煤矸石充填重构土壤气热梯度的表土呼吸响应机理及环境意义

Pedosphere plays a very important role on the study of the continuum Earth Critical Zone (CZ). While the material cycle of the continuum is subject to destruction and need to seek new dynamic equilibrium because of special material and porous structure of substrate (coal gangue) in reconstruction soil profiles filled with gangue in coal mining subsidence areas, so environmental conditions of root respiration and topsoil organic matter oxidation become complex in topsoil. This program focus on the mechanism of gas/thermal gradient of deep soil affecting on topsoil root respiration, key response factors and their variation of organic (humus) oxidation process to gas/thermal gradient on the basis of ascertaining the seasonal changes of temperature and gases (CO2, O2, SO2, and CH4) concentration gradient from substrate and cover soil layer in reconstruction soil filled with coal gangue. Furthermore, soil respiration concept equation and CO2 production - release mathematical model based on root respiration and organic matter oxidation are built to developing soil respiration simulation and response mechanism research of reconstruction soil filled with coal gangue in coal mining areas. The key scientific issues about soil aging technology and greenhouse gas control emissions are studied to developing the mathematical models and simulation of soil CO2 production - release process, and international science development on soil respiration are grasped under the complexity gas/hot environmental conditions. The research of this program has the important scientific theoretical and engineering practice significance.

土壤圈在“地球关键区”的同一连续体研究中占有非常重要的地位，而煤矿开采沉陷区的充填重构土壤因基质（煤矸石）特殊的物质和结构孔性，连续体物质循环受到破坏，需寻求新的动态平衡，表土根呼吸和有机质氧化的环境条件复杂化。课题在探明充填重构土壤的基质层与覆土层温度梯度和CO2、O2、SO2、CH4等气体浓度梯度季节变化基础上，着重研究表土根呼吸受深部土壤气热梯度的影响机理，腐殖质形态转化的气热梯度关键响应因子及其变化特征，同时建立基于根呼吸和有机质氧化的土壤呼吸概念方程和CO2产生—释放数学模型，进一步完善煤矸石充填重构土壤呼吸的区域模拟，促进土壤呼吸响应机理研究的发展。课题将研究解决煤矿区矸石充填重构土壤熟化技术和温室气体排放调控技术的关键科学问题，同时把握复杂气热环境条件下土壤呼吸的国际科学发展动态，完善土壤CO2产生—释放数学模型和模拟过程，研究内容具有重要的科学理论意义和工程实践意义。

土壤圈在“地球关键区”的同一连续体研究中占有非常重要的地位，而煤矿开采沉陷区的充填重构土壤因基质（煤矸石）特殊的物质和结构孔性，连续体物质循环受到破坏，需寻求新的动态平衡，表土根系呼吸和有机质氧化的环境条件复杂化。课题在探明充填重构土壤的基质层与覆土层温度梯度和气体浓度梯度季节变化基础上，着重研究表土根系呼吸受深部土壤气热梯度的影响机理，腐殖质形态转化的气热梯度关键响应因子及其变化特征，同时建立基于根呼吸和有机质氧化的土壤呼吸概念方程和CO2产生—释放数学模型，进一步完善煤矸石充填重构土壤呼吸的区域模拟，促进土壤呼吸响应机理研究的发展。经过四年多的努力，课题组一方面通过调查取样分析和现场试验小区动态监测，系统认识了不同覆土厚度重构土壤有机质、地表CO2通量和土壤根系呼吸时空变化规律，建立其与土壤物理化学环境间关系，揭示了重构土壤与自然土壤间在剖面气热梯度变化间的显著差异性。另一方面通过室内分析和相似模拟试验，分析了底部通气加热条件下，重构土壤剖面热传递和气体扩散特征；不同温度和CO2浓度梯度对表土腐殖质氧化、植物生长、土壤呼吸和根系呼吸的影响；通过应用数学和计算机技术，建立概念模型、完善数值模型并求解，揭示了复杂条件下重构土壤CO2产生释放机理。项目研究在复杂气热环境条件下土壤呼吸和根系呼吸研究，以及重构土壤CO2产生—释放模型完善等重要科学问题方面已作出贡献。研究成果在解决煤矿区矸石充填重构土壤熟化技术等领域已有了工程应用。通过项目研究，课题组已在国内外重要学术期刊和国际学术会议上发表论文13篇，其中SCI、EI收录7篇；获得国家实用新型专利3项；已申请国际发明专利1项、国家发明专利2项（实质审查），撰写专著1部；培养博士生3人、硕士生10人；研究成果部分应用于企业工程实践项目，取得了一定社会、经济和生态效益，获中国煤炭工业科学技术三等奖1项。