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土壤呼吸研究意義及監測介紹
土壤呼吸作為土壤生物活性指標，在一定程度上反映了土壤養分轉化和供應能力，是預測生態系統生產力對氣候變化相應的參數之一。森林土壤呼吸可以占生態系統呼吸的60-90%，因此它對生態系統碳平衡起著重要的調節作用，即便土壤呼吸發生微小變化也會引起大氣中CO2濃度的明顯改變，進而影響氣候變化[1-3]。
v 什么是土壤呼吸？
廣義上的土壤呼吸是指未經擾動的土壤中產生CO2的所有代謝作用，主要包括根系呼吸（自養呼吸的一部分）以及土壤微生物和土壤動物的異養呼吸；而在嚴格意義上講，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
? 含碳礦物質的化學氧化作用
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過程；含碳礦物質的化學氧化作用屬于非生物學過程[4]。
圖1 土壤呼吸組成
以上過程均發生在土壤之中，作為各種生命與非生命物質的綜合體，土壤呼吸是幾個不同過程共同作用的結果，包括了復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控土壤呼吸作用[8]。研究證實，土壤呼吸的季節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。它不僅對土壤養分等各種物質的遷移和活性有影響[10]，同時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，進而導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境、土壤結構、土壤中碎屑的數量、質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，發現草地的土壤呼吸速率極大，其次是森林，然后是農田[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、大氣氮沉降等發生變化的背景下，了解土壤呼吸對全球變化的響應和適應過程，研究土壤呼吸與相關因子的關系，有助于推動對未來氣候變化下陸地生態系統碳循環過程的認識，也是全球變化研究的重要內容[12]。目前，研究者在土壤呼吸效應和全球氣候變化之間的關系方面進行了許多卓有成效的工作，為以后的進一步研究提供了可借鑒的理論依據。
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[13]，全球變暖會導致土壤呼吸效應增加，幾乎所有全球氣候變化的模型都預測變暖將促進土壤碳的釋放[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，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，導致全球土壤碳庫釋放CO2速度加快，顯著改變陸地生態系統碳平衡動態，尤其在熱帶生態系統表現敏感[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制，升高的大氣 CO2濃度將顯著加強植物的施肥效應和抗蒸騰效應，促使植物光合產物更多地流向根系，導致植被中地下碳分配增加，同時伴隨著根系分泌物、地上和地下部分凋落物增加，土壤微生物活性增強，從而導致土壤呼吸增加[13,16]，并進一步加劇溫室效應[16,17]，同時。全球溫度升高可能降低土壤碳匯的能力，甚至使土壤轉變為凈碳源[13]。此外，CO2濃度升高能夠促進光合產物合成，促進根生物量的累積，增加細根生物量、加快根周轉、分泌根際沉淀物影響微生物代謝過程等增強土壤呼吸[15]。
? 大氣氮沉降
化石燃料的燃燒、工農業以及畜牧業的發展導致大氣中排放的含氮化合物迅速增加是大氣氮沉降發生的主要原因。大氣氮沉降可以改變土壤理化性質（如碳氮比）、土壤微生物活性，從而影響凋落物及土壤有機質的分解，進而改變土壤呼吸的碳排放速率[18]。現有研究表明，大氣氮沉降對土壤呼吸存在三種作用，分別為促進作用、抑制作用或無影響，其具體的正向或負向作用因氣候條件和生態系統類型等原因而異[15]。目前，由于影響機制的復雜性和多樣性，大氣氮沉降對土壤的影響仍存在爭議。
v 土壤呼吸組分區分
土壤呼吸組分區分的精準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化過程和土壤呼吸過程，以及它們對環境因素的適應性和響應性。目前，土壤呼吸組分區分的測定方法[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分植物根和根際微生物的呼吸。我們需要準確區分土壤各呼吸組分, 才能準確了解土壤呼吸的本質，進一步探究全球變化背景下土壤有機質的變化模式和改善全球碳循環模型[20]。
v 土壤呼吸測定方法
土壤表面通量的準確測定是土壤呼吸研究的重要前提和基礎。因此為了解決土壤呼吸測量中的難題得到準確可靠的研究數據，研究者們進行了廣泛的研究，開發了多種土壤呼吸測定方法[19]。
? 堿化學反應吸收法（alkali absorption）
一種土壤呼吸初始的測定方法，普遍應用于早期的土壤呼吸研究。它可以長時間、多點測定土壤碳通量。但由于反應時間較長，時間分辨率低，無法進行短時間內連續測定.其測量精度受眾多因素影響，諸如堿液用量、呼吸室進入土壤的深度、堿液吸收面積、堿液距地面高度、呼吸室高度以及動態氣室中氣流的速率等，測定結果變異性較大，往往低估實際土壤呼吸速率。
? 靜態箱-氣相色譜法（Chromatograph techniques）
利用密閉靜態箱，按一定時間間隔，收集土壤表面釋放到箱內的氣體，之后通過氣相色譜技術分析測定氣體中的溫室氣體濃度，計算出土壤溫室氣體排放速率的方法[21]。氣相色譜法相對經濟可靠，其優點是可以多點同時取樣而且一個氣體樣品能同時測量幾種氣體成分。其缺點是在生長旺季，測量持續時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。
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）相聯接，對采樣箱中產生的CO2直接進行連續測定，是目前理想的測定方法。動態箱主要的優點是能基本保持被測表面的環境狀況而使測量結果更接近于真實值，從而優于堿液吸收法等靜態箱法。動態氣室結合便攜式紅外氣體分析儀一度是野外測定的主導方法[22]。
? 微氣象學測定法—渦度相關法（Eddy covanance method）
渦度相關法是一種非破壞性測定的微氣象技術，它主要是應用于陸地生態系統碳通量的測定中，是一種通過計算物理量脈動與風速脈動的協方差求算湍流輸送量的方法。渦度相關技術從土壤表面測得的CO2通量，僅為土壤呼吸真實碳通量的近似估計，并不能滿足土壤呼吸的準確估算。
? 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，研究環境條件變化與土壤CO2通量的相關性。空氣溫濕度傳感器采用高精度熱敏電阻快速響應溫度變化產生阻值變化反饋出溫度變化，測定土壤的介電常數來確定含水量，可實現對土壤CO2通量的在線長期、連續監測。
相比于其他方法的局限性，全自動土壤呼吸監測系統可以為土壤呼吸的探測與研究提供巨大的幫助，從日變化到季節動態乃至更長時間尺度的年際變化，土壤呼吸全自動監測系統為長時間尺度的土壤呼吸研究監測提供了方法與硬件上的支持。極大化的真實環境模擬和高精度傳感器減少了土壤擾動和測量誤差，可以更為精準地估算生態系統中土壤碳通量，對準確監測生態系統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
活動時間
2023年5月16日 - 2023年5月18日
截止參與時間：2023年5月18日 23:59
公布時間：截止時間后三個工作日內
參與問答須知
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獲獎公布時間
答題截止后，三個工作日內公布獲獎名單
小Tips
問答題的答案可在文章中尋找哦~
本期活動獎品如下
《陸地生態系統通量觀測的原理與方法》二版
書籍內容簡介
本書以近地邊界層大氣科學的基本理論為基礎，系統地論述了陸地生態系統CO2、H2O、熱量和動量通量的觀測原理與方法，為從事全球變化、陸地生態系統碳循環和水循環以及地圈-生物圈-大氣圈相互作用研究領域的科技人員提供了野外觀測、數據質量控制與分析、生態學知識與數學模型的提煉等方面的基礎理論和實踐技術，可作為相關領域科研工作者的理論學習和實踐活動的參考書。全書共17章，1~6章系統介紹了全球變化與陸地生態系統碳、氮和水循環，陸地生態系統的能量和物質交換通量，地球大氣圈的垂直構造與大氣成分，大氣圈的輻傳輸與地表輻平衡，近地邊界層特征與空氣運動基本方程，近地邊界層湍流運動特征與擴散通量等有關近地邊界層大氣科學的基礎理論；7~10章詳細討論了基于空氣動力學和熱平衡的通量觀測、渦度相關技術原理及通量觀測、渦度相關觀測中的若干理論和技術問題、穩定同位素技術在通量觀測中的應用；11~14章綜述了陸地生態系統不同界面的碳氮水交換通量觀測方法、陸地生態系統碳循環與碳通量評價模型、陸地生態系統的水循環及水通量的評價模擬、陸地生態系統碳-氮-水耦合循環及模擬模型的研究進展；15、16章分別介紹和評述了全球陸地生態系統的通量觀測及其實例，全球陸地大氣邊界層觀測實驗/生態系統通量觀測網絡與相關研究計劃；17章討論了中國通量觀測研究網絡的建設、研究進展及發展方向。
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