专利名称：一种橡胶林土壤呼吸测定方法
技术领域：
本发明涉及全球碳循环研究中的土壤呼吸问题，具体涉及一种橡胶林土壤呼吸测 定方法。
背景技术：
碳素是地球上生命有机体的关键组成成分，全球碳循环是地球上最主要的生物地 球化学循环，它支配着地表系统中其他的物质循环，深刻影响着人类的生存环境，是地表系 统是否健康的重要标志，所以，碳循环研究是全球生物地球化学的主要研究方向之一。在陆地生态系统中，土壤是最大的碳库(约含ieoopg),约是大气中碳的两倍，是 活植物体碳库的三倍。但根据IPCC(政府间气候变化委员会)第三次评估报告指出，当前 全球碳循环研究中最大的不确定性主要来自土壤生态系统碳循环的研究。因此如何减少这 种不确定性已经成为全球碳循环和气候变化研究中的关键所在。森林土壤呼吸是陆地生态系统土壤呼吸的重要部分。森林是陆地生物圈的主体， 在全球碳平衡中也起着巨大的作用，这是由于森林本身维持着巨大的碳库，其碳贮量约占 全球碳库的86%以上，同时也维持着巨大的土壤碳库，其贮量约占全球土壤碳库的73%。 所以，研究森林土壤呼吸，监测二氧化碳浓度的变化，阐明其在自然界中的吸收和排放过 程，对于全面探讨全球变化及其影响具有十分重要的意义。土壤呼吸在地下碳循环过程中扮演着重要角色，土壤呼吸CO2释放量的大小是估 算土壤碳库的重要指标。根系呼吸是土壤呼吸的重要构成部分，受生物、非生物因素影响， 土壤呼吸亦呈现出相应的变化。根系呼吸对全球变化的响应也反映着土壤呼吸对全球变化 的相应程度。土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要构成，包括三个生物学过程(土壤微 生物呼吸、植物根系呼吸和土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(含碳矿物质的化学氧化 作用)。其中，生物学过程(特别是根系自养呼吸和微生物异养呼吸)是土壤释放CO2的主 体，有研究者将土壤呼吸值作为确定植物根系和根际微生物活性的指标。土壤呼吸量通常是通过直接或间接测定从土壤表面释放出的二氧化碳量确定的， 既可以在实验室条件下进行，也可以在田间进行。目前基本上是在不破坏土壤结构的情况 下，测量土壤表观二氧化碳的释放量。测定土壤呼吸量的方法和技术有许多，并且在不断完 善。主要有以下几种(1)室内培养法。将采集到的野外样地土壤带回实验室，尽量不破坏土壤的物理和化学状态，并模 拟野外的条件进行室内培养。这种方法的优点是可以人为的控制环境因子，从而测定不同 环境因子对土壤呼吸的影响。但其最大的缺点是让土壤离开了田间，不能准确地反映土壤 呼吸的实际值，尤其是植物的根系部分离开原地而导致准确度下降。(2)静态气室_碱吸收法。利用静态气室通过碱液吸收二氧化碳，标定一定时间间隔内的土壤呼吸量。其原 理是将一定浓度的碱液装入开敞的玻璃或塑料罐瓶中，放置在测定的土壤表面上，用一个
3上端密闭的塑料圆桶罩住(下端至少嵌入2厘米)，当二氧化碳从土壤表面释放出来时，被 保持在圆桶内并扩散，以过量的碱液(Κ0Η或NaOH)吸收土壤所释放的二氧化碳。达到测定 时间后，取走碱液，用BaCl2沉淀溶液中由二氧化碳被NaOH吸收而产生的NaCO3形成BaCO3 ； 再以酚酞作指示剂，用稀盐酸(HCl)中和吸收二氧化碳后的碱液中过量的NaOH，记录消耗 的HCl的体积V1 (ml)。实验过程中，滴入盐酸时要慢，以避免与已沉淀的BaCO3接触而使之 重新溶解。实验中要用气室把实验装置和单位面积的土壤地表与大气环境隔绝，为此还需 同时设置相同的对照以扣除碱液吸收的气室中的二氧化碳量，记录对照消耗的盐酸的体积 V2(ml)。根据其化学反应过程得到土壤呼吸和凋落物分解所共同排放的二氧化碳量。气室 顶部加上重物，以保持气室的密封性。静态气室-碱吸收法虽然已被普遍采用，被沿用至今 已有70余年，但其最大的缺陷是不能进行短时间内连续测定；而且测定的准确性不高，因 此有其局限性。(3)静态箱-气相色谱法利用密闭的静态箱收集土壤表面产生的气体，通过气相色谱技术分析测定气体中 的温室气体浓度，利用静态箱内温室气体浓度随时间的变化，便可以计算出土壤的温室气 体排放速率(或吸收率)，这是目前国际国内广泛使用的比较经济可靠的通量测量方法。这 一技术的不足之处在于它的使用会明显地改变被测地表的物理状态；在采样时会因箱室的 挤压和抽气时的负压引起偏差。应用闭合箱时，箱内大量二氧化碳还可能限制土壤中碳溢 出或可导致气体在箱四周流动。但作为一种近似简便的方法，在大气化学的研究中仍得到 了广泛的应用。(4)动态气室_红外二氧化碳分析仪法动态气室-红外二氧化碳分析仪法，是利用一个气体交换式的气体采样箱与远红 外气体分析仪(IRGA)相联接，对密闭气室中产生的二氧化碳直接进行连续的测定。这种方 法简便、快速，且测定的结果较为准确，但其所需设备昂贵，不适于进行多点同时测定，限制 了较大尺度水平的土壤呼吸测定。(5)相关分析计算法(非直接测量法)非直接测量方法是通过某些环境参数估算或模拟计算土壤二氧化碳释放量，应用 较为广泛的Qltl模型或者连乘模型等。非直接测量方法是通过某些环境参数估算或模拟计 算土壤二氧化碳释放量。此种方法是模型模拟的方法，存在着较大的不确定性，一般在较大 区域的估算时使用。尤为重要的是，上述测定方法没有办法分开土壤呼吸中各个分量的值，在全球碳 循环研究中，土壤呼吸各分量的值是必须要知道的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种橡胶林土壤呼吸测定方法，通过对测定样地进行分区 处理，在不破坏原有土壤与生物的情况下定点原位测量，可分离土壤呼吸组分各分量值，有 利于提高测定的准确性。本发明所采用的技术方案一种橡胶林土壤呼吸测定方法，包括测定样地布设处理小区过程、土壤呼吸测定 及数据处理过程，其步骤如下
1、测定样地布设处理小区过程在橡胶林内选取不同年龄段的5 8块样地，每个年龄段样地各设5块重复样地， 每块重复样地布设4种处理小区非根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区、根系排除土 壤环+保留凋落物层处理小区、非根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区、根系排除土壤 环+去除凋落物层处理小区。所述非根系排除土壤环是在每块固定样地内随机安置内径为10. 2cm,高为6cm的 PVC 土壤环(LI-6400光合呼吸测定仪配备)，留出地面1 2cm。所述根系排除土壤环是在每个样地内随机安置内径为25cm、高为50cm的带小孔 的圆柱形大铁皮土壤环(铁皮厚5mm)，其嵌入土壤深度达43 47cm(以防止植物根系侵 入，但水分又可自由流动)，并将大铁皮环内所有活体植物除去，然后在每个大铁皮环内安 置一个内径为10. 2cm，高为6cm的PVC 土壤环，留出地面1 2cm。所述大铁皮土壤环上的小孔的孔直径为1cm。根系排除土壤环采用内径为25cm、高为50cm的带小孔的大铁皮土壤环。铁皮环呈 圆柱形，铁皮厚约5mm，能打入橡胶林土壤中为佳。橡胶林土壤可能较硬，因此选择厚铁皮， 而不是前人使用的PVC管(PVC管虽成本较低，但不容易打入橡胶林土壤中，因而只能是挖 开土壤放入，破坏原有土壤结构)。铁皮环上有孔直径1cm的小孔，可以使土壤中水分或者 部分微生物自由流动或移动，而不会因根系排除环直壁密封原因改变土壤结构，影响测定 的准确性。土壤呼吸根系排除土壤环安装半年之后才开始进行测定试验，原因有二 一是等 原有植物根系腐烂后再开始测定，以排除此干扰；二是等土壤结构恢复原有状况进行测定 (虽然此试验改变土壤结构很少，但仍有扰动)。所述保留凋落物层是在除去PVC环内所有活体植物后保留的土壤表层凋落物不 去除。用来测定土壤呼吸速率，每次测量前将测点范围lmXlm内的草本紧贴地表剪除。所述去除凋落物层是在除去PVC环内所有活体植物后将土壤表层的凋落物全部 去除，仅保留矿质土壤层。用来测定凋落物呼吸速率，每次测量前将测点范围lmXlm内的 草本紧贴地表剪除。2、土壤呼吸测定及数据处理过程利用土壤呼吸测定仪器配备的土壤呼吸室测定系统，实时对各样地处理小区的土 壤呼吸各参数进行测定，在测定土壤呼吸速率的同时，测定环境因子，如近地表空气温度、 5cm 土壤温度和0 10cm 土壤湿度等。其中土壤总呼吸速率等于非根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区土壤呼吸 速率；土壤异养呼吸速率等于根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区土壤呼吸速率；根 呼吸速率等于非根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率与根系排除土壤 环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率之差；矿质土壤呼吸速率等于根系排除土壤环+ 去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率；凋落物呼吸速率等于根系排除土壤环+保留凋落物 层处理小区土壤呼吸速率与根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率之差。本发明通过对测定样地进行分区处理，在不破坏原有土壤与生物的情况下定点原 位进行测定，有效地分离土壤呼吸组分各分量值，有利于提高测定的准确性，解决了因科研 条件而造成的制约，所得测量值可完全满足科学研究要求。
图1是每块观测样地处理小区设置示意图。图中1、土壤2、根系排除土壤环；3、非根系排除土壤环；A1为根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区；A2为非根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区；A3为根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区；A4为非根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区。
具体实施例方式下面采用具体实施例对本发明做进一步说明。在橡胶林内，分别在1 5年、6 10年、11 15年、16 20年、21年以上等各 年龄段的区域内各设5块重复样地，每块样地布设4种处理小区非根系排除土壤环+保留 凋落物层处理小区、根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区、非根系排除土壤环+去除凋 落物层处理小区、根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区。采用LI-6400便携式光合作用测定仪为土壤呼吸测定仪器，利用其配备的土壤呼 吸室(09叶室)测定系统，测定实时的各处理小区的土壤呼吸各参数(详细测定步骤可参 见其说明书)。在测定土壤呼吸速率的同时，可利用该仪器测定环境因子，如近地表空气温 度、5cm 土壤温度和0 IOcm 土壤湿度等。橡胶林土壤呼吸月变化测定，选定每月中下旬晴好天气9:00 11:00测定，每个 处理进行3个重复，每个重复测量五次，取平均值。
所得结果列表如表1、表2。
表1 5个不同林龄的橡胶林土壤呼吸测定值(2010年1月19日) 单位μ mol/(m2 · s)
权利要求
一种橡胶林土壤呼吸测定方法，其特征在于包括测定样地布设处理小区过程、土壤呼吸测定及数据处理过程，其步骤如下1)、测定样地布设处理小区过程在橡胶林内选取不同年龄段的5～8块样地，每个年龄段样地各设5块重复样地，每块重复样地布设4种处理小区非根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区、根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区、非根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区、根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区；所述非根系排除土壤环是在每块固定样地内随机安置内径为10.2cm，高为6cm的PVC土壤环，留出地面1～2cm；所述根系排除土壤环是在每个样地内随机安置内径为25cm、高为50cm的带小孔的圆柱形大铁皮土壤环，其嵌入土壤深度达43～47cm，并将大铁皮环内所有活体植物除去，然后在每个大铁皮环内安置一个内径为10.2cm，高为6cm的PVC土壤环，留出地面1～2cm；所述保留凋落物层是在除去PVC环内所有活体植物后保留的土壤表层凋落物不去除；所述去除凋落物层是在除去PVC环内所有活体植物后将土壤表层的凋落物全部去除，仅保留矿质土壤层；2)、土壤呼吸测定及数据处理过程利用土壤呼吸测定仪器配备的土壤呼吸室测定系统，实时对各样地处理小区的土壤呼吸各参数进行测定，在测定土壤呼吸速率的同时，测定环境因子；其中土壤总呼吸速率等于非根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区土壤呼吸速率；土壤异养呼吸速率等于根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区土壤呼吸速率；根呼吸速率等于非根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率与根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率之差；矿质土壤呼吸速率等于根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率；凋落物呼吸速率等于根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区土壤呼吸速率与根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区土壤呼吸速率之差。
2.根据权利要求1所述的橡胶林土壤呼吸测定方法，其特征在于所述大铁皮土壤环 上的小孔的孔直径为1cm。
全文摘要
本发明公开了一种橡胶林土壤呼吸测定方法，是在橡胶林内选取不同年龄段的样地，每块样地设置重复样地，每块重复样地布设4种处理小区非根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区、根系排除土壤环+保留凋落物层处理小区、非根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区、根系排除土壤环+去除凋落物层处理小区；然后利用土壤呼吸测定仪器配备的土壤呼吸室测定系统，实时对处理小区的土壤呼吸各参数进行测定，同时测定环境因子。本发明通过对测定样地进行分区处理，在不破坏原有土壤与生物的情况下定点原位进行测定，有效地分离土壤呼吸组分各分量值，有利于提高测定的准确性，解决了因科研条件而造成的制约，所得测量值可满足科学研究要求。
文档编号G01N1/28GK101949919SQ20101026502
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者吴志祥, 周兆德, 杨川, 王纪坤, 谢贵水, 陈帮乾, 陶忠良 申请人:中国热带农业科学院橡胶研究所