1 引言
土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)大的活性碳庫(kù)，每年與大氣CO2的交換量十分巨大，是碳循環(huán)中大的通量之一。因此，土壤呼吸近幾十年來(lái)成為和區(qū)域碳循環(huán)及碳收支動(dòng)態(tài)變化研究的核心內(nèi)容之一，受到科學(xué)界的高度關(guān)注。
如果我們把測(cè)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(chǎn)生CO2的速率則可稱為“真土壤呼吸速率”（方精云，2007）。學(xué)術(shù)界存在假設(shè)：①呼吸產(chǎn)生的CO2，聚集在土壤孔隙中，然后遵循物理學(xué)的擴(kuò)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(kuò)散到大氣中，積累在空隙中可以達(dá)到數(shù)千個(gè)ppm；③測(cè)得的CO2通量并非是真正的、實(shí)時(shí)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(jiǎn)言之，通過(guò)測(cè)定土壤表面CO2通量（即表觀土壤呼吸）來(lái)計(jì)量土壤呼吸的做法是不夠準(zhǔn)確的，土壤呼吸的難點(diǎn)和重點(diǎn)也在于此。
另外，影響土壤呼吸的因子有很多，在不同時(shí)間空間的不同生態(tài)系統(tǒng)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(duì)土壤呼吸及其組分進(jìn)行定量的分析。土壤呼吸作用在不同時(shí)間尺度上還具有明顯的空間異質(zhì)性， 這主要是由植被、根系分布、主要的環(huán)境因子和土壤空間分布的異質(zhì)性造成的。但是目前定量評(píng)估土壤呼吸作用的空間異質(zhì)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(shí)加強(qiáng)不同時(shí)間尺度上生物要素對(duì)土壤呼吸作用動(dòng)態(tài)變化的影響研究，以提高正確性和準(zhǔn)確性。
2 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 目標(biāo)
AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測(cè)系統(tǒng)采用便攜式土壤呼吸測(cè)量單元快速普查樣地內(nèi)的土壤呼吸速率，采用微根窗技術(shù)可普查樣地根系情況總結(jié)土壤環(huán)境的異質(zhì)性，從而選取具有代表性的典型樣點(diǎn)，布設(shè)土壤呼吸自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元，進(jìn)行土壤呼吸定點(diǎn)觀測(cè)；將土壤呼吸作用小尺度上的空間異質(zhì)性考慮在內(nèi)，則以普查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合考慮測(cè)量數(shù)據(jù)的離散系數(shù)和相對(duì)誤差，計(jì)算出所需的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量，然后布設(shè)合理數(shù)量的土壤呼吸自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)單元，實(shí)現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)土壤呼吸時(shí)空分布格局的觀測(cè)。根系生物量外推法是確定根系呼吸速率、區(qū)分土壤有機(jī)質(zhì)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(cè)系統(tǒng)在測(cè)量土壤總呼吸速率的同時(shí)，采用洗根單元和根系分析單元精確測(cè)定典型根系生物量，同時(shí)進(jìn)行根徑分級(jí)，為確定不同徑級(jí)的根系對(duì)根系呼吸的貢獻(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)，結(jié)合微根窗技術(shù)原位觀測(cè)活體根系形態(tài)數(shù)量等參數(shù)，建立起非破壞性觀測(cè)根系呼吸的途徑。同時(shí)，土壤剖面CO2梯度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)土壤不同深度CO2通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并同步記錄剖面土壤溫濕度梯度，為觀測(cè)真土壤呼吸、表觀土壤呼吸及根系呼吸的關(guān)系以及空間異質(zhì)性對(duì)其影響提供科學(xué)依據(jù).
2.2 觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)
AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測(cè)系統(tǒng)采用便攜式土壤呼吸測(cè)量單元快速普查樣地內(nèi)的土壤呼吸速率，利用微根窗技術(shù)觀測(cè)根系形態(tài)數(shù)量，同時(shí)觀測(cè)土壤溫濕度分析區(qū)域內(nèi)土壤異質(zhì)性，然后選取具有代表性的典型樣點(diǎn)，布設(shè)土壤呼吸自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元，進(jìn)行土壤呼吸定點(diǎn)觀測(cè)從而選擇典型的觀測(cè)樣地。在選擇的樣地內(nèi)，土壤呼吸速率測(cè)定按蛇形采樣法隨機(jī)布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。典型觀測(cè)樣點(diǎn)土壤內(nèi)根據(jù)研究需要埋入3-5層土壤CO2傳感器觀測(cè)剖面CO2濃度，同時(shí)各層布設(shè)土壤水分溫度傳感器觀測(cè)溫濕度小環(huán)境。并在樣點(diǎn)根部按照45°角安裝微根管。通常一個(gè)觀測(cè)樣地安裝12～24根1.8m/0.9m（L）×5cm/3cm（D）微根管。
2.3 觀測(cè)時(shí)間和頻率
土壤呼吸速率日變化具體觀測(cè)時(shí)間為6:00、9:00、11:00、13:00、15: 00、17:00、19:00、22:00和2:00。季節(jié)變化觀測(cè)，一般為2次/月。年變化，按每年的固定時(shí)間測(cè)定。同步觀測(cè)土壤水溫及根系生長(zhǎng)變化等環(huán)境因子參數(shù)。
2.4 觀測(cè)指標(biāo)
AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測(cè)系統(tǒng)主要觀測(cè)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(zhì)性、土壤溫度、土壤濕度、植物根系直徑分布格局、根尖數(shù)量、植物根系生物量并外推根系呼吸。
2.5 觀測(cè)系統(tǒng)組成
AZ-S0110土壤呼吸特性及組分觀測(cè)系統(tǒng)由便攜式土壤呼吸速測(cè)單元、土壤呼吸自動(dòng)監(jiān)測(cè)單元及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、土壤剖面CO2監(jiān)測(cè)單元、微根窗根系觀測(cè)單元、根系分析單元、洗根單元、土壤異質(zhì)性（根系形態(tài)因子、土壤溫濕度因子）觀測(cè)單元共同組成。
3 數(shù)據(jù)處理
3.1 土壤總呼吸速率
土壤表觀呼吸速率即為測(cè)定樣點(diǎn)地表自動(dòng)監(jiān)測(cè)測(cè)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(cè)量值，單位同上?？煞治隹偨Y(jié)土壤真呼吸梯度差異，及其與表觀呼吸之間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。同時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的土壤溫度和土壤濕度也即為實(shí)測(cè)值，體現(xiàn)土壤環(huán)境異質(zhì)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(jìn)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(diǎn)，通過(guò)對(duì)土壤總呼吸速率和相應(yīng)根系生物量進(jìn)行同時(shí)測(cè)定，建立起二者之間的數(shù)值關(guān)系模式，利用該數(shù)值關(guān)系外推根系生物量為零時(shí)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(shù)對(duì)樣點(diǎn)活體根系進(jìn)行*非破壞性監(jiān)測(cè)，根據(jù)測(cè)定的典型根系生物量推知各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的根系生物量進(jìn)而推算樣點(diǎn)根系呼吸速率。
4 應(yīng)用案例
4.1 錫林河流域生長(zhǎng)季節(jié)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(zhǎng)季對(duì)內(nèi)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(jìn)行了野外測(cè)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(jié)變化規(guī)律，同時(shí)就根系生物量和水熱因子等環(huán)境要素對(duì)上述過(guò)程的影響進(jìn)行了具體分析。
