全 文 ：土壤 CO2浓度的动态观测、模拟和应用
*
盛摇 浩1**摇 罗摇 莎1 摇 周摇 萍2 摇 李腾毅1 摇 王摇 娟1 摇 李摇 洁1
( 1湖南农业大学资源环境学院, 长沙 410128; 2中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙
410125)
摘摇 要摇 土壤 CO2 浓度不仅是地上、地下生物活动的反映,其变化对未来大气 CO2 浓度和气
候变化也有重要影响.本文综述了国内外土壤 CO2 浓度的原位测定方法及其优缺点,分析了
不同时(昼夜、几天、季节、年际)空(剖面、立地、景观)尺度上土壤 CO2 浓度的变化规律和影
响因素,概括了现有土壤 CO2 浓度的模拟模型和发展态势,并总结了土壤 CO2 浓度梯度法在
土壤呼吸研究中的应用和限制因素.最后展望了未来有待研究的 4 个领域:1)研发适于恶劣
土壤环境(如淹水、石质土)的土壤 CO2 气体采集、测定技术;2)探讨土壤 CO2 浓度对天气变
化的响应及其调控机理;3)加强土壤 CO2 浓度空间异质性的研究;4)扩大通量梯度法在热
带、亚热带土壤呼吸测定中的应用.
关键词摇 土壤气体摇 土壤呼吸摇 土壤 CO2 浓度摇 土壤碳分解
文章编号摇 1001-9332(2012)10-2916-07摇 中图分类号摇 S154. 1,S714. 3摇 文献标识码摇 A
Dynamic observation, simulation and application of soil CO2 concentration: A review. SHENG
Hao1, LUO Sha1, ZHOU Ping2, LI Teng鄄yi1, WANG Juan1, LI Jie1 (1College of Resources & Envi鄄
ronment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2Key Laboratory of Agro鄄Ecologi鄄
cal Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences,
Changsha 410125, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(10): 2916-2922.
Abstract: Soil CO2 concentration is the consequences of biological activities in above鄄 and below鄄
ground, and its fluctuation may significantly affect the future atmospheric CO2 concentration and the
projected climate change. This paper reviewed the methodologies for measuring the soil CO2 concen鄄
tration in situ as well as their advantages and disadvantages, analyzed the variation patterns and
controlling factors of soil CO2 concentration across the temporal ( diurnal, several days, seasonal
and inter鄄annual) and spatial (soil profile, site and landscape) scales, introduced the primary em鄄
pirical and mechanical models for estimating and predicting soil CO2 concentration, and summarized
the applications and constraints of soil CO2 concentration gradient in determining soil respiration.
Four research priorities were proposed, i. e. , to develop new techniques for collecting and determi鄄
ning the soil CO2 in severe soil conditions (e. g. , flooding, lithoso and others), to approach the re鄄
sponses of soil CO2 concentration to weather change and related regulation mechanisms, to strength鄄
en the researches on the spatial heterogeneity of soil CO2 concentration, and to expand the applica鄄
tions of soil CO2 concentration gradient in the measurement of tropical鄄subtropical soil respiration.
Key words: soil gas; soil respiration; soil CO2 concentration; soil carbon decomposition.
*国家自然科学基金项目(31100381,41001141)和湖南农业大学
2011 年引进人才项目(11YJ20)资助.
**通讯作者. E鄄mail: shenghao82@ 163. com
2012鄄04鄄16 收稿,2012鄄07鄄25 接受.
摇 摇 土壤作为陆地生态系统最大的碳库,其碳储量
(2300 Pg,包括无机碳库)约为大气碳库(750 Pg)的
3 倍,活生物量碳库(650 Pg)的 4 倍[1] .土壤碳分解
释放的 CO2 是土壤空气的重要组分,其浓度一般比
大气 CO2 浓度高数倍至数十倍,甚至上百倍. 这一
巨大的 CO2 分压差驱动着土壤中的 CO2 不断向大
气快速扩散,直接影响到土壤鄄大气界面的 CO2 排放
量.全球土壤 CO2 排放(又称土壤呼吸)是陆地最大
的碳源[2],其速率高达(98依12) Pg·a-1,比人类活
动的 CO2 排放总量(6郾 8 Pg·a-1)还大一个数量级,
其微小波动都将对大气 CO2 浓度产生重大影响[3] .
随着全球变暖的趋势日益明显,土壤 CO2 的排放速
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 10 月摇 第 23 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2012,23(10): 2916-2922
率还可能因升温而加速.据估算,1989—2008 年,全
球土壤碳排放速率逐年增加 0郾 1 Pg[3] . 另一方面,
土壤 CO2 溶于水易形成碳酸,与碳酸盐岩等基岩反
应消耗土壤中的 CO2,这也是大气 CO2 的一个重要
碳汇[4] . 因此,土壤 CO2 浓度的变化对未来大气
CO2 浓度和气候变化起着至关重要的作用.
活根呼吸和土壤微生物对有机质的分解是土壤
CO2 的主要来源. 这些 CO2 储存在土壤孔隙中,其
浓度高达数千甚至数万 滋mol·mol-1,在扩散到大气
的过程中受到 CO2 分压差、土温、含水量、充水孔隙
度(WFPS)、土壤结构、土壤质地、松紧度、土层排列
和风速等诸多因素影响. 然而,目前对土壤 CO2 排
放的估算主要是基于土壤鄄大气界面的土壤呼吸测
定[2],忽略了土壤中 CO2 气体的储存、传输和扩散
等过程.尽管为期 1 年或 1 年以上的土壤呼吸观测
值近似于土壤孔隙中的 CO2 产生量,但二者在短时
间尺度上(如昼夜变化、降雨、冻融或耕作前后)仍
存在较大差异.因此,目前广泛采用的通过测定土表
CO2 通量来计量土壤呼吸的方法不够准确[5],有必
要对土壤剖面的 CO2 浓度和扩散过程进行实时监
测,这样才能了解真实的土壤呼吸过程. 研究土壤
CO2 浓度及廓线(即土壤 CO2 气体浓度沿着土壤剖
面的分布状况)对于了解 CO2 气体在土层中的产生
与积累、垂直分布与扩散方向,以及估算真实的土壤
呼吸速率、理解土壤呼吸的调控机理等有重要意义.
1摇 土壤 CO2 浓度的测定技术
1郾 1摇 气井法
气井法是测定土壤 CO2 浓度最古老、最普遍的
技术[6-8] .该法在土壤剖面不同深度安装气体收集
装置,再用软管连接到地面,用注射器采气或直接连
接 CO2 分析设备,如碱吸收瓶、气相色谱仪、红外气
体分析仪等.集气装置大多自制,类型多样,适用于
不同的土壤环境.例如,5 nm的多孔熔结青铜杯[9]、
塞有橡胶塞的聚氯乙烯管[10]、多层次采样器[11]、长
方体气体采集器[12]、管侧开 2 mm 孔的铜管[13]、外
裹尼龙网的倒扣玻璃漏斗[14]、带注射器的采样通
道[15]、开放式取样杆[16]等适于旱地土壤 CO2 气体
的取样;而多孔高分子聚丙稀管[17]、外套金属保护
网的螺旋状硅胶管[18-19]、外套防水透气膜(如 PE
膜、PVDF膜和 e鄄PTFE 膜)的惰性材料管[20-21]则适
于采集湿地土壤的 CO2 气体.
气井法易操作、成本低,气体采集装置的制作简
单,可以提供不同深度土壤 CO2 产生的资料,一定
程度上减少了测试费用和 CO2 溶于水后酸性腐蚀
的风险,但气井法无法对土壤 CO2 气体进行高时间
频率的连续监测[22] . 此外,该法在抽取气体时还存
在干扰土壤环境、难以大量采样、有些集气装置容易
被土壤颗粒堵塞而失效等问题. 在气体的抽取、储
存、运输和分析过程中,也难免会产生偏差.
1郾 2摇 固态 CO2 传感器法
由于广泛应用的红外气体分析仪尺寸较大,微
型的固态 CO2 传感器近年来成为测定土壤 CO2 浓
度的新兴技术,受到广大研究者的青睐.该传感器经
防水处理后可埋在不同深度的旱地或间歇性淹水土
壤中测定原位土壤 CO2 浓度. 2003 年,Hirano 等[23]
首次将微型 CO2 传感器(GMD20,Vaisala 公司,芬
兰)埋在日本落叶阔叶林土壤中,验证了该设备的
可行性.随后,众多研究者相继在热带稀树草原[24]、
森林[25-26]、农田[22,27-28]采用固态 CO2 传感器测定了
土壤 CO2 浓度及廓线.
固态 CO2 传感器法可自动、连续、方便地监测
原位土壤 CO2 浓度,时间分辨率高(可精确到小时、
分钟或秒),操作带来的系统误差小,对土壤环境的
破坏较小,安装后的维护简单.但传感器只能固定在
一个位置,所测量的面积有限,设备成本也较高,限
制了空间上取样点的重复数,从而降低了取样的代
表性和精确度[29] .另外,土壤微环境(长期 100%空
气湿度下)还会损坏传感器[30] .
2摇 土壤 CO2 浓度的时空动态
2郾 1摇 土壤 CO2 浓度的时间动态
在昼夜尺度上,土壤 CO2 浓度一般昼高(中午
前后出现峰值)夜低(凌晨前后出现谷值),与土温
变化基本吻合[13,21,26];但也有一些研究发现,土壤
CO2 浓度的变化有提前或滞后土温 1 ~ 2 h 的现
象[22,24,31] .尽管不同土壤剖面深度的 CO2 浓度日变
化趋势基本类似,但表土 CO2 浓度的变幅常高于底
土 CO2 浓度的变幅[32-34] .这可能与表土水热和根系
活动的变幅较大,而底土水热环境较稳定、根系数量
较少有关.在较深土层(如 60 cm 以下),有时甚至
难以监测到 CO2 浓度的昼夜变化[7,22] . 在临近大气
的枯落物层或表土层(如 30 cm 内),CO2 浓度常在
中午或午后达到最低值,与温度的日变化相
反[23-24,32] .这可能与近地面大气稳定性(风速、气
压)以及中午强烈的光合作用引起冠层以下 CO2 浓
度降低有关. 据报道,北方森林土壤孔隙中的 CO2
719210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 盛摇 浩等: 土壤 CO2 浓度的动态观测、模拟和应用摇 摇 摇 摇 摇 摇
在上午起风时大量排出,而夜间无风时,CO2 在土壤
中积累[32] .另有研究发现,农田松土后,中午较高的
风速造成局部气压下降,形成风力泵,将表土中 CO2
以质流方式快速排出,表土层 CO2 浓度迅速降
低[27] .
在几天时间尺度上,土壤 CO2 浓度波动较大,
以干湿交替期、冻融期表现尤为明显. 例如,雨后表
土层 CO2 浓度迅速升高,而底土层 CO2 浓度在滞后
表土层数小时后缓慢升高,数日后二者均达到峰
值[20,25];其原因可能是干旱后的降水促使微生物和
根系活动剧增,同时雨水堵塞表土层孔隙,降低扩散
系数,导致土体中 CO2 排放不畅、CO2 积累量增加.
有研究表明,当土壤水分超过 40% ,土壤水分的小
幅升高就会引起土壤扩散系数的大幅降低,从而造
成土壤 CO2 的积累[35] .随着土壤水分的渗漏和蒸发
损失,土壤 CO2 浓度在几日内逐渐回落到原有的浓
度水平[22] .目前,短期的干湿交替对土壤 CO2 浓度
及廓线的影响仍很难量化.在寒温带,周期性的土壤
冻融交替频发,冻层融化时土壤 CO2 浓度剧增[11] .
其原因一方面可能是冰冻使部分微生物冻死、细胞
破裂,释放出活性有机物,一旦冻层融化,幸存的微
生物便充分利用这些活性有机物,呼吸剧增;另一方
面可能是冻层融化后,溶解态的 CO2 转化为气态
CO2 而释放.
在季节尺度上,土壤 CO2 浓度大多夏高(6 月或
8 月峰值)冬低(1 月谷值),与区域气温或降水、植
物生长的季节变化基本一致[14,36-37] . 通常,在高温
多雨的季节,植物生长旺盛,土壤有机质和凋落物分
解快速,土壤微生物和植物根系活跃,CO2 产生量
大,容易在土壤中积累.在植物生长季,土壤 CO2 浓
度会提高 5% ~ 10% [38] . 在热带雨季,土壤 CO2 浓
度变化与前 2 周的降雨量存在显著正相关[35] . 然
而,高寒区冻土的冬春季监测结果表明,冻土层 CO2
浓度在春季升温期(3 月中旬)出现一个峰值,经短
暂降低后,随夏季融化过程的开始而又升高[15] . 在
半干旱区,塿土 CO2 浓度具有双峰型季节变化规
律,即 5 月前后出现最高峰,8 月前后出现次峰,与
温度季节变化基本吻合,但与土壤水分季节变化不
一致[14] .这种双峰型季节变化规律可能与主控因子
(温度或水分)的变动有关. 即使 6、7 月温度较高,
若土壤遭遇长期干旱,扩散系数将增大,导致 CO2
浓度降低[23] .例如,在地中海夏干气候区,土层 CO2
浓度在干旱的夏季低,在湿润的冬季高[39],土壤水
分可能起着主控因子的作用. 通常,表土 CO2 浓度
的季节变幅较大,底土(如粘土层以下)CO2 浓度的
季节变幅相对较小,有时甚至不明显[40-41] .
在年际尺度,土壤 CO2 浓度变化显著,主要受
降雨和土壤水分状况的影响. 例如,在厄尔尼诺(El
Ni觡o)年,降雨量超出平常年份,草地土壤剖面的
CO2 产生量约是平常年份的 3 倍,其 CO2 浓度也高
出平常年份[39] . 在温带混交落叶林中,O 层土壤
CO2 产生量的年际变异最大,且与土壤水分的年际
变异显著正相关[42] .
2郾 2摇 土壤 CO2 浓度的空间动态
在土壤剖面上,土壤 CO2 浓度普遍上低下
高[39-42] .在临近大气的土层中 CO2 浓度较稳定,且
与大气 CO2 浓度值接近[43],随着土层深度的增加,
CO2 浓度常呈线性增加趋势[44] . 新鲜的活性有机
物、微生物量和植物细根富集在表土层,因此表土呼
吸所产生的 CO2 量远高于底土.据估算,0 ~ 2郾 5 cm
表土 CO2 产生量约占土壤剖面 CO2 产生总量的
95% [40] .但是,表土容重小、孔隙发达,微生物呼吸
和根系呼吸释放的 CO2 能快速扩散,逸出土壤;而
底土容重大、孔隙度小,加之因粘土层的限制因素,
CO2 扩散慢,而且由于溶解在表层土壤溶液中 CO2
的垂直向下传输[45],CO2 在深层土壤积累的浓度高
于表土.有研究表明,岩溶区在降雨丰沛的季节,由
于雨后基岩对石灰土中 CO2 的溶蚀消耗作用增强,
底层土壤 CO2 浓度会随深度增加而明显降低[46] .当
出现浅层地下水时,沿土壤剖面从上往下,CO2 浓度
会有突降现象.例如,岩溶区的石灰土,因存在滞水
层(12 cm 处),发生 CO2 转化为 CaCO3的反应而起
到碳汇作用,导致该深度的 CO2 浓度突降[46] . 在北
方森林区,粘质土壤因出现质地剖面突变的砂层
(35 cm 处),受季节性地下水的影响,土壤砂层的
CO2 浓度骤降[36] . 在地下水较浅、排水较差的灰化
土也有类似现象,土壤剖面 CO2 浓度在 20 ~ 50 cm
矿质土壤间突降[47] .
在立地尺度上,土壤 CO2 浓度的空间异质性较
大.这与土壤水分状况、立地生产力和土壤碳输入等
因素密切相关. 但也有研究发现,微地形部位(水
平、洼地和隆起)对立地内土壤 CO2 浓度廓线没有
显著影响[36] .
在景观尺度上,土壤 CO2 浓度的空间异质性常
受土地利用 /覆被类型、地形、排水状况、土壤质地等
因素影响,其中植被覆盖的影响尤为明显. 例如,黄
8192 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
土高原马兰黄土为:松树>草地>竹林>裸地[31];太
湖地区典型水稻土为:麦田>毗邻裸地[34];岩溶区土
壤剖面 CO2 平均浓度大小为:次生林>草地>人工林
>农田[37]、乔木、灌丛>弃耕地[48];美国堪萨斯州温
带高草草原为:天然草原>毗邻农田[45];加拿大北方
森林粘质土壤为:皆伐迹地>未砍伐林地,而二者在
砂质土壤中没有显著差异[36] .在山区,土壤 CO2 浓
度随着海拔增加而升高[49] .
3摇 土壤 CO2 浓度的模拟
昼夜、季节尺度的土壤 CO2 浓度变化的模拟大
多考虑气温、土温和土壤水分的影响[50] .目前,建立
经验的指数模型、线性模型、随机模型和逻辑斯蒂模
型等[51],较少考虑生物因子,如植物根系活动、微生
物群落波动等的影响.而且,这些经验模型多限于特
定样地,若推广到其他生态系统可能存在问题. Oh
等[38]利用非稳态的多分室机理模型,预测未来气候
变暖将促进地下呼吸,导致土壤 CO2 浓度升高.
在土壤 CO2 浓度的空间分布模拟上,全球尺度
土壤 CO2 浓度的模拟仍是基于简单的统计回归模
型.采用实际蒸散量能较好地模拟不同气候带生长
季土壤(表层至 2 m深)CO2 浓度的变化,模型计算
式[50]如下:
lgPCO2 = -3郾 42+2郾 09(1-e-0郾 0 0 172 AET)
R2 = 0郾 67
式中:PCO2 和 AET 分别是土壤 CO2 浓度和实际蒸
散量.利用该模型可得出,热带土壤平均 CO2 浓度
高于温带、荒漠、亚高山和寒带地区的土壤平均 CO2
浓度.
在景观尺度上,土壤 CO2 浓度的模拟研究较
少. Welsch和 Hornberger[51]开发了一个简单的基于
物理过程的机理模型,并模拟了美国弗吉尼亚州一
个小流域林地土壤 CO2 浓度的时空动态,发现水分
经常饱和的河道土壤 CO2 浓度最低,而山谷和河岸
滨水带土壤 CO2 浓度最高. 在立地尺度上,沿土壤
剖面的 CO2 浓度常用幂函数的数学模型描述[52] .近
年来,整合土壤 CO2、水和热量扩散过程的一维、多
维的机理模型开发越来越受到重视(表 1),在 CO2
的产生、传输和时空分布研究中得到广泛的应用和
检验[53-54],但这些机理模型多限于在稳定的平衡态
下运行,在模拟非平衡态(如干旱后的降雨、融雪)
的土壤 CO2 浓度动态上仍存在较大难度[55-56] .由于
土壤 CO2 的产生和积累机制相当复杂,目前对于土
壤 CO2 浓度时空变异的了解很有限,将单点测定的
土壤 CO2 浓度的瞬时变化外推到更大的时(年际)、
空(景观、区域甚至全球)尺度仍是研究的难点.
4摇 土壤 CO2 浓度在土壤呼吸研究中的应用
根据费克(Fick)定律,将土壤 CO2 浓度廓线和
CO2 扩散系数代入扩散方程,可估算土壤呼吸.这就
是测定土壤呼吸的主流技术之一———通量梯度法.
应用通量梯度法不仅可以打开土壤剖面这个“黑
箱冶,直观、清晰地了解 CO2 在土壤剖面产生的具体
位置和时间,还能精确估算 CO2 沿土壤剖面的垂直
运动和传输量,它具有土壤表面气室法完全不具备
的优势.据全球统计分析,通量梯度法能获得与地表
气室法类似的土壤呼吸测定结果[8] .
通量梯度法在土壤呼吸研究中极具应用价值.
首先,土壤呼吸的昼夜变化显著[24],土壤孔隙 CO2
浓度最先变化,而经扩散传递到表土和大气中具有
表 1摇 土壤剖面 CO2 浓度的机理模型
Table 1摇 Mechanistic models for CO2 concentration in soil profiles
输入变量
Input variable
输出变量
Output variable
步长
Step
模型
Model
文献
Reference
土壤基本性状、初始和土气交界面条件 土壤 CO2 浓度、土壤呼吸、土温和土壤水分 小时 Simplified CO2
Production model
[25]
土温、土壤体积含水量、环境大气 CO2 浓度 土壤 CO2 浓度、土层之间 CO2 通量 小时 Dynamic model [52]
土壤基质势、温度、土层深度 土壤 CO2 浓度、土壤呼吸 小时 /日 SOILCO2 [53]
土温、土壤体积含水量、地上凋落物输入量、
1 m深的活细根生物量
土壤 CO2 浓度、土壤 CO2 产生量、土表 CO2
释放量、根呼吸和微生物呼吸
小时 /日 PATCIS [54]
太阳辐射、降雨量、气温、空气相对湿度 土壤 CO2、O2 浓度、根和微生物呼吸、土温
和土壤水分
日 Mathematical model [57]
土温、土壤水分张力 土壤 CO2 浓度、土壤 CO2 产生量、土表 CO2
释放量
小时 /日 Simple physically鄄
based model
[51,58]
土粒密度、容重、活和死细根生物量、不同土
层深度的土温和土壤水分
土壤 CO2 浓度、土壤 CO2 产生量、土表 CO2
释放量、根呼吸和微生物呼吸
日 Revised PATCIS [59]
919210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 盛摇 浩等: 土壤 CO2 浓度的动态观测、模拟和应用摇 摇 摇 摇 摇 摇
滞后性.通过监测土壤 CO2 浓度廓线可以直接反映
土壤呼吸的日变化特征.其次,土壤呼吸对天气变化
(如降雨、冰冻、融雪、降温)反应敏感,监测土壤
CO2 浓度的变化有助于揭示其对天气变化快速响应
的机理.例如,干湿交替常出现一个持续几天的 CO2
排放高峰(Birch 效应),在特定区域对整个生态系
统呼吸的贡献很大,而水分渗入土壤孔隙置换出气
体,可能是出现 CO2 排放高峰的原因之一.最后,通
过监测土壤 CO2 浓度廓线,能清晰地了解底土 CO2
产生量以及产生的具体位置[20],并将 CO2 的产生与
生物、物理因子联系起来,以阐明土壤呼吸的控制机
理.
通量梯度法也存在一些限制因素,主要是难以
精确测定土壤 CO2 浓度廓线和扩散系数. 一方面,
野外测定土壤 CO2 浓度廓线时,常难以将采样器安
装到母质层及以下深度,可能忽略深层的母质、母岩
和地下水中的 CO2 通量;而且,埋置的采样器内部
排除了植物根系的生长,可能低估根系呼吸[56] . 埋
置采样器时(如挖壕沟)还会干扰土壤环境;加上土
壤 CO2 浓度及廓线的空间异质性大(特别在复杂地
形环境下),而增加取样点的工作量大、成本高. 另
一方面,土壤扩散系数受诸多物理因素的影响,如土
壤水分变化引起 CO2 扩散率的变化;原位土壤的孔
隙曲折率、质地、容重和孔隙度,这些指标对于石质
土或淹水土壤很难测定[60] . 因此,通量梯度法在估
算土壤呼吸时具有一定的不确定性,其可靠性因土
壤环境而异.
5摇 研究展望
土壤 CO2 浓度波动不仅反映地上、地下的生物
活动,也反映土壤中 CO2 的产生、传输、排放和平
衡,对未来大气 CO2 浓度和气候变化有重要影响.
因此,有必要深入开展土壤 CO2 浓度及其廓线研
究.
1)创新适于不同土壤环境的土壤 CO2 气体原
位采集、分析装置和测量标准.尽管目前国内外旱地
土壤 CO2 气体的原位采集技术已较成熟,但采集恶
劣环境下(如淹水、石质土或石砾含量高)的土壤气
体仍较困难.现有研究还存在测定时间较短、空间重
复数偏少、集气装置安装和采样时干扰大、原位实时
监测较难等技术问题. 因此,有必要创新土壤 CO2
气体采集器和分析技术,特别是试验新型的固态
CO2 传感器,并验证其区域适用性.
2)深入探讨土壤 CO2 浓度对天气(如降雨、冰
冻、融雪、降温)变化的响应和调控机理. 由于植物
光合作用对天气变化非常敏感,而植物光合作用可
能驱动着地下呼吸.因此,短期天气变化对土壤 CO2
浓度的影响可能尤为明显,但目前对此了解很少.
3)加强土壤 CO2 浓度的空间异质性研究.不论
是气井法还是固态 CO2 传感器法,均限于成本和工
作量的问题,难以在样地、景观和区域空间尺度上设
置足够的代表性取样点,导致目前对土壤 CO2 浓度
变化的空间异质性仍缺乏充分了解. 因此,生物统
计、地统计学、景观生态学、GIS 空间分析技术在不
同地形、土地覆被和景观类型区域的土壤 CO2 浓度
空间分布研究上将大有用武之地.
4)扩大通量梯度法在不同生物群区的土壤呼
吸观测中的应用,并加强与地表气室法的对比研究.
目前,通量梯度法与地表气室法的对比研究主要集
中在温带,而在热带、亚热带地区的应用较少.热带、
亚热带生物群区与大气 CO2 的交换量占到生物圈
总量的 1 / 3,热带、亚热带土壤储存了全球土壤有机
碳约 1 / 3 的贮量,其土壤呼吸速率和土壤平均 CO2
浓度居于全球最高水平.热带的植物生产力高、土地
利用剧烈,土壤 CO2 排放和浓度波动对大气温室气
体浓度的短期和长期变化有重要影响. 因此,在热
带、亚热带,加强地表气室法和通量梯度法的比较研
究,不仅能反映长期土壤呼吸动态,也能加深对短期
土壤呼吸控制机理的了解.
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作者简介摇 盛摇 浩,男,1982 年生,博士,讲师. 主要从事地
下生态过程对气候和土地利用变化响应研究,发表论文 10
余篇. E鄄mail: shenghao82@ 163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
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