全 文 ：中国生态农业学报 2011年 5月 第 19卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2011, 19(3): 516−519


* 山西省农业科学院博士基金项目(YBSJJ0701)和山西省科技攻关项目(20080311074-1)资助
刘平(1973~), 女, 博士, 副研究员, 主要从事土壤环境和植物营养方面的研究。E-mail: lp709@163.com
收稿日期: 2010-09-15 接受日期: 2010-12-08
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00516
煤粉尘添加量与温度对山西省两种
土壤碳释放规律的影响*
刘 平1 张 强1 杜文波2 李丽君1 白光洁1 丁玉川1
(1. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所 山西省土壤环境与养分资源重点开放实验室 太原 030006;
2. 山西省农业厅土壤肥料工作站 太原 030002)
摘 要 采用室内培养试验, 观测不同温度和不同煤粉尘用量条件下山西省电厂土和焦化厂土两种土壤的碳
释放规律。结果表明, 室温(16~23 ℃)和 25 ℃恒温下, 培养前期(4~9 d)土壤 CO2的释放量均为最大, 且 25 ℃
恒温培养土壤 CO2的释放量是室温条件下的 2倍左右。随煤粉尘添加量的增加, 土壤 CO2的释放量显著增加,
且土壤活性有机质相应增加, 添加高量煤粉尘土壤 CO2的释放量最高达 57.5 mg·kg−1·d−1, 两种土壤活性有机
碳的增幅为 0.3~3.8 g·kg−1。不同温度和不同煤粉尘用量条件下电厂土释放的 CO2均高于焦化厂土, 可能是电
厂土含有较高的有机碳和较低的黏粒所致。由此可知, 温度是影响土壤有机碳分解的主要因素, 其次是添加煤
粉尘的量, 土壤理化性质也是原因之一。本研究表明, 煤粉尘的降落一方面增加了土壤 CO2的释放, 另一方面
增加了土壤碳库。
关键词 煤粉尘 土壤有机碳 CO2释放 土壤活性有机质 山西省
中图分类号: S153.621 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)03-0516-04
Effects of coal dust and temperature on CO2 emission in
two soil types in Shanxi Province
LIU Ping1, ZHANG Qiang1, DU Wen-Bo2, LI Li-Jun1, BAI Guang-Jie1, DING Yu-Chuan1
(1. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences; Key Laboratory of Soil
Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province, Taiyuan 030006, China; 2. Work Station for Soils and Fertilizers,
Agricultural Bureau of Shanxi Province, Taiyuan 030002, China)
Abstract By using incubation experiment, the effects of temperature and coal dust application degrees on soil organic carbon
decomposition were measured in two soil types (soils from power generation and coke oven plants) in Shanxi Province. The results
show that CO2 emission rates were higher in the early days under both room temperature (16~23 ℃) and 25 ℃ than those in the rest
of the incubation period. In fact, CO2 emission rate at 25 ℃ was twice that at room temperature. Furthermore, CO2 emission rate and
soil labile organic matter increased with increasing application degree of coal dust. At the highest possible application degree of coal
dust, CO2 emission rate rose to 57.5 mg·kg−1·d−1, and labile organic matter content of two soil types increased by 0.3～3.8 g·kg−1.
Under different temperature and application degrees of coal dust, the amount of CO2 emitted by the power generation plant soil was
higher than that emitted by the coke oven plant soil. This may because of much more organic carbon and less clay particular in power
generation plant soil. It also suggested that soil organic carbon decomposition was mainly driven by temperature. However, coal dust
and soil physical and chemical properties also influenced the soil organic carbon decomposition. More importantly, coal dust
increased soil CO2 emission while it at the same time improved soil carbon pool.
Key words Coal dust, Soil organic carbon, CO2 emission, Soil labile organic matter, Shanxi Province
(Received Sep. 15, 2010; accepted Dec. 8, 2010)
人类活动导致大气中 CO2 浓度大大增加, 在所
有温室气体中, CO2 含量增加对气温上升的贡献率
超过 60%[1]。人们发现, 大气中的 CO2增量远低于人
类活动排放到大气中的 CO2量, 也就是说, 还存在一
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个大的 CO2释放源[2]。多数研究者认为, 土壤就是这
个重要的源。陆地土壤是地球表面最大的碳库 [3−6],
也是地球大气 CO2 的重要来源之一。土壤和大气
CO2 交换来自土壤有机碳的矿化损失, 全球土壤碳
库 0.1%的变化可以导致大气 CO2 体积分数 1×10−6
的明显变化[7−8]。CO2 是碳循环中最主要的部分, 因
此对 CO2释放量变化的研究无论是对碳循环本身还
是由此引起的区域乃至全球生态环境问题都是非常
重要的。
目前已有研究多集中于原位观测某些土壤自身
CO2 释放的规律[1,9−12], 或者是添加有机物料对土壤
有机碳分解速率的影响[13−15]。山西是一个产煤大省,
据笔者观测, 某些矿区或火电厂周围煤尘降落量可
达 34.48 t·30d−1·km−2[16], 煤粉尘中含碳量较高, 其对
周边土壤 CO2 的释放影响如何, 甚至在区域碳循环
过程中起多大作用还未有明确的资料报道, 这对于
全面完整地认识全球气候变化和预测未来是一个缺
失。研究添加含碳物质与土壤呼吸之间的关系, 可为
进一步解释土壤有机碳分解对气候变化的响应奠定
基础, 同时为土壤有机碳循环和土壤 CO2 释放潜力
研究提供依据。为此以山西省太原市某电厂周围降
落的煤粉尘为对象, 通过室内培养试验初步研究其
对电厂土和焦化厂土两种土壤 CO2释放量的影响。
1 材料和方法
1.1 供试材料
供试土壤采自山西省太原市某电厂周边和孝义
市某焦化厂附近农田 0~20 cm 土壤, 电厂土为壤性
土, 焦化厂为黏壤土, 其基本理化性质见表 1, 参照
参考文献[17]进行分析。添加的煤粉尘取自电厂储煤
场附近降落的煤尘, 风干过 1 mm筛备用, 其主要成
分含量分别为全氮 33.6 g·kg−1、全碳 414.5 g·kg−1、
全硫 60.3 g·kg−1, 这几种成分均高于供试土壤, 特别
是全碳含量约为焦化厂土壤的 13倍。土壤和煤粉尘
中碳、氮、硫元素的含量采用元素分析仪(德国生产
的 Vario Max CNS)测定。

表 1 供试土壤基本理化性质
Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soils g·kg−1
土壤
Soil
全氮
Total N
全碳
Total C
全硫
Total S
2~20 μm粉粒
2~20 μm silt
<2 μm黏粒
<2 μm clay
电厂土(太原) Power generation plant soil (Taiyuan ) 1.66 291.9 1.9 28.4 19.6
焦化厂土(孝义) Coke oven plant soil (Xiaoyi) 1.74 30.9 2.3 39.1 31.2

1.2 研究方法
土样自然风干后过 2 mm筛, 称取 200 g, 每种
土样分别添加 0、6 g、26 g、46 g煤粉尘, 混合均匀
后放入培养瓶中, 调节水分含量为 25%, 平衡 1周。
之后调节水分含量为 21%, 采用密闭培养, 培养瓶
旁放置 1个 100 mL小烧杯, 内装 1 mo1·L−1的NaOH
溶液 10 mL, 整个培养瓶和小烧杯用双层自封袋封
口。第 1批土壤从 2008年 12月 31日下午开始在室
温(16~23 )℃ 下培育, 分别在第 9 d、18 d、38 d、66
d、97 d、112 d取样测定 CO2排放量, 每个处理重复
3 次, 直至 2009 年 4 月底试验完成。第 2 批土壤从
2009年 2月 27日开始, 水分含量与第 1批一致, 在
25 ℃恒温培养箱内培养, 分别在第 4 d、10 d、22 d、
41 d、71 d、102 d、117 d取样测定 CO2排放量, 直
至 2009年 6月底试验完成。整个培养过程中, 水分
损失用称重法补充。
有机碳分解速率采用 NaOH 滴定法测定。取吸
收了 CO2的小烧杯加适量 BaCl2后, 用 1 mo1·L−1的
HCI 标准溶液滴定残留的 NaOH 溶液计算土壤 CO2
排放量。
第 1 批培养的土壤分别在培养中期(2 月 17 日)
和培养结束时(6月 3日)取两次样, 风干过 0.15 mm
筛后, 采用 333 mmol·L−1KMnO4测定土壤活性有机
质[18]。
1.3 计算与数据处理
计算单位质量单位时间内土壤 CO2释放量。公
式为:

2CO (mg) 1/ 2 / /M V N E M H= ⋅ ⋅ ⋅ (1)
式中, V为滴定收集土壤释放 CO2的NaOH溶液消耗
的盐酸体积, mL; N为盐酸浓度, mol·L−1; E为 1 mol
CO2的质量, 取值为 44; M为培养土的质量; H为培
养时间。计算得到的数据即为培养期间 1 d内 1 kg
土壤释放的 CO2 量。
采用 Microsoft Excel作图, SPSS 13.0进行统计
分析。
2 结果与分析
2.1 煤粉尘对两种土壤有机碳分解的影响
在室温条件(16~23 )℃ 下两种土壤均在培养初
期(第 9 d, 均温仅为 16 )CO℃ 2的释放量最大, 然后
迅速下降(图 1)。随着培养时间的增加 CO2的释放比
较平缓, 两个月后由于气温升高, 土壤 CO2 的释放
量又开始有所回升, 4种处理呈相同趋势。且煤粉尘
添加量越多土壤释放的 CO2 也越多, 整个培养阶段
4 个煤粉尘用量处理的土壤 CO2释放量差异达显著
水平(P＜0.05)。25 ℃恒温条件下培养第 4 d土壤 CO2
排放速率已达到室温条件下的两倍左右(图 2)。之后
CO2排放速率在十多天内由最初的 38~57 mg·kg−1·d−1
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图 1 室温不同煤粉尘用量下焦化厂(A)和电厂(B)土壤 CO2排放速率
Fig. 1 CO2 emission rate in coke oven plant soil (A) and power generation plant soil (B) applied with different rates of coal dust
under room temperature
煤粉尘用量为每 200 g土壤的添加量, 下同。Coal dust at different application rates was added into 200 g soil. The same below.



图 2 25 ℃不同煤粉尘用量下焦化厂(A)和电厂(B)土壤 CO2排放速率
Fig. 2 CO2 emission rate in coke oven plant soil (A) and power generation plant soil (B) applied with different rates of coal dust
under 25 ℃



图 3 室温下不同煤粉尘用量下焦化厂(A)和电厂(B)土壤活性有机质的含量
Fig. 3 Labile organic matter content of coke oven plant soil (A) and power generation plant soil (B) applied with different rates of
coal dust under room temperature

下降至 5~13 mg·kg−1·d−1, 在后来的几个月内土壤
CO2 释放速率基本保持稳定。说明培养条件下最初
温度是影响土壤有机碳分解的主要因素, 其次是添
加的煤粉尘量。此外, 两种土壤不论在哪种培养条
件下, 最初的 CO2 排放速率差异显著, 电厂土比焦
化厂土释放的 CO2 更多, 可能与二者理化性质不同
有关。
2.2 煤粉尘对两种土壤活性有机质的影响
在室温(16~23 )℃ 培养过程的中期和结束时分
别取土样测定其活性有机质含量。结果表明, 除最
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低添加量处理外, 随着煤粉尘加入量的增加, 电厂
土和焦化厂土活性有机质极显著增加。两种土壤的
活性有机质增幅为 0.3~3.8 g·kg−1(图 3)。在笔者以前
的室外观测试验中已证实煤粉尘的降落可以增加土
壤活性有机质[16], 此次培养试验再次证实了这一结
论。随着对碳循环研究的深入, 许多研究者目前已
经认识到土壤有机碳的贮量取决于有机碳的积累和
流失。通过本研究可以认为, 降落于土壤的煤粉尘
有一部分用于增加土壤 CO2 释放, 一部分增加了土
壤活性有机质, 其余作为土壤碳库中较为稳定的部
分存储起来。
3 讨论
以往关于土壤碳释放规律的室内研究中, 大多
添加不同作物或秸秆等有机物料[14−15], 结果也均是
随有机物料的增多土壤释放的 CO2 也增加, 而且在
取样初期测得的 CO2释放量最大。与本试验不同之
处是在培养过程中 CO2释放的波动性较大。一般认
为[19], 有机物料氮含量低或 C/N 高与分解缓慢相联
系。常规添加的有机物料 C/N 远高于本研究采用的
煤粉尘中的 C/N, 而且其中有机碳可分为两个组分,
即易分解组分(如糖类、淀粉等)与难分解组分(如木质
素等)。易分解的有机碳在第 1阶段得以快速分解[14],
故更容易影响土壤有机碳的分解。虽然人们普遍认
为煤粉尘中的碳性质比较稳定, 不易对土壤中 CO2
释放有太大影响, 但在本试验条件下, 添加高量的
煤粉尘土壤 CO2的释放量达到 57.5 mg·kg−1·d−1, 说
明其影响土壤 CO2释放的潜力也不容忽视。
通过室温和 25 ℃恒温培养结果比较表明, 温度
升高将促进土壤有机碳的分解, 这与以往的报道相
一致[20−21]。有资料表明本身有机碳含量高的土壤其
CO2 释放量也较高[13]。黄耀等[14]研究也认为黏粒含
量对有机碳分解的影响主要在第 1 个月, 分解量随
着黏粒含量的增加而减少。本研究中电厂土含碳量
约为焦化厂土壤的 10倍, 且其黏粒含量低于焦化厂
土壤, 故在培养初期其 CO2释放量也较高。
当然, 本试验仅仅得到一些初步结果, 若采用
14C 示踪法研究不仅可以追踪土壤有机碳的分解动
态, 还可区分土壤中的外源有机碳和原有有机碳的
相对贡献, 对进一步区分外界环境对土壤有机碳分
解的影响意义更大。另外开展多种土壤质地、不同
水分含量以及不同材料的有机物料同煤粉尘对土壤
碳释放之间关系的研究, 可获得更有价值的结果。
4 结论
室温(16~23 )℃ 和 25 ℃恒温培养试验条件下最
初土壤 CO2的释放量均最大, 且 25 ℃恒温培养土壤
CO2的释放量为室温条件下的 2 倍。电厂土在两种
条件下释放的 CO2 均高于焦化厂土, 可能是电厂土
具有较高的碳量和较低的黏粒所致。另外随煤粉尘
添加量的增加土壤活性有机质显著增加。由此可知,
温度是影响土壤有机碳分解的主要因素, 其次是添
加煤粉尘的量, 土壤理化性质不同也是原因之一。
煤粉尘的降落一方面可增加土壤 CO2 的释放, 另一
方面增加了土壤碳库, 对碳循环的影响不应忽视。
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