西安市城區表層土壤碳儲量與分布特征

段保正, 石 輝, 魏小芳, 李 余, 蔣子銀, 陳越浦

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院 陜西省環境工程重點實驗室, 陜西 西安 710055)

西安市城區表層土壤碳儲量與分布特征

段保正, 石 輝, 魏小芳, 李 余, 蔣子銀, 陳越浦

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院 陜西省環境工程重點實驗室, 陜西 西安 710055)

[目的] 研究城市的土壤碳儲量與分布特征，為進一步認識城市碳固定和碳循環提供科學依據。 [方法] 采集西安市繞城高速內不同土地利用/功能區表層土壤樣品230個(0—20 cm)，利用Vario ELⅢ元素分析儀進行有機碳分析。 [結果] 西安市城區表層土壤有機碳在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；在西安市城區表層土壤總儲碳量為6.32×105t，平均每1 km2的土壤碳儲量為1.37×103t。風景休閑區和交通區是城區土壤有機碳含量較高的區域，而工業區有機碳含量較低。在空間上，以中心城區形成一個南北帶狀分布的有機碳高值區。 [結論] 西安市城區的這種有機碳分布模式，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入土壤有關。交通道路的有機碳含量也受到汽車尾氣排放的黑炭沉降影響。整體上，西安市城區有機碳顯著低于國內其它城市的有機碳含量。

城市土壤; 土壤表層碳含量; 土壤表層碳密度

城市化進程是20世紀世界發展最重要的特征之一，在這段時間內世界城市人口數量增長了10倍，城市人口比例也從14%上升到50%以上；預計到2030年，世界上將有超過60%的人口居住在城市中。中國至2000年城市人口的比例已達36.2%，145個大中城市的建設用地面積擴張了39.8%，城鎮用地的空間拓展將日益成為現在及未來幾十年中國土地利用變化的主要特征[1]。隨著經濟的快速發展，城市化進程的加快，城市區域內人類活動不同的土地利用方式導致了土壤碳儲量和碳通量的變化，從而進一步影響著人類生活的環境[2]。

城市土壤是一種重要的城市碳庫。Jo和McPherson[3]的研究表明，在芝加哥的住宅區，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]發現住宅區土壤碳貯量可以高達15.2±1.2 kg/m2。在城市天然或受人為活動影響的土壤中，碳的貯存量每1 hm2可達31.6 t，是地上植被碳貯量的1.2倍[5]。在區域尺度上，Pouyat等[6]發現城市土壤具有很強的固定有機碳的能力，特別是住宅區由于投入增加和人為活動的減少能貯存更多的碳；同時區域土地利用和分布的不同，導致碳貯存的空間變異。Churkina[7]估算出美國城市和郊區的人類居住區中土壤有機碳密度值在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陸地的碳儲量的10%。

在中國，城市土壤碳儲量也受到了廣泛的關注，杭州[8]、上海[9]、武漢[10]、開封[11]、北京[12]、南京[13]、福州[14]和沈陽[15]等城市的土壤有機碳含量和密度被研究，表現出不同的氣候環境、城市不同土地利用的差異。說明了自然因素與人為因素均對城市土壤碳儲量有重要影響[16]。雖然有關城市土壤碳固定進行了一些研究，但在不同氣候帶的城市分布不均，對于半濕潤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，近年城市擴張十分迅速，年增長率達到百分之十幾以上，研究西安市城市土壤的碳庫特征，可為進一步認識城市碳固定和碳循環提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

西安市屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季冷暖干濕分明，春季升溫迅速，干燥多風；夏季炎熱高溫，日照強烈；秋季涼爽濕潤，時有陰雨；冬季寒冷干燥，雨雪偏少。年無霜期226 d，年平均氣溫13.3 ℃，市區年平均降水量為584.9 mm，年平均濕度69.6%。由于在城市中，人類活動方式和強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；因此根據西安市實際情況，將土地利用化為風景休閑區、交通區、工業區、文教區、居民/行政區、商業區6個類型，以西安市繞城以內為主體，采集土壤表層樣品。

由于西安市城區東西方向長、南北方向相對較短，采樣時采用2 km ×1 km的網格，根據網格內主要的土地利用方式進行土樣的功能分區。選定樣點之后，在樣點周邊5 m的范圍內分別采集3個0—20 cm的樣品，形成1個混合樣，通過四分法保留土壤樣品重約1 kg左右，用于表征相應功能區的土壤特征。共采集混合樣品230個，覆蓋西安整個城區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，在每個功能區內分別采集8個樣點的容重樣品，每個樣點在其周邊5 m的范圍內分別采集3個直徑5 cm的環刀樣，其均值作為這個樣點的容重。6個功能區共有48個樣點的容重數據。各種類型土壤樣品采集情況詳見表1。

表1 西安城市不同功能區土壤表層碳含量和土壤容重

1.2 樣品處理和分析

土壤樣品帶回實驗室，揀除礫石和根系后，置于通風陰涼干燥的環境下室內風干；然后土壤過2 mm篩備用。有機碳的含量采用德國Elementar公司的Vario ELⅢ元素分析儀測定。將過2 mm篩的土壤樣品稱取5 g，研磨過0.25 mm的尼龍篩，準確稱取50.0 mg土壤樣品錫箔紙包裹，送入儀器測定，燃燒管的溫度為950 ℃。每個樣品分析重復3次。

1.3 計算方法

單位土壤碳含量和碳密度的計算公式為：

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 結果分析

2.1 城市土壤有機碳含量的總體特征

通過對230個樣本的分析，西安城市土壤有機碳的范圍在0.88～27.18g/kg之間，均值為5.59g/kg，中位數為4.97，標準差為4.35，變異系數為56.5%；偏度系數1.98表現為右偏分布；峰度為5.03，表現為陡峭的尖頂峰(表2)。

表2 西安城市不同功能區土壤有機碳含量的整體分布特征

2.2 不同功能區的有機碳含量

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

圖1 不同功能區表層土壤有機碳含量

2.3 不同功能區土壤的有機碳密度

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

2.4 西安市城區土壤有機碳儲量

西安市建成區面積為500km2多，繞成高速以內的面積為460km2，繞城高速圍繞范圍內的碳儲量基本可以代表城區的碳儲量。根據土壤碳密度含量，將該區域分為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個等級，根據每個等級的面積和其平均碳密度計算整個區域的碳儲量。在西安市城區，表層土壤碳儲量約為6.32×105t，平均每1km2的土壤碳儲量為1.37×103t。其中碳密度為0～1.02kg/m2等級的占總面積的49.07%，土壤儲碳1.15×105t；碳密度為1.03～2.03kg/m2等級的占總面積的32.22%，土壤儲碳2.27×105t；碳密度為2.04～3.05kg/m2等級的占總面積的11.23%，土壤儲碳1.32×105t；這3個等級決定了西安市城區土壤碳儲量的近75%。碳密度最高的6.10～7.11kg/m2等級，由于所占面積較小，因此對西安市城區總體碳儲量影響較小(表3)。

表3 西安市繞城高速內城區表層土壤碳密度的分布

3 討 論

西安市城區土壤的有機碳在在0.88～27.18 g/kg之間，平均值為5.59 g/kg，大多數樣點的碳含量與周邊主要農業土壤婁土的有機碳含量4～10.2 g/kg幾乎一致[17]，說明了西安城市土壤的有機碳含量主要受到自然背景土壤碳含量的影響。但對于不同的功能區，風景區和交通區高的碳含量可能與管理、人為活動和交通污染有關。在風景區，由于施肥、灌溉等管理措施，以及較少的人為踩踏等因素，植被生長良好、有機物積累較多，土壤中積累了相對較多的有機碳。而以交通道路綠地為主的交通區高的有機碳含量，可能由于高的車流量而引起的汽車尾氣固體懸浮微粒的沉降有關。章明奎和周翠[12]在杭州的研究也發現城市土壤的有機物質包含較多的黑碳。將西安的城市土壤有機碳含量與國內別的城市相比(表4)，發現不同城市土壤的碳含量存在顯著的差異。開封、杭州、南京、福州和沈陽等城市城區的土壤碳含量遠遠高于西安市城區的碳含量，而北京城區的與西安相當，上海的遠遠低于西安。從功能分區來看，整體也表現出休閑風景區和交通區的碳含量高的趨勢。出現這種趨勢的原因，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。

城市土壤是在自然土壤利用基礎上，在城市化過程中受人類活動影響而形成的一種特殊土壤，缺少自然剖面、新浸入體多、結構比較差、污染嚴重[18]。城市土壤中有機碳的積累顯然與這種特殊的環境和有機碳來源有關。城市土壤的有機碳大多來源于轉變為城市用地之前的土壤，由于城市土壤較為堅實、不以生產為目的，土壤有機碳分解較慢、消耗較少，反而促進了土壤有機碳的積累。調查還發現，在以鐘樓為中心的人口密集南北帶狀區域是西安城市土壤有機碳儲量的高值區，其形成的原因可能在于綠地管理投入增加和人為活動的減少；包括食物、燃料的殘余物、各種廢水等大量生活垃圾進入了這些出露面極少的城市土壤而致。自然土地利用轉變為城市土地利用是城市化不可避免的過程，這一過程通過物理擾動、土壤封閉和各種人為活動物質的加入改變了自然土壤；直接影響是在土壤發育過程中形成新的母質，間接影響是城市化改變了土壤的生物非生物環境，從而影響了土壤的發育。對于城市土壤這種可逆或不可逆演變的變化研究，是認識城市生態系統對快速城市響應機制的基礎，也是提高城市應對全球氣候變化能力需要亟待解決的問題。

表4 西安城市土壤有機碳含量相關城市比較

4 結 論

(1) 西安市城區表層土壤有機碳在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。在城區各種功能土地利用中，風景休閑區和交通區的有機碳含量與碳密度較高，分別為7.77，7.16和1.99，1.89 kg/m2，以工業用地土壤中的有機碳最低。交通區表層土壤有機碳含量高的原因可能與汽車尾氣排放的黑炭沉降有關。

(2) 以繞城高速內區域為代表的西安市城區表層土壤總儲碳量為6.32×105t，平均每1 km2的土壤碳儲量為1.37×103t。城區表層土壤有機碳儲量在空間上分布不均，在中心城區形成一個南北帶狀分布的高值區，其形成的原因可能在于綠地管理投入增加和人為活動的減少；包括食物、燃料的殘余物、各種廢水等大量生活垃圾進入了這些出露面極少的城市土壤而致。

(3) 西安市城區有機碳顯著低于國內其他城市的有機碳碳量，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。

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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

陜西省自然科學重點項目“城市生態系統中碳庫特征及其演變規律對城市擴張的響應”(2014JZ011)

段保正(1990—),男(漢族),湖南省株洲市人,碩士研究生,研究方向為城市環境生態。E-mail:dbaozheng@163.com。

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

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.049

A

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

S153.6， X171.1

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