風(fēng)沙采煤沉陷區(qū)地表生物結(jié)皮土壤碳排放對(duì)水熱因子變化的響應(yīng)

黨曉宏，劉 陽(yáng)，蒙仲舉，高 永，魏亞娟，翟 波，劉禹辛

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020; 4.中央與地方共建高校特色優(yōu)勢(shì)學(xué)科“風(fēng)沙物理”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

我國(guó)煤炭資源開采具有空間上的不均衡性，主要集中在西北干旱區(qū)、半干旱區(qū)和西南山區(qū)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2005年，我國(guó)采煤沉陷區(qū)面積已達(dá)700 km2，且以每年約200 km2的速度增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)未來(lái)，我國(guó)采煤沉陷區(qū)面積將達(dá)到6.0×104km2[2]。由于我國(guó)煤炭資源主要采用井工開采工藝[3]，導(dǎo)致原有的生態(tài)平衡被打破，形成大面積的采煤沉陷區(qū)，其地質(zhì)、水分和土壤環(huán)境均發(fā)生了極大程度改變。例如:土地沙化、土壤結(jié)構(gòu)破壞、生物多樣性降低。這些變化改變了原有土體結(jié)構(gòu)的水肥運(yùn)移規(guī)律，從而改變了采煤沉陷區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程[4]。

生物結(jié)皮是由細(xì)菌、真菌、地衣、藻類和苔蘚等隱花植物分泌的多糖物質(zhì)與表層土壤顆粒相互作用形成具有生命活性的復(fù)合體[5]，廣泛分布于干旱、半干旱區(qū)[6-7]，成為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。研究表明，生物結(jié)皮能提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕能力，具有改善土壤水文環(huán)境，增強(qiáng)土壤碳氮儲(chǔ)蓄能力[8]。CASTILLO-MONROY等[9]研究發(fā)現(xiàn)，地衣結(jié)皮覆蓋區(qū)是利比亞半島土壤碳的主要釋放源;王愛(ài)國(guó)等[10]發(fā)現(xiàn)藻類結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮土壤CO2通量較去除生物結(jié)皮后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)土壤CO2通量的降低程度與生物結(jié)皮的組成和生物量呈正相關(guān)。齊玉春等[11]研究表明，古爾班通古特沙漠混生結(jié)皮在降水后，土壤碳排放速率顯著高于裸地。管超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，增溫能抑制生物結(jié)皮碳排放?？梢姡锝Y(jié)皮土壤碳排放強(qiáng)度與土壤水分和溫度密切相關(guān)。然而由于荒漠生態(tài)系統(tǒng)缺少水分和養(yǎng)分，導(dǎo)致生物結(jié)皮在碳源(匯)方面存在較多不確定性。

近年來(lái)，關(guān)于生物結(jié)皮對(duì)土壤碳循環(huán)的研究較多，而對(duì)風(fēng)沙采煤沉陷區(qū)生物結(jié)皮土壤碳排放的研究鮮有報(bào)道。因此，為了準(zhǔn)確掌握采煤沉陷區(qū)生物結(jié)皮類型與土壤碳排放間的關(guān)系，對(duì)采煤沉陷區(qū)不同結(jié)皮類型土壤碳排放進(jìn)行實(shí)地測(cè)定。李家塔煤礦沉陷區(qū)位于黃土高原與毛烏素沙地接壤的晉陜蒙交界區(qū)，生態(tài)環(huán)境異常脆弱。經(jīng)過(guò)多年的礦區(qū)生態(tài)綜合治理，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到極大地改善，林分內(nèi)分布大面積的生物結(jié)皮，其種類相對(duì)豐富，具有一定代表性[13]?；诖?，筆者以毛烏素沙地采煤沉陷區(qū)為研究區(qū)域，以該地區(qū)典型生態(tài)修復(fù)樹種小葉楊林和沙柳林內(nèi)的生物結(jié)皮為研究對(duì)象，對(duì)各林分類型下生物結(jié)皮的土壤碳排放日動(dòng)態(tài)、土壤水熱條件進(jìn)行實(shí)地原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)建立回歸方程明確沙質(zhì)土壤水熱條件對(duì)不同林分類型下生物結(jié)皮土壤碳排放特征的影響，為采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)中區(qū)域碳匯/源的評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東北緣，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗上灣鎮(zhèn)李家塔礦區(qū)(110.0°E～110.4°E，39.2°N～39.5°N)。氣候類型為中溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，具有冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，多風(fēng)沙，夏季炎熱，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，季節(jié)性溫差懸殊，無(wú)霜期短等氣候特點(diǎn)。年均降水量350 mm左右。地貌類型主要為波狀沙地和黃土丘陵溝壑地貌。地質(zhì)條件復(fù)雜，在基巖上覆有黃土、沙土、風(fēng)積沙等，且地表層面土壤多與粉煤灰結(jié)合形成夾層現(xiàn)象。研究區(qū)地表常年分布有大面積生物結(jié)皮，由于水分條件、生物種類和發(fā)育階段的不同，生物結(jié)皮顏色各異，主要呈綠色、黑色、黑褐色和黃綠色等。研究區(qū)生物結(jié)皮主要利用春季融雪、降雨、凝結(jié)水進(jìn)行生長(zhǎng)，并在干旱缺水季節(jié)和氣溫低于0 ℃時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。礦區(qū)優(yōu)勢(shì)種為小葉楊(Populussimonii)、沙柳(Salixpsammophila)、零星分布楊柴(Hedysarummongolicum)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、油蒿(Artemisiaordosica)、蟲實(shí)(Corispermumhyssopifolium)、克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、百里香(ThymusmongolicusRonn)等[14-15]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇和布設(shè)

本試驗(yàn)于2019年4月中旬(春季)進(jìn)行，選擇小葉楊林地、沙柳林地和恢復(fù)裸地為試驗(yàn)樣地。試驗(yàn)樣地選擇地勢(shì)相對(duì)平坦、微地形相對(duì)一致的區(qū)域。在各樣地分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的樣方，3個(gè)樣地間相距不足20 m，利用5點(diǎn)法在每個(gè)大樣方內(nèi)設(shè)置5個(gè)2.0 m×2.0 m的小樣方作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。調(diào)查每個(gè)樣方內(nèi)的結(jié)皮類型(圖1)、結(jié)皮厚度、結(jié)皮蓋度等。具體情況見表1。

1.2.2土壤碳排放測(cè)定

選擇晴朗無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣進(jìn)行測(cè)定。利用ACE土壤碳通量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(品牌:英國(guó)ADC;型號(hào):ACE)對(duì)不同生物結(jié)皮類型土壤呼吸速率進(jìn)行同步測(cè)定，每次測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為30 min。開始測(cè)定前12 h，用枝剪去除圈內(nèi)地上草本植物并清除枯落物，利用取樣器(高8.0 cm，直徑34.5 cm的鋼圈)垂直壓入土層5.0 cm，并保證生物結(jié)皮的完整性。每種結(jié)皮覆蓋樣地制作5個(gè)取樣點(diǎn)即為5次重復(fù)。樣方設(shè)置在植物冠幅邊緣。將土壤碳通量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀自帶的水分和溫度探頭插入5.0 cm的土壤層中，同步測(cè)定土壤的溫度和含水量。為了保證研究結(jié)果的代表性，觀測(cè)時(shí)間7:00～18:00，觀測(cè)頻次為1次/h。連續(xù)觀測(cè)7 d，分別記錄生物結(jié)皮土壤碳排放速率、地表5.0 cm深度處土壤溫度、地表溫度和土壤含水量。

土壤CO2排放速率與土壤溫度、土壤含水量關(guān)系分別采用線性模型、指數(shù)模型、對(duì)數(shù)模型、多項(xiàng)式函數(shù)模型進(jìn)行擬合，最后通過(guò)赤池系統(tǒng)(Akaike information criterion，AIC)準(zhǔn)則和決定系數(shù)R2篩選出最優(yōu)擬合方程，最后通過(guò)極大似然值判定擬合方程的優(yōu)劣。

Rs=a+bT+cW

(1)

Rs=a+bT+cW+dTW

(2)

Rs=aTbWc

(3)

AIC=2lnL+2P

(4)

式中，Rs為土壤碳排放速率;a，b，c和d為擬合參數(shù);T為土壤溫度;W為土壤含水量；L為回歸方程的極大近似然函數(shù);P為回歸方程的獨(dú)立參數(shù)個(gè)數(shù);AIC值越小說(shuō)明擬合方程越優(yōu)。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007對(duì)監(jiān)測(cè)土壤碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，剔除異常數(shù)據(jù)。采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)對(duì)3類土壤碳排放CO2排放進(jìn)行差異顯著性分析，同時(shí)采用Eviews 10軟件對(duì)荒漠地區(qū)土壤碳排放速率與土壤溫度和含水量進(jìn)行相關(guān)分析。利用Origin Pro 2018作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物結(jié)皮土壤碳排放速率及環(huán)境因子日動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

由圖2可知，3類結(jié)皮碳排放和環(huán)境因子日動(dòng)態(tài)變化存在一定的差異性。3類結(jié)皮土壤碳排放速率日均值由大到小依次為藻類結(jié)皮(0.47 μmol/(m2·s))>蘚類結(jié)皮(0.45 μmol/(m2·s))>地衣結(jié)皮(0.44 μmol/(m2·s))。土壤碳排放速率的日變化均呈現(xiàn)出“單峰”曲線特征，其中藻類結(jié)皮的土壤碳排放速率“峰值”出現(xiàn)在12:00，蘚類結(jié)皮的土壤碳排放速率“峰值”出現(xiàn)在12:30，地衣結(jié)皮的土壤碳排放速率“峰值”出現(xiàn)在13:00。土壤碳排放日變幅由大到小依次為蘚類結(jié)皮地、藻類結(jié)皮和地衣結(jié)皮，其值分別0.10～0.83，0.05～0.77和0.12～0.77 μmol/(m2·s)。3類結(jié)皮下5.0 cm深度土壤溫度和地表溫度呈現(xiàn)出相同趨勢(shì)，整體表現(xiàn)為藻類結(jié)皮>地衣結(jié)皮>蘚類結(jié)皮。3類結(jié)皮的土壤含水量出現(xiàn)最低值時(shí)間各異，蘚類結(jié)皮在13:00達(dá)到土壤含水量的“谷值”，藻類結(jié)皮在14:00達(dá)到土壤含水量的“谷值”，地衣結(jié)皮在17:30達(dá)到土壤含水量的“谷值”,其時(shí)間最遲。

2.2 土壤碳排放速率與主要環(huán)境因子的關(guān)系

2.2.1土壤碳排放速率與土壤溫度的關(guān)系

由圖3可知，土壤碳排放速率呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。3類結(jié)皮土壤碳排放速率最大值時(shí)間相差約30 min。藻類結(jié)皮12:00達(dá)到土壤碳排放峰值0.77 μmol/(m2·s)，其次為蘚類結(jié)皮在12:30達(dá)到峰值0.83 μmol/(m2·s)，最后為地衣結(jié)皮在13:00出現(xiàn)峰值0.77 μmol/(m2·s)。通過(guò)回歸擬合發(fā)現(xiàn)3類結(jié)皮土壤碳排放速率與土壤溫度的擬合關(guān)系均為二次函數(shù)關(guān)系;土壤碳排放速率與0～5 cm表層土壤溫度呈順時(shí)針環(huán)狀分布，其中以藻類結(jié)皮最為明顯。對(duì)3類結(jié)皮土壤碳排放速率和0～5 cm土壤溫度進(jìn)行分段擬合發(fā)現(xiàn)，相同土壤溫度情況下，上升階段顯著大于下降階段(p<0.01)，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是土壤碳排放速率都呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)導(dǎo)致的時(shí)間滯后效應(yīng)。

圖3 采煤沉陷區(qū)3種類型結(jié)皮土壤碳排放速率與土壤溫度回歸擬合Fig.3 Regression fitting of soil carbon emission rate and soil temperature three typical biologically-crusted soils in coal mining subsidence area

由表2可知，由于生物結(jié)皮土壤碳排放速率對(duì)溫度的響應(yīng)不同，3類結(jié)皮的土壤碳排放速率與0～5 cm土壤溫度均呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，其決定系數(shù)分別為0.59，0.46和0.64(p<0.01)。

表2 土壤碳排放速率與土壤溫度的回歸方程Table 2 Regression equation of soil carbon emission rate and soil temperature

2.2.2土壤碳排放速率與表層土壤含水量的關(guān)系

由圖4可知，3類結(jié)皮表層土壤含水量變幅較小。其中，蘚類結(jié)皮為0.17～0.30 μmol/(m2·s)、藻類結(jié)皮為0.17～0.27 μmol/(m2·s)、地衣結(jié)皮為0.19～0.32 μmol/(m2·s)。

圖4 采煤沉陷區(qū)3種類型生物結(jié)皮土壤碳排放速率與土壤含水量回歸擬合Fig.4 Regression fitting of soil carbon emission rate and soil moisture in three forest stands in coal mining subsidence area

通過(guò)擬合回歸發(fā)現(xiàn)，3類結(jié)皮土壤碳排放速率與土壤含水量最優(yōu)關(guān)系均為二次函數(shù)。其中蘚類結(jié)皮土壤含水量決定系數(shù)R2為0.45，且達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。藻類結(jié)皮和地衣結(jié)皮土壤碳排放速率與土壤含水量決定系數(shù)R2分別為0.14和0.13，但均未達(dá)到顯著水平(p>0.05)。

由表3可知，對(duì)土壤碳排放速率日峰值為界限將土壤碳排放速率與土壤含水量進(jìn)行分段擬合發(fā)現(xiàn)，3類結(jié)皮土壤碳排放速率與土壤含水量最優(yōu)擬合關(guān)系均呈二次函數(shù)。其中蘚類結(jié)皮土壤碳排放速率與表層土壤含水量呈逆時(shí)針環(huán)形分布，而藻類結(jié)皮和地衣結(jié)皮土壤碳排放速率與表層土壤含水量呈順時(shí)針?lè)植肌?/p>

表3 土壤碳排放速率與土壤含水量的回歸方程Table 3 Regression equation of soil carbon emission rate and soil moisture

2.2.3土壤碳排放速率與土壤表層溫度、含水量的關(guān)系

由表4可知，采煤沉陷區(qū)3種類型結(jié)皮土壤碳排放速率與表層土壤溫度和土壤含水量的協(xié)同關(guān)系均達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。3類結(jié)皮土壤碳排放速率與表層土壤溫度和土壤含水量擬合方程均表現(xiàn)為方程(1)變異解釋率最低，方程(2)，(3)擬合效果較好，其中方程(3)的擬合效果最好，方程(1)在土壤碳排放速率對(duì)土壤溫度和濕度協(xié)同響應(yīng)研究中適用性最差。采煤沉陷區(qū)3種類型土壤含水量和土壤溫度可以解釋其土壤碳排放速率的57.8%～82.5%。通過(guò)分析AIC發(fā)現(xiàn)，蘚類結(jié)皮在土壤碳排放速率對(duì)土壤溫度和濕度協(xié)同響應(yīng)研究中適用性強(qiáng)于方程(2)，(3)，可以解釋其58.3%的土壤碳排放情況，但藻類結(jié)皮和地衣結(jié)皮，擬合方程(2)，(3)可以較好的解釋土壤碳排放速率，解釋系數(shù)在57.8%以上。

表4 土壤碳排放速率與表層土壤溫度和含水量的回歸擬合關(guān)系Table 4 Regression fitting relationship between soil carbon emission rate and surface soil temperature and water content

3 討 論

土壤碳排放速率是一個(gè)復(fù)雜的生化過(guò)程，其排放強(qiáng)度受生物因素和非生物因素共同影響[16]。本研究顯示3類生物結(jié)皮土壤碳排放日動(dòng)態(tài)變化各異。土壤碳排放速率日均值由大到小依次為藻類結(jié)皮(0.47 μmol/(m2·s))>蘚類結(jié)皮(0.45 μmol/(m2·s))>地衣結(jié)皮(0.44 μmol/(m2·s))，說(shuō)明結(jié)皮類型是導(dǎo)致碳排放強(qiáng)度的主要因素[17]。該研究結(jié)果與胡宜強(qiáng)等[18]對(duì)沙坡頭生物結(jié)皮的研究結(jié)果一致。表明隨著生物結(jié)皮的演替，生物結(jié)皮的土壤呼吸速率呈遞增趨勢(shì)且均高于裸地。生物結(jié)皮的形成增強(qiáng)了土壤碳排放速率[18]，這可能是由土壤溫度導(dǎo)致的。藻類結(jié)皮溫度(13.27 ℃)高于蘚類結(jié)皮(12.50 ℃)和地衣結(jié)皮(12.97 ℃)(表5)，導(dǎo)致土壤酶活性升高，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物呼吸加速[19]，從而增強(qiáng)了土壤碳排放速率[20]。但是，與毛烏素沙地非采煤沉陷區(qū)相比(土壤碳排放速率為0.63 μmol/(m2·s))[21]，采煤沉陷區(qū)各類生物結(jié)皮碳排放速率較小。因?yàn)椴擅撼料輩^(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，導(dǎo)致碳排放的減弱。加之春季氣溫較低，土壤干燥，導(dǎo)致生物結(jié)皮生理活動(dòng)幾乎處于休眠狀態(tài)，因此導(dǎo)致采煤沉陷區(qū)生物結(jié)皮碳排放低于裸地碳釋放[22]。說(shuō)明生物結(jié)皮的覆蓋，降低土壤碳呼吸速率。

表5 生物結(jié)皮土壤碳排放速率及溫濕度比較Table 5 Comparison of soil carbon emission rate,temperature and humidity of biological crust

本研究顯示蘚類結(jié)皮、藻類結(jié)皮和地衣結(jié)皮土壤碳排放日變化速率分別為0.17～0.30,0.17～0.27和0.19～0.32 μmol/(m2·s)。可見，藻類生物結(jié)皮土壤碳排放日變幅小于蘚類結(jié)皮和地衣結(jié)皮。該研究結(jié)果顯著低于管超等[19]對(duì)騰格里沙漠生物結(jié)皮的研究。這主要與土壤溫濕度有關(guān)。研究表明，土壤呼吸速率與土壤表層溫濕度呈顯著正相關(guān)[23]。本研究中，監(jiān)測(cè)時(shí)間為春季，土壤溫度和含水量分別在3.87～18.46 ℃,0.17～0.32 m3/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他季節(jié)土壤溫濕度。土壤溫濕度較低，抑制土壤酶的活性，降低了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，從而抑制土壤微生物呼吸。本研究顯示土壤碳排放速率日動(dòng)態(tài)均成單峰曲線特征，其中蘚類結(jié)皮和地衣結(jié)皮的土壤碳排放速率“峰值”出現(xiàn)在12:30，藻類結(jié)皮的土壤碳排放速率“峰值”出現(xiàn)在14:00。與趙東陽(yáng)[24]對(duì)黃土高原土壤蘚結(jié)皮的研究結(jié)論一致。該研究結(jié)果表明，砂土和砂質(zhì)壤土蘚類結(jié)皮碳呼吸峰值出現(xiàn)在14:00。3類結(jié)皮土壤含水量均表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，即為清晨和傍晚含水量較高，土壤含水量隨著溫度的升高而逐漸降低。土壤碳排放是酶促作用的結(jié)果，隨著一天當(dāng)中晝夜的變化，土壤溫度和土壤水分等環(huán)境因子也會(huì)發(fā)生改變，這使得酶促反應(yīng)中的各類酶活性不同，進(jìn)而導(dǎo)致酶促反應(yīng)的異質(zhì)性，3類生物結(jié)皮土壤碳排放產(chǎn)生日動(dòng)態(tài)間的差異[25]。研究中還發(fā)現(xiàn)，5 cm土壤溫濕度日變化曲線峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后于3類土壤碳排放速率，且土壤碳排放速率與土壤溫度和水分均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。但是導(dǎo)致土壤溫濕度滯后性的原因有待于進(jìn)一步研究。

溫度對(duì)土壤碳排放速率的影響局限在土壤表層[26]。土壤溫度和土壤含水量對(duì)于碳排放有較大影響，并呈顯著線性關(guān)系。土壤碳排放是一個(gè)復(fù)雜的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，是環(huán)境、植物、土壤共同作用下的過(guò)程[27-29]。也有多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，溫度是影響土壤CO2排放的重要因素[30-31]。研究中發(fā)現(xiàn)，土壤碳排放速率日動(dòng)態(tài)變化與0～5 cm土壤溫度變化趨勢(shì)基本吻合，均在早晨8:00以后，隨著土壤溫度升高土壤碳排放速率驟然升高，午后土壤溫度降低，土壤碳排放速率隨之降低，但生物結(jié)皮土壤碳排放速率“峰值”都早于土壤溫度“峰值”，2者時(shí)間上存在著滯后現(xiàn)象[32-35]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，造成土壤碳排放與土壤溫度時(shí)間上的分離的主要原因是溫度的混合效應(yīng)。同時(shí)，生物因素也是影響土壤碳排放和土壤溫度間滯后關(guān)系的重要環(huán)節(jié)，包括植物的光合作用和根系生長(zhǎng)、枯落物以及微生物的動(dòng)態(tài)變化的共同影響[36]。土壤溫度影響了土壤的酶活性。在低溫環(huán)境下，土壤酶的活性受到限制，隨著溫度的增加活性增強(qiáng)，當(dāng)超過(guò)最適溫度后，酶活性急劇下降，甚至降解。由于根系呼吸和土壤微生物呼吸都需要酶的參與，因此土壤溫度會(huì)影響土壤碳排放速率[37]。整體而言，土壤碳排放速率時(shí)間變化對(duì)表層土壤溫度的響應(yīng)均達(dá)到了極顯著水平，這與趙東陽(yáng)[24]，辜晨[38]研究結(jié)果一致。本研究中發(fā)現(xiàn)，李家塔采煤沉陷區(qū)3類結(jié)皮土壤含水量較低且變化幅度較小。水分對(duì)土壤碳排放作用相對(duì)較小，可能是結(jié)皮覆被區(qū)的微生物，能夠利用少量的水分刺激其生理活性[39]。只有蘚類結(jié)皮的土壤含水量和土壤碳排放速率之間存在一致的動(dòng)態(tài)變化，2者存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤含水量對(duì)于土壤碳排放的影響主要集中在對(duì)植物和微生物的能量供應(yīng)和對(duì)其體內(nèi)的二次分配作用，與此同時(shí)，對(duì)土壤通透性和氣體擴(kuò)散進(jìn)行調(diào)控[40]。

4 結(jié) 論

(1)毛烏素沙地北緣采煤沉陷區(qū)3類結(jié)皮碳排放速率的日變化特征曲線基本一致?？傮w上呈現(xiàn)“不對(duì)稱鐘形”的“單峰”曲線特征，土壤碳排放速率峰值出現(xiàn)在12:00～13:00。土壤碳排放速率日均值由大到小依次為藻類結(jié)皮(0.47 μmol/(m2·s))>蘚類結(jié)皮(0.45 μmol/(m2·s))>地衣結(jié)皮(0.44 μmol/(m2·s))，說(shuō)明隨著生物結(jié)皮演替，其土壤碳排放速率逐漸增強(qiáng)。

(2)3類結(jié)皮土壤碳排放速率與表層土壤溫度和土壤含水量均呈二次函數(shù)關(guān)系。土壤含水量與土壤溫度可以較好的解釋土壤碳排放速率，擬合方程中2者對(duì)于土壤碳排放速率的解釋系數(shù)在57.8%以上，說(shuō)明土壤溫度和土壤含水量能顯著影響土壤碳排放速率。

(3)毛烏素沙地采煤沉陷區(qū)生物結(jié)皮覆蓋可有效抑制土壤碳排放。在風(fēng)沙采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)過(guò)程中建議多建植小葉楊和沙柳等鄉(xiāng)土樹種。