汤 煜 石铁矛 卜英杰 石 羽

城市覆盖不到地球表面的1%，却有世界上超过50%的人口居住在城市和城镇[1]，而且世界城市面积以每年476 000hm2的速度在增长[2]。到2030年，城市土地面积将增加到1.2×106km2，这将是2000年以来全球城市土地面积的3倍[3]。未来城市面积增加对全球环境的影响将更加显著[3-5]。

城市绿地土壤是城市绿色生态系统重要组成部分，而有机碳则是土壤质量的核心[6]。土壤有机质含量及其质量是土壤维持生物生产力、维持环境质量、促进动植物健康的关键因素[7]。自然土地向城市土地的转换导致土壤性质的变化、土壤结构的崩溃和生态类型的转变，这可能导致土壤碳储量的增加或减少[8]，从而对其上的生物群落、水和空气质量产生影响[9]。全球城市化扩张使得我们对城市化、对土壤碳储存影响的认识变得日益重要[3]。

有越来越多的研究集中于城市绿地土壤有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)储量。凯伊(Kaye)等对城市草坪与农田、草原生态系统土壤的碳循环进行了比对研究，分析了城市化对土壤性质改变的影响，发现城市生态系统的土壤碳储量比其他土地利用高出2.5～5倍[10]。格鲁比夫斯基(Golubiewski)等发现美国科罗拉多州城市绿地土壤所包含的SOC储存量要大于原生草地、农业或森林地区[11]。凯伊(Kaye)等采用贝叶斯方法对凤凰城市区内外的土壤进行研究，发现城市SOC高于城市外的沙漠生态系统[12]；而在巴尔的摩，草坪土壤在0～1m和0～20cm深度的SOC密度几乎是农村森林土壤的2倍；此外，城市森林SOC密度比农村森林土壤高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对城市化前后时期土地利用性质改变所引起的有机碳储量变化，而对于城市绿地SOC储量在城市发展过程中的发展演变与空间分布研究较少。本研究通过对中国老工业城市沈阳的城市绿地SOC储量的研究，评价了快速城市化对SOC储量的影响，目的在于：1)揭示沈阳城市绿地SOC储量的分布特点；2)评价不同土地利用类型对绿地SOC储量的影响；3)测算城市绿地SOC储量。以增进我们对城市生态系统的了解。

1 材料与方法

1.1 研究区域

1.2 样品采集

图1 研究区域及样地位置

土壤取样时间为2017年4月。采样区以沈阳核心(沈阳故宫)为中心，延伸至城市三环路，总面积约为455km2。使用空间分层抽样方法，设置了79个样地(图1)。采样点使用约3km×3km的方形网格建立，位于网格中心。在沿东西、南北、东南和西南方向以1.5km间隔增设采样点。每块样地中，在半径500m范围内，随机指定1～5个30m×30m的不同土地利用类型的绿地地块。土壤取样点选取林下位置。在去除土壤表面的凋落物等有机覆盖后，从每个地块的3个地点收集土壤芯(直径3.3cm)，取其顶部20cm的部分混合，获得每个地块的单一样品，共获得269个土壤样品。另外采用环刀法收集3个土壤样品，以分析土壤的容重和pH值。

根据城市化水平(中心城区、Ⅰ区和Ⅱ区)和土地利用类型，将所有样地划分为组。中心城区是指一环路内城市用地，是沈阳市最早发展的城市用地；Ⅰ区是指一环路与二环路之间的城市用地；Ⅱ区则是包括二环与三环之间发展相对较少的城市用地。土壤的土地利用类型根据《中国城市绿地分类标准》(CJJ/T 85—2017)和土壤实际情况分为7组：居住用地(n=43)、商业用地(n=27)、公园用地(n=80)、道路与交通用地(n=55)、公共管理与服务设施用地(以下简称“公共用地”)(n=41)、工业及仓储用地(n=12)和其他用地(n=11)。

根据沈阳历届城市总体规划(图2)与实际建设情况，以10年跨度为单位，将土壤样本按照所取样地形成年代划分为20世纪70年代及以前、80年代、90年代、21世纪00年代及10年代5组。

1.3 样品实验分析

图2 沈阳历届城市总体规划(引自沈阳市规划设计研究院)

对土壤样品进行空气干燥与过筛，分析其化学性质：1)土壤样品采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定分析SOC浓度值[14]；2)将土壤样品置于蒸馏水中，使用Delta 320型pH计[Mettler-Toledo仪器(中国，上海)有限公司]测定蒸馏水中土壤pH值，土壤-溶液比为1:2.5(体积比)[15]；3)土壤样品在105℃下干燥至恒定质量并称重，以干重法测定土壤容重和土壤含水量[16]。所有土壤样本的有机碳密度计算公式如下：

式中，Cd为SOC密度；Cf为SOC含量；Bd为土壤容重；D为土层厚度(即20cm)；δ2mm为土壤中大于2mm的砾石所占的体积百分比。

1.4 数据分析

所有统计分析使用PASW 22.0版本。采用单因素方差分析法(ANONA)比较不同城市区域及不同土地利用类型之间土壤碳储量的差异。利用相关分析和回归分析分别检验SOC与城市中心距离的关系以及SOC与土壤容重的关系。除另有说明外，统计学意义为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳在沈阳市的空间分布

整个研究区域的绿地土壤表层(0～20cm)碳浓度平均值为24.82g/kg，碳密度值为3.98kg/m2。中心城区、Ⅰ区和Ⅱ区及整个研究区域的SOC含量及密度变化比较大(表1)。SOC浓度的变异系数(CV)从中心城区的49.55%，Ⅰ区的50.14%，到Ⅱ区的63.31%；SOC密度的CV值则分别是41.83%、45.35%和49.47%。与此相反，土壤pH值和容重的CV值相对较低，且无统计学差异。

绿地SOC浓度和密度呈现中心城区＞Ⅰ区＞Ⅱ区。中心城区的SOC浓度分别比Ⅰ区和Ⅱ区高出14%和29%；而Ⅰ区比Ⅱ区高出14%。中心城区的0～20cmSOC密度分别比Ⅰ区与Ⅱ区高出19%和35%；Ⅱ区最低，为3.78kg/m2。

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图3 0～20cm土壤有机碳密度与城市核心(沈阳故宫)距离的关系

土壤有机碳在沈阳城市中有以下空间分布特点。

1)城市绿地SOC储量高于郊区及农村土壤，具有一定的富集性；研究区域的绿地土壤表层(0～20cm)碳浓度和碳密度值均高于沈阳郊区SOC平均值(18.609g/kg)[17]和沈阳耕地土壤(2.68kg/m2，0～20cm碳密度)[18]。国内外许多研究证实了城市地区SOC浓度和密度较高，如美国纽约[2]、科罗拉多[11]和凤凰城[12]，英国莱斯特[19]，日本东京[20]，中国上海[21]、北京[22]的结果基本一致。由此可见，在城市发展过程中，城市化对SOC积累的影响是很大的，这种影响包括直接影响和间接影响。直接影响包括物理干扰、掩埋、填埋材料和不透水表面对土壤的覆盖以及土壤管理投入(如施肥和灌溉)[13]；间接影响包括区域在城市化过程中的非生物和生物环境的变化[23-24]。

2)城市绿地SOC储量分布不均匀，具有镶嵌性；整个研究区域及各部分的SOC浓度和密度的CV值均达到40%以上。这表明，城市绿地中的SOC储量在空间上变化很大，可以描述为“城市土壤镶嵌”[25]，这可能是因城市中人为干扰(城市开发建设)、外来植物、园艺管理(如施肥、灌溉、修剪)和城市环境因素(如城市热岛、大气中升高的碳含量)而有所不同，尤其是城市中土地所有权地块面积越来越小，人为管理和扰动变化更大，使得SOC储量可以在同一土壤类型或同一斑块范围内发生很大的变化[26]。

表1 研究区域内中心城区、Ⅰ区和Ⅱ区土壤有机碳含量、pH值及土壤容重(2017)

3)城市绿地SOC储量随着与城市核心距离增大而递减；城市绿地SOC浓度和碳密度是呈现从中心城区逐渐下降到Ⅰ区和Ⅱ区的趋势。这种趋势表明SOC储量分布从城市核心向边缘降低。

城市绿地SOC密度与离城市核心距离具有显著相关性(p＜0.01)，pearson相关系数为-0.242，即二者为弱的负相关性。SOC密度与城市中心距离的回归关系为Y=-0.16X+5.2(图3)。而SOC测定系数(R2)太低，仅为0.058，没有统计学意义。这表明，沈阳绿地的SOC浓度和密度是以城市核心为圆心，逐级向外扩散着递减，这可能是由于中心城区是最早发展起来的，建设状态与开发程度进入稳定状态，土壤有更多的时间恢复微生物活性，因而有更多的有机碳积累。在城市化I区和II区，土地利用的剧烈变化一方面导致了SOC的分解，另一方面引起了土壤压实的物理扰动，影响了SOC的积累[2]。

这种递减趋势与普亚特(Pouyat)等在美国纽约的城乡梯度横断面研究[2]是一致的，普亚特等发现SOC浓度与密度沿城乡环境梯度呈现递减趋势，但有机碳密度和浓度与距离回归时没有统计学显著性(p分别为0.07和0.06)。

2.2 不同土地利用类型下的沈阳市土壤有机碳分布特点

土壤性质可以在城市不同土地利用类型之间发生变化[27-28]，SOC的增加或减少会受到城市土地利用类型和环境变化的影响[2]。

研究区内不同土地利用类型的SOC浓度和碳密度具有显著差异(图4)。工业用地中的SOC密度最高，达4.99kg/m2；其次是公共用地、公园、其他绿地用地、商业用地、交通用地；最小的是居住用地，为2.91kg/m2。这种差异可能是由于不同土地利用类型中的土壤有机碳的影响因素不同所造成的，如土壤的来源和有机污染物的影响。工业用地中SOC密度高，可能是由于工业用地中大量使用固体或液体燃料，产生包括黑炭(BC，是一种化石燃料燃烧不完全所产生的产物，对SOC储量影响很大)和石油烃化合物、多环芳烃(汽油燃烧产物)等污染物进入到土壤中，导致SOC富集[29-30]。公园用地的生态环境趋于自然绿地，有利于SOC储存，储存量也比较大。公共用地SOC储量较高，应该归功于较高水平的人工养护。商业用地中的SOC可能较多受到有机污染物(食物垃圾、污水沉积物和塑料)的影响[29]。道路与交通用地绿地人工养护管理较少，仅高于居住用地。而居住用地的碳储量达到最低，可能是由于居住用地样本中，存在相当多的老旧居住小区，没有人为管理和养护，导致SOC储量降低。

表2 研究区域绿地土地利用类型(2017)

图4 中心城区、Ⅰ区和Ⅱ区等土地利用类型的SOC密度(SE)(0～20cm)

图5 研究区不同建设年代土壤平均有机碳密度(SE)(0～20cm)

3个区域中相同的土地利用类型相比较，公园绿地、道路与交通用地的SOC密度变化具有相同的趋势，均为中心城区＞Ⅰ区＞Ⅱ区。这符合前面所讨论的随着与城市核心距离越远，SOC储量越小的结论。公共用地、居住用地以及商业用地SOC密度变化呈不同趋势，这可能是由这3种用地的人为干扰所致。

由此可见，土地利用对SOC含量具有重要影响作用，不同土地利用类型的SOC在整个研究区存在显著差异；而在同种土地利用类型中，所处区域不同，SOC差异变化也比较显著(图4)。造成这种变化差异可能有以下2个原因：1)绿色植物种植方式，即乔灌草的种植组合方式不同，对SOC含量造成一定的影响；2)对土壤的人为管理方式不同所产生的差异。在不同的城市，由于人为管理方式的差异，即使是相同的土地利用类型，SOC储量也是不同的。罗上华等对北京城市土壤研究时发现，北京地区街边绿地土壤具有最高的SOC密度，而公园是最低的[22]。

2.3 不同建成时间影响下的沈阳市土壤有机碳分布特点

城市3个区域样地SOC密度由于不同建成年龄也存在显著差异(图5)。20世纪80年代开始形成的土壤，其SOC值最高，达到5.48kg/m2；90年代与21世纪00年代的SOC密度值几乎相等；20世纪70年代及以前的SOC密度仅低于80年代土壤，为4.64kg/m2。

图6 研究区域SOC储量空间分布

3个区域土壤中，Ⅰ区与Ⅱ区的SOC密度均呈现随着建成时间的增加而增加的趋势(图5)。而中心城区SOC密度变化与其他2个区域不同，表现为80年代＞90年代＞70年代。80年代最高，为5.89kg/m2。这表明，沈阳城市绿地土壤形成时间越早，SOC储存量越大，这可能是由于受发展干扰的较老城市土壤比年轻土壤能够积累更多的碳。这一结果与徐乃正等对北京城市土壤的研究[21]相一致。帕克(Park)在对美国俄亥俄州北部3个城市的土壤研究中认为，年龄因素对土壤有机质库有正向影响[31]。还有研究表明，城市绿地SOC浓度在建成后迅速增长，在其后几十年间由快转慢，最后趋于平衡[10]。沈阳地区70年代城市SOC密度低于80年代，可能由于研究区域内40～50年以上土壤中有机碳积累趋于平缓阶段，增长较小或不再增长所导致。

2.4 沈阳城市绿地SOC储量空间分布

在ArcGIS 10.3环境下对2017年沈阳市Quickbird高分影像(分辨率为0.61m)进行人工目视解译，获得研究区绿地的土地利用类型图，及相应土地利用类型面积数据(表2)。各土地利用类型土壤总SOC储存量由以下公式求得：

式中，j为土壤的土地利用类型；Cj为第j种土地利用类型的SOC储量，t；Cdj为第j种的土地利用类型SOC密度，kg/m2；Sj为第j种的土地利用类型土壤分布面积，m2。

沈阳研究区域内城市表层土壤(0～20cm)有机碳储量为6.438×105t。其中，居住用地和其他用地SOC储量占比最大，分别为30.39%和37.97%；工业用地、公共用地和商业用地绿地土壤面积很小，SOC储量只占总碳储量的5.16%、3.89%和2.17%。

应用ArcGIS 10.3软件，在研究区绿地的土地利用类型图中，将样点SOC密度值应用经验贝叶斯克里金插值法(EBK)对研究区域SOC分布进行计算，获得研究区域绿地SOC储量空间分布图(图6)。经验贝叶斯克里金法是一种地统计插值方法，可自动执行构建有效克里金模型过程中的那些最困难的步骤，预测标准误差比其他克里金方法更准确[12]。

3 结论

本研究以沈阳城市绿地土壤为研究对象，对沈阳市三环内中心城区、Ⅰ区和Ⅱ区3个区域的绿地SOC储量进行调查和研究，探讨沈阳城市SOC储量的空间布局特点。研究表明，沈阳城市绿地SOC储量高于周边的郊区和农村土壤；SOC分布具有较高的空间变异性，SOC浓度和碳密度具有较大的变异范围和变化系数；SOC浓度和密度随着与城市核心距离的增加而呈现递减趋势，但无统计学意义；不同土地利用类型中，SOC密度的表现差异很大，工业用地SOC密度最高，居住用地最低，人类活动对城市绿地SOC的影响较大；城市绿地SOC储量随时间推移而不断累积，年代越早，SOC密度越高。沈阳城市绿地SOC储量的空间分布有以下特点：城市绿地SOC具有一定富集性；其分布不均匀，具有镶嵌性；SOC在各土地利用类型中分布差异性大；其碳密度和碳浓度由城市核心向城市边缘递减。根据各土地利用类型SOC密度测算出沈阳城市三环内绿地0～20cm深度SOC储量为6.438×105t。

注：文中图片均由汤煜绘制。

致谢：感谢沈阳建筑大学建筑与规划学院硕士研究生表秀峰、王博城、修小涵、王竹林、刘枳汐、陈露、曾婷、高思捷、邹一宁、王嘉裕、杨梓艺、张婉如等对数据收集提供的帮助。