安太堡露天煤矿复垦区不同人工林土壤呼吸特征

郭春燕, 李晋川, 岳建英, 卢 宁, 王 翔, 贺振伟

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



安太堡露天煤矿复垦区不同人工林土壤呼吸特征

郭春燕1, 李晋川1, 岳建英1, 卢 宁1, 王 翔1, 贺振伟2

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

摘要：[目的] 探讨复垦模式对土壤呼吸作用的影响，同时为矿区复垦土地质量评价、复垦模式的筛选提供数据支撑。[方法] 采用动态密闭气室红外CO2分析法对露天煤矿复垦区5块永久性样地土壤呼吸作用及其相关组分的日变化及季节动态进行跟踪测定。[结果] 各样地土壤呼吸作用均呈现出明显的季节变化规律,但日变化趋势却各不相同。土壤呼吸速率日变化在5，9，10月份变幅较为平缓,6，7，8月份变幅较大,且在7，8月份达到最大值。去根系后,土壤温度及水分与未处理之间没有显著差异,但土壤呼吸速率值明显下降,下降幅度为19%～46%。土壤总呼吸速率和去根系土壤呼吸速率均与土壤温度、土壤水分、双因子呈幂或指数函数关系。[结论] 刺槐纯林模式更有利于土壤的熟化与肥力的提高。

关键词：土壤呼吸; 去根系; 生态因子; 复垦区

土壤呼吸指土壤向大气排放CO2的过程，是土壤有机碳输出的主要形式。从严格意义上讲是指未受扰动的土壤中产生CO2的所有代谢作用[1]。土壤呼吸包括3个生物学过程(植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤无脊椎动物呼吸)和1个非生物学过程(土壤中含碳物质化学氧化过程)[2]。土壤呼吸作为土壤生物活性指标，在一定程度上反映了土壤养分转化和供应能力，尤其是基础土壤呼吸部分，反应了土壤的生物学特性和土壤物质的代谢强度，它与土壤的理化性质以及植被类型关系非常密切[3-7]。土壤呼吸释放CO2的过程是在土壤物理、化学和生物等多种因素作用下完成的，因此，土壤呼吸率与土壤质量密切相关[8]。目前，国内外土壤呼吸研究主要集中在天然林地、草地、湿地等土壤呼吸变化因素及其对大气中温室气体浓度增加的影响，以及土壤呼吸与环境因子间的相关性方面[9-10]。

近年来，煤矿复垦工作取得了显著进展，关于矿区复垦地脆弱生态系统的土壤理化性质等质量特征[11-13]及植被群落演替特征方面均有较为详尽的研究报道[14-15]，而关于露天煤矿复垦区不同复垦模式对土壤呼吸影响的研究甚少。

本文以山西省朔州市安太堡露天煤矿不同复垦模式下5块永久性样地为研究对象，通过对各样地土壤呼吸作用及其相关组分的日变化及季节动态进行跟踪测定，分析各样地土壤呼吸强度及其原因，旨在为矿区复垦土地质量评价、复垦模式的筛选提供数据支撑。

1研究区自然条件和研究方法

1.1　研究区自然概况

研究区域位于平朔安太堡露天煤矿排土场内，地处山西省朔州市平鲁区境内，是中国最大、世界上少有的超大型露天煤矿。该矿区为黄土高原丘陵生态极度脆弱区，东经112°10′—113°30′，北纬39°23′—39°37′，属于典型的温带半干旱大陆性季风气候，冬春干旱少雨、寒冷多风，夏秋降水集中、温凉少风。区内年平均降雨量为428.2～449.0 mm，年蒸发量1 786.6～2 598.0 mm。空气平均绝对湿度为6.9 mb，平均相对湿度为54%。矿区年平均气温4.8～7.8 ℃，极端最高温度为37.9 ℃，极端最低温度为-32.4 ℃。全年无霜期115～130 d。矿区年平均风速为2.5～4.2 m/s，最大风速20 m/s。原地貌植被零星分布，覆盖率低，属于干草原类型，土壤为栗钙土与栗褐土的过渡类型。

安太堡露天煤矿排土场按照统一施工标准进行修筑，边坡坡度均为20°～22°。在对安太堡露天煤矿连续研究20 a余的基础上，于2010年在5块成熟人工林中建立永久性样地(详见表1)，分别为南排1号样地(SⅠ)、南排3号样地(SⅢ)、南排4号样地(SⅣ)、南排5号样地(SⅤ)、西排1号样地(W)，每块样地面积1 hm2，在样地内又划分为100个10 m×10 m的小样方。对每个小样方内乔木进行挂牌，同时测定其高度、胸径、冠幅和枝下高，对草本进行高度、多度、盖度和生活力调查。

表1　永久性样地基本情况

1.2　研究方法

2010年10月在每块人工林永久性观测样地内按“S”或“W”型确定10个土壤呼吸测定小样方(10 m×10 m)，每个小样方内分别用PVC(直径30 cm，高10 cm)管确定2个测量位点，将PVC管埋于土中，露出地面3 cm，在其中1个测量位点旁做去根处理。去根处理的具体做法为：挖一个长宽高分别为30 cm的土柱，放入隔离圈(PVC管，直径30 cm，高30 cm)，将挖出的土柱按从表层到底层的顺序放于朔料布上，拣除土中根系，并按原土壤层次回填入隔离圈内。2011年选择植物生长季5月至10月，每月中旬选择天气状况比较稳定日，采用美国LI-cor公司生产的LI-6400便携式光合作用测量系统连接LI-6400-09土壤呼吸室对各测量位点进行土壤呼吸测定。SⅢ，SⅣ，W永久性样地进行土壤呼吸日变化测定。从8∶00—18∶00，每2 h测定1次，重复3次，每一个月测定5 d。在每次测量的前1天，将土壤圈(PVC管，直径10 cm，高5 cm)插入测量点，同时将土壤圈内的植物齐地表剪下，尽量不扰动土壤。鉴于前期安太堡露天煤矿复垦区土壤呼吸试验证明，5 cm较10 cm深度的土壤温度、水分与土壤呼吸的相关性高[16]，因此，本试验中只测定了土壤5 cm处的水分与温度。土壤呼吸与5 cm深度的土壤温度用Li-6400光合系统的土壤温度探针测定，空气温度由Li-6400便携式光合作用测量系统测出，5 cm深度的土壤含水量由EC50水分仪测定。

1.3　数据分析

采用SPSS统计分析软件包(SPSS 17.0 for Windows， Chicago， USA)分析不同月份、不同样地间土壤呼吸强度的显著性，对土壤呼吸强度与土壤水分、温度的关系进行回归分析。用线性和非线性方程分析土壤呼吸和土壤温度和水分的单因子关系：

贡献率=100%×(土壤总呼吸速率-去根系土壤呼吸速率)/土壤总呼吸速率

2结果与讨论

2.1　土壤呼吸速率日变化

不同月份各样地土壤呼吸速率日变化规律不同。从图1可看出，除7和8月份的异养呼吸外，SⅣ样地在各月份中土壤呼吸值均高于SⅢ，W样地，各样地土壤异养呼吸速率低于总呼吸速率，同一样地土壤总呼吸速率与异养呼吸速率日变化趋势基本一致。SⅢ，SⅣ，W样地不同月份日变化幅度均为在6, 7, 8月份较大，最低值出现在18：00，最高值出现在9：00—14：00；5, 9, 10月份日变化幅度较小，最低值出现在8：00，最高值出现在10：00—16：00。表明在一天中，土壤呼吸速率主要受土壤温度的影响，同时受植被生理特征的限制，不同样地最高、最低值出现时间会有提前或推后。在降雨较少的月份，土壤水分成为限制土壤呼吸速率的主要因子之一。在相对干旱的5月，表现尤为明显，干旱胁迫在一定程度上降低了土壤呼吸速率对土壤温度的响应[17]。

2.2　土壤水分与温度月变化

各永久性样地去根系与未处理的土壤水分呈现显著的季节性变化(p<0.01)。从图2中可看出，除SⅢ(p=0.04), SⅤ(p=0.03)样地外，其他样地去根系与未处理土壤水分之间差异不显著。在整个植物生长期，各样地土壤水分月均值基本相同(11%～13%)，且基本为去根系大于未处理，土壤水分最高出现在7月份W样地(20%，19%)，最低为5月份SⅠ样地(6%，5%)。

各永久性样地去根系与未处理的土壤温度也呈现出显著的季节变化(p<0.01)，但两者之间差异不显著(0.66

2.3　土壤呼吸速率月变化

各样地土壤呼吸速率均表现出明显的月变化，且变化规律相似(表2)，即从5月份逐渐升高，到7, 8月份达到最大值，随后逐渐降低，除SⅤ样地外，10月份为最低值。土壤呼吸速率在不同样地、不同月份间均存在极显著差异(p<0.01)，各月份均为SⅤ样地土壤呼吸速率值最高。植物生长季各样地土壤总呼吸速率均值从大到小依次为：SⅤ, SⅣ, SⅢ, W, SⅠ，异养呼吸均值大小依次为SⅤ, W, SⅣ, SⅠ, SⅢ；总呼吸变化幅度为：SⅤ>W>SⅢ>SⅣ>SⅠ；异养呼吸变化幅度为：SⅤ>W>SⅢ>SⅠ>SⅣ。除SⅣ样地外，各样地自养呼吸贡献率存在明显的季节变化，均为春季(5月)、秋季(9，10月)较大，夏季(6，7，8月)较小。在植物生长季，SⅣ样地月均自养呼吸贡献率最大，为46%；SⅠ，SⅢ样地次之，为20%；SⅤ，W最小，仅为19%。

注：SⅠ，SⅡ，SⅢ，SⅣ，W代表不同的样地。下同。

注：图例符号下角标中“去”表示去根系后土壤； “总”表示未去根系土壤。

样地土壤呼吸速率/(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：表中数值为平均值±标准误； 1为样地土壤总呼吸速率； 2为样地异养呼吸速率； 不同大写字母表示在同一月份内不同样地的土壤呼吸速率存在显著性差异(p<0.01)；不同小写字母表示同一样地在不同月份内的土壤呼吸速率存在显著性差异(p<0.01)。

2.4　土壤呼吸组成成分分析

从图3中可看出，土壤异养呼吸(RH)变幅较自养呼吸(RA)大，异养呼吸速率变化范围为1.02～11.21 μmol/(m2·s)，自养呼吸速率变化范围为0.06～6.24 μmol/(m2·s)。各样地土壤异养呼吸速率与自养呼吸速率月变化明显，均为7, 8月最强，6, 9月次之，5, 10月最低。随着温度的升高，水分的增加，土壤异养呼吸在土壤总呼吸中所占比例迅速增大。这可能是异养呼吸与自养呼吸对环境变量的响应不同所致。异养呼吸主要由土壤温度与水分驱动，而自养呼吸由根生物量和单位根呼吸速率所决定的，随着植物的种类、年龄以及生长环境的改变而变化。因此，自养呼吸速率受到许多生物和非生物因子的调控，这些因子与植物的状况、生活史和环境有关。各样地异养呼吸速率月均值大小依次为SⅤ, W, SⅣ, SⅠ,SⅢ；自养呼吸速率月均值大小依次为：SⅣ, SⅤ, SⅢ, SⅠ, W。

2.5　土壤呼吸与温度及水分相关性

通过对各样地土壤呼吸速率(R)与土壤温度(T)、水分(W)的线性和非线性回归方程的分析，最终筛选出相关指数最高的拟合方程(表3)。去除根系并没有改变土壤呼吸速率与5 cm土壤温度与水分之间的关系，各样地土壤总呼吸速率、异养呼吸速率与土壤温度、水分单因子均分别呈幂函数、指数函数相关，且除SⅣ和SⅤ样地外，均为显著相关。总体来说，土壤异养呼吸速率与水分的相关性较总呼吸高，与温度的相关性则较总呼吸低。土壤总呼吸、异养呼吸与土壤温度、水分双因子呈指数相关，相关指数较单因子方程有不同程度的提高。除SⅣ样地外，均为显著相关。

注：RH表示异养呼吸，RA表示自养呼吸。

样地土壤水分回归方程R2p土壤温度回归方程R2p双因子回归方程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：表中样地1为土壤总呼吸速率与土壤温度与水分间的回归方程； 样地2为土壤异养呼吸与土壤温度与水分间的回归方程。

3结论与讨论

(1) 土壤呼吸动态特征。各样地土壤呼吸均呈现出明显的季节变化规律，但日变化趋势却各不相同，这与其他相关研究[6,18-21]结果一致。南排3号(SⅢ)、南排4号(SⅣ)及西排一号(W)样地土壤呼吸日动态一致性较差，规律不明显，主要是因为土壤呼吸除受土壤温度的驱动外，也受植被类型、立地条件、地形的影响较大。南排五号(SⅤ)样地较其他样地土壤总呼吸、异养呼吸月均值高，这主要是因为刺槐纯林年际凋落物量要高于针阔混交林，且平台有利于腐殖质的形成。腐殖质层厚，土壤有机质就相对较丰富，有利于土壤微生物的生长。各样地土壤呼吸在去根系后明显下降，平均下降幅度为19%～46%，这一结果与其它温带地区的研究很相近[22-23]。自养呼吸贡献率受植被类型、物种组成、植被碳分配、植被根系特征、土壤水热状况等因子[24-25]的综合影响。西排一号样地自养呼吸较其他样地低，这可能与该生态系统主要以针叶林为主，林分密度低，根系生物量和生产力较低有关，这与Burton[26]等对不同北美森林生态系统的根呼吸研究结果相同。

(2) 土壤呼吸与环境因子的相关性。本研究中，土壤呼吸和土壤温度及水分的双因子拟合方程相关指数较单因子拟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与土壤温度的函数关系中可以提高土壤呼吸的预测真确性，这与大多数研究结果一致[27-28]。无论是土壤总呼吸还是异养呼吸均与土壤温度、土壤水分、双因子呈幂或指数函数关系，与一些人工生态系统[29-31]土壤呼吸与土壤温度、水分的相关关系有所差异。这可能与研究区域自然条件有关，不同的生态系统中水分对土壤呼吸的影响方向和程度有很大的差别，在土壤水分不成为限制因子的条件下，土壤呼吸与土壤温度呈正相关，而在水分成为限制因子的干旱、半干旱地区，土壤呼吸受土壤水分和温度的共同影响，且土壤呼吸与温度和水分之间的关系变得较为复杂[9，32]。

(3) 土壤呼吸是一个复杂的过程，需要长期动态监测。土壤呼吸受多种因素的共同影响，包括土壤温度、土壤水分、植被类型、土壤有机质、净生态系统生产力(NEP)、地上和地下生物量的分配、种群和群落的相互作用和人类干扰等[33]。本文仅重点研究了土壤温度与水分对土壤呼吸的影响，未能全面反映出各样地土壤呼吸的动态特征，在今后的研究中应加强土壤有机质、植被类型、土壤微生物与土壤呼吸关系的研究，为进一步探讨植被与土壤的关系及人工生态系统碳循环提供基础数据。

致谢：本研究得到了平朔煤业有限公司领导与工作人员的大力配合及山西省生物研究所崔国良师傅的协助，特此致谢！

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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

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0055-07

中图分类号：S718.5

收稿日期：2014-01-16修回日期：2014-04-15

资助项目：“十二五”国家科技支撑计划课题“资源转型城市矿区生态修复关键技术与示范”(2012BAC10B04); 山西省科技重大专项项目“山西大型生态脆弱矿区土地复垦与生态重建技术研究与示范”(20121101007); 山西省青年基金项目“晋西北大型露天煤矿复垦区土壤呼吸与生态重建关系(2010021027-3)

第一作者：郭春燕(1980—),女(汉族),山西省长治市人,博士研究生,副研究员,主要从事生态学研究。E-mail:pai109@126.com。