生态修复模式对淮南矿区重构土壤CO2通量日变化的影响

周育智, 王 芳, 陈孝杨,2,3, 陈 敏, 刘本乐

(1.安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽省煤炭勘探工程技术研究中心, 安徽 宿州 234000; 3.中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026)

生态修复模式对淮南矿区重构土壤CO2通量日变化的影响

周育智1, 王 芳1, 陈孝杨1,2,3, 陈 敏1, 刘本乐1

(1.安徽理工大学 地球与环境学院, 安徽 淮南 232001; 2.安徽省煤炭勘探工程技术研究中心, 安徽 宿州 234000; 3.中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026)

[目的] 探讨淮南矿区不同生态修复模式(植被类型和覆土厚度)对土壤CO2通量的影响，以期为该区域以及相似矿区的生态修复提供理论依据及参数。 [方法] 采用静态箱—碱液吸收法对淮南市采煤沉陷生态修复区土壤CO2通量进行动态测定，分析土壤CO2通量日变化特征，以及土壤呼吸速率对地表温度、地下5 cm土壤温度和土壤含水量的敏感性。 [结果] 不同生态修复模式下土壤CO2通量日变化格局均表现为单峰曲线，最高峰出现在14∶00，最低值出现在6∶00，其均值大小依次为：B区(灌木林)>C区(灌木林)>D区(乔木林)>A区(草地)，且B，C与A区差异显著(p<0.05)，其他区之间差异不显著(p>0.05)。不同覆土厚度下土壤表层CO2通量平均值的大小依次为：40—80 cm>0—20 cm>20—40 cm>80—100 cm。其最大值和变幅的大小顺序也遵循平均值大小顺序。4种修复模式下土壤CO2通量与地下5 cm土壤温度、地表温度均呈指数方程关系，R2值分别在0.34～0.70，0.48～0.83之间，与土壤含水量呈二次方函数关系，R2值在0.08～0.44之间。 [结论] 不同植被类型条件下，土壤CO2通量大小表现为：灌木林>乔木林>草地；不同覆土厚度条件下，除了覆土40—80 cm的样地外，土壤CO2通量随覆土厚度的增加而减少。植被类型对土壤CO2通量的影响较覆土厚度显著。

土壤CO2通量; 重构土壤; 生态修复模式; 植被类型; 覆土厚度

全球CO2浓度升高及其所引起的全球变暖问题是当前人类所面临的最为严峻的生态环境问题，而土壤圈碳循环过程的失衡被认为是大气CO2浓度增加的一个重要原因。相关学者通过对全球碳通量的研究表明，人类活动平均每年向大气排放CO2约7.1 Pg/a，由于土壤呼吸从土壤向大气释放的CO2通量高达68～77 Pg/a，约占大气CO2总量的10%，是燃烧化石燃料排放CO2(5.4 Pg/a)的12.6～14.3倍[1-2]，可见土壤是CO2的重要潜在排放源。鉴于这种较大数量级的碳通量，土壤CO2通量在数量上的微小变化都可能引起大气CO2浓度的显著变化，同时，可能决定特殊区域的碳源与汇效应[3]。从严格意义上，土壤呼吸(土壤表面CO2碳通量)是指未扰动土壤中产生以及向大气释放CO2的所有代谢过程，是土壤圈与大气圈进行CO2等气体交换的重要生态系统过程，也是全球碳循环中最大的通量之一[4-5]，仅次于陆地植被通过光合作用所固定的碳通量100～120 Pg/a[6]。

目前，国内外对土壤CO2通量的研究对象主要集中在森林、草地、湿地、农田等生态系统。他们通过野外原位测试和室内试验研究相结合，对不同生态系统土壤CO2通量的日变化及季节动态规律进行研究，探讨土壤呼吸变化与土壤因素、环境因素、气候因素及人为因素的关系。例如，Yan等[7]通过对亚热带小气候环境下不同森林类型土壤CO2通量变化规律的研究，发现土壤CO2通量随季节呈单峰变化曲线，且与土壤温度存在显著相关性。陈盖等[8]从剖面尺度研究侵蚀剖面土壤呼吸特征，发现有机碳对土壤呼吸的影响最大，可解释土壤呼吸变异的54.72%。淮南矿区是华东地区面积较大的采煤沉陷区之一，并以6.5 km2/a的速度增加，预计2020年土地塌陷面积将达到186.9 km2。大多数学者充分利用煤矸石等固体废弃物的工程特性(较为理想的地基回填材料)，通过煤矸石充填复垦使一些塌陷地能够再度为人类所用，提高受损土地的可利用率和实现固体废弃物(煤矸石)减量化、资源化与无害化。因采煤引起的土地塌陷，破坏了土壤剖面结构和理化特性，使原有的生态系统服务功能遭到破坏。为修复该区域原有的生态系统服务功能，该区域开展了以煤矸石充填复垦为主的生态修复工程，但该生态修复模式对土壤CO2通量会产生什么影响目前尚缺乏相关研究，本文试图通过比较不同植被类型、不同覆土厚度间的土壤CO2通量，探讨植被类型和覆土厚度对土壤CO2通量的影响，有利于制定更加合理的复垦区土壤和植被管理措施，并筛选出最优的植被类型，从而为该区域以及相似矿区的生态修复提供参考。

1 研究区自然条件与研究方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于安徽省中部淮南市主要煤矸石充填复垦区，分别为创大生态园修复区(A区,32°49′N，116°48′E);大通矿生态修复区(B区,32°37′N，117°01′E);新庄孜矿生态修复区(C区,32°35′N，116°49′E);潘一矿生态修复区(D区,32°47′N，116°50′E)，该地区气候属于大陆性暖温带半湿润季风气候，处于亚热带向暖温带气候过渡地带，兼具南北气候特点，气候温和湿润，四季分明；该区年平均气温15.3 ℃，全年无霜期224 d，年日照2 279.2 h，年平均降水量为937.2 mm，季节性降水分布不均，降水主要集中在夏季，雨热同季节。土壤类型以砂浆黄土为主，是在黄土母质上发育的地带性土壤。由于采煤区塌陷深度和生态修复工程的差异，形成了具有不同覆土厚度的区域。A区的覆土厚度分3个等级(20—40，40—80，80—100 cm)，B区的覆土厚度基本在13 cm左右，C区的覆土厚度分2个等级(40—80，80—100 cm)，D区的覆土厚度分3个等级(0—20，20—40，40—80 cm)。除了A区地形为高台，其他修复区的地形较为平缓，修复区具体情况详见表1。

表1 研究区概况

注：A为创大生态园修复区； B为大通矿生态修复区； C为新庄孜矿生态修复区； D为潘一矿生态修复区。下同。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤CO2通量测定 土壤CO2通量的测定方法采用静态箱碱液吸收法[9]，静态箱为PVC塑料桶，桶高26 cm，桶口直径27 cm，桶底直径18 cm。底座为白铁皮材料制成，高10 cm，内径26 cm，外径32 cm。测量前，先将地表植被齐地剪去，并尽量不要扰动和破坏表层土壤，再将底座插入土中，在底座环内注入一定高度的水。测量时，放入装有20 ml的1 mol/L NaOH溶液的烧杯，将PVC塑料桶倒扣于底座环内，底座环内水的高度高于PVC塑料桶桶口以确保试验的密封性。本次试验在春季进行，选择的监测时间段为06:00—18:00，每2 h监测1次，每个研究区域选择5个试验点，按照随机性原则在每个试验点设有5个重复，取平均值作为该点的CO2通量排放值。每次监测设一空白对照试验，用薄膜隔绝地表气体交换，其他处理操作同试验组。每次监测结束后，取出烧杯，用约1 mol/L HCL溶液滴定剩余的NaOH溶液，根据剩余NaOH的量计算土壤CO2通量。土壤CO2通量的计算公式为：

式中：Q——土壤CO2通量〔g/(m2·d)〕， 为表示方便，后文将其转换为〔μmol/(m2·s)〕；V0——空白组滴定时消耗的盐酸体积(ml)；V——试验组滴定时消耗的盐酸体积(ml)；CHCL——盐酸浓度(mol/L)；S——密封装置底环的面积(cm2)。

1.2.2 土壤温度及理化性质的测定 土壤呼吸速率测定的同时用温度计分别测定土壤地表温度及地下5 cm土壤温度。土壤理化性质的测定在室内实验室进行，含水量和容重的测定采用环刀取样法；pH值采用电位法测定(土水比为1∶2.5)。

1.3 资料分析

采用Excel 2003，SPSS 16.0等数据处理软件对数据进行处理和作图，在野外测量统计的资料利用Excel 2003进行整理统计，对试验所取得的数据按不同土壤温度、不同覆土厚度和不同植被类型进行分类处理作图。

2 结果与分析

2.1 不同生态修复模式下(植被类型)土壤CO2通量、地表温度及地下5 cm土壤温度的日变化

图1显示了不同生态修复模式下土壤CO2通量、地表温度和地下5 cm土壤温度的日变化特征，即土壤呼吸表现出较强的时间变化，具有明显的日变化特征，基本上呈现一致的单峰变化曲线，早晚低而中午高，整体上呈现先升高再降低趋势。地表温度均大于地下5 cm土壤温度，土壤CO2通量峰值与5 cm深度土壤温度峰值出现的时间相近，而地表土壤温度峰值出现的时间较早，与欧强等[10]研究结果一致。

A,B,C和D区的土壤CO2通量日平均值分别为3.89,5.42,5.02,4.56 μmol/(m2·s)，均值大小顺序依次为:B区>C区>D区>A区，且A区与C区差异显著(p<0.05)，与B区差异极显著(p<0.01)，其他区之间差异不显著(p>0.05)。这说明不同生态修复模式对土壤CO2通量影响较大，具体表现在：灌木林>乔木林>草地(表2)，与常宗强等[11]研究结果(草地>灌木丛>园柏林)存在一定差异，这种差异可能是由于A区地形特点为中间高台，保水保肥能力差，有机质容易淋失，而除了土壤温度之外，有机质含量和土壤含水量也是影响土壤CO2排放通量的主要环境因子。

图1 不同生态修复模式下(植被类型)土壤CO2通量、地表温度及地下5 cm土壤温度的日变化

研究区均值/标准偏差/最大值/最小值/变幅/变异系数/(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

在日间的整个观察期内，A区的土壤CO2通量日变化范围为0.53～6.37 μmol/(m2·s)，日变化最高值出现在14 h，最低值出现在6 h，且日变化中最高值约是最低值的12倍；B区的土壤CO2通量日变化范围为0.86～8.88 μmol/(m2·s)，日变化最高值出现在14 h，最低值出现在6 h，且日变化中最高值约是最低值的10倍；C区的土壤CO2通量0.72～9.69 μmol/(m2·s)，日变化最高值出现在14 h，最低值出现在6 h，且日变化中最高值约是最低值的13倍；D区的土壤CO2通量0.88～7.89 μmol/(m2·s)，日变化最高值出现在14 h，最低值出现在6 h，且日变化中最高值约是最低值的9倍。值得注意的是，不同生态修复模式下，下午2点左右时间段的土壤CO2通量存在显著差异(p<0.05)，早晚时间段土壤CO2通量不存在显著差异(p>0.05)。

2.2 不同生态修复模式下(覆土厚度)土壤CO2通量日变化

从图2可以看出，不同覆土厚度下样地土壤呼吸速率的日变化格局相似，均呈不对称的单峰曲线[12]。与不同生态修复模式下(植被类型)土壤呼吸速率日变化相似，早上6时至下午15 h，随着土壤温度的升高，土壤表层CO2通量逐渐增加，15时左右达到最高峰，15 h后，土壤表层CO2通量又迅速减少，至18 h仍高于早晨6 h。

图2 不同生态修复模式下(覆土厚度)土壤CO2通量的日变化

因研究区覆土厚度、复垦时间及复垦后土壤熟化程度等因素的差异，土壤呼吸日均值、日变化幅度、最高值和最低值大小存在差异(表3)，不同覆土厚度下土壤表层CO2通量平均值的大小依次为：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)〕，其最大值和变幅的大小顺序也遵循这一顺序，但是其最小值却不符合这一顺序。其中日变化幅度最大的是40—80 cm，其次是0—20和20—40 cm，变化幅度最小的是80—100 cm，基本符合随覆土厚度增加日变化幅度减少。这说明覆土厚度对土壤CO2通量日变化的影响较大，因为对于煤矸石充填复垦土壤，下垫层煤矸石的存在对所覆表土的理化性质、微生物活性，根呼吸速率和有

机质的矿化速率产生较大影响。相关研究表明：复垦土壤pH值较大、有机质含量降低、因下垫层煤矸石缓慢氧化而改变整个土壤剖面水气热特征等变化都会对土壤中微生物活性、根及根际微生物呼吸产生限制作用[13-15]。由表2—3可以看出，不同植被类型条件下重构土壤CO2通量日均值的变化区间为3.89～5.42 μmol/(m2·s)，而不同覆土厚度条件下重构土壤CO2通量日均值的变化区间相对较小，为4.08～4.96 μmol/(m2·s)，这说明与植被类型相比，覆土厚度对重构土壤CO2通量影响相对较小，其原因可能与覆土厚度的作用效果部分被植被类型所覆盖有关。总之，综合考虑植被类型和覆土厚度两者的交互影响可以更加全面的了解重构土壤CO2通量的变化及矿区土壤碳通量模型。

表3 不同生态修复模式下(覆土厚度)土壤CO2通量的平均值及变异统计

注：0—20 cm包括B区和D区；20—40 cm包括A区和D区；40—80 cm包括A区,C区和D区；80—100 cm包括A区和C区。

2.3 土壤CO2通量与地表温度、地下5 cm土壤温度及土壤含水量的关系

通过对不同生态修复模式下土壤CO2通量与地表温度、地下5 cm土壤温度及土壤含水量进行了回归分析，结果表明：土壤CO2通量与地表温度和地下5 cm土壤温度呈极显著指数正相关关系，其中与地表温度的拟合效果优于地下5 cm土壤温度；与土壤含水量呈显著二次方函数关系(除C区外)(表4)。

表4 不同生态修复模式下土壤呼吸与环境因子的拟合模型

对于不同生态修复模式，不同环境因子对土壤CO2通量的影响程度存在一定的差异。A区土壤CO2通量与地表温度相关性最好(R=0.80)，其次为土壤含水量(R=0.67)，地下5 cm土壤温度(R=0.59)相关性最差；B区土壤CO2通量与环境因子的关系强弱依次为：地下5 cm土壤温度(R=0.84)>地表温度(R=0.69)>土壤含水量(R=0.46)；C区：地表温度(R=0.77)>地下5 cm土壤温度(R=0.69)>土壤含水量(R=0.28)，D区地表温度(R=0.91)>地下5 cm土壤温度(R=0.69)>土壤含水量(R=0.61)。因生态修复模式存在差异，地表温度、地下5 cm土壤温度及土壤含水量对土壤CO2通量的影响程度也存在差异，但仍存在一定相似性，研究发现土壤CO2通量与地下5 cm土壤温度和地表温度的相关关系均较强(表4)，这2个层次的温度变化通过影响植物生长而影响植物群落生物量、碳素的同化和分配能力、微生物和根系的数量和活性来间接调控土壤呼吸速率[16-18]。

3 讨论与结论

3.1 植被类型和覆土厚度对重构土壤呼吸的影响

土壤CO2排放(也被称为地下部分呼吸)是土壤中生物代谢和生物化学过程等所有因素的综合产物，来源于3个生物过程(植物根呼吸、土壤微生物呼吸和土壤中活的有机体呼吸)和一个非生物过程(土壤中碳素的化学氧化过程)[19]。其中植物根系呼吸和土壤微生物呼吸释放的CO2量占土壤呼吸释放总量的比重较大，因此，所有影响植物根系和土壤微生物生长的因素都会对土壤呼吸产生较大影响。煤矸石充填复垦技术应用于淮南矿区打破了原有生态系统土壤与大气之间的碳循环，一方面，对土地的剧烈扰动加速了碳的排放，另一方面又将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态系统，又区别于其他自然生态系统。

土壤CO2通量因生态修复模式的不同而产生差异，其中B区土壤CO2通量日均值最大5.42 μmol/(m2·s)，分别比A,C,D区高出39.3%，8.0%，18.9%，且A和C区差异显著(p<0.05)，与B区差异极显著(p<0.01)，其他区之间差异不显著(p>0.05)(见表2)。

不同生态修复模式通过改变群落生产力而改变土壤CO2通量，群落生产力的大小反映该生态系统光合作用所固定的碳量，进而决定植被凋落物通过一系列生物化学作用返回到土壤中有机质的量。

大多数研究表明[20-21]，土壤CO2释放的本质是有机质的转化，有机质的多少决定了土壤呼吸的强弱。4种生态修复模式下土壤CO2通量日均值大小为：灌木林>乔木林>草地(图1)。造成这种差异的原因可能有： (1) 塌陷区充填基质存在差异，从而导致其对上覆土壤的理化性质、微生物种类及活性产生的影响不同； (2) 利用填充基质充填后上覆土层的厚度不同，由于覆土厚度的差异会导致填充基质对上层土壤的影响亦存在差异； (3) 修复区采用不同的植被种植，植被自身呼吸速率的差异以及微生物对枯枝落叶分解速率的差异也会导致监测时土壤CO2通量日均值存在差异。

与自然土壤不同，煤矸石充填复垦重构土壤CO2通量还受覆土厚度和施工中的压实等因素的影响。本研究结果表明：不同覆土厚度下土壤表层CO2通量平均值的大小依次为：40—80 cm>0—20 cm>20—40 cm>80—100 cm，日变化幅度最大的是40—80 cm，其次是0—20和20—40 cm，变化幅度最小的是80—100 cm，基本符合随覆土厚度增加日变化幅度减少，这说明除了植被类型，覆土厚度对土壤CO2通量影响较大，综合考虑两者的交互影响能更加全面的了解复垦区土壤碳通量模型。压实问题是煤矸石充填复垦区普遍存在的现象[22-24]，但土壤容重作为土壤物理性质的综合表现，其大小会直接或间接决定土壤水、气孔隙度，微生物活性、根部穿透能力和土壤物理功能[25-26]，进而对土壤CO2通量产生影响。何娜等[27]以落叶松人工林为研究对象，发现压实程度与土壤表面CO2通量存在负相关性。

3.2 土壤温度和土壤含水量对重构土壤呼吸的影响

土壤CO2释放是一个与土壤温度、含水量、植被类型、覆土厚度及有机质等因子密切相关的复杂的生态过程，其各个因子之间是相互影响、相互作用[28]。一些研究认为土壤温度可以解释土壤呼吸的大部分变异，是影响土壤呼吸的主控因子。本研究中，地表温度和地下5 cm土壤温度均与土壤呼吸呈指数函数关系，这与大多数研究结果相一致[29-30]。

杨金艳等[31]通过对东北次生林区6个典型的森林生态系统的土壤表面CO2通量及其与土壤水热因子的相关性进行研究，发现土壤温度、土壤含水量及其交互作用是影响土壤呼吸的主要环境因子，因此，生态系统土壤表层CO2通量估算时要综合考虑土壤水热条件因素。

李小宇等[32]认为，黄土丘陵人工林坡地土壤CO2通量与土壤温度、土壤水分仅在夏季有显著相关性，但本研究土壤CO2排放速率与土壤温度在春季也有显著相关性，二者结果不一致。这可能是因为黄土丘陵地区独特的小区域气候和陡坡地形，并且夏季水蚀(面蚀)过程强烈会导致土壤有机质和水分的重新分配，而该地区土壤CO2排放速率的空间变化分布主要受地形剖面和土壤侵蚀再分布过程的控制。

土壤含水量是土壤呼吸的另一个重要的影响因子。一般情况，只考虑含水量对土壤呼吸的影响效果较差，而综合考虑土壤温度和含水量的交互作用可以达到更好的拟合效果，这一结论在大多数研究[31-33]中得到证实。本研究中，土壤表面CO2通量与土壤含水量呈二次方函数关系，且均达到显著差异(除C区外)，这可能是因为土壤水分通过影响土壤溶解性有机质的变化、植物和微生物能量的分配及土壤透气性、植物根系生长来间接改变土壤呼吸的变化[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

国家自然科学基金项目“煤矸石充填重构土壤气热梯度的表土呼吸响应机理及环境意义”(41572333)，“基于黄铁矿氧化的煤矸石充填复垦土壤CO2运移机理”(51274013)

周育智(1990—),男(汉族),安徽省淮南市人,硕士研究生,研究方向为矿山生态环境修复与土地复垦。E-mail:1602650045@qq.com。

陈孝杨(1976—),男(汉族),安徽省肥西县人,博士,副教授,从事矿山环境修复与土地复垦方面的研究。E-mail:chenxy@aust.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.007

A

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

T167, S281

文献参数： 周育智, 王芳, 陈孝杨, 等.生态修复模式对淮南矿区重构土壤CO2通量日变化的影响[J].水土保持通报，2016,36(6)：040-046.