CN114994284A - 不同植被类型土壤基础呼吸速率的间接测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开不同植被类型土壤基础呼吸速率的间接测定方法，包括以下步骤：(1)选择样地：根据不同植被类型选择不同土壤，进行土壤样品采集(2)土壤呼吸速率的测定：采集新鲜土壤并在室内培养测定土壤的基础呼吸速率(3)测定土壤总碳氮含量、土壤有机碳含量以及碳13同位素自然丰度。(4)建立线性关系进行表征。本发明选取4个因素建立了土壤基础呼吸的间接测试，此方法具有指示作用明显，野外工作量少，测定样本少优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤生态系统碳循环研究中的土壤基础呼吸测定，尤其涉及了一种不同植被类型土壤基础呼吸速率的间接测定方法。
背景技术
土壤有机碳库是陆地生态系统最大的碳库，是大气或植物碳储量的3倍以上，因而土壤有机碳库的微弱变化都会对全球碳平衡造成重大影响。土壤呼吸是土壤有机碳进入大气的最主要的途径，也是陆地生态系统碳损失的主要方式。土壤微生物的异养呼吸是土壤呼吸的重要组成之一，受土壤碳氮影响很大，因而测定土壤微生物呼吸速率对环境显得尤为重要。
土壤基础呼吸速率的测定包括直接法和间接法。直接法是通过原位测定或测定室内培养微生物释放出来的二氧化碳来测定土壤呼吸，具体包括静态气箱法，动态气箱法和微气象法。间接测定方法主要是模型法，通过测定其他指标来间接测定土壤呼吸速率。目前，专利申请号为201010231646.2的发明专利，公开了一种间接测定森林土壤呼吸的方法，该方法利用土壤水溶性有机碳的含量来预测土壤呼吸速率，虽然预测值与实际检测值之间误差范围小，可靠性较好，但是土壤呼吸是由多因素控制的，该方法只选取一个指标进行估算，具有一定的限制性。此外，不同植被类型的土壤呼吸速率显然是具有差异的，土壤呼吸速率和土壤水溶性有机碳的关系就会不一样。因此，该发明专利用一个指标来估算森林土壤呼吸速率结果的可靠性较差。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的只用土壤溶解性有机碳来估算土壤呼吸速率的可靠性不好以及仅一种植被的不足，本发明专利提供了一种不同植被类型土壤基础呼吸速率的间接测定方法，该方法选取土壤有机碳含量、土壤总氮、土壤碳氮比以及土壤同位素C13的含量来间接测定土壤基础呼吸速率，结果可靠，所需样本质量小，且不需要土壤微生物长时间的培养过程就能直接测得土壤基础呼吸速率，方便快捷。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方法得以解决：一种土壤基础呼吸的间接测定方法，包括以步骤：
(1)选择样地：根据不同植被类型选取采样地点，包括森林、灌木和农田土壤，分别采集数量充分的土壤样本用于方法建立；
土壤样品采集：随机选择森林、灌木和农田土壤，在采样范围内按照五点采样法采集土壤样品，混合土壤样品后待测；
(2)土壤样品呼吸以及其他参数：取新鲜土壤5g，调节含水率至60％，至于28℃条件下黑暗培养3天，利用温室气体分析仪测定积累的二氧化碳量来反映土壤基础呼吸速率；
测定土壤总碳氮含量、土壤有机碳含量以及土壤碳13同位素含量，并计算土壤碳氮比；
(3)建立线性关系：根据步骤(2)测得的不同植被类型土壤的基础呼吸和土壤氮含量、土壤有机碳含量、土壤碳氮比和土壤碳13同位素含量，利用SPSS(Statistical
Product and Service Solutions)统计软件分别建立森林、灌木和农田土壤基础呼吸和土壤总氮、土壤有机碳、土壤碳氮比和土壤C13含量的线性关系，得到函数关系式：
Y森林基础呼吸＝a1x1+b1x2+c1x3+d1x4+e1；
Y灌木基础呼吸＝a2x1+b2x2+c2x3+d2x4+e2；
Y农田基础呼吸＝a3x1+b3x2+c3x3+d3x4+e3；
其中Y森林基础呼吸、Y灌木基础呼吸、Y农田基础呼吸分别为森林、灌木和农田土壤的基础呼吸速率，x1为土壤有机碳含量，x2为土壤总氮含量，x3为土壤碳13同位素含量、x4为土壤碳氮比值，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2、d3、e1、e2、e3分别为常数系数；
(4)测定土壤相关系数，计算不同植被类型土壤基础呼吸速率：根据步骤(3)采集土壤样品并进行土壤碳氮含量以及土壤有机碳、同位素碳13含量的测定。
作为优选，步骤(2)中，不同植被类型的土壤呼吸速率采用室内培养测定CO2积累量的方法，用温室气体分析仪进行测定。
作为优选，步骤(3)中，不同植被类型土壤的基础呼吸测定时通过调节土壤含水率至微生物最佳含水率60％来进行培养测试。
作为优选，步骤(3)中，五点采样法为去除样地表面凋落物后随机五处0-20cm的土壤样品，并混合作为一个点位的样本。
作为优选，步骤(3)中，土壤呼吸测试时，含水率的测定采用烘干法进行测定。
作为优选，步骤(3)中，土壤有机碳含量的测定方法为：称取土壤样本200mg，一边摇晃一边加入1mol/L盐酸至土壤中没有气泡产生(约2ml)，静置2h，使盐酸和土壤充分反应。然后用5ml去离子水冲洗3次，完全去除混合溶液中的盐酸，然后于60℃条件下烘干至恒重，土壤有机碳含量用元素分析仪进行测定。
作为优选，步骤(3)中，土壤碳氮含量以及土壤碳氮比的测定方法如下：称取风干(冻干)、研磨过筛的土壤40mg左右于锡舟中，利用元素分析-同位素质谱联用仪进行测定，一次性上机测试可以同时获得土壤碳氮比和土壤碳13同位素含量两个土壤指标，土壤碳氮比通过土壤碳氮含量计算得来。
作为优选，步骤(4)中，a1为0.71，b1为0.30，c1为-0.16，d1为0.258，e1为0.869；a2为0.035，b2为0.074，c2为-0.135，d2为0.014，e2为-1.841；a3为-0.004，b3为-0.248，c3为-0.009，d3为-0.016，e3为0.330。
土壤有机碳是土壤微生物呼吸利用的重要基质，是影响土壤呼吸速率的重要因子，微生物分解土壤有机碳时对环境营养元素(C、N)的获取具有一定比例，氮对于微生物的分解功能具有一定的限制和指示作用，土壤同位素C13可以作为土壤腐质化程度的指标，对土壤微生物分解有机碳具有一定影响。
土壤有机碳是由土壤微生物、腐烂的有机物残体以及降解产物如腐殖质等形成。土壤微生物呼吸将有机碳作为基质，通过呼吸将有机碳转化为二氧化碳，与土壤呼吸具有显著的正相关性。
土壤碳氮含量以及土壤碳氮比表示土壤营养，氮作为营养元素，可以通过控制碳的有效性来影响土壤呼吸，微生物从环境中吸收物质用于合成自身组分时，需要特定的碳氮吸收比，土壤碳氮比与土壤呼吸具有显著相关性。
土壤碳13自然同位素丰度，可以作为土壤腐质化程度的一种表示，表示土壤可利用有机碳的多少，土壤有机质降解过程中，C13含量逐渐升高。
因此，本发明选取土壤有机碳含量、土壤氮含量、土壤同位素C13含量以及土壤碳氮比作为影响土壤呼吸的五个关键因素，上述因素的相对大小可以反应土壤微生物呼吸的相对高低。
本发明由于采用了以上技术方法，具有显著的技术效果：
1、本发明选取不同来植被类型土壤有机碳含量、土壤氮含量、土壤C13同位素含量、土壤碳氮比作为因变量，多方面综合考量了与不同植被类型土壤微生物基础呼吸的影响因素，解决了不同植被类型下土壤微生物呼吸的影响，从而使得本发明与仅使用土壤溶解性有机碳含量作为土壤总呼吸速率的影响因子相比，具有更好的可靠性。
2、传统的土壤微生物呼吸测定，一般需要对新鲜土壤进行孵育和二氧化碳的积累培养，本发明的间接测定方法选取与土壤微生物呼吸的不同指标作为因变量，不需要提前孵育和培养，直接通过测定相关指标就可以计算土壤微生物呼吸。
3、本发明通过测定多种影响因子分别建立了不同植被类型土壤微生物基础呼吸的间接测定方法，与其他单一影响因素建立的间接测定方法相比，具有更高的可靠性和更广的应用范围。
4、本发明与利用温室气体分析仪测定的土壤呼吸相比，数值偏差范围较小(正负偏差在30％以内)。
5、该测定方法相对于室内培养测定来说工作量少，测定样品需求量少优点，为不同植被类型土壤微生物呼吸提供了一种简单易行的间接测定方法。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例中所用的不同植被类型土壤选择天津市范围内森林、灌木和农田土。
实施例
不同植被类型土壤微生物基础呼吸的间接测定方法，包括以下步骤：
(1)选择样地：在天津不同位置森林、灌木和农田进行随机采样，共收集22份森林土壤，15分灌木土壤以及15份农田土壤，采样点之间距离大于30m。
(2)土壤样品的采集：在森林中按照五点采样法采集土壤样品，混合土壤样品后待用。
(3)森林土壤呼吸速率的测定：通过室内微生物培养和测定积累的CO2值来测定森林土壤微生物的基础呼吸。
土壤微生物的呼吸速率采用温室气体分析仪进行测定，通过测定规定时间内土壤微生物累计释放的二氧化碳含量来反映土壤微生物呼吸速率；
(4)该系统的具体测定步骤如下：将新鲜土壤样品5g至于20ml具塞玻璃瓶中，加入适量灭菌蒸馏水至土壤含水率为60％，然后将瓶塞塞紧，至于黑暗环境下，28℃条件下培养3天，然后抽取2ml玻璃瓶上空气体，用温室气体分析仪进行测定。
土壤样品参数：用风干研磨过筛的土壤测定土壤样品的有机碳含量、土壤碳氮含量、土壤碳氮比以及土壤碳13同位素含量；
新鲜土壤含水率的调节方法如下：利用烘干法测定土壤含水率，称取适量土壤样品于锡纸上，放入烘箱在105±2℃下烘烤24h至恒重，取出快速转移至干燥皿中，冷却至室温后立即沉重，土壤含水率的计算公式如下：
其中WCH为土壤含水率，m0为锡纸质量，m1为烘干前土壤样品在锡纸上的重量，m2为烘干后土壤样品在锡纸上的质量；
然后根据V＝(60％-WCH)*(m2-m0)；
其中V为需要额外加入灭菌蒸馏水的体积；
土壤总碳氮含量和土壤碳13同位素的测定方法为：风干或冻干土壤，去除土壤中的根、石子等杂物后，研磨过100目筛子。称取研磨后的土壤40mg左右于锡舟中，包裹结实利用元素-同位素质谱联用仪进行测定。处理称取一次样品可直接获得两个数据。
土壤有机碳的测定：称取风干研磨后的土壤200mg于离心管中，逐滴加入1mol/L盐酸，边加入盐酸边摇晃，直至不产生气泡，大约加入2ml盐酸。混合溶液静置2h，使盐酸与土壤中的无机碳充分反应，随后用5ml蒸馏水清洗土壤，完全去除混合溶液中的盐酸。将清洗干净的土壤至于60℃烘箱中烘干24h至恒重。
然后称取30mg左右酸化后的土壤用元素分析仪测定有机碳含量。有机碳含量通过如下公式计算：
其中，C％为用元素分析仪测得的酸化后土壤有机碳的含量。
(5)建立线性关系：根据步骤(3)测得的森林基础呼吸速率于步骤(4)测得的土壤碳氮含量、土壤有机碳含量、土壤碳氮比以及土壤碳13同位素含量，利用SPSS统计软件分别建立不同植被类型土壤基础呼吸速率和土壤碳氮含量、土壤有机碳含量、土壤碳氮比和土壤碳13同位素含量的线性关系，得到关系式：
Y森林基础呼吸＝a1x1+b1x2+c1x3+d1x4+e1；
Y灌木基础呼吸＝a2x1+b2x2+c2x3+d2x4+e2；
Y农田基础呼吸＝a3x1+b3x2+c3x3+d3x4+e3；
其中Y森林基础呼吸、Y灌木基础呼吸、Y农田基础呼吸分别为森林、灌木和农田土壤的基础呼吸速率；
x1为土壤有机碳含量，x2为土壤总氮含量，x3为土壤碳13同位素含量、x4为土壤碳氮比值。
(6)测定土壤相关参数，分别计算不同植被类型土壤微生物的基础呼吸速率；测定采样点位的土壤碳氮含量、土壤有机碳含量、土壤碳氮比以及土壤碳13同位素含量，代入步骤5中的线性关系式中，得到不同植被类型土壤微生物基础呼吸速率。
(7)利用本实施例提供的测定方法，分别在森林、灌木、草地土壤中测定土壤碳氮含量、土壤有机碳、土壤碳氮比和土壤碳13同位素含量，得到的结果如表1所示。
根据表1中提供的数据，利用SPSS软件分别建立森林、灌木和农田土壤微生物基础呼吸和土壤碳氮含量、土壤有机碳含量、土壤碳氮比和土壤碳13同位素含量的多元线性关系，分别得到关系式：
Y森林基础呼吸＝0.71x1+0.3x2-0.16x3+0.258x4+0.869；
Y灌木基础呼吸＝0.035x1+0.074x2-0.135x3+0.014x4-1.841；
Y农田基础呼吸＝-0.004x1+-0.248x2+c3x3-0.009x4+0.33；
表1-1森林土壤相关参数
表1-2灌木土壤相关参数
表1-3农田土壤相关参数
(8)通过建立的多元线性回归方程分别计算不同植被类型土壤的基础呼吸，并与表1得到的测定结果进行相对偏差分析，得到的结果如表2所示。
表2不同植被类型土壤测定的基础呼吸与预测的基础呼吸之间比较
(9)由表2可知，本发明提供的间接测定方法于用温室气体分析仪测定得到的结果相比较，相对偏差总体较低。
因此，本发明提供的间接测定不同植被类型土壤基础呼吸的方法可靠性好，本发明为测定不同植被类型土壤基础呼吸速率提供了一种简单易行的简介测定方法。
Claims (7)
1.不同植被类型土壤基础呼吸速率的间接测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择样地：选择不同植被类型土壤；
2)样品采集；
3)土壤基础呼吸速率的测定：采集新鲜土壤，在室内培养测定土壤的基础呼吸速率；
4)采集土壤样品测定样品参数：土壤总碳氮含量、土壤有机碳含量以及碳同位素自然丰度；
5)在不同类型土壤中分别建立土壤基础呼吸速率与土壤碳氮含量，碳氮比值、土壤有机碳含量和土壤碳13同位素含量的线性关系；
步骤1)样品采样地点包括森林、灌木和农田土壤；
步骤3)土壤基础呼吸速率采用室内培养测定CO2积累量的方法；
步骤4)土壤碳氮含量以及土壤碳13同位素的测定方法为：将新鲜土壤风干或者冻干，称取研磨过筛的土壤样品，土壤碳氮含量及土壤碳13同位素含量用元素分析仪和同位素质谱联用仪测定,土壤碳氮比通过土壤碳氮含量计算得来；
步骤4)土壤有机碳的测定：称取风干研磨后的土壤，逐滴加入盐酸，边加入盐酸边摇晃，直至不产生气泡，混合溶液静置，使盐酸与土壤中的无机碳充分反应，蒸馏水清洗土壤，完全去除混合溶液中的盐酸，将清洗干净的土壤烘干至恒重，然后称取酸化后的土壤用元素分析仪测定有机碳含量：
有机碳含量通过如下公式计算：
其中，C％为用元素分析仪测得的酸化后土壤有机碳的含量。
2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，土壤基础呼吸速率采用室内培养后用温室气体分析仪PICARRO G2508进行测定。
3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤3)中取新鲜土壤置于28℃条件下黑暗培养，调节含水率至60％，含水率的测定采用烘干法进行测定。
4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，土壤碳氮含量以及C13同位素含量的测定是通过元素分析仪和同位素质谱联用仪同时进行测定。
5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤4)中，土壤碳氮含量以及土壤碳13同位素的测定方法为：将新鲜土壤风干或者冻干，称取研磨过筛的土壤样品于锡舟中，土壤碳氮含量及土壤C13同位素含量用元素分析仪和同位素质谱联用仪测定,土壤碳氮比通过土壤碳氮含量计算得来。
6.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：土壤需要提前风干或者冻干，并研磨过100目筛子。
7.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于：步骤5)中，利用SPSS统计软件分别建立森林、灌木和农田土壤基础呼吸和土壤总氮、土壤有机碳、土壤碳氮比和土壤C13含量的线性关系，得到函数关系式：
Y森林基础呼吸＝0.71x1+0.3x2-0.16x3+0.258x4+0.869；
Y灌木基础呼吸＝0.035x1+0.074x2-0.135x3+0.014x4-1.841；
Y农田基础呼吸＝-0.004x1+-0.248x2+c3x3-0.009x4+0.33；
其中，Y森林基础呼吸、Y灌木基础呼吸、Y农田基础呼吸分别为森林、灌木和农田土壤的基础呼吸速率，x1为土壤有机碳含量；x2为土壤总氮含量，x3为土壤碳13同位素含量、x4为土壤碳氮比值。
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