土壤呼吸商及文献案例

土壤呼吸（soil respiration）是指土壤中的植物根系、食碎屑动物、真菌和细菌等进行新陈代谢活动，吸收氧气，消耗有机物，产生二氧化碳的过程。包括三个生物学过程（即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸）和一个非生物学过程，即含碳矿物质的化学氧化作用。

测量土壤呼吸时，人们经常把CO2作为单一指标，只测量土壤CO2的排放速率作为土壤呼吸速率，这是很不全面的，和其它（动物、植物等）呼吸测量一样，耗氧率（氧通量）也是土壤呼吸的另一重要指标，实际上由于CO2溶解于水的能力是O2的30倍，耗氧率在某种程度上是土壤呼吸更重要的指标，更能准确体现土壤呼吸强度。

呼吸商（respiratory quotient，RQ）

呼吸商是生物体在同一时间内，释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比或摩尔数之比，即指呼吸作用所释放的CO2和吸收的O2的分子比（可以简单表述为CO2/O2）。

土壤呼吸商是衡量土壤质量的重要指标，反映了土壤厌氧呼吸代谢与有氧呼吸代谢的比率。通气良好的健康土壤，一分子的碳被一分子的氧氧化产生一分子的CO2，呼吸商接近1。

但是，土壤成分的复杂性决定了土壤呼吸过程的复杂性和动态变化性，实际的呼吸商可能和1相差很大，然而在很多研究过程中，人们简单把土壤呼吸商假定为1，这样就会造成很大的偏差。

所以，同时测量土壤O2和CO2可以更加精确、客观、全面地反映土壤碳排放（Simultaneous Carbon Dioxide and Oxygen Measurements to Improve Soil Efflux Estimates，Kyaw Tha Paw U et al. 2006），而呼吸商RQ数据自身就可以提供土壤营养状况及自养呼吸与异氧呼吸的生态信息，特别是对湿地土壤呼吸，O2是CO2和CH4排放的重要控制因素，因此湿地土壤O2测量监测对研究湿地碳排放和碳循环至关重要！

这里整理了几个使用高精度O2分析器和CO2分析器对土壤呼吸商进行实际测量的文献，供参考。

以色列耶路撒冷希伯来大学的A. Angert等使用Sable公司的高精度气体分析器，测量不同生态系统不同土壤类型（地中海地区的1个温带森林和2个高山森林）的土壤O2消耗率和CO2产生率，并且计算呼吸商RQ，发现实测得到的呼吸商在0.14到1.23的范围内，和经常假定的0.9±0.1相差甚大，

该研究认为在地中海地区这些偏差是因为二氧化碳溶解在土壤水中并转化为碳酸氢盐造成的。

该研究还观测到，酸性较强的土壤，土壤呼吸商通常出乎意料地低（<0.7），该研究认为这可能是由还原态铁的氧化使得土壤土壤团聚体内的形成厌氧条件造成的。

该研究还提供了大量的直接定量证据，表明土壤氧气消耗率能更客观反映土壤实际呼吸速率。

上图表是在温带和高山的酸性和中性土壤中进行原位测量的CO2浓度，O2浓度和呼吸商RQ，可以看到实测呼吸商和经常假定的0.9±0.1相差甚大。

美国新墨西哥州立大学生物系的Angus L. Dawe等，使用Sable公司的高精度气体分析器，测量土壤CO2的产生和O2消耗并且计算土壤呼吸商，研究土壤微生物（真菌）受到病毒侵染之后的代谢变化，观察到真菌受侵染过程中对于土壤养分（碳水化合物、脂类）吸收、代谢的变化过程。

上图是真菌受病毒侵染后呼吸商RQ的变化，反映了真菌新城代谢过程中能量来源的变化。RQ值>1时菌丝以碳水化合物为能量来源，<1时表明菌丝开始以脂类（RQ≈0.7）或蛋白质（RQ≈0.85）为能量来源。

德国基尔大学（Kiel University）生态中心的的O. Dilly，采集德国北方土壤和南方土壤（土壤利用方式不同），进行土壤处理（添加葡萄糖作为基质诱导土壤呼吸），同时测量、对比土壤呼吸商。在添加葡萄糖之前，呼吸商往往<1，Dilly认为O2消耗较高是因为土壤微生物对土壤的矿化作用；葡萄糖添加后4至24小时，微生物快速生长时，土壤RQ约为1.3或更高；在葡萄糖添加后的第4小时内，RQ值通常约为1，是两者（矿化作用和微生物生长）的平衡期。

同时发现传统农田土壤的RQ值大于有机农田系统的土壤RQ值，土壤微生物群显然能够适应不同的氧化程度和不同的可利用基质。

添加葡萄糖之前，呼吸商往往<1

葡萄糖添加后第4小时的呼吸商显示了基质诱导的呼吸和矿化作用耗氧之间的平衡

葡萄糖添加4-24小时之后的呼吸商，显示土壤中微生物进入快速生长期

北京易科泰生态技术有限公司推出最 强大的、能够同时测量土壤CO2和

土壤O2的便携式呼吸测量系统——SoilBox-FMS

FMS便携式呼吸测量系统是美国Sable公司（Sable Systems International）研发的，该公司是全 球呼吸测量仪器的顶 尖公司，其首席科学家John Lighton 博士，在国际知名期刊上发表过90多篇学术论文，其所著 “Measuring Metabolic Rates: A  Manual for  Scientists”一书是目前呼吸测量、代谢测量方面阅读最广泛的参考书。

SoilBox-FMS特点

便携式，可测量CO2、O2及H2O浓度，进而求出呼吸商及Q10，从而用于呼吸、蒸散、光合作用等研究

气体抽样模块具Baseline装置，可手动或自动定时切换测量大气CO2含量（baseline）和呼吸室内CO2含量，从而更加精确地测量监测CO2等气体通量

双LCD显示屏，通过Mode、Adjust、Enter控制键，可在线设置控制和显示空气湿度RH、露点温度、CO2含量、O2含量、流速等

14通道数据采集器，可接土壤温度传感器、土壤水分传感器，具备数据在线存储功能

可通过选配4通道或8通道气路转换器，从而实现多通道测量实验研究（连接多个呼吸室），可在野外小范围内（比如10平方米）实现多点测量

通过选配透明呼吸室和非透明呼吸室，可测量监测生态系统净光合、净呼吸等

用于野外原位或实验室测量土壤微生物、根系乃至土壤动物的呼吸。

该系统可广泛应用于土壤微生物调查，土壤活力检测，土壤碳排放测量分析，各种土壤处理措施对土壤的影响分析，土壤生态修复研究检测与评估，土壤污染检测研究，气候变化对土壤碳通量的影响研究等。