盧 寧,李晉川,郭春燕,王文英,楊生權(quán),王宇宏
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山西太谷030801;2.山西省生物研究所,山西太原030006)
土壤呼吸是指土壤向大氣排放CO2的過(guò)程,是土壤有機(jī)碳輸出的主要形式。從嚴(yán)格意義上講,它是指未受擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用[1]。作為土壤碳庫(kù)的唯一輸出途徑和大氣CO2的重要源,土壤呼吸是陸地乃至全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分。土壤碳庫(kù)以土壤呼吸的形式向大氣釋放大量的CO2,致使大氣CO2含量的變化,同時(shí)大氣中的CO2通過(guò)光合作用被陸地上的綠色植物固定,通過(guò)根系分泌物、凋落物分解等方式向土壤中返還部分碳,從而形成土壤碳循環(huán)[2]。
國(guó)外對(duì)土壤呼吸的研究較早,可追溯到19世紀(jì)初,而土壤呼吸大規(guī)模的研究始于20世紀(jì)70年代,大部分集中在中緯度的草原、森林和農(nóng)田[3]。20世紀(jì)90年代以來(lái),人們將土壤呼吸作為大氣CO2重要的源進(jìn)行了廣泛的研究。目前,國(guó)外對(duì)土壤呼吸的研究主要集中在影響因子(如溫度、濕度、土壤肥力等)和土壤呼吸各組分區(qū)分等方面。
國(guó)內(nèi)對(duì)土壤呼吸的研究開(kāi)展較晚,始于20世紀(jì)90年代。早期有對(duì)農(nóng)田排放CO2的測(cè)定,近年來(lái)的研究主要集中在草原、森林生態(tài)系統(tǒng),但還沒(méi)有進(jìn)行廣泛和系統(tǒng)的研究,例如對(duì)礦區(qū)復(fù)墾地土壤呼吸的研究還很少。牟守國(guó)等[4]通過(guò)對(duì)徐州垞城礦區(qū)采煤塌陷地充填復(fù)墾土壤呼吸的研究得出,用煤矸石充填復(fù)墾場(chǎng)地的土壤生物活性要好于用粉煤灰充填場(chǎng)地的土壤生物活性,與對(duì)照耕地土壤接近。
土壤呼吸作為表征土壤質(zhì)量和肥力以及土壤透氣性的重要生物學(xué)指標(biāo),反映了土壤生物活性和土壤物質(zhì)代謝的強(qiáng)度。土壤呼吸的高低還可以反映土壤養(yǎng)分循環(huán)供應(yīng)水平,對(duì)所在地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生較大影響[5]。目前,對(duì)煤礦復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量的研究大部分都偏重于土壤的理化性質(zhì),而將土壤呼吸作為評(píng)價(jià)煤礦復(fù)墾區(qū)土壤質(zhì)量指標(biāo)的論著并不多。
本試驗(yàn)所在地山西朔州市平朔安太堡露天煤礦,經(jīng)過(guò)地形整治以后形成了復(fù)墾區(qū)的排土場(chǎng)。通過(guò)對(duì)排土場(chǎng)土壤呼吸的研究,嘗試將土壤呼吸原理應(yīng)用到復(fù)墾土壤生態(tài)質(zhì)量研究中,旨在為露天煤礦土地復(fù)墾中土壤肥力、土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。
平朔安太堡露天煤礦地處黃土高原東部、山西省北部的朔州市平魯區(qū)境內(nèi),東經(jīng)112°10′~113°30′,北緯 39°23′~39°37′,與號(hào)稱(chēng)黃土高原“黑三角”的世界特大型煤田——神府東勝煤田相連(圖1)。
平朔礦區(qū)屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū),冬春干旱少雨、寒冷多風(fēng),夏秋降水集中、溫涼少風(fēng)。區(qū)內(nèi)年平均降雨量為428.2~449.0mm,年蒸發(fā)量1 786.6~2 598.0mm??諝馄骄^對(duì)濕度為6.9 mbar,平均相對(duì)濕度為54%。礦區(qū)年平均氣溫為為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(wú)霜期115~130 d。礦區(qū)年平均風(fēng)速為2.5~4.2m/s,最大風(fēng)速可達(dá)20m/s。
試驗(yàn)地點(diǎn)在安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)1360平臺(tái),復(fù)墾年限16年,土壤為黃綿土,腐殖質(zhì)層厚3 cm。植被為榆樹(shù)、檸條、油松、刺槐,覆蓋度約80%。樣點(diǎn)有機(jī)質(zhì)含量為40.4 g/kg,孔隙度為48.43%[7]。
采用Li-6400便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)連接Li-6400-09土壤呼吸室對(duì)土壤呼吸進(jìn)行測(cè)定,分別在2009年天氣晴朗的7月24日、9月15日、10月 13日進(jìn)行,從8:00—18:00每小時(shí)測(cè)1次,重復(fù)6次,取其平均值。在每次測(cè)量的前1周,將土壤圈(PVC管,直徑10 cm,高5 cm)插入測(cè)量點(diǎn),測(cè)量時(shí)將土壤圈內(nèi)的植物齊地表剪下,盡量不擾動(dòng)土壤。10 cm深的土壤溫度用Li-6400光合系統(tǒng)的土壤溫度探針測(cè)定,空氣溫度用Li-6400便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定,土壤濕度用水分儀測(cè)定[8]。
通過(guò)試驗(yàn)得出安太堡露天煤礦土壤呼吸日變化曲線(圖2)。
從圖2可以看出,安太堡露天煤礦土壤呼吸日變化比較明顯,不同時(shí)期的土壤呼吸速率均呈現(xiàn)單峰型曲線,與森林、草原[9]、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[10]的土壤呼吸速率日變化一致。峰值出現(xiàn)在13:00—15:00,在測(cè)定時(shí)間內(nèi)土壤呼吸速率的最大值為3.53 μmol/m·2s,最小值為 0.87 μmol/m·2s。
3.2.1 土壤呼吸日變化與土壤溫度和大氣溫度的關(guān)系 土壤溫度是土壤呼吸最重要的影響因子[11]。從圖3可以看出,隨著空氣溫度的上升,土壤溫度開(kāi)始上升,土壤呼吸速率也開(kāi)始上升,在13:00—15:00達(dá)到最大值,之后土壤呼吸速率開(kāi)始下降。土壤呼吸速率最大值與土壤溫度最大值同步,土壤呼吸最高峰大致發(fā)生在10 cm土壤溫度最高的時(shí)刻,稍滯后于空氣溫度最大值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是土壤中微生物代謝強(qiáng)度隨土壤溫度變化而呈指數(shù)變化所致[12]。該平臺(tái)經(jīng)過(guò)多年復(fù)墾,土壤肥力和土壤質(zhì)量已有很大改善,地表的腐殖質(zhì)層和枯枝落葉層導(dǎo)致土壤溫度的變化滯后于空氣溫度??諝鉁囟鹊挠绊懸蛩睾芏啵ㄈ顼L(fēng)速、空氣濕度等),所以空氣溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系比較復(fù)雜,趨勢(shì)不太明顯。
3.2.2 土壤呼吸日變化與土壤濕度的關(guān)系 土壤呼吸與土壤濕度的關(guān)系比較復(fù)雜,有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),土壤濕度是影響土壤呼吸的重要因素之一[13],且土壤呼吸與土壤濕度具有線性相關(guān)性[14];也有學(xué)者認(rèn)為二者相關(guān)性較差[15]。從圖4可以看出,在測(cè)定時(shí)間內(nèi),土壤濕度呈波動(dòng)變化,但范圍不大;土壤呼吸與土壤濕度的相關(guān)性較差,只是在一定范圍內(nèi),隨土壤濕度升高而升高,隨土壤濕度降低而降低,說(shuō)明測(cè)定時(shí)間內(nèi)還有其他影響因子對(duì)土壤呼吸發(fā)生調(diào)控作用。
本試驗(yàn)研究表明,隨著空氣溫度的上升,土壤溫度開(kāi)始上升,土壤呼吸速率也開(kāi)始上升,在13:00—15:00達(dá)到最大值,之后土壤呼吸速率開(kāi)始下降。土壤呼吸速率最大值與土壤溫度最大值同步,稍滯后于空氣溫度最大值。土壤呼吸與土壤濕度相關(guān)性較差,只是在一定范圍內(nèi),隨土壤濕度升高而升高,隨土壤濕度降低而降低。
土壤呼吸的影響因子很多,如土壤溫度、空氣溫度、土壤濕度、土壤有機(jī)質(zhì)、植被類(lèi)型、風(fēng)速等,但這些因素并不是單一對(duì)土壤呼吸發(fā)生影響,在很多情況下,這些因素的影響還會(huì)呈現(xiàn)出交互作用[16]。在特定時(shí)空條件下,只是某個(gè)影響因素居于主導(dǎo)地位,且在不同時(shí)空尺度下,土壤呼吸的主導(dǎo)因素是變化的。
本試驗(yàn)只分析了土壤呼吸的日變化與土壤空氣溫度和土壤濕度的關(guān)系,對(duì)復(fù)墾區(qū)土壤呼吸的其他影響因子以及季節(jié)變化等方面還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)研究,才能將土壤呼吸原理應(yīng)用到復(fù)墾土壤生態(tài)質(zhì)量研究中,為露天煤礦土地復(fù)墾中土壤肥力、土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。
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