荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子.pdf

荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子刘英1,2,3，林家权1，岳辉1,2，毕银丽2,4，彭苏萍5(1.西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西西安710054；2.西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院,陕西西安710054；3.自然资源部矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室,陕西西安710054；4.西安科技大学地质与环境学院,陕西西安710054；5.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083)摘要：深入了解荒漠化露天矿不同土地利用方式下不同深度土壤呼吸昼夜变化规律及影响因子，对评估生态脆弱的露天矿区生态系统碳循环至关重要。以红沙泉露天矿为研究对象，采用 EGM-5便携式红外气体观测系统，监测获取不同土地利用类型下不同深度土壤昼夜呼吸速率并获取相关影响因子，分析得到各土地利用类型土壤呼吸变化规律与特征及其主要影响因素。结果表明：5 种代表性地物类型之间的昼夜土壤呼吸差异显著，10 和 30cm 土壤呼吸速率日均值表现为人工林红沙泉排土场复垦区柽柳林南线，10cm 分别为5.72、0.98、0.34、0.08、0.08mol/(m2s)，30cm 分别为 5.14、2.18、0.77、0.40、0.05mol/(m2s)，南线为碳汇，其余 4 种地物类型为碳源。土壤呼吸速率昼夜变化规律明显，排土场复垦区不同土层和红沙泉 10cm 土壤呼吸昼夜变化呈“双峰”趋势，人工林、南线不同土层及红沙泉 30cm 均呈“单峰型”，而柽柳林 10 和30cm 土壤呼吸昼夜变化呈“多峰型”。在日尺度上，排土场复垦区、人工林和红沙泉 10cm 土壤呼吸速率与土壤温度(P0.05)和土壤含水量(P0.01)呈显著正相关；土壤温度和土壤含水量能较好的综合解释矿区内 5 种地物类型土壤呼吸速率 50.5%97.3%的变化，而南线 10cm 仅11.3%。土壤温度对柽柳林和南线土壤昼夜呼吸影响较弱，白天土壤温度限制土壤呼吸，而夜间及清晨土壤温度促进土壤呼吸。柽柳林和南线土壤呼吸与土壤碳含量关系与其余 3 种地物类型不同，与无机碳(SIC)呈显著负相关(相关系数 r=0.69,PHongshaquanreclamationareaofdumptamariskforestsouthernline,at10cmdepthare5.72,0.98,0.34,0.08and0.08mol/(m2s),respectively,andat30cmdepthare5.14,2.18,0.77,0.40and0.05mol/(m2s),respectively.Thesouthernlineiscarbonsink,andtheotherfourtypesoflandfeaturesarecarbonsources.Thediurnalvariationofsoilrespirationrateisobvious.Thediurnalvari-ationofsoilrespirationindifferentsoillayersandHongshaquanat10cmdepthinthereclamationareaofthedumpsiteshowsa“doublepeak”trend.Thediurnalvariationofsoilrespirationat10and30cmdepthsintamariskforestshowsa“multi-peak”trend.Onthediurnalscale,thesoilrespirationrateat10cmdepthinthedumpreclamationarea,theartifi-cialforestandHongshaquanissignificantlypositivelycorrelatedwithsoiltemperature(P0.05)andsoilwatercontent(P0.01).Thediurnalrespirationofsoilintheforestandthesouthernlineisweak,andthedaytimesoiltemperatureinthetamariskforestandthesouthernlinelimitssoilrespiration,whilethenighttimeandearlymorningsoiltemperaturepro-motessoilrespiration.Soiltemperatureandsoilwatercontentcanbetterexplainthevariationofsoilrespirationrateof50.5%97.3%forthefivefeaturetypesintheminearea,whileonly11.3%for10cminthesouthernline.Therearedifferencesintherelationshipbetweensoilrespirationandsoilcarboncontentintamariskforestandsouthernline,andtherelationshipbetweenthesoilrespirationandsoilcarboncontentoftheotherthreetypesoflandfeatures.Thetamariskforestandsouthernlinesoilrespirationhaveasignificantnegativecorrelationwithinorganiccarbon(SIC)(r=0.69,P0.01),thesoilrespirationrateisnegativeduetoinorganicprocesses,andSICisthekeyfactorofsoilcarbonsink.However,thesoilrespirationindumpreclamationarea,artificialforestandHongshaquanallhaveastrongnegativecorrel-ationwithdissolvedactiveorganiccarbon(DOC).Thesoilrespirationinsouthernlineandtamariskforestalsohasastrongpositivecorrelationwithsoilorganiccarbon(SOC).SOCandDOCareimportantfactorsofsoilcarbonsources.Tosumup,thesoilrespirationratesofdifferenttypesoflandfeaturesanddifferentdepthsintheHongshaquanminingareaaresignificantlydifferent,andtheresponsesofsoilrespirationtosoiltemperatureandotherenvironmentalfactorsaredif-ferentatdifferentdepths.ItispreliminarilyclarifiedthatSICisanimportantfactorforsoilcarbonsinks,whileSOCandDOCareimportantfactorsforsoilcarbonsources.Theresultscanprovidebasicdataforcarbonemissionsandcarboncycleintheminingarea.Key words:desertificationopen-pitcoalmine；soilrespiration；diurnalvariation；influencefactors；carboncycleofmining在“双碳目标”背景下，我国煤炭的主体能源地位不会改变，仍然是支撑经济高质量发展的战略性资源。矿产行业的碳排放在碳排放总量中占有很大的比重1。矿产资源带动矿区经济发展和满足能源需求的同时，也产生大量极度退化的损毁土地，使区域碳平衡遭到严重破坏，导致矿区碳固存能力下降甚至丧失2。因此，准确认识和预测土壤呼吸并确定其驱动因素有益于厘清矿区生态系统碳循环过程。目前，国内外学者对露天煤矿排土场复垦区表层土壤呼吸已有广泛的研究，其中多数学者3-5指出土壤呼吸速率昼夜特征为“单峰”曲线。郑永红等3指出潘一煤矿复垦区土壤温度、大气温度和土壤湿度是2894煤炭学报2023年第48卷影响土壤呼吸的重要因子。AHIRWAL 等5从人工林复垦、未复垦和参考林的对比试验得到 Damoda 露天煤矿排土场复垦区土壤呼吸速率高于未复垦区，且与土壤温度呈正相关。新疆荒漠化矿区生态系统脆弱、植被稀疏气候变化剧烈，关于该区土壤碳排放的研究较少，尚不清楚该区土壤碳源/汇特征，与气候条件优越和植被丰富东部、东北部、中部、南部矿区土壤呼吸特征和影响因子是否一致。再者，大多数的研究关注于表层土壤呼吸，而土壤呼吸代表土壤不同深度的植物生物量和微生物的综合碳通量，受许多因素的交互影响6。目前，对深层土壤呼吸的研究比较匮乏。评估不同深度的土壤呼吸可以有效的反映土壤CO2向地表排放的碳动态过程6。其次，土壤呼吸在不同土层中的变化及其对影响因子的响应尚不清楚，探究土壤中不同深度土层的土壤呼吸特征，了解 CO2产生速率的垂直分布，分析深层土壤呼吸的影响因子，可以有效地抑制土壤碳排放及提高土壤碳吸存效率。孙亚荣等7对黄土丘陵区人工林的 10、50 和 100cm的土壤呼吸特征研究，指出土壤温湿度对不同土层的土壤呼吸速率影响存在差异。露天开采不可避免会破坏地表植被，产生不同的地物类型5，不同的地物类型中环境因素和土壤理化性质有所不同，如土壤温度、含水量和有机物的来源和数量8。因此，矿区内不同土地利用类型的土壤呼吸速率差异很大，目前研究只针对排土场复垦区，缺少对矿区内其他地物类型的关注，需要考虑土地利用类型对土壤呼吸的影响。综上，目前缺乏对生态脆弱的荒漠化露天煤矿区除排土场以外土地利用类型和深层的土壤呼吸特征及影响因子研究。因此，笔者以新疆红沙泉露天煤矿为研究对象，使用 EGM-5 便携式红外气体分析仪和土壤温湿度传感仪器收集土壤呼吸速率、土壤温湿度等数据，旨在分析矿区内不同土地利用类型和不同深度的土壤呼吸昼夜变化特征和差异及其影响因素，对比排土场复垦区与人工林复垦后的生态状况，为评价荒漠化露天矿区生态系统的碳循环和碳收支、荒漠化矿区土地复垦及国家“3060”政策提供新的基础数据和科学依据。1研究区概况红沙泉矿区位于新疆维吾尔自治区昌吉州奇台县城 78km 处(90.25E90.42E，44.41N44.52N)，在古尔班通古特沙漠北端(图 1)，区内地势海拔高度在 657753m。矿区气候干燥、多风、少雨、蒸发量大及日照较长，属于典型的大陆荒漠干旱性气候。年均降水量约为 106mm，年蒸发量为 12002400mm，90E80E50N40N新疆西藏青海内蒙古奇台木垒(e)红沙泉(a)柽柳林(b)人工林(c)排土场复垦区(d)南线04.59.0 kmN监测点试验样地红沙泉矿区边界省界县界图1研究区概况Fig.1Overviewofthestudyarea第7期刘英等：荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子2895年均气温 5.5，年温差和昼夜温差较大。该地区内植被类型单一，植被稀疏低矮，群落结构和生态系统结构脆弱，主要优势种有盐角草(Salicornia europaea)、柽柳(Tamarix ramosissima)、梭梭(Haloxylon ammo-dendron)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)等。矿区西端有干枯的河床由西南向东北，存在以柽柳为主的大量自然生长的低矮植被(图 1(a)；矿区内有人工林(图 1(b)和排土场(图 1(c)2 处复垦区域，采矿区的南部大部分区域为裸地，多为风沙土和裸岩石砾地(图 1(d)；矿区南端 10km 处有一泉水点(图 1(e)，以泉水为源头形成向北径流，流出约 800m 后径流下渗或蒸发终结，沿着径流两边植被茂密，偶尔有牧民放牧。红沙泉露天煤矿是国家规划的大型煤炭基地内的特大型煤矿，于 2011 年 9 月开工建设，矿区面积 74.26km2，资源储量 46.48 亿 t，红沙泉露天煤矿服务年限大约为334.2a9。2研究方法与数据2.1试验样地和监测点设置本次试验于 2022 年 78 月进行，试验样地选取矿区内 5 种具有代表性的土地利用类型，包括排土场复垦区、人工林、矿区西端的柽柳林、采矿区南部的裸地(以下简称“南线”)以及矿区南端的红沙泉。样地和监测点位置分布和概况如图 1 和表 1 所示。在排土场 706 平台复垦区域随机布设 3 个 24h 监测点；人工林随机布设 3 个 24h 监测点；柽柳林布设 4 个24h 监测点，包含 2 个裸地对照点；南线随机布设 4个 24h 监测点，距离露天采坑 2km；红沙泉沿径流两边随机布设 7 个 12h 监测点，包含 4 个裸地对照点。各地物类型的监测点间隔约 30m，共有 21 个监测点。表 1 试验样地概况Table 1 General situation of sample plot试验样地土壤类型优势种监测深度/cm监测点数量/个排土场复垦区微生物复垦型土壤柽柳、沙棘、梭梭、樟子松10、30、503人工林非微生物复垦型土壤白榆、灌木10、303柽柳林自然生长型干旱区土壤柽柳、梭梭、骆驼刺10、304南线纯裸土型土壤10、304红沙泉自然生长型肥沃土壤骆驼刺、盐角草、碱蓬10、3072.2土壤呼吸速率的测定在试验期间，使用 EGM-5 便携式红外气体分析仪(PP-Systems,Amesbury,USA)测定红沙泉露天矿区 5 种土地利用方式下不同深度土层的土壤呼吸速率(表 1)。为尽量避免嵌入 PVC 呼吸环而破坏土壤原有的结构，提前 12d 向下挖 50cm 的土壤剖面，分别选取表层(10cm)、中层(30cm)及深层(50cm)安装 PVC 土壤呼吸环(高 6cm，直径 11.4cm)露出土壤表面 2cm 左右，经 2448h 平衡后再测定土壤呼吸，观测期间土壤呼吸环的位置固定不变。选择晴朗天气，观测从每天 9:00 开始至次日 7:00 结束(红沙泉夜间观测难以开展，土壤呼吸观测时间设为 11:0021:00，测量时间为 12h)，测定时间为 24h，每组数据测量时间为 100s，每个观测设置 2 个重复，观测频率为每 2h 测1 次，对每个地物类型都进行为期 7d 的持续观测。2.3环境因子的测定及土壤样品采集在试验期间，在采集土壤呼吸速率的同时记录该时刻对应深度剖面土层的土壤温度、空气温度和土壤含水量数据。采用土壤温度传感器(STP-2SoilTem-peratureProbe)、土壤呼吸室(SoilRespirationChamber，SRC-2)与 EGM-5(PP-Systems,Amesbury,USA)土壤碳通量主机相连，组成土壤碳通量测定系统，测定每层土壤温度和空气温度的变化情况，仪器按设定的时间间隔将数据自动储存在存储卡中。使用英国PR2(ProfileProbetypePR2)土壤剖面水分速测仪连续测定不同深度的土壤含水量。在测量完成时，使用环刀在每个监测点采集土壤，采样深度与监测深度一致，装入塑料密封袋中带回实验室做土壤理化性质分析。空气湿度数据来源于安放在监测点附近的美国 DavisVantagePro2(DavisInc.USA)小型气象站。收集 37份土壤样品测定土壤有机碳(SOC)、溶解性活性有机碳(DOC)和无机碳(SIC)质量分数。2.4数据处理与统计分析将监测点重复观测的要素进行平均，获得该监测点的平均值，并将各试验样地的监测点数据进行平均，代表各试验样地的要素。利用单因素方差分析(AN-OVA)和 LSD 多重方差比较，分析不同土地利用类型和不同深度的土壤呼吸速率等要素之间的差异显著性，采用 Pearson 相关系数分析土壤呼吸速率与土壤碳质量分数的相关关系。采用线性方程对环境因子分别与土壤呼吸速率2896煤炭学报2023年第48卷进行拟合分析，公式为Rs=a+bX(1)采用复合模型分析土壤温度 T()和土壤含水量 W(%)对土壤呼吸的协同作用，公式为Rs=a+bT+cW(2)式中，Rs为土壤呼吸速率，mol/(m2s)；X 为环境因子(土壤温度、含水量、空气温度和空气湿度)；a、b、c 为待定参数。3结果与分析3.1土壤呼吸速率变化特征由图 2 可知，5 种土地利用类型不同深度土层的土壤呼吸速率均差异显著(P红沙泉排土场复垦区柽柳林南线。其中，南线为碳汇，10和 30cm 日均值分别为0.08 和0.05mol/(m2s)，其余 4 种地物类型均为碳源。排土场复垦区和人工林作为矿区内的 2 处复垦区域，土壤呼吸速率日均值差异显著(P0.05)，仅人工林 10cm 土壤呼吸速率日均值是排土场复垦区 10cm 的 16.8 倍，远远高于排土场复垦区。采矿方向南线与矿区西部的柽柳林土壤呼吸速率多为负值，远低于其他地物类型。由图 3 可得，表层与深层土壤呼吸速率变化趋势基本一致。排土场复垦区 10、30 和 50cm 的土壤呼吸速率昼夜特征均呈“双峰型”趋势(图 3(a)(c)，土壤呼吸速率自 9:00 随土壤温度和土壤含水量的增加而增加，在 15:00 达到日最大值，分别为 1.01、1.55 和1.81 mol/(m2s)，此 时 土 壤 温 度 也 达 到 最 大 值(图 3(a)(c)；之后，随着土壤温度和土壤含水量的下降，分别在 7:00 和 3:00 达到日最小值，分别为0.07、0.37 和 1.14mol/(m2s)。10 和 30cm 的土壤呼吸速率在 11:0013:00 下降，以及 50cm 在 19:0021:00的土壤呼吸速率趋势与土壤温度变化相反，受土壤含水量变化的影响，土壤呼吸特征曲线出现第 2 个峰。其中，排土场 10cm(除 7:00 外)土壤呼吸速率均为正值，表现出碳源效应。排土场复垦区10 cm排土场复垦区30 cm排土场复垦区50 cm人工林10 cm人工林30 cm柽柳林10 cm柽柳林30 cm南线10 cm南线30 cm红沙泉10 cm红沙泉30 cm01212345678910AaAbAcBaBbCaCbDaDbEaEb土壤呼吸速率日均值/(mol(m2s)1)不同大写字母标记相同深度不同地物类型之间差异显著，不同小写字母标记相同地物类型不同深度之间差异显著图2不同土地利用类型土壤呼吸速率日均值(P0.05)Fig.2Dailyaveragevaluesofsoilrespirationratesfordifferentlandusetypes(P0.05)人工林 10 和 30cm 的土壤呼吸速率昼夜特征均为“单峰型”(图 3(d)、(e)。自 9:00 土壤温度升高，10cm 土壤呼吸速率先下降后上升，在 11:00 有日最小值，为 4.49mol/(m2s)，日最大值出现在 21:00，为 8.15mol/(m2s)，与土壤温度和土壤含水量日最大值出现的时间不一致，滞后 2h，随后土壤呼吸速率下降。在 30cm，9:00 土壤呼吸速率随土壤温度和土壤含水量上升而上升，11:00 达到日最大值，为7.41mol/(m2s)，之后土壤呼吸速率呈下降趋势，日最小值出现在 7:00，为 4.36mol/(m2s)。柽柳林 10 和 30cm 的土壤呼吸速率的昼夜变化特征均呈“多峰型”(图 3(f)、(g)。柽柳林 10 和 30cm 的土壤温度自 9:00 逐渐增大，10 和 30cm 的土壤呼 吸 速 率 分 别 在 3:00、9:00、15:00 和 19:00 有峰值，日最大值分别出现在 9:00 和 3:00，为 0.45 和0.63mol/(m2s)，最小值分别出现在 7:00 和 23:00，为0.29 和 0.18mol/(m2s)。由于夜间温度较低，23:00次日 7:00 的 10cm 土壤呼吸速率为负值，该第7期刘英等：荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子28971:005:009:00时刻13:00 17:00 21:001:005:009:00时刻13:00 17:00 21:001:005:009:00时刻13:00 17:00 21:001:005:009:00时刻13:00 17:00 21:001:005:009:00时刻13:00 17:00 21:001:005:009:00时刻13:00 17:00 21:001:00 5:00 9:00时刻13:00 17:00 21:0000.40.81.22530土壤温度/35404550(a)排土场复垦区10 cm11土壤含水量/%土壤温度/土壤含水量/%土壤温度/土壤含水量/%土壤温度/土壤含水量/%土壤温度/土壤含水量/%土壤温度/土壤含水量/%土壤温度/土壤含水量/%12131415160.40.81.21.6(b)排土场复垦区30 cm25303540458101214161.01.21.41.61.8(c)排土场复垦区50 cm2530354012131415456782024284567(d)人工林10 cm4567820242889101112(e)人工林30 cm0.60.81.01.21.4(j)红沙泉10 cm323640222426283032123456283236(k)红沙泉30 cm283032343638土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)1:005:009:00时刻13:00 17:00 21:00土壤温度/土壤含水量/%0.40.200.20.40.6202428328.08.59.09.5(h)南线10 cm土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)1:005:009:00时刻13:00 17:00 21:00土壤温度/土壤含水量/%(g)柽柳林30 cm0.20.40.62832364056789土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)1:005:009:00时刻13:00 17:00 21:00土壤温度/土壤含水量/%0.60.300.30.620242832101112(i)南线30 cm土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤温度土壤含水量土壤呼吸速率1:005:009:00时刻13:00 17:00 21:00土壤温度/土壤含水量/%(f)柽柳林10 cm0.40.200.20.40.62428326.06.57.07.5土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)土壤呼吸速率/(mol(m2s)1)图3土壤呼吸速率与土壤温度、含水量的昼夜变化Fig.3Diurnalvariationofsoilrespirationrate,soiltemperatureandwatercontent2898煤炭学报2023年第48卷时段的土壤吸收 CO2，表现为碳汇效应；其他时段土壤呼吸均为正值，为碳源。南线 10 和 30cm 的土壤呼吸速率昼夜动态变化均呈“单峰型”特征(图 3(h)、(i)，且数值较低。10 和30cm 土壤呼吸速率在 7:0013:00 随土壤温度和土壤含水量的升高而增加，均在 13:00 达到日最大值，分别为 0.44 和 0.43mol/(m2s)；在 15:0019:00，随着土壤温度持续升高，10 和 30cm 土壤呼吸速率开始呈下降趋势，均在 5:00 达到最小值，分别为0.40 和0.36mol/(m2s)。由于白天温度较高，土壤呼吸更为活跃，土壤呼吸速率多为正值，表现为碳源效应；而夜间和清晨，南线 10 和 30cm 的土壤呼吸速率均为负值，表现为碳汇效应，10cm 碳汇持续时间更长。红沙泉 10 和 30cm 的土壤呼吸速率昼间变化分别为“双峰型”和“单峰型”趋势(图 3(j)、(k)。10cm呼吸速率 11:0021:00 与土壤温度和土壤含水量的变化高度一致，在 11:00 达到白天最大值，为1.29mol/(m2s)，随后 11:0013:00 土壤呼吸速率呈先下降后上升趋势，在 13:00 达到第 2 个峰值，为1.28 mol/(m2s)，之 后 下 降 至 21:00 最 小 值，为0.56mol/(m2s)。30cm 的土壤呼吸在 11:00 达到日间最大值，5.61mol/(m2s)，随后在 21:00 达到最小值，1.36mol/(m2s)。3.2土壤呼吸与环境因子的关系3.2.1土壤呼吸与土壤温度、含水量和空气温、湿度相关关系由表 2 可得，线性函数能很好的解释排土场复垦区、人工林和红沙泉的土壤呼吸对土壤温度的依赖，能够解释排土场复垦区 10、30 和 50cm 土壤呼吸速率 59.9%、88.2%和 72.1%，人工林 10 和 30cm 的69.3%和 37.1%和红沙泉 10cm 的 86.2%土壤呼吸速率昼夜变化。但红沙泉 30cm 和柽柳林 10、30cm以及南线 10cm 土壤呼吸与土壤温度的关系不显著，仅分别为 5.8%、14.3%、0.3%和 1.1%的土壤呼吸速率昼夜变化，表明土壤温度并不是影响南线和柽柳林等地物类型土壤昼夜呼吸的主要因子。由表 2 可得，排土场复垦区、人工林、柽柳林和红沙泉土壤呼吸速率与土壤含水量均呈显著正相关(P0.01)，排土场复垦区 10、30 和 50cm 的土壤呼吸速率与土壤含水量的决定系数 R2分别为 0.652、0.589 和 0.648；人工林 10 和 30cm 与土壤含水量的R2分别为 0.563 和 0.626；柽柳林 10 和 30cm 的 R2分别为 0.541 和 0.683；南线 10 和 30cm 的 R2分别为0.107 和 0.385；红沙泉 10 和30cm 的 R2为 0.916 和0.782。说明土壤呼吸速率不仅受土壤温度影响，也与土壤含水量有紧密联系，而南线 10 和 30cm 土壤呼吸速率与土壤含水量相关性较弱。由表 3 可知，除排土场 10cm 空气温度对土壤呼吸速率昼夜变化解释能力均优于土壤温度和土壤含水量，其余地物类型的空气温度对土壤呼吸速率变化的解释能力不如土壤温度和土壤含水量。其次，表层的空气湿度对土壤呼吸的影响强于深层，仅排土场 10、30cm 和人工林、南线10cm 通过显著性检验(P0.05)。通过以上分析，排土场复垦区和人工林的土壤呼表 2 土壤温度和土壤含水量与土壤呼吸速率拟合结果Table 2 Fitting results of soil temperature and soil water content with soil respiration rate土地利用类型深度/cm土壤含水量与土壤呼吸速率土壤温度与土壤呼吸速率拟合函数R2拟合函数R2排土场复垦区10y=0.169x1.9870.652*y=0.031x0.7310.599*30y=0.124x0.7760.589*y=0.063x1.2960.882*50y=0.241x1.7990.648*y=0.034x+0.2680.721*人工林10y=0.764x+1.6340.563*y=1.901x+12.6080.693*30y=0.207x+3.1110.626*y=1.824x+15.7660.371*柽柳林10y=-0.295x+2.0640.541*y=0.029x0.7760.14330y=0.098x0.2920.683*y=0.002x+0.3300.003南线10y=0.516x4.5490.107y=0.007x0.2780.01130y=0.494x5.7010.385*y=0.045x1.2630.315*红沙泉10y=0.938x1.6130.916*y=7.464x+29.2650.862*30y=0.477x11.4960.782*y=0.461x+28.1630.058注：*代表P0.05；*代表P0.01，下同。第7期刘英等：荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子2899吸速率与土壤含水量相关性弱于土壤温度，且不同土层的土壤呼吸均与土壤温度和土壤含水量呈显著正相关关系(P0.05)，而柽柳林、南线和红沙泉土壤呼速率与土壤含水量相关性强于土壤温度。5 种地物类型不同土层土壤呼吸对土壤温度和土壤含水量响应不同，而空气温、湿度对土壤呼吸速率影响较弱。柽柳林、南线 10 和 30cm 的土壤呼吸速率与土壤温度的相关性较低，进一步将昼夜土壤呼吸分为昼间和夜间与土壤温度进行相关性分析(表 4)。总体上白天的土壤呼吸与土壤温度呈负相关，夜间的土壤呼吸与土壤温度呈正相关，南线 30cm 昼夜温度和柽柳林 30cm 夜间土壤温度与土壤呼吸速率基本不相关；而柽柳 10cm 土壤呼吸速率与夜间土壤温度呈显著正相关，R2为 0.953(P0.01)，南线 10cm 土壤呼吸速率与昼间温度呈显著负相关，R2为 0.681(P0.05)，说明分段分析土壤温度对柽柳林和南线土壤呼吸的影响是优于 24h 未分段分析。综上分析，除柽柳林 10cm 夜间和南线 10cm 昼间土壤呼吸速率与温度通过显著性检验外，其余大部分没有通过显著性检验，进一步表明土壤温度不是柽柳林和南线土壤昼夜呼吸的主要影响因子。3.2.2土壤呼吸与土壤温度、含水量综合响应土壤呼吸速率与土壤温度、含水量之间有密切联系，需要考虑土壤温度和土壤含水量对土壤呼吸的综合作用。由表 5 可知，式(2)能够很好地解释土壤温度和土壤含水量(R2为 0.1130.973)对土壤呼吸速率的共同影响，说明土壤呼吸受土壤温度和土壤含水量的共同影响，而不是受单一因子的控制。排土场复垦区、柽柳林和红沙泉的土壤温度和土壤含水量共同解释土壤呼吸变化的 R2均高于单因素模型。红沙泉土壤呼吸对土壤温度和土壤含水量的共同作用最为敏感。其次，土壤温度和土壤含水量仅能综合解释南线 10cm 土壤呼吸的 11.3%、人工林30cm 的 50.5%、柽柳林 10cm 的 61.5%，说明人工林、柽柳林和南线土壤呼吸除了受到土壤温度和土壤含水量的影响，还需要考虑其他因素的作用。表 3 空气温度和空气湿度与土壤呼吸速率拟合结果Table 3 Fitting results of air temperature and air humidity with soil respiration rate土地利用类型深度/cm空气温度与土壤呼吸速率空气湿度与土壤呼吸速率拟合函数R2拟合函数R2排土场复垦区10y=0.043x1.0180.862*y=15.794x+36.2970.346*30y=0.043x0.1480.706*y=12.765x+40.770.319*50y=0.013x+1.9430.334*y=22.544x+61.8370.304人工林10y=0.081x+3.4540.204y=0.026x+7.0130.473*30y=0.086x+2.7280.395*y=0.006x+6.1510.015柽柳林10y=0.02x0.5130.437*y=0.008x+0.4110.13330y=0.005x+0.2160.093y=0.003x+0.0030.014南线10y=0.008x0.2700.016y=0.011x0.6110.341*30y=0.015x0.4250.073y=0.007x0.4340.177红沙泉10y=0.028x+2.0460.083y=0.005x+0.8580.00630y=0.311x7.9850.408*y=0.148x+0.2250.138表 4 土壤温度与土壤呼吸速率的昼夜分段拟合结果Table 4 Day-night piecewise fitting results of soil temperature and soil respiration rate土地利用类型深度/cm昼间(9:0019:00)夜间(21:00次日7:00)拟合函数R2拟合函数R2柽柳林10y=0.025x+1.0170.296y=0.065x1.9270.953*30y=0.011x+0.8350.339y=0.001x+0.3270.001南线10y=0.049x+1.5460.681*y=0.012x0.6020.50130y=0.063x+1.9510.001y=0.016x0.6950.1122900煤炭学报2023年第48卷3.3土壤呼吸与土壤碳含量的关系由图 4 可得，红沙泉矿区 5 种土地利用类型的 SOC 质量分数在 2.2968.85g/kg，DOC 质量分数 在 14.2 395.45 mg/kg，SIC 质 量 分 数 在 3.039.27g/kg。人工林 SOC 质量分数显著高于其他土地利用类型(P0.05)，其余 4 种土地利用类型之间SOC 差异不显著，相同土地利用类型间不同土层差异均不显著(图 4(a)。5 种土地利用类型 10cm 的DOC 质量分数之间差异不显著，排土场复垦区 30cm的 DOC 质量分数与其余 4 种地物类型差异显著(P表 5 土壤呼吸与土壤温度和土壤含水量复合模型参数Table 5 Composite model parameters of soil respiration,soil temperature and soil water content土地利用类型深度/cmRs=a+bT+cWR2abc排土场复垦区101.4640.0250.0690.820*301.3730.0540.0300.898*501.1700.0230.1370.852*人工林102.7320.3450.0580.694*300.6190.3340.4430.505*柽柳林101.3260.2110.2790.615*300.6170.0080.1080.767*南线102.7120.0070.2620.113305.5200.0030.4890.713*红沙泉101.3870.0140.1050.916*3020.0440.2340.5270.973*01020304050土壤有机碳质量分数/(gkg1)AaAaBaBaAaAaAaAaAaAaa(a)SOC排土场复垦区人工林柽柳林南线红沙泉溶解性活性有机碳质量分数/(mgkg1)020406080100120140160180200AaAaBaAaBaAaABaAaABaAaa(b)DOC排土场复垦区人工林柽柳林南线红沙泉10 cm30 cm50 cm10 cm30 cm50 cm10 cm30 cm50 cm无机碳质量分数/(gkg1)0246810AaBbAaBaBaBaAaBaAaaAa(c)SIC排土场复垦区人工林柽柳林南线红沙泉注：不同大写字母相同土层不同地物类型之间差异显著(P=0.05)，不同小写字母相同地物类型不同深度之间差异显著(P=0.05)。图4不同土地利用类型的 SOC、DOC 和 SIC 质量分数Fig.4SOC,DOCandSICcontentsofdifferentlandusetypes第7期刘英等：荒漠化矿区不同土地利用类型土壤呼吸及其影响因子29010.05)，不同深度之间 DOC 质量分数均差异不显著(图 4(b)。南线 10cm 的 SIC 质量分数显著高于其余4 种地物类型(P0.05)，在 30cm 土层，排土场复垦区 SIC 质量分数远低于其余 4 种土地利用类型(P0.05)(图 4(c)。除红沙泉 10 和 30cm 之间 SIC 差异