AZ-S0110土壤呼吸特性及组分观测系统

撰稿人: 日期:2013-5-23 点击次数:7656

1 引言

 

土壤作为陆地生态系统最大的活性碳库,每年与大气CO2的交换量十分巨大,是全球碳循环中最大的通量之一。因此,土壤呼吸近几十年来成为全球和区域碳循环及碳收支动态变化研究的核心内容之一,受到科学界的高度关注。

如果我们把测得的CO2由土壤向大气释放的速率称作“表观土壤呼吸速率”,土壤生物呼吸分解所产生CO2的速率则可称为“真土壤呼吸速率”(方精云,2007)。学术界存在假设:①呼吸产生的CO2,聚集在土壤孔隙中,然后遵循物理学的扩散原理逐渐释放到大气中;②受多种因素的影响,CO2不能马上扩散到大气中,积累在空隙中可以达到数千个ppm;③测得的CO2通量并非是真正的、实时的土壤呼吸,而是蓄集在土壤孔隙中的CO2;④表观土壤呼吸滞后于真土壤呼吸。简言之,通过测定土壤表面CO2通量(即表观土壤呼吸)来计量土壤呼吸的做法是不够准确的,土壤呼吸的难点和重点也在于此。

另外,影响土壤呼吸的因子有很多,在不同时间空间的不同生态系统其影响因子各不相同。众多研究表明土壤温度、湿度是影响土壤呼吸的主要因子,建立土壤温度及湿度影响下的土壤呼吸模型更有助于对土壤呼吸及其组分进行定量的分析。土壤呼吸作用在不同时间尺度上还具有明显的空间异质性, 这主要是由植被、根系分布、主要的环境因子和土壤空间分布的异质性造成的。但是目前定量评估土壤呼吸作用的空间异质性仍然有限和困难。因此,为了精确估算土壤真呼吸及各组分作用,必须解决土壤呼吸作用小尺度上的空间变异性,同时加强不同时间尺度上生物要素对土壤呼吸作用动态变化的影响研究,以提高正确性和准确性。

 

 

2 观测系统设计

2.1 目标

AZ-S0110土壤呼吸特性及组分观测系统采用便携式土壤呼吸测量单元快速普查样地内的土壤呼吸速率,采用微根窗技术可普查样地根系情况总结土壤环境的异质性,从而选取具有代表性的典型样点,布设土壤呼吸自动监测单元,进行土壤呼吸定点观测;将土壤呼吸作用小尺度上的空间异质性考虑在内,则以普查数据为基础,综合考虑测量数据的离散系数和相对误差,计算出所需的测量点数量,然后布设合理数量的土壤呼吸自动监测网络单元,实现小区域内土壤呼吸时空分布格局的观测。根系生物量外推法是确定根系呼吸速率、区分土壤有机质呼吸和根系呼吸的有效方法,AZ-S0110土壤呼吸特性及组分观测系统在测量土壤总呼吸速率的同时,采用洗根单元和根系分析单元精确测定典型根系生物量,同时进行根径分级,为确定不同径级的根系对根系呼吸的贡献提供科学依据,结合微根窗技术原位观测活体根系形态数量等参数,建立起非破坏性观测根系呼吸的途径。同时,土壤剖面CO2梯度监测系统对土壤不同深度CO2通量进行监测,并同步记录剖面土壤温湿度梯度,为观测真土壤呼吸、表观土壤呼吸及根系呼吸的关系以及空间异质性对其影响提供科学依据.

 

2.2 观测点布设

 

AZ-S0110土壤呼吸特性及组分观测系统采用便携式土壤呼吸测量单元快速普查样地内的土壤呼吸速率,利用微根窗技术观测根系形态数量,同时观测土壤温湿度分析区域内土壤异质性,然后选取具有代表性的典型样点,布设土壤呼吸自动监测单元,进行土壤呼吸定点观测从而选择典型的观测样地。在选择的样地内,土壤呼吸速率测定按蛇形采样法随机布设观测点。典型观测样点土壤内根据研究需要埋入3-5层土壤CO2传感器观测剖面CO2浓度,同时各层布设土壤水分温度传感器观测温湿度小环境。并在样点根部按照45°角安装微根管。通常一个观测样地安装12~24根1.8m/0.9m(L)×5cm/3cm(D)微根管。

 

 

2.3 观测时间和频率

 

土壤呼吸速率日变化具体观测时间为6:00、9:00、11:00、13:00、15: 00、17:00、19:00、22:00和2:00。季节变化观测,一般为2次/月。年变化,按每年的固定时间测定。同步观测土壤水温及根系生长变化等环境因子参数。

2.4 观测指标

AZ-S0110土壤呼吸特性及组分观测系统主要观测土壤表观呼吸及真呼吸速率日变化及年变化、土壤呼吸速率的梯度变化、空间异质性、土壤温度、土壤湿度、植物根系直径分布格局、根尖数量、植物根系生物量并外推根系呼吸。

 

2.5 观测系统组成

 

AZ-S0110土壤呼吸特性及组分观测系统由便携式土壤呼吸速测单元、土壤呼吸自动监测单元及其网络系统、土壤剖面CO2监测单元、微根窗根系观测单元、根系分析单元、洗根单元、土壤异质性(根系形态因子、土壤温湿度因子)观测单元共同组成。

 

3 数据处理

 

3.1 土壤总呼吸速率

 

土壤表观呼吸速率即为测定样点地表自动监测测得的土壤呼吸速率值,单位为微摩尔每平方米每秒;土壤真呼吸速率即为剖面CO2通量测量值,单位同上。可分析总结土壤真呼吸梯度差异,及其与表观呼吸之间的动态变化关系。同时观测点的土壤温度和土壤湿度也即为实测值,体现土壤环境异质性的影响。

 

3.2 根系呼吸速率

 

根系呼吸速率的确定采用根系生物量外推法进行。其主要原理是:首先选择一系列根系生物量差异尽可能大的不同样点,通过对土壤总呼吸速率和相应根系生物量进行同时测定,建立起二者之间的数值关系模式,利用该数值关系外推根系生物量为零时的土壤呼吸速率,即为土壤中的微生物呼吸速率,然后利用土壤总呼吸速率减去土壤微生物呼吸速率求算出根系呼吸速率。利用微根窗技术对样点活体根系进行长期非破坏性监测,根据测定的典型根系生物量推知各监测点的根系生物量进而推算样点根系呼吸速率。

 

4 应用案例

 

4.1 锡林河流域生长季节不同草地类型根系呼吸特征研究---根系生物量外推法。(刘立新等,2006)

 

采用根系生物量外推法于2005年生长季对内蒙古锡林河流域温带半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大针茅自由放牧草原和羊草退化草原根系呼吸占土壤总呼吸的比例进行了野外测定,研究了不同草地类型土壤总呼吸、根系呼吸和根系呼吸占土壤总呼吸比例的季节变化规律,同时就根系生物量和水热因子等环境要素对上述过程的影响进行了具体分析。