土壌呼吸
土壌の含水率(土壌水分)はある下限と上限の間で土壌呼吸と正の相関を示す。土壌呼吸は乾燥状態では低く、土壌水分が大きくなるにつれ最大値まで高くなる。最大値になると、水分は土中の酸素分子を追い出し、土壌呼吸は減少する。嫌気条件は好気条件に対して土壌呼吸を不活性にさせるためである。3年間の野外研究によると、最低および最高の条件でのみ土壌水分は呼吸を制限した。
多くの微生物は低水分での増殖および生存戦略を有する。高水分では多くの細菌は過剰に水分を取り込み、細胞膜は溶解または破壊される。この死滅は土壌呼吸の速度を一時的に弱めることがあるが、生存した微生物にとって資源が急増する。この急増は土壌呼吸の速度を短期的に大きくする。
植物の根は種によって、個体の経歴によって土壌水分に対する呼吸の応答を変化させる。一般的に根の呼吸は、特に乾燥した気候では水分の増加に伴って増加する。湿地植物を除いて、水分には上限があり、それに達すると呼吸は低下する。
土壌呼吸は土壌有機物の分解によって生じ、環境中に二酸化炭素を放出する。加えて、土壌有機物の無機化による栄養素の発生と、土壌微生物への固定化を伴う。固定化は、微生物が呼吸作用により栄養素を取り込むことによって起こる。取り込まれた無機態の栄養素(無機体窒素など)は微生物の死によって土壌へと供給される。このため、土壌への無機体窒素の供給速度は土壌呼吸に相関される。Vanceらによると、土壌呼吸速度は微生物の代謝回転数と窒素無機化速度と関連していた。
それとは別に、供給源となった物質を分離し、対象の植物の光合成経路がどちらのタイプなのか(C3型光合成かC4型光合成なのか)を判別できる。
土壌呼吸は人間の活動により多大な影響を受ける。近年の気候変動(二酸化炭素濃度の上昇、地球温暖化、降水パターンの変遷)が土壌呼吸に影響を与えると懸念されている。農地における窒素肥料の施肥量の増大も影響因子の一つである可能性がある。
土壌呼吸は、地球温暖化と正のフィードバックの関係にあると云われる。地球温暖化は大気中の二酸化炭素濃度の増加で進行するため、土壌呼吸の速度が増えると地球温暖化が進行し、地球温暖化が進行すると土壌呼吸の速度もさらに増加する。
ある生態系での土壌呼吸の量は、その系での炭素循環および養分循環を理解するために重要である。生物による炭素の代謝は炭素だけでなく他の栄養素も消費するし、植物による二酸化炭素の排出は他の栄養素の排出も伴うためである。
植物の光合成経路は3種類あり、植物はそのいずれかで二酸化炭素を有機化合物に変換している。最も一般的なのはC3およびC4経路の二つである。C3植物は温暖または寒冷な湿潤環境に、C4植物は暑い乾燥環境に適応している。2つの経路で異なる酵素が関わるため、どちらの経路の産物かは炭素同位体で区別することができる。炭素同位体は質量が異なる。分子式が同じでも、C3経路の産物の総炭素重量はC4経路のそれよりも重い。したがって、C3植物の根滲出物や落枝、落葉はより重い同位体に富む。これら土壌有機物の同位体の比は炭素呼吸による二酸化炭素の同位体の比に近い。C3植物が生育していた土壌でC4植物を栽培する、あるいはその逆を行うとする。土壌呼吸測定で同位体比を分析すると、最近形成された有機物は古い有機物と異なる植物から生じたことを判定することができる。例えば、C3植物の春小麦が以前に生えていた土地にC4植物のトウモロコシが栽培された場合、定植からの40日間はC3 の土壌有機物が検出されるが、その後70日まで重い同位体の比率が日ごとに直線的に増加する。70日目から増加は緩やかとなり、100日目に最大値の増加限界となった。土壌呼吸の炭素安定同位体を分析することにより、異なる経路で合成された土壌呼吸の基質を同定することができる。