全 文 ：第 19 卷
第 3 期

Vol. 19
No. 3
草
地
学
报
ACTA AGRESTIA SINICA



2011 年
5 月

M ay.

2011
利用MODIS影像和气候数据模拟
藏北高寒草甸的土壤呼吸
付
刚1, 2 , 沈振西1* , 张宪洲1, 石培礼1 , 何永涛1 , 武建双1, 2, 周宇庭1, 2
( 1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 生态系统网络观测与模拟重点实验室, 拉萨高原生态系统研究站, 北京
100101;
2. 中国科学院研究生院,北京
100049)
摘要: 利用 M ODIS 卫星的陆地表面温度数据,模拟了 2004年和 2005 年生长季( 5- 10 月)当雄县高寒草甸的土壤
呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸, 以期为土壤呼吸空间尺度扩展提供相应的基础。结果表明: 2004 年生长季的土壤
呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸总量分别为 1059. 11, 393. 80, 665. 31 g CO 2
m- 2, 而 2005 年生长季的则分别为
1114. 77, 423. 34, 691. 43 g CO2
m- 2。土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸都有着明显的季节变化, 即第 153 d 前
后开始迅速增加并保持较高水平,至第 241 d 左右开始迅速下降。根系呼吸占土壤呼吸的比例为 48% ~ 69% , 并
随着季节而发生变化。土壤呼吸和土壤异养呼吸的 Q 10值范围分别是 1. 13~ 1. 17 和 1. 12~ 1. 27。
关键词:土壤呼吸; 土壤异养呼吸;根系呼吸; Q 10 ; M ODIS; 藏北高原;高寒草甸
中图分类号: T P79; S812



文献标识码: A




文章编号: 1007
0435( 2011) 03
0400
06
Modeling Soil Respiration of Alpine Meadow on the Northern
Tibet Plateau Using MODIS and Climate Data
FU Gang
1, 2
, SHEN Zhen
x i1* , ZHANG Xian
zhou1 , SH I Pei
li1
HE Yong
tao1 , WU Jian
shuang1, 2 , ZHOU Yu
t ing1, 2
( 1. Lhasa Plateau Ecosys tem Research S tat ion, Key Laboratory of E cosystem Netw ork Ob servat ion and Modeling,
Ins titute of Geograph ic Sciences and Natu ral Resour ces Research, Beijin g 100101, China;
2. Gradu ate Un iversity of Chin ese Academy of Sciences, Beijing 100049, C hina)
Abstract: T he so il respiration, so il heterot rophic respirat ion and r oot r espirat ion of alpine meadow in
Damxung County w ere est imated by using MODIS land surface temper ature and the equat ions betw een soil
( heterot rophic) respirat ion and soil temperature during the g row ing season ( from M ay to October) . Re

sults show ed that the soil r espirat ion, so il heter ot rophic respir at ion and roo t respir at ion total amount w ere
1059. 11, 393. 80 and 665. 31 g CO2
m- 2 during the g row ing season in 2004, respect ively, w hile tho se
w ere 1114. 77, 423. 34 and 691. 43 g CO 2
m- 2 during the grow ing season in 2005, respect iv ely . Seasonal
changes of soil respirat ion, soil heter ot rophic respiration and r oot respirat ion w ere obv ious: they increase
rapidly in the beg inning 153 day of year ( DOY) and kept high level unt il 241 DOY then decr ease dramatic

ally . T he rat io of root respirat ion to soil respiration ranged from 48% to 69% w ith seasonal chang ing. The
Q 10 values of soil respirat ion and soil hetero trophic respirat ion ranged from 1. 13 to 1. 17 and from 1. 12 to
1. 27, r espect ively. T his study may provide basis for scaling
up of so il respiration.
Key words: Soil respirat ion; Soil heterot rophic respirat ion; Root respirat ion; Q 10 ; MODIS; Northern T i

betan Plateau; Alpine meadow


土壤呼吸是指未经扰动的土壤由于代谢活动而
产生 CO 2 的所有代谢过程, 包括 3 个生物过程(土
壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸)和一个非
生物的化学氧化分解过程[ 1]。其中最重要的是土壤
异养呼吸和根系呼吸[ 2, 3] 。土壤呼吸是一个复杂的
过程,受很多生物因素(如放牧和土地利用方式的改
收稿日期: 2010
05
21;修回日期: 2011
04
02
基金项目:国家科技支撑计划项目( 2007BAC06B01) ( 2006BAC01A04) ;国家自然基金项目( 40771121)资助
作者简介:付刚( 1984
) ,男,河北保定人,博士,研究方向为高原生态学、遥感应用, E
mail: fugang09@ 126. com ; * 通讯作者 Author for
cor resp on dence, E
mail: s hen zx@ igsn rr. ac. cn
第 3期 付
刚等:利用 MODIS影像和气候数据模拟藏北高寒草甸的土壤呼吸
变)和非生物因素 (如土壤温湿度等)的影响 [ 4, 5]。
施政等 [ 6]的研究表明土壤温度是土壤呼吸随海拔高
度变化而变化的主导因子。很多研究表明土壤呼吸
与地表温度有着显著的相关关系[ 7~ 9] , 甚至有文献
报道土壤呼吸与地表温度的关系强于和深层土壤温
度的关系[ 10, 11] 。近年来,碳通量的尺度扩展已经引
起了科学界的关注[ 12, 13]。而基于遥感的地表温度
就成了研究呼吸通量的一个重要桥梁。一些研究发
现基于遥感的地表温度能够在一定程度上解释生态
系统呼吸[ 13~ 16] 。
高寒草甸是青藏高原重要的天然草地, 约有
0
7
109 hm2 [ 17]。贮存在高寒草甸土壤中的碳约
为 10. 71 Pg (相当于中国草地土壤碳总储量的
26
1%) , 土壤碳密度约为 18. 2 kg
m- 2 [ 18] 。因
此,高寒草甸土壤是一个巨大的碳库,准确地估计高
寒草甸土壤呼吸有利于定量化研究高寒草甸生态系
统碳循环过程。关于土壤呼吸和土壤温度的关系国
内外学者已经做了大量研究, 但是基于遥感地表温
度的土壤呼吸研究还很少。因此,基于中分辨率成
像光谱仪 ( M oder ate reso lut ion imag ing spect rora

diometer, MODIS)的地表温度和已经建立的土壤呼
吸方程[ 19, 20] ,本研究对 2004 年和 2005年生长季当
雄高寒嵩草( K obr esia)草甸的土壤呼吸、土壤异养
呼吸和根系呼吸进行了模拟, 旨在为土壤呼吸空间
尺度扩展提供相应的基础。
1
材料与方法
1. 1
研究区概况
研究区位于拉萨市当雄县草原站, 距离当雄县
城约 3 km,距拉萨市约 170 km。其地理坐标为 E
91
04
、N 30
30
, 平均海拔约 4333 m。该区属于高
原性季风气候, 具有辐射强、蒸发量大、气温低,日较
差大、年较差小的特点。没有明显的四季之分,生长
季短暂( 5- 10月)。多年年均降雨量 476. 8 mm, 其
中 85. 1%集中在 6- 8 月份 [ 21~ 23]。土壤质地是沙
壤土[ 24, 25] ,土壤厚度约为 30~ 50 cm。植物根系主
要分布在 0~ 20 cm 土层内。植被类型为嵩草草甸
植被,建群种主要有小嵩草( K obr esia parv a)、丝颖
针茅( St ip a cap il lacea)、窄叶苔草( Car ex monti s

everest ii )等,伴生有多种密丛生嵩草。
1. 2
数据获取与处理
1. 2. 1
MOD11A2/ MYD11A2
MOD11A2/ MYD11A2是 8天合成的空间分辨
率为 1 km 的地表温度产品, 包含白天地表温度、夜
间地表温度,以及 31和 32波段通道发射率等数据。
1. 2. 2
小气候数据
主要是 5 cm 的土壤温度的获取。数据取自自
动常规气象观测系统, 该系统主要包括辐射(向下长
波辐射、向上长波辐射、向下短波辐射、向上短波辐
射)、光合有效辐射、空气温度/湿度、红外温度、大气
压、水汽压、风速/风向、降水量、土壤温度/湿度、土
壤热通量等。这些常规气象要素的观测是与当雄通
量观测同时进行的。其中土壤 5 cm 处的温度是由
温度传感器( 107
L, Campbell scientif ic)测定的。
1. 2. 3
土壤呼吸
根据已经建立的土壤呼吸和土壤异养呼吸与土
壤温度的方程[ 19, 20] ,以及小气候数据进行了每 8天
的土壤呼吸估计, 然后与 MOD11A2/ MYD11A2每
8天的地表温度建立关系。为了与遥感数据保持一
致, 根据光合有效辐射 ( Photosynthetical ly act ive
radiat ion, PAR)值将数据划为白天和晚上 2 个阶
段: PAR> 10
mol
m- 2
s- 1作为白天, PAR

10
mo l
m- 2
s- 1作为晚上。
R s = 0. 592exp0. 0932T5 ( 1)
R s = 0. 34exp
0. 085T
5 ( 2)
Rh = 0. 1059exp
0. 1327T
5 ( 3)
Rh = 0. 1796exp0. 0831T5 ( 4)
其中, T 5 (
)是土壤 5 cm 处的温度; R s 和 R h
(
mol CO 2
m- 2
s- 1 )分别是土壤呼吸和土壤异
养呼吸。方程( 1)和( 2)分别是雨季、旱季土壤呼吸
与土壤 5 cm 处温度的模拟方程;方程( 3)和( 4)分别
是雨季、旱季土壤异养呼吸与土壤5 cm 处温度的模
拟方程。
2
结果与分析
2. 1
土壤呼吸和土壤异养呼吸模拟
将每 8天的昼夜温度求平均值,然后利用方程
( 1)、( 2)、( 3)和( 4)分别计算了 2004年和 2005年雨
季( 6- 8月)和旱季( 5 月, 9- 10 月)的土壤呼吸和
土壤异养呼吸。无论是 MOD11A2 的地表温度还
是 MYD11A2的地表温度,都显著解释了土壤呼吸
和土壤异养呼吸的变异(图 1, 2)。相对于旱季而
言,地表温度更多地解释了雨季的土壤呼吸和土壤
异养呼吸的变异。MOD11A2 的地表温度数据比
MYD11A2的地表温度数据更能够解释土壤呼吸和
土壤异养呼吸的变异。
401
草
地
学
报 第 19卷
2. 2
土壤根系呼吸模拟
前面的分析已知, M OD11A2的地表温度数据
更能够解释土壤呼吸和土壤异养呼吸的变异,因此,
此处只利用土壤呼吸和 MOD11A2 的地表温度数
据所建立的方程(图 1)。土壤根系呼吸计算如下:
雨季: Rroot= 1. 789exp0. 016LST - 0. 506exp0. 024LST
旱季: Rroot= 0. 691exp0. 0141LST - 0. 359exp0. 0138LST
2004年白天的土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系
呼吸的峰值分别为 2. 72, 0. 95和 1. 77
mol CO2

m- 2
s- 1。2005年白天的土壤呼吸、土壤异养呼吸
和根系呼吸的峰值分别为 3. 40, 1. 32和 2. 07
mol
CO 2
m- 2
s- 1。2004 和 2005 年晚上的土壤呼
吸、土壤异养呼吸和根系呼吸的峰值分别都相等, 其
值分别为 2. 01, 0. 60 和 1. 41
mol CO 2
m- 2

s
- 1。2004年白天的土壤呼吸和土壤异养呼吸峰值
出现在第 241 d(即 8月 28号) , 而根系呼吸峰值出
现在第 217 d(即 8月4号)。而 2005年白天的土壤
呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸的峰值则都出现在
第 193 d(即 7月 12号)。2004年晚上的土壤呼吸、
土壤异养呼吸和根系呼吸的峰值都出现在第 177 d
(即 6月 25号) ,而 2005年出现的较晚(第 241 d,即
8月 29号)。总的来看, 峰值出现在雨季的 6月底
到 8月底。
土壤呼吸、异养呼吸和根系呼吸的曲线表现出
了一致的趋势,即在第 153 d前后开始迅速增加,而
在第 241 d左右开始迅速下降,这期间刚好是 6- 8
月份的雨季;雨季和旱季的根系呼吸比例分别约为
67%和 48%。生长季的土壤呼吸与土壤异养呼吸
和根系呼吸的相关系数分别为 0. 968和 0. 997( P<
0
001) ,这说明土壤呼吸与异养呼吸和根系呼吸是
紧密联系在一起的, 也间接反映了普遍认可的土壤
呼吸主要是由土壤异养呼吸和根系呼吸组成
的[ 2 , 3]。
402
第 3期 付
刚等:利用 MODIS影像和气候数据模拟藏北高寒草甸的土壤呼吸
图 3
模拟的土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸的季节变化
Fig . 3
Seasonal changes o f modeled so il r espiration, soil heterot rophic respir ation and root respiration
注: R s
土壤呼吸; R h
土壤异养呼吸呼吸; Rro ot
根系呼吸; A
2004年白天; B
2005年白天; C
2004年晚上; D
2005年晚上
Note: Rs
soil respirat ion ; Rh
s oil heterot roph ic respirat ion; R roo t
root respirat ion ; A
day in 2004; B
day in 2005;C
nigh t in 2004; D
night in 2005
表 1
2004- 2005 年生长季( 5- 10 月)每月的土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸速率
T able 1
Monthly soil r espir ation ( Rs ) , soil hetero trophic r espir ation( Rh ) and r oo t respirat ion ( Rro ot ) during
gr ow ing season ( fr om May to October) in 2004- 2005,
mol CO 2
m- 2
s- 1
时间(年- 月)
Tim e( Y
M)
土壤呼吸
Rs
土壤异养呼吸
Rh
根系呼吸
Rro ot
异养呼吸比例
Rat io of Rh t o R s
根系呼吸比例
Rat io of Rro ot t o R s
2004
05 0. 90 0. 46 0. 43 51. 63% 48. 37%
2004
06 2. 17 0. 68 1. 49 31. 35% 68. 65%
2004
07 2. 12 0. 66 1. 46 31. 20% 68. 80%
2004
08 2. 26 0. 73 1. 54 32. 13% 67. 87%
2004
09 0. 85 0. 44 0. 41 51. 71% 48. 29%
2004
10 0. 78 0. 41 0. 38 51. 80% 48. 20%
2005
05 0. 86 0. 44 0. 41 51. 68% 48. 32%
2005
06 2. 37 0. 79 1. 58 33. 20% 66. 80%
2005
07 2. 54 0. 88 1. 66 34. 55% 65. 45%
2005
08 2. 14 0. 67 1. 47 31. 21% 68. 79%
2005
09 0. 86 0. 44 0. 41 51. 70% 48. 30%
2005
10 0. 80 0. 41 0. 38 51. 78% 48. 22%
2. 3
土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸量的估算
生长季每月的土壤呼吸、异养呼吸和根系呼吸
的日呼吸量和月呼吸量如表 2 所示。2004 年生长
季的土壤呼吸、异养呼吸和根系呼吸总量分别为
1059. 11, 393. 80 和 665. 31 g CO 2
m - 2 ; 而 2005
年生长季的则分别为 1114. 77, 423. 34和 691. 43 g
CO 2
m- 2。张东秋[ 19] 模拟的本研究区域 2004 年
生长季的土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸总量
分别为 1026. 1, 505. 8和 520. 3 g CO 2
m- 2。这些
数据表明,利用 MODIS 地表温度数据模拟土壤呼
吸总量是比较准确的。
3
讨论
3. 1
Q10(温度每升高10
,土壤呼吸速率的相对变化)
Q 10是土壤呼吸的一个重要参数,能够反映土壤
403
草
地
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呼吸对温度的敏感程度。不同的研究者通过不同的
研究方法得到了不同的 Q 10值。Lenton [ 26]指出土壤
呼吸 Q 10值的范围是 1. 3~ 3. 8。Lenton 和 Hunt

ingford
[ 27]报道野外试验土壤呼吸温度敏感性 Q 10值
是 2. 54
0. 82; 实验室研究的土壤异养呼吸 Q 10值
是 2. 51
1. 37,自养呼吸(主要是根系呼吸)是 2
09

0. 62。Hashimoto[ 28]则发现 Q 10值的范围是 1. 30
~ 3. 45,均值为 2. 18
0. 61, 中位数是 2. 02。周涛
等[ 29]反演的全国 Q 10的均值是 1. 80( 1. 09~ 2
38)。
本研究的 Q 10值在 1. 12~ 1. 27 之间, 较以前研究
值[ 1 9, 20] 偏小,可能是由于随着土层深度的增加, Q 10
值变大 [ 10, 30] , 张东秋[ 19] 采用的是 5 cm 土壤温度,
而本研究采用的是地表温度;另外就是空间尺度的
不对应,张东秋 [ 19]的研究是基于点的土壤温度, 而
本研究采用了 MODIS 地表温度 ( 1 km 空间分辨
率) ,空间尺度的增大, 土壤呼吸对温度的敏感性可
能降低,即 Q 10变小。
表 2
2004- 2005 年生长季( 5- 10月)每月的土壤呼吸各组成成分的日呼吸量和月呼吸量
Table 2
Daily and monthly so il respiration ( Rs ) , so il heter otr ophic respiration( Rh ) and ro ot r espir ation ( Rroo t )
amount during gr ow ing season ( fr om May to October) in 2004- 2005, g CO2
m- 2
时间(年
月)
Tim e( Y
M)
日呼吸量 Daily respirat ion amoun t 月呼吸量 Monthly respirat ion amount
土壤呼吸
Rs
土壤异养呼吸
R h
根系呼吸
Rro ot
土壤呼吸
Rs
土壤异养呼吸
R h
根系呼吸
Rro ot
2004
05 3. 41 1. 76 1. 65 105. 80 54. 63 51. 18
2004
06 8. 26 2. 59 5. 67 247. 86 77. 70 170. 16
2004
07 8. 06 2. 51 5. 54 249. 71 77. 92 171. 79
2004
08 8. 60 2. 76 5. 84 266. 54 85. 64 180. 90
2004
09 3. 23 1. 67 1. 56 96. 99 50. 15 46. 84
2004
10 2. 97 1. 54 1. 43 92. 22 47. 77 44. 45
2005
05 3. 26 1. 69 1. 58 101. 08 52. 25 48. 84
2005
06 9. 01 2. 99 6. 02 270. 40 89. 78 180. 62
2005
07 9. 65 3. 33 6. 32 299. 20 103. 37 195. 84
2005
08 8. 14 2. 54 5. 60 252. 40 78. 78 173. 63
2005
09 3. 26 1. 69 1. 57 97. 78 50. 56 47. 23
2005
10 3. 03 1. 57 1. 46 93. 89 48. 61 45. 28


雨季时,土壤呼吸 Q 10小于异养呼吸 Q 10 , 而旱
季时则相反,这可能与温度有关,雨季时均温高于旱
季均温,而土壤异养呼吸比根系呼吸对温度的敏感
性高[ 27] ,即 Q 10值大, 而土壤呼吸主要是由根系呼吸
和土壤异养呼吸 2 部分组成[ 2, 3] , 加上雨季根系呼
吸比例较旱季时增大, 因而导致了雨季和旱季土壤
呼吸和异养呼吸 Q 10的变化。
3. 2
土壤异养呼吸和根系呼吸
如何将土壤异养呼吸和根系呼吸分开, 目前有
3种常用的方法: 土壤呼吸成分组合法、根去除法和
同位素标记法, 每种方法都有各自的优缺点, 但是同
位素标记法对土壤和根的干扰性最小[ 31] 。根系呼
吸占土壤呼吸的比例与植被类型和根系生物量等因
素有关, 且随着季节变化而变化。如 Kelting 等 [ 32]
的研究表明,根系呼吸、根际微生物呼吸和其他呼吸
的比例分别为 32%, 20%和 48%。Rochet te 等 [ 33]
和 Andrew s等[ 34]分别指出根系呼吸的比例为 45%
和 55%。Jia 等[ 35] 在对不同密度 ( 0, 30, 60, 90 和
120 株
0. 25 m- 2 )的赖草( L eymus chinensi s )研究
中发现,预测的和观测的根呼吸比例分别是 36. 8%
( 9. 7% ~ 52. 9% ) 和 30. 0% ( 5. 8% ~ 41. 2%)。
Hanson等 [ 31]则认为不同植被类型的根系呼吸比例
不同,变动范围为 10%~ 90%。与很多研究结果一
样[ 3 5, 36] ,根系呼吸的比例有明显的季节变化: 返青
期约为 48%; 当进入生长旺期 (雨热同期) , 随着温
度的升高,雨季的到来,根系迅速生长,根量增加,从
而导致了根系呼吸量的增加,其占土壤呼吸的比例
增加,约为 67% ;到 9月份迅速下降到 48%,标志着
枯黄期的到来。
4
结论
土壤呼吸、土壤异养呼吸和根系呼吸都有着明
显的季节变化,即在第 153 d前后开始迅速增加,然
后保持一个较高的水平, 直到第 241 d左右开始迅
速下降。根系呼吸占土壤呼吸的比例也有着明显的
季节变化,其变动范围在 48. 20% ~ 68. 80%。土壤
呼吸和土壤异养呼吸的 Q 10值分别为 1. 13~ 1. 17
和 1
12~ 1. 27。2004年生长季的土壤呼吸、异养呼
404
第 3期 付
刚等:利用 MODIS影像和气候数据模拟藏北高寒草甸的土壤呼吸
吸和根系呼吸总量分别为 1059. 11, 393. 80和 665. 31
g CO2
m- 2 ,而 2005年生长季的则分别为 1114. 77,
423. 34和 691. 43 g CO2
m- 2。
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(责任编辑
李美娟)
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