露天煤礦復(fù)墾地土壤呼吸的日變化研究——以平朔安太堡露天煤礦排土場為例

盧 寧，李晉川，郭春燕，王文英，楊生權(quán)，王宇宏

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省生物研究所，山西太原030006）

土壤呼吸是指土壤向大氣排放CO2的過程，是土壤有機碳輸出的主要形式。從嚴格意義上講，它是指未受擾動的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用[1]。作為土壤碳庫的唯一輸出途徑和大氣CO2的重要源，土壤呼吸是陸地乃至全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分。土壤碳庫以土壤呼吸的形式向大氣釋放大量的CO2，致使大氣CO2含量的變化，同時大氣中的CO2通過光合作用被陸地上的綠色植物固定，通過根系分泌物、凋落物分解等方式向土壤中返還部分碳，從而形成土壤碳循環(huán)[2]。

國外對土壤呼吸的研究較早，可追溯到19世紀初，而土壤呼吸大規(guī)模的研究始于20世紀70年代，大部分集中在中緯度的草原、森林和農(nóng)田[3]。20世紀90年代以來，人們將土壤呼吸作為大氣CO2重要的源進行了廣泛的研究。目前，國外對土壤呼吸的研究主要集中在影響因子（如溫度、濕度、土壤肥力等）和土壤呼吸各組分區(qū)分等方面。

國內(nèi)對土壤呼吸的研究開展較晚，始于20世紀90年代。早期有對農(nóng)田排放CO2的測定，近年來的研究主要集中在草原、森林生態(tài)系統(tǒng)，但還沒有進行廣泛和系統(tǒng)的研究，例如對礦區(qū)復(fù)墾地土壤呼吸的研究還很少。牟守國等[4]通過對徐州垞城礦區(qū)采煤塌陷地充填復(fù)墾土壤呼吸的研究得出，用煤矸石充填復(fù)墾場地的土壤生物活性要好于用粉煤灰充填場地的土壤生物活性，與對照耕地土壤接近。

土壤呼吸作為表征土壤質(zhì)量和肥力以及土壤透氣性的重要生物學(xué)指標，反映了土壤生物活性和土壤物質(zhì)代謝的強度。土壤呼吸的高低還可以反映土壤養(yǎng)分循環(huán)供應(yīng)水平，對所在地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力產(chǎn)生較大影響[5]。目前，對煤礦復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量的研究大部分都偏重于土壤的理化性質(zhì)，而將土壤呼吸作為評價煤礦復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量指標的論著并不多。

本試驗所在地山西朔州市平朔安太堡露天煤礦，經(jīng)過地形整治以后形成了復(fù)墾區(qū)的排土場。通過對排土場土壤呼吸的研究，嘗試將土壤呼吸原理應(yīng)用到復(fù)墾土壤生態(tài)質(zhì)量研究中，旨在為露天煤礦土地復(fù)墾中土壤肥力、土壤質(zhì)量的評價提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況[6]

平朔安太堡露天煤礦地處黃土高原東部、山西省北部的朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，東經(jīng)112°10′～113°30′，北緯 39°23′～39°37′，與號稱黃土高原“黑三角”的世界特大型煤田——神府東勝煤田相連（圖1）。

平朔礦區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春干旱少雨、寒冷多風(fēng)，夏秋降水集中、溫涼少風(fēng)。區(qū)內(nèi)年平均降雨量為428.2～449.0mm，年蒸發(fā)量1 786.6～2 598.0mm?？諝馄骄^對濕度為6.9 mbar，平均相對濕度為54%。礦區(qū)年平均氣溫為為4.8～7.8℃，極端最高溫度為37.9℃，極端最低溫度為-32.4℃；全年無霜期115～130 d。礦區(qū)年平均風(fēng)速為2.5～4.2m/s，最大風(fēng)速可達20m/s。

試驗地點在安太堡露天煤礦南排土場1360平臺，復(fù)墾年限16年，土壤為黃綿土，腐殖質(zhì)層厚3 cm。植被為榆樹、檸條、油松、刺槐，覆蓋度約80%。樣點有機質(zhì)含量為40.4 g/kg，孔隙度為48.43%[7]。

2 土壤呼吸與環(huán)境因子的測定方法

采用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)連接Li-6400-09土壤呼吸室對土壤呼吸進行測定，分別在2009年天氣晴朗的7月24日、9月15日、10月 13日進行，從8：00—18：00每小時測1次，重復(fù)6次，取其平均值。在每次測量的前1周，將土壤圈（PVC管，直徑10 cm，高5 cm）插入測量點，測量時將土壤圈內(nèi)的植物齊地表剪下，盡量不擾動土壤。10 cm深的土壤溫度用Li-6400光合系統(tǒng)的土壤溫度探針測定，空氣溫度用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定，土壤濕度用水分儀測定[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤呼吸的日變化

通過試驗得出安太堡露天煤礦土壤呼吸日變化曲線（圖2）。

從圖2可以看出，安太堡露天煤礦土壤呼吸日變化比較明顯，不同時期的土壤呼吸速率均呈現(xiàn)單峰型曲線，與森林、草原[9]、農(nóng)牧交錯區(qū)[10]的土壤呼吸速率日變化一致。峰值出現(xiàn)在13：00—15：00，在測定時間內(nèi)土壤呼吸速率的最大值為3.53 μmol/m·2s，最小值為 0.87 μmol/m·2s。

3.2 土壤呼吸與其影響因子的關(guān)系

3.2.1 土壤呼吸日變化與土壤溫度和大氣溫度的關(guān)系 土壤溫度是土壤呼吸最重要的影響因子[11]。從圖3可以看出，隨著空氣溫度的上升，土壤溫度開始上升，土壤呼吸速率也開始上升，在13：00—15：00達到最大值，之后土壤呼吸速率開始下降。土壤呼吸速率最大值與土壤溫度最大值同步，土壤呼吸最高峰大致發(fā)生在10 cm土壤溫度最高的時刻，稍滯后于空氣溫度最大值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是土壤中微生物代謝強度隨土壤溫度變化而呈指數(shù)變化所致[12]。該平臺經(jīng)過多年復(fù)墾，土壤肥力和土壤質(zhì)量已有很大改善，地表的腐殖質(zhì)層和枯枝落葉層導(dǎo)致土壤溫度的變化滯后于空氣溫度?？諝鉁囟鹊挠绊懸蛩睾芏啵ㄈ顼L(fēng)速、空氣濕度等），所以空氣溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系比較復(fù)雜，趨勢不太明顯。

3.2.2 土壤呼吸日變化與土壤濕度的關(guān)系 土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系比較復(fù)雜，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，土壤濕度是影響土壤呼吸的重要因素之一[13]，且土壤呼吸與土壤濕度具有線性相關(guān)性[14]；也有學(xué)者認為二者相關(guān)性較差[15]。從圖4可以看出，在測定時間內(nèi)，土壤濕度呈波動變化，但范圍不大；土壤呼吸與土壤濕度的相關(guān)性較差，只是在一定范圍內(nèi)，隨土壤濕度升高而升高，隨土壤濕度降低而降低，說明測定時間內(nèi)還有其他影響因子對土壤呼吸發(fā)生調(diào)控作用。

4 結(jié)論與討論

本試驗研究表明，隨著空氣溫度的上升，土壤溫度開始上升，土壤呼吸速率也開始上升，在13：00—15：00達到最大值，之后土壤呼吸速率開始下降。土壤呼吸速率最大值與土壤溫度最大值同步，稍滯后于空氣溫度最大值。土壤呼吸與土壤濕度相關(guān)性較差，只是在一定范圍內(nèi)，隨土壤濕度升高而升高，隨土壤濕度降低而降低。

土壤呼吸的影響因子很多，如土壤溫度、空氣溫度、土壤濕度、土壤有機質(zhì)、植被類型、風(fēng)速等，但這些因素并不是單一對土壤呼吸發(fā)生影響，在很多情況下，這些因素的影響還會呈現(xiàn)出交互作用[16]。在特定時空條件下，只是某個影響因素居于主導(dǎo)地位，且在不同時空尺度下，土壤呼吸的主導(dǎo)因素是變化的。

本試驗只分析了土壤呼吸的日變化與土壤空氣溫度和土壤濕度的關(guān)系，對復(fù)墾區(qū)土壤呼吸的其他影響因子以及季節(jié)變化等方面還需要進行長期的動態(tài)研究，才能將土壤呼吸原理應(yīng)用到復(fù)墾土壤生態(tài)質(zhì)量研究中，為露天煤礦土地復(fù)墾中土壤肥力、土壤質(zhì)量的評價提供理論依據(jù)。

［1］ 曹裕松，李志安，江遠清，等.陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸研究進展[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，26（1）：138-143.

［2］ 唐凱，丁麗佳，陳往溪.土壤呼吸研究概述[J].廣東氣象，2008，30（3）：36-38.

［3］ Zak DR，Pregitzer R S，Curtis PS，et al.Elevated atmospheric CO2and feedback between carbon and nitrogen cycles[J].Plant Soil，1993，151：105-117.

［4］ 牟守國，董霽紅，王輝，等.采煤塌陷地充填復(fù)墾土壤呼吸的研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，36（5）：663-668.

［5］ Liebig M A，doran JW，Gardner JC.Evaluation of a field test kit formeasuring selected soil quality indicators[J].Agro J，1996，88（4）：683-686.

［6］ 李晉川，白中科，張立誠，等.露天煤礦土地復(fù)墾與生態(tài)重建[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

［7］ 王文英，岳建英，李晉川，等.發(fā)揮灌木植物在山西退耕還林中的作用[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（1）：11-14.

［8］ 張冬梅，池寶亮，黃學(xué)芳，等.土壤水分時域反射儀（TDR）自制探頭的校正與應(yīng)用 [J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（2）：52-54.

［9］ 張金霞，曹廣民，周黨衛(wèi)，等.放牧強度對高寒灌叢草甸土壤 CO2釋放速率的影響[J].草地學(xué)報，2001，9（3）：183-190.

［10］ 楊晶.農(nóng)牧交錯區(qū)不同植物群落土壤呼吸的日動態(tài)觀與測定方法比較[J].植物生態(tài)學(xué)報，2004，28（3）：318-325.

［11］ Andrews JA，Matamala R，Westover KM，et al.Temperature effectson the diversity of soilheterotrophsand the13C ofsoil respired[J].SoilBiology＆ Biochemistry，2000，32：699-706.

［12］ 陳述悅，李俊，陸佩玲，等.華北平原麥田土壤呼吸特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（9）：1552-1560.

［13］ 蔡祖聰，Mosier A R.土壤水分狀況對CH4氧化，N2O和CO2排放的影響[J].土壤，1999，31（6）：289-294.

［14］ Wildung R E，Carland TR，Buschbom R L.The interdependenteffectofsoil temperatureandwater contenton soil respiration rateand plant rootdecomposition in arid grassland soils[J].SoilBiology&Biochemistry，1975，7：373-378.

［15］ 寇太記.大氣CO2體積分數(shù)升高環(huán)境溫度與土壤水分對農(nóng)田土壤呼吸的影響[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（3）：950-956.

［16］ 高承兵.祁連山土壤呼吸的時空變異及其與影響因子的關(guān)系[J].甘肅林業(yè)科技，2008，33（4）：1-5.