CN105588932A - 一种估算土壤总呼吸释放碳量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种估算土壤总呼吸释放碳量的方法。本发明所提供的方法包括如下步骤：(a)建立估算模型：选定试验区，在参考时间段内的不同时间点分别测定所述试验区中土壤呼吸速率，并计算各时间点对应的时间段内的土壤总呼吸释放碳量；将各时间点对应的时间段和土壤呼吸速率进行拟合，获得拟合曲线方程1；将土壤呼吸速率和土壤总呼吸释放碳量进行拟合，获得拟合曲线方程2；所得两方程即为估算模型；(b)利用所述估算模型，计算与模型构建时相同条件下土壤总呼吸释放碳量。本发明所提供的快速估算土壤总呼吸释放碳量的方法操作方便，为计算碳平衡及估算地区碳排放提供借鉴作用。
Description
技术领域
本发明属于陆地生态领域，涉及一种估算土壤总呼吸释放碳量的方法。
背景技术
碳是最重要的生命元素之一。随着温室气体和温室效应等各种气候与环境问题的日益突出，进一步增加对大尺度陆地生态系统与大气之间碳通量的认识，具有重要的科学价值。陆地生态系统碳循环是地球系统碳循环的重要组成部分，土壤呼吸则是陆地生态系统碳循环研究的核心之一，是土壤与大气之间碳交换的主要输出途径，是土壤中有机碳的主要排放过程，是影响土壤碳库和大气碳库动态变化的重要因素，每年因土壤呼吸而排放的碳为50-75Pg，其轻微的变动将会导致空气中CO2浓度的明显改变。干旱、半干旱区的生态系统占全球陆地面积的1/3，其土壤无机碳库是仅次于海洋和土壤有机碳库的第三大碳库，在全球碳循环过程中的作用不容忽视。土壤呼吸严格意义上来讲是指未受扰动土壤中产生CO2的所有代谢作用，它包括3个生物学过程(即土壤有机质的分解和土壤微生物的呼吸、植物的根系呼吸、及土壤无脊椎动物的呼吸)和一个非生物学过程,即含碳矿物质的化学氧化作用等。土壤呼吸是表征土壤质量和土壤肥力的重要生物学指标，土壤呼吸是反应生态系统对环境胁迫相应指标之一，研究陆地生态系统土壤呼吸对植物群落的根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤动物活性状况，土壤中碳素的周转速度，以及全球气候变化等都有极其重要的意义。影响土壤呼吸的主要因素分别有温度、湿度、植被类型、土壤理化性质和人类活动等。
目前，尽管这方面研究取得了一些进展，但在估计大尺度陆地生态系统-大气的碳交换通量方面并未取得实质性进展。因此，对陆地生态系统中的碳排放进行定期测量，为矿区等地的生态修复效果评价具有重大的现实意义。本领域测定土壤呼吸研究较多，但是从定量上测算土壤总释放的碳量研究却很少。
发明内容
针对以上现状，本发明提供了一种土壤总呼吸释放碳量的方法。
本发明所提供的估算目的植物土壤总呼吸释放碳量的方法，具体可包括如下步骤：
(a)按照包括如下(a1)-(a4)的步骤建立估算模型：
(a1)选取试验区，确定参考时间段，在所述参考时间段内设定若干测试时间点，在所设定的各测试时间点分别测定所述试验区中土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)；
(a2)引入参数t，t表示自所述参考时间段的起始时间开始至所述测试时间点终止所形成的时间长度，对应于每个所述测试时间点均有一个t；根据步骤(a1)在各测试时间点测得的所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)计算各t所表示的时间段内的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，即在单位土壤面积上的土壤总呼吸释放碳量；
(a3)根据所述测试时间点与所述t的对应关系，以及所述测试时间点与所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)的对应关系，将各测试时间点对应的所述t和所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)进行拟合，获得拟合曲线方程，记为方程1；
(a4)根据所述测试时间点与所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)的对应关系、所述测试时间点与所述t的对应关系，以及所述t与所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)的对应关系，将各测试时间点对应的所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)和各t对应的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)进行拟合，获得拟合曲线方程，记为方程2；
所述方程1和所述方程2即为所述估算模型；
(b)利用步骤(a)建立的所述估算模型计算待测区域待测时间段内土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)；所述待测区域在所述待测时间段内的气候条件与步骤(a)中所述试验区在所述参考时间段内的气候条件无显著差异；所述待测区域的土质与步骤(a)中所述试验区的土质相同(即土质条件无显著差异)。
步骤(a)中所述估算模型的构建方法也属于本发明的保护范围。
在所述方法的步骤(a1)中，在各测试时间点测定所述试验区中土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)为如下(I)或(II)：
(I)在所述试验区随机选取若干样点，做好标记，在每个所述样点分别安装土壤环，24小时后量出环内土壤表面到土壤环顶部的高度(offset)，根据所量出的offset高度采用土壤碳通量自动测量系统li-8100的短期气室于所设定的若干测试时间点分别测定各样点处的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)，每个所述测试时间点的结果取均值；；
(II)在所述试验区选取一个测试样点，在所述测试样点安装土壤环，24小时后量出环内土壤表面到环顶部的垂直高度减去土壤环顶部到长期气室支架顶部的高度(offset)，根据所量出的offset高度采用土壤碳通量自动测量系统li-8100的长期气室于所设定的若干测试时间点分别测定所述测试样点处的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)，每个所述测试时间点的结果取均值；
在所述方法的步骤(a2)中，步骤(a2)中，根据步骤(a1)在各测试时间点测得的所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)计算各t所表示的时间段内所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)的具体计算方法包括：1)运用等差数列计算相邻两个测试时间点之间的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。2)根据步骤1)算出的每个时间段(相邻两个测试时间点之间)的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)进行累加求和算出各t所表示的时间段内的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。
具体公式如下：Sn＝60*(tn-tn-1)*(vn+vn-1)/2+Sn-1
Sn-每个t所表示的时间段内的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)；
tn-测试时间点离所述参考时间段的起始时间的分钟数；
vn-每个测试时间点测得的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)。
n-对应测试时间点的次序(n≥2)。
在所述方法的步骤(a3)和(a4)中，进行所述拟合时选取拟合度最高的拟合曲线方程作为所述估算模型。在本发明的一个实施例中，具体是采用excel进行曲线拟合的，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程作为所述估算模型。
所述估算模型在如下中的应用也属于本发明的保护范围：估算待测区域待测时间段内的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。其中，所述待测区域在所述待测时间段内的气候条件与所述试验区在所述参考时间段内的气候条件无显著差异；所述待测区域的土质与所述试验区的土质相同(即土质条件无显著差异)。
在所述方法中，所述气候条件具体指光强、气温、空气湿度、气压、地表温度和降水量等指标。相应的，所述待测区域在所述待测时间段内的气候条件与所述试验区在所述参考时间段内的气候条件无显著差异具体是指：所述待测区域与所述试验区的光强、气温、空气湿度、气压、地表温度和降水量等参数在所述待测时间段和所述参考时间段中无显著差异。
在所述方法中，所述土质具体是指土壤的结构和土壤质地；所述土壤结构主要指土壤的疏松性和保水保肥能力(如沙土透气性好，但保水保肥能力差，粘土透气性差，但保肥保水能力强等)；所述土壤质地主要指土壤的肥力等，主要体现在土壤pH值，电导率，土壤氮、磷、钾含量等。
在本发明中，所述参考时间段具体可为如下任一：一天或一天中的一段时间、一个月或一个月中的一段时间、一年或一年中的一段时间。
所述待测时间段的时间长度最好小于等于所述参考时间段的时间长度。
在本发明的一个实施例中，所述参考时间段为1.5小时；所述试验区在所述参考时间段内的气候条件如下：光强为1100lux、光强为1200lux、气温为28℃、空气湿度为22％、气压为100.09KPa、地表温度为26℃、无降水；所述试验区的土质为沙土，具体为采自北京市北沙滩地建筑沙土，土壤最大饱和持水量为21.6％，土壤pH值为7.44，土壤电导率为840μs/cm，土壤速效磷含量为4.95mg/kg，土壤速效钾含量为24.56mg/kg，土壤有机碳含量为0.34mg/kg，土壤全氮含量为0.05mg/kg；所述若干测试时间点具体如表1-表4所示。
本发明所提供的估算土壤总呼吸释放碳量的方法操作方便，更加便捷，为将来计算碳平衡奠定基础。
附图说明
图1为室内盆栽玉米(处理1)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。
图2为室内盆栽玉米(处理1)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。
图3为室内盆栽玉米(处理2)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。
图4为室内盆栽玉米(处理2)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。
图5为室内盆栽玉米(处理3)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。
图6为室内盆栽玉米(处理3)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。
图7为室内盆栽玉米(处理4)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。
图8为室内盆栽玉米(处理4)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01及其菌剂：在中国丛枝菌根种质资源库的编号为BGCXJ01，含有摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01的菌剂中，摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01的孢子密度为125个/克菌剂。“崔卫东,龙宣杞,侯新强等.黄萎病原菌胁迫对丛枝菌根化棉花幼苗根部防御性酶及超微结构的影响.新疆农业科学,2009,46(6):1235-1244”一文中记载有摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01。公众可从中国丛枝菌根种质资源库购买获得。
实施例1、利用盆栽玉米的室内土壤构建土壤总呼吸释放碳量估算模型及模型的应用
一、利用盆栽玉米的室内土壤构建土壤总呼吸释放碳量估算模型
1、试验分组及处理
土壤基质：采自北京市北沙滩地建筑沙土，土壤最大饱和持水量为21.6％，土壤PH值为7.44，土壤电导率为840μs/cm，土壤速效磷含量为4.95mg/kg，土壤速效钾含量为24.56mg/kg，土壤有机碳含量为0.34mg/kg，土壤全氮含量为0.05mg/kg。在装盆前经高温高压蒸汽灭菌(121℃，2h)，自然风干，以供盆栽试验用。
供试菌种：丛枝菌根真菌菌种摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01。
供试作物：玉米，由中国农业科学院中农种子公司提供。播种前种子用10％(体积分数)H2O2浸泡10分钟，去离子水反复清洗数遍沥干备用。
试验划区：在温室里用红砖把温室隔离出16个40×50cm的小区，每个区铺垫一层不透水薄膜以免养分流失，每个区装50kg风干基质土。
试验方案：本研究设计4个处理，即接种摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01(处理1)、接种摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01并加氮(处理2)、加氮(处理3)和空白对照(处理4)。1种供试植物，总共4个处理。其中每个处理是4个重复，总共16区。
处理1(Gm)：在播种前对每个接种小区进行接种处理，在每个小区覆土到土壤总量的2/3时按20g/kg土壤(1千克土接种20克菌剂)的量接种摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01菌剂并且将菌剂与每个小区土壤总量的2/3土壤混匀，将剩下的1/3土壤覆盖在其表面。
处理2(Gm+LN)：在播种前对每个接种小区进行接种处理，在覆土到土壤总量的2/3时按20g/kg(1千克土接种20克菌剂)的量接种摩西球囊霉(Glomusmosseae)BGCXJ01菌剂并且将菌剂与每个小区土壤总量的2/3土壤混匀，将剩下的1/3土壤覆盖在其表面，并加100mg/kg(1千克土加入20毫克的氮肥)的氮(将硝酸铵溶于水混匀浇筑在土壤表面)。
处理3(LN)：在播种前，覆土完成后在每个加氮小区，加100mg/kg(1千克土加入20毫克的氮肥)的氮(将硝酸铵溶于水混匀浇筑在土壤表面)。
处理4(CK)：在播种前，覆土完成后不加任何处理。
在8月5日播种玉米种子，1个月后每区定苗至4株，之后定时(8月29日)定量(P：30mg/kg土壤，K：150mg/kg土壤)施加营养液(配方：KH2PO4和K2SO4根据需求量称取溶于水)，使整个试验过程中，维持各区内土壤最大饱和持水量在60％-80％之间，光强为1100lux、光强为1200lux、气温为28℃、空气湿度为22％、气压为100.09KPa、地表温度为26℃、无降水。
2、土壤呼吸速率的测定及土壤总呼吸释放碳量的测定
9月7日下午大概14：00-15：30(不同处理组的起始时间略有变化)，在该时间段内设置若干测试时间点(如表1-表4所示)，在所设定的各测试时间点采用土壤碳通量自动测量系统li-8100测定各处理组土壤的呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)，具体操作如下：选取每个处理组距离玉米植株等距离的位置作为测试样点，安装土壤环，待土壤环安装好，并稳定24小时之后，用钢尺或者卷尺等量出offset的高度(环内土壤表面到土壤环顶部的高度)，根据所量出的offset高度采用土壤碳通量自动测量系统li-8100的短期气室于所设定的若干测试时间点分别测定测试样点处的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)。
进一步，引入参数t，t表示自大概14：00(不同处理组的起始时间略有变化)开始至所设定的测试时间点终止所形成的时间长度，对应于每个测试时间点均有一个t；根据以上在各测试时间点测得的所述土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)计算各t所表示的时间段内在单位土壤面积上的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。具体计算方法如下：1)运用等差数列计算相邻两个测试时间点之间的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。2)根据步骤1)算出的每个时间段(相邻两个测试时间点之间)的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)进行累加求和算出各t所表示的时间段内的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。
具体公式如下：Sn＝60*(tn-tn-1)*(vn+vn-1)/2+Sn-1
Sn-每个t所表示的时间段内的所述土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)；
tn-测试时间点离所述参考时间段的起始时间的分钟数；
vn-每个测试时间点测得的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)。
n-对应测试时间点的次序(n≥2)。
表1-表4为9月7日下午大概14：00-15：30(不同处理组的起始时间略有变化)测定的4个处理的土壤呼吸速率值及其对应的土壤总呼吸释放碳量值，另外，4个处理在大概14:00(不同处理组的起始时间略有变化)的土壤呼吸速率如下：
处理1的起始时间为14：01，其在14：01测定的土壤呼吸速率为0.44μmolCO2·m-2·s-1；
处理2的起始时间为14：02，其在14：02测定的土壤呼吸速率为1.11μmolCO2·m-2·s-1；
处理3的起始时间为14：03，其在14：03测定的土壤呼吸速率为0.60μmolCO2·m-2·s-1；
处理4的起始时间为14：04，其在14：04测定的土壤呼吸速率为0.41μmolCO2·m-2·s-1。
图1为室内盆栽玉米(处理1)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。图2为室内盆栽玉米(处理1)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。图3为室内盆栽玉米(处理2)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。图4为室内盆栽玉米(处理2)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。图5为室内盆栽玉米(处理3)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。图6为室内盆栽玉米(处理3)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。图7为室内盆栽玉米(处理4)在14：00-15：30时间段的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)随时间的变化曲线图。图8为室内盆栽玉米(处理4)在14：00-15：30时间段土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)变化关系图。
表114：01-15：30测定的处理1中土壤呼吸速率值及其对应的土壤总呼吸释放碳量
表214：02-15：30测定的处理2中土壤呼吸速率值及其对应的土壤总呼吸释放碳量
表314：03-15：30测定的处理3中土壤呼吸速率值及其对应的土壤总呼吸释放碳量
表414：04-15：30测定的处理4中土壤呼吸速率值及其对应的土壤总呼吸释放碳量
注：表1-4中土壤总呼吸释放碳量是指各t所表示的时间段内在单位土壤面积(每平方米)上的土壤总呼吸释放碳量。
3、土壤总呼吸释放碳量估算模型的建立
(1)处理1
根据表1和图1模拟出处理1中室内盆栽玉米在14：01-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)的拟合曲线方程如下：
公式1-1：X＝9E-06t2+0.0008t+0.4505
R2＝0.9908
式中：X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)，t—时间(min)(t≤90min)
根据表1和图2模拟出处理1中室内盆栽玉米在14：01-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与对应的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)的拟合曲线方程如下：
公式2-1：Y＝-2367.5X2+3281.4X-995.36
R2＝0.9934
式中：Y—土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)。
所得公式1-1和公式2-1即为利用处理1中盆栽玉米的室内土壤构建的土壤总呼吸释放碳量估算模型。
(2)处理2
根据表2和图3模拟出处理2中室内盆栽玉米在14：02-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)的拟合曲线方程如下：
公式1-2：X＝6E-06t2+0.001t+1.119
R2＝0.9913
式中：X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)，t—时间(min)(t≤90min)
根据表2和图4模拟出处理2中室内盆栽玉米在14：02-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与对应的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)的拟合曲线方程如下：
公式2-2：Y＝-4224.2X2+11993X-8127.5
R2＝0.993
式中：Y—土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)。
所得公式1-2和公式2-2即为利用处理2中盆栽玉米的室内土壤构建的土壤总呼吸释放碳量估算模型。
(3)处理3
根据表3和图5模拟出处理3中室内盆栽玉米在14：03-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)的拟合曲线方程如下：
公式1-3：X＝5E-06t2+0.0009t+0.6093
R2＝0.9874
式中：X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)，t—时间(min)(t≤90min)
根据表3和图6模拟出处理3中室内盆栽玉米在14：03-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与对应的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)的拟合曲线方程如下：
公式2-3：Y＝-2710.8X2+4852.3X-1949
R2＝0.9901
式中：Y—土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)。
所得公式1-3和公式2-3即为利用处理3中盆栽玉米的室内土壤构建的土壤总呼吸释放碳量估算模型。
(4)处理4
根据表4和图7模拟出处理4中室内盆栽玉米在14：04-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与时间t(min)的拟合曲线方程如下：
公式1-4：X＝7E-06t2+0.0009t+0.4189
R2＝0.9941
式中：X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)，t—时间(min)(t≤90min)
根据表4和图8模拟出处理4中室内盆栽玉米在14：04-15：30范围内不同测试时间点的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与对应的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)拟合曲线方程，具体采用excel进行曲线拟合，拟合时选取R2值最接近1的拟合曲线方程。最终所得土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)与土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)的拟合曲线方程如下：
公式2-4：Y＝-1641.1X2+2382.6X-708.7
R2＝0.9953
式中：Y—土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，X—土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)。
所得公式1-4和公式2-4即为利用处理4中盆栽玉米的室内土壤构建的土壤总呼吸释放碳量估算模型。
以上所得4个处理的估算模型适用于估算符合如下条件的待测区域待测时间段内土壤总呼吸释放碳量：所述待测区域在所述待测时间段内的气候条件(光强、气温、空气湿度、气压、地表温度和降水量等)和以上构建所述估算模型时测试土壤在9月7日上午14：00-15：30时所处的气候条件无显著差异，且所述待测区域的土质条件(包括接菌/加氮处理)与以上构建所述估算模型时测试土壤所处的土质条件无显著差异。所述待测时间段最好小于等于1.5小时。
二、土壤总呼吸释放碳量估算模型的应用
1、在模型构建区原位验证土壤总呼吸释放碳量估算模型
为了验证本发明所构建的估算模型在实际应用中的可行性，本发明的发明人首先在模型构建区对步骤一所得估算模型进行了原位验证。具体操作如下：
一方面，于9月7日下午大概15:30(不同处理组自其各自的起始时间点开始算的第1.5个小时对应时间点)，在步骤一模型构建区分别测定了4个处理组的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)，即处理1测定15:31的净光合速率(μmolCO2·m-2·s-1)，处理2测定15:32的净光合速率(μmolCO2·m-2·s-1)，处理3测定15:33的净光合速率(μmolCO2·m-2·s-1)，处理4测定15:34的净光合速率(μmolCO2·m-2·s-1)，具体测定方法参见步骤一，并按照步骤一中记载的方法计算各处理组1.5小时内的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)。4个处理组在大概15:30(不同处理组自其各自的起始时间点开始算的第1.5个小时对应时间点)的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)见表5中“实测”一栏，14:00-15:30这段时间的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)见表5中“据土壤呼吸速率实测值计算”一栏。
另一方面，采用步骤一所得估算模型估算步骤一模型构建区4个处理组在9月7日下午大概15:30(不同处理组自其各自的起始时间点开始算的第1.5个小时对应时间点)时的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)，以及14:00-15:30这段时间的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，t取值为90min。估算结果如表5所示。
表5模型构建区4个处理组在9月7日下午大概15:30时的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)以及1.5小时内的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)估算结果
注：表5同行小写字母表示同一处理土壤呼吸速率实测值与估测值差异性；同行大写字母表示统一处理实测计算放碳量与估测累积量的差异性。
由表5可以直观看出，对于4个处理而言，根据模型估算的土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)与实测的土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)无显著差异(P>0.05)；根据模型估算的土壤总呼吸释放碳量(mg.m-2)与据土壤呼吸速率实测值计算所得的土壤总呼吸释放碳量(mg.m-2)无显著差异(P>0.05)。可见本发明所提供的模型估算法可行，且结果准确可靠。
2、在其他试验区异位验证土壤总呼吸释放碳量估算模型
为了进一步验证本发明所构建的估算模型在实际应用中的可行性，本发明的发明人在模型构建区外的其他试验区(气候及土质条件与模型构建区相当)对步骤一所得估算模型进行了验证。具体如下：
供试试验区：土壤基质为沙土，土壤最大饱和持水量为21％，土壤pH值为7.34，土壤电导率为835μs/cm，土壤速效磷含量为4.92mg/kg，土壤速效钾含量为23.56mg/kg，土壤有机碳含量为0.30mg/kg，土壤全氮含量为0.04mg/kg(该土质条件与步骤一的模型构建区相比无显著差异)。在装盆前经高温高压蒸汽灭菌(121℃，2h)，自然风干，以供盆栽试验用。供试作物为玉米，由播种前种子用10％(体积分数)H2O2浸泡10分钟，去离子水反复清洗数遍沥干备用。划定4个40×50cm的小区，每个区铺垫一层不透水薄膜以免养分流失，每个区装50kg风干基质土。4个小区均按照步骤一的处理4(CK)进行处理。
在8月6日播种玉米种子，1个月后每区定苗至4株，之后定时(8月30日)定量(P：30mg/kg，K：150mg/kg)施加营养液(配方：KH2PO4和K2SO4根据需求量称取溶于水)，使整个试验过程中，维持各区内土壤最大饱和持水量在60％-80％之间，光强为1150lux、气温为25℃、空气湿度为26％、气压为100KPa、地表温度为24℃、无降水(各气候参数与步骤一的模型构建区的相应气候参数相比均无显著差异)。
利用步骤一所得估算模型估算该供试试验区9月7日下午15:30的土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)以及14:00-15:30这段时间的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)，即采用公式1-4和公式2-4进行估算，t取值为90min，估算结果如表6所示。为了进一步验证该估算结果的准确性，本发明的发明人在供试试验区9月7日下午15:30采用土壤碳通量自动测量系统li-8100的短期气室实测了与模型构建时相对应的测定样点的土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)，同时在14:00-15:30这段时间的其他时间点也测了土壤呼吸速率值并按照步骤一的方法根据各时间点的土壤呼吸速率值计算获得了14:00-15:30这段时间的土壤总呼吸释放碳量(表6)。
表6供试试验区在9月7日下午15:30时的土壤呼吸速率(μmolCO2·m-2·s-1)以及14:00-15:30这段时间的土壤总呼吸释放碳量(mg·m-2)估算结果
注：表6同行小写字母表示同一处理土壤呼吸速率实测值与估测值差异性；同行大写字母表示统一处理实测计算放碳量与估测累积量的差异性。
由表6可以直观看出，根据模型估算的土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)与实测的土壤呼吸速率(μmolCO2m-2s-1)无显著差异(P>0.05)；根据模型估算的土壤总呼吸释放碳量(mg.m-2)与据土壤呼吸速率实测值计算所得的土壤总呼吸释放碳量(mg.m-2)无显著差异(P>0.05)。这进一步证明了本发明所提供的模型估算法可行，且结果准确可靠。
Claims (8)
1.一种估算土壤总呼吸释放碳量的方法，包括如下步骤：
(a)按照包括如下(a1)-(a4)的步骤建立估算模型：
(a1)选取试验区，确定参考时间段，在所述参考时间段内设定若干测试时间点，在所设定的各测试时间点分别测定所述试验区中土壤呼吸速率；
(a2)引入参数t，t表示自所述参考时间段的起始时间开始至所述测试时间点终止所形成的时间长度，对应于每个所述测试时间点均有一个t；根据步骤(a1)在各测试时间点测得的所述土壤呼吸速率计算各t所表示的时间段内的土壤总呼吸释放碳量；
(a3)将各测试时间点对应的所述t和所述土壤呼吸速率进行拟合，获得拟合曲线方程，记为方程1；
(a4)将各测试时间点对应的所述土壤呼吸速率和各t对应的所述土壤总呼吸释放碳量进行拟合，获得拟合曲线方程，记为方程2；
所述方程1和所述方程2即为所述估算模型；
(b)利用步骤(a)建立的所述估算模型计算待测区域待测时间段内土壤总呼吸释放碳量；所述待测区域在所述待测时间段内的气候条件与步骤(a)中所述试验区在所述参考时间段内的气候条件无显著差异；所述待测区域的土质与步骤(a)中所述试验区的土质相同。
2.一种建立用于估算土壤总呼吸释放碳量的估算模型的方法，包括如下步骤：
(a1)选取试验区，确定参考时间段，在所述参考时间段内设定若干测试时间点，在所设定的各测试时间点分别测定所述试验区中土壤呼吸速率；
(a2)引入参数t，t表示自所述参考时间段的起始时间开始至所述测试时间点终止所形成的时间长度，对应于每个所述测试时间点均有一个t；根据步骤(a1)在各测试时间点测得的所述土壤呼吸速率计算各t所表示的时间段内的土壤总呼吸释放碳量；
(a3)将各测试时间点对应的所述t和所述土壤呼吸速率进行拟合，获得拟合曲线方程，记为方程1；
(a4)将各测试时间点对应的所述土壤呼吸速率和各t对应的所述土壤总呼吸释放碳量进行拟合，获得拟合曲线方程，记为方程2；
所述方程1和所述方程2即为所述估算模型。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(a1)中，在各测试时间点测定所述试验区中土壤呼吸速率为如下(I)或(II)：
(I)在所述试验区随机选取若干样点，做好标记，在每个所述样点分别安装土壤环，24小时后量出环内土壤表面到环顶部的高度，即为offset，根据所量出的offset采用土壤碳通量自动测量系统li-8100的短期气室于所设定的若干测试时间点分别测定各样点处的土壤呼吸速率，每个所述测试时间点的结果取均值；
(II)在所述试验区选取一个测试样点，在所述测试样点安装土壤环，24小时后量出环内土壤表面到环顶部的高度减去土壤环顶部到长期气室支架的高度，即为offset，根据所量出的offset采用土壤碳通量自动测量系统li-8100的长期气室于所设定的若干测试时间点分别测定所述测试样点处的土壤呼吸速率，每个所述测试时间点的结果取均值。
4.根据权利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于：步骤(a2)中，根据步骤(a1)在各测试时间点测得的所述土壤呼吸速率计算各t所表示的时间段内所述土壤总呼吸释放碳量的方法包括：1)运用等差数列计算相邻两个测试时间点之间的所述土壤总呼吸释放碳量；2)根据步骤1)算出的每个时间段的土壤总呼吸释放碳量进行累加求和算出各t所表示的时间段内的所述土壤总呼吸释放碳量。
5.根据权利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于：步骤(a3)和(a4)中，进行所述拟合时选取拟合度最高的拟合曲线方程作为所述估算模型。
6.权利要求2-5中任一所述的方法构建所得的估算模型在如下中的应用：估算待测区域待测时间段内的土壤总呼吸释放碳量；
所述待测区域在所述待测时间段内的气候条件与所述试验区在权利要求2-5任一中所述参考时间段内的气候条件无显著差异；所述待测区域的土质与所述试验区的土质相同。
7.根据权利要求1-6中任一所述的方法或应用，其特征在于：所述气候条件为光强、气温、空气湿度、气压、地表温度和降水量指标。
8.根据权利要求1-7中任一所述的方法或应用，其特征在于：所述测试时间段的时间长度小于等于所述参考时间段的时间长度。
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