碳同位素技術(shù)在草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用

碳同位素技術(shù)在草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用

1土壤碳循環(huán)草坪約占世界總面積的1.5%。草地也是人類活動(dòng)影響最大的地區(qū)，碳儲(chǔ)量能力相當(dāng)大。這些潛在的碳結(jié)合在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著非常重要的作用。因此,對(duì)全球碳庫(kù)的分布和碳循環(huán)進(jìn)行全面的了解,草原生態(tài)系統(tǒng)的研究是必不可少的。碳有15種同位素(8C、9C、10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C、17C、18C、19C、20C、21C、22C),其中12C、13C為穩(wěn)定碳同位素,14C為放射性碳同位素(半衰期約5700a),是自然界長(zhǎng)期存在的同位素,其余的碳同位素半衰期很短(11C約為20min,其他均小于20s),不能穩(wěn)定存在。同位素方法比普通方法可以更敏感地揭示土壤碳循環(huán)的干擾和恢復(fù)過(guò)程。其中,穩(wěn)定碳同位素示蹤技術(shù)適合研究從年到百年尺度的土壤碳循環(huán)過(guò)程,能有效地闡明地下碳動(dòng)態(tài)變化和土壤碳儲(chǔ)量的微小遷移與轉(zhuǎn)換,以及定量化評(píng)價(jià)新老土壤有機(jī)碳對(duì)碳儲(chǔ)量的相對(duì)貢獻(xiàn)。同時(shí),放射性碳同位素?cái)?shù)據(jù)可用來(lái)確定碳動(dòng)態(tài)變化以及全球變化對(duì)土壤碳的影響,并能用于檢驗(yàn)土壤碳動(dòng)力學(xué)模型的預(yù)測(cè)效果。目前,碳同位素方法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于草地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中,集中起來(lái),主要有以下幾方面:草地土壤有機(jī)碳的來(lái)源研究,光合作用產(chǎn)物碳在草地生態(tài)系統(tǒng)中的分配,草地土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)及土壤呼吸研究等。2c3植物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的13c值及來(lái)源的影響植物光合作用是自然界產(chǎn)生碳同位素分餾的最重要過(guò)程,也是碳同位素技術(shù)在生態(tài)學(xué)研究中應(yīng)用的基礎(chǔ)。δ13C值用相對(duì)量表示物質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素組成,也就是穩(wěn)定碳同位素的比率。其關(guān)系式為:式中:Rp是樣品碳元素的重輕同位素豐度之比,Rs是國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)物的重輕碳同位素豐度之比。由于光合過(guò)程中羧化酶對(duì)同位素的分餾效應(yīng)以及氣孔的擴(kuò)散分餾效應(yīng)不同,C3和C4植物(根據(jù)CO2同化過(guò)程的最初產(chǎn)物及碳代謝特點(diǎn),植物可被分為C3植物、C4植物和CAM植物)的δ13C值有明顯區(qū)別,其中C3植物的δ13C值處于-35‰~-20‰之間,C4植物的δ13C值較高,處于-19‰~-9‰之間,C3和C4植物的δ13C平均值分別在-27‰和-13‰左右。由于草地土壤有機(jī)質(zhì)大多數(shù)來(lái)自草地植物殘留物,植物殘留物的δ13C值對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)有直接的影響。當(dāng)在具有C3植物種植歷史的土壤上種植C4植物后,土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值上升,這是因?yàn)镃4植物的殘留物進(jìn)入土壤。根據(jù)質(zhì)量平衡理論得到式(2):式中:δC4為C4植物所在土壤C的δ13C值,δvegetation為C4植物殘留物的δ13C值,f為來(lái)源于C4植物的土壤有機(jī)質(zhì)比例,δC3為C3植物所在土壤C的δ13C值。則來(lái)源于C4植物的土壤有機(jī)質(zhì)比例計(jì)算公式為:δvegetation的值在不同深度要取不同修正值,因?yàn)橹参锔鞑糠诌M(jìn)入不同深度土壤的比例不同。在C4土壤上種植C3植物進(jìn)行有機(jī)質(zhì)來(lái)源的研究也是相同的原理。根據(jù)上述原理,Schwendenmann和Pendall將土壤分級(jí)法和13C自然豐度結(jié)合起來(lái)發(fā)現(xiàn)植被由潮濕熱帶林轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)物種為甜根子草(SaccharumspontaneumL.,C4植物)的草地90年后,草地土壤表層60%的碳來(lái)源于草地,隨著深度的增加比例明顯下降。同樣,Flessa等利用13C自然豐度法分析了在德國(guó)哈雷進(jìn)行的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)中土壤有機(jī)碳、溶解態(tài)有機(jī)碳及土壤呼吸的碳來(lái)源。實(shí)驗(yàn)樣地從1878年開始種植黑麥草(SecalecerealeL.,C3植物)到1961年改為種植玉米(ZeamaysL.,C4植物),持續(xù)種植玉米37年后,土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值明顯增加,土壤表層總有機(jī)碳的15%來(lái)源于玉米,耕作層以下部分只占5%~3%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室培育實(shí)驗(yàn)并分析溶解態(tài)有機(jī)碳及土壤呼吸所釋放CO2的同位素比率,他們得出單位質(zhì)量的來(lái)源于玉米的土壤有機(jī)碳中溶解態(tài)有機(jī)碳的量是來(lái)源于黑麥草的土壤有機(jī)碳的2.5倍,但來(lái)源于黑麥草的土壤有機(jī)碳仍是溶解態(tài)有機(jī)碳的主要來(lái)源。來(lái)源于玉米的土壤有機(jī)碳分解釋放CO2的速率是來(lái)源于黑麥草的土壤有機(jī)碳的8倍,58%以上的CO2來(lái)源于玉米有機(jī)碳。自然豐度法的優(yōu)缺點(diǎn)將在土壤呼吸區(qū)分部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。3人為干擾與光合產(chǎn)物碳分配近期光合碳是“大氣—植物—土壤”系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分;定量近期光合碳在植物組織、土壤和呼吸損失的分配,對(duì)于理解全球碳循環(huán)是必不可少的。Wang等使用單次脈沖標(biāo)記技術(shù)(13C)研究了內(nèi)蒙古溫帶草原近期光合碳的動(dòng)態(tài)和分配情況,標(biāo)記后植物地上部分13C標(biāo)記迅速上升,隨后下降,根中一直上升。Yevdokimov等在持續(xù)13CO2標(biāo)記的環(huán)境下進(jìn)行了一次燕麥(AvenasativaL.)種植溫室實(shí)驗(yàn),生長(zhǎng)季期間燕麥地上部分碳的分配越來(lái)越多,而地下部分光和產(chǎn)物碳的比率在下降。光合產(chǎn)物碳在土壤中主要集中在土壤有機(jī)質(zhì)中,微生物會(huì)迅速礦化大部分的根際沉積物。刈割、放牧及施肥等人為干擾對(duì)光合產(chǎn)物碳的分配有明顯的影響。Ostle等對(duì)自然環(huán)境條件下的高地草原做了三個(gè)處理,分別是添加13C標(biāo)記后刈割(地上部分余7cm)、添加13C標(biāo)記和不添加13C標(biāo)記。研究表明13C標(biāo)記后所有土壤動(dòng)物組織里都含有了13C示蹤劑,刈割處理明顯增加了13C進(jìn)入動(dòng)物組織的量。在生長(zhǎng)季,近期光合碳迅速進(jìn)入了中型動(dòng)物區(qū)系。Stewart等利用13CO2脈沖標(biāo)記技術(shù)研究灌溉、施用磷肥以及不同的放牧方式對(duì)碳的吸收及分配的影響,結(jié)果表明在低土壤養(yǎng)分、高放牧強(qiáng)度、持續(xù)放牧以及秋天時(shí)植物會(huì)向根中分配更多的碳,灌溉對(duì)于碳在根中的分配沒(méi)有明顯影響。在Wang的研究中,放牧使更多的新近光合碳分配到根部,而施用氮肥則使更多的光合碳分配到地上部分,與上述結(jié)果基本相同。利用碳同位素作為示蹤劑闡明光合產(chǎn)物碳的分配機(jī)理對(duì)于實(shí)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。4對(duì)土壤表層碳庫(kù)的影響土壤有機(jī)質(zhì)及其組分周轉(zhuǎn)與分解動(dòng)力學(xué)研究中,田間實(shí)驗(yàn)所用方法可分為非示蹤法(塑料網(wǎng)袋法、砂濾管法和尼龍袋法)和示蹤法(穩(wěn)定同位素示蹤法和放射性同位素標(biāo)記示蹤法)。穩(wěn)定同位素示蹤法主要包括兩種,一種是13C自然豐度法,另一種是人為添加13C標(biāo)記。Schwendenmann等在研究土壤植被由森林轉(zhuǎn)化為草地時(shí),基于13C自然豐度和將土壤作為單一同質(zhì)碳庫(kù)處理,估算出土壤表層碳庫(kù)的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為69年,20cm以下部分為120年,周轉(zhuǎn)時(shí)間隨有機(jī)質(zhì)組分和深度變化而變化。撒石灰對(duì)于英國(guó)等地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義,Foereid等通過(guò)13CO2脈沖標(biāo)記法研究了撒石灰對(duì)酸化草地土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的影響,發(fā)現(xiàn)不撒石灰的土壤中殘留了更多的13C,撒石灰加速了土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)。Pendall等通過(guò)長(zhǎng)期培育實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)提高CO2濃度(所用CO2的δ13C值與背景值不同)后矮草草原土壤表層活性碳庫(kù)(activepool)和緩性碳庫(kù)(slowpool)均增加了,但周轉(zhuǎn)速率并沒(méi)有提高。14C示蹤技術(shù)在土壤腐殖質(zhì)的形成與分解過(guò)程、有機(jī)底物在土壤中的分解和轉(zhuǎn)化及其對(duì)原有土壤有機(jī)質(zhì)分解的影響、土壤微生物生物量碳的周轉(zhuǎn)等方面研究中也有應(yīng)用。5括根系呼吸及土壤微生物土壤呼吸是指未經(jīng)擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用,主要包括根系呼吸(自養(yǎng)呼吸的一部分)及土壤微生物和土壤動(dòng)物的異養(yǎng)呼吸等。碳同位素技術(shù)對(duì)土壤和根的干擾極小,而且實(shí)驗(yàn)方法成熟,因此目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于土壤呼吸影響因素及土壤呼吸區(qū)分研究。5.1影響土壤溫度和土壤水分的因素土壤呼吸過(guò)程既是非生物學(xué)氧化過(guò)程,又是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。它不僅受到氣溫、土壤溫度、濕度、pH值和風(fēng)速等環(huán)境條件的影響,還受到植被、土壤動(dòng)物、土壤生物學(xué)屬性等生物因素,以及人為因素如土地利用、環(huán)境污染等因素的影響。這里綜述了碳同位素在土壤呼吸速率主要的影響因素即土壤溫度和濕度研究方面的應(yīng)用。5.1.1呼吸釋放co的13c值及生物活性土壤呼吸過(guò)程以土壤微生物和植物根系呼吸為主,而這都是依賴于溫度和濕度的生物學(xué)過(guò)程,在一定范圍內(nèi)表現(xiàn)為隨溫度和水分增加而增加的趨勢(shì),在極端的溫度和水分條件下,則受到抑制。眾多研究表明,土壤呼吸速率隨著溫度的上升而呈指數(shù)函數(shù)上升。Andrews等在分別為4、22、40℃的條件下測(cè)量了去除根部土壤(來(lái)自杜克森林FACE(Free-AirCO2Enrichment)實(shí)驗(yàn)點(diǎn))的呼吸速率、土壤呼吸釋放CO2的δ13C值及微生物群落成分,發(fā)現(xiàn)從4℃到22、40℃微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量的變化導(dǎo)致了可礦化碳庫(kù)的變化,從而使低溫條件下呼吸產(chǎn)生CO2的δ13C值變大,他們得到的Q10值為1.9。而Dudziak等在研究不同生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2碳同位素比率的日循環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn),在夏季最炎熱的時(shí)期,盡管土壤的溫度變化達(dá)到了5℃,未經(jīng)耕作的草地中CO2濃度仍沒(méi)有明顯的變化。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)土壤溫度超過(guò)了20℃,占主導(dǎo)作用的微生物呼吸變化較小。Q10值是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)擬合常數(shù),表示溫度每升高10℃土壤呼吸速率相應(yīng)增加的倍數(shù)。在以往的大多數(shù)指數(shù)模型中都認(rèn)為Q10為接近2.0的常數(shù),但近期研究發(fā)現(xiàn)Q10值隨時(shí)間、空間、地理位置以及生態(tài)系統(tǒng)類型變化較大,因此需要進(jìn)一步研究。5.1.2森林生態(tài)系統(tǒng)呼吸對(duì)土壤水分的影響生態(tài)系統(tǒng)土壤中的水分狀況可以影響空氣的水汽壓,對(duì)土壤中微生物的活性也有影響,這些將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)呼吸產(chǎn)生影響。森林生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸δ13C值的變化與土壤水分狀況是相關(guān)的。孫偉等利用穩(wěn)定碳同位素和Keeling曲線法研究了河岸C4草地生態(tài)系統(tǒng)的夜晚碳通量,結(jié)果表明生態(tài)系統(tǒng)呼吸的δ13C值與土壤含水量之間存在正相關(guān)關(guān)系,而與空氣飽和差之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。5.2土壤呼吸各組分的區(qū)分土壤是一個(gè)巨大的碳庫(kù),稍微有變化都會(huì)對(duì)全球碳循環(huán)和碳平衡產(chǎn)生重大影響,因此,精確區(qū)分土壤呼吸各組分是全球變化研究中的重要內(nèi)容。據(jù)估計(jì)即使是高產(chǎn)農(nóng)田,土壤動(dòng)物呼吸和化學(xué)氧化量也只占總呼吸量的5%,因此一般將土壤呼吸分為三部分:純根呼吸、根際微生物呼吸和土壤微生物呼吸,其中,純根呼吸和根際微生物呼吸合稱為根源呼吸。5.2.1玉米自然豐度對(duì)12c值的影響13C自然豐度法原理與上面提到的區(qū)分土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)源是相同的,即認(rèn)為土壤微生物呼吸中的土壤有機(jī)質(zhì)是舊有機(jī)質(zhì),而根源呼吸是來(lái)源于新種植植物的新有機(jī)質(zhì),應(yīng)用質(zhì)量平衡原理就可以得到兩者占土壤呼吸的比例。Cheng應(yīng)用自然豐度法研究發(fā)現(xiàn),短期生長(zhǎng)箱實(shí)驗(yàn)中種草情況下根源呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)是89%,土壤微生物呼吸比不種草的情況下下降了37.3%。在Robinson等41]對(duì)百慕大草地的研究中,他們假定可以忽略C4植物呼吸和源于C3植物土壤有機(jī)質(zhì)的微生物呼吸兩個(gè)過(guò)程的同位素分餾作用,得到在整個(gè)生長(zhǎng)季根源呼吸占土壤呼吸的比例介于40%~100%之間。Rochette等在C3土壤上種植玉米,結(jié)合動(dòng)態(tài)密閉箱法及土壤CO2和有機(jī)質(zhì)樣品的δ13C值得到根源呼吸對(duì)土壤呼吸的最大貢獻(xiàn)比例是45%,并與根去除法所得結(jié)果進(jìn)行了比較。他們的多次實(shí)驗(yàn)表明該方法有可能實(shí)現(xiàn)根源呼吸和土壤微生物呼吸的區(qū)分。首先,得到的根源呼吸季節(jié)模式與植物生長(zhǎng)及生理活動(dòng)是一致的。其次,整個(gè)生長(zhǎng)季累積的根源呼吸值與使用14C標(biāo)記技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)是一致的。再次,在玉米樣點(diǎn),土壤呼吸變化與土壤溫度的變化是一致的。最后,同位素方法和根去除法得到的結(jié)果是相同的?？梢?利用光合途徑不同植物的13C自然豐度進(jìn)行土壤呼吸的初步區(qū)分是可行的。13C自然豐度法假設(shè)土壤釋放CO2的δ13C值只受來(lái)自根源呼吸和土壤微生物呼吸兩部分的影響,但實(shí)際上還受到濕度、海拔以及施肥的影響,不過(guò)這種影響遠(yuǎn)小于C3及C4植物之間的差異。CO2在土壤中擴(kuò)散也存在分餾現(xiàn)象,最重要的一點(diǎn)是C3/C4轉(zhuǎn)換這樣特殊的環(huán)境很難找,限制了它在野外的應(yīng)用。盡管靈敏度和分辨率較低,而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)季后期該方法可靠性下降,但13C自然豐度法相對(duì)脈沖標(biāo)記法也有一定的有利因素:(1)植物和土壤都一律自然標(biāo)記;(2)沒(méi)有放射性安全問(wèn)題;(3)因13C示蹤劑自然產(chǎn)生所以不需要標(biāo)記程序。(2)持續(xù)標(biāo)記方法脈沖標(biāo)記法包括單次脈沖標(biāo)記、重復(fù)脈沖標(biāo)記和持續(xù)脈沖標(biāo)記。單次脈沖標(biāo)記適用于測(cè)定密閉的實(shí)驗(yàn)箱中生長(zhǎng)的小植物對(duì)標(biāo)記CO2的吸收,在實(shí)驗(yàn)箱中可計(jì)量被添加到系統(tǒng)中的所有標(biāo)記碳的量。持續(xù)標(biāo)記法是指在超過(guò)植物生長(zhǎng)期限的時(shí)間內(nèi),在實(shí)驗(yàn)室或野外條件下,對(duì)植物進(jìn)行不間斷標(biāo)記的一種方法。實(shí)驗(yàn)箱已經(jīng)被用于小型植物的14C的持續(xù)標(biāo)記,而在大型植物的應(yīng)用方面卻存在一定的限制。野外持續(xù)標(biāo)記主要有兩種方法:(1)利用核爆炸產(chǎn)生的14C標(biāo)記。(2)讓植物曝露于專一的穩(wěn)定同位素信號(hào)下(FACE實(shí)驗(yàn))。20世紀(jì)50年代和60年代早期進(jìn)行的核武器實(shí)驗(yàn)提高了空氣中CO2的14C含量,事實(shí)上產(chǎn)生了一個(gè)全球范圍的長(zhǎng)期標(biāo)記實(shí)驗(yàn),這產(chǎn)生了比短時(shí)間脈沖標(biāo)記研究更為統(tǒng)一的對(duì)植物和土壤碳庫(kù)的標(biāo)記。通過(guò)建模和質(zhì)量平衡理論可以估算根源呼吸占土壤呼吸的比例,但過(guò)程中涉及過(guò)多的假設(shè),而且由于加速器質(zhì)譜儀價(jià)格昂貴,因此這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用較少。FACE即自由大氣富集實(shí)驗(yàn),是通過(guò)人為添加的方式提高研究區(qū)域CO2的濃度,其中所添加的CO2一般是13C貧化的。植物通過(guò)光合作用固定13C貧化的CO2,光合產(chǎn)物碳分配到根及根際沉積物中并通過(guò)呼吸作用釋放,而土壤有機(jī)質(zhì)由于周轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)其δ13C值變化相對(duì)較小,通過(guò)這種差別就可以將根源呼吸與土壤微生物呼吸區(qū)分開來(lái)。S?e等2001年在德國(guó)聯(lián)邦農(nóng)業(yè)研究中心甜菜地通過(guò)FACE實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同CO2濃度條件下的土壤呼吸,他們使用13C貧化的示蹤劑提高大氣CO2濃度,得到根源呼吸對(duì)土壤呼吸的貢獻(xiàn)約為(70±4)%。FACE圈四周沒(méi)有遮攔物,這樣便可測(cè)定能量平衡、冠層溫度和水分蒸發(fā)、蒸騰量,對(duì)微環(huán)境影響很小,但昂貴的運(yùn)行和控制費(fèi)用不利于其廣泛應(yīng)用。5.2.2通量：最大挑戰(zhàn)之一區(qū)分根呼吸放出的CO2與土壤碳礦化產(chǎn)生的CO2是非常困難的,并且已成為定量根際碳通量的最大挑戰(zhàn)之一。目前用于純根呼吸和根際微生物呼吸區(qū)分的方法主要有根源呼吸和根際微生物呼吸差值法、同位素稀釋法、模擬根際沉積物法、14CO2動(dòng)態(tài)模型法以及根系分泌物洗滌法。根源呼吸和根際微生物呼吸差值法國(guó)內(nèi)介紹較少,這里作較為詳細(xì)的介紹。(1)基于穩(wěn)定度的確定根源呼吸與根際微生物呼吸差值法是指對(duì)植物進(jìn)行持續(xù)14CO2標(biāo)記,得到根源呼吸;經(jīng)過(guò)一個(gè)生長(zhǎng)季后測(cè)定剩余的根際沉積物未分解物的量,以損失量代表根際微生物呼吸量,兩者差值即為純根呼吸。這個(gè)方法看起來(lái)簡(jiǎn)單,但實(shí)際應(yīng)用卻很復(fù)雜,最大的困難是要準(zhǔn)確得到根最初釋放到土壤中的根際沉積物的量。Johansson給出了一個(gè)假設(shè),即根際沉積物的穩(wěn)定度與其中不能水解組分與水解組分之比成比例。在培育實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將根際沉積物和參照物質(zhì)(14C統(tǒng)一標(biāo)記并磨細(xì)后進(jìn)行培育實(shí)驗(yàn)的葡萄糖、根和地上部分)水解,得到不可水解的14C殘留物的量,進(jìn)一步將不可水解14C殘留物與水解前總14C殘留物進(jìn)行線性回歸,記斜率為K。穩(wěn)定度S計(jì)算公式為:S=K·水解后14C/水解前14C,根際沉積物的起始量=殘留量/穩(wěn)定度。Johansson利用該方法得到牛尾草在發(fā)芽7周后根際微生物呼吸占根源呼吸的32%,純根呼吸占68%,該法目前應(yīng)用較少。這個(gè)方法主要的缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn):(1)根際沉積物起始量未知,需要間接估計(jì);(2)培育時(shí)間較長(zhǎng)(61周);(3)工作量大,至少需要培育三種參照物質(zhì);(4)培育結(jié)束后殘留14C量與不能水解組分和水解組分之比成比例的假定沒(méi)有其他人證明。(2)標(biāo)記的14c根際氧化物同位素稀釋法即把未標(biāo)記的葡萄糖注入到生長(zhǎng)14C標(biāo)記植物的土壤中,從而稀釋標(biāo)記的14C根際分泌物。未標(biāo)記葡萄糖進(jìn)入根際土壤后,分散了根際微生物對(duì)14C標(biāo)記的根系分泌物的專一分解作用,從而降低14CO2的釋放量。Cheng基于這個(gè)方法得到純根呼吸和根際微生物呼吸分別占根源呼吸的41%和59%。(3)模擬土壤微生物呼吸模擬根際沉積物法有2個(gè)步驟:(1)用14C標(biāo)記植物而不加模擬根際沉積物得到根源呼吸;(2)不標(biāo)記植物,向土壤中加入14C模擬根際沉積物,得到根際微生物呼吸。這樣就可以將純根呼吸和根際微生物呼吸分開來(lái)。Swinnen應(yīng)用該方法得到大麥和小麥在培育30天后純根呼吸占根源呼吸的89%~95%,根際微生物呼吸占5%~11%。(4)呼吸的日變化Kuzyakov等提出了14CO2動(dòng)態(tài)模型,該模型假定植物生物量從開始14C標(biāo)記到分配完畢不會(huì)發(fā)生大的變化,不考慮碳吸收、轉(zhuǎn)移和呼吸的日變化。原理是添加14C標(biāo)記物后根際微生物呼吸相對(duì)純根呼吸有一定的延遲,這種延遲可能是由于根際沉積物從產(chǎn)生到被微生物分解利用放出CO2需要一定的時(shí)間。他們利用該方法得到黑麥草純根呼吸和根際微生物呼吸分別占根源呼吸的56%和44%。(5)微生物監(jiān)獄根系分泌物洗滌法也稱為虹吸法,實(shí)質(zhì)上是利用物理的方法對(duì)純根呼吸和根際微生物呼吸進(jìn)行分離,具體做法是在對(duì)植物進(jìn)行14C標(biāo)記后,利用氣流將純根呼吸放出的CO2吹出來(lái)并進(jìn)行收集,而同時(shí)利用水流將根表面的分泌物及微生物作用過(guò)的混合物沖洗出來(lái)并進(jìn)行收集分析。Kuzyakov等認(rèn)為這個(gè)方法存在以下缺點(diǎn):(1)沖洗出的分泌物只是水溶性的,并沒(méi)有將所有微生物可能利用的根系分泌物分離出來(lái);(2)分泌物在從土壤中滲漏出來(lái)的過(guò)程中可能已經(jīng)被微生物分解,這將增加純根呼吸的比重;(3)在土壤中水會(huì)優(yōu)先流動(dòng);(4)水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)可能會(huì)影響根放出碳的量和組成,這實(shí)際上是產(chǎn)生了擾動(dòng)。另外,土壤質(zhì)地狀況也會(huì)影響這個(gè)方法的有效性。他們利用該方法得到14C標(biāo)記后黑麥草根際微生物呼吸占根源呼吸的19%,因上述原因根際微生物呼吸明顯被低估了。5.2.3c自然豐度法盡管有人將土壤呼吸詳細(xì)地分為5部分,但大多數(shù)研究者目前仍是著重于將土壤呼吸分為純根呼吸、根際微生物呼吸和土壤微生物呼吸3部分,本文所說(shuō)的完全區(qū)分即分為這3部分。Kuzyakov等對(duì)C3草地土壤添加C3/C4泥漿或C3C4糖,利用13C自然豐度來(lái)研究3個(gè)不同的碳源對(duì)CO2通量的貢獻(xiàn),這三個(gè)碳源分別為糖、調(diào)制泥漿和原有土壤有機(jī)質(zhì)。這是第一次應(yīng)用自然豐度法來(lái)區(qū)分3個(gè)以上來(lái)源的土壤呼吸,但仍存在一些不足。Kuzyakov基于13C自然豐度法提出了一種實(shí)現(xiàn)土壤呼吸完全區(qū)分的新方法,其計(jì)算步驟如下:式(4)中,為土壤微生物呼吸占土壤呼吸的比例,、δ4Rhiz、δ3SOM分別為土壤呼吸所放出CO2、根際沉積物和土壤有機(jī)質(zhì)的δ13C值。根源呼吸所占比例用下式計(jì)算:。應(yīng)用式(5)和式(6將根源呼吸進(jìn)一步分為純根呼吸(比例為)和根際微生物呼吸(比例為)兩部分:式中:δMo為土壤微生物生物量的δ13C值,其余與上面相同。該方法有兩個(gè)重要假設(shè):(1)純根呼吸CO2及根際沉積物碳的δ13C值與根的相同;(2)微生物呼吸CO2的δ13C值與微生物生物量的δ13C值相同。對(duì)于假