸研究監(jiān)測提供了方法與硬件上的支持。極大化的真實(shí)環(huán)境模擬和高精度傳感器減少了土壤擾動和測量誤差，可以更為精準(zhǔn)地估算生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳通量，對準(zhǔn)確監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)碳平衡和全球氣候變化具有重要意義。

5月有獎問答活動介紹

活動時(shí)間

2023年5月16日 - 2023年5月18日

截止參與時(shí)間：2023年5月18日 23:59

公布時(shí)間：截止時(shí)間后三個工作日內(nèi)

參與問答須知

1、仔細(xì)閱讀本期文章《土壤呼吸研究意義及監(jiān)測介紹》。

2、關(guān)注華益瑞微信公眾號

3、回復(fù)關(guān)鍵詞：5月問答

3、獲取答題鏈接/二維碼，參與答題即可。

獲獎公布時(shí)間

答題截止后，三個工作日內(nèi)公布獲獎名單

 小Tips

問答題的答案可在文章中尋找哦~

本期活動獎品如下

《陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測的原理與方法》二版

書籍內(nèi)容簡介

本書以近地邊界層大氣科學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地論述了陸地生態(tài)系統(tǒng)CO2、H2O、熱量和動量通量的觀測原理與方法，為從事全球變化、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)以及地圈-生物圈-大氣圈相互作用研究領(lǐng)域的科技人員提供了野外觀測、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與分析、生態(tài)學(xué)知識與數(shù)學(xué)模型的提煉等方面的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐技術(shù)，可作為相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動的參考書。全書共17章，1~6章系統(tǒng)介紹了全球變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮和水循環(huán)，陸地生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質(zhì)交換通量，地球大氣圈的垂直構(gòu)造與大氣成分，大氣圈的輻傳輸與地表輻平衡，近地邊界層特征與空氣運(yùn)動基本方程，近地邊界層湍流運(yùn)動特征與擴(kuò)散通量等有關(guān)近地邊界層大氣科學(xué)的基礎(chǔ)理論；7~10章詳細(xì)討論了基于空氣動力學(xué)和熱平衡的通量觀測、渦度相關(guān)技術(shù)原理及通量觀測、渦度相關(guān)觀測中的若干理論和技術(shù)問題、穩(wěn)定同位素技術(shù)在通量觀測中的應(yīng)用；11~14章綜述了陸地生態(tài)系統(tǒng)不同界面的碳氮水交換通量觀測方法、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與碳通量評價(jià)模型、陸地生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)及水通量的評價(jià)模擬、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水耦合循環(huán)及模擬模型的研究進(jìn)展；15、16章分別介紹和評述了全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的通量觀測及其實(shí)例，全球陸地大氣邊界層觀測實(shí)驗(yàn)/生態(tài)系統(tǒng)通量觀測網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)研究計(jì)劃；17章討論了中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)、研究進(jìn)展及發(fā)展方向。

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