3.5　土壤呼吸测量和估算方法

精确测量CO₂通量是土壤呼吸科学发展过程中最为重要的。如果没有精确地测量，所收集的数据就缺乏可信度，也就不能客观评价各生态系统之间土壤呼吸的相对尺度，也不可能用这些数据探讨土壤呼吸的机制和了解土壤呼吸的过程。区分土壤呼吸不同来源组分，估算地下部分的分配和开发模型来预测或模拟在新环境下的土壤呼吸，也都依赖于对土壤呼吸的精确测量。

为了解决土壤呼吸测量中的难题，科学家们在过去几十年中进行了广泛研究，开发出许多测量方法。最常用的是气室法，这种方法能够在土壤表面直接测量CO₂通量。根据是否有穿过气室的空气循环，气室技术又分为动态法和静态法。动态气室法允许空气在气室和传感器之间循环来测量气室内CO₂浓度随时间的变化，传感器通常分为红外气体分析仪（Infrared Gas Analyzer， IRGA）。目前，在实验室和野外条件下最常用的方法是封闭式动态气室法（Closed Dynamic Chamber，CDC），即把土壤表面完全密封起来，测量短时间内气室内CO₂浓度的变化。科学家也采用开放式动态气室法（Open Dynamic Chamber， ODC）去测量土壤CO₂通量，即采用连续通风的近稳态模式进行测量，测定流过的空气中CO₂浓度的微小变化。封闭式静态气室法（Closed Static Chamber，SCS）是把一定量的空气与环境隔离开来，在一定测量时间内用碱溶液或碱石灰吸收气室内的CO₂，根据吸收的CO₂量估算土壤呼吸速率。使用静态气室时，还可以在封闭期间内，在两个或两个以上不同时间用注射器采集气室内气体样品，通过气相色谱（GC）或红外气体分析仪测量CO₂浓度来估算土壤CO₂通量。

另外，还可使用气井法（GW），测定沿土壤垂直剖面CO₂浓度梯度来估算土壤呼吸。近来，许多研究通过微气象法，如涡度协方差法^［136］和波纹比/能量平衡法^{［137，138］}，从生态系统净交换的测量中间接估算土壤呼吸。所测量的生态系统净交换是指夜间的生态系统呼吸或白天冠层光合和生态系统呼吸之间的差值。生态系统净交换可细分为光合作用，地上部分呼吸和土壤呼吸三个组分。

3.5.1　封闭式动态气室法

封闭式动态气室法（CDC）是在测量过程中，将一个密闭的气室覆盖于一定面积的地表面上，同时允许空气在气室与CO₂传感器（红外气体分析仪）之间的回路中循环。当封闭的气室盖住土壤表面，由于从土壤中向外释放CO₂，使气室内CO₂浓度上升，CO₂浓度增加的速率与土壤CO₂通量成正比，通常是用红外气体分析仪测量气室内CO₂浓度随时间的增加来确定土壤呼吸速率。在一个较短的时间内，分别在开始和结束时测定这两个点上的CO₂浓度，气室中的CO₂浓度的增量可以用来估算出土壤CO₂通量。

3.5.2　开放式动态气室法

开放式动态气室法是使用差分方法估算CO₂通量。开放式动态气室法是指空气从气室的入口进入，流经气室再从出口流出^{［139，140］}。由于土壤呼吸作用释放CO₂，因此流出气室的空气CO₂浓度要高于进入气室的空气CO₂浓度。

3.5.3　封闭式静态气室法

封闭式静态气室法是将气室覆盖在一定面积的土壤上，在一定时间内用气室内的化学吸收剂来吸收CO₂。此方法除了土壤释放CO₂外，封闭的气室内没有其他的空气流动，所以有时也称作非稳态或非流动气室技术。

3.5.4　气相色谱法

气相色谱法是用注射器从野外采集气体样本带回实验室，用气相色谱或红外气体分析仪测定。由该法演变出来的一种方法是把红外气体分析仪放置在没有空气循环的封闭气室内，气体采样的程序与封闭式静态气室法相似。

密封在注射器内的气体样品用气相色谱^{［141，142］}或红外线分析仪^{［143，144］}分析其CO₂或O₂（或其他痕量气体）浓度。气相色谱法可以分离气体样品的各种成分。与其他方法相比，气相色谱法可能会低估土壤呼吸速率^［145］45%。

3.5.5　气井法

气井法是沿着土壤垂直剖面，在两个或更多深度取样测量CO₂或O₂浓度。气井法通常需要将CO₂取样管（如不锈钢管）长期安放在掉落物层、有基质层和矿物层各层的中间位置。管的末端有几个洞允许空气流经管道并可以用注射器来采集。Hirsch等^{［146，147］}建立了自动取样系统，测量土壤几个不同深度的CO₂浓度。

气井法估算了土壤不同深度与土壤表面的CO₂通量，例如，在加拿大新斯科舍省东部^{［148，149］}，在哥斯达黎加-西瓦尔（La Selva）定位站的一个古老的新热带雨林^［150］以及其他一些生态系统类型^［151］都有研究。许多研究对不同的测量方法进行了比较。对测量系统的比较通常采用两种方法。一种方法是使用已知的CO₂通量，将所有的测量系统与它进行对比；另一种方法是在同一地点使用不同系统接连重复测量。Nay等用一个已知的模拟的土壤表面释放出来的通量，评价了封闭静态气室法和封闭动态气室法^［155］。封闭静态气室法，当CO₂通量较低时会高估CO₂通量，而在CO₂通量较高时会低估CO₂通量。用带有红外气体分析仪的封闭式动态气室法测量时总是使土壤CO₂通量低估15%。

从这些比较研究可以看出，对于哪个方法最好、可作为土壤呼吸测量的标准问题目前仍没有形成一个一致的看法。尽管如此，几个比较研究都指出，尽管开放式动态气室法比较复杂，需要控制气室内的压力，也需要很大的技术投入，但它是测量土壤呼吸的方法中最为可靠的一种。