[科普中国]-土壤呼吸

简介

森林土壤呼吸是陆地生态系统土壤呼吸的重要部分，其动态变化将对全球碳平衡产生深远的影响。全球森林过度采伐和其他土地利用变化导致土壤CO2释放的增加量，占过去两个世纪来因人类活动释放的CO2总量的一半，是除化石燃烧释放CO2导致大气CO2浓度升高的另一重要因素。森林土壤呼吸也是已建立的长期监测CO2通量网站的重要研究对象之一。是研究世界碳循环的重要课题。对生态学、环境科学及地球表层系统科学意义重大。

土壤呼吸作用，一般指土壤释放CO2或吸收O2的强度，可分为自养型呼吸(根呼吸和根际微生物呼吸)和异养型呼吸(微生物和动物呼吸)，自养型呼吸消耗的底物直接来源于植物光合作用产物向地下分配的部分，而异养型呼吸则利用土壤中的有机或无机碳。

很早以来，人们把测定土壤呼吸作用强度看作是衡量土壤微生物总的活性指标，或者作为评价土壤肥力的指标之一。但必须指出土壤微生物活动是土壤呼吸作用的主要来源；因此影响土壤微生物活动的诸因子，如土壤有机质含量、pH、温度、水分以及有效养分含量都能影响土壤呼吸作用强度，并从土壤呼吸作用强度的变化中反映出来。

土壤呼吸是陆地植物固定CO2尔后又释放CO2返回大气的主要途径，是与全球变化有关的一个重要过程。综述了全球变化下CO2浓度上升、全球增温、耕作方式的改变及氮沉降增加的土壤呼吸效应。大气CO2浓度的上升将增加土壤中CO2的释放通量，同时将促进土壤的碳吸存;在全球增温的情形下，土壤可能向大气中释放更多的CO2，传统的土地利用方式可能是引发温室气体CO2产生的重要原因，所有这些全球变化对土壤呼吸的作用具有不确定性。认为土壤碳库的碳储量增加并不能减缓21世纪大气CO2浓度的上升。1

概念相关介绍大家都知道，人活着就必须得呼吸，一旦呼吸停止，生命也将终止。通过呼吸，人体从大气摄取新陈代谢所需要的氧气（O2），排出二氧化碳（CO2），那你可知道土壤也有呼吸？呼吸过程对它来讲也同样重要？它的呼吸又怎样与我们的生活环境息息相关？

土壤的呼吸——释放二氧化碳土壤呼吸（Soil Respiration），简单的说就是指土壤释放二氧化碳的过程，和人的呼吸一样。土壤中的微生物的呼吸、作物根系的呼吸和土壤动物的呼吸都会释放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是表征土壤质量和土壤肥力的重要指标，也可以反应生态系统受到环境变化的影响，当然，土壤呼吸还为植物提供光合原料——二氧化碳。

碳是地球上生命的基础，它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。地球系统各个所存储碳的部分叫做碳库，主要分为地质碳库，海洋碳库，土壤碳库，生态系统碳库等。通过衡量各碳库对大气二氧化碳的贡献，又将碳库分为碳源（向大气中排放二氧化碳）和碳汇（吸收大气二氧化碳）。陆地生态系统既有向大气排放二氧化碳的呼吸过程（包括土壤与植物、动物的呼吸），还有最大的二氧化碳消费者——植物，植物通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，并向大气中释放氧气以供给地球上的动物包括人类呼吸，如此循环往复，生生不息。亿万年来大气中的二氧化碳含量基本都维持在一个较为恒定的水平。

土壤呼吸与全球变化现阶段包括土地利用和土地植被的改变在内的人类活动，很大程度上改变了土壤呼吸，也改变了陆地生态系统中植物对二氧化碳的固定量。有研究表明，全球森林过度采伐和土地利用变化导致土壤二氧化碳释放的增加量， 占过去两个世纪来因人类活动释放的二氧化碳总量的一半。土壤呼吸已经成为陆地生态系统中向大气释放二氧化碳最大的源。人类活动致使土壤碳库渐成碳源，而生态系统的碳汇功能正在减弱。

首先，二氧化碳的另一个角色是最主要的温室气体之一。温室气体是指大气中对地球具有保温作用的气体，大气中的二氧化碳浓度升高会导致全球变暖，造成天气干旱或旱涝不均，使地面植物生长受影响，地面沙漠化加剧，沙尘暴频繁发生，也必然会影响大气质量。有人推测，随着温室气体的增加，到本世纪中叶，地球的冰雪将融化一大半，从而造成海洋水位上升，有可能淹没大量沿海城市，导致人类自然环境和生态环境的更大破坏。因此，温室效应将给人类带来综合性灾难。

也有研究指出，大气中二氧化碳的升高也有一些有利影响：比如增加的二氧化碳可以给植物“施肥”，有利于植物生产力和水分利用效率的提高。但这必须有个前提，植物还活着！如果土壤被污染，土壤中正常生存的微生物和小动物就会被杀死，生长在上面的植物也会生病甚至死亡；如果森林被大面积砍伐、破坏，土地裸露，土壤流失，我们就失去了“氧气工厂”和“空气净化器”，没有了氧气人类还能生存吗？

“低碳生活”(low-carbonlife)其实就是从节电节气和回收三个环节来指改变生活细节，尽量减少生活作息时所耗用的能量，从而减低碳——尤其是二氧化碳的排放量，减少对大气的污染，减缓生态恶化。为了土壤的呼吸，为了人类的呼吸，让我们都“低碳”起来吧！2

影响主要由土壤微生物(异养呼吸)和根系(自养呼吸)产生．除植被冠层光合作用，土壤呼吸作用是陆地生态系统碳收支中最大的通量．因此，精确预测陆地与大气之间碳交换需要深入理解影响土壤呼吸作用的主导因子，特别是对其主要组成部分土壤微生物和根系呼吸作用的影响机理．土壤微生物和根系呼吸作用主要是土壤中生物代谢作用的结果，因此能够影响生物活动的生态因子都会导致其呼吸强度的变化，如气候因子、土壤因子、植被及地表覆被物等．此外，人类活动引起的大气C0'浓度剧增及由此导致的增温效应，不仅是人类所面临的最严峻的全球环境问题，而且直接或间接地影响着土壤微生物和根系呼吸作用．同时，人类活动本身也会对土壤微生物和根系呼吸作用产生影响，如放牧、施肥、农药、重金属污染等。3

影响因素大气CO2浓度升高的土壤呼吸效应早期的土壤呼吸的测定基于表土层CO2的释放，开始于80多年前。随着科学研究的发展，土壤呼吸因为其全球的CO2总释放量已被认为是全球碳循环的最大通量之一，并已引起了科学界的高度重视。由于其量之大，土壤呼吸数量上的一个小的改变可能对大气中CO2浓度的变化有相当大的影响。正因为如此，对于各国政策制定者来说，充分认识伴随着全球大气CO2浓度升高、土壤呼吸通量可能发生的一些变化至关重要。1

全球升温的土壤呼吸效应如果地球的升温归结于温室效应，预计全球土壤将会变得更温暖，特别是高纬度地区。除一些沙漠外，土壤呼吸随温度的升高而增强，这可以从集中于土壤变暖的研究中找到依据。温度每升高10℃，土壤呼吸的增加值，即Q10关系值大约为2.0。对表层碎屑样品以及寒冷气候区的土壤研究表明，土壤呼吸有最大的响应值，根呼吸对温度的响应显著，Q10值高达4.6。国内学者根据文献综述了土壤呼吸的影响因素及全球尺度下温度的影响，分析了全球范围内湿润地区森林植被的土壤呼吸与纬度、年均温的关系，得出了全球范围的Q10值为1.57。对海南岛尖峰岭热带森林土壤碳储量和CO2排放量的研究表明，土壤CO2的排放率与地表温度之间具有极显著的指数函数关系。温带森林的土壤呼吸与地下5cm土壤温度相关性也较好。几乎所有全球气候变化的模型都预测土壤碳的损失是全球气候变暖的原因之一，而全球变暖将促进土壤碳素损失，尤以热带生态系统为敏感。1

CO2浓度和温度上升的土壤呼吸效应在CO2浓度上升和全球变暖同时相互作用下，土壤呼吸效应是科学研究中需要解决的一个最重要的科学问题。但这也是人们知之甚少的问题。在未来的全球环境下，土壤是碳的净“源”还是“汇”?已有科学家大胆地认为自然界已经为我们完成了这个试验:热带雨林具有最大的NPP(随着CO2浓度的上升)，具有温暖湿润的环境，但是热带土壤的碳含量远远小于北方地区土壤的碳含量。对世界主要生物群系的研究，有结果表明，土壤呼吸与NPP之间存在直接相关(r2=0.87)，当土壤有机碳含量增加时，土壤呼吸速率增加，在热带地区，植物生长繁茂，环境对分解者很理想，土壤被发现具有最大的呼吸速率。这就说明CO2和温度的上升并不意味着土壤碳含量的增加。另一方面，在世界上的生物群系中，土壤有机质库和NPP之间只存在很弱的相关关系，很明显，土壤有机质的大量积累并不是来自大的输入量，而更正确的是，土壤有机质在其它因素(如温度)限制分解者的地方累积。土壤中CO2的通量与植物的生长是紧密联系在一起的，因为土壤中有机残余物是由植物供给分解者的。随着地球的变暖，分解作用受温度限制的区域将减少，而于此同时土壤将日益成为大气CO2的源头。1

耕作的土壤呼吸效应当土壤受耕作干扰时，它们的土壤有机质含量下降。这种下降是可见的，因为分解条件如土壤透气性及土壤含水量，当土壤被干扰时得到改善。而自然植被地转化为农业用地时，新鲜植物碎屑的输入量较以前减少。耕作也破坏了土壤的团粒结构，使稳定的、被吸附的有机质易受分解，全球受耕作影响而产生的碳丢失高达0.8×1015gC/a。指数式的人口增长，要求作物的产量不断提高，在21世纪这将需要更多的新的土地变成耕作地，而现有的农业土地将被集约经营。实施“免耕”农业，土壤有机质的丢失将降低。对先前的耕地实行“免耕”技术制度，事实上可能恢复土壤有机质。不过，在美国农业广泛利用的“免耕”措施，在随后的30年里仅能发挥277×1012～452×1012gC的碳汇作用，约为1%的化石燃料的释放量。同样在欧洲，土地经营的改良及土地的轮番使用，其潜在的碳汇只是世界化石燃料燃烧释放的CO2总量的0.8%。1