3.5　土壤呼吸測量和估算方法

精確測量CO₂通量是土壤呼吸科學發展過程中最為重要的。如果沒有精確地測量，所收集的數據就缺乏可信度，也就不能客觀評價各生態系統之間土壤呼吸的相對尺度，也不可能用這些數據探討土壤呼吸的機制和了解土壤呼吸的過程。區分土壤呼吸不同來源組分，估算地下部分的分配和開發模型來預測或模擬在新環境下的土壤呼吸，也都依賴于對土壤呼吸的精確測量。

為了解決土壤呼吸測量中的難題，科學家們在過去幾十年中進行了廣泛研究，開發出許多測量方法。最常用的是氣室法，這種方法能夠在土壤表面直接測量CO₂通量。根據是否有穿過氣室的空氣循環，氣室技術又分為動態法和靜態法。動態氣室法允許空氣在氣室和傳感器之間循環來測量氣室內CO₂濃度隨時間的變化，傳感器通常分為紅外氣體分析儀（Infrared Gas Analyzer， IRGA）。目前，在實驗室和野外條件下最常用的方法是封閉式動態氣室法（Closed Dynamic Chamber，CDC），即把土壤表面完全密封起來，測量短時間內氣室內CO₂濃度的變化。科學家也采用開放式動態氣室法（Open Dynamic Chamber， ODC）去測量土壤CO₂通量，即采用連續通風的近穩態模式進行測量，測定流過的空氣中CO₂濃度的微小變化。封閉式靜態氣室法（Closed Static Chamber，SCS）是把一定量的空氣與環境隔離開來，在一定測量時間內用堿溶液或堿石灰吸收氣室內的CO₂，根據吸收的CO₂量估算土壤呼吸速率。使用靜態氣室時，還可以在封閉期間內，在兩個或兩個以上不同時間用注射器采集氣室內氣體樣品，通過氣相色譜（GC）或紅外氣體分析儀測量CO₂濃度來估算土壤CO₂通量。

另外，還可使用氣井法（GW），測定沿土壤垂直剖面CO₂濃度梯度來估算土壤呼吸。近來，許多研究通過微氣象法，如渦度協方差法^［136］和波紋比/能量平衡法^{［137，138］}，從生態系統凈交換的測量中間接估算土壤呼吸。所測量的生態系統凈交換是指夜間的生態系統呼吸或白天冠層光合和生態系統呼吸之間的差值。生態系統凈交換可細分為光合作用，地上部分呼吸和土壤呼吸三個組分。

3.5.1　封閉式動態氣室法

封閉式動態氣室法（CDC）是在測量過程中，將一個密閉的氣室覆蓋于一定面積的地表面上，同時允許空氣在氣室與CO₂傳感器（紅外氣體分析儀）之間的回路中循環。當封閉的氣室蓋住土壤表面，由于從土壤中向外釋放CO₂，使氣室內CO₂濃度上升，CO₂濃度增加的速率與土壤CO₂通量成正比，通常是用紅外氣體分析儀測量氣室內CO₂濃度隨時間的增加來確定土壤呼吸速率。在一個較短的時間內，分別在開始和結束時測定這兩個點上的CO₂濃度，氣室中的CO₂濃度的增量可以用來估算出土壤CO₂通量。

3.5.2　開放式動態氣室法

開放式動態氣室法是使用差分方法估算CO₂通量。開放式動態氣室法是指空氣從氣室的入口進入，流經氣室再從出口流出^{［139，140］}。由于土壤呼吸作用釋放CO₂，因此流出氣室的空氣CO₂濃度要高于進入氣室的空氣CO₂濃度。

3.5.3　封閉式靜態氣室法

封閉式靜態氣室法是將氣室覆蓋在一定面積的土壤上，在一定時間內用氣室內的化學吸收劑來吸收CO₂。此方法除了土壤釋放CO₂外，封閉的氣室內沒有其他的空氣流動，所以有時也稱作非穩態或非流動氣室技術。

3.5.4　氣相色譜法

氣相色譜法是用注射器從野外采集氣體樣本帶回實驗室，用氣相色譜或紅外氣體分析儀測定。由該法演變出來的一種方法是把紅外氣體分析儀放置在沒有空氣循環的封閉氣室內，氣體采樣的程序與封閉式靜態氣室法相似。

密封在注射器內的氣體樣品用氣相色譜^{［141，142］}或紅外線分析儀^{［143，144］}分析其CO₂或O₂（或其他痕量氣體）濃度。氣相色譜法可以分離氣體樣品的各種成分。與其他方法相比，氣相色譜法可能會低估土壤呼吸速率^［145］45%。

3.5.5　氣井法

氣井法是沿著土壤垂直剖面，在兩個或更多深度取樣測量CO₂或O₂濃度。氣井法通常需要將CO₂取樣管（如不銹鋼管）長期安放在掉落物層、有基質層和礦物層各層的中間位置。管的末端有幾個洞允許空氣流經管道并可以用注射器來采集。Hirsch等^{［146，147］}建立了自動取樣系統，測量土壤幾個不同深度的CO₂濃度。

氣井法估算了土壤不同深度與土壤表面的CO₂通量，例如，在加拿大新斯科舍省東部^{［148，149］}，在哥斯達黎加-西瓦爾（La Selva）定位站的一個古老的新熱帶雨林^［150］以及其他一些生態系統類型^［151］都有研究。許多研究對不同的測量方法進行了比較。對測量系統的比較通常采用兩種方法。一種方法是使用已知的CO₂通量，將所有的測量系統與它進行對比；另一種方法是在同一地點使用不同系統接連重復測量。Nay等用一個已知的模擬的土壤表面釋放出來的通量，評價了封閉靜態氣室法和封閉動態氣室法^［155］。封閉靜態氣室法，當CO₂通量較低時會高估CO₂通量，而在CO₂通量較高時會低估CO₂通量。用帶有紅外氣體分析儀的封閉式動態氣室法測量時總是使土壤CO₂通量低估15%。

從這些比較研究可以看出，對于哪個方法最好、可作為土壤呼吸測量的標準問題目前仍沒有形成一個一致的看法。盡管如此，幾個比較研究都指出，盡管開放式動態氣室法比較復雜，需要控制氣室內的壓力，也需要很大的技術投入，但它是測量土壤呼吸的方法中最為可靠的一種。