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)大學資源與環(huán)境學院，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的過程，是土壤有機碳輸出的主要形式。從嚴格意義上講，它是指未受擾動的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝作用[1]。作為土壤碳庫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，同時大氣中的CO2通過光合作用被陸地上的綠色植物固定，通過根系分泌物、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]。

國外對土壤呼吸的研究較早，可追溯到19世紀初，而土壤呼吸大規(guī)模的研究始于20世紀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90年代以來，人們將土壤呼吸作為大氣CO2重要的源進行了廣泛的研究。目前，國外對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。

國內(nèi)對土壤呼吸的研究開展較晚，始于20世紀90年代。早期有對農(nóng)田排放CO2的測定，近年來的研究主要集中在草原、森林生態(tài)系統(tǒng)，但還沒有進行廣泛和系統(tǒng)的研究，例如對礦區(qū)復墾地土壤呼吸的研究還很少。牟守國等[4]通過對徐州垞城礦區(qū)采煤塌陷地充填復墾土壤呼吸的研究得出，用煤矸石充填復墾場地的土壤生物活性要好于用粉煤灰充填場地的土壤生物活性，與對照耕地土壤接近。

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指標，反映了土壤生物活性和土壤物質(zhì)代謝的強度。土壤呼吸的高低還可以反映土壤養(yǎng)分循環(huán)供應水平，對所在地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力產(chǎn)生較大影響[5]。目前，對煤礦復墾區(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價煤礦復墾區(qū)土壤質(zhì)量指標的論著并不多。

本試驗所在地山西朔州市平朔安太堡露天煤礦，經(jīng)過地形整治以后形成了復墾區(qū)的排土場。通過對排土場土壤呼吸的研究，嘗試將土壤呼吸原理應用到復墾土壤生態(tài)質(zhì)量研究中，旨在為露天煤礦土地復墾中土壤肥力、土壤質(zhì)量的評價提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況[6]

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′，與號稱黃土高原“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氣候區(qū)，冬春干旱少雨、寒冷多風，夏秋降水集中、溫涼少風。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^對濕度為6.9 mbar，平均相對濕度為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℃；全年無霜期115～130 d。礦區(qū)年平均風速為2.5～4.2m/s，最大風速可達20m/s。

試驗地點在安太堡露天煤礦南排土場1360平臺，復墾年限16年，土壤為黃綿土，腐殖質(zhì)層厚3 cm。植被為榆樹、檸條、油松、刺槐，覆蓋度約80%。樣點有機質(zhì)含量為40.4 g/kg，孔隙度為48.43%[7]。

2 土壤呼吸與環(huán)境因子的測定方法

采用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)連接Li-6400-09土壤呼吸室對土壤呼吸進行測定，分別在2009年天氣晴朗的7月24日、9月15日、10月 13日進行，從8：00—18：00每小時測1次，重復6次，取其平均值。在每次測量的前1周，將土壤圈（PVC管，直徑10 cm，高5 cm）插入測量點，測量時將土壤圈內(nèi)的植物齊地表剪下，盡量不擾動土壤。10 cm深的土壤溫度用Li-6400光合系統(tǒng)的土壤溫度探針測定，空氣溫度用Li-6400便攜式光合作用測量系統(tǒng)測定，土壤濕度用水分儀測定[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤呼吸的日變化

通過試驗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，在測定時間內(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 土壤呼吸與其影響因子的關(guān)系

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，土壤溫度開始上升，土壤呼吸速率也開始上升，在13：00—15：00達到最大值，之后土壤呼吸速率開始下降。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度隨土壤溫度變化而呈指數(shù)變化所致[12]。該平臺經(jīng)過多年復墾，土壤肥力和土壤質(zhì)量已有很大改善，地表的腐殖質(zhì)層和枯枝落葉層導致土壤溫度的變化滯后于空氣溫度。空氣溫度的影響因素很多（如風速、空氣濕度等），所以空氣溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系比較復雜，趨勢不太明顯。

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)系比較復雜，有學者研究發(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]；也有學者認為二者相關(guān)性較差[15]。從圖4可以看出，在測定時間內(nèi)，土壤濕度呈波動變化，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，說明測定時間內(nèi)還有其他影響因子對土壤呼吸發(fā)生調(diào)控作用。

4 結(jié)論與討論

本試驗研究表明，隨著空氣溫度的上升，土壤溫度開始上升，土壤呼吸速率也開始上升，在13：00—15：00達到最大值，之后土壤呼吸速率開始下降。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、土壤有機質(zhì)、植被類型、風速等，但這些因素并不是單一對土壤呼吸發(fā)生影響，在很多情況下，這些因素的影響還會呈現(xiàn)出交互作用[16]。在特定時空條件下，只是某個影響因素居于主導地位，且在不同時空尺度下，土壤呼吸的主導因素是變化的。

本試驗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，對復墾區(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行長期的動態(tài)研究，才能將土壤呼吸原理應用到復墾土壤生態(tài)質(zhì)量研究中，為露天煤礦土地復墾中土壤肥力、土壤質(zhì)量的評價提供理論依據(jù)。

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