土壤呼吸商及文獻(xiàn)案例

土壤呼吸（soil respiration）是指土壤中的植物根系、食碎屑動(dòng)物、真菌和細(xì)菌等進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)，吸收氧氣，消耗有機(jī)物，產(chǎn)生二氧化碳的過程。包括三個(gè)生物學(xué)過程（即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸）和一個(gè)非生物學(xué)過程，即含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用。

測(cè)量土壤呼吸時(shí)，人們經(jīng)常把CO2作為單一指標(biāo)，只測(cè)量土壤CO2的排放速率作為土壤呼吸速率，這是很不全面的，和其它（動(dòng)物、植物等）呼吸測(cè)量一樣，耗氧率（氧通量）也是土壤呼吸的另一重要指標(biāo)，實(shí)際上由于CO2溶解于水的能力是O2的30倍，耗氧率在某種程度上是土壤呼吸更重要的指標(biāo)，更能準(zhǔn)確體現(xiàn)土壤呼吸強(qiáng)度。

呼吸商（respiratory quotient，RQ）

呼吸商是生物體在同一時(shí)間內(nèi)，釋放二氧化碳與吸收氧氣的體積之比或摩爾數(shù)之比，即指呼吸作用所釋放的CO2和吸收的O2的分子比（可以簡單表述為CO2/O2）。

土壤呼吸商是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，反映了土壤厭氧呼吸代謝與有氧呼吸代謝的比率。通氣良好的健康土壤，一分子的碳被一分子的氧氧化產(chǎn)生一分子的CO2，呼吸商接近1。

但是，土壤成分的復(fù)雜性決定了土壤呼吸過程的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)變化性，實(shí)際的呼吸商可能和1相差很大，然而在很多研究過程中，人們簡單把土壤呼吸商假定為1，這樣就會(huì)造成很大的偏差。

所以，同時(shí)測(cè)量土壤O2和CO2可以更加精確、客觀、全面地反映土壤碳排放（Simultaneous Carbon Dioxide and Oxygen Measurements to Improve Soil Efflux Estimates，Kyaw Tha Paw U et al. 2006），而呼吸商RQ數(shù)據(jù)自身就可以提供土壤營養(yǎng)狀況及自養(yǎng)呼吸與異氧呼吸的生態(tài)信息，特別是對(duì)濕地土壤呼吸，O2是CO2和CH4排放的重要控制因素，因此濕地土壤O2測(cè)量監(jiān)測(cè)對(duì)研究濕地碳排放和碳循環(huán)關(guān)重要！

這里整理了幾個(gè)使用高精度O2分析器和CO2分析器對(duì)土壤呼吸商進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的文獻(xiàn)，供參考。

●以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的A. Angert等使用Sable公司的高精度氣體分析器，測(cè)量不同生態(tài)系統(tǒng)不同土壤類型（地中海地區(qū)的1個(gè)溫帶森林和2個(gè)高山森林）的土壤O2消耗率和CO2產(chǎn)生率，并且計(jì)算呼吸商RQ，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)得到的呼吸商在0.14到1.23的范圍內(nèi)，和經(jīng)常假定的0.9±0.1相差甚大，

該研究認(rèn)為在地中海地區(qū)這些偏差是因?yàn)槎趸既芙庠谕寥浪胁⑥D(zhuǎn)化為碳酸氫鹽造成的。

該研究還觀測(cè)到，酸性較強(qiáng)的土壤，土壤呼吸商通常出乎意料地低（<0.7），該研究認(rèn)為這可能是由還原態(tài)鐵的氧化使得土壤土壤團(tuán)聚體內(nèi)的形成厭氧條件造成的。

該研究還提供了大量的直接定量證據(jù)，表明土壤氧氣消耗率能更客觀反映土壤實(shí)際呼吸速率。

上圖表是在溫帶和高山的酸性和中性土壤中進(jìn)行原位測(cè)量的CO2濃度，O2濃度和呼吸商RQ，可以看到實(shí)測(cè)呼吸商和經(jīng)常假定的0.9±0.1相差甚大。

●美國新墨西哥州立大學(xué)生物系的Angus L. Dawe等，使用Sable公司的高精度氣體分析器，測(cè)量土壤CO2的產(chǎn)生和O2消耗并且計(jì)算土壤呼吸商，研究土壤微生物（真菌）受到病毒侵染之后的代謝變化，觀察到真菌受侵染過程中對(duì)于土壤養(yǎng)分（碳水化合物、脂類）吸收、代謝的變化過程。

上圖是真菌受病毒侵染后呼吸商RQ的變化，反映了真菌新城代謝過程中能量來源的變化。RQ值>1時(shí)菌絲以碳水化合物為能量來源，<1時(shí)表明菌絲開始以脂類（RQ≈0.7）或蛋白質(zhì)（RQ≈0.85）為能量來源。

●德國基爾大學(xué)（Kiel University）生態(tài)中心的的O. Dilly，采集德國北方土壤和南方土壤（土壤利用方式不同），進(jìn)行土壤處理（添加葡萄糖作為基質(zhì)誘導(dǎo)土壤呼吸），同時(shí)測(cè)量、對(duì)比土壤呼吸商。在添加葡萄糖之前，呼吸商往往<1，Dilly認(rèn)為O2消耗較高是因?yàn)橥寥牢⑸飳?duì)土壤的礦化作用；葡萄糖添加后424小時(shí)，微生物快速生長時(shí)，土壤RQ約為1.3或更高；在葡萄糖添加后的第4小時(shí)內(nèi)，RQ值通常約為1，是兩者（礦化作用和微生物生長）的平衡期。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)田土壤的RQ值大于有機(jī)農(nóng)田系統(tǒng)的土壤RQ值，土壤微生物群顯然能夠適應(yīng)不同的氧化程度和不同的可利用基質(zhì)。

添加葡萄糖之前，呼吸商往往<1

葡萄糖添加后第4小時(shí)的呼吸商顯示了基質(zhì)誘導(dǎo)的呼吸和礦化作用耗氧之間的平衡

葡萄糖添加4-24小時(shí)之后的呼吸商，顯示土壤中微生物進(jìn)入快速生長期

北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司推出大的、能夠同時(shí)測(cè)量土壤CO2和

土壤O2的便攜式呼吸測(cè)量系統(tǒng)——SoilBox-FMS

FMS便攜式呼吸測(cè)量系統(tǒng)是美國Sable公司（Sable Systems International）研發(fā)的，該公司是呼吸測(cè)量儀器的DJ公司，其首席科學(xué)家John Lighton 博士，在國際知名期刊上發(fā)表過90多篇學(xué)術(shù)論文，其所著 “Measuring Metabolic Rates: A Manual for Scientists”一書是目前呼吸測(cè)量、代謝測(cè)量方面閱讀廣泛的參考書。

SoilBox-FMS特點(diǎn)

? 便攜式，可測(cè)量CO2、O2及H2O濃度，進(jìn)而求出呼吸商及Q10，從而用于呼吸、蒸散、光合作用等研究

? 氣體抽樣模塊具Baseline裝置，可手動(dòng)或自動(dòng)定時(shí)切換測(cè)量大氣CO2含量（baseline）和呼吸室內(nèi)CO2含量，從而更加精確地測(cè)量監(jiān)測(cè)CO2等氣體通量

? 雙LCD顯示屏，通過Mode、Adjust、Enter控制鍵，可在線設(shè)置控制和顯示空氣濕度RH、露點(diǎn)溫度、CO2含量、O2含量、流速等

? 14通道數(shù)據(jù)采集器，可接土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器，具備數(shù)據(jù)在線存儲(chǔ)功能

? 可通過選配4通道或8通道氣路轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)多通道測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究（連接多個(gè)呼吸室），可在野外小范圍內(nèi)（比如10平方米）實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量

? 通過選配透明呼吸室和非透明呼吸室，可測(cè)量監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)凈光合、凈呼吸等

? 用于野外原位或?qū)嶒?yàn)室測(cè)量土壤微生物、根系乃土壤動(dòng)物的呼吸。

該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于土壤微生物調(diào)查，土壤活力檢測(cè)，土壤碳排放測(cè)量分析，各種土壤處理措施對(duì)土壤的影響分析，土壤生態(tài)修復(fù)研究檢測(cè)與評(píng)估，土壤污染檢測(cè)研究，氣候變化對(duì)土壤碳通量的影響研究等。