劉 英,雷少剛,程林森,程 偉,卞正富

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院, 徐州 221116

煤炭是我國(guó)重要的能源來(lái)源,在我國(guó)一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例為70%左右[1],我國(guó)95%以上的煤炭開采采取井工開采的方式,導(dǎo)致礦區(qū)大面積的塌陷下沉[2],對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。近年來(lái),煤炭開采的重心逐漸向西部轉(zhuǎn)移,這使得處于干旱半干旱氣候本就脆弱的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境日趨惡化[3],其中最直觀的體現(xiàn)就是對(duì)植被的影響?，F(xiàn)代化高強(qiáng)度作業(yè)已經(jīng)對(duì)地表植被產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響,植被蓋度相對(duì)于非采區(qū)要低;礦區(qū)開采中地表形成大量的地裂縫和大面積的采空塌陷區(qū),裂縫密集帶土壤水含量要明顯低于裂縫密度低的區(qū)域,并且塌陷區(qū)土壤養(yǎng)分含量較對(duì)照區(qū)明顯降低[4],同時(shí)由于地表裂縫影響,導(dǎo)致植物根際微生物和酶活性內(nèi)在聯(lián)系發(fā)生改變[5],以及對(duì)植物根系的拉傷[6],影響植物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收,地表土壤物理化學(xué)性質(zhì)改變,礦區(qū)水土流失等進(jìn)一步惡化,植被生長(zhǎng)環(huán)境發(fā)生逆向改變,這些都在不同程度上影響了植物的生長(zhǎng)[7- 8]。目前對(duì)于采煤塌陷對(duì)植物影響研究主要集中在植被生物量[9]、覆蓋度[10]、多樣性分析以及開采引起土體損傷對(duì)其間接影響[11],而對(duì)采煤塌陷影響下土壤含水量變化對(duì)植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰與光合作用速率的影響研究較少。

隨著陸地-大氣相互作用中植被的作用逐漸被認(rèn)識(shí),關(guān)于脅迫下植物生理指標(biāo)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)成為研究熱點(diǎn),許多學(xué)者對(duì)干旱脅迫下植物生理指標(biāo)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)進(jìn)行了研究[12- 15]。氣孔是高等植物與大氣進(jìn)行水汽交換的主要通道,是吸收空氣中CO2的入口,也是水蒸氣逸出葉片的主要出口,氣孔導(dǎo)度的開放程度直接影響植物的蒸騰速率與光合作用,氣孔導(dǎo)度在控制碳吸收與水分平衡中有關(guān)鍵作用[16],同時(shí)氣孔導(dǎo)度的運(yùn)動(dòng)狀況在一定程度上反應(yīng)了植物體內(nèi)的代謝情況,其靈敏度是植物體內(nèi)受脅迫的一個(gè)重要表征[17]。植物根系吸收的水分一部分通過(guò)葉片蒸騰作用散失,一部分參與植物的生理活動(dòng),因此,蒸騰作用對(duì)于植物維持體內(nèi)水分平衡具有重要意義[18]。光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能合成有機(jī)質(zhì)的生物過(guò)程,而土壤含水量的變化直接影響植物葉片的光合作用,土壤水分脅迫導(dǎo)致植物光合速率的變化,進(jìn)而影響植物的生物量和生產(chǎn)力[19]。因此,研究采煤塌陷條件下植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰以及光合作用速率的變化是探究開采沉陷對(duì)植物葉片水分蒸騰散失和CO2同化速率影響的關(guān)鍵環(huán)節(jié),弄清采煤塌陷區(qū)植物葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰以及光合作用速率與土壤含水量之間的相互關(guān)系是探討采煤塌陷影響下植物能量與水分交換動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)。

神府-東勝煤田地處黃土高原,毛烏素沙漠邊緣地帶,屬于典型的半干旱、半沙漠的高原大陸性氣候。輻射強(qiáng)且日照時(shí)間長(zhǎng),水分虧缺生態(tài)環(huán)境十分脆弱。該煤田探明儲(chǔ)量354.22億t,是中國(guó)已探明儲(chǔ)量最大的煤田,為世界七大煤田之一。近年來(lái),該礦區(qū)采煤塌陷對(duì)植被的影響引起不少學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文通過(guò)對(duì)礦區(qū)內(nèi)采煤塌陷地進(jìn)行植物調(diào)查研究,選擇礦區(qū)典型生態(tài)修復(fù)植物檸條(Caraganakorshinskii)為研究對(duì)象,根據(jù)塌陷區(qū)、非塌陷區(qū)土壤含水量的差異以及檸條葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰以及光合作用速率變化特征,對(duì)比分析檸條氣孔導(dǎo)度、蒸騰與光合作用速率對(duì)土壤含水量變化的響應(yīng)規(guī)律,為該地區(qū)生態(tài)治理提供植被保護(hù)的理論依據(jù),同時(shí)也為礦區(qū)進(jìn)一步的生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地位于內(nèi)蒙古伊金霍洛旗鎮(zhèn)的大柳塔礦區(qū),地理坐標(biāo)為110°05′00″—110°20′00″E (圖1),39°27′00″—39°15′00″N,面積約376km2,多年平均氣溫7.3℃。該區(qū)地處晉、陜、蒙三省接壤處,位于毛烏素沙漠東部邊緣,氣候干燥少雨,年平均降雨量和蒸發(fā)量分別為413.5mm和2111.2mm,屬于典型的干旱、半干旱的高原大陸性氣候。由于人類的生產(chǎn)活動(dòng),礦區(qū)原始植被早已破壞殆盡,代之以人工修復(fù)物種。研究區(qū)域植被類型主要有干草原型、落葉闊葉灌木叢型和沙生類型勢(shì),以油蒿(Artemisiaordosica)、檸條(Caraganakorshinskii)為代表的沙生植被組合,主要生長(zhǎng)于半固定沙地、固定沙地和沙地沙丘間低地,土壤以風(fēng)沙土和硬梁土為主,結(jié)構(gòu)較疏松,抗蝕性差,極易遭受風(fēng)蝕。(風(fēng)沙土：發(fā)育于風(fēng)成沙性母質(zhì)的土壤,處干土壤發(fā)育的初始階段,成土過(guò)程微弱,通體細(xì)沙,植被易于破壞,隨起沙風(fēng)而移動(dòng),其主要特征是土壤礦質(zhì)部分幾乎全由細(xì)砂顆粒組成。硬梁土與風(fēng)沙土類似,主要分布在我國(guó)西北部和內(nèi)蒙古自治區(qū),主要特點(diǎn)是細(xì)砂粒占土壤礦質(zhì)部分總量的65%—85%,而粗砂粒、粉粒及粘粒的含量低,土壤有機(jī)質(zhì)含量極低。)

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 The locations of the study region a. 52302工作面的位置;b. 試驗(yàn)地點(diǎn)的位置圖;c. 煤礦開采沉陷區(qū)

本文選取的52302工作面,地面位置位于大柳塔礦井田的東南區(qū)域三盤區(qū),煤層賦存條件呈現(xiàn)出淺埋深、厚煤層以及近水平等特點(diǎn),地表被厚松散層覆蓋,采用長(zhǎng)臂開采、垮落式管理頂板的開采方式,日推進(jìn)速度可達(dá)12m左右,屬于典型的高強(qiáng)度、超大工作面開采的范疇。近年來(lái),礦區(qū)大規(guī)模的煤炭開采對(duì)地表環(huán)境造成了明顯的影響,如：地表塌陷產(chǎn)生地裂縫群、水土流失、耕地退化、生產(chǎn)力降低等,而這些采煤活動(dòng)勢(shì)必會(huì)直接或者間接的對(duì)礦區(qū)地表植物的生長(zhǎng)造成影響。

2 材料與方法

2.1 地面沉降信息調(diào)查

根據(jù)開采沉陷水平移動(dòng)與變形理論(圖2)[20],局部礦體被采出后,在巖體內(nèi)部形成一個(gè)空洞,其周圍原有應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞,引起應(yīng)力的重新分布,直至達(dá)到新的平衡。隨著采礦工作面的不斷推進(jìn),受采動(dòng)影響的巖層范圍不斷擴(kuò)大,當(dāng)開采范圍足夠大時(shí),巖層移動(dòng)發(fā)展到地表,在地表形成一個(gè)比采空區(qū)大得多的下沉盆地。52303工作面尺寸為4484m×300m,地面高程1162.4—1255.3m,地面標(biāo)高985.13—1020.99m,煤層平均厚度7m,地面水平移動(dòng)系數(shù)0.26,最大裂縫寬度42cm,傾角1°—3°,表層土壤厚30m,下沉系數(shù)0.76,最大下沉值4833mm,煤炭開采速度10m/d,開采深厚比33.57。通過(guò)對(duì)走向觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)判定測(cè)點(diǎn)位置的地表沉陷情況,對(duì)于觀測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示,測(cè)點(diǎn)(z01—z25)位置在3月26號(hào)之前就已經(jīng)受到開采影響而開始下沉,4月5號(hào)還未達(dá)到最大下沉值,之后處于下沉活躍期,到4月26號(hào)已經(jīng)處于相對(duì)穩(wěn)沉狀態(tài)。

圖2 開采沉陷的水平移動(dòng)與變形理論與走向觀測(cè)站沉降量監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 The horizontal movement and deformation theory of mining subsidence and the subsidence result of monitoring station

2.2 樣地與植物選擇

以大柳塔礦區(qū)52302工作面為研究區(qū)(圖1);樣地選擇主要根據(jù)風(fēng)沙土和硬梁土兩種土壤類型(均處于塌陷中后期),在研究區(qū)內(nèi)分別設(shè)立硬梁地塌陷區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)、硬梁地對(duì)照、風(fēng)沙地對(duì)照4塊樣地,其中對(duì)照樣地與采區(qū)樣地地貌植被基本一致,海拔在1256.32—1254.52m之間,坡向?yàn)闁|南坡,坡度1°—3°。采區(qū)樣地位于拉伸變形區(qū)。檸條是大柳塔礦區(qū)主要的生態(tài)修復(fù)植物物種,研究其在煤炭開采條件下氣孔導(dǎo)度與環(huán)境因子的響應(yīng)特征具有重要意義;通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),檸條在采煤塌陷區(qū)具有明顯的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì),種群密度較其他植物大且在硬梁地和風(fēng)沙區(qū)皆有分布,因此本文選取檸條作為研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)所選植物根部土壤進(jìn)行取樣,測(cè)得樣地土壤養(yǎng)分含量以及顆粒組成信息(表1)。表1中硬梁塌陷區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮的相對(duì)其他樣地明顯較高,這可能與研究區(qū)域土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性有關(guān)。此外,風(fēng)沙區(qū)土壤砂粒含量明顯高于硬梁地。

表1 樣地土壤養(yǎng)分含量以及顆粒組成信息

2.3 數(shù)據(jù)采集

2015年5月中旬,根據(jù)樹冠不受遮蔽原則,分別在每個(gè)樣地內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)較一致、樹齡5—6年、株高1m左右的檸條3株,沿植株垂直方向從上(0—30cm)中(30—60cm)到下(60—90cm)對(duì)成熟葉片進(jìn)行光合作用參數(shù)測(cè)定,每株檸條每個(gè)選定葉片做3個(gè)重復(fù),結(jié)果取平均。選擇晴朗無(wú)云的天氣,利用LCI-SD便攜式光合儀(Li-Cor Inc., USA)對(duì)選定的檸條葉片測(cè)定氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(E)以及光合作用速率(A),同樣測(cè)取3個(gè)重復(fù),結(jié)果取平均。利用ML3X土壤水分速測(cè)儀(Delta-T Inc., UK)同步測(cè)定表層0—20cm土壤體積含水量,土壤水分速測(cè)儀在測(cè)定前用烘干法標(biāo)定。測(cè)定時(shí)間為上午8:00—18:00,每隔1h測(cè)定一次。利用英國(guó)PR2(Profile Probe type PR2)土壤剖面水分速測(cè)儀對(duì)植物根系土壤含水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),每30分鐘監(jiān)測(cè)一次,可以分別監(jiān)測(cè)到10、20、30、40、60cm和100cm處土壤體積含水量的變化;監(jiān)測(cè)時(shí)間區(qū)間為3月16號(hào)到6月3號(hào),即監(jiān)測(cè)點(diǎn)受地下開采影響前至沉陷相對(duì)穩(wěn)定后一段時(shí)間,獲得了監(jiān)測(cè)點(diǎn)在受到地下開采影響前后0—100cm不同深度土壤含水量的數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì);采用Origin 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制圖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 采煤塌陷影響下土壤含水量的變化特征

采煤塌陷影響下土壤含水量的變化特征通過(guò)采煤塌陷過(guò)程土壤剖面含水量的變化以及兩種土壤類型塌陷區(qū)與對(duì)照區(qū)表層0—20cm土壤含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

圖3 采煤塌陷過(guò)程土壤含水量的變化,塌陷區(qū)與對(duì)照區(qū)土壤含水量對(duì)比Fig.3 Changes of water content in different soil layers during coal mining subsidence, Comparison of soil water content between coal subsidence area and control area

從圖3土壤剖面水分速測(cè)儀對(duì)植物根系土壤含水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出,除表層0—10cm土壤含水量低于塌陷穩(wěn)定期外,其他土壤層采煤沉陷后含水量均低于沉陷初期,在此期間,4月25日和5月9日降雨量分別為13.8mm和12.0mm,土壤含水量有小幅升高,但是從整體來(lái)看,受采煤塌陷影響土壤含水量呈降低趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)表層0—20cm土壤平均含水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)圖3,得到硬梁地塌陷地、硬梁地對(duì)照區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)平均土壤含水量分別為：8.13%、10.05%、7.07%、8.97%,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.14、0.54、0.66、0.49;與對(duì)照區(qū)相比,塌陷區(qū)平均土壤含水量明顯較低,其中硬梁塌陷區(qū)土壤含水量降低了18.61%,風(fēng)沙塌陷區(qū)土壤含水量降低了21.12%;從整體來(lái)看,硬梁地土壤含水量高于風(fēng)沙地土壤含水量。主要在于相對(duì)于硬梁土,風(fēng)沙土本身更不利于保水,加之煤炭開采引起地表塌陷,增加了土壤水分蒸發(fā)散失。

3.2 采煤塌陷影響下土壤含水量變化對(duì)檸條氣孔導(dǎo)度的影響

氣孔是植物葉片與外界環(huán)境進(jìn)行氣體、水分交換的重要通道,在調(diào)節(jié)植物水分狀況中起關(guān)鍵作用,在受到環(huán)境脅迫的條件下,植物會(huì)適時(shí)做出各種響應(yīng)以減輕脅迫。為了探究檸條葉片氣孔導(dǎo)度對(duì)采煤條件下土壤含水量變化的響應(yīng)規(guī)律,本文對(duì)檸條葉片氣孔導(dǎo)度與土壤含水量(SWC)的相互關(guān)系進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見圖4。由土壤體積含水量與氣孔導(dǎo)度的關(guān)系圖4可以看出,土壤體積含水量在 6%—13%之間,與氣孔導(dǎo)度呈正相關(guān)關(guān)系,隨著土壤體積含水量的增加,檸條葉片氣孔導(dǎo)度值升高。通過(guò)對(duì)土壤體積含水量與氣孔導(dǎo)度進(jìn)行回歸分析得到：硬梁塌陷地、硬梁地對(duì)照區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)氣孔導(dǎo)度與土壤體積含水量的回歸方程分別為：y=0.2764x-2.0108(R2=0.3523)、y=0.0662x-0.3385(R2=0.5860)、y=0.0777x-0.4149(R2=0.3396)和y=0.0482x-0.1036(R2=0.5462)。采煤塌陷影響下,塌陷地土壤體積含水量與氣孔導(dǎo)度值均低于對(duì)照區(qū),原因主要與受采煤塌陷影響,在地表形成裂縫,增加了水分蒸發(fā),植物受到水分脅迫,為了減少水分散失,葉片氣孔導(dǎo)度關(guān)閉有關(guān)。

3.3 采煤塌陷影響下土壤含水量變化對(duì)檸條蒸騰速率的影響

土壤含水量與檸條葉片蒸騰速率的擬合關(guān)系見圖5,從圖5可以看出, 通過(guò)對(duì)土壤體積含水量與蒸騰速率進(jìn)行回歸分析得到：硬梁塌陷地、硬梁地對(duì)照區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)氣孔導(dǎo)度與土壤體積含水量的回歸方程分別為：y=1.2303x-2.5450(R2=0.2584)、y=0.5092x-6.0207(R2=0.1109)、y=2.6555x-14.4123(R2=0.4185)、y=0.5054x-4.1771(R2=0.4721)。土壤含水量與蒸騰速率呈正相關(guān)關(guān)系,隨著土壤含水量的增加,檸條葉片蒸騰速率升高。采煤塌陷影響下,塌陷區(qū)檸條葉片蒸騰速率明顯低于對(duì)照區(qū),且對(duì)風(fēng)沙區(qū)蒸騰速率的影響更大,風(fēng)沙塌陷區(qū)檸條葉片蒸騰最低只有1.11mmol m-2s-1,而硬梁塌陷區(qū)檸條葉片蒸騰速率降低幅度相對(duì)較小。塌陷區(qū)檸條葉片蒸騰速率降低主要與土壤水分供應(yīng)不足,植物為了減少水分散失,氣孔導(dǎo)度降低,從而導(dǎo)致葉片蒸騰速率降低有關(guān)。

圖4 土壤含水量變化與檸條氣孔導(dǎo)度的關(guān)系擬合 Fig.4 Relationship between the changes of soil water content and Caragana korshinskii stomatal conductance

圖5 土壤含水量變化與檸條蒸騰速率的關(guān)系擬合 Fig.5 Relationship between the changes of soil water content and Caragana korshinskii transpiration rate

3.4 采煤塌陷影響下土壤含水量變化對(duì)檸條光合作用速率的影響

圖6 土壤含水量變化與檸條光合作用速率的關(guān)系擬合 Fig.6 Relationship between the changes of soil water content and Caragana korshinskii photosynthesis rate

土壤含水量與檸條葉片光合作用速率的擬合關(guān)系見圖6,從圖6可以看出, 通過(guò)對(duì)土壤體積含水量與光合作用速率進(jìn)行回歸分析得到：硬梁塌陷地、硬梁地對(duì)照區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)、風(fēng)沙地塌陷區(qū)氣孔導(dǎo)度與土壤體積含水量的回歸方程分別為：y=4.7096x-20.6218(R2=0.2300)、y=4.9231x-25.2264(R2=0.4866)、y=6.1879x-34.7533(R2=0.3999)、y=2.2034x-1.9155(R2=0.2152)。從整體來(lái)看,光合作用速率與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系,光合作用速率隨著土壤含水量的增加而增加。采煤塌陷影響下,檸條葉片光合作用速率明顯低于對(duì)照區(qū),且風(fēng)沙區(qū)檸條光合作用速率受到的影響更大,光合作用速率最低只有1.12μmol m-2s-1,硬梁塌陷區(qū)檸條葉片光合作用速率降低幅度相對(duì)較小。說(shuō)明土壤含水量降低導(dǎo)致了檸條葉片光合作用速率的降低,而風(fēng)沙區(qū)土壤含水量更低,檸條光合作用速率也就更低。

4 討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,土壤水分狀況對(duì)檸條葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及光合作用速率產(chǎn)生直接影響。特別是對(duì)于黃土高原半干旱區(qū),土壤水分無(wú)疑是植物生長(zhǎng)最重要的限制因素[21],井工開采礦區(qū),地底煤炭開采一方面引起地表塌陷,在地表形成大量裂縫,增加了土壤水分的蒸發(fā)面,加速了土壤水的散失[22],同時(shí)采煤塌陷破壞了土體結(jié)構(gòu),不利于土壤水分保持,地表水流失進(jìn)一步加重;另一方面,由于地下部分被抽空,潛水位埋深降低,影響地下水對(duì)地表水的補(bǔ)給[23],此外,根據(jù)王力等利用穩(wěn)定同位素分餾原理,對(duì)神東礦區(qū)植物水分來(lái)源進(jìn)行研究,結(jié)果表明該區(qū)域植物水分的主要來(lái)源是地下水和土壤水,而基本沒(méi)有直接利用湖水、水庫(kù)水以及夏季降水[24- 25]。本文采煤塌陷區(qū)土壤含水量明顯低于對(duì)照區(qū),這與鄒慧對(duì)采煤塌陷條件下土壤水分變化規(guī)律研究的結(jié)果一致。

氣孔在植物水氣和CO2交換途徑中占據(jù)中心位置,是調(diào)控“土壤-植物-大氣”連續(xù)體之間物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[26],探究氣孔導(dǎo)度對(duì)煤炭開采引起植物生長(zhǎng)的環(huán)境因子的變化的響應(yīng)對(duì)于闡明煤炭開采對(duì)礦區(qū)植物光合作用及蒸騰作用的影響具有重要意義。關(guān)于氣孔導(dǎo)度與環(huán)境因子的關(guān)系,已有許多學(xué)者對(duì)不同植物不同環(huán)境條件進(jìn)行了研究,但是目前還沒(méi)有得到一致的結(jié)論[27],特別是對(duì)于采煤塌陷地區(qū)。根據(jù)本文研究結(jié)果,采煤塌陷影響下,使得半干旱礦區(qū)土壤含水量降低,加劇了土壤水分脅迫情況,檸條葉片水分無(wú)法滿足高溫下蒸騰的需求,只能降低氣孔導(dǎo)度以保證植株體內(nèi)必要的水分條件,從而導(dǎo)致了塌陷區(qū)檸條葉片氣孔導(dǎo)度值的降低。因此可以認(rèn)為半干旱區(qū)采煤塌陷影響下土壤含水量降低,為了保持植物體內(nèi)的水分充足,植物會(huì)關(guān)閉氣孔以維持植物正常的生理活動(dòng),這與前人的研究結(jié)果一致[28- 29]。

植物根系吸收的水分一部分通過(guò)葉片蒸騰作用散失,一部分參與植物的生理活動(dòng),蒸騰作用對(duì)于植物維持體內(nèi)水分平衡具有重要意義,而土壤水分含量是植物蒸騰速率重要影響因子之一。通常土壤水分供應(yīng)充足的情況下,影響植物蒸騰速率的主要因子是光照強(qiáng)度。半干旱區(qū)地區(qū),光照條件一致的情況下,土壤含水量明顯供應(yīng)不足,采煤沉陷加劇了塌陷區(qū)土壤水分脅迫,植物為了減少蒸騰導(dǎo)致的水分散失,增加氣孔阻力,從而氣孔導(dǎo)度降低,植物蒸騰速率顯著降低[30],提高水分利用效率,這是檸條葉片蒸騰速率降低的主要原因。此外,低的蒸騰速率意味著檸條耗水量較小,耐旱性強(qiáng),可以最大限度的利用有限的水資源來(lái)維持生長(zhǎng),這也是檸條被選為神東礦區(qū)主要生態(tài)修復(fù)物種的主要原因。

植物葉片光合作用是植物將光能轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物中化學(xué)能的過(guò)程,研究植物葉片的光合作用是分析環(huán)境因子影響植物生長(zhǎng)代謝的重要手段。通常情況下,光合作用速率降低有兩方面原因：(1)氣孔導(dǎo)度的降低,阻礙了光合作用CO2的供應(yīng);(2)植物葉肉細(xì)胞光能力降低,CO2利用能力降低,表現(xiàn)為胞間CO2濃度升高[31]。為此,本文對(duì)4塊樣地氣孔限制值以及為胞間CO2濃度進(jìn)行對(duì)比分析(圖7)。由圖7可以看出,兩種土壤類型塌陷區(qū)胞間CO2濃度均低于對(duì)照區(qū),風(fēng)沙和硬梁塌陷區(qū)胞間CO2濃度分別為205.73 vpm和202.06 vpm,風(fēng)沙和硬梁對(duì)照區(qū)胞間CO2濃度分別為228.40 vpm和247.89 vpm,說(shuō)明塌陷區(qū)檸條葉肉細(xì)胞中CO2濃度降低,葉肉細(xì)胞光能力并沒(méi)有降低;兩種土壤類型塌陷區(qū)氣孔限制值均高于對(duì)照區(qū),風(fēng)沙和硬梁塌陷區(qū)檸條葉片氣孔限制值分別為0.476和0.488,風(fēng)沙和硬梁對(duì)照區(qū)胞間CO2濃度分別為0.426和0.380,說(shuō)明受采煤塌陷影響,土壤含水量降低,檸條受到干旱脅迫,為了維持體內(nèi)水分平衡,減少水分散失,氣孔限制值升高,阻礙了光合作用CO2的供應(yīng),從而導(dǎo)致檸條葉片光合作用速率的降低。

圖7 采煤塌陷影響下檸條葉片胞間CO2濃度與氣孔限制值的變化Fig.7 Changes of intercellular CO2 concentration and stomatal limitation in Caragana korshinskii leaves under the influence of coal mining subsidence

采煤沉陷引起地表土壤環(huán)境的變化,植物為了應(yīng)對(duì)土壤環(huán)境因子的變化調(diào)整氣孔導(dǎo)度、蒸騰以及光合作用速率以改變?nèi)~片的代謝活動(dòng),這必定是一個(gè)交互影響過(guò)程,它們共同影響植物物質(zhì)和能量的積累[32],進(jìn)而影響礦區(qū)植物的生長(zhǎng)。煤炭井工開采對(duì)土壤環(huán)境的影響十分復(fù)雜,土壤含水量降低是采煤塌陷影響結(jié)果之一,本文僅從采煤沉陷對(duì)土壤含水量影響的角度對(duì)檸條氣孔導(dǎo)度、蒸騰與光合作用速率與土壤含水量變化的響應(yīng)進(jìn)行分析,對(duì)于采煤沉陷導(dǎo)致的土壤其他環(huán)境因子的變化對(duì)植物氣孔導(dǎo)度、蒸騰與光合作用速率的影響還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)采煤沉陷過(guò)程植物根系土壤剖面水分速測(cè)儀連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得到：采煤沉陷影響下土壤含水量均低于沉陷初期;通過(guò)表層0—20cm土壤含水量統(tǒng)計(jì)分析得到：相對(duì)于對(duì)照區(qū),硬梁塌陷區(qū)土壤含水量降低了18.61%,風(fēng)沙塌陷區(qū)土壤含水量降低了21.12%。土壤含水量的降低原因：煤炭井工開采在地表形成大量裂縫,增加了土壤水分的蒸發(fā)面,加速了土壤水的散失;采煤塌陷破壞了土體結(jié)構(gòu),不利于土壤水分保持,地表水流失進(jìn)一步加重;地下部分被抽空,潛水位埋深降低,影響地下水對(duì)地表水的補(bǔ)給。

(2)通過(guò)對(duì)土壤含水量與檸條葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰和光合作用速率進(jìn)行回歸分析得到：檸條葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰和光合作用速率均與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系。采煤塌陷影響下,半干旱礦區(qū)土壤含水量降低,氣孔阻力升高,氣孔導(dǎo)度值降低,蒸騰速率降低,光合作用速率降低。原因在于：煤炭開采沉陷增加了地表水分散失,加劇了土壤水分脅迫程度,為了減少蒸騰導(dǎo)致的水分散失,檸條葉片氣孔阻力增加,從而氣孔導(dǎo)度降低,阻礙了光合作用CO2的供應(yīng),從而導(dǎo)致檸條葉片光合作用速率的降低,蒸騰速率也顯著降低。

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