森林生态系统的碳平衡在全球碳平衡中具有重要作用(方精云等, 2001; 毛子军, 2002; 许中旗等, 2005)。树干和枝的呼吸约占森林生态系统总自养呼吸的5%~42% (Lavigne et al., 1997; Damesin et al., 2002), 是森林生态系统碳通量的主要决定因子, 因而树干呼吸成为当前森林群落碳平衡研究的重要内容之一。目前, 估测树干呼吸的主要方法是局部CO₂通量测定法。资料表明, 不同研究者应用局部CO₂通量测定法所得的结果差别很大, 甚至相同树种不同个体之间CO₂通量也有很大差别(McGuire et al., 2004), 意味着通量测定具有一定的不确定性。这促使研究者探究发生这种现象的原因, 并探索用其他方法进行树干呼吸的研究。质量平衡法(McGuire et al., 2004)就是近来国外研究者提出的一个测定树干呼吸的新方法。我国在树干呼吸方面的研究还不多(姜丽芬等, 2003; Wang et al., 2003; 王淼等, 2005; 肖复明等, 2005), 对树木木质部液流虽有一些研究(严昌荣等, 1999; 高岩等, 2001; 孙惠珍等, 2002; 2005; 常学向等, 2004; 马玲等, 2005; 熊伟等, 2005; 王瑞辉等, 2006; 夏桂敏等, 2006), 但并未与树干呼吸研究联系起来。本文介绍质量平衡法的理论及其应用, 旨在为我国树干呼吸研究提供参考。

目前采用较多的局部通量测定法假定局部释放通量起源于相应组织的呼吸, 而且呼吸产生的CO₂全部通过树皮释放到大气中(McGuire et al., 2004), 并且组织的呼吸速率与通过树皮释放出的CO₂通量相等(Levy et al., 1999)。基于这种假设, 人们通常在树干(枝)一定部位(或全部)的表面借助仪器或装置形成一个封闭的气室, 测定该气室的CO₂通量(Matyssek et al., 2002; 姜丽芬等, 2003; Wang et al., 2003), 用该气室的CO₂通量作为树干呼吸作用的表征参数。然而, 基于这种理论的气体交换研究结果差别很大, 如树冠的呼吸速率可以是树干基部的19~42倍(Damesin et al., 2002; Sprugel, 1990), 不同的香凝冷杉(Abis balsamea)林分间, 维持呼吸速率的差别可达100%~125% (Lavigne et al., 1996)

研究表明, 液流中含有溶解的CO₂, 所以提供了一个树木内部CO₂运动的机制(Negisi, 1979; Stringer et al., 1993)。CO₂在木质部中以2种形式存在: 1)以液态溶解于树液中; 2)以气态存在于木质部。树木木质部液流中气态CO₂浓度为2%~26%。在生长季, 欧洲云杉(Picea abies)木质部中CO₂浓度为2%~10%, 欧洲白栎(Quercus robur)木质部中为3%~9%, 挪威云杉和挪威槭(Acer platanoides)木质部中为2%~4% (Eklund, 1990)。Hari等(1991)和Levy等(1999)推测, 木质部CO₂浓度过高会影响呼吸作用的测定。由于CO₂在木质部树液中的运输没有被考虑进去, 导致以气体交换为基础的呼吸作用和光合作用测定会产生误差(Gansert et al., 2005)。Negisi (1979)在研究赤松(Pinus densiflora)树干呼吸时发现, 在高呼吸时期, 树干CO₂释放通量反而降低。这种现象也发生于其他一些研究中(Kaipiainen et al., 1998), 这可能与液流中CO₂的运输有关。

近几年, Teskey等通过测定木质部中的气态CO₂浓度对液流中溶解的CO₂浓度进行估算。他们认为, 从呼吸细胞中逸出的大量CO₂并没有逃逸到大气中, 而是扩散到木质部液流中, 并被向上运输, 使测定的释放通量小于实际组织呼吸放出的CO₂ (Teskey et al., 2002)。后来又发现, 在1 d内的不同时间, 树干组织呼吸所生产的CO₂遵循着不同的通量路径:在白天, 液流流动, 呼吸释放的CO₂有很大一部分被液流携带走, 而在夜间, 呼出的CO₂则大部分通过树干释放到大气中。另外, 用局部通量法估测也可能会过高地估测树干组织的呼吸作用, 因为树干能通过液流将根中呼吸释放的CO₂吸收并向上运输(McGuire et al., 2004)。Teskey等(2005)对一球悬铃木(Platanus occidentalis)和胶皮枫香树(Liquidambar styraciflua)小幼树进行试验, 发现其茎的CO₂释放通量直接与木质部CO₂浓度显著相关, 幼苗在高浓度CO₂处理条件下的CO₂释放通量最大, 从而证明CO₂释放通量与木质部液流的CO₂浓度直接相关。

基于上述种种研究和推测, McGuire等(2004)提出了考虑树干CO₂所有通量的质量平衡假说, 并将其用于树干呼吸的研究中。

1 质量平衡法(mass balance approach)理论

该理论认为, 树干的呼吸量是树皮的CO₂释放通量与液流中溶解的CO₂和一定时间内液流中CO₂浓度的平均升高或降低量(储存通量)之和(图 1) (McGuire et al., 2004)。根据质量平衡法, 估测一段树干的呼吸速率(R_S), 用模型表示为

(1)

式中:R_S为该段树干的呼吸速率(μmol CO₂·m^-3s^-1), 即每单位体积边材木本组织每秒呼吸产生的CO₂; E_A为CO₂释放通量, F_T为运输通量, ΔS为一定时间内液流中CO₂浓度的平均升高或降低(储存通量)。这里F_T= E_T-I_T, I_T, E_T分别为在液流中溶解的CO₂流入和流出该段树干的量(μmol CO₂·m^-3s^-1), 且

(2)

式中:f_A为围绕该树段的小气室的空气流动速率(mol·s^-1), v为测量树段边材的体积(m³), ΔCO₂为CO₂流进和流出气室的浓度之差(μmol)。E_A为单位边材体积木本组织中的CO₂从树皮释放的通量(μmol CO₂·m^-3s^-1)。同样, 运输通量为

(3)

式中:f_s为液流通过该树段的速率(mol·s^-1), ΔCO₂^*是气室上部和下部的液流CO₂浓度之差(μmol)。F_T为单位体积边材运输的CO₂ (μmol CO₂·m^-3s^-1)。储存通量为

(4)

式中: 和为该段树干上下方在T₀和T₁时刻液流中CO₂浓度的平均值, L为该断树干中的水量(L·m^-3), T为时间间隔(T₁-T₀) (s), ΔS为单位体积边材内储存的CO₂的变化率(μmol CO₂·m^-3·s^-1), 即CO₂溶解率或从液流中的释放率。

最近, Bowman等(2005)对McGuire等(2004)提出的这一理论进行了修正, 即:

(5)

式中:β为树干表面积(m²)与边材体积(m³)比, E_A为树干表面积的树皮释放的CO₂ (μmol CO₂·m^-2s^-1)。与McGuire等的质量平衡方程相比, 方程(5)对R_s的估测不仅考虑了边材的体积, 还考虑到了树干表面积与边材体积之比对树干CO₂的影响。已有研究发现, 木本组织呼吸与树干表面积(Kinerson, 1975; Linder et al., 1981)和边材体积(Ryan et al., 1994; Pruyn et al., 2003; 2005)有关。因此, 修正过的质量平衡模型估测精度更高。

2 应用质量平衡法估测树干呼吸

应用质量平衡法测定树干呼吸的关键是估测树干内部的CO₂通量, 即液流中CO₂的储存、运输和扩散。液流中CO₂的估测主要有2种方法:

2.1 直接测定木质部液流中的CO₂浓度

用CO₂微电极直接测定树干液流中的CO₂浓度。CO₂微电极首先被用于血液中CO₂浓度测定(Stow et al., 1957; Severinghaus et al., 1958)。Stringer等(1993)用CO₂微电极法测定了美洲黑杨(Populus deltoids)离体枝条木质部液流中的CO₂浓度。McGuire等(2002)在前人研究的基础上发展了CO₂微电极技术, 用CO₂微电极原位测定活体树木木质部树液中CO₂浓度的动态变化。该技术以亨利定律为基础, 假设空气和木质部树液的CO₂浓度在封闭的系统中保持平衡。将CO₂微电极插入树干中测定直接与木质部树液接触的一小部分空气体积的CO₂浓度。亨利定律:气体在液体中的溶解度与气体在气相中的分压成正比(Stumm et al., 1996)。通过亨利定律把已测定的气态的CO₂浓度用下面的方程转变为液流CO₂浓度[CO₂^*]:

(6)

式中:[CO₂^*]为溶解的CO₂ (mol·L^-1); [CO₂]_aq, [HCO₃^-]和[CO₃^-2]均为CO₂的溶解形式。

(7)

(8)

(9)

式中:pCO₂为大气中CO₂浓度, K_H, K₁和K₂均为溶解度常数。这些常数受温度影响, 在0~50 ℃时, 则:

(10)

(11)

(12)

式中:T为温度(℃)。当pH < 8时, CO₃^-2可以在溶解碳总数中忽略不计。当pH < 5时, HCO₃^-可忽略不计。

用CO₂微电极方法, 相继测定了北美鹅掌楸(Liriodendron tulipifera), Quercus alba (McGuire et al., 2002)、火炬松(Pinus taeda) (Teskey et al., 2002)、一球悬铃木(Platanus occidentalis) (McGuire et al., 2004)、北美水青冈(Fagus grandifolia)和胶皮枫香树(Liquidambar styraciflua) (Teskey et al., 2005) 6种树木的液流CO₂浓度。结果都表明, CO₂释放通量与木质部液流中CO₂直接相关。木质部液流中CO₂浓度为0.7%~18%。

应用质量平衡方法, McGuire等(2004)对一球悬铃木、北美水青冈和胶皮枫香树进行了树干呼吸的估测。将连续测得的数据按6 h为1个周期进行处理, 发现上述3种CO₂通量日变化的相对重要性表现在3个不同时段(00:00—6:00; 6:00—12:00; 12:00—18:00)。即在夜间(00:00—6:00), 3种通量成分中E_A最大, 分别为R_S的112.99%和93%。此时由于一球悬铃木树干中储存的CO₂释放出来(ΔS), 扩散到空气中的CO₂比呼吸代谢产生的CO₂还多, 所以E_A对呼吸的估计过高。在24 h中余下的其他时间(06:00—24:00), E_A仅占全部通量的很小部分。在白天(6:00—18:00), 运输通量是总通量的一个重要成分。当用质量平衡方法时, 可观察到在不同时间和不同条件下决定呼吸估测的不同通量成分的动态变化。基于释放通量的呼吸估测与用质量平衡方法计算的R_S之间的差别为1%~76%, 白天测定比夜晚测定具有更大的差别。如测定一球悬铃木的呼吸作用, 在12:00~18:00, R_S与E_A误差高达76%。Teskey等(2002)的研究表明, 基于测定释放通量所估算的呼吸, 与同时考虑内外通量相比有很大误差。

2.2 间接估测木质部液流中的CO₂浓度

间接测定木质部液流中CO₂浓度主要是通过测定树干液流停止流动(Gansert et al., 2005)或相对很低时(Bowman et al., 2005)树干的CO₂释放通量与液流流动时树干CO₂释放通量的差值。Bowman等(2005)认为采用间接测定的方法有几个假设前提。

首先, 假设夜间F_T和ΔS是可以忽略的, 根据公式(1), 可得R_S = E_A。所以夜间(00:00—6:00)的CO₂通量即为E_A。考虑到CO₂通量的温度反应, 在一定液流温度下的E_A用阿列纽斯函数计算:

(13)

式中: E₀为在基础温度T₀ (288 K或15 ℃)下的CO₂输出通量(μmol CO₂·m^-2 s^-1); T_a为树干液流温度(K); R_g为气体常数(8.314 J·mol^-1 K^-1); A₀描述温度反应形态的能量参数(kJ·mol^-1 K^-1)。因为这个模型的范围是由0:00—6:00时的液流温度范围决定的, 所以E₀等于夜间的R_S, 由此推算出A₀。

第二, 假定E₀和A₀没有昼夜变化, 夜间温度范围为白天温度的56.6%~74.4%, 以此估测白天有CO₂通量储存和运输时木本组织的呼吸R_S:

(14)

式中:E₀′为0:00—6:00基础温度T₀下的CO₂输出通量(μmol CO₂m^-2s^-1); A₀′为0:00—6:00描述温度反应形态的能量参数(kJ\5mol^-1K^-1)。计算上述预测的R_S与测定的E_Aβ之间的差, 然后假定R_S-E_A (μmol CO₂·m^-3s^-1)被分解为木质部CO₂的运输通量(F_T)和CO₂的储存通量(ΔS), 而且最大液流密度时ΔS可以忽略不计。所以, R_S-E_A为正值时表明E_Aβ小于现时液流温度下预期的R_S, 而负值表明E_Aβ大于R_S。

第三, 假定F_T的大小只依赖于当时的液流密度。通过每天测定记录的平均最大液流密度的线性回归分析得到R_S-E_A中F_T的比例, 即用当天12:00—16:00 (此时液流密度最大)记录的平均液流密度和当时的R_S-E_A的平均值计算可得:

(15)

式中:v为液流密度; α为表示v和R_S-E_A之间线性关系斜率的树种特性参数。

第四, 假定不能被液流密度解释的R_S-E_A的变化是由溶解的CO₂进入或流出储存库引起的。所以ΔS为R_S-E_A与由液流密度推出的F_T之间的差。ΔS正值表明液流中溶解的CO₂浓度的增加, 反之为降低。这个假设已有试验结果支持, 即发现液流CO₂浓度经常与液流密度有很好的相关性(Teskey et al., 2002)。

应用这种间接的方法, Bowman等(2005)估计了芮木泪柏(Dacrydium cupressinum)的树干呼吸。他们将24 h划分为6个时间段(从0:00时起, 每4 h为1个时间段), 发现在各时间段中E_A、F_T和S (对于木本组织呼吸ΔR_S)的相对贡献非常不同。在下午, ΔS对木本组织呼吸的净贡献非常小, 因为储存的CO₂向外的扩散很大程度上被进入CO₂储存库的运动所抵消。在5株样木1整天的观测中, CO₂在木质部中的运输通量比储存通量更重要, 占呼吸CO₂的6%~14%。尽管各个时间段中F_T和ΔS占R_S的比例很大, 但E_A还是最重要的CO₂通量成分, 在24 h周期中占木材组织呼吸(R_S)的86%~91%。但在1天的某些时间, 木质部运输和内部储存的CO₂可达到木本组织呼吸的13%~38%和12%~18%。

McGuire等(2004)和Bowman等(2005)的研究结果基本一致, 1天中不同时段测得的CO₂释放通量(E_A)、随液流运输的CO₂通量(F_T)及储存通量(ΔS)占树干呼吸的比例有很大不同。而且不同的树种之间也有差异。24 h内, E_A占树干呼吸的45%~88.1%, 随液流运输的CO₂达10.6%~55%, 另一小部分是液流中的储存通量ΔS (表 1), 在蒸腾高峰期达13%~38%。其他一些研究也表明成年树木和幼苗的蒸腾作用将呼吸产生的CO₂运输到了较高的位置(Nigisi, 1978; Martin et al., 1994; Teskey et al., 2002)。可见, 液流与树干CO₂释放通量的明显的交互作用在森林树木中很普遍, 以CO₂释放通量估测树干呼吸还存在很大误差。

质量平衡方法提供了一个更为精确地估测木本组织呼吸的方法。其结果比单独测定树干CO₂释放通量更为合理。然而, 质量平衡模型也还不尽完善, 因为它是以几种假设条件为前提的, 目前这些假设不能直接测得, 且不同树种各种通量成分有很大差别, 如一球悬铃木的F_T和ΔS在夜间占Rs的很大比例(15%和26%) (McGuire et al., 2004)。另外, 树干呼吸与温度之间的关系是用夜间的数据估计得出的, 所以在白天对较高温度的呼吸适应将可能导致E₀和/或A₀的下降, 从而引起过高估计白天的Rs和Rs-E_A。

尽管一些研究者讨论了树干内部CO₂浓度与CO₂释放通量之间可能的联系, 但是树干呼吸释放的CO₂究竟有多少留在树干中, 对呼吸速率的影响到底有多大, 还没有较为理想的测定方法。而且, 在1 d中的某些时候, 液流中运输和储存的CO₂占总木质部呼吸的比例很高, 导致CO₂释放通量的来源不确定, 因为这些CO₂可能是根、土壤或较低位置的树干呼吸产生的。

3 结语

综上所述, 由于树干呼吸在群落、生态系统气体交换中的重要作用, 树干呼吸研究将会继续成为今后树木、森林生态系统CO₂气体交换的研究热点。然而树干呼吸的研究无论在理论上还是在方法上都存在很多尚未解决的问题。木质部CO₂浓度与CO₂释放率之间的关系还没有被建立起来, 对树干内部CO₂产生、调节和CO₂通过树干和枝释放到大气中的过程和机制了解得还很不够(Bowman et al., 2005)。将局部树干的CO₂释放通量作为树干呼吸显然还有一定的局限性, 也是目前树干呼吸测定存在很大不确定性的可能原因之一。目前树干呼吸研究中对木质部液流中的CO₂浓度的考虑还很有限, 尚未被众多研究者所重视。应用质量平衡方法进行树干呼吸研究的结果已证明了液流中CO₂浓度对树干呼吸作用以及树干CO₂释放通量测定的影响, 尽管对树干木质部液流中CO₂浓度与树干呼吸之间关系的研究还不多, 但这种方法至少比只考虑CO₂释放通量要全面些。这种方法的应用虽然刚刚开始, 由于其估测更趋于合理, 今后会得到越来越多的关注。当然, 质量平衡法也还需进一步完善, 如公式(14)是基于3个假设基础之上的, 如有1条假设不成立, 将会影响估测结果的准确性。因此, 在今后的研究中, 应结合使用直接测定法与间接估测法, 同时还要不断探索新的研究方法。