土壤呼吸的意义精选(九篇)

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第1篇：土壤呼吸的意义范文

[关键词] 木麻黄 土壤呼吸 比较

土壤呼吸是土壤释放CO2 的过程，是陆地生态系统碳循环的重要组成部分。全球土壤是一个巨大的碳库，其碳贮量约1 500 Pg，分别是陆地植被和大气的2倍和3倍[1]。据估计，全球土壤每年向大气释放碳68～100 Pg[2]，是化石燃料燃烧排放碳量的10倍以上。因此，即使土壤呼吸发生微小变化，也会引起大气中CO2浓度的明显改变。森林是陆地生态系统的主体，其土壤碳贮量约占全球土壤的73％[3,4]。森林采伐及采伐后的土地利用方式变化对土壤碳贮量和碳释放有较大影响。在中国规模巨大的人工林中，沿海各种防护林占有相当大的比重。木麻黄作为东南沿海地区的主要造林树种，在防风固沙、改造生态环境方面发挥着难以替代的巨大作用。相信随着国家沿海防护林体系的不断完善，木麻黄林在沿海的规模、地位和作用会越来越突出[5-7]。因此，研究木麻黄人工林土壤呼吸对于准确评估沿海防护林，乃至于我国人工林在全球碳循环中的作用具重大意义。

目前测定土壤呼吸的方法有很多[8,9]，不同的测定方法都存在各自的优缺点，有的方法适合某一种生态系统，而并不一定就适合其它的生态系统。本实验采用了静态箱式法和LI-8100 Automated Soil CO2 Flux System两种方法测定木麻黄人工林某一测定点的一日和半年的土壤呼吸动态，并对两种方法测定的结果进行相关分析比较其差异，以期能够选出一种能够客观展示木麻黄人工林土壤呼吸状况的方法。

1 试验地概况

试验地设在福建省沿海中部惠安县崇武镇赤湖防护林场(118°55′ E，24°55′ N)，属南亚热带海洋性季风气候，年平均气温19．8℃；年均降水量1 029mm，年均蒸发量2 000 mm；夏季(7月-9月)多台风和暴雨天气，秋冬东北风强盛，8级以上的大风天达105d，年平均风速7.0 m•s-1，干湿季明显。土壤为均一性风积沙土，沙土层厚度80-100 cm。

2 材料与方法

试验地设置在17年木麻黄人工纯林内，株行距2.0m× 2.0m，样地面积为20m×20m，在样地内随机设置三个50cm× 50cm的小样方作为土壤呼吸测定点，同时在每个小样方的附近设置一个1m×1m的小样方进行根排除处理后作为土壤异养呼吸测定点。这样每个样地共有6个呼吸点，3个用来测定土壤总呼吸，3个用来测定土壤异养呼吸。

采用排除根系法（也称作开沟法）进行土壤呼吸分离，即在1m×1m的小样方四周挖掘深度为70～100cm、宽度为50cm的壕沟，将玻璃纤维薄片放入沟中以阻止根向样方内生长，然后把沟填平。根据经验，挖沟在开始观测3～4个月前进行，即在2005年7月份就把沟挖好，待到2005年11月份才开始呼吸测定，这样测得的样方内的土壤呼吸就是扣除了根系呼吸的土壤异养呼吸。

静态箱式法从2005年11月份开始至2006年10月份结束，每月中旬测定一次；LI-8100 Automated Soil CO2 Flux System方法从2006年5月份开始至2007年4月份结束，每月中旬测定一次，也就是说从2006年5月份到2006年10月份半年期间采用两种方法同时测定。

3 结果与分析

3.1 两种方法在某一测定点日动态的差异比较

下面通过在2006年7月份木麻黄中林样地土壤异养呼吸的日动态来比较两种方法的差异。如下图所示，很明显的是，静态法的测定结果比动态法的结果大，在这一天中，平均而言前者是后者的1.327倍，这与Nakadai的研究结果是一致的。这可能主要是因为静态法由于气室内部缺少小风扇，以致气室所收集的CO2不能很好的分散开来，所以抽取一定体积的CO2浓度会偏大，从而造成呼吸速率的偏大。两种方法的土壤异养呼吸日动态变化曲线基本是一致的，但是静态方法的测定结果明显不是很稳定，变异更大，其在这一天中的变化范围为4.77～3.54，而动态法的变化范围是3.52～2.92。这主要是因为静态法的密闭气室要求频繁的插入和拔出，这样会对呼吸点会造成比较大的扰动，从而造成变异较大；正因为静态法的变异较大，所以上面都是基于动态法的测定结果来分析的。

3.2两种方法测定结果月际动态的差异比较

由图2所示，每个测定数据均为当日异养呼吸测定结果的平均值。可以看出，两种方法测得的木麻黄中林样地的土壤异养呼吸速率的季节动态具有非常好的一致性，说明这两种方法的测定结果具有较高的可信度。

3.3 两种方法测定结果的相关性分析

把这两种呼吸测定方法的大量数据在一起做线性相关分析，剔除很明显的异常数据，如下图所示，发现它们存在着比较好的线性相关，R2值达到0.8258，这同样可以说明这两种方法的测定结果具有较高的可信度。

4 小结

本试验中采用了两种方法即静态法――静态箱式法和动态法――LI-8100 Automated Soil CO2 Flux System法对土壤呼吸进行同步对比测定。大量数据表明，静态法的测定结果比动态法的大，在这一天中，平均而言前者是后者的1.327倍，同时静态方法的测定结果不是很稳定，变异较大。对两种方法的线性回归分析表明，R2值为0.8258，说明它们存在着比较好的线性关系，这两种方法的测定结果具有较高的可信度。

参考文献

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第2篇：土壤呼吸的意义范文

关键词：农药；除蜗灵；土壤微生物

中图分类号：S481.1文献标识码：A文章编号：16749944（2014）10001104

1引言

土壤微生物是土壤生态系中的主要组成部分，在土壤生态中起重要作用。农田施用的化学农药大部分残留于土壤中，从而对土壤微生物产生影响[1～6]。这种影响大致分为两种：①生长的阻抑作用；②作为营养物质的一部分吸收利用[7]。土壤微生物对土壤肥力的形成、土壤生态系统的物质循环等具有重要的意义，其活性可以反映土壤的污染程度[8]。因此，研究农药对土壤微生物的影响，已成为不少国家评价农药对生态环境安全性的一个重要指标[9]。植物根际环境是一个特殊的微生态环境， 由于植物根系及其根系分泌物的存在， 根际环境中pH值、Eh、养分状况、微生物组成及酶活性等物理、化学及生物学特性的变化， 将直接影响有机污染物在土壤- 植物系统中的迁移与转化行为[10，11] 。除蜗剂在防除田间害虫蜗牛上有着显著效果， 但由于其对生物具有毒性， 它又必将对土壤微生物区系以及与之有关的土壤生物化学过程等产生一定的影响， 乃至可能对土壤持续肥力和农作物生长等构成严重威胁。除蜗灵为一种供诱杀农作物上的害虫――蜗牛的农药。该除蜗灵由卡巴呋喃粉、蒲公英粉、紫芝粉、芝麻粉、着色剂和添加剂混和而成。按重量计，卡巴呋喃粉0.45%～0.75%，蒲公英粉占2%～5%，紫芝粉和芝麻粉各占1%～2.5%，着色剂适量，其余为添加剂加至总含量至100%。把该药在有蜗牛的农作物的地里按一定距离放一摊，蜗牛便自动集中到该除蜗灵粉剂上服药后中毒而死，具有制作原料易得，杀灭蜗牛效果好，价廉物美的优点。随着除蜗灵在国内外现阶段广泛使用，其对土壤环境质量的影响鲜见报道，因此着重探索了其对土壤中微生物数量的影响，为农药除蜗灵的施用时间、施用浓度及其对土壤环境质量的影响提供了一定的科学依据。

4讨论

由上述试验可看出农药除蜗灵作为一种直接喷洒于土壤表面的农药，对土壤中微生物的数量产生了一定的影响。而对不同类型的微生物的作用不同，使土壤中细菌、放线菌的数量增加，却大大抑制了土壤中霉菌的生长。并且由试验可知，即使土壤有一定的自净能力，在实验时间之内（二周）农药对土壤中细菌霉菌的影响作用并未发生显著性改变，可进一步得知农药除蜗灵对土壤微生物种群、数量产生了长远影响。

土壤微生物的数量分布，可以敏感地反映土壤环境质量的变化，亦是土壤中生物活性的具体体现[18] 。细菌、放线菌和真菌与土壤健全性关系密切，对生态系统的能量循环和物质转化具有重要作用[19]。土壤中微生物以细菌数量最多，细菌占土壤微生物总量70%～90%[20] ，细菌群落中含有大量具有特殊功能的生理类群，氨化细菌、固氮菌、硝化细菌等，细菌数量的增加，直接影响这些特定生理类群的数量，从而影响土壤肥力；放线菌与土壤肥力以及与植物病虫害防治有着更密切的关系[20]，农药除蜗灵促进放线菌的生长与繁殖，增加放线菌的生长量，可能促进了土壤肥力的升高；真菌参与土壤有机质分解与腐殖质合成，真菌菌丝的积累，能使土壤物理结构得到改善，农药除蜗灵抑制了真菌的生长。从总体上看，除蜗灵引起土壤中三种微生物总量的增加，必将对基质土壤的肥力产生影响，从而间接影响种植作物的生物量。

参考文献：

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第3篇：土壤呼吸的意义范文

【关键词】亚高山针叶林；土壤生态；川西高原

一、川西亚高山针叶林土壤生态研究内容与进展

19世纪70年代，全球范围内人口膨胀、能源短缺、气候变暖、环境恶化等问题一一显现，在这样的大背景下，生态学家和土壤学家逐渐认识到全球生态问题并非单一学科能够解决的，多学科的交叉与整合才有出路，于是土壤生态学开始受到重视。在我国国内，土壤生态学起步较晚，虽然早已认识到川西亚高山针叶林的重要性，很多方面的研究也开展已久，但是其土壤生态的研究直到2000年左右才开始逐渐显现。尽管起步较晚，基础较差，但是在短短的10年时间里，我国的科研工作者们已进行了多方面、多角度的研究工作，并且取得了很多开创性的成绩。

二、成土因素与土壤发生性质相关性剖析

在对川西亚高山针叶林的土壤生态研究中，使用了近年来流行的分形理论，并且发现了一些规律。阿坝州、甘孜州、木里县等地的川西亚高山针叶林的土壤类型包括山地棕壤、山地灰化棕壤、山地暗棕壤、山地棕色针叶林土、山地灰化土几种类型，其成土母岩则有砂板岩、钙泥板岩、板岩、砂岩、千枚岩、砂页岩、片岩等几种，质地类型多为轻壤土和中壤土。川西亚高山针叶林土壤的成土作用以母岩的机械破碎风化为主，表层土壤颗粒的分形维数为2.5209～2.7978，表明土壤质地粗糙，粗粉粒所占比重大，粘粉粒比重小；土壤结构相对松散，通透性较好；持水性相对较差。川西亚高山针叶林表层土壤颗粒分形维数主要由

森林凋落物（litter）是指系统中由生物组分产生，然后坠落归还到林地表面的所有物质的总称。它在森林生态系统中起着联系群落和土壤的桥梁作用，具有水源涵养和养分归还功能，对于川西亚高山针叶林的土壤生态系统具有重要意义。在原始林、次生林和不同林龄的人工林群落中，凋落量、贮量、养分归还量，以及凋落物分解速率和对林下土壤肥力状况的影响都不尽相同。研究表明，天然林的凋落物分解速率和对土壤肥力的维持和改善能力（考虑了包括自然含水量、容重、毛管含水量、pH及营养素含量等数据的差别）优于人工林，在其他方面则无明显优势。但是以上两点对土壤养分循环有着更重要的意义，也是造成人工林土壤理化性质恢复滞后，以及生态功能不完整的主要原因，是森林人恢复中需要改善的。

三、土壤与生物关系的研究

生物在土壤生态系统中扮演着极为重要的角色，它们的活动对于土壤的影响往往是最为快速而显著的。因此，土壤和生物之间的关系研究从土壤生态学出现起，就一直是该领域的研究重点和热点。早期的研究仅局限于土壤生物的经典生物学研究，如土壤中微生物的形态、数量、分类和分布等，目的也较为简单：揭示土壤生物活动对土壤发生和土壤肥力的影响。近年来，研究逐渐从微观和宏观两个角度不断发展。微观方面，深入到比如根际、孔隙、团聚体等微区内的微生物、微动物的研究，探索它们的形态、数量、分类、分布和对土壤性质的影响，以及它们在土壤中物质转移和转化（如C、N、S等元素的转化和污染物的降解）起到的作用。宏观方面，一定时空尺度内，植物群落演替过程怎样引起土壤理化性质的改变，从而导致土壤演变的发生，以及土壤演变的反馈如何反过来对植物群落演替产生影响的研究逐渐增加。此外，人类活动的影响也越来越受到关注。生物和土壤关系的宏观研究成为了近几年川西亚高山针叶林土壤生态研究的重要内容。

对川西亚高山针叶林土壤动物群落的研究发现，土壤动物群落以线虫纲、蜱螨目、弹尾目为优势类群，常见轮虫纲、倍足纲、线蚓科、猛水蚤目、双翅目幼虫等类群。相比于低山丘陵区阔叶林，川西亚高山针叶林的土壤动物群落倍足纲比例大大增加，线虫纲比例上升，而弹尾目和蜱螨目优势下降。同时，土壤动物群落以凋落物层密度最大，剖面分布具有表聚性。人工天然混交林土壤动物群落数量和多样性均略高于人工云杉纯林。林下植物的丧失，即灌木层和草本层的去除，会导致土壤动物密度、多样性指数降低，优势类群格局和功能团构发生变化，对于土壤动物群落产生消极影响。由于灌木层的多年生落叶阔叶树种的凋落物在数量、种类和质量上明显优于草本层，所以灌木层的丧失会给土壤动物群落带来更大的影响。

四、发展趋势

作为一门发展历史仅有几十年的新兴学科，土壤生态学在很多方面固然有待发展和完善，但这也表明它具有巨大的发展潜力，崭新的角度和综合的方法极有可能为许多研究难点和环境问题提供新的答案。显然，随着全球危机的日益严重，全人类对于生态问题的关注度将继续上升，土壤生态学的地位必将越来越高，推动其飞速发展。川西亚高山针叶林的土壤生态研究在短短十年的时间里，取得了非常丰硕的成果，在表明其重要价值的同时，也预示了未来的发展趋势。

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第4篇：土壤呼吸的意义范文

[关键词]玉米；秸秆覆盖；免耕；栽培技术

[中图分类号]S513 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0475-01

1 玉米免耕栽培技术的核心理论认知

1.1 秸秆覆盖免耕的含义

秸秆覆盖免耕是保护性耕作重要组成部分，关于保护性耕作的概念，国内外学者观点还不完全一致。国外典型的概念是美国保护性技术信息中心（CTIC）提出以覆盖度为主要标准，指在一季作物之后地表留在覆盖至少为30%为保护性耕作，如免耕、垄作。国内学者张海林认为保护性耕作是指通过少耕、免耕、地表微地形改造技术及地表覆盖、合理种植等综合配套措施，从而减少农田土壤侵蚀。

1.2 秸秆覆盖研究结果

秸秆覆盖能改善土壤物理性质，增加氮，磷，由其是有机质和速效钾的含量，具有蓄水保墒，调节地温和缓解土壤水分。温度流动，降低杂草密度，调节土壤酸碱度，提高土壤活性的作用，对农田防护有重要意义，由于农田秸秆覆盖的综合效应，使作物产量得以显著提高。秸秆覆盖白天起到降温作用，夜晚起到保温保湿作用保护农田生态环境，并获得生态效益、经济效益及社会效益协调发展的可持续。土壤有机库约有1500pgc，是陆地生态系统的最大碳库，约占总量的百分之六十七，土壤呼吸向大气提供二氧化碳，使土壤有机质的重要环节。农业工作措施再循环中起到起到极其重要的作用。包括免耕在内的保护性耕作措施被被人认为是减少土壤碳损失的重要环节。玉米秸秆覆盖栽培技术，有利于环境改善与保护。

1.3 免耕的含义

是保护性耕作中种植与肥料统一管理的特殊类型，其土壤和地表残留物受最小的扰动。秸秆覆盖免耕就是指不翻耕和少扰动土壤，用秸秆残茬覆盖地表，借助配套机械播种与施肥联合操作，主要用农药来控制杂草和病虫害的一种耕作技术。玉米秸秆覆盖免耕技术核心是：改田间根茬与秸秆清理或焚烧为秸秆覆盖还田；改年季多次耕作为免耕，是提高土壤肥力和抗旱能力的低碳可持续现代农业技术。

2 秸秆覆盖免耕栽培的作用

3.1 提高土壤肥力

秸秆覆盖免耕具有明显的提高土壤肥力作用。对玉米秸秆还田能明显提高土壤有机质和氮磷钾含量，还田3年的有机质增加0.05%～0.09%，还田6年的有机质增加0.06%～0.1%，还田9年的有机质增加0.09%～0.12%，全氮、有效磷和速效钾含量也相应地有所增加。多年连续秸秆覆盖免耕还可明显提高0～20cm土层土壤蔗糖酶、磷酸酶活性，免耕可提高土壤的碱解氮和有效磷含量。免耕增加了土壤的有效养分，主要是由于增加了土壤有机质和微生物生物量，并使施用的化肥更多地被生物固结而保蓄在土壤之中，从而提高了土壤养分的容量与有效性，减少了土壤中游离的养分，由此减少了养分的流失，扩大了养分的再循环能力，免耕能提高表层土壤微生物生物量。

2.2 保墒作用明显

秸秆覆盖以后在土壤表面形成了一种物理障碍，阻碍农田水分蒸发即保墒作用。秸秆覆盖处理能明显地提高土壤表层的含水量，使表层土壤经常保持湿润状态，这不仅有利土壤表层的有机质和微生物含量增加，而且可提高土壤保墒能力。秸秆覆盖有利于干旱地区的抗旱播种，秸秆覆盖可在一定程度上减轻干旱危害。

3 玉米免耕技术的技术要点

3.1 选择机具

玉米免耕播种机有气吸式精量播种机、仓转式穴播机和窝眼轮式条播机，可根据经济条件和需求进行选择。实施玉米精量播种，可不用间苗，玉米种子发芽率要达到95%以上，确保玉米播种质量。

3.2 增加密度

玉米种植密度要与品种要求相适应，一般播量在2.5～3.5kg/hm2，耐密紧凑型玉米品种密度要达到4200～4700株/亩，大穗型品种密度要达到3200～3700株/亩，高产田适当增加。

3.3 规范玉米种植行距

根据农艺和玉米机收要求，坚持农机与农艺相结合的原则，大力推广玉米等行距免耕播种，播种行距一般在60～70cm，以利玉米机收和提高产量。在行距一定的情况下，通过调整播种株距，达到不同玉米品种所要求的种植密度。

3.4 正确调整机具

按照使用说明书，正确调整排种（肥）器的排量和一致性，确保种植密度；调整镇压轮的上限位置，保证镇压效果；调整播种机架水平度，确保播种深度一致。

3.5 适时抢墒播种，控制播种深度

在黑龙江省，玉米播期以5月1日到20日为宜。及时抢墒播种，促进玉米早发。墒情差时，可先播种后灌溉；旱作区应抢墒播种。

在墒情合适的情况下，播种深度一般控制在3～5厘米，沙土和干旱地区播种深度应适当增加1～2厘米。

3.6 种肥合理施用

施肥深度一般为8～10厘米，与种子上下垂直间隔距离在5厘米以上，最好肥、种分施在不同的垂直面内。肥料以颗粒状复合种肥为好，施肥量10～20公斤/亩。为减少用工，有条件的地区，可选用缓释肥，随播种作业一次性施足。

3.7 先行试播

正常作业前，要试播一个作业行程。检查播种量、播种深度、施肥量、施肥深度、有无漏种漏肥现象，并检查覆土镇压情况，必要时进行适当调整。随时观察秸秆堵塞缠绕情况，发现异常，及时停车排除和调整。机组在工作状态下不可倒退，地头转弯时应降低速度，在划好的地头线处及时起升和降落。

3.8 适时喷施化学除草剂和药剂

在播种后当天或3天内喷施化学除草剂，均匀覆盖土壤地表面；选用的除草剂有乙草胺（禾耐斯）、都尔、宝收、赛克津（甲草嚓）、阿特拉津、2，4滴丁酯等。对黏虫数量大于5只/平方的地块，要添加杀虫剂，待药剂均匀混合后一次喷洒。

4 研究趋势和展望

秸秆覆盖免耕是一种农机与农艺相结合抗旱低碳的保护性耕作技术，是集农业机械工程、作物栽培学、土壤学、肥料、气象、生态学和经济学等多学科知识集成的技术体系。随着国家对免耕机械的引进与技术的消化吸收，已创造出一大批秸秆覆盖免耕机械设备，但适于秸秆覆盖免耕机械的农艺技术还有待深入研究。机械受土壤、气候等环境条件的影响较弱，而作物的反应较为强烈，若农艺技术不作相应的调整，将会制约秸秆覆盖免耕技术水平的发挥。如Blevins研究结果表明，与常规耕作相比，免耕早播低产，而晚期播种，免耕可以获得高产；覆盖免耕可以降低地温，减少土壤蒸发，增加作物的蒸腾耗水，提高玉米对水分利用率，达到节水增产的目的。

参考文献

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第5篇：土壤呼吸的意义范文

关键词： 刈割；草甸草原；群落特征；土壤微生物；土壤酶活性

中图分类号：S812.8 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3617-03

Abstract： In the meadow steppe， taking the Leymus chinensis community and Stipa baicalensis community in Hulunbeier as the research sample， the community characteristics， soil microorganism and enzyme activity in mowing disturbance were studied. The results showed that the interference of cutting to Leymus chinensis communities was small， the four index of α diversity of Plant community were higher， the species diversity was more abundant and the growth situation was relatively better than that of Stipa baicalensis community. The number of microorganisms in different mowing areas showed the same trend：bacteria>actinomyces>fungi （P 10～20 cm. The soil depth of urease， catalase， invertase activities in 0～10cm was higher than that in 10～20 cm. The correlation analysis indicated that the α diversity of plant community was positively related to soil microorganisms and soil enzyme activities （P

Key words： meadow steppe； mowing； community features； soil microorganism； soil enzyme activity

不论是天然草地、人工草地还是退耕后新建的草地，除发挥其生态功能外，其主要目的在于利用。草地的利用方式主要有放牧和割草两种。对于北方温带草原而言，放牧和刈割是草场利用和管理的主要方式，同时也是两个主要的人为干扰因素。由于牧草生产季节不平衡，刈割相对于放牧而言，对于解决牧草生产季节不平衡的问题，确保家畜越冬营养需要起着重要的作用。在广大牧区，割草地收获的干草是解决牧草供给季节不平衡的重要手段，也是冬春期间抗灾保畜，减少春乏损失的主要措施。

研究在刈割干扰下呼伦贝尔草甸草原羊草和贝加尔针茅群落特征、土壤微生物与酶活性的变化，并进行比较分析，在刈割条件下羊草群落和贝加尔针茅群落哪个生长情况更好，更适合刈割，产量更高等，对于草原的保护和合理利用，草原自然保护区的建设等都具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样地位于呼伦贝尔市陈巴尔虎旗草甸草原。位于49°33′49.4′′-49°43′20.8′′N、118°50′15.7′′-118°58′21.2′′E，海拔695～787 m。属于中温带半干旱大陆性气候，冬季严寒漫长，夏季温暖短促，年均气温-2.6 ℃，最高、最低气温分别为38.4 ℃和-49 ℃；年积温1 580～1 800 ℃，无霜期110 d；年平均降水量350～450 mm，多集中在7～9月且变化较大。草原类型是以羊草（Leymus chininse）p贝加尔针茅（Stipa baicalensis）分别为建群种和优势种构成，主要伴生种有硬质早熟禾（Poasphondy lodes）p蓬子菜（Galium verum）等。

1.2 试验设计

1.2.1 样地设置 根据利用方式不同，将样地分为放牧和刈割两个区，再根据建群种不同将每个区划分为羊草群落（YD）和贝加尔针茅群落（BD）。本研究只对刈割区的羊草群落和贝加尔针茅群落进行研究，刈割区属于常年正常刈割3年以上，羊草群落和贝加尔针茅群落分别以羊草和贝加尔针茅为建群种。每个群落各设一个样带，每个样带长100 m，宽2 m，在每个样带中随机取面积为0.5 m×0.5 m的样方，重复15次。

1.2.2 植物调查与取样 2012年8月中旬，草原植物群落生物量达到高峰期时，在呼伦贝尔草甸草原刈割草场的羊草群落和贝加尔针茅群落各选取一个样带进行调查与取样。野外植被学调查采用常规调查法[1]。植物多度采用计数法测定、植被盖度采用目测法测定、用直尺测量每个物种的自然高度、地上生物量测定，齐地面剪取茎叶，然后分种计数并称取鲜重后，装入纸袋中自然晾干，称其干重。

1.2.3 土壤样品采集 在采取植物样本的同时采取土壤样本。每个样地内用9 cm土钻随机选10个样点，每个取样点之间间隔10 m，分层取0～10 cm、10～20 cm土壤样品，同层土样混合均匀，试验设3次重复。将土样保鲜带回实验室立即进行试验，用于土壤微生物和土壤酶活性的测定。

1.2.4 土壤微生物种群数量测定 细菌、放线菌和真菌的活菌计数培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、高氏1号培养基、孟加拉红培养基，方法参考文献[2]。

1.2.5 土壤酶活性的测定 脲酶用靛酚蓝比色法测定，酶活性以24 h后1 g土中NH4+-N 的毫克数表示；转化酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以24 h后1 g土中葡萄糖的毫克数表示；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，酶活性以每克土壤滴定所需0.1 mol/L KMnO4的毫升数来表示[3]。

1.2.6 数据处理

1）重要值。植物群落物种重要值计算公式为：重要值=（相对高度+相对密度+相对盖度）/3

2）植物群落α多样性 物种α多样性指数包括：Margarlef丰富度指数（Ma）、Shannon-Wiener多样性指数（H′）、Simpson多样性指数（D）和Pielou均匀度指数（Jp）。

3）数据分析 采用Excel 和SAS 9.13 软件进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 植物群落数量特征分析

2.1.1 群落盖度变化 群落盖度分析结果显示，两个群落之间无显著性差异，贝加尔针茅和羊草的群落盖度大致相同，相差不大（P>0.05）。贝加尔针茅群落高出羊草群落2.090个百分点（图1A）。

2.1.2 群落高度变化 群落高度方差分析结果显示，两个群落之间无显著差异，贝加尔针茅和羊草的群落高度大致相同，相差不大（P>0.05）。贝加尔针茅群落高出羊草群落2.217%（图1A）。

2.1.3 群落密度变化 群落密度变化显示，两个群落的密度比较与群落高度和盖度有所不同，两个群落之间有显著差异（P

2.1.4 群落现存量变化 群落现存量变化显示，不同群落之间存在显著差异（P

2.2 植物群落α多样性变化

由表1可知，不同群落在刈割干扰下，Margalef物种丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数，贝加尔针茅群落相比羊草群落有升高趋势，Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数，不同群落之间没有显著差异，相差不大。

Margalef物种丰富度指数：羊草群落显著高于贝加尔针茅群落18.110%（P

Shannon-Wiener多样性指数：不同群落之间有显著差异，羊草群落显著高于贝加尔针茅群落35.544%（P

Simpson优势度指数：不同群落之间无显著差异，但羊草群落高出贝加尔针茅群落2.20%。

Pielou均匀度指数：不同群落之间无显著差异，但羊草群落高出贝加尔针茅群落7.07%。

2.3 刈割条件下土壤微生物数量变化

由表2可知，在土壤微生物中，无论是羊草草原还是贝加尔针茅草原土壤，细菌的数量基本上较放线菌高1个数量级，放线菌较真菌高2个数量级。细菌与放线菌和真菌均呈显著差异（P0.05）。两类型草原相比较，在0～10 cm土层中放线菌的数量贝加尔针茅草原的要高于羊草草原的，但差异不显著（P>0.05）。

2.4 刈割对羊草和贝加尔针茅草原土壤酶活性的影响

刈割对羊草和贝加尔针茅草原土壤酶活性的影响情况见表2。两种类型草原土壤酶活性的垂直分布情况为0～10 cm高于10～20 cm，刈割干扰下两个土层中土壤脲酶和过氧化氢酶活性相比较，贝加尔针茅草原的要高于羊草草原的，但差异不显著（P>0.05），而转化酶的活性羊草草原要高于贝加尔针茅草原的，但差异不显著（P>0.05）。

2.5 土壤微生物、土壤酶活性与植物群落数量的关系

相关性分析表明，植物群落α多样性与土壤微生物数量、土壤酶活性呈显著正相关（P

3 结论与讨论

刈割作为草甸草原重要的利用和管理方式之一，对天然草地生态系统而言，是一种人为干扰机制，对草地生态系统及其各组分产生一定的影响。对于刈割干扰下的草甸草原，已经有了一系列的研究，研究表明，刈割可以增加群落的物种数、群落密度以及羊草群落盖度[4]，同时，随着刈割频次的增加，即刈割间隔期间的缩短，群落的地上生物量和地下生物量都有所减少。适量的刈割可以刺激植物的生长，但刈割频次过多会严重影响植物的生长[5]。适度的刈割对土壤微生物和土壤酶的活性也会产生一定的影响[6]，所以研究刈割对草原的影响对于合理利用草地具有重要意义。

贝加尔针茅个体比羊草大，在高度和盖度两个指标中贡献大，高于羊草，可是同一大小的样方中羊草数量众多，导致密度指标上羊草要大于贝加尔针茅[7]。而且，由于贝加尔针茅个体大，对别的物种的竞争排斥作用强，导致同一群落的种间竞争过程中，贝加尔针茅会优于羊草[8]，这可能使贝加尔针茅群落的现存量和枯落物量要小于羊草群落。另外这可能也是导致羊草群落α多样性比贝加尔针茅群落高，因为种间竞争小，就能允许更多的物种共同生存，生物多样性就高，反之就低。

植物群落与数量特征：在群落与数量特征的五个指标中，不同群落之间高度和盖度都没有显著差异，相差不大，但贝加尔针茅群落略高于羊草群落。而另外两个，即现存量和密度，不同群落之间有显著差异，并且都是羊草群落显著高于贝加尔针茅群落。表明在刈割干扰下，以羊草为建群种的群落所受的影响比贝加尔针茅群落小，生长情况相对更好。

植物群落α多样性：在刈割干扰下，羊草群落受影响较贝加尔针茅群落小，植物群落α多样性四个指数都比贝加尔针茅群落高，物种多样性更丰富。

总之，草甸草原自然保护区在刈割干扰下，羊草群落普遍生长情况相对更好，生物多样性也更高，而且由于枯落物的量高于贝加尔针茅群落，对土壤肥力的作用也会比贝加尔针茅好，但是就草场的牧草生产力而言，由于贝加尔针茅个体大于羊草，使得贝加尔针茅群落明显高于羊草群落。另外，虽然贝加尔针茅群落在刈割干扰下生长情况稍劣于羊草群落，但对草甸草原并没有多大影响，因此，贝加尔针茅群落更适合刈割。在草甸草原自然保护区的建设过程中，可以适当的调整两个群落的刈割强度和刈割频次，以便达到最好的利用效果，对此还有待进一步的研究。

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第6篇：土壤呼吸的意义范文

关键字：降雨；降尺度；蒸散发；IBIS模型

中图分类号：P468 文献标志码：A 文章编号：16721683（2015）06103105

Abstract：In order to recognize the effects of precipitation intensity and duration on the evapotranspiration，temporal downscaling simulation of daily precipitation in Changbaishan area is conducted using the weather generator of IBIS （Integrated Biosphere Simulator） model and a precipitation downscaling model based on precipitation intensity and duration.The calculated hourly precipitation is used as the meteorological drive and evapotranspiration is simulated using the IBIS model.The results show that the precipitation intensity simulated by the weather generator of IBIS model is obviously lower，leading to a higher evapotranspiration，while the results from the precipitation downscaling model match the observation data well.The accuracy of evapotranspiration simulation can be improved with the accurate precipitation downscaling.In addition，through the comparison of evapotranspiration variation under different schemes of precipitation intensity and duration based on two precipitation events in 2004，stronger precipitation intensity and shorter precipitation duration can decrease the total evapotranspiration and the proportion of canopy interception evaporation，and increase the proportion of soil evaporation and plant transpiration under the same daily precipitation.

Key words：precipitation；downscaling；evapotranspiration；IBIS model

地表蒸散发是土壤植物大气连续体水量平衡和能量平衡的关键参量，同时也是气候变化研究的重要指标，因此合理精确地估算地表蒸散发对评价和管理气候变化背景下水资源、生态环境和农业生产有着重要的指导意义[1]。地表蒸散发与地区的气候条件、下垫面情况相关[2]，主要受太阳辐射、气温、相对湿度和风速等气象因子的影响[3]。而在小时尺度上，降水量和降水强度影响植被冠层截留和土壤下渗等过程[4]，进而影响地表的蒸散过程[5]。

降水过程和强度通过对水文循环的影响进而作用于土壤侵蚀和植被生长等过程[6]，是地表生态水文过程的主要驱动因素。降水过程的模拟精度直接影响陆面生态水文过程的模拟效果，然而实测降水资料往往无法满足生态水文模型要求的时空精度，需要通过随机模拟方法，模拟不同时间和空间尺度上的降水，作为模型的气象驱动。对于单个站点日降水降尺度研究，最基本的方法是利用站点的降水观测数据，统计分析降水特性，如最大降水强度、降水历时、开始时间和雨强历时分布规律[78]，再根据降水在不同时间尺度上的相关关系，计算小时降水过程。而对于大的地区或流域进行日降水的降尺度计算时，则需要根据地区的气候特点和降水特征进行分区，分别统计各分区的降水特征及其相关关系，据此进行降尺度计算[9]。很多大尺度的陆面模型、水文模型也都自带了的降水天气发生器，用于陆面水量和能量平衡的模拟，如IBIS[10]（Integrated Biosphere Simulator）、SWAT[11]（Soil and Water Assessment Tool）等，然而模型自带的天气发生器（WGEN[12]、WXGEN[13]）主要针对日降水进行统计分析和计算，对于小时降水的计算比较简单，导致小时降水的计算结果偏差较大。为了了解小时降水过程的模拟效果在陆面水循环模拟的重要作用，本文分别利用IBIS模型自带的天气发生器和雨强历时模型对长白山地区的小时降水和表蒸散发过程进行模拟，并针对两场不同雨量的降水，设置不同的雨强历时方案，据此分析其对地表蒸散发模拟的影响。

4 降尺度方法对蒸散发模拟的影响

4.1 方案设置

长白山地区夏季降水充沛，植被覆盖度和LAI较高，地表蒸散发量大。为了了解不同的雨强历时过程对地表蒸散发的影响作用，本文针对2004年夏季的两场不同雨量的降水（降水1：20040719场次降水，降水量528 mm；降水2：20040520场次降水，降水量144 mm），采用三种雨强历时方案对地表蒸散发及其组成分项进行模拟分析：方案一采用IBIS模型自带的天气发生器计算，方案二和方案三采用雨强历时模型，分别采用不同的参数计算。各方案的参数值见表2。

利用不同方案计算的小时降水过程见图3。对于降水1，方案一降水历时11 h，降水强度均为4.8 mm/h；方案二降水历时6 h，最大降水强度18.14 mm/h；方案三降水历时16 h，最大降水强度11.32 mm/h。对于降水2，方案一降水历时20 h，降水强度均为0.72 mm/h；方案二降水历时5 h，最大降水强度6.26 mm/h；方案三降水历时13 h，最大降水强度3.94 mm/h。可见方案二的雨型为尖瘦型，而方案一和方案三的雨型则较为平缓。

4.2 降水过程对蒸散发的影响

不同雨强历时方案下的水循环各项变量见表3，其中表层土壤含水量为地表10 cm土壤的平均含水量。在降水1的情景下，三个方案计算的蒸散发量分别为1.99 mm、1.86 mm和2.11 mm。由于暴雨天气，温度、湿度等气象要素会降低地表蒸散发能力，蒸散发量较降水而言相对较小，但仍可看出，在日降水量相同的情况下，不同的降水过程会导致不同的地表蒸散发量。在降水2的情景下，三个方案计算的蒸散发量分别为5.86 mm、2.72 mm和4.26 mm，蒸散发量受雨强历时过程的影响更为明显。两场降水过程中蒸散发与降水之间的关系一致，即降水强度大、降水历时短的情况下，地表蒸散发量相对较小。同时从表3中还可以看出，在降水强度大、降水历时短的情况下，即雨型为尖瘦型，冠层截留量较小。土壤水分变化规律则与降水量有关，如果降水量较小，地表不产流，在尖瘦雨型的情况下，冠层截留较小，导致土壤水分相对较大；而如果降水量较大，产生地表径流，在尖瘦雨型的情况下，冠层截留和土壤拦截水量都较小，因此产生的径流量相对较大。

不同雨强历时方案下的蒸散发组成分项见表4，尽管在不同的气象条件和降水条件下，截留蒸发、土壤蒸发和植被蒸腾所占比重不同，但仍可以看出，不同的雨强历时过程不仅影响地表蒸散发量，而且影响地表蒸散发的比重。从表4中可以看出，在降水强度越大、降水历时越短的情况下，冠层截留蒸发量所占比重较小，而土壤蒸发量和植被蒸腾量所占比重越大。 LSX陆面模式认为冠层截留会减小干燥叶片的比例，减小冠层的气孔导度和光合能力[14]，因此在尖瘦雨型的情况下，冠层截留比例较小，干燥叶片面积较大，且干燥时间较长，植被冠层的气孔导度和光合速率较高，促进植被的蒸腾作用。

5 结论

本文以IBIS模型为基础，利用IBIS模型自带的天气发生器和雨强历时模型两种不同的降水降尺度方法将日降水量分解到小时尺度，并以计算的小时降水模拟长白山地区的地表蒸散发，最后针对2004年两场不同大小的降水，分方案讨论了雨强历时过程对地表蒸散发的影响作用，结果如下。

（1）雨强历时模型可以较好地模拟长白山地区的小时降水过程，较IBIS模型自带的天气发生器有明显的提高，其NSE从0.11～0.26提高到了0.65，相关系数由0.36～0.51提高到了0.81。

（2）降水历时过程在地表蒸散发模拟中具有重要作用，小时降水模拟精度的提高有助于提高蒸散发的模拟精度，用雨强历时模型代替IBIS模型的天气发生器，模型模拟的蒸散发NSE由原来的0.69～0.72提高到0.84，相对误差由11.38%～12.82%降低到-0.63%。

（3）在日降水量相同的情况下，不同的雨强历时过程会影响降水的分配。一般在降水强度越大、降水历时越短的情况下，植被冠层和土壤拦截水量相对较小，地表产流量较大，大部分降水以径流的形式汇入河网，储存在植被和土壤中的水分较少，导致地表蒸散发总量减少。

研究结果表明， 在小区域的水循环模拟研究中，利用单个或多个站点的降水数据统计分析得到小尺度降水数据，可很较好地应用于模型模拟中。而对大的流域或地区的地表蒸散发或水循环进行模拟时，则需要更多的降水实测资料，将降水的空间降尺度方法与时间降尺度方法相结合，发展多维降水随机模型，为陆面模型提供更为精确的小尺度降水数据。此外，IBIS模型在计算地表蒸散发时考虑了植被冠层的截留和蒸发过程，但是忽略了地表枯落物的截留和蒸发过程，应加强相关的机理研究和模拟研究。

致谢：特别感谢中国科学院地理科学与资源研究所占车生老师对本研究的支持和指导，以及中国生态系统研究网络（CERN）提供的数据支持。

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第7篇：土壤呼吸的意义范文

关键词：土壤水分；复垦；土柱试验；粉煤灰场

中图分类号：TD88 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）20-4898-05

Moisture Movement of Stratified Soil in Reclamation Land of Fly Ash Disposal Sites

YU Jia-he，CHEN Xiao-yang，YAN Jia-ping，YANG Xiu-fang，TAN Hai-yang，LIU Ying

（School of Earth and Environment， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China）

Abstract： Soil column experiments were conducted to study the moisture movement characteristics in soil of reclamation land in fly ash disposal sites with different thickness of covering soil. Based on the meteorological data of the research area， the annual changes of moisture content in the reclaimed soil profile were simulated to explore moisture holding capacity of the particular soil profile under extreme weather conditions and provide theoretical proofs and technical supports for field water management of the reclamation soils when plants are to be cultivatal. The results showed that under low groundwater table condition （-300 cm）， the difference of moisture content at various monitoring sections of the reclaimed soil profiles between dry and wet year was about 0.10 cm3/cm3. The difference in surface soil was bigger when the water content of surface soil was below 0.20 cm3/cm3 in dry years. The water content of surface soil was maintained at 0.20～0.30 cm3/cm3 in wet years and could be higher than 0.30 cm3/cm3 during rainy season. Under high groundwater table （-115 cm） condition， water content in fly ash layer remained at nearly saturated state for a long time owing to strong moisture sorption ability of fly ash. The water content of surface soil also exceeded that of sandy loam， even in dry years.

Key words： soil moisture； reclamation； soil column experiment； fly ash disposal sites

煤炭开采与燃烧利用直接引发两大环境负效应——采煤塌陷和粉煤灰固体废弃物。粉煤灰由于其特殊的物理、化学特性，在工业和农业领域具有广阔的应用前景[1-3]。据统计，2005年中国和印度的粉煤灰产量分别为1.00亿t和1.12亿t，而当年利用率仅分别为45%和38%[4]，大量的粉煤灰尚堆积在粉煤灰场，导致周围生态环境的二次污染。

将粉煤灰作为基质充填采煤塌陷区或者直接在处置场的粉煤灰上部覆土，重构土壤剖面以培栽植物在技术上是可行的[5]。实际上，我国已存在许多这方面的工程实践，并且一些专家学者从粉煤灰充填重构土壤的理化性质、肥力和污染物蓄积等方面进行了详细的研究和报道[6-10]。不可否认的是，由于粉煤灰基质的特殊性，复垦土壤剖面水分运动特征与自然农业土壤存在一定差异，需加强复垦地水分管理，以保证理想的植物生长或作物产量。本研究在现场调查的基础上，在实验室建立土柱模型进行模拟试验，以期获得不同气象条件下复垦土壤的水分平衡机理，为粉煤灰处置场复垦土壤的田间水分管理提供理论依据和技术支持。

1 研究区域概况

淮南市位于淮河中游，安徽省中部偏北，地处东经116°21′21"—117°11′59"、北纬32°32′45"—33°01′14"，属大陆性暖温带半湿润季风气候，表现为气候温和，雨量适中，日照充足，四季分明，梅雨显著，过渡性明显。年平均气温为15.3 ℃（1955—2006年气象资料统计），全年无霜期224 d，太阳辐射年均总量514.3 kJ/cm2，年均降雨量915 mm，年均水面蒸发量790 mm。研究区的粉煤灰处置场位于淮南市东部、淮河以南的上窑镇。上窑灰场是在淮河、窑河相交的三角洼地建起的，现含有田电灰场、洛河复垦灰场、洛河老灰场、停用灰场和洛河新灰场（图1），主要用于处置田家庵和洛河两个燃煤电厂湿法排出的粉煤灰，灰场占地总面积超过400 hm2，总储量约2 000万m3。田电灰场和洛河新灰场正在使用，停用灰场正在进行粉煤灰综合利用，洛河复垦灰场和洛河老灰场现已覆土复垦。

洛河老灰场于1999年停止使用，并在粉煤灰上部覆土，2001年复垦作为农业用地，轮种小麦和黄豆。2010年开始，部分复垦场地改为工业和建筑用地。洛河复垦灰场的建设和使用时间虽稍晚，但情况与洛河老灰场类似。通过研究区现场调查，粉煤灰复垦地表土厚度不均匀，变化范围为20～50 cm，表土质地为沙壤土，粉煤灰以粉粒为主（约占80%），少有黏粒和细沙。

2 试验方法

2.1 室内土柱试验

土柱试验被用来作为粉煤灰处置场复垦地层状土壤水分运动的相似模拟。依据研究区复垦土壤剖面的现场调查结果，表土厚度以20～50 cm为主，因此分别设置2种不同的表土厚度（20和35 cm）土柱，每种覆土厚度做3个重复土柱。表层土壤的初始含水量为0.116 9 cm3/cm3，容重为1.450 g/cm3；粉煤灰基质的初始含水量为0.088 4 cm3/cm3，容重为0.884 g/cm3。对于覆土厚度为20 cm的土柱，分别在深度为19、49、79和108 cm处设4个不同的监测断面，而覆土厚度为35 cm的土柱分别在深度为5、34、64、94和123 cm处建立5个监测断面。每个监测断面都放置张力计-传感系统（Tensiometer-transducer systems，TTS）以测定土水势，放置时域反射计（Time-domain reflectometry，TDR）以测定土壤体积含水量。

土壤水运动监测系统装置是由德国UGT公司开发研制的。整个系统主要分为土柱模型、数据采集系统、数据记录系统和计算机处理软件系统4个部分。土柱模型为圆柱形，高176 cm，直径30 cm。底端设有半渗透性膜层，并有接口与地下水位控制装置相连。所用张力计-传感系统的型号为Tensio150，数据记录仪的型号为DL100。试验分两个阶段进行：第一阶段，模拟低地下水位（-300 cm）的情况。每天用蒸馏水灌溉土柱，灌溉量为20 mm/d，直到土壤剖面的体积含水量接近田间持水量，此时土柱底端开始设置吸力泵抽取土壤水分，吸力为10 kPa，继续用蒸馏水灌溉，灌溉量为20 mm/d。第二阶段，增加地下水控制装置，设置所有土柱的地下水位为

-115 cm（高地下水位），并继续开始用蒸馏水灌溉，灌溉量仍然为20 mm/d。每阶段连续试验15 d。整个试验阶段，张力计-传感系统和时域反射计不间断工作，每小时记录一组数据。

2.2 土壤水分运动数学模型

对于垂直一维非饱和土壤水分运动的模型，一般应用Rechards方程来描述[11]，方程见公式（1）。

■=■Kh■-■ （1）

式（1）中，θ为体积含水量，单位为cm3/cm3；t为时间，单位为d；z为垂直坐标（向下为正），单位为cm；Kh为不饱和导水率，单位为cm/d；h为土水势，单位为cm H2O。

由于实验室温度恒定在20 ℃左右，土柱顶端未安装模拟蒸发设备，蒸发作用微弱。因此，在整个试验阶段土壤的蒸发作用被忽略，上边界条件依据灌溉方式和灌溉量来选择。对于下边界条件，在土壤入渗过程模型验证和模拟时设为入渗锋面；在模拟年不同气象条件下土壤水分变化状况时选择自由排水或恒定水含量。初始条件以含水量来设定。

2.3 水分运动特征参数测定

土壤和粉煤灰的质地分析应用比重计法，持水曲线、饱和导水率在实验室里按照测试扰动土水分运动特征参数的方法测定。土壤水吸力的对数值pF为1.0、1.8和2.5时，对应含水量的测量用吸力平板仪；pF为4.2时，对应含水量的测量用压力膜仪。含水量的最终测试是在烘箱中105 ℃烘干24 h后称重获得。同时，用氦气比重瓶测定固体基质的土粒密度，以近似计算饱和含水量。测试结果应用Van Genuchten的持水曲线经验公式（公式2）进行拟合，绘制固体基质持水曲线，并估计水分运动参数[12]。另外，用渗透仪测定不同固体基质的饱和导水率，并应用Mualem[13]预测的不饱和土壤导水率经验公式（公式3）进行拟合。

θh=θr+（θs-θr）/[1+|αh|n]m （2）

Kh=Ks·S■■1-1-S■■■■ （3）

Se=（θh-θr）/（θs-θr） （4）

式（2）-（4）中， θh为土壤含水量，单位为cm3/cm3；θr为残余含水量，即永久凋萎点，单位为cm3/cm3；θs为饱和含水量，单位为cm3/cm3；Kh为不饱和导水率，单位为cm/s；Ks为饱和导水率，单位为cm/s；Se为有效含水量，单位为cm3/cm3；L为土壤孔隙结构参数（通常取0.5），无量纲；m、n、α为持水曲线形态参数，其中m=1-1/n，无量纲。

3 结果与分析

3.1 复垦土壤层状土壤剖面结构

通过颗粒分析结果可知，粉煤灰以粉粒为主，沙粒次之，在质地上相当于粉壤土，但与粉壤土又存在明显区别，主要表现为黏粒偏少，甚至可以忽略。与普通土壤粉粒相比，粉煤灰颗粒的矿物组分不同，比表面积更大。粉煤灰的容重较小，一般为0.80～1.00 g/cm3，而粉壤土通常为1.25～1.50 g/cm3。粉煤灰的孔隙度比粉壤土大，其颗粒比表面积大，吸持水分的能力很强，饱和含水量在0.60 cm3/cm3以上。由于粉煤灰层的田间含水量较高，非饱和导水率往往大于相近质地的粉壤土或沙壤土。

将粉煤灰作为充填基质复垦煤矿塌陷区，或者直接在粉煤灰场覆土复垦，重建的农业土壤剖面与应用粉煤灰作为土壤改良剂不同，此时土壤与粉煤灰层次分明，潜水位以上往往形成土壤剖面的二元结构，即“土壤-粉煤灰”剖面结构。当然，工程实践中由于煤矿塌陷区地下潜水位的差异，在潜水位较低时（无积水或季节性积水塌陷区）可能形成三元结构，即“土壤-粉煤灰-土壤”剖面结构，但考虑对作物生长产生明显影响的土壤剖面深度有限，一般为-200 cm左右，研究中设置低地下水位（-300 cm），近似地以二元结构来替代。另外，粉煤灰场一般在使用前都做防渗处理，粉煤灰层与深层土壤或地下水物质能量交换受到限制，但水分在粉煤灰下层积聚形成新的“潜水位”，有时水位还很高，在-100 cm左右，复垦土壤的二元结构也很明显。概化粉煤灰充填重构土壤剖面，自地面至地下潜水面（潜水位低时为地面至研究土壤剖面底端）土壤剖面划分为两层，上层为容重较高，持水能力、孔隙度和导水率均较低的土壤层；下层为容重较低，持水能力、孔隙度和导水率较高的粉煤灰层（图2）。整个土壤剖面水分循环与转化趋势与自然农业土壤相近，但粉煤灰层的理化性质导致运动的连续性变差，表层土壤持水能力变差，供水条件下表土水分快速入渗至粉煤灰层。与之相对应，蒸发条件下粉煤灰层的水分却很难通过毛管力向上运移，迁移量较小，表现出明显的“土壤-粉煤灰”界面特征。

3.2 参数率定与模型验证

前期研究结果显示，由于质地差异，粉煤灰的田间持水量和饱和含水量均高于复垦地的表土层，残余含水量基本在0.05～0.08 cm3/cm3，有效水含量为0.40 cm3/cm3。同时，当基质吸力小于10 kPa时，粉煤灰的含水量在0.5 cm3/cm3以上，且饱和渗透率也稍大于上覆土壤。后期研究通过拟合和参数率定，得到了复垦土壤表层土和粉煤灰基质的水分运动特征参数，具体见表1。

以土柱内2种基质的体积含水量模拟值为横坐标，实测值为纵坐标，绘制散点图（图3）。由于绘图过程中3个监测断面即可说明问题，因此只保留了3个监测断面数据，即土柱选取1个监测断面，粉煤灰选取2个监测断面。在第一阶段试验的近20 d内，土柱3个监测断面的含水量变化趋势与模拟值相似。覆土厚度20 cm和35 cm的相关点均基本围绕1∶1拟合线分布。第二阶段与第一阶段试验结果相近。因此可知Rechards方程可以用来描述类似复垦土壤剖面的水分运动。

3.3 低地下水位复垦土壤剖面水分变化特征

研究区的粉煤灰处置场复垦地在进行冬小麦栽种时，仅种植初期进行灌溉和施肥，中途一般不再灌溉，此时气象条件显得尤为重要。通过查阅淮南市近10年的降雨量和蒸发量资料，考察复垦地表层土厚度现状在极端气象条件下对整个土壤剖面持水能力的影响，对比资料显示，淮南市自2001年以来，尚无极端干旱或洪涝灾害发生，仅2003年和2004年的月平均降雨量与蒸发量的差值显著区别于其他年份，其中2003年为潮湿年份，2004年为干旱年份。模拟研究应用的气象条件数据见表2。

粉煤灰处置场一般选择在塌陷区或低洼地带，但在建设之初均做了防止渗滤液下渗处理，导致复垦地的地下水位相对较低。通过相似模拟研究可以看出，当覆土厚度为35 cm、地下水位较低（-300 cm）时，复垦土壤含水量变化明显受到降雨量和蒸发量的影响（图4）。干旱年份与潮湿年份的复垦土壤整个剖面各监测断面的含水量相差0.10 cm3/cm3左右。尤其是表层（-10.0 cm）土壤的含水量变化幅度较大，干旱年份较长时间在0.20 cm3/cm3以下，而湿润年份基本保持在0.20～0.30 cm3/cm3，雨季甚至会超过0.30 cm3/cm3。此时，覆土厚度与气象条件相比对田间水分变化的影响微不足道。因此，覆土厚度为20 cm的土壤剖面水分变化趋势与覆土厚度为35 cm的基本一致。另外，在干旱年份，尽管复垦地表层土壤较薄（20 cm），土壤含水量仍然会保持在0.15 cm3/cm3，能够满足植物生长需求。

3.4 高地下水位复垦土壤剖面水分变化特征

湿法排灰的粉煤灰处置场，虽然污水经抽吸、处理后循环利用，但处置场覆土复垦后，能形成区域内粉煤灰层的内涝积水，与高地下水位的复垦土壤水文条件相似。同时，有些矿山企业将粉煤灰综合利用与煤矿塌陷区治理相结合，基于粉煤灰基质充填重构土壤剖面，当塌陷区地下潜水位较高时，也易形成高地下水位的复垦土壤水文条件。因此，高地下水位时复垦土壤整个剖面水分含量变化情况以及植物有效性研究具有重要意义。

设置高地下水位（-115 cm）进行实验室相似模拟试验。研究发现即使灌溉或降水的供水量贫乏（干旱年份），复垦土壤剖面的水分含量也非常高。如覆土厚度为20 cm的复垦土壤剖面（图5），粉煤灰层自地下水位向上含水量呈连续递减，但基本都超过了0.60 cm3/cm3，接近饱和含水量0.63 cm3/cm3。而表层沙壤土的含水量也很高，达0.40 cm3/cm3，高于试验用土壤的田间含水量。这种复垦土壤水文条件有个很重要的特征，即土壤水分变化受降雨量和蒸发量的影响非常小，在粉煤灰基质强毛细管水分垂直向上运输能力的作用下，表层土壤会源源不断地得到水分供给，保证植物生长需求。但粉煤灰层的这种“内涝”现象所造成的表土高含水量对植物生长存在负效应，粉煤灰处置场复垦土壤进行植物栽培时，物种的选择尤为重要。

4 结论

通过现场调查和实验室相似模拟，Rechards方程能够很好地被用来描述复垦土壤这种特殊土壤剖面的水分垂直运动。当复垦土壤的地下水位较低（-300 cm）时，土壤含水量变化明显受到降雨量和蒸发量的影响，此时覆土厚度对田间水分变化的影响非常微弱。在干旱年份，尽管复垦土壤表层土壤较薄（20 cm），土壤含水量仍能够满足植物生长需求，主要是因为粉煤灰层较强的持水和毛管水垂直向上运输能力。但当地下水位较高时（-115 cm），这种强持水和水分运输能力却会带来负效应，使得整个复垦土壤剖面的含水量均常年接近饱和含水量，阻滞植物的生长，即使是在干旱的年份，这种负效应也存在。

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