城市化進(jìn)程中沈陽城市綠地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量空間分布研究

湯 煜 石鐵矛 卜英杰 石 羽

城市覆蓋不到地球表面的1%，卻有世界上超過50%的人口居住在城市和城鎮(zhèn)[1]，而且世界城市面積以每年476 000hm2的速度在增長[2]。到2030年，城市土地面積將增加到1.2×106km2，這將是2000年以來全球城市土地面積的3倍[3]。未來城市面積增加對全球環(huán)境的影響將更加顯著[3-5]。

城市綠地土壤是城市綠色生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，而有機(jī)碳則是土壤質(zhì)量的核心[6]。土壤有機(jī)質(zhì)含量及其質(zhì)量是土壤維持生物生產(chǎn)力、維持環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)動(dòng)植物健康的關(guān)鍵因素[7]。自然土地向城市土地的轉(zhuǎn)換導(dǎo)致土壤性質(zhì)的變化、土壤結(jié)構(gòu)的崩潰和生態(tài)類型的轉(zhuǎn)變，這可能導(dǎo)致土壤碳儲(chǔ)量的增加或減少[8]，從而對其上的生物群落、水和空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響[9]。全球城市化擴(kuò)張使得我們對城市化、對土壤碳儲(chǔ)存影響的認(rèn)識(shí)變得日益重要[3]。

有越來越多的研究集中于城市綠地土壤有機(jī)碳(Soil Organic Carbon，SOC)儲(chǔ)量。凱伊(Kaye)等對城市草坪與農(nóng)田、草原生態(tài)系統(tǒng)土壤的碳循環(huán)進(jìn)行了比對研究，分析了城市化對土壤性質(zhì)改變的影響，發(fā)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳儲(chǔ)量比其他土地利用高出2.5～5倍[10]。格魯比夫斯基(Golubiewski)等發(fā)現(xiàn)美國科羅拉多州城市綠地土壤所包含的SOC儲(chǔ)存量要大于原生草地、農(nóng)業(yè)或森林地區(qū)[11]。凱伊(Kaye)等采用貝葉斯方法對鳳凰城市區(qū)內(nèi)外的土壤進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)城市SOC高于城市外的沙漠生態(tài)系統(tǒng)[12]；而在巴爾的摩，草坪土壤在0～1m和0～20cm深度的SOC密度幾乎是農(nóng)村森林土壤的2倍；此外，城市森林SOC密度比農(nóng)村森林土壤高70%以上。在丹佛，草坪土壤的SOC密度比短草草原高2倍[13]。

目前的研究主要集中于對城市化前后時(shí)期土地利用性質(zhì)改變所引起的有機(jī)碳儲(chǔ)量變化，而對于城市綠地SOC儲(chǔ)量在城市發(fā)展過程中的發(fā)展演變與空間分布研究較少。本研究通過對中國老工業(yè)城市沈陽的城市綠地SOC儲(chǔ)量的研究，評價(jià)了快速城市化對SOC儲(chǔ)量的影響，目的在于：1)揭示沈陽城市綠地SOC儲(chǔ)量的分布特點(diǎn)；2)評價(jià)不同土地利用類型對綠地SOC儲(chǔ)量的影響；3)測算城市綠地SOC儲(chǔ)量。以增進(jìn)我們對城市生態(tài)系統(tǒng)的了解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

1.2 樣品采集

圖1 研究區(qū)域及樣地位置

土壤取樣時(shí)間為2017年4月。采樣區(qū)以沈陽核心(沈陽故宮)為中心，延伸至城市三環(huán)路，總面積約為455km2。使用空間分層抽樣方法，設(shè)置了79個(gè)樣地(圖1)。采樣點(diǎn)使用約3km×3km的方形網(wǎng)格建立，位于網(wǎng)格中心。在沿東西、南北、東南和西南方向以1.5km間隔增設(shè)采樣點(diǎn)。每塊樣地中，在半徑500m范圍內(nèi)，隨機(jī)指定1～5個(gè)30m×30m的不同土地利用類型的綠地地塊。土壤取樣點(diǎn)選取林下位置。在去除土壤表面的凋落物等有機(jī)覆蓋后，從每個(gè)地塊的3個(gè)地點(diǎn)收集土壤芯(直徑3.3cm)，取其頂部20cm的部分混合，獲得每個(gè)地塊的單一樣品，共獲得269個(gè)土壤樣品。另外采用環(huán)刀法收集3個(gè)土壤樣品，以分析土壤的容重和pH值。

根據(jù)城市化水平(中心城區(qū)、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū))和土地利用類型，將所有樣地劃分為組。中心城區(qū)是指一環(huán)路內(nèi)城市用地，是沈陽市最早發(fā)展的城市用地；Ⅰ區(qū)是指一環(huán)路與二環(huán)路之間的城市用地；Ⅱ區(qū)則是包括二環(huán)與三環(huán)之間發(fā)展相對較少的城市用地。土壤的土地利用類型根據(jù)《中國城市綠地分類標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 85—2017)和土壤實(shí)際情況分為7組：居住用地(n=43)、商業(yè)用地(n=27)、公園用地(n=80)、道路與交通用地(n=55)、公共管理與服務(wù)設(shè)施用地(以下簡稱“公共用地”)(n=41)、工業(yè)及倉儲(chǔ)用地(n=12)和其他用地(n=11)。

根據(jù)沈陽歷屆城市總體規(guī)劃(圖2)與實(shí)際建設(shè)情況，以10年跨度為單位，將土壤樣本按照所取樣地形成年代劃分為20世紀(jì)70年代及以前、80年代、90年代、21世紀(jì)00年代及10年代5組。

1.3 樣品實(shí)驗(yàn)分析

圖2 沈陽歷屆城市總體規(guī)劃(引自沈陽市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

對土壤樣品進(jìn)行空氣干燥與過篩，分析其化學(xué)性質(zhì)：1)土壤樣品采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定分析SOC濃度值[14]；2)將土壤樣品置于蒸餾水中，使用Delta 320型pH計(jì)[Mettler-Toledo儀器(中國，上海)有限公司]測定蒸餾水中土壤pH值，土壤-溶液比為1:2.5(體積比)[15]；3)土壤樣品在105℃下干燥至恒定質(zhì)量并稱重，以干重法測定土壤容重和土壤含水量[16]。所有土壤樣本的有機(jī)碳密度計(jì)算公式如下：

式中，Cd為SOC密度；Cf為SOC含量；Bd為土壤容重；D為土層厚度(即20cm)；δ2mm為土壤中大于2mm的礫石所占的體積百分比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有統(tǒng)計(jì)分析使用PASW 22.0版本。采用單因素方差分析法(ANONA)比較不同城市區(qū)域及不同土地利用類型之間土壤碳儲(chǔ)量的差異。利用相關(guān)分析和回歸分析分別檢驗(yàn)SOC與城市中心距離的關(guān)系以及SOC與土壤容重的關(guān)系。除另有說明外，統(tǒng)計(jì)學(xué)意義為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳在沈陽市的空間分布

整個(gè)研究區(qū)域的綠地土壤表層(0～20cm)碳濃度平均值為24.82g/kg，碳密度值為3.98kg/m2。中心城區(qū)、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)及整個(gè)研究區(qū)域的SOC含量及密度變化比較大(表1)。SOC濃度的變異系數(shù)(CV)從中心城區(qū)的49.55%，Ⅰ區(qū)的50.14%，到Ⅱ區(qū)的63.31%；SOC密度的CV值則分別是41.83%、45.35%和49.47%。與此相反，土壤pH值和容重的CV值相對較低，且無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

綠地SOC濃度和密度呈現(xiàn)中心城區(qū)＞Ⅰ區(qū)＞Ⅱ區(qū)。中心城區(qū)的SOC濃度分別比Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)高出14%和29%；而Ⅰ區(qū)比Ⅱ區(qū)高出14%。中心城區(qū)的0～20cmSOC密度分別比Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)高出19%和35%；Ⅱ區(qū)最低，為3.78kg/m2。

旅游住宅地產(chǎn)是大陸村旅游地產(chǎn)開發(fā)的主要形式，是游客們的第一居所，旅游住宅地產(chǎn)最主要的應(yīng)該是考慮到居住者的居住條件，如生態(tài)環(huán)境，交通條件，地理區(qū)位，基礎(chǔ)設(shè)施狀況等因素。同時(shí)，要依據(jù)大陸村獨(dú)特的自然資源，增加花草樹木的綠化面積，使之體現(xiàn)出大陸村旅游住宅地產(chǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢，并逐步完善旅游住宅地產(chǎn)的配套設(shè)施，使之滿足居住者的需求，突出生態(tài)自然特色。

圖3 0～20cm土壤有機(jī)碳密度與城市核心(沈陽故宮)距離的關(guān)系

土壤有機(jī)碳在沈陽城市中有以下空間分布特點(diǎn)。

1)城市綠地SOC儲(chǔ)量高于郊區(qū)及農(nóng)村土壤，具有一定的富集性；研究區(qū)域的綠地土壤表層(0～20cm)碳濃度和碳密度值均高于沈陽郊區(qū)SOC平均值(18.609g/kg)[17]和沈陽耕地土壤(2.68kg/m2，0～20cm碳密度)[18]。國內(nèi)外許多研究證實(shí)了城市地區(qū)SOC濃度和密度較高，如美國紐約[2]、科羅拉多[11]和鳳凰城[12]，英國萊斯特[19]，日本東京[20]，中國上海[21]、北京[22]的結(jié)果基本一致。由此可見，在城市發(fā)展過程中，城市化對SOC積累的影響是很大的，這種影響包括直接影響和間接影響。直接影響包括物理干擾、掩埋、填埋材料和不透水表面對土壤的覆蓋以及土壤管理投入(如施肥和灌溉)[13]；間接影響包括區(qū)域在城市化過程中的非生物和生物環(huán)境的變化[23-24]。

2)城市綠地SOC儲(chǔ)量分布不均勻，具有鑲嵌性；整個(gè)研究區(qū)域及各部分的SOC濃度和密度的CV值均達(dá)到40%以上。這表明，城市綠地中的SOC儲(chǔ)量在空間上變化很大，可以描述為“城市土壤鑲嵌”[25]，這可能是因城市中人為干擾(城市開發(fā)建設(shè))、外來植物、園藝管理(如施肥、灌溉、修剪)和城市環(huán)境因素(如城市熱島、大氣中升高的碳含量)而有所不同，尤其是城市中土地所有權(quán)地塊面積越來越小，人為管理和擾動(dòng)變化更大，使得SOC儲(chǔ)量可以在同一土壤類型或同一斑塊范圍內(nèi)發(fā)生很大的變化[26]。

表1 研究區(qū)域內(nèi)中心城區(qū)、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)土壤有機(jī)碳含量、pH值及土壤容重(2017)

3)城市綠地SOC儲(chǔ)量隨著與城市核心距離增大而遞減；城市綠地SOC濃度和碳密度是呈現(xiàn)從中心城區(qū)逐漸下降到Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的趨勢。這種趨勢表明SOC儲(chǔ)量分布從城市核心向邊緣降低。

城市綠地SOC密度與離城市核心距離具有顯著相關(guān)性(p＜0.01)，pearson相關(guān)系數(shù)為-0.242，即二者為弱的負(fù)相關(guān)性。SOC密度與城市中心距離的回歸關(guān)系為Y=-0.16X+5.2(圖3)。而SOC測定系數(shù)(R2)太低，僅為0.058，沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這表明，沈陽綠地的SOC濃度和密度是以城市核心為圓心，逐級向外擴(kuò)散著遞減，這可能是由于中心城區(qū)是最早發(fā)展起來的，建設(shè)狀態(tài)與開發(fā)程度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，土壤有更多的時(shí)間恢復(fù)微生物活性，因而有更多的有機(jī)碳積累。在城市化I區(qū)和II區(qū)，土地利用的劇烈變化一方面導(dǎo)致了SOC的分解，另一方面引起了土壤壓實(shí)的物理擾動(dòng)，影響了SOC的積累[2]。

這種遞減趨勢與普亞特(Pouyat)等在美國紐約的城鄉(xiāng)梯度橫斷面研究[2]是一致的，普亞特等發(fā)現(xiàn)SOC濃度與密度沿城鄉(xiāng)環(huán)境梯度呈現(xiàn)遞減趨勢，但有機(jī)碳密度和濃度與距離回歸時(shí)沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性(p分別為0.07和0.06)。

2.2 不同土地利用類型下的沈陽市土壤有機(jī)碳分布特點(diǎn)

土壤性質(zhì)可以在城市不同土地利用類型之間發(fā)生變化[27-28]，SOC的增加或減少會(huì)受到城市土地利用類型和環(huán)境變化的影響[2]。

研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型的SOC濃度和碳密度具有顯著差異(圖4)。工業(yè)用地中的SOC密度最高，達(dá)4.99kg/m2；其次是公共用地、公園、其他綠地用地、商業(yè)用地、交通用地；最小的是居住用地，為2.91kg/m2。這種差異可能是由于不同土地利用類型中的土壤有機(jī)碳的影響因素不同所造成的，如土壤的來源和有機(jī)污染物的影響。工業(yè)用地中SOC密度高，可能是由于工業(yè)用地中大量使用固體或液體燃料，產(chǎn)生包括黑炭(BC，是一種化石燃料燃燒不完全所產(chǎn)生的產(chǎn)物，對SOC儲(chǔ)量影響很大)和石油烴化合物、多環(huán)芳烴(汽油燃燒產(chǎn)物)等污染物進(jìn)入到土壤中，導(dǎo)致SOC富集[29-30]。公園用地的生態(tài)環(huán)境趨于自然綠地，有利于SOC儲(chǔ)存，儲(chǔ)存量也比較大。公共用地SOC儲(chǔ)量較高，應(yīng)該歸功于較高水平的人工養(yǎng)護(hù)。商業(yè)用地中的SOC可能較多受到有機(jī)污染物(食物垃圾、污水沉積物和塑料)的影響[29]。道路與交通用地綠地人工養(yǎng)護(hù)管理較少，僅高于居住用地。而居住用地的碳儲(chǔ)量達(dá)到最低，可能是由于居住用地樣本中，存在相當(dāng)多的老舊居住小區(qū)，沒有人為管理和養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致SOC儲(chǔ)量降低。

表2 研究區(qū)域綠地土地利用類型(2017)

圖4 中心城區(qū)、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)等土地利用類型的SOC密度(SE)(0～20cm)

圖5 研究區(qū)不同建設(shè)年代土壤平均有機(jī)碳密度(SE)(0～20cm)

3個(gè)區(qū)域中相同的土地利用類型相比較，公園綠地、道路與交通用地的SOC密度變化具有相同的趨勢，均為中心城區(qū)＞Ⅰ區(qū)＞Ⅱ區(qū)。這符合前面所討論的隨著與城市核心距離越遠(yuǎn)，SOC儲(chǔ)量越小的結(jié)論。公共用地、居住用地以及商業(yè)用地SOC密度變化呈不同趨勢，這可能是由這3種用地的人為干擾所致。

由此可見，土地利用對SOC含量具有重要影響作用，不同土地利用類型的SOC在整個(gè)研究區(qū)存在顯著差異；而在同種土地利用類型中，所處區(qū)域不同，SOC差異變化也比較顯著(圖4)。造成這種變化差異可能有以下2個(gè)原因：1)綠色植物種植方式，即喬灌草的種植組合方式不同，對SOC含量造成一定的影響；2)對土壤的人為管理方式不同所產(chǎn)生的差異。在不同的城市，由于人為管理方式的差異，即使是相同的土地利用類型，SOC儲(chǔ)量也是不同的。羅上華等對北京城市土壤研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，北京地區(qū)街邊綠地土壤具有最高的SOC密度，而公園是最低的[22]。

2.3 不同建成時(shí)間影響下的沈陽市土壤有機(jī)碳分布特點(diǎn)

城市3個(gè)區(qū)域樣地SOC密度由于不同建成年齡也存在顯著差異(圖5)。20世紀(jì)80年代開始形成的土壤，其SOC值最高，達(dá)到5.48kg/m2；90年代與21世紀(jì)00年代的SOC密度值幾乎相等；20世紀(jì)70年代及以前的SOC密度僅低于80年代土壤，為4.64kg/m2。

圖6 研究區(qū)域SOC儲(chǔ)量空間分布

3個(gè)區(qū)域土壤中，Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)的SOC密度均呈現(xiàn)隨著建成時(shí)間的增加而增加的趨勢(圖5)。而中心城區(qū)SOC密度變化與其他2個(gè)區(qū)域不同，表現(xiàn)為80年代＞90年代＞70年代。80年代最高，為5.89kg/m2。這表明，沈陽城市綠地土壤形成時(shí)間越早，SOC儲(chǔ)存量越大，這可能是由于受發(fā)展干擾的較老城市土壤比年輕土壤能夠積累更多的碳。這一結(jié)果與徐乃正等對北京城市土壤的研究[21]相一致。帕克(Park)在對美國俄亥俄州北部3個(gè)城市的土壤研究中認(rèn)為，年齡因素對土壤有機(jī)質(zhì)庫有正向影響[31]。還有研究表明，城市綠地SOC濃度在建成后迅速增長，在其后幾十年間由快轉(zhuǎn)慢，最后趨于平衡[10]。沈陽地區(qū)70年代城市SOC密度低于80年代，可能由于研究區(qū)域內(nèi)40～50年以上土壤中有機(jī)碳積累趨于平緩階段，增長較小或不再增長所導(dǎo)致。

2.4 沈陽城市綠地SOC儲(chǔ)量空間分布

在ArcGIS 10.3環(huán)境下對2017年沈陽市Quickbird高分影像(分辨率為0.61m)進(jìn)行人工目視解譯，獲得研究區(qū)綠地的土地利用類型圖，及相應(yīng)土地利用類型面積數(shù)據(jù)(表2)。各土地利用類型土壤總SOC儲(chǔ)存量由以下公式求得：

式中，j為土壤的土地利用類型；Cj為第j種土地利用類型的SOC儲(chǔ)量，t；Cdj為第j種的土地利用類型SOC密度，kg/m2；Sj為第j種的土地利用類型土壤分布面積，m2。

沈陽研究區(qū)域內(nèi)城市表層土壤(0～20cm)有機(jī)碳儲(chǔ)量為6.438×105t。其中，居住用地和其他用地SOC儲(chǔ)量占比最大，分別為30.39%和37.97%；工業(yè)用地、公共用地和商業(yè)用地綠地土壤面積很小，SOC儲(chǔ)量只占總碳儲(chǔ)量的5.16%、3.89%和2.17%。

應(yīng)用ArcGIS 10.3軟件，在研究區(qū)綠地的土地利用類型圖中，將樣點(diǎn)SOC密度值應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金插值法(EBK)對研究區(qū)域SOC分布進(jìn)行計(jì)算，獲得研究區(qū)域綠地SOC儲(chǔ)量空間分布圖(圖6)。經(jīng)驗(yàn)貝葉斯克里金法是一種地統(tǒng)計(jì)插值方法，可自動(dòng)執(zhí)行構(gòu)建有效克里金模型過程中的那些最困難的步驟，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)誤差比其他克里金方法更準(zhǔn)確[12]。

3 結(jié)論

本研究以沈陽城市綠地土壤為研究對象，對沈陽市三環(huán)內(nèi)中心城區(qū)、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)3個(gè)區(qū)域的綠地SOC儲(chǔ)量進(jìn)行調(diào)查和研究，探討沈陽城市SOC儲(chǔ)量的空間布局特點(diǎn)。研究表明，沈陽城市綠地SOC儲(chǔ)量高于周邊的郊區(qū)和農(nóng)村土壤；SOC分布具有較高的空間變異性，SOC濃度和碳密度具有較大的變異范圍和變化系數(shù)；SOC濃度和密度隨著與城市核心距離的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢，但無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；不同土地利用類型中，SOC密度的表現(xiàn)差異很大，工業(yè)用地SOC密度最高，居住用地最低，人類活動(dòng)對城市綠地SOC的影響較大；城市綠地SOC儲(chǔ)量隨時(shí)間推移而不斷累積，年代越早，SOC密度越高。沈陽城市綠地SOC儲(chǔ)量的空間分布有以下特點(diǎn)：城市綠地SOC具有一定富集性；其分布不均勻，具有鑲嵌性；SOC在各土地利用類型中分布差異性大；其碳密度和碳濃度由城市核心向城市邊緣遞減。根據(jù)各土地利用類型SOC密度測算出沈陽城市三環(huán)內(nèi)綠地0～20cm深度SOC儲(chǔ)量為6.438×105t。

注：文中圖片均由湯煜繪制。

致謝：感謝沈陽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院碩士研究生表秀峰、王博城、修小涵、王竹林、劉枳汐、陳露、曾婷、高思捷、鄒一寧、王嘉裕、楊梓藝、張婉如等對數(shù)據(jù)收集提供的幫助。