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土壤呼吸研究意义及监测介绍
土壤呼吸作为土壤生物活性指标，在一定程度上反映了土壤养分转化和供应能力，是预测生态系统生产力对气候变化相应的参数之一。森林土壤呼吸可以占生态系统呼吸的60-90%，因此它对生态系统碳平衡起着重要的调节作用，即便土壤呼吸发生微小变化也会引起大气中CO2浓度的明显改变，进而影响气候变化[1-3]。
v 什么是土壤呼吸？
广义上的土壤呼吸是指未经扰动的土壤中产生CO2的所有代谢作用，主要包括根系呼吸（自养呼吸的一部分）以及土壤微生物和土壤动物的异养呼吸；而在严格意义上讲，土壤呼吸包括以下四部分：
Ø 土壤微生物呼吸
Ø 根系呼吸
Ø 土壤动物呼吸
Ø 含碳矿物质的化学氧化作用
其中，土壤微生物呼吸、根系呼吸和土壤动物呼吸属于生物学过程；含碳矿物质的化学氧化作用属于非生物学过程[4]。
图1 土壤呼吸组成
以上过程均发生在土壤之中，作为各种生命与非生命物质的综合体，土壤呼吸是几个不同过程共同作用的结果，包括了复杂的生物过程和物理变化，任何单一过程的改变都会掩盖、加速或迟滞其它过程的作用[5-7]。
v 土壤呼吸影响因素
Ø 土壤温度
土壤温度是土壤呼吸重要的也是研究极多的影响因子，它主要是通过对土壤微生物代谢和植物根系生长的影响来调控土壤呼吸作用[8]。研究证实，土壤呼吸的季节变化基本上与土壤温度的变化一致，二者之间具有较明显的规律性[9]。
Ø 土壤含水量
土壤含水量对土壤微生物活性及其所参与的生物过程也有很大影响。它不仅对土壤养分等各种物质的迁移和活性有影响[10]，同时还影响着土壤中植物根系的生长和呼吸，土壤含水量的改变势必植物根系的分布、根系呼吸以及土壤微生物群落的组成造成扰动，进而导致土壤呼吸的剧烈变化。
Ø 地表植被类型
土壤呼吸速率在不同的植物群落中变动很大，植被可以通过影响土壤微环境、土壤结构、土壤中碎屑的数量、质量以及根系呼吸速率来影响土壤呼吸速率。有研究者比较了不同植被类型下的土壤呼吸速率的差异，发现草地的土壤呼吸速率极大，其次是森林，然后是农田[11]。除以上几种影响因素外，土壤呼吸还受到植被季相、土壤质地、土地利用方式等的影响。
v 全球气候变化下的土壤呼吸
在全球CO2浓度升高、气温上升、大气氮沉降等发生变化的背景下，了解土壤呼吸对全球变化的响应和适应过程，研究土壤呼吸与相关因子的关系，有助于推动对未来气候变化下陆地生态系统碳循环过程的认识，也是全球变化研究的重要内容[12]。目前，研究者在土壤呼吸效应和全球气候变化之间的关系方面进行了许多卓有成效的工作，为以后的进一步研究提供了可借鉴的理论依据。
图2 全球气候变化因子对土壤呼吸影响
图片来源于（李耸耸等，2018）
Ø 全球气候变暖
土壤呼吸随着温度的升高而增强[13]，全球变暖会导致土壤呼吸效应增加，几乎所有全球气候变化的模型都预测变暖将促进土壤碳的释放[14]。在全球尺度上，温度每升高 2 ℃，土壤呼吸平均增加 12% [15]。同时，土壤碳的损失是全球气候变暖的原因之一，这表明全球气候变暖将使土壤微生物和土壤动物活动加剧，导致全球土壤碳库释放CO2速度加快，显著改变陆地生态系统碳平衡动态，尤其在热带生态系统表现敏感[12]，但仍有待于深入的研究。
Ø 全球CO2浓度升高
CO2浓度升高也会刺激土壤呼吸的正反馈机制，升高的大气 CO2浓度将显著加强植物的施肥效应和抗蒸腾效应，促使植物光合产物更多地流向根系，导致植被中地下碳分配增加，同时伴随着根系分泌物、地上和地下部分凋落物增加，土壤微生物活性增强，从而导致土壤呼吸增加[13,16]，并进一步加剧温室效应[16,17]，同时。全球温度升高可能降低土壤碳汇的能力，甚至使土壤转变为净碳源[13]。此外，CO2浓度升高能够促进光合产物合成，促进根生物量的累积，增加细根生物量、加快根周转、分泌根际沉淀物影响微生物代谢过程等增强土壤呼吸[15]。
Ø 大气氮沉降
化石燃料的燃烧、工农业以及畜牧业的发展导致大气中排放的含氮化合物迅速增加是大气氮沉降发生的主要原因。大气氮沉降可以改变土壤理化性质（如碳氮比）、土壤微生物活性，从而影响凋落物及土壤有机质的分解，进而改变土壤呼吸的碳排放速率[18]。现有研究表明，大气氮沉降对土壤呼吸存在三种作用，分别为促进作用、抑制作用或无影响，其具体的正向或负向作用因气候条件和生态系统类型等原因而异[15]。目前，由于影响机制的复杂性和多样性，大气氮沉降对土壤的影响仍存在争议。
v 土壤呼吸组分区分
土壤呼吸组分区分的精准测定是目前全球变化研究中迫切需要研究的课题。研究土壤呼吸的组成成分有助于解释碳转化过程和土壤呼吸过程，以及它们对环境因素的适应性和响应性。目前，土壤呼吸组分区分的测定方法[19] 包括：
Ø 组分合成法
Ø 根去除法
Ø 根生物量外推法
Ø 同位素法
但这些方法均存在一定局限性, 还没有一种完善的方法来区分植物根和根际微生物的呼吸。我们需要准确区分土壤各呼吸组分, 才能准确了解土壤呼吸的本质，进一步探究全球变化背景下土壤有机质的变化模式和改善全球碳循环模型[20]。
v 土壤呼吸测定方法
土壤表面通量的准确测定是土壤呼吸研究的重要前提和基础。因此为了解决土壤呼吸测量中的难题得到准确可靠的研究数据，研究者们进行了广泛的研究，开发了多种土壤呼吸测定方法[19]。
Ø 碱化学反应吸收法（alkali absorption）
一种土壤呼吸初始的测定方法，普遍应用于早期的土壤呼吸研究。它可以长时间、多点测定土壤碳通量。但由于反应时间较长，时间分辨率低，无法进行短时间内连续测定.其测量精度受众多因素影响，诸如碱液用量、呼吸室进入土壤的深度、碱液吸收面积、碱液距地面高度、呼吸室高度以及动态气室中气流的速率等，测定结果变异性较大，往往低估实际土壤呼吸速率。
Ø 静态箱-气相色谱法（Chromatograph techniques）
利用密闭静态箱，按一定时间间隔，收集土壤表面释放到箱内的气体，之后通过气相色谱技术分析测定气体中的温室气体浓度，计算出土壤温室气体排放速率的方法[21]。气相色谱法相对经济可靠，其优点是可以多点同时取样而且一个气体样品能同时测量几种气体成分。其缺点是在生长旺季，测量持续时间会显著影响土壤呼吸速率，与其他方法相比可能会低估土壤呼吸速率。
利用一个密闭的或气流交换式的气体采样箱与红外线气体分析仪（IRGA）相联接，对采样箱中产生的CO2直接进行连续测定，是目前理想的测定方法。动态箱主要的优点是能基本保持被测表面的环境状况而使测量结果更接近于真实值，从而优于碱液吸收法等静态箱法。动态气室结合便携式红外气体分析仪一度是野外测定的主导方法[22]。
Ø 微气象学测定法—涡度相关法（Eddy covanance method）
涡度相关法是一种非破坏性测定的微气象技术，它主要是应用于陆地生态系统碳通量的测定中，是一种通过计算物理量脉动与风速脉动的协方差求算湍流输送量的方法。涡度相关技术从土壤表面测得的CO2通量，仅为土壤呼吸真实碳通量的近似估计，并不能满足土壤呼吸的准确估算。
Ø 全自动长期土壤呼吸室
全自动长期土壤呼吸一种对于来自土壤的气体进行收集测量的土壤呼吸测量装置，通过连接土壤温度和土壤水分传感器，研究环境条件变化与土壤CO2通量的相关性。空气温湿度传感器采用高精度热敏电阻快速响应温度变化产生阻值变化反馈出温度变化，测定土壤的介电常数来确定含水量，可实现对土壤CO2通量的在线长期、连续监测。
相比于其他方法的局限性，全自动土壤呼吸监测系统可以为土壤呼吸的探测与研究提供巨大的帮助，从日变化到季节动态乃至更长时间尺度的年际变化，土壤呼吸全自动监测系统为长时间尺度的土壤呼吸研究监测提供了方法与硬件上的支持。极大化的真实环境模拟和高精度传感器减少了土壤扰动和测量误差，可以更为精准地估算生态系统中土壤碳通量，对准确监测生态系统碳平衡和全球气候变化具有重要意义。
5月有奖问答活动介绍
活动时间
2023年5月16日 - 2023年5月18日
截止参与时间：2023年5月18日 23:59
公布时间：截止时间后三个工作日内
参与问答须知
1、仔细阅读本期文章《土壤呼吸研究意义及监测介绍》。
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获奖公布时间
答题截止后，三个工作日内公布获奖名单
小Tips
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书籍内容简介
本书以近地边界层大气科学的基本理论为基础，系统地论述了陆地生态系统CO2、H2O、热量和动量通量的观测原理与方法，为从事全球变化、陆地生态系统碳循环和水循环以及地圈-生物圈-大气圈相互作用研究领域的科技人员提供了野外观测、数据质量控制与分析、生态学知识与数学模型的提炼等方面的基础理论和实践技术，可作为相关领域科研工作者的理论学习和实践活动的参考书。全书共17章，1~6章系统介绍了全球变化与陆地生态系统碳、氮和水循环，陆地生态系统的能量和物质交换通量，地球大气圈的垂直构造与大气成分，大气圈的辐传输与地表辐平衡，近地边界层特征与空气运动基本方程，近地边界层湍流运动特征与扩散通量等有关近地边界层大气科学的基础理论；7~10章详细讨论了基于空气动力学和热平衡的通量观测、涡度相关技术原理及通量观测、涡度相关观测中的若干理论和技术问题、稳定同位素技术在通量观测中的应用；11~14章综述了陆地生态系统不同界面的碳氮水交换通量观测方法、陆地生态系统碳循环与碳通量评价模型、陆地生态系统的水循环及水通量的评价模拟、陆地生态系统碳-氮-水耦合循环及模拟模型的研究进展；15、16章分别介绍和评述了全球陆地生态系统的通量观测及其实例，全球陆地大气边界层观测实验/生态系统通量观测网络与相关研究计划；17章讨论了中国通量观测研究网络的建设、研究进展及发展方向。
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