CN105004853A - 一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法，用于测定土壤各组成部分（生物土壤结皮和土壤基础呼吸）对土壤呼吸的贡献。其方法如下：首先将生物土壤结皮层小心的从土壤表面分离，装入150目的筛子中，再将生物土壤结皮下层土壤在160℃高温条件下加热3h，待下层土壤温度恢复到室温时，将装有生物土壤结皮层的筛子放在土壤表层。本发明的优点为：1.操作简单，采用物理方法进行分离，分离彻底，无污染，成本低廉；2、该方法不会改变自然降水后土壤各组成部分的土壤含水量，处理后的土壤样品试验环境与自然条件接近，试验结果准确性高；3、对土壤的干扰较少，测量结果较接近真实值；4、能够在野外条件下进行连续监测。采用这种方法能够准确测定生物土壤结皮覆盖土壤各组分土壤呼吸速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法，适宜于藻类结皮、混生结皮（藻类、地衣和藓类混生）和藓类结皮覆盖土壤各组分土壤呼吸贡献率，其目的是简单、准确的区分土壤各组分土壤呼吸速率，并能实现野外长期、连续监测的要求，属于生态技术领域。
背景技术
生物土壤结皮在荒漠地区碳循环中所起的作用得到了研究者们的广泛的认可。在全球范围内生物土壤结皮覆盖地区净碳固定量 (光合固碳量-呼吸碳释放量)进行了估算，结果表明，生物土壤结皮每年能够固定3.9 P g C y-1(2.1-7.4 P g C y-1)，相当于陆生植物净初生产力的7%(56 P g C y-1)；生物土壤结皮生物体中的碳含量为4.9 P g(3.0-8.2 P g)，相当于陆生植物碳含量的1%(470-650 P g)。碳周转率方面，生物土壤结皮的周转率约为1.2 年，远远低于陆生植物近10年。目前，除同位素示踪法外，目前还没有能够简单、有效区分生物土壤结皮层及其下层土壤呼吸的方法。在Iberian Peninsula (40°02′N-3°37′W)干旱、半干旱地区，对不同盖度生物土壤结皮覆盖条件下，土壤碳释放特征进行了研究，结果表明，生物土壤结皮覆盖土壤每年释放240.4-322.6 g C m-2 y-1；在这一生态系统中，生物土壤结皮的碳释放量占到碳释放总量的42% (植被占37%)。因此，生物土壤结皮作为干旱、半干旱地区碳循环的重要参与者和主要贡献者已得到广泛共识。然而，由于试验技术、试验方法和试验成本等方面的原因，在野外条件下，连续、准确的测定生物土壤结皮自身对干旱、半干旱碳释放的贡献率仍无法实现。
鉴于此，如何有效的区分生物土壤结皮层和下层土壤基础呼吸，将是准确测定生物土壤结皮自身对干旱、半干旱碳释放的贡献率的关键技术。
发明内容
基于上述，本发明提出了一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法，适宜于单个样品覆盖面积大于100 cm2的藻类结皮、混生结皮（藻类、地衣和藓类混生）和藓类结皮。用于测定生物土壤结皮自身和土壤基础呼吸对干旱、半干旱碳释放的贡献率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法，其特征在于：
a. 生物土壤结皮层的采集：首先在生物土壤结皮层均匀的喷洒自来水或蒸馏水，待水分完全渗入生物土壤结皮层，将PVC管砸入采集深度，再从PVC管旁边挖开土壤，取出PVC管，将生物土壤结皮层从土壤表面分离，装入150目的筛子中；
b. 生物土壤结皮下层土壤的采集：在上述a步骤采集生物土壤结皮的同一位置，采集生物土壤结皮下层土壤原状土，将PVC管砸入采集深度，再从PVC管旁边挖开土壤，取出PVC管；
c. 下层土壤基础呼吸的去除：把b步骤取出PVC管，即生物土壤结皮下层土壤在160℃高温条件下加热3 h，将下层土壤中的微生物全部杀死；下层土壤温度恢复到室温时，将a步骤装有生物土壤结皮层的筛子放在土壤表层，使得筛子下表面和土壤表面紧密接触。
d. 总土壤呼吸和生物土壤结皮层呼吸测定：土壤呼吸的测定采用Li-6400-09呼吸室进行测定；总土壤呼吸的测定在原状土壤样品上进行测定，生物土壤结皮层呼吸测定在处理后的样品上进行测定；
e. 土壤基础呼吸的测定：根据土壤呼吸的公式：总土壤呼吸 = 自养呼吸 + 异养呼吸,自养呼吸为生物土壤结皮呼吸，异养呼吸为土壤基础呼吸，即土壤基础呼吸 = 总土壤呼吸 – 生物土壤结皮呼吸；
本发明的优点是：
1. 本方法操作简单，采用物理方法，在160℃高温条件下加热3 h，对生物土壤结皮下层土壤进行分离，分离彻底。高温条件下，能将下层土壤中的微生物全部杀死，有效去除土壤基础呼吸，无污染，成本低廉。
2、本方法不会改变自然降水后土壤各组成部分的土壤含水量（土壤取样和土壤后期处理均未改变土壤结构，即最大限度的保持了土壤的自然状态，因此不会影响自然降水后土壤水分含量），处理后的土壤样品试验环境与自然条件接近，保证了试验结果的准确性。
3、本方法对土壤的干扰较少，测量结果较接近真实值。
4、本方法同时适用于干燥和湿润条件下的碳释放测定。
5、本方法实现了野外条件下进行连续监测的要求。通过上述方法可以实现准确区分土壤各组分土壤呼吸速率的目的。
附图说明
图1 2011和2012年干燥条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸碳释放量 (Mean±SE).
图2 2011和2012年湿润条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸碳释放量 (Mean±SE).
具体实施方式
本发明适用于测定藻类结皮、地衣结皮和藓类结皮覆盖土壤各组分土壤呼吸贡献率，下面结合实例作进一步说明：
一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法，其步骤是：
a. 生物土壤结皮层的采集：首先在生物土壤结皮层均匀的喷洒自来水或蒸馏水，藻类结皮和混生结皮的喷水量为60-80 mL/m2，藓类结皮喷洒水的量为120-150 mL/m2。待水分完全渗入生物土壤结皮层，将内径10 cm、高20 cm PVC管砸入生物土壤结皮层采集深度，再从PVC管旁边挖开土壤，取出PVC管，将生物土壤结皮层从土壤表面分离，装入150目的筛子中；；
b. 生物土壤结皮下层土壤的采集：在上述a）采集生物土壤结皮的同一位置，采集生物土壤结皮下层土壤原状土，将内径10 cm、高20 cm； 耐热程度不低于200℃ PVC管砸入采集深度，再从PVC管旁边挖开土壤，取出PVC管；
c. 下层土壤基础呼吸的去除：把b步骤取出的PVC管生物土壤结皮下层土壤在160℃高温条件下加热3 h,，将下层土壤中的微生物全部杀死；下层土壤温度恢复到室温时，将a步骤装有生物土壤结皮层的筛子放在土壤表层，使得筛子下表面和土壤表面紧密接触。
d. 总土壤呼吸和生物土壤结皮层呼吸测定：土壤呼吸的测定采用Li-6400-09呼吸室进行测定；总土壤呼吸的测定在原状土壤样品上进行测定，生物土壤结皮层呼吸测定在处理后的样品上进行测定；
e. 土壤基础呼吸的测定：根据土壤呼吸的公式：总土壤呼吸 = 自养呼吸 + 异养呼吸,自养呼吸为生物土壤结皮呼吸，异养呼吸为土壤基础呼吸，即土壤基础呼吸 = 总土壤呼吸 – 生物土壤结皮呼吸；
实例1：干燥条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸测定：
2011和2012年4-10月对干燥条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸进行测定。干燥条件下土壤呼吸日变化测定方法如下，日变化选择天气晴朗，无降雨，且0-10 cm土壤质量含水量 < 5% 的条件下进行。于7:00-23:00间进行测量，每2小时测定一次；季节(春、夏、秋)变化土壤呼吸计算，各个日变化土壤呼吸量累加计算的方法；年均、年际间土壤呼吸计算，采用各个季节的土壤呼吸量累加计算的方法。土壤呼吸速率的测定采用Li-6400-09土壤呼吸室(Li-COR, INC, US)测定土壤呼吸速率，每4 s采集一次数据，每个样品的测定时间不少于40 s。测定开始前，尽量去除生物土壤结皮表面的沙粒和杂物，保持表面清洁，每种类型生物土壤结皮设6次重复。2011和2012年4-10月对干燥条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释的贡献率进行计算，根据公式3生物土壤结皮呼吸贡献率= 生物土壤结皮呼吸/总土壤呼吸*100和土壤基础呼吸贡献率= 土壤基础呼吸/总土壤呼吸*100；结果表明，4-8月人工和天然植被固沙区土壤呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放的贡献率均高于生物土壤结皮对土壤呼吸总碳释放的贡献率，而9-10月土壤基础呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放的贡献率低于生物土壤结皮对总土壤呼吸碳释放的贡献率。人工植被固沙区藓类结皮(生物土壤结皮层)9月对土壤呼吸总碳释放的贡献率最高为84.90%，7月贡献率最小为18.42%。土壤基础呼吸碳释放7月对总土壤呼吸碳释放的贡献率最高为81.58%，9月贡献率最小为15.10%。从年尺度上进行分析，生物土壤结皮和土壤基础呼吸碳释放对土壤总呼吸总碳释放的贡献率分别为56.27%和43.73%。藻类结皮(生物土壤结皮层)9月对总土壤呼吸的贡献率的最高为85.95%，4月贡献率最小为37.31%。土壤基础呼吸4月对总土壤呼吸的贡献率的最高为62.69%，9月贡献率最小为14.05%。从年尺度上进行分析，生物土壤结皮和土壤基础呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放的贡献率分别为58.91%和41.09%。混生结皮(生物土壤结皮层)10月对土壤呼吸总碳释放的贡献率最高为87.86%，7月贡献率最小为16.38%。土壤基础呼吸7月对土壤呼吸总碳释放的贡献率最高为83.62%，10月贡献率最小为12.14%。从年尺度上进行分析，生物土壤结皮和土壤基础呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放的贡献率分别为59.43%和38.64%。
实例2：湿润条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸测定
2011和2012年4-10月对湿润条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸进行测定。湿润条件下土壤呼吸测定方法如下， < 3 mm的降雨，降雨结束后立即开始观测，之后每2h观测1次，直到土壤呼吸速率恢复到降水前的水平，停止测定。> 3 mm的降雨，降雨结束后立即开始观测，之后每天9:00、11:00、14:00 17:00和20:00进行观测，直到土壤呼吸速率恢复到降水前的水平，停止测定。土壤呼吸速率的测定采用Li-6400-09土壤呼吸室(Li-COR, INC, US)测定土壤呼吸速率，每4 s采集一次数据，每个样品的测定时间不少于40 s。测定开始前，尽量去除生物土壤结皮表面的沙粒和杂物，保持表面清洁，每种类型生物土壤结皮设6次重复。2011和2012年4-10月对湿润条件下生物土壤结皮覆盖土壤不同组分土壤呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放贡献率进行计算，根据公式3生物土壤结皮呼吸贡献率= 生物土壤结皮呼吸/总土壤呼吸*100和土壤基础呼吸贡献率 = 土壤基础呼吸/总土壤呼吸*100；。结果表明，藓类结皮，5-10月生物土壤结皮对土壤总碳释放量的贡献率均大于80.00%，其中5月的贡献率最高为95.95%，而土壤基础呼吸对土壤呼吸总碳释放量的贡献率，7月最高为19.19%，4月最低为4.05%，全年生物土壤结皮和土壤基础呼吸对土壤总碳释放量的贡献率分别为85.86%和15.14%。藻类结皮，5-10月生物土壤结皮层呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放量的贡献率均大于75.00%，其中9月的贡献率最高为97.09%，而土壤基础呼吸对土壤总碳释放量的贡献率7月的最高为32.82%，9月最低为2.90%，全年生物土壤结皮和土壤基础呼吸碳释放量对土壤呼吸总碳释放量的贡献率分别为83.99%和16.01%。混生结皮，5-10月生物土壤结皮层对土壤呼吸总碳释放量的贡献率均大于75.00%，其中9月的贡献率最高为91.22%，而土壤基础呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放量的贡献率，8月最高为20.04%，6月最低为0.42%，全年生物土壤结皮和土壤基础呼吸碳释放对土壤呼吸总碳释放量的贡献率分别为86.94%和14.06%。
本方法和已有方法的比较说明：
Cable and Huxman在室内模拟0 mm、2 mm和25mm降水条件下，用同位素13C的方法测定了生物土壤结皮和根系+土壤基础呼吸对总土壤呼吸贡献比例。研究结果表明，在0 mm、2 mm和25mm，生物土壤结皮对土壤总呼吸的贡献率为60%、80%和1%左右。从2 mm到25mm降水增加过程中，生物土壤结皮对土壤总呼吸的贡献率呈降低的趋势。土壤水分是限制干旱、半干旱区土壤呼吸的重要因素，在中、小降雨的条件下，仅有土壤表层湿润（0-2 cm），因此，生物土壤结皮对土壤总呼吸的贡献率占主导；而大降雨条件下，水分渗入较深的土壤（> 20 cm），因此，以根系和土壤基础呼吸为主。
2011和2012年，在野外自然降水条件下采用该方法对生物土壤结皮层和土壤基础呼吸进行监测，结果表明，干燥条件下生物土壤结皮和土壤基础呼吸对土壤总碳释放的贡献率平均为65%和35%。而湿润条件下，生物土壤结皮和土壤基础呼吸对土壤总碳释放的贡献率平均为80%和20%。目前认为同位素示踪的方法能够准确区分土壤各组分呼吸速率。我们的方法与Cable and Huxman采用的同位素示踪方法的测定结果可以发现，我们的试验结果比较接近Cable and Huxman的研究结果，但是测定值略低，原因可能为生物土壤结皮的生长环境不同，导致了对水分的响应不同；另一个原因是，本发明中采集土壤在林间开阔地，且深度为0-20 cm，根系含量极少或没有。因此，本发明的这种方法可以有效、准确的区分生物土壤结皮呼吸和土壤基础呼吸。同时，我们两年的野外监测的结果（试验结果详见图1和图2）也证明了，该方法可以用于野外条件下长期测定生物土壤结皮呼吸和土壤基础呼吸。
Claims (1)
1.一种区分生物土壤结皮及其下层土壤基础呼吸的方法，其特征在于按如下方法实施：
a. 生物土壤结皮层的采集：首先在生物土壤结皮层均匀的喷洒自来水或蒸馏水，待水分完全渗入生物土壤结皮层，将PVC管砸入采集深度，再从PVC管旁边挖开土壤，取出PVC管，将生物土壤结皮层从土壤表面分离，装入150目的筛子中；
b. 生物土壤结皮下层土壤的采集：在上述a步骤采集生物土壤结皮的同一位置，采集生物土壤结皮下层土壤原状土，将PVC管砸入采集深度，再从PVC管旁边挖开土壤，取出PVC管；
c. 下层土壤基础呼吸的去除：把b步骤取出PVC管，即生物土壤结皮下层土壤在160℃高温条件下加热3 h，将下层土壤中的微生物全部杀死；下层土壤温度恢复到室温时，将a步骤装有生物土壤结皮层的筛子放在土壤表层，使得筛子下表面和土壤表面紧密接触；
d. 总土壤呼吸和生物土壤结皮层呼吸测定：土壤呼吸的测定采用Li-6400-09呼吸室进行测定；总土壤呼吸的测定在原状土壤样品上进行测定，生物土壤结皮层呼吸测定在处理后的样品上进行测定；
e. 土壤基础呼吸的测定：根据土壤呼吸的公式：总土壤呼吸 = 自养呼吸 + 异养呼吸,自养呼吸为生物土壤结皮呼吸，异养呼吸为土壤基础呼吸，即土壤基础呼吸 = 总土壤呼吸 – 生物土壤结皮呼吸。
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