复垦土壤气热条件对薄荷生长与根系呼吸的影响

陈孝杨，胡智勇，邢雅珍，张凌霄，年世宇

(安徽理工大学地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

煤矿开采为国际经济发展做出重大贡献的同时也引发了许多地质环境问题，特别是开采沉陷对原有的自然植被和农田等表土资源造成了严重的破坏[1-2]。为了改善矿区土壤的生态环境，土地复垦技术体系常被应用到煤矿区地质环境治理和土地生产力恢复工程中。经过长期的理论研究与实践证明，利用煤矸石充填复垦煤矿塌陷区构造一个适宜的土壤剖面，恢复或改善区域生态环境，从而达到或接近原有土壤质量是经济有效的[3-4]。这种由于人类技术工程而形成的煤矸石充填复垦土壤可界定为人工土壤或技术性土壤[5]，这类技术性重构的土壤与自然土壤存在着显著的差异，由于煤矸石中C、S等物质缓慢氧化，逐渐累积CO2并释放出热量，导致上覆土壤二氧化碳浓度与土壤温度发生改变[6]，从而影响表土植物生长发育、生存代谢、以及根系呼吸速率。

一般来说，根系呼吸速率是表征土壤质量和土壤养分的重要指标之一，也是土壤生物活性及其物质代谢强度的判断依据[7-8]，往往可以作为考察矿区生态系统恢复状况的一个重要标准。目前，国内外对于根系呼吸的研究主要集中于对各环境因素的响应[9-10]，而忽略了土壤内部产生的温度和二氧化碳浓度对根系呼吸的影响。随着国内外土地复垦理论技术体系的进一步完善， 煤矸石充填复垦土地这部分“人造土壤” 所占的比例将越来越大[11]，这类土壤内部产生的温度和二氧化碳浓度变化对表土植物根系CO2释放特性的影响非常值得人们进行研究和探索。

基于此，本文应用控制CO2通气量和加热的室内试验装置，模拟矿区土壤内部产生的温度和CO2浓度，在不同的CO2浓度和温度条件下，通过对比研究薄荷的叶面积指数、生物量以及根系呼吸速率等方面的变化特征，揭示植物对矿区土壤内部CO2和土壤温度变化的响应规律。

1 材料与方法

1.1 材料

由于薄荷对环境适应能力强，生长速度快且容易存活，试验选取柠檬薄荷(植被)为研究对象，试验在校内实验室进行。根据千粒重[12]选取健康、出苗率高的种子进行播种，发育后以黑土(有机质含量高)为基质进行大量枝条扦插，待其生根后，选择优良幼苗移栽至试验装置中，确保高度、大小、重量相同，栽培条件一致。

1.2 试验模拟方法

1)试验装置。加热与通气装置采用课题组研制的复垦土壤传质传热实验台(60cm×60cm×100cm)(见图1)及有机玻璃土柱(π×10cm×10cm×100cm)(见图2)分别进行土壤气、热模拟实验。土壤传质传热实验台相连的包括温湿度数据采集集成电路控制面板和电子计算机，可实现底部供热控制及剖面温、湿度数据的采集与储存；有机玻璃土柱相连的还包括一个储存高压CO2的气瓶。在气瓶出气口有一个气体流量控制器，实现定量供给CO2。

图2 复垦土壤气体梯度响应模拟实验土柱

2)土壤填充。为模拟矿区煤矸石充填复垦原土壤环境，将过筛(2cm)后的煤矸石与土壤样品根据现场所测得的实际密度与含水量分层填充进试验台和有机玻璃柱中(质量含水量15%，容重1.45g/cm3)，其中矸石层为40cm，土壤层为60cm。由于矿区土壤腐殖质组分含量相对较少，不利于薄荷的生长和发育，为保证薄荷的存活率，表土10cm采用网上购买的东北大兴安岭黑土进行充填。

3)试验方法。底部加热温度分别设置20℃、40℃、60℃，通气梯度为1L/min、2L/min和3L/min，各梯度充气时间分别设置5min、10min，每个梯度做3组平行。相同加热与通气梯度持续栽培薄荷幼苗时间为30d，保证单位面积种植密度一致，每天水分补给100mL，均匀布施。培养过程中保持室内温度不变、且透光性强，保证植被白天能够进行充分光合作用。

1.3 测定方法

1)形态特征测定。薄荷地上部分和地下部分生物量采用收获烘干法测定，烘箱中105℃杀青半小时后在80℃烘箱内烘干至恒重。采用打孔称质量法测定叶面积，计算叶面积指数[13]。

2)根系呼吸速率测定。土壤呼吸速率测量采用静态密闭气室系统与泵吸式红外气体CO2分析仪测定，静态箱为PVC 管制成(高25cm，直径9.5cm)，测量前小心去除表层土壤植物并测量静态密闭气室底座内的初始CO2体积分数，待收集完成后(1h)，将泵吸式CO2浓度测定仪插入PVC管内测量收集后的CO2体积分数(确保插入过程中无气体泄漏)；最后根据CO2体积分数的变化，通过公式(1)计算土壤呼吸速率。种植薄荷区域与空白区域土壤呼吸速率差值即为根系呼吸速率。

(1)

式中：ρ为标准状态下CO2的密度；ΔC为CO2收集前后体积分数的变化；Δt为采集时间。

2 结果与分析

2.1 通气对薄荷形态特征及根系呼吸速率的影响

不同通气时间水平下，薄荷形态特征及根系呼吸速率对CO2通入浓度的升高所产生的响应不同(见表1)。通气5min/d时，随着CO2浓度的升高，除叶面积指数呈先增加后下降的趋势外，地上、地下生物量及根系呼吸速率均呈上升趋势，在3L/min时达到最大值，分别为0.67g、0.74g、0.53/(μmol·m2·s-1)，较最小值分别增加了21.8%、39.6%、112%。相比每天通气5min/d，通气10min/d时，随着CO2浓度的升高，薄荷形态特征及根系呼吸变化与其相反，除叶面积指数呈下降状态外，地上、地下生物量及根系呼吸速率均呈先上升后下降趋势，通气浓度在2L/Min时达到最大值，分别为0.55g、0.70g、0.40/(μmol·m2·s-1)，较最低值分别增加了17.0%、9.4%、37.9%。这说明相比叶面积指数、地上及地下生物量来说，薄荷的根系呼吸速率对土壤CO2浓度变化的响应程度更大。

综合对比通气10min/d与5min/d发现(见表2)，通气10min/d较通气5min/d根系生物量与根系呼吸速率均有下降，分别为17%、8%，叶面积指数与地上生物量略有上升，分别为1%、9%。这主要是因为CO2可直接参与光合作用，是植物暗反应阶段的主要需求物质，在一定范围内，大气CO2浓度增加会促进绿色植物的光合作用，增加植株高度、叶片数量，甚至改变植物品质，提高其产量[14-15]，由于底部CO2通气时间的增长，造成表土CO2泄漏量增加，便会导致表土上方空气CO2升高，使薄荷的叶面积与地上生物量增加。但随着地上光合作用产物的增多，植物根系的生长和呼吸O2消耗含量也会不断增多。另外，随着CO2通入土壤包气带的时间增加，过多的CO2便会置换土壤中的O2，降低土壤中的O2含量[16-17]，导致薄荷根系生物量和呼吸作用受到限制，造成根系生物量与根系呼吸速率均有下降。

表1 不同通气时间和浓度条件下薄荷形态特征及根系呼吸速率

表2 不同通气时间条件下薄荷形态特征及根系呼吸速率均值

2.2 加热对薄荷形态特征及根系呼吸速率的影响

土壤温度是影响植被生长以及根系呼吸作用的主要驱动因素，通过参与植物根系生理过程直接影响植被的生长和发育[18-19]。通过对煤矸石底部加热研究发现(见表3)，随着加热温度由20℃升高至40℃，在升高至60℃的过程中，薄荷的叶面积指数、地上地下生物量以及根系呼吸速率均表现出先上升后下降的趋势，在40℃时达到最大值，分别为6.21、1.69g、2.26g、0.57/(μmol·m2·s-1) ，这说明薄荷的叶面积指数、地上地下生物量以及根系呼吸速率并不随着土壤温度的升高而一直上升。这主要是因为一般植物根系在土温2～4℃时便开始有微弱的生长，在10℃以上时生长比较活跃，但随着土壤温度的持续上升至30～35℃时，植被的生长便会受到抑制[20]。随着煤矸石底部持续加热，土壤温度逐渐由底部传递至表土，当加热温度上升至60℃时，表土温度也会上升至30℃以上，从而相对抑制了薄荷的生长。对比底部加热20℃与60℃发现，加热60℃时，叶面积指数，根系及地表生物量依然有小幅度上升，分别上升了0.19%、2.05%、2.3%；但根系呼吸速率却表现出高幅度的上升，上升了55.9%。这主要是因为根系呼吸作用包括植物根系呼吸及根际微生物呼吸，随着土壤温度的上升，土壤微生物的活性也会随之上升，从而使根系呼吸速率产生了高幅度的上升。

表3 不同加热温度条件下薄荷形态特征及根系呼吸速率均值

2.3 根系呼吸速率与形态特征的关系

回归分析广泛用于描述植物根系呼吸速率与叶面积指数、根系生物量与地表生物量之间的关系。通过多种拟合方式发现(见表4)，薄荷根系呼吸速率与根系生物量的拟合曲线中对数函数模型的相关系数R2=0.428最大，冥函数次之，方差分析的P值除指数函数外均小于0. 05，因此拟合效果最好的是对数函数模型，则根系呼吸速率与根系生物量之间的最佳函数模型是y=0.148 1ln(x)+0.430 3， 这说明根系呼吸速率与根系生物量之间呈显著的正相关关系。 观察薄荷根系呼吸速率与地表生物量之间的拟合关系发现， 仅在多项式函数模型下表现出相关性(P<0.05)， 则根系呼吸速率与地表生物量之间的最佳函数模型是y= -0.302x2+0.936 3x-0.132 8，这表明，仅在一定的范围内，根系呼吸速率会随着地表生物量的上升而上升， 当超过临界值时， 便会随着地表生物量的增加而下降。综合从表4可以看出，薄荷根系呼吸速率与形态特征之间的相关系数R2值大小为： 根系生物量(0.428)>地表生物量(0.408)， 但与叶面积指数之间无显著的相关关系(P>0.05)。 因此，在固定的试验条件下， 薄荷的根系生物量以及地表生物量均是根系呼吸速率重要的形态特征因素。

表4 薄荷根系呼吸速率与其形态特征回归分析

3 结论

(1)不同通气时间条件下，CO2通入浓度对薄荷生理特征及根系呼吸速率影响不同，在通气5min/d时，随着通入CO2浓度的升高，除叶面积指数呈先增加后下降的形式外，地上、地下生物量及根系呼吸速率均呈上升趋势，在3L/Min时达到最大值；通气10min/d时，随着CO2浓度的升高，除叶面积指数呈下降状态外，地上、地下生物量及根系呼吸速率均呈先上升后下降趋势，通气浓度在2L/Min时达到最大值，综合对比通气10min/d与5min/d发现，通气10min/d较通气5min/d根系生物量与根系呼吸速率均有下降，分别为17%、8%，而叶面积指数与地上生物量略有上升，分别为1%、9%。

(2)随着煤矸石底部加热温度由20℃升高至40℃，在升高至60℃的过程中，薄荷的叶面积指数、地上地下生物量以及根系呼吸速率均表现出先上升后下降的趋势，在40℃时达到最大值。

(3)薄荷根系呼吸速率与根系生物量以及地表生物量之间存在显著的相关性，与叶面积指数无显著的相关关系，且相关系数R2值大小为：根系生物量(0.428)>地表生物量(0.408)。