露天煤矿复垦区人工刺槐林土壤呼吸组分分析

郭春燕，李晋川，岳建英，卢宁，杨生权，王翔，张峰

（1.山西大学 黄土高原研究所，山西 太原 030006；2.山西省生物研究所，山西 太原 030006）

土壤呼吸（R）指土壤向大气排放CO2的过程，是全球碳循环的重要组成部分［1］，主要是由微生物和土壤动物的异养呼吸（Heterotrophic respiration，RH）及根系的自养呼吸（Autotrophic respiration，RA）组成［2－3］.随着全球碳循环成为研究热点［4－5］，土壤碳库作为陆地生态系统最大的碳库也受到了广泛关注.在进行净生态系统生产力估算［6］、土壤有机物评价、土壤的碳净存留量等研究中，均需要量化RH和RA.由于土壤呼吸作用复杂多变，将根呼吸从土壤呼吸中分离出来，进行精准测定一直是困扰研究者的难题.目前根呼吸测定主要有直接测定法、有根与无根比较测定法、稳定或者放射同位素技术测定法3种方法［7］.本研究以安太堡露天煤矿排土场人工刺槐林为研究对象，采用去根对照的方法，测定去根与未去根样地的土壤表面CO2通量及环境因子，从而探明人工刺槐林RH和RA的季节变化规律.为复垦地人工刺槐林土壤碳库和碳循环提供理论参考.

1 研究区域自然概况

研究样地设在平朔安太堡露天煤矿南排土场海拔1420m平台，地处山西省朔州市平鲁区境内，该区域为黄土高原丘陵生态极度脆弱区，112°10′58″－113°E，北纬39°23′－39°37′N，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.年降雨量为428.2～449.0mm，年蒸发量1786.6～2598.0mm.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℃.全年无霜期约115－130d.矿区年平均风速2.5～4.2m／s，最大风速20m／s.原地貌植被覆盖率低，零星分布，属于干草原类型，土壤风化强烈，土质偏砂，为栗钙土与栗褐土的过渡类型.

人工刺槐林面积0.8hm2，株行距为2m×1.5m，林龄19a，海拔1420m，树高5～8m，胸径10～18 cm.林中有自然更新的刺槐苗及入侵的榆树苗，主要伴生草本植物有艾（Artemisia argyi）、白莲蒿（Artemisia sacrorum）、阿尔泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、草地风毛菊（Saussurea amara）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、无芒雀麦（Bromus inermis）、披碱草（Elymus dahuricus）、赖草（Leymus secalinus）、长芒草（Stipa bungeana）、西北针茅（Stipa sareptana）等.

2 研究方法

2.1 土壤呼吸及温度、水分的测定

2010年10月在人工刺槐林地内按“S”型确定8个土壤呼吸测定小样方（10m×10m），每个小样方内分别用PVC管确定1个固定测量位点，将PVC管（直径30cm，长10cm）埋于土中，露出地面3cm，在该固定位点旁挖壕沟，做去根处理，用PVC管（直径30cm，长30cm）隔离.2011年选择植物生长季5月－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.在每次测量的前一天，将土壤圈（PVC管，直径10 cm，长5cm）插入测量点，将土壤圈内的植物齐地表剪下，尽量不扰动土壤.5cm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，5cm深度的土壤含水量由EC50水分仪测定.

2.2 数据统计分析

根呼吸贡献率（RC）计算：

Q10值计算公式［8］：

式中，b为温度反应系数.用One－Way ANOVA进行方差分析土壤呼吸组分与土壤温度、水分季节变化的显著性；用线性和非线性回归分析土壤呼吸与土壤温度、水分的相关关系.

3 结果分析

3.1 去根对土壤温度与水分的影响

从图1可以看出，人工刺槐林土壤温度与水分均呈显著的季节性变化（P＜0.01）.去根系处理的土壤温度（TRH）与水分（WRH）与相应对照（TR、WR）差异均不显著（P ＞0.05），但去根系土壤水分月均值大于对照，两者土壤温度基本相同.土壤温度与水分均为夏季（6、7、8月）最高，春季（5月）最低，其中土壤温度7月份（31.3℃、31.12℃）最高，土壤水分则为8月份（18%、17%）最高.

图1 人工刺槐林去除根系和对照的土壤温度与水分的比较Fig.1 Comparisons on soil temperature and moisture of different treatments without root（No root）and with root（control）in Robinia pseudoacacia plantation

3.2 土壤呼吸不同组分季节变化（表1，P130）

人工刺槐林R具有显著的季节变化（P ＜0.01），变化范围为5.82－16.85μmol·m－2·s－1，8月份最高，7、9月份较高，6、10月份次之，5月份最低.RH季节变化规律同R（P ＜0.01），变化幅度为3.42～13.52 μmol·m－2·s－1，但RA随季节变化差异不明显（P ＝0.593），变化幅度为2.19～3.60μmol·m－2·s－1.RC呈现明显的季节变化（P＝0.005），变化趋势与R、RH相反，变化范围为19.00%～41.75%，5、10月份较高，6、9月份次之，7、8月份最低.在整个植物生长季，人工刺槐林R、RH、RA月均值分别为：10.83、7.96、2.87μmol·m－2·s－1，RC月均值为29.17%.

表1 人工刺槐林土壤呼吸组分季节变化Table 1 Seasonal change of soil respiration component in Robinia pseudoacacia plantation

3.3 土壤呼吸与温度、水分的相关关系

对人工刺槐林土壤呼吸与温度和水分进行线性与非线性回归分析，回归模型见表2.去除根系并没有改变土壤呼吸速率与5cm土壤温度与水分之间的关系，R和RH与温度的回归模型中，均为幂函数相关指数最高（R2＝0.115，0.174；P ＜0.05），与水分均为线性函数相关系数最高（r＝0.314，0.430；P ＜0.01），与温度和水分双因子均为幂函数相关指数最高（R2＝0.296，0.404；P ＜0.05），且RH与温度、水分单因子和双因子的相关性均高于R.

表2 土壤呼吸与温度和水分的回归模型Table 2 Regression models of soil respiration against soil temperature and soil moisture

根据表2中土壤呼吸与温度回归指数模型，计算得出R与RH的温度敏感系数Q10值分别为1.21和1.27，RH的Q10值＞R的Q10值.

4 讨论

本研究表明，土壤呼吸主要由气候条件决定［9］，呈现明显的季节变化，这与许多天然生态系统土壤呼吸的研究结果相同［10－13］.由于RH与RA对土壤理化性状、植被组成、气候等环境变量的响应不同［14－16］，二者呈现出不同的季节变化规律.RH与R季节变化规律相同，随着土壤温度与水分含量的升高，RH在R中所占比例迅速增大，而RA季节变化不显著，表明影响R的环境因子同样作用于RH，RH主要由土壤温度与水分驱动，而RA由根生物量和单位根呼吸速率所决定的，主要受植被碳分配［17］、植被根系特征［18］和土壤水热状况等因子的综合影响，随着植物的种类、年龄以及生长环境的改变而变化.因此，根呼吸主要由于植物生长状况和环境相关的生物和非生物因子的调控.RH在各月份中均为R的优势组成成分，所占比例在59%～81%之间，这与大多数研究结果基本一致［19－22］.

人工刺槐林土壤去根系后，土壤水分月均值较对照高，月均温度差异微小，这与朱凡［23］等关于人工杉木林去根系后土壤水分与温度的研究相同，去根系处理，明显干扰了根系对土壤水分的吸收.本研究去根系后并未改变RH与温度、水分的相关关系，土壤呼吸与土壤温度呈显著幂函数关系，与水分呈极显著线性函数关系.该分析结果与一些人工生态系统土壤呼吸与土壤温度、水分的相关关系［24－25］有所不同，可能由研究区域自然条件、植被类型差异所致.RH与土壤温度、水分的回归方程决定系数大于对照，且它的温度敏感性系数Q10值大于对照的Q10值，与Ngao［26］等在法国东北部采用挖壕沟法研究根呼吸贡献率的结果一致.这主要是由于去根系后，土壤微生物主要受土壤温度与水分的调控.当温度较低时，土壤微生物呼吸主要是受生物化学反应限制；温度较高时，那些主要依赖扩散运输的代谢底物和代谢产物就成了微生物呼吸的限制因子.土壤水分过低或过高，均不利于土壤微生物的生存，RH受到限制.［27］R和RH与土壤温度及水分的双因子拟合方程决定系数与相应单因子相比，均有一定程度的提高.这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［28－31］.

土壤呼吸是一个复杂的生物过程，受土壤质地、有机质含量、风速、降水、土壤C／N等非生物因子，生物量、叶面积指数、植被掉落物等生物因子以及人类活动等诸多环境因子共同影响，其中土壤温度和湿度是影响土壤呼吸的最重要的环境因子［32－33］，因此在构建土壤呼吸模型时应将这些因子的单个或者综合作用考虑进去.为进一步准确测定人工刺槐林土壤呼吸不同组分，仍需进行长期的动态研究，为评价露天煤矿复垦区土壤肥力提供指标.为估测黄土高原生态系统碳平衡积累数据.

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