段保正, 石 輝, 魏小芳, 李 余, 蔣子銀, 陳越浦

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710055)

西安市城區(qū)表層土壤碳儲(chǔ)量與分布特征

段保正, 石 輝, 魏小芳, 李 余, 蔣子銀, 陳越浦

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院 陜西省環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710055)

[目的] 研究城市的土壤碳儲(chǔ)量與分布特征，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)城市碳固定和碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 采集西安市繞城高速內(nèi)不同土地利用/功能區(qū)表層土壤樣品230個(gè)(0—20 cm)，利用Vario ELⅢ元素分析儀進(jìn)行有機(jī)碳分析。 [結(jié)果] 西安市城區(qū)表層土壤有機(jī)碳在0.88～27.18 g/kg之間，均值為5.59 g/kg；碳密度0.22～7.11 kg/m2，均值為1.41 kg/m2；在西安市城區(qū)表層土壤總儲(chǔ)碳量為6.32×105t，平均每1 km2的土壤碳儲(chǔ)量為1.37×103t。風(fēng)景休閑區(qū)和交通區(qū)是城區(qū)土壤有機(jī)碳含量較高的區(qū)域，而工業(yè)區(qū)有機(jī)碳含量較低。在空間上，以中心城區(qū)形成一個(gè)南北帶狀分布的有機(jī)碳高值區(qū)。 [結(jié)論] 西安市城區(qū)的這種有機(jī)碳分布模式，與城市化前的土壤利用、城市綠地管理，食物與燃料的殘余物、各種廢水等大量生活垃圾進(jìn)入土壤有關(guān)。交通道路的有機(jī)碳含量也受到汽車(chē)尾氣排放的黑炭沉降影響。整體上，西安市城區(qū)有機(jī)碳顯著低于國(guó)內(nèi)其它城市的有機(jī)碳含量。

城市土壤; 土壤表層碳含量; 土壤表層碳密度

城市化進(jìn)程是20世紀(jì)世界發(fā)展最重要的特征之一，在這段時(shí)間內(nèi)世界城市人口數(shù)量增長(zhǎng)了10倍，城市人口比例也從14%上升到50%以上；預(yù)計(jì)到2030年，世界上將有超過(guò)60%的人口居住在城市中。中國(guó)至2000年城市人口的比例已達(dá)36.2%，145個(gè)大中城市的建設(shè)用地面積擴(kuò)張了39.8%，城鎮(zhèn)用地的空間拓展將日益成為現(xiàn)在及未來(lái)幾十年中國(guó)土地利用變化的主要特征[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，城市區(qū)域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)不同的土地利用方式導(dǎo)致了土壤碳儲(chǔ)量和碳通量的變化，從而進(jìn)一步影響著人類(lèi)生活的環(huán)境[2]。

城市土壤是一種重要的城市碳庫(kù)。Jo和McPherson[3]的研究表明，在芝加哥的住宅區(qū)，住宅綠地土壤固定的碳占到全部固定量的78.7%～88.7%；Pouyat等[4]發(fā)現(xiàn)住宅區(qū)土壤碳貯量可以高達(dá)15.2±1.2 kg/m2。在城市天然或受人為活動(dòng)影響的土壤中，碳的貯存量每1 hm2可達(dá)31.6 t，是地上植被碳貯量的1.2倍[5]。在區(qū)域尺度上，Pouyat等[6]發(fā)現(xiàn)城市土壤具有很強(qiáng)的固定有機(jī)碳的能力，特別是住宅區(qū)由于投入增加和人為活動(dòng)的減少能貯存更多的碳；同時(shí)區(qū)域土地利用和分布的不同，導(dǎo)致碳貯存的空間變異。Churkina[7]估算出美國(guó)城市和郊區(qū)的人類(lèi)居住區(qū)中土壤有機(jī)碳密度值在23～42 kg/m2，高于典型的熱帶雨林，并且城市的總碳貯存量占全美國(guó)陸地的碳儲(chǔ)量的10%。

在中國(guó)，城市土壤碳儲(chǔ)量也受到了廣泛的關(guān)注，杭州[8]、上海[9]、武漢[10]、開(kāi)封[11]、北京[12]、南京[13]、福州[14]和沈陽(yáng)[15]等城市的土壤有機(jī)碳含量和密度被研究，表現(xiàn)出不同的氣候環(huán)境、城市不同土地利用的差異。說(shuō)明了自然因素與人為因素均對(duì)城市土壤碳儲(chǔ)量有重要影響[16]。雖然有關(guān)城市土壤碳固定進(jìn)行了一些研究，但在不同氣候帶的城市分布不均，對(duì)于半濕潤(rùn)半干旱氣候下的城市土壤碳固定研究不足。西安市作為這一氣候下的典型城市，近年城市擴(kuò)張十分迅速，年增長(zhǎng)率達(dá)到百分之十幾以上，研究西安市城市土壤的碳庫(kù)特征，可為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)城市碳固定和碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

西安市屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季冷暖干濕分明，春季升溫迅速，干燥多風(fēng)；夏季炎熱高溫，日照強(qiáng)烈；秋季涼爽濕潤(rùn)，時(shí)有陰雨；冬季寒冷干燥，雨雪偏少。年無(wú)霜期226 d，年平均氣溫13.3 ℃，市區(qū)年平均降水量為584.9 mm，年平均濕度69.6%。由于在城市中，人類(lèi)活動(dòng)方式和強(qiáng)度明顯的差異使得土地利用形式和土壤碳的積累程度不一；因此根據(jù)西安市實(shí)際情況，將土地利用化為風(fēng)景休閑區(qū)、交通區(qū)、工業(yè)區(qū)、文教區(qū)、居民/行政區(qū)、商業(yè)區(qū)6個(gè)類(lèi)型，以西安市繞城以內(nèi)為主體，采集土壤表層樣品。

由于西安市城區(qū)東西方向長(zhǎng)、南北方向相對(duì)較短，采樣時(shí)采用2 km ×1 km的網(wǎng)格，根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)主要的土地利用方式進(jìn)行土樣的功能分區(qū)。選定樣點(diǎn)之后，在樣點(diǎn)周邊5 m的范圍內(nèi)分別采集3個(gè)0—20 cm的樣品，形成1個(gè)混合樣，通過(guò)四分法保留土壤樣品重約1 kg左右，用于表征相應(yīng)功能區(qū)的土壤特征。共采集混合樣品230個(gè)，覆蓋西安整個(gè)城區(qū)的各種土地利用模式。由于城市土壤中的侵入體較多，且土壤容重的變異較小，在每個(gè)功能區(qū)內(nèi)分別采集8個(gè)樣點(diǎn)的容重樣品，每個(gè)樣點(diǎn)在其周邊5 m的范圍內(nèi)分別采集3個(gè)直徑5 cm的環(huán)刀樣，其均值作為這個(gè)樣點(diǎn)的容重。6個(gè)功能區(qū)共有48個(gè)樣點(diǎn)的容重?cái)?shù)據(jù)。各種類(lèi)型土壤樣品采集情況詳見(jiàn)表1。

表1 西安城市不同功能區(qū)土壤表層碳含量和土壤容重

1.2 樣品處理和分析

土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，揀除礫石和根系后，置于通風(fēng)陰涼干燥的環(huán)境下室內(nèi)風(fēng)干；然后土壤過(guò)2 mm篩備用。有機(jī)碳的含量采用德國(guó)Elementar公司的Vario ELⅢ元素分析儀測(cè)定。將過(guò)2 mm篩的土壤樣品稱取5 g，研磨過(guò)0.25 mm的尼龍篩，準(zhǔn)確稱取50.0 mg土壤樣品錫箔紙包裹，送入儀器測(cè)定，燃燒管的溫度為950 ℃。每個(gè)樣品分析重復(fù)3次。

1.3 計(jì)算方法

單位土壤碳含量和碳密度的計(jì)算公式為：

p=SOC·ρ·D

式中：p——單位面積土壤碳密度(kg/m2);SOC——表層土壤全碳含量(g/kg); D——采樣深度(0.2m); ρ——土壤容重(g/cm3)。

2 結(jié)果分析

2.1 城市土壤有機(jī)碳含量的總體特征

通過(guò)對(duì)230個(gè)樣本的分析，西安城市土壤有機(jī)碳的范圍在0.88～27.18g/kg之間，均值為5.59g/kg，中位數(shù)為4.97，標(biāo)準(zhǔn)差為4.35，變異系數(shù)為56.5%；偏度系數(shù)1.98表現(xiàn)為右偏分布；峰度為5.03，表現(xiàn)為陡峭的尖頂峰(表2)。

表2 西安城市不同功能區(qū)土壤有機(jī)碳含量的整體分布特征

2.2 不同功能區(qū)的有機(jī)碳含量

按照功能分區(qū)，西安市城區(qū)不同功能區(qū)土壤有機(jī)碳含量具有顯著的差異(p=0.001)；其中風(fēng)景區(qū)和道路交通區(qū)的有機(jī)碳分別為7.77和7.16g/kg，工業(yè)區(qū)、居住區(qū)、文教區(qū)、商業(yè)區(qū)的有機(jī)碳分別為4.87，4.68，4.63和4.45g/kg，風(fēng)景區(qū)和道路交通區(qū)顯著高于其余的功能區(qū)(p=0.001)(圖1)。

圖1 不同功能區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量

2.3 不同功能區(qū)土壤的有機(jī)碳密度

土壤的有機(jī)碳密度受到有機(jī)碳含量和土壤容重的影響。不同功能區(qū)的土壤容重在1.00～1.64g/cm3之間；平均而言，以商業(yè)區(qū)和交通區(qū)的容重較大，達(dá)到1.30g/cm3以上，工業(yè)區(qū)的容重較小，主要原因是土壤樣品采集主要在工業(yè)綠化場(chǎng)地進(jìn)行。根據(jù)不同功能區(qū)有機(jī)碳含量和容重結(jié)果，得到土壤表層碳密度變化范圍為0.22～7.11kg/m2；平均有機(jī)碳密度的大小依次為風(fēng)景休閑區(qū)、交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、文教區(qū)和工業(yè)區(qū)，分別為1.99，1.89，1.29，1.26，1.14，1.00kg/m2；也表現(xiàn)出風(fēng)景區(qū)、交通區(qū)與其余功能區(qū)之間的顯著差異(p=0.001)。

2.4 西安市城區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

西安市建成區(qū)面積為500km2多，繞成高速以內(nèi)的面積為460km2，繞城高速圍繞范圍內(nèi)的碳儲(chǔ)量基本可以代表城區(qū)的碳儲(chǔ)量。根據(jù)土壤碳密度含量，將該區(qū)域分為0～1.02kg/m2，1.03～2.03kg/m2,2.04～3.05kg/m2,3.06～4.06kg/m2，4.07～5.08kg/m2、5.09～6.09kg/m2和6.10～7.11kg/m2共7個(gè)等級(jí)，根據(jù)每個(gè)等級(jí)的面積和其平均碳密度計(jì)算整個(gè)區(qū)域的碳儲(chǔ)量。在西安市城區(qū)，表層土壤碳儲(chǔ)量約為6.32×105t，平均每1km2的土壤碳儲(chǔ)量為1.37×103t。其中碳密度為0～1.02kg/m2等級(jí)的占總面積的49.07%，土壤儲(chǔ)碳1.15×105t；碳密度為1.03～2.03kg/m2等級(jí)的占總面積的32.22%，土壤儲(chǔ)碳2.27×105t；碳密度為2.04～3.05kg/m2等級(jí)的占總面積的11.23%，土壤儲(chǔ)碳1.32×105t；這3個(gè)等級(jí)決定了西安市城區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的近75%。碳密度最高的6.10～7.11kg/m2等級(jí)，由于所占面積較小，因此對(duì)西安市城區(qū)總體碳儲(chǔ)量影響較小(表3)。

表3 西安市繞城高速內(nèi)城區(qū)表層土壤碳密度的分布

3 討 論

西安市城區(qū)土壤的有機(jī)碳在在0.88～27.18 g/kg之間，平均值為5.59 g/kg，大多數(shù)樣點(diǎn)的碳含量與周邊主要農(nóng)業(yè)土壤婁土的有機(jī)碳含量4～10.2 g/kg幾乎一致[17]，說(shuō)明了西安城市土壤的有機(jī)碳含量主要受到自然背景土壤碳含量的影響。但對(duì)于不同的功能區(qū)，風(fēng)景區(qū)和交通區(qū)高的碳含量可能與管理、人為活動(dòng)和交通污染有關(guān)。在風(fēng)景區(qū)，由于施肥、灌溉等管理措施，以及較少的人為踩踏等因素，植被生長(zhǎng)良好、有機(jī)物積累較多，土壤中積累了相對(duì)較多的有機(jī)碳。而以交通道路綠地為主的交通區(qū)高的有機(jī)碳含量，可能由于高的車(chē)流量而引起的汽車(chē)尾氣固體懸浮微粒的沉降有關(guān)。章明奎和周翠[12]在杭州的研究也發(fā)現(xiàn)城市土壤的有機(jī)物質(zhì)包含較多的黑碳。將西安的城市土壤有機(jī)碳含量與國(guó)內(nèi)別的城市相比(表4)，發(fā)現(xiàn)不同城市土壤的碳含量存在顯著的差異。開(kāi)封、杭州、南京、福州和沈陽(yáng)等城市城區(qū)的土壤碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于西安市城區(qū)的碳含量，而北京城區(qū)的與西安相當(dāng)，上海的遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于西安。從功能分區(qū)來(lái)看，整體也表現(xiàn)出休閑風(fēng)景區(qū)和交通區(qū)的碳含量高的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種趨勢(shì)的原因，可能與城市的所在的地理位置、氣候、原始的背景土壤以及城市歷史和管理有關(guān)。

城市土壤是在自然土壤利用基礎(chǔ)上，在城市化過(guò)程中受人類(lèi)活動(dòng)影響而形成的一種特殊土壤，缺少自然剖面、新浸入體多、結(jié)構(gòu)比較差、污染嚴(yán)重[18]。城市土壤中有機(jī)碳的積累顯然與這種特殊的環(huán)境和有機(jī)碳來(lái)源有關(guān)。城市土壤的有機(jī)碳大多來(lái)源于轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫刂暗耐寥溃捎诔鞘型寥垒^為堅(jiān)實(shí)、不以生產(chǎn)為目的，土壤有機(jī)碳分解較慢、消耗較少，反而促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的積累。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在以鐘樓為中心的人口密集南北帶狀區(qū)域是西安城市土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的高值區(qū)，其形成的原因可能在于綠地管理投入增加和人為活動(dòng)的減少；包括食物、燃料的殘余物、各種廢水等大量生活垃圾進(jìn)入了這些出露面極少的城市土壤而致。自然土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘型恋乩檬浅鞘谢豢杀苊獾倪^(guò)程，這一過(guò)程通過(guò)物理擾動(dòng)、土壤封閉和各種人為活動(dòng)物質(zhì)的加入改變了自然土壤；直接影響是在土壤發(fā)育過(guò)程中形成新的母質(zhì)，間接影響是城市化改變了土壤的生物非生物環(huán)境，從而影響了土壤的發(fā)育。對(duì)于城市土壤這種可逆或不可逆演變的變化研究，是認(rèn)識(shí)城市生態(tài)系統(tǒng)對(duì)快速城市響應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)，也是提高城市應(yīng)對(duì)全球氣候變化能力需要亟待解決的問(wèn)題。

表4 西安城市土壤有機(jī)碳含量相關(guān)城市比較

4 結(jié) 論

(1) 西安市城區(qū)表層土壤有機(jī)碳在0.88～27.18 g/kg之間，均值為5.59 g/kg；表層碳密度0.22～7.11 kg/m2，均值為1.41 kg/m2。在城區(qū)各種功能土地利用中，風(fēng)景休閑區(qū)和交通區(qū)的有機(jī)碳含量與碳密度較高，分別為7.77，7.16和1.99，1.89 kg/m2，以工業(yè)用地土壤中的有機(jī)碳最低。交通區(qū)表層土壤有機(jī)碳含量高的原因可能與汽車(chē)尾氣排放的黑炭沉降有關(guān)。

(2) 以繞城高速內(nèi)區(qū)域?yàn)榇淼奈靼彩谐菂^(qū)表層土壤總儲(chǔ)碳量為6.32×105t，平均每1 km2的土壤碳儲(chǔ)量為1.37×103t。城區(qū)表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在空間上分布不均，在中心城區(qū)形成一個(gè)南北帶狀分布的高值區(qū)，其形成的原因可能在于綠地管理投入增加和人為活動(dòng)的減少；包括食物、燃料的殘余物、各種廢水等大量生活垃圾進(jìn)入了這些出露面極少的城市土壤而致。

(3) 西安市城區(qū)有機(jī)碳顯著低于國(guó)內(nèi)其他城市的有機(jī)碳碳量，可能與城市所在的地理位置、氣候、原始的背景土壤以及城市歷史和管理有關(guān)。

[1] 談明洪,李秀彬,呂昌河.20世紀(jì)90年代中國(guó)大中城市建設(shè)用地?cái)U(kuò)張及其對(duì)耕地的占用[J].中國(guó)科學(xué)(D)：地球科學(xué),2004,34(12):1157-1165.

[2] Churkina G. Modeling the carbon cycle of urban systems[J]. Ecological Modelling, 2008,216(2)：107-113.

[3] Jo H K, McPherson G E. Carbon Storage and flux in urban residential greenspace[J]. Journal of Environmental Management, 1995,45(2):109-133.

[4] Pouyat R V, Effland W R. The investigation and classification of humanly modified soils in the Baltimore ecosystem study[C]∥Kimble J M, Ahrens R J,&Bryant R B， Eds. Classification, Correlation, and Management of Anthropogenic Soils. Lincoln, NE:USDA-NRCS, National Soil Survey Center, Nevada and Califormia,1999:141-154.

[5] Jo H J. Impacts of urban greenspace on offsetting carbon emissions for middle Korea[J]. Journal of Environmental Management, 2002,64(2):115-126.

[6] Pouyat R V, Yesilonis I D, Nowak D J. Carbon storage by urban soils in the United States[J]. Journal of Environmental Quality, 2006,35(4):1566-1575.

[7] Churkina G, Brown D G, Keoleian G. Carbon stored in human settlements:The conterminous united states[J]. Global Change Biology, 2010,16(1):135-143.

[8] 章明奎,周翠.杭州市城市土壤有機(jī)碳的積累和特性[J].土壤通報(bào),2006,37(1):19-21.

[9] 史利江,鄭麗波,梅雪英,等.上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(9):2279-2287.

[10] 謝雙玉,王亞玲,黃濤,等.武漢市主城區(qū)土地利用/覆被變化及其對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào),2014,48(3):442-447.

[11] 孫艷麗,馬建華,李燦,等.開(kāi)封市不同功能區(qū)城市土壤有機(jī)碳含量與密度分析[J].地理科學(xué),2009,29(1):124-128.

[12] 羅上華,毛齊正,馬克明,等.北京城市綠地表層土壤碳氮分布特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(20):6011-6019.

[13] 何躍,張甘霖.城市土壤有機(jī)碳和黑碳的含量特征與來(lái)源分析[J].土壤學(xué)報(bào),2006,43(2):177-181.

[14] 邱敏.福州市不同功能區(qū)土壤有機(jī)碳和黑碳的對(duì)比研究[D].福建 福州:福建師范大學(xué),2009.

[15] 王秋兵,段迎秋,魏忠義,等.沈陽(yáng)市城市土壤有機(jī)碳空間變異特征研究[J].土壤通報(bào),2009,40(2):252-257.

[16] 羅上華,毛齊正,馬克明,等.城市土壤碳循環(huán)與碳固持研究綜述[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2012,32(22):7177-7188.

[17] 陜西省土壤普查辦公室.陜西 土壤[M].北京:科學(xué)出版社,1992:91-110.

[18] 石輝.城市環(huán)境學(xué)[M].陜西 西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2010:95-111.

Surface Soil Carbon Storage and Distribution in Xi’an City

DUAN Baozheng, SHI Hui, WEI Xiaofang, LI Yu, JIANG Ziyin, CHEN Yuepu

(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineerings,Xi’anUniversityofArchitetureandTecnolgy，TheKeyLabatoryofEnvironmentalEngineering,Xi’an，Shaanxi710055，China)

[Objective] With the development of urbanization, a large number of natural lands or agricultural lands are changed into urban land, which bring about dramatic changes in soil carbon stocks. It has an important significance for understanding of urban soil carbon pools and the response to global change to research the soil carbon storage in city area. [Methods] The inner Xi’an beltway area was selected as research range, where the soil carbon pool was researched. Total 230 surface soil samples under different land uses/functions were collected, and soil organic carbon of each sample was analyzed by Vario ELⅢ elementer. [Results] The soil organic carbon ranged 0.88～27.18 g/kg with a mean of 5.59 g/kg; and the organic carbon density was 0.22～7.11 kg/m2with a mean of 1.41 kg/m2. The total carbon storage was 6.32×105t in the city area of inner Xi’an beltway, the average per square kilometer was 1.37×103t. The scenic recreation and traffic area were the regions with high soil organic carbon content, and the industrial zone was relatively lower. A north-south strip of high soil organic carbon with city center as concentrated core was recognized. [Conclusion] The soil organic carbon distribution pattern of Xi’an City maybe relate to some indices prior to urbanization, as soil use, green management, garbage of food and fuel residues and waste water into the soil. The organic carbon content near traffic road was affected by black carbon settlement from vehicle exhaust emissions. The overall topsoil organic carbon content of Xi’an urban was significantly lower than that of other domestic cities.

urban soil; contents of soil carbon in topsoil; densities of soil carbon in topsoil

2016-05-05

2016-06-11

陜西省自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目“城市生態(tài)系統(tǒng)中碳庫(kù)特征及其演變規(guī)律對(duì)城市擴(kuò)張的響應(yīng)”(2014JZ011)

段保正(1990—),男(漢族),湖南省株洲市人,碩士研究生,研究方向?yàn)槌鞘协h(huán)境生態(tài)。E-mail:dbaozheng@163.com。

石輝(1968—),男(漢族),陜西省眉縣人,博士,教授,主要從事環(huán)境生態(tài)方面的研究。E-mail:shihui06@126.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.049

A

1000-288X(2016)06-0293-05

S153.6， X171.1

文獻(xiàn)參數(shù)： 段保正, 石輝, 魏小芳, 等.西安市城區(qū)表層土壤碳儲(chǔ)量與分布特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：293-297.