1 引言

土壤作為陸地生態系統大的活性碳庫，每年與大氣CO₂的交換量十分巨大，是碳循環中大的通量之一。因此，土壤呼吸近幾十年來成為和區域碳循環及碳收支動態變化研究的核心內容之一，受到科學界的高度關注。

如果我們把測得的CO₂由土壤向大氣釋放的速率稱作“表觀土壤呼吸速率”，土壤生物呼吸分解所產生CO₂的速率則可稱為“真土壤呼吸速率”（方精云，2007）。學術界存在假設：①呼吸產生的CO2，聚集在土壤孔隙中，然后遵循物理學的擴散原理逐漸釋放到大氣中；②受多種因素的影響，CO2不能馬上擴散到大氣中，積累在空隙中可以達到數千個ppm；③測得的CO2通量并非是真正的、實時的土壤呼吸，而是蓄集在土壤孔隙中的CO2；④表觀土壤呼吸滯后于真土壤呼吸。簡言之，通過測定土壤表面CO2通量（即表觀土壤呼吸）來計量土壤呼吸的做法是不夠準確的，土壤呼吸的難點和重點也在于此。

另外，影響土壤呼吸的因子有很多，在不同時間空間的不同生態系統其影響因子各不相同。眾多研究表明土壤溫度、濕度是影響土壤呼吸的主要因子，建立土壤溫度及濕度影響下的土壤呼吸模型更有助于對土壤呼吸及其組分進行定量的分析。土壤呼吸作用在不同時間尺度上還具有明顯的空間異質性， 這主要是由植被、根系分布、主要的環境因子和土壤空間分布的異質性造成的。但是目前定量評估土壤呼吸作用的空間異質性仍然有限和困難。因此，為了精確估算土壤真呼吸及各組分作用，必須解決土壤呼吸作用小尺度上的空間變異性，同時加強不同時間尺度上生物要素對土壤呼吸作用動態變化的影響研究，以提高正確性和準確性。

2 觀測系統設計

2.1 目標

AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測系統采用便攜式土壤呼吸測量單元快速普查樣地內的土壤呼吸速率，采用微根窗技術可普查樣地根系情況總結土壤環境的異質性，從而選取具有代表性的典型樣點，布設土壤呼吸自動監測單元，進行土壤呼吸定點觀測；將土壤呼吸作用小尺度上的空間異質性考慮在內，則以普查數據為基礎，綜合考慮測量數據的離散系數和相對誤差，計算出所需的測量點數量，然后布設合理數量的土壤呼吸自動監測網絡單元，實現小區域內土壤呼吸時空分布格局的觀測。根系生物量外推法是確定根系呼吸速率、區分土壤有機質呼吸和根系呼吸的有效方法，AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測系統在測量土壤總呼吸速率的同時，采用洗根單元和根系分析單元精確測定典型根系生物量，同時進行根徑分級，為確定不同徑級的根系對根系呼吸的貢獻提供科學依據，結合微根窗技術原位觀測活體根系形態數量等參數，建立起非破壞性觀測根系呼吸的途徑。同時，土壤剖面CO2梯度監測系統對土壤不同深度CO2通量進行監測，并同步記錄剖面土壤溫濕度梯度，為觀測真土壤呼吸、表觀土壤呼吸及根系呼吸的關系以及空間異質性對其影響提供科學依據.

2.2 觀測點布設

AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測系統采用便攜式土壤呼吸測量單元快速普查樣地內的土壤呼吸速率，利用微根窗技術觀測根系形態數量，同時觀測土壤溫濕度分析區域內土壤異質性，然后選取具有代表性的典型樣點，布設土壤呼吸自動監測單元，進行土壤呼吸定點觀測從而選擇典型的觀測樣地。在選擇的樣地內，土壤呼吸速率測定按蛇形采樣法隨機布設觀測點。典型觀測樣點土壤內根據研究需要埋入3-5層土壤CO2傳感器觀測剖面CO2濃度，同時各層布設土壤水分溫度傳感器觀測溫濕度小環境。并在樣點根部按照45°角安裝微根管。通常一個觀測樣地安裝12～24根1.8m/0.9m（L）×5cm/3cm（D）微根管。

2.3 觀測時間和頻率

土壤呼吸速率日變化具體觀測時間為6:00、9:00、11:00、13:00、15: 00、17:00、19:00、22:00和2:00。季節變化觀測，一般為2次/月。年變化，按每年的固定時間測定。同步觀測土壤水溫及根系生長變化等環境因子參數。

2.4 觀測指標

AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測系統主要觀測土壤表觀呼吸及真呼吸速率日變化及年變化、土壤呼吸速率的梯度變化、空間異質性、土壤溫度、土壤濕度、植物根系直徑分布格局、根尖數量、植物根系生物量并外推根系呼吸。

2.5 觀測系統組成

AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測系統由便攜式土壤呼吸速測單元、土壤呼吸自動監測單元及其網絡系統、土壤剖面CO2監測單元、微根窗根系觀測單元、根系分析單元、洗根單元、土壤異質性（根系形態因子、土壤溫濕度因子）觀測單元共同組成。

3 數據處理

3.1 土壤總呼吸速率

土壤表觀呼吸速率即為測定樣點地表自動監測測得的土壤呼吸速率值，單位為微摩爾每平方米每秒；土壤真呼吸速率即為剖面CO2通量測量值，單位同上。可分析總結土壤真呼吸梯度差異，及其與表觀呼吸之間的動態變化關系。同時觀測點的土壤溫度和土壤濕度也即為實測值，體現土壤環境異質性的影響。

3.2 根系呼吸速率

根系呼吸速率的確定采用根系生物量外推法進行。其主要原理是：首先選擇一系列根系生物量差異盡可能大的不同樣點，通過對土壤總呼吸速率和相應根系生物量進行同時測定，建立起二者之間的數值關系模式，利用該數值關系外推根系生物量為零時的土壤呼吸速率，即為土壤中的微生物呼吸速率，然后利用土壤總呼吸速率減去土壤微生物呼吸速率求算出根系呼吸速率。利用微根窗技術對樣點活體根系進行*非破壞性監測，根據測定的典型根系生物量推知各監測點的根系生物量進而推算樣點根系呼吸速率。

4 應用案例

4.1 錫林河流域生長季節不同草地類型根系呼吸特征研究---根系生物量外推法。（劉立新等，2006）

采用根系生物量外推法于2005年生長季對內蒙古錫林河流域溫帶半干旱草原中的羊草自由放牧草原、大針茅自由放牧草原和羊草退化草原根系呼吸占土壤總呼吸的比例進行了野外測定，研究了不同草地類型土壤總呼吸、根系呼吸和根系呼吸占土壤總呼吸比例的季節變化規律，同時就根系生物量和水熱因子等環境要素對上述過程的影響進行了具體分析。