安太堡露天煤礦復墾區不同人工林土壤呼吸特征

郭春燕, 李晉川, 岳建英, 盧 寧, 王 翔, 賀振偉

(1.山西省生物研究所， 山西 太原 030006; 2.中煤平朔集團有限公司, 山西 朔州 036006)

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安太堡露天煤礦復墾區不同人工林土壤呼吸特征

郭春燕1, 李晉川1, 岳建英1, 盧 寧1, 王 翔1, 賀振偉2

(1.山西省生物研究所， 山西 太原 030006; 2.中煤平朔集團有限公司, 山西 朔州 036006)

摘要：[目的] 探討復墾模式對土壤呼吸作用的影響，同時為礦區復墾土地質量評價、復墾模式的篩選提供數據支撐。[方法] 采用動態密閉氣室紅外CO2分析法對露天煤礦復墾區5塊永久性樣地土壤呼吸作用及其相關組分的日變化及季節動態進行跟蹤測定。[結果] 各樣地土壤呼吸作用均呈現出明顯的季節變化規律,但日變化趨勢卻各不相同。土壤呼吸速率日變化在5，9，10月份變幅較為平緩,6，7，8月份變幅較大,且在7，8月份達到最大值。去根系后,土壤溫度及水分與未處理之間沒有顯著差異,但土壤呼吸速率值明顯下降,下降幅度為19%～46%。土壤總呼吸速率和去根系土壤呼吸速率均與土壤溫度、土壤水分、雙因子呈冪或指數函數關系。[結論] 刺槐純林模式更有利于土壤的熟化與肥力的提高。

關鍵詞：土壤呼吸; 去根系; 生態因子; 復墾區

土壤呼吸指土壤向大氣排放CO2的過程，是土壤有機碳輸出的主要形式。從嚴格意義上講是指未受擾動的土壤中產生CO2的所有代謝作用[1]。土壤呼吸包括3個生物學過程(植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤無脊椎動物呼吸)和1個非生物學過程(土壤中含碳物質化學氧化過程)[2]。土壤呼吸作為土壤生物活性指標，在一定程度上反映了土壤養分轉化和供應能力，尤其是基礎土壤呼吸部分，反應了土壤的生物學特性和土壤物質的代謝強度，它與土壤的理化性質以及植被類型關系非常密切[3-7]。土壤呼吸釋放CO2的過程是在土壤物理、化學和生物等多種因素作用下完成的，因此，土壤呼吸率與土壤質量密切相關[8]。目前，國內外土壤呼吸研究主要集中在天然林地、草地、濕地等土壤呼吸變化因素及其對大氣中溫室氣體濃度增加的影響，以及土壤呼吸與環境因子間的相關性方面[9-10]。

近年來，煤礦復墾工作取得了顯著進展，關于礦區復墾地脆弱生態系統的土壤理化性質等質量特征[11-13]及植被群落演替特征方面均有較為詳盡的研究報道[14-15]，而關于露天煤礦復墾區不同復墾模式對土壤呼吸影響的研究甚少。

本文以山西省朔州市安太堡露天煤礦不同復墾模式下5塊永久性樣地為研究對象，通過對各樣地土壤呼吸作用及其相關組分的日變化及季節動態進行跟蹤測定，分析各樣地土壤呼吸強度及其原因，旨在為礦區復墾土地質量評價、復墾模式的篩選提供數據支撐。

1研究區自然條件和研究方法

1.1　研究區自然概況

研究區域位于平朔安太堡露天煤礦排土場內，地處山西省朔州市平魯區境內，是中國最大、世界上少有的超大型露天煤礦。該礦區為黃土高原丘陵生態極度脆弱區，東經112°10′—113°30′，北緯39°23′—39°37′，屬于典型的溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬春干旱少雨、寒冷多風，夏秋降水集中、溫涼少風。區內年平均降雨量為428.2～449.0 mm，年蒸發量1 786.6～2 598.0 mm。空氣平均絕對濕度為6.9 mb，平均相對濕度為54%。礦區年平均氣溫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。礦區年平均風速為2.5～4.2 m/s，最大風速20 m/s。原地貌植被零星分布，覆蓋率低，屬于干草原類型，土壤為栗鈣土與栗褐土的過渡類型。

安太堡露天煤礦排土場按照統一施工標準進行修筑，邊坡坡度均為20°～22°。在對安太堡露天煤礦連續研究20 a余的基礎上，于2010年在5塊成熟人工林中建立永久性樣地(詳見表1)，分別為南排1號樣地(SⅠ)、南排3號樣地(SⅢ)、南排4號樣地(SⅣ)、南排5號樣地(SⅤ)、西排1號樣地(W)，每塊樣地面積1 hm2，在樣地內又劃分為100個10 m×10 m的小樣方。對每個小樣方內喬木進行掛牌，同時測定其高度、胸徑、冠幅和枝下高，對草本進行高度、多度、蓋度和生活力調查。

表1　永久性樣地基本情況

1.2　研究方法

2010年10月在每塊人工林永久性觀測樣地內按“S”或“W”型確定10個土壤呼吸測定小樣方(10 m×10 m)，每個小樣方內分別用PVC(直徑30 cm，高10 cm)管確定2個測量位點，將PVC管埋于土中，露出地面3 cm，在其中1個測量位點旁做去根處理。去根處理的具體做法為：挖一個長寬高分別為30 cm的土柱，放入隔離圈(PVC管，直徑30 cm，高30 cm)，將挖出的土柱按從表層到底層的順序放于朔料布上，揀除土中根系，并按原土壤層次回填入隔離圈內。2011年選擇植物生長季5月至10月，每月中旬選擇天氣狀況比較穩定日，采用美國LI-cor公司生產的LI-6400便攜式光合作用測量系統連接LI-6400-09土壤呼吸室對各測量位點進行土壤呼吸測定。SⅢ，SⅣ，W永久性樣地進行土壤呼吸日變化測定。從8∶00—18∶00，每2 h測定1次，重復3次，每一個月測定5 d。在每次測量的前1天，將土壤圈(PVC管，直徑10 cm，高5 cm)插入測量點，同時將土壤圈內的植物齊地表剪下，盡量不擾動土壤。鑒于前期安太堡露天煤礦復墾區土壤呼吸試驗證明，5 cm較10 cm深度的土壤溫度、水分與土壤呼吸的相關性高[16]，因此，本試驗中只測定了土壤5 cm處的水分與溫度。土壤呼吸與5 cm深度的土壤溫度用Li-6400光合系統的土壤溫度探針測定，空氣溫度由Li-6400便攜式光合作用測量系統測出，5 cm深度的土壤含水量由EC50水分儀測定。

1.3　數據分析

采用SPSS統計分析軟件包(SPSS 17.0 for Windows， Chicago， USA)分析不同月份、不同樣地間土壤呼吸強度的顯著性，對土壤呼吸強度與土壤水分、溫度的關系進行回歸分析。用線性和非線性方程分析土壤呼吸和土壤溫度和水分的單因子關系：

貢獻率=100%×(土壤總呼吸速率-去根系土壤呼吸速率)/土壤總呼吸速率

2結果與討論

2.1　土壤呼吸速率日變化

不同月份各樣地土壤呼吸速率日變化規律不同。從圖1可看出，除7和8月份的異養呼吸外，SⅣ樣地在各月份中土壤呼吸值均高于SⅢ，W樣地，各樣地土壤異養呼吸速率低于總呼吸速率，同一樣地土壤總呼吸速率與異養呼吸速率日變化趨勢基本一致。SⅢ，SⅣ，W樣地不同月份日變化幅度均為在6, 7, 8月份較大，最低值出現在18：00，最高值出現在9：00—14：00；5, 9, 10月份日變化幅度較小，最低值出現在8：00，最高值出現在10：00—16：00。表明在一天中，土壤呼吸速率主要受土壤溫度的影響，同時受植被生理特征的限制，不同樣地最高、最低值出現時間會有提前或推后。在降雨較少的月份，土壤水分成為限制土壤呼吸速率的主要因子之一。在相對干旱的5月，表現尤為明顯，干旱脅迫在一定程度上降低了土壤呼吸速率對土壤溫度的響應[17]。

2.2　土壤水分與溫度月變化

各永久性樣地去根系與未處理的土壤水分呈現顯著的季節性變化(p<0.01)。從圖2中可看出，除SⅢ(p=0.04), SⅤ(p=0.03)樣地外，其他樣地去根系與未處理土壤水分之間差異不顯著。在整個植物生長期，各樣地土壤水分月均值基本相同(11%～13%)，且基本為去根系大于未處理，土壤水分最高出現在7月份W樣地(20%，19%)，最低為5月份SⅠ樣地(6%，5%)。

各永久性樣地去根系與未處理的土壤溫度也呈現出顯著的季節變化(p<0.01)，但兩者之間差異不顯著(0.66

2.3　土壤呼吸速率月變化

各樣地土壤呼吸速率均表現出明顯的月變化，且變化規律相似(表2)，即從5月份逐漸升高，到7, 8月份達到最大值，隨后逐漸降低，除SⅤ樣地外，10月份為最低值。土壤呼吸速率在不同樣地、不同月份間均存在極顯著差異(p<0.01)，各月份均為SⅤ樣地土壤呼吸速率值最高。植物生長季各樣地土壤總呼吸速率均值從大到小依次為：SⅤ, SⅣ, SⅢ, W, SⅠ，異養呼吸均值大小依次為SⅤ, W, SⅣ, SⅠ, SⅢ；總呼吸變化幅度為：SⅤ>W>SⅢ>SⅣ>SⅠ；異養呼吸變化幅度為：SⅤ>W>SⅢ>SⅠ>SⅣ。除SⅣ樣地外，各樣地自養呼吸貢獻率存在明顯的季節變化，均為春季(5月)、秋季(9，10月)較大，夏季(6，7，8月)較小。在植物生長季，SⅣ樣地月均自養呼吸貢獻率最大，為46%；SⅠ，SⅢ樣地次之，為20%；SⅤ，W最小，僅為19%。

注：SⅠ，SⅡ，SⅢ，SⅣ，W代表不同的樣地。下同。

注：圖例符號下角標中“去”表示去根系后土壤； “總”表示未去根系土壤。

樣地土壤呼吸速率/(μmol·m-2·s-1)5月6月7月8月9月10月SⅠ11.79±0.16Aa5.33±0.98Bb7.17±0.69Ac5.25±0.52Ab1.80±0.18Aa1.79±0.78ABa21.08±0.22ABa4.31±0.53Cb6.29±0.73ABc4.95±0.46Ab1.71±0.15Aa1.02±0.10AaSⅢ11.61±0.21Aab2.31±0.19Aab9.29±0.73Ad6.40±0.60Ac2.70±0.28Ab1.40±0.12Aa21.24±0.10Aa1.72±0.09Aab7.93±0.51Bd4.66±0.53Ac2.18±0.16ABb1.15±0.06AaSⅣ14.35±1.17Bab6.26±0.50Bab7.67±0.70Abc10.40±2.07Bc5.28±1.52Bab3.35±0.61Ba22.57±0.65BCab3.73±0.61BCab4.74±0.59Ab4.16±1.16Ab2.62±0.48Bab1.89±0.37BaSⅤ14.89±0.71Ba7.12±0.62Cab13.40±0.79Bc14.03±0.64Cc8.17±0.85Cb5.92±1.00Cab23.39±0.52Ca6.25±0.39Dbc11.21±0.43Cd10.77±1.09Bd6.90±0.39Cc5.01±0.21CabW12.82±0.32Aa2.93±0.18Ab9.11±0.52Ad6.41±0.51Ac1.64±0.15Aa0.81±0.07Aa21.23±0.08Aa2.57±0.29ABb7.91±0.50Bd6.23±0.73Ac1.32±0.12Aa0.75±0.05Aa

注：表中數值為平均值±標準誤； 1為樣地土壤總呼吸速率； 2為樣地異養呼吸速率； 不同大寫字母表示在同一月份內不同樣地的土壤呼吸速率存在顯著性差異(p<0.01)；不同小寫字母表示同一樣地在不同月份內的土壤呼吸速率存在顯著性差異(p<0.01)。

2.4　土壤呼吸組成成分分析

從圖3中可看出，土壤異養呼吸(RH)變幅較自養呼吸(RA)大，異養呼吸速率變化范圍為1.02～11.21 μmol/(m2·s)，自養呼吸速率變化范圍為0.06～6.24 μmol/(m2·s)。各樣地土壤異養呼吸速率與自養呼吸速率月變化明顯，均為7, 8月最強，6, 9月次之，5, 10月最低。隨著溫度的升高，水分的增加，土壤異養呼吸在土壤總呼吸中所占比例迅速增大。這可能是異養呼吸與自養呼吸對環境變量的響應不同所致。異養呼吸主要由土壤溫度與水分驅動，而自養呼吸由根生物量和單位根呼吸速率所決定的，隨著植物的種類、年齡以及生長環境的改變而變化。因此，自養呼吸速率受到許多生物和非生物因子的調控，這些因子與植物的狀況、生活史和環境有關。各樣地異養呼吸速率月均值大小依次為SⅤ, W, SⅣ, SⅠ,SⅢ；自養呼吸速率月均值大小依次為：SⅣ, SⅤ, SⅢ, SⅠ, W。

2.5　土壤呼吸與溫度及水分相關性

通過對各樣地土壤呼吸速率(R)與土壤溫度(T)、水分(W)的線性和非線性回歸方程的分析，最終篩選出相關指數最高的擬合方程(表3)。去除根系并沒有改變土壤呼吸速率與5 cm土壤溫度與水分之間的關系，各樣地土壤總呼吸速率、異養呼吸速率與土壤溫度、水分單因子均分別呈冪函數、指數函數相關，且除SⅣ和SⅤ樣地外，均為顯著相關。總體來說，土壤異養呼吸速率與水分的相關性較總呼吸高，與溫度的相關性則較總呼吸低。土壤總呼吸、異養呼吸與土壤溫度、水分雙因子呈指數相關，相關指數較單因子方程有不同程度的提高。除SⅣ樣地外，均為顯著相關。

注：RH表示異養呼吸，RA表示自養呼吸。

樣地土壤水分回歸方程R2p土壤溫度回歸方程R2p雙因子回歸方程R2pSⅠ1 R=0.95e0.11W0.300.00R=0.34T0.770.330.00R=1.22e0.45TW0.680.460.002 R=0.64e11.96W0.340.00R=0.24T0.860.310.00R=1.01e0.45TW0.630.400.00SⅢ1 R=0.93e10.52W0.350.00R=0.52T0.590.060.01R=0.88e0.53TW0.670.450.002 R=0.66e11.63W0.450.00R=0.27T0.810.080.02R=0.87e0.48TW0.730.530.00SⅣ1 R=2.47e5.87W0.110.00R=0.36T0.900.090.00R=2.78e0.24TW0.360.130.002 R=2.14e2.79W0.020.35R=0.23T0.890.060.08R=1.94e0.17TW0.220.050.12SⅤ1 R=3.72e7.28W0.250.00R=1.14T0.640.090.00R=4.89e0.22TW0.480.230.002 R=4.57e6.63W0.260.00R=1.63T0.600.090.16R=6.01e0.18TW0.470.230.00W1 R=0.44e13.65W0.610.00R=0.03T1.510.350.00R=0.62e0.50TW0.860.740.002 R=0.63e10.43W0.440.00R=0.03T1.470.350.00R=0.79e0.42TW0.780.610.00

注：表中樣地1為土壤總呼吸速率與土壤溫度與水分間的回歸方程； 樣地2為土壤異養呼吸與土壤溫度與水分間的回歸方程。

3結論與討論

(1) 土壤呼吸動態特征。各樣地土壤呼吸均呈現出明顯的季節變化規律，但日變化趨勢卻各不相同，這與其他相關研究[6,18-21]結果一致。南排3號(SⅢ)、南排4號(SⅣ)及西排一號(W)樣地土壤呼吸日動態一致性較差，規律不明顯，主要是因為土壤呼吸除受土壤溫度的驅動外，也受植被類型、立地條件、地形的影響較大。南排五號(SⅤ)樣地較其他樣地土壤總呼吸、異養呼吸月均值高，這主要是因為刺槐純林年際凋落物量要高于針闊混交林，且平臺有利于腐殖質的形成。腐殖質層厚，土壤有機質就相對較豐富，有利于土壤微生物的生長。各樣地土壤呼吸在去根系后明顯下降，平均下降幅度為19%～46%，這一結果與其它溫帶地區的研究很相近[22-23]。自養呼吸貢獻率受植被類型、物種組成、植被碳分配、植被根系特征、土壤水熱狀況等因子[24-25]的綜合影響。西排一號樣地自養呼吸較其他樣地低，這可能與該生態系統主要以針葉林為主，林分密度低，根系生物量和生產力較低有關，這與Burton[26]等對不同北美森林生態系統的根呼吸研究結果相同。

(2) 土壤呼吸與環境因子的相關性。本研究中，土壤呼吸和土壤溫度及水分的雙因子擬合方程相關指數較單因子擬合均有一定程度的提高，表明把土壤水分因子增加到土壤呼吸與土壤溫度的函數關系中可以提高土壤呼吸的預測真確性，這與大多數研究結果一致[27-28]。無論是土壤總呼吸還是異養呼吸均與土壤溫度、土壤水分、雙因子呈冪或指數函數關系，與一些人工生態系統[29-31]土壤呼吸與土壤溫度、水分的相關關系有所差異。這可能與研究區域自然條件有關，不同的生態系統中水分對土壤呼吸的影響方向和程度有很大的差別，在土壤水分不成為限制因子的條件下，土壤呼吸與土壤溫度呈正相關，而在水分成為限制因子的干旱、半干旱地區，土壤呼吸受土壤水分和溫度的共同影響，且土壤呼吸與溫度和水分之間的關系變得較為復雜[9，32]。

(3) 土壤呼吸是一個復雜的過程，需要長期動態監測。土壤呼吸受多種因素的共同影響，包括土壤溫度、土壤水分、植被類型、土壤有機質、凈生態系統生產力(NEP)、地上和地下生物量的分配、種群和群落的相互作用和人類干擾等[33]。本文僅重點研究了土壤溫度與水分對土壤呼吸的影響，未能全面反映出各樣地土壤呼吸的動態特征，在今后的研究中應加強土壤有機質、植被類型、土壤微生物與土壤呼吸關系的研究，為進一步探討植被與土壤的關系及人工生態系統碳循環提供基礎數據。

致謝：本研究得到了平朔煤業有限公司領導與工作人員的大力配合及山西省生物研究所崔國良師傅的協助，特此致謝！

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Soil Respiration Characteristics of Different Artificial Forests in Reclaimed Region of Antaibao Opencast Coal Mine

GUO Chunyan1, LI Jinchuan1, YUE Jianying1, LU Ning1, WANG Xiang1, HE Zhenwei2

(1.ShanxiInstituteofBiology,Taiyuan,Shanxi030006,China;

2.ChinacoalPingshuoGroupCo.Ltd,Shuozhou,Shanxi036006,China)

Abstract：[Objective] To explore the effects of reclamation mode on soil respiration in order to provide theoretical support for soil quality evaluation and reclamation mode selection in reclaimed region.[Methods] Using the analysis method of dynamic airtight chamber infrared CO2, the diurnal and seasonal variation of soil respiration rate and its related components in five permanent sample plots of opencast coal mine in Shanxi Province were studied.[Results] The soil respiration rate in each sample plot showed obvious seasonal variation, however, the law of diurnal variation of soil respiration rate was different. The width of diurnal variation of soil respiration rate in each sample plot was relatively gentle in May, September and October, and was bigger in June, July and August. The highest value of soil respiration appeared in July or August. Compared to the control, the root exclusion soil temperature and moisture was not significant difference, but the soil respiration rate was significantly declined by 19%～46%. The total and root exclusion soil respiration in relationship with soil temperature and moisture all can be described as a power function or exponential function, respectively.[Conclusion] Pure forest model ofRobiniapseudoacaciais more advantageous to the improvement of the maturation and fertility of soil.

Keywords:soil respiration; root exclusion; environmental factor; reclaimed region

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0055-07

中圖分類號：S718.5

收稿日期：2014-01-16修回日期：2014-04-15

資助項目：“十二五”國家科技支撐計劃課題“資源轉型城市礦區生態修復關鍵技術與示范”(2012BAC10B04); 山西省科技重大專項項目“山西大型生態脆弱礦區土地復墾與生態重建技術研究與示范”(20121101007); 山西省青年基金項目“晉西北大型露天煤礦復墾區土壤呼吸與生態重建關系(2010021027-3)

第一作者：郭春燕(1980—),女(漢族),山西省長治市人,博士研究生,副研究員,主要從事生態學研究。E-mail:pai109@126.com。