生態(tài)修復(fù)模式對(duì)淮南礦區(qū)重構(gòu)土壤CO2通量日變化的影響

周育智, 王 芳, 陳孝楊,2,3, 陳 敏, 劉本樂

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽省煤炭勘探工程技術(shù)研究中心, 安徽 宿州 234000; 3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 230026)

生態(tài)修復(fù)模式對(duì)淮南礦區(qū)重構(gòu)土壤CO2通量日變化的影響

周育智1, 王 芳1, 陳孝楊1,2,3, 陳 敏1, 劉本樂1

(1.安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽省煤炭勘探工程技術(shù)研究中心, 安徽 宿州 234000; 3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院, 安徽 合肥 230026)

[目的] 探討淮南礦區(qū)不同生態(tài)修復(fù)模式(植被類型和覆土厚度)對(duì)土壤CO2通量的影響，以期為該區(qū)域以及相似礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)及參數(shù)。 [方法] 采用靜態(tài)箱—堿液吸收法對(duì)淮南市采煤沉陷生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤CO2通量進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)定，分析土壤CO2通量日變化特征，以及土壤呼吸速率對(duì)地表溫度、地下5 cm土壤溫度和土壤含水量的敏感性。 [結(jié)果] 不同生態(tài)修復(fù)模式下土壤CO2通量日變化格局均表現(xiàn)為單峰曲線，最高峰出現(xiàn)在14∶00，最低值出現(xiàn)在6∶00，其均值大小依次為：B區(qū)(灌木林)>C區(qū)(灌木林)>D區(qū)(喬木林)>A區(qū)(草地)，且B，C與A區(qū)差異顯著(p<0.05)，其他區(qū)之間差異不顯著(p>0.05)。不同覆土厚度下土壤表層CO2通量平均值的大小依次為：40—80 cm>0—20 cm>20—40 cm>80—100 cm。其最大值和變幅的大小順序也遵循平均值大小順序。4種修復(fù)模式下土壤CO2通量與地下5 cm土壤溫度、地表溫度均呈指數(shù)方程關(guān)系，R2值分別在0.34～0.70，0.48～0.83之間，與土壤含水量呈二次方函數(shù)關(guān)系，R2值在0.08～0.44之間。 [結(jié)論] 不同植被類型條件下，土壤CO2通量大小表現(xiàn)為：灌木林>喬木林>草地；不同覆土厚度條件下，除了覆土40—80 cm的樣地外，土壤CO2通量隨覆土厚度的增加而減少。植被類型對(duì)土壤CO2通量的影響較覆土厚度顯著。

土壤CO2通量; 重構(gòu)土壤; 生態(tài)修復(fù)模式; 植被類型; 覆土厚度

全球CO2濃度升高及其所引起的全球變暖問題是當(dāng)前人類所面臨的最為嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，而土壤圈碳循環(huán)過程的失衡被認(rèn)為是大氣CO2濃度增加的一個(gè)重要原因。相關(guān)學(xué)者通過對(duì)全球碳通量的研究表明，人類活動(dòng)平均每年向大氣排放CO2約7.1 Pg/a，由于土壤呼吸從土壤向大氣釋放的CO2通量高達(dá)68～77 Pg/a，約占大氣CO2總量的10%，是燃燒化石燃料排放CO2(5.4 Pg/a)的12.6～14.3倍[1-2]，可見土壤是CO2的重要潛在排放源。鑒于這種較大數(shù)量級(jí)的碳通量，土壤CO2通量在數(shù)量上的微小變化都可能引起大氣CO2濃度的顯著變化，同時(shí)，可能決定特殊區(qū)域的碳源與匯效應(yīng)[3]。從嚴(yán)格意義上，土壤呼吸(土壤表面CO2碳通量)是指未擾動(dòng)土壤中產(chǎn)生以及向大氣釋放CO2的所有代謝過程，是土壤圈與大氣圈進(jìn)行CO2等氣體交換的重要生態(tài)系統(tǒng)過程，也是全球碳循環(huán)中最大的通量之一[4-5]，僅次于陸地植被通過光合作用所固定的碳通量100～120 Pg/a[6]。

目前，國內(nèi)外對(duì)土壤CO2通量的研究對(duì)象主要集中在森林、草地、濕地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)。他們通過野外原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)研究相結(jié)合，對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2通量的日變化及季節(jié)動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行研究，探討土壤呼吸變化與土壤因素、環(huán)境因素、氣候因素及人為因素的關(guān)系。例如，Yan等[7]通過對(duì)亞熱帶小氣候環(huán)境下不同森林類型土壤CO2通量變化規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)土壤CO2通量隨季節(jié)呈單峰變化曲線，且與土壤溫度存在顯著相關(guān)性。陳蓋等[8]從剖面尺度研究侵蝕剖面土壤呼吸特征，發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳對(duì)土壤呼吸的影響最大，可解釋土壤呼吸變異的54.72%?；茨系V區(qū)是華東地區(qū)面積較大的采煤沉陷區(qū)之一，并以6.5 km2/a的速度增加，預(yù)計(jì)2020年土地塌陷面積將達(dá)到186.9 km2。大多數(shù)學(xué)者充分利用煤矸石等固體廢棄物的工程特性(較為理想的地基回填材料)，通過煤矸石充填復(fù)墾使一些塌陷地能夠再度為人類所用，提高受損土地的可利用率和實(shí)現(xiàn)固體廢棄物(煤矸石)減量化、資源化與無害化。因采煤引起的土地塌陷，破壞了土壤剖面結(jié)構(gòu)和理化特性，使原有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能遭到破壞。為修復(fù)該區(qū)域原有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，該區(qū)域開展了以煤矸石充填復(fù)墾為主的生態(tài)修復(fù)工程，但該生態(tài)修復(fù)模式對(duì)土壤CO2通量會(huì)產(chǎn)生什么影響目前尚缺乏相關(guān)研究，本文試圖通過比較不同植被類型、不同覆土厚度間的土壤CO2通量，探討植被類型和覆土厚度對(duì)土壤CO2通量的影響，有利于制定更加合理的復(fù)墾區(qū)土壤和植被管理措施，并篩選出最優(yōu)的植被類型，從而為該區(qū)域以及相似礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)自然條件與研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于安徽省中部淮南市主要煤矸石充填復(fù)墾區(qū)，分別為創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)(A區(qū),32°49′N，116°48′E);大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)(B區(qū),32°37′N，117°01′E);新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)(C區(qū),32°35′N，116°49′E);潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)(D區(qū),32°47′N，116°50′E)，該地區(qū)氣候?qū)儆诖箨懶耘瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，處于亞熱帶向暖溫帶氣候過渡地帶，兼具南北氣候特點(diǎn)，氣候溫和濕潤，四季分明；該區(qū)年平均氣溫15.3 ℃，全年無霜期224 d，年日照2 279.2 h，年平均降水量為937.2 mm，季節(jié)性降水分布不均，降水主要集中在夏季，雨熱同季節(jié)。土壤類型以砂漿黃土為主，是在黃土母質(zhì)上發(fā)育的地帶性土壤。由于采煤區(qū)塌陷深度和生態(tài)修復(fù)工程的差異，形成了具有不同覆土厚度的區(qū)域。A區(qū)的覆土厚度分3個(gè)等級(jí)(20—40，40—80，80—100 cm)，B區(qū)的覆土厚度基本在13 cm左右，C區(qū)的覆土厚度分2個(gè)等級(jí)(40—80，80—100 cm)，D區(qū)的覆土厚度分3個(gè)等級(jí)(0—20，20—40，40—80 cm)。除了A區(qū)地形為高臺(tái)，其他修復(fù)區(qū)的地形較為平緩，修復(fù)區(qū)具體情況詳見表1。

表1 研究區(qū)概況

注：A為創(chuàng)大生態(tài)園修復(fù)區(qū)； B為大通礦生態(tài)修復(fù)區(qū)； C為新莊孜礦生態(tài)修復(fù)區(qū)； D為潘一礦生態(tài)修復(fù)區(qū)。下同。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤CO2通量測(cè)定 土壤CO2通量的測(cè)定方法采用靜態(tài)箱堿液吸收法[9]，靜態(tài)箱為PVC塑料桶，桶高26 cm，桶口直徑27 cm，桶底直徑18 cm。底座為白鐵皮材料制成，高10 cm，內(nèi)徑26 cm，外徑32 cm。測(cè)量前，先將地表植被齊地剪去，并盡量不要擾動(dòng)和破壞表層土壤，再將底座插入土中，在底座環(huán)內(nèi)注入一定高度的水。測(cè)量時(shí)，放入裝有20 ml的1 mol/L NaOH溶液的燒杯，將PVC塑料桶倒扣于底座環(huán)內(nèi)，底座環(huán)內(nèi)水的高度高于PVC塑料桶桶口以確保試驗(yàn)的密封性。本次試驗(yàn)在春季進(jìn)行，選擇的監(jiān)測(cè)時(shí)間段為06:00—18:00，每2 h監(jiān)測(cè)1次，每個(gè)研究區(qū)域選擇5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，按照隨機(jī)性原則在每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)有5個(gè)重復(fù)，取平均值作為該點(diǎn)的CO2通量排放值。每次監(jiān)測(cè)設(shè)一空白對(duì)照試驗(yàn)，用薄膜隔絕地表氣體交換，其他處理操作同試驗(yàn)組。每次監(jiān)測(cè)結(jié)束后，取出燒杯，用約1 mol/L HCL溶液滴定剩余的NaOH溶液，根據(jù)剩余NaOH的量計(jì)算土壤CO2通量。土壤CO2通量的計(jì)算公式為：

式中：Q——土壤CO2通量〔g/(m2·d)〕， 為表示方便，后文將其轉(zhuǎn)換為〔μmol/(m2·s)〕；V0——空白組滴定時(shí)消耗的鹽酸體積(ml)；V——試驗(yàn)組滴定時(shí)消耗的鹽酸體積(ml)；CHCL——鹽酸濃度(mol/L)；S——密封裝置底環(huán)的面積(cm2)。

1.2.2 土壤溫度及理化性質(zhì)的測(cè)定 土壤呼吸速率測(cè)定的同時(shí)用溫度計(jì)分別測(cè)定土壤地表溫度及地下5 cm土壤溫度。土壤理化性質(zhì)的測(cè)定在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，含水量和容重的測(cè)定采用環(huán)刀取樣法；pH值采用電位法測(cè)定(土水比為1∶2.5)。

1.3 資料分析

采用Excel 2003，SPSS 16.0等數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，在野外測(cè)量統(tǒng)計(jì)的資料利用Excel 2003進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)按不同土壤溫度、不同覆土厚度和不同植被類型進(jìn)行分類處理作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)修復(fù)模式下(植被類型)土壤CO2通量、地表溫度及地下5 cm土壤溫度的日變化

圖1顯示了不同生態(tài)修復(fù)模式下土壤CO2通量、地表溫度和地下5 cm土壤溫度的日變化特征，即土壤呼吸表現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)間變化，具有明顯的日變化特征，基本上呈現(xiàn)一致的單峰變化曲線，早晚低而中午高，整體上呈現(xiàn)先升高再降低趨勢(shì)。地表溫度均大于地下5 cm土壤溫度，土壤CO2通量峰值與5 cm深度土壤溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間相近，而地表土壤溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間較早，與歐強(qiáng)等[10]研究結(jié)果一致。

A,B,C和D區(qū)的土壤CO2通量日平均值分別為3.89,5.42,5.02,4.56 μmol/(m2·s)，均值大小順序依次為:B區(qū)>C區(qū)>D區(qū)>A區(qū)，且A區(qū)與C區(qū)差異顯著(p<0.05)，與B區(qū)差異極顯著(p<0.01)，其他區(qū)之間差異不顯著(p>0.05)。這說明不同生態(tài)修復(fù)模式對(duì)土壤CO2通量影響較大，具體表現(xiàn)在：灌木林>喬木林>草地(表2)，與常宗強(qiáng)等[11]研究結(jié)果(草地>灌木叢>園柏林)存在一定差異，這種差異可能是由于A區(qū)地形特點(diǎn)為中間高臺(tái)，保水保肥能力差，有機(jī)質(zhì)容易淋失，而除了土壤溫度之外，有機(jī)質(zhì)含量和土壤含水量也是影響土壤CO2排放通量的主要環(huán)境因子。

圖1 不同生態(tài)修復(fù)模式下(植被類型)土壤CO2通量、地表溫度及地下5 cm土壤溫度的日變化

研究區(qū)均值/標(biāo)準(zhǔn)偏差/最大值/最小值/變幅/變異系數(shù)/(μmol·m-2·s-1)(μmol·m-2·s-1)(μmol·m-2·s-1)(μmol·m-2·s-1)(μmol·m-2·s-1)%A3892046370535845237B5422658880868024886C5022809690728975570D4562607890887015695

在日間的整個(gè)觀察期內(nèi)，A區(qū)的土壤CO2通量日變化范圍為0.53～6.37 μmol/(m2·s)，日變化最高值出現(xiàn)在14 h，最低值出現(xiàn)在6 h，且日變化中最高值約是最低值的12倍；B區(qū)的土壤CO2通量日變化范圍為0.86～8.88 μmol/(m2·s)，日變化最高值出現(xiàn)在14 h，最低值出現(xiàn)在6 h，且日變化中最高值約是最低值的10倍；C區(qū)的土壤CO2通量0.72～9.69 μmol/(m2·s)，日變化最高值出現(xiàn)在14 h，最低值出現(xiàn)在6 h，且日變化中最高值約是最低值的13倍；D區(qū)的土壤CO2通量0.88～7.89 μmol/(m2·s)，日變化最高值出現(xiàn)在14 h，最低值出現(xiàn)在6 h，且日變化中最高值約是最低值的9倍。值得注意的是，不同生態(tài)修復(fù)模式下，下午2點(diǎn)左右時(shí)間段的土壤CO2通量存在顯著差異(p<0.05)，早晚時(shí)間段土壤CO2通量不存在顯著差異(p>0.05)。

2.2 不同生態(tài)修復(fù)模式下(覆土厚度)土壤CO2通量日變化

從圖2可以看出，不同覆土厚度下樣地土壤呼吸速率的日變化格局相似，均呈不對(duì)稱的單峰曲線[12]。與不同生態(tài)修復(fù)模式下(植被類型)土壤呼吸速率日變化相似，早上6時(shí)至下午15 h，隨著土壤溫度的升高，土壤表層CO2通量逐漸增加，15時(shí)左右達(dá)到最高峰，15 h后，土壤表層CO2通量又迅速減少，至18 h仍高于早晨6 h。

圖2 不同生態(tài)修復(fù)模式下(覆土厚度)土壤CO2通量的日變化

因研究區(qū)覆土厚度、復(fù)墾時(shí)間及復(fù)墾后土壤熟化程度等因素的差異，土壤呼吸日均值、日變化幅度、最高值和最低值大小存在差異(表3)，不同覆土厚度下土壤表層CO2通量平均值的大小依次為：40—80 cm〔4.96 μmol/(m2·s)〕>0—20 cm〔4.90 μmol/(m2·s)〕>20—40 cm〔4.36 μmol/(m2·s)〕>80—100 cm〔4.08 μmol/(m2·s)〕，其最大值和變幅的大小順序也遵循這一順序，但是其最小值卻不符合這一順序。其中日變化幅度最大的是40—80 cm，其次是0—20和20—40 cm，變化幅度最小的是80—100 cm，基本符合隨覆土厚度增加日變化幅度減少。這說明覆土厚度對(duì)土壤CO2通量日變化的影響較大，因?yàn)閷?duì)于煤矸石充填復(fù)墾土壤，下墊層煤矸石的存在對(duì)所覆表土的理化性質(zhì)、微生物活性，根呼吸速率和有

機(jī)質(zhì)的礦化速率產(chǎn)生較大影響。相關(guān)研究表明：復(fù)墾土壤pH值較大、有機(jī)質(zhì)含量降低、因下墊層煤矸石緩慢氧化而改變整個(gè)土壤剖面水氣熱特征等變化都會(huì)對(duì)土壤中微生物活性、根及根際微生物呼吸產(chǎn)生限制作用[13-15]。由表2—3可以看出，不同植被類型條件下重構(gòu)土壤CO2通量日均值的變化區(qū)間為3.89～5.42 μmol/(m2·s)，而不同覆土厚度條件下重構(gòu)土壤CO2通量日均值的變化區(qū)間相對(duì)較小，為4.08～4.96 μmol/(m2·s)，這說明與植被類型相比，覆土厚度對(duì)重構(gòu)土壤CO2通量影響相對(duì)較小，其原因可能與覆土厚度的作用效果部分被植被類型所覆蓋有關(guān)?？傊?，綜合考慮植被類型和覆土厚度兩者的交互影響可以更加全面的了解重構(gòu)土壤CO2通量的變化及礦區(qū)土壤碳通量模型。

表3 不同生態(tài)修復(fù)模式下(覆土厚度)土壤CO2通量的平均值及變異統(tǒng)計(jì)

注：0—20 cm包括B區(qū)和D區(qū)；20—40 cm包括A區(qū)和D區(qū)；40—80 cm包括A區(qū),C區(qū)和D區(qū)；80—100 cm包括A區(qū)和C區(qū)。

2.3 土壤CO2通量與地表溫度、地下5 cm土壤溫度及土壤含水量的關(guān)系

通過對(duì)不同生態(tài)修復(fù)模式下土壤CO2通量與地表溫度、地下5 cm土壤溫度及土壤含水量進(jìn)行了回歸分析，結(jié)果表明：土壤CO2通量與地表溫度和地下5 cm土壤溫度呈極顯著指數(shù)正相關(guān)關(guān)系，其中與地表溫度的擬合效果優(yōu)于地下5 cm土壤溫度；與土壤含水量呈顯著二次方函數(shù)關(guān)系(除C區(qū)外)(表4)。

表4 不同生態(tài)修復(fù)模式下土壤呼吸與環(huán)境因子的擬合模型

對(duì)于不同生態(tài)修復(fù)模式，不同環(huán)境因子對(duì)土壤CO2通量的影響程度存在一定的差異。A區(qū)土壤CO2通量與地表溫度相關(guān)性最好(R=0.80)，其次為土壤含水量(R=0.67)，地下5 cm土壤溫度(R=0.59)相關(guān)性最差；B區(qū)土壤CO2通量與環(huán)境因子的關(guān)系強(qiáng)弱依次為：地下5 cm土壤溫度(R=0.84)>地表溫度(R=0.69)>土壤含水量(R=0.46)；C區(qū)：地表溫度(R=0.77)>地下5 cm土壤溫度(R=0.69)>土壤含水量(R=0.28)，D區(qū)地表溫度(R=0.91)>地下5 cm土壤溫度(R=0.69)>土壤含水量(R=0.61)。因生態(tài)修復(fù)模式存在差異，地表溫度、地下5 cm土壤溫度及土壤含水量對(duì)土壤CO2通量的影響程度也存在差異，但仍存在一定相似性，研究發(fā)現(xiàn)土壤CO2通量與地下5 cm土壤溫度和地表溫度的相關(guān)關(guān)系均較強(qiáng)(表4)，這2個(gè)層次的溫度變化通過影響植物生長而影響植物群落生物量、碳素的同化和分配能力、微生物和根系的數(shù)量和活性來間接調(diào)控土壤呼吸速率[16-18]。

3 討論與結(jié)論

3.1 植被類型和覆土厚度對(duì)重構(gòu)土壤呼吸的影響

土壤CO2排放(也被稱為地下部分呼吸)是土壤中生物代謝和生物化學(xué)過程等所有因素的綜合產(chǎn)物，來源于3個(gè)生物過程(植物根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤中活的有機(jī)體呼吸)和一個(gè)非生物過程(土壤中碳素的化學(xué)氧化過程)[19]。其中植物根系呼吸和土壤微生物呼吸釋放的CO2量占土壤呼吸釋放總量的比重較大，因此，所有影響植物根系和土壤微生物生長的因素都會(huì)對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生較大影響。煤矸石充填復(fù)墾技術(shù)應(yīng)用于淮南礦區(qū)打破了原有生態(tài)系統(tǒng)土壤與大氣之間的碳循環(huán)，一方面，對(duì)土地的劇烈擾動(dòng)加速了碳的排放，另一方面又將煤矸石所含有的大量的碳固定于土壤。所以土壤呼吸特征即相似于其他自然生態(tài)系統(tǒng)，又區(qū)別于其他自然生態(tài)系統(tǒng)。

土壤CO2通量因生態(tài)修復(fù)模式的不同而產(chǎn)生差異，其中B區(qū)土壤CO2通量日均值最大5.42 μmol/(m2·s)，分別比A,C,D區(qū)高出39.3%，8.0%，18.9%，且A和C區(qū)差異顯著(p<0.05)，與B區(qū)差異極顯著(p<0.01)，其他區(qū)之間差異不顯著(p>0.05)(見表2)。

不同生態(tài)修復(fù)模式通過改變?nèi)郝渖a(chǎn)力而改變土壤CO2通量，群落生產(chǎn)力的大小反映該生態(tài)系統(tǒng)光合作用所固定的碳量，進(jìn)而決定植被凋落物通過一系列生物化學(xué)作用返回到土壤中有機(jī)質(zhì)的量。

大多數(shù)研究表明[20-21]，土壤CO2釋放的本質(zhì)是有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，有機(jī)質(zhì)的多少?zèng)Q定了土壤呼吸的強(qiáng)弱。4種生態(tài)修復(fù)模式下土壤CO2通量日均值大小為：灌木林>喬木林>草地(圖1)。造成這種差異的原因可能有： (1) 塌陷區(qū)充填基質(zhì)存在差異，從而導(dǎo)致其對(duì)上覆土壤的理化性質(zhì)、微生物種類及活性產(chǎn)生的影響不同； (2) 利用填充基質(zhì)充填后上覆土層的厚度不同，由于覆土厚度的差異會(huì)導(dǎo)致填充基質(zhì)對(duì)上層土壤的影響亦存在差異； (3) 修復(fù)區(qū)采用不同的植被種植，植被自身呼吸速率的差異以及微生物對(duì)枯枝落葉分解速率的差異也會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)時(shí)土壤CO2通量日均值存在差異。

與自然土壤不同，煤矸石充填復(fù)墾重構(gòu)土壤CO2通量還受覆土厚度和施工中的壓實(shí)等因素的影響。本研究結(jié)果表明：不同覆土厚度下土壤表層CO2通量平均值的大小依次為：40—80 cm>0—20 cm>20—40 cm>80—100 cm，日變化幅度最大的是40—80 cm，其次是0—20和20—40 cm，變化幅度最小的是80—100 cm，基本符合隨覆土厚度增加日變化幅度減少，這說明除了植被類型，覆土厚度對(duì)土壤CO2通量影響較大，綜合考慮兩者的交互影響能更加全面的了解復(fù)墾區(qū)土壤碳通量模型。壓實(shí)問題是煤矸石充填復(fù)墾區(qū)普遍存在的現(xiàn)象[22-24]，但土壤容重作為土壤物理性質(zhì)的綜合表現(xiàn)，其大小會(huì)直接或間接決定土壤水、氣孔隙度，微生物活性、根部穿透能力和土壤物理功能[25-26]，進(jìn)而對(duì)土壤CO2通量產(chǎn)生影響。何娜等[27]以落葉松人工林為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)程度與土壤表面CO2通量存在負(fù)相關(guān)性。

3.2 土壤溫度和土壤含水量對(duì)重構(gòu)土壤呼吸的影響

土壤CO2釋放是一個(gè)與土壤溫度、含水量、植被類型、覆土厚度及有機(jī)質(zhì)等因子密切相關(guān)的復(fù)雜的生態(tài)過程，其各個(gè)因子之間是相互影響、相互作用[28]。一些研究認(rèn)為土壤溫度可以解釋土壤呼吸的大部分變異，是影響土壤呼吸的主控因子。本研究中，地表溫度和地下5 cm土壤溫度均與土壤呼吸呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這與大多數(shù)研究結(jié)果相一致[29-30]。

楊金艷等[31]通過對(duì)東北次生林區(qū)6個(gè)典型的森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤表面CO2通量及其與土壤水熱因子的相關(guān)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤溫度、土壤含水量及其交互作用是影響土壤呼吸的主要環(huán)境因子，因此，生態(tài)系統(tǒng)土壤表層CO2通量估算時(shí)要綜合考慮土壤水熱條件因素。

李小宇等[32]認(rèn)為，黃土丘陵人工林坡地土壤CO2通量與土壤溫度、土壤水分僅在夏季有顯著相關(guān)性，但本研究土壤CO2排放速率與土壤溫度在春季也有顯著相關(guān)性，二者結(jié)果不一致。這可能是因?yàn)辄S土丘陵地區(qū)獨(dú)特的小區(qū)域氣候和陡坡地形，并且夏季水蝕(面蝕)過程強(qiáng)烈會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)和水分的重新分配，而該地區(qū)土壤CO2排放速率的空間變化分布主要受地形剖面和土壤侵蝕再分布過程的控制。

土壤含水量是土壤呼吸的另一個(gè)重要的影響因子。一般情況，只考慮含水量對(duì)土壤呼吸的影響效果較差，而綜合考慮土壤溫度和含水量的交互作用可以達(dá)到更好的擬合效果，這一結(jié)論在大多數(shù)研究[31-33]中得到證實(shí)。本研究中，土壤表面CO2通量與土壤含水量呈二次方函數(shù)關(guān)系，且均達(dá)到顯著差異(除C區(qū)外)，這可能是因?yàn)橥寥浪滞ㄟ^影響土壤溶解性有機(jī)質(zhì)的變化、植物和微生物能量的分配及土壤透氣性、植物根系生長來間接改變土壤呼吸的變化[2]。

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Effects of Ecological Restoration Patterns on Diurnal Variation of CO2Flux from Rehabilitated Soil of Coal Mining Areas in Huainan City

ZHOU Yuzhi1, WANG Fang1, CHEN Xiaoyang1,2,3, CHEN Min1, LIU Benle1

(1.SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan,Anhui232001,China; 2.EngineeringandTechnologyResearchCenteronCoalExplorationofAnhui,Suzhou,Anhui234000,China; 3.SchoolofEarthandSpaceSciences,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei，Anhui230026,China)

[Objective] To explore the effects of ecological restoration patterns in coal ming areas of Huainan City, including rehabilitation thickness of soil and reestablished vegetation type on soil CO2flux, and to provide theoretical basis for ecological restoration patterns similar coal mining region. [Methods] Method of close static chamber-alkali absorption was used to measure the diurnal variation of reconstructing soil CO2flux. Meanwhile, temperatures of soil surface and 5 cm depth and soil water content were measured and their influences on soil CO2flux were analyzed in different ecological remediation patterns for coal mining district in Huainan City, Anhui Province. [Results] Diurnal variation of soil CO2flux exhibited an obvious unimodal pattern during the whole observation period, with peak value at 14：00 and minimum flux at 6：00 for all of the ecological restoration models. The flux ranked at different revegetation districts as： B(brushwood)>C(brushwood)>D(arboreal forest)>A(grassland). Soil CO2flux of B and C districts were significantly higher than that of A(p<0.05); no significant differences among others were observed(p>0.05). Soil CO2flux with different rehabilitation thickness ranked as: 40—80 cm>0—20 cm>20—40 cm>80—100 cm, and their maximum and amplitude also followed this order. Significant relationships were found between soil temperature in 0 and 5 cm depth and soil CO2flux, which could be described by exponential equation.R2ranged from 0.34 to 0.70 and from 0.48 to 0.83, respectively. Relationship between soil CO2flux and soil water content can be described by quadratic equation, with 0.08～0.44R2value. [Conclusion] Soil CO2flux differed under different vegetation types, the highest occurred in brushwood〔5.22 μmol/(m2·s)〕, followed by arboreal forest〔4.56 μmol/(m2·s)〕, the lowest was grassland〔3.89 μmol/(m2·s)〕. Except for 40—80 cm thickness, soil CO2flux decreased with the increase of soil rehabilitation thickness. The influence of vegetation on soil CO2flux was more significant than the one of soil rehabilitation thickness.

soil CO2flux; rehabilitated soil; ecological restoration models; vegetation type; soil rehabilitation thickness

2016-04-10

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“煤矸石充填重構(gòu)土壤氣熱梯度的表土呼吸響應(yīng)機(jī)理及環(huán)境意義”(41572333)，“基于黃鐵礦氧化的煤矸石充填復(fù)墾土壤CO2運(yùn)移機(jī)理”(51274013)

周育智(1990—),男(漢族),安徽省淮南市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈V山生態(tài)環(huán)境修復(fù)與土地復(fù)墾。E-mail:1602650045@qq.com。

陳孝楊(1976—),男(漢族),安徽省肥西縣人,博士,副教授,從事礦山環(huán)境修復(fù)與土地復(fù)墾方面的研究。E-mail:chenxy@aust.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.007

A

1000-288X(2016)06-0040-07

T167, S281

文獻(xiàn)參數(shù)： 周育智, 王芳, 陳孝楊, 等.生態(tài)修復(fù)模式對(duì)淮南礦區(qū)重構(gòu)土壤CO2通量日變化的影響[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：040-046.