城市土壤封閉對有機碳庫影響的時空變化模擬

陳 浩,吳紹華,陳東湘，周生路,李保杰,施亞星

南京大學地理與海洋科學學院,南京 210046

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城市土壤封閉對有機碳庫影響的時空變化模擬

陳 浩,吳紹華*,陳東湘，周生路,李保杰,施亞星

南京大學地理與海洋科學學院,南京 210046

隨著全球城市化的迅速發展,城市生態系統的研究日益受到關注。城市化過程引發的大面積土壤封閉,導致土壤功能退化,進而影響城市生態系統。通過構建城市封閉土壤碳循環模型,考慮土壤溫度,水分,有效氮含量以及各項理化性質等影響土壤有機碳在封閉條件下分解的影響因素,模擬南京市1980年至2010年城市封閉土壤有機碳含量與土壤有機碳庫的時空變化過程,揭示人工封閉對于城市土壤功能的影響。結果表明：南京市1980年至2010年封閉土壤的有機碳含量顯著減少,2010年土壤有機碳含量的均值為6.7 g/kg,比開放土壤低54.7%。土壤有機碳含量較低的區域主要分布在快速城市化的地區。由于封閉土壤阻礙了土壤有機碳的來源,造成封閉土壤有機碳含量持續減少,1980年至2010年間城市土壤有機碳庫的總量減少約0.32 Tg。城市封閉對土壤有機碳影響的時空變化模擬可為研究城市化過程中的生態環境效應與城市生態建設提供參考。

城市化；城市土壤；土壤封閉；土壤有機碳；時空模擬

世界上超過50%的人口生活在城鎮中,預計到2050年,城鎮人口將會達到世界人口的70%[1]。隨著城鎮人口的迅速增長,城鎮面積將呈現出飛速擴張的趨勢[2]。城鎮化的快速發展,使得城市地區的封閉土壤比例迅速增加,在有的地區甚至達到了60%—70%[3]。城市土壤的封閉會致使土壤中的有機碳庫含量降低[4-5],進而影響到城市生態系統的碳循環以及全球的碳循環過程。因此,對于城市封閉土壤有機碳庫的研究具有重要的現實意義。

隨著城市規模的不斷擴大,全球變化和城市生態學研究逐漸深入,城市土壤有機碳的研究日益受到關注。城市地區土壤碳庫的含量、分布以及影響因素被大量地研究,揭示出城市土壤有機碳分布與自然土壤和農業土壤的差異[6- 9]。同時,碳循環模型也被廣泛地應用于城市土壤有機碳的研究,Schneider[10]在傳統的Agro-IBIS模型中添加了城市地區的模塊來模擬城市地區的碳循環過程。Tian等[11]在新一代陸地生態系統動態模型(DLEM)中對城市地區的碳、氮、水循環進行了模擬。但是,在城市土壤碳庫的研究中,大多數僅對城市綠地以及城市森林中的土壤碳庫進行了探討[12- 17],而對于城市地區的封閉土壤中的碳庫研究較少。上述的城市碳循環模型中,缺少對城市封閉土壤中的有機碳庫進行的細致研究。城市封閉土壤碳的生物地球化學過程作為城市土壤的重要組成部分,其在時空上的變化仍是一個尚未系統回答的科學問題,因此開展封閉土壤碳的時空變化研究是十分有必要的。本文選取了城市化水平較高的南京市作為研究區域,在實地采樣的基礎上,借鑒生態系統碳循環模型,針對模型考慮不足的城市封閉土壤碳循環部分,設立了城市封閉土壤碳循環模型,用于模擬南京市城市封閉土壤環境下的碳循環。模型充分考慮了在城市封閉土壤環境下影響土壤有機碳分解的關鍵因素,對城市封閉土壤中各個碳庫中有機碳的時空變化進行了模擬。本文的研究將實現以下目標：(1)構建城市封閉土壤碳循環模型并評估模型模擬的精確性。(2)估測城市發展對于城市地區土壤碳庫的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南京市位于31°14′—32°37′N,118°22′—119°14′E。地處長江中下游,江蘇省東南部,西與安徽省接壤,2010年市區面積為577 km2,而轄區總面積為6597 km2。屬亞熱帶季風氣候,夏季氣溫高,全年多降雨,氣溫濕潤,年平均氣溫為15.4℃。南京土壤成土母質主要有低山丘陵坡積殘積物、古堆積物和現代沖積物。

南京是我國長三角地區的重要城市,有重要的經濟、政治地位。近30年來,隨著經濟的快速發展,南京市的城市化進程迅速,城市人口數量以及城區面積都得到顯著提高。1949年,南京城區人口數量約有70萬人,但是截止到2010年,城區常住人口數量已經增長到510.59萬人,城鎮化率達到79.73%。1949年城區面積約為42 km2,但是截止2010年市區面積已擴張到577 km2,新建成區分布于老城區的周圍,其中西北以及東南方向是近些年城市主要的擴張方向。

1.2 樣品采集

在南京市城市不同功能區設置14個封閉土壤采樣點(圖1),采樣點均由瀝青或水泥覆蓋(表1),樣品采集于2011年4月完成。封閉土樣采集時,先將剖面進行整理,去除瓦礫浮土后按照土壤發生層采集樣品。實驗室風干后,分別過2、0.3 mm和0.15 mm尼龍篩,用于土壤理化性質以及有機碳分組相關指標測定。土壤機械組成采用激光粒度儀測定。容重采用石蠟封閉法測定[18]。含水量測定采用烘干法,約20 g鮮土105 °C下烘24 h,烘干前后土壤質量之差即為水分含量。土壤總碳、總氮采用碳氮分析儀測定,無機碳采用氣量法測定[19],土壤有機碳含量為總碳與無機碳之差。

圖1 南京市土壤采點與封閉土壤剖面示意圖Fig.1 Soil samples and soil profiles in Nanjing city

2 模型構建

2.1 數據來源與模型模擬

溫度、水分和土壤有效氮含量是影響土壤有機碳庫變化的關鍵因素[11,20-21]。城市地區獨特的小氣候如“熱島效應”、“雨島效應”等,影響了土壤有機碳的分解速率,進而改變了土壤有機碳庫的時空變化。在模型中,溫度響應方程采用的是Lloyd和Taylor[22]的處理方法,水分限制方程借鑒了Biome-BGC模型[23]中的方法,土壤有效氮限制方程采用了Tian[11]的處理方法。本文假設城市不透面阻擋了新鮮有機底物的輸入,現存的有機碳在土壤封閉的狀態下仍在繼續分解,分解速率主要受到土壤溫度、水分以及有效氮的控制,通過模擬有機碳在土壤不同碳庫中的碳流動過程來預測南京地區封閉土壤中的有機碳含量的時空變化。同時假設南京市開放土壤的有機碳含量在短時間尺度內保持相對穩定。并將開放土壤的有機碳含量作為模型模擬封閉土壤有機碳分解的初始值,而開放土壤的有機碳含量則通過1980s第二次土壤普查開放土壤有機質含量經過換算后得到。對于1980年前已經成為封閉土壤的地區,研究假設其已經封閉了6a年,即以模型運行60年后的有機碳的含量作為其初始值。

模型的相關參數以及模擬過程如圖2所示。模型通過南京市1980—2010的日均溫數據,模擬出了南京市封閉土壤溫度在30年間的動態變化。封閉土壤質地、土壤水分、土壤有效氮以及物理結構數據通過測試實地采集的封閉土壤樣品獲得,測試結果如表2所示。將1980s第二次土壤普查開放土壤有機質含量的點位數據通過普通克里格插值法獲得南京市開放土壤有機質含量的柵格數據,并將此數據作為模型模擬封閉土壤有機碳分解的初始值。通過解譯南京市1980年至2010年的遙感圖像獲得封閉土壤以及開放土壤的分布圖像,用于進行南京市有機碳庫的空間分布模擬。模擬綜合考慮了土壤水分、有效氮以及土地利用變化等影響因素,模擬出了南京市1980—2010年城市封閉土壤中有機碳庫的變化過程,最終得出了南京市1980年至2010年的封閉土壤有機碳庫的時空變化圖。

圖2 城市封閉土壤碳循環模型模擬過程Fig.2 Urban Soil sealing carbon cycle model simulation

表2 南京城市封閉與開放土壤理化性質(0—20 cm)

2.2 城市封閉土壤碳庫劃分

不透水面阻斷了土壤與外界新鮮有機物底物的交換,因此在模型中僅考慮土壤中現存的凋落物碳儲量、土壤有機質碳儲量與碳通量。本文借鑒Biome-BGC模型中對于凋落物以及土壤有機質碳庫的劃分將城市封閉土壤中的碳庫劃分為7個部分。如圖3所示,凋落物被分為3個部分：易分解物質、纖維素和木質素。土壤有機質按照分解速率的快慢分為4個部分：快速微生物分解的有機質、中速微生物分解的有機質、慢速微生物分解的有機質以及惰性有機質。凋落物以特定的分解速率從凋落物庫進入土壤有機質的快、中、慢速分解碳庫。而土壤有機質的分解則依照特定的速率由快速有機質分解碳庫,經過中、慢速分解碳庫,流向惰性有機質碳庫。土壤有機碳庫的分解速率取決于有機碳庫的含量(X)和單位分解速率(k):

(1)

這些單位分解速率,是以25℃,沒有水分限制時的分解速率作為基礎分解速率常數,并在考慮了溫度、水分等影響因素的情況下重新修訂的分解速率。它們的關系如公式(2)(3)(4)(5)所示。Kcorr是修訂后單位分解速率,k為基礎分解速率常數,Stsoil是土壤溫度限制因子,Sw土壤水分限制因子,N是土壤有效氮限制因子,tsoil是土壤溫度,p是土壤水勢能,psat是土壤飽和水勢能,CN為惰性土壤有機質的碳氮比。

Kcorr=Stsoil×Sw×N×k

(2)

(3)

(4)

(5)

圖3 城市封閉土壤碳循環模型結構Fig.3 Urban soil sealing carbon cycle model structure

2.3 土壤溫度與水分模擬

城市化中大量建筑以及道路的建設使得自然植被轉變成為了透氣性較差的混凝土和黑色的瀝青表面[24]。土壤質地的變化使得太陽反射,熱容量,蒸發率和地表起伏發生變化,進而造成了城市的地表溫度高于郊區的地表溫度[25- 28]。城市地表溫度的升高,使得城市地下的土壤溫度也隨之升高[26,29]。有研究表明,城市地區的地表土壤溫度總體上高于郊區[30]。本文參考了施斌等[31]對于南京市城區夏季土壤溫度的模擬方法,采取日均溫來估算每天的城市土壤溫度,并構建城市封閉土壤溫度模型。在該模型中,做了以下假設：(1)土壤是均質的,熱流僅在豎直方向傳播；(2)不考慮降雨入滲,并且相應的熱傳導方程為一維。一維瞬態熱傳導方程如下：

(6)

(7)

(8)

式中，T為土壤溫度；t為時間；z為土壤深度；L為下邊界深度,本文中取在恒溫層的頂部,即10m處；Tv為上邊界溫度,即日均溫；TL為下邊界溫度；α為混凝土導溫系數,kh為混凝土熱導率,p為混凝土密度,c為混凝土比熱容,

城市封閉土壤因為覆蓋有大量的非滲透地表,導致降雨極少滲透進入土壤,大量降雨積累在非滲透面上被蒸發。當降雨超過潛在蒸散而不透水層的持水能力飽和以后,多余的水將以表面徑流的形式流失[11]。城區土壤濕度相對于郊區而言,變化波動較小,總體上而言相對穩定[31]。因此,城市封閉土壤碳循環模型中,以城市封閉土壤的平均含水量作為土壤濕度的參數。并根據公式(9)計算土壤水勢能：

(9)

式中，P為土壤水勢能,Psat為土壤飽和水勢能,θsat為土壤飽和體積含水量,θ為土壤體積含水量,b為經驗參數,由土壤理化性質決定。

3 結果與分析

3.1 模擬結果驗證與不確定性分析

本文在南京市的主城區選取了14個封閉土壤的采樣點,獲取了其土壤20 cm處的土樣,測量土壤中的有機碳含量來檢驗模型模擬精度。14個封閉土壤樣點的模型模擬結果為(6.7±0.6) g/kg。實測值為(5.7±2.7) g/kg。精度檢驗結果表明模擬均值與實測結果的均值較為接近,表明模型能較好的表征土壤封閉對有機碳含量變化的影響。但是實測值的σ要大于模擬結果,表明模型對于模擬城市土壤高空間異質性的特征還存在不足。總體而言,模型的模擬結果較為接近實測值,也在一定程度上揭示了南京市封閉土壤有機碳含量空間分布的變異性。

城市封閉土壤有機碳含量數據較稀缺,目前可查到的相關文獻資料較少(表3)。縱觀已有的數據,城市封閉土壤有機碳的含量在4.84—8.81 g/kg之間,均值為7.27 g/kg。盡管已有的相關研究中城市封閉土壤有機碳含量存在一定差異,但是本文模擬和實測的結果與國際上的實測值比較接近,這表明封閉土壤碳循模型能較好的模擬城市土壤封閉后的有機碳時空變化過程。

表3 已有的城市封閉土壤有機碳密度調查結果

本文利用1980s第二次土壤普查數據獲取南京市開放土壤的有機碳含量數據,并將其為模型模擬封閉土壤有機碳分解的初始值。考慮到城市土壤由開放土壤轉變為封閉土壤的過程中存在表土剝離以及客土回填現象,這一假設會造成模型模擬結果存在不確定性。因此,對模型的輸入參數進行敏感度分析,確定每個參數對模擬結果的影響。敏感度分析采用固定其他輸入變量不變,對需要分析的變量增加和減小來計算模型估算結果的變幅來表示。

如表4所示,有機碳初始值變量的模擬結果變幅與變量變幅一致,是模型的直接線性變量。溫度變量對模型模擬結果具有一定的影響,土壤水分與土壤有效氮含量對模擬結果的影響較小。敏感度分析結果表明模型預測結果對有機碳初始值的依賴極強,精確獲取初始值是模型準確預測的基礎。但是,因為城市地區封閉土壤有機碳數據缺乏,所以本文采用開放土壤有機碳作為其初始值進行模型預測。這一假設也是本文模型模擬結果略高于實測結果,并且無法準確表征城市封閉土壤有機碳空間分布的高度變異性的原因。

表4 模型參數敏感性分析

3.2 南京土壤封閉過程

根據1980年、1995年和2010年3個年份南京的遙感影像,通過遙感解譯手段獲取了這段時間南京的封閉土壤面積變化數據。如圖4所示,從1980年到1995年,再到2010年,南京的封閉土壤面積不斷增加。1980年南京市的封閉土壤面積主要集中在南京市轄區,到1995年封閉土壤面積主要在市轄區范圍內擴張,而自1995年至2010年,南京市的封閉土壤面積不僅在南京市轄區中迅速增長,同時也在江寧區中快速增加。1980年南京共有封閉土壤面積265 km2,至1995年,南京封閉土壤面積增至351 km2,比1980年增加約46 km2,增幅為17%。1995年至2010年是南京封閉土壤用地面積增加最顯著的階段,2010年南京共有封閉土壤面積753 km2,比1995年增加402 km2,增幅115%。縱觀南京市1980年至2010年的封閉土壤面積的變化,東南和西北方向是封閉土壤增長的主要方向,而東北與西南方位封閉土壤面積相對增長較小。

圖4 1980—2010年間南京封閉土壤面積變化的遙感影像解譯圖Fig.4 Interpretion of remote sensing for the construction areas in Nanjing between 1980 and 2010

3.3 封閉土壤有機碳含量時空變化

利用城市封閉土壤碳循環模型模擬了南京市1980—2010 年間的土壤有機碳變化過程,得到了南京市1980—2010年間的土壤有機碳含量空間分布圖(圖5)。南京市的土壤有機碳含量隨著封閉土壤面積的增加呈現出減少的趨勢,1980年南京市土壤有機碳平均含量為11.24 g/kg,至2010年降低為11.08 g/kg,下降了1.4%。南京市土壤有機碳含量的空間分布(圖5)與南京市封閉土壤空間分布(圖4)具有一定程度的相關性,即封閉土壤處的土壤有機碳含量較低,開放土壤的有機碳含量較高,土壤有機碳含量隨著封閉土壤面積的擴張而呈現出減少的趨勢。如圖6所示,土壤有機碳含量較低與較高的地區分別是溧水區和高淳區,平均土壤有機碳含量分別為9.8 g/kg與11.9 g/kg。土壤有機碳減少最顯著的地區主要分布在主城區,1980年土壤有機碳含量為12.3 g/kg,至2010年降低為11.4 g/kg,降低了7%,原因是主城區的城市擴張速度快,封閉土壤面積較多。但主城區的平均土壤有機碳含量相對較高,造成這一現象的原因是在城區中存在一定面積的城市綠地如公園、人工草坪等。同時,溧水和高淳區的土壤有機碳含量變化最小,都減少了約0.3%。原因是兩區的城市化速度較慢,封閉土壤面積也較少。

圖5 1980—2010年間南京市土壤有機碳空間分布圖Fig.5 Distributions of soil organic carbon contents in Nanjing city from 1980 to 2010

圖6 1980年與2010年南京市各區平均土壤有機碳含量 Fig.6 Average soil organic carbon content of various regions in Nanjing city from 1980 to 2010

圖7顯示了南京市1980年至2010年間土壤有機碳降低的空間分布特征,由圖可以看出,南京市1980年至1995年土壤有機碳含量降低顯著的地區主要分布在主城區,隨著離主城區距離的增加,土壤有機碳的降低量呈現出遞減的趨勢；而1995年至2010年,南京市主城區周邊的土壤有機碳含量的降低最顯著,表明封閉土壤的擴張加速了土壤有機碳的減少。

圖7 南京市1980—2010土壤有機碳降低量空間分布圖Fig.7 Decrease of soil organic carbon content in Nanjing city from 1980 to 2010

3.4 封閉土壤有機碳庫時空變化

圖8 1980—2010年間南京市土壤有機碳庫變化 Fig.8 Changes of soil organic carbon pool in Nanjing city from 1980 to 2010

由于缺乏封閉土壤有機碳含量數據,以往城市土壤碳庫估算通常利用開放土壤的有機碳代替封閉土壤[34-35],忽視土壤封閉的影響,這會造成高估城市土壤碳庫含量。實際上,在封閉環境的影響下,土壤有機碳庫含量會顯著減少。如圖8所示,假設南京市開放土壤的有機碳含量處于相對平衡狀態,那么南京市0—20 cm土壤自1980年至1995年因為土壤的封閉造成的有機碳損失量為0.14 Tg,年均損失9.3Gg/a；自1995年至2010年損失的有機碳含量為0.18 Tg,年均損失12.0 Gg/a。這說明南京市自1995年后封閉土壤的飛速增長加速了土壤有機碳庫總量的減少。南京市1980年至2010間各地區的有機碳庫也均呈現出減少的趨勢(圖9),其中主城區的有機碳庫的減少量最顯著,自1980年至2010的有機碳損失量為0.2 Tg,而高淳區的減少量最少,自1980年至2010的有機碳損失量為9.0 Gg。1995年至2010年南京市各區有機碳庫的減少量均大于同一地區在1980年至1995年間的減少量。這表明南京市各地區的土壤有機碳庫的變化存在一定差異,碳庫變化較大的地區分布在封閉土壤面積較多的地區。

圖9 1980—2010南京市各區土壤有機碳庫Fig.9 Soil organic carbon pool of various regions in Nanjing city from 1980 to 2010

4 結論

本文借鑒生態系統碳循環的模型,并充分考慮封閉環境下土壤溫度、水分等影響因素,構建了城市封閉土壤碳循環模型。應用此模型模擬了南京市1980年至2010年封閉土壤的碳循環過程。模擬結果表明,南京市2010年平均土壤有機碳含量為11.08 g/kg,比1980年降低了1.4%。其中,封閉土壤的有機碳含量明顯減少,2010年封閉土壤有機碳含量的均值為6.7g/kg,比開放土壤低54.7%。土壤有機碳含量降低的區域主要位于南京市1980至2010年封閉土壤增加的區域。南京市主城區的土壤有機碳含量降低最顯著,降低了約7%,而減少量最小的地區是溧水區和高淳區,均降低了0.3%左右。其中,1980年至1995年南京市主城區的有機碳含量降低幅度較為明顯,1995年至2010年則是主城區周邊的區域降低幅度較明顯,這是因為南京市1980年至1995年南京市主城區的封閉土壤增加顯著,而1995年至2010年南京市的封閉土壤增加主要集中在主城區以及周邊的江寧區等地區。在不考慮開放地區土壤有機碳變化的前提下,南京市1980至2010年間土壤有機碳共減少了0.32 Tg,年均損失11.4Gg/a,其中主城區的土壤碳庫變化最顯著,共減少了0.2 Tg,高淳區的土壤碳庫變化最小,減少了9.0 Gg。表明土壤在封閉狀態下依然存在著有機碳的分解,并且由于封閉土壤阻礙了土壤有機碳的來源,造成封閉土壤有機碳含量持續減少,對城市土壤有機碳庫的總量造成顯著影響。城市土壤封閉引起有機碳庫降低的問題應引起足夠的重視。

封閉土壤碳循環模型模擬的土壤有機碳含量為(6.7±0.6)g/kg,略高于實地采樣的結果(5.7±2.7)g/kg。模擬結果的σ為0.6,而實測結果的σ為2.7,表明實際的封閉土壤有機碳的空間分布具有很大的空間變異。同時與國內外封閉土壤有機碳含量實驗測試數據比較,結果較為接近。表明封閉土壤碳循環模型能較好的模擬城市土壤封閉后的有機碳時空變化過程。

封閉土壤作為城市土壤重要的組成部分,其中碳循環過程在整個生態系統的碳循環體系中具有重要的地位。本研究主要關注城市地區封閉土壤以及由開放土壤轉變為封閉土壤后的有機碳循環過程,下一步將開放地區的有機碳循環過程納入其中,綜合模擬城市化過程對碳生物地球化學過程的影響,為城市系統生態建設提供決策參考。

[1] United Nations. World Urbanization Prospects: The 2009 Revision. New York: Population Division of the Department of Economic and Social Affairs of the United Nations Secretariat, 2010.

[2] Schneider A, Friedl M A, Potere D. A new map of global urban extent from MODIS satellite data. Environmental Research Letters, 2009, 4(4): 044003.

[3] Kaye J P, Groffman P M, Grimm N B, Baker L A, Pouyat R V. A distinct urban biogeochemistry?. Trends in Ecology & Evolution, 2006, 21(4): 192- 199.

[4] Raciti S M, Hutyra L R, Finzi A C. Depleted soil carbon and nitrogen pools beneath impervious surfaces. Environmental Pollution, 2012, 164: 248- 251.

[5] Wei Z Q, Wu S H, Zhou S L, Lin C. Installation of impervious surface in urban areas affects microbial biomass, activity (potential C mineralisation), and functional diversity of the fine earth. Soil Research, 2013, 51(1): 59- 67.

[6] Scalenghe R, Malucelli F, Ungaro F, Perazzone L, Filippi N, Edwards A C. Influence of 150 years of land use on anthropogenic and natural carbon stocks in Emilia-Romagna region (Italy). Environmental Science & Technology, 2011, 45(12): 5112- 5117.

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

[8] Su Z Y, Xiong Y M, Zhu J Y, Ye Y C, Ye M. Soil organic carbon content and distribution in a small landscape of Dongguan, South China. Pedosphere, 2006, 16(1): 10- 17.

[9] 錢杰. 大都市碳源碳匯研究——以上海市為例[D]. 上海: 華東師范大學, 2004.

[10] Schneider A, Logan K E, Kucharik C J. Impacts of urbanization on ecosystem goods and services in the U.S. Corn Belt. Ecosystems, 2012, 15(4): 519- 541.

[11] Tian H Q, Liu M L, Zhang C, Ren W, Xu X F, Chen G S, Lu C Q, Tao B. The dynamic land ecosystem model (DLEM) for simulating terrestrial processes and interactions in the context of multifactor global change. Acta Geographica Sinica, 2010, 65(9): 1027- 1047.

[12] Koerner B A, Klopatek J M. Carbon fluxes and nitrogen availability along an urban-rural gradient in a desert landscape. Urban Ecosystems, 2010, 13(1): 1- 21.

[13] Huh K Y, Deurer M, Sivakumaran S, McAuliffe K, Bolan N S. Carbon sequestration in urban landscapes: the example of a turfgrass system in New Zealand. Soil Research, 2008, 46(7): 610- 616.

[14] Kaye J P, McCulley R L, Burke I C. Carbon fluxes, nitrogen cycling, and soil microbial communities in adjacent urban, native and agricultural ecosystems. Global Change Biology, 2005, 11(4): 575- 587.

[15] Green D M, Oleksyszyn M. Enzyme activities and carbon dioxide flux in a Sonoran Desert urban ecosystem. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(6): 2002- 2008.

[16] 李熙波, 楊玉盛, 曾宏達, 謝錦升, 陳光水, 朱寧,馬書國. 亞熱帶溝葉結縷草草坪土壤呼吸. 生態學報, 2011, 31(8): 2096- 2105.

[17] 羅上華, 毛齊正, 馬克明, 鄔建國. 北京城市綠地表層土壤碳氮分布特征. 生態學報, 2014, 34(20): 6011- 6019.

[18] Grossman R B, Reinsch T G. 2.1 bulk density and linear extensibility//Dane J H, Topp G C, eds. Methods of Soil Analysis: Part 4 Physical Methods. Soil Science Society of America Book Series. Madison, WI: Soil Science Society of America, 2002: 201- 228.

[19] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京: 中國農業科技出版社, 2000.

[20] Vargas R, Baldocchi D D, Allen M F, Bahn M, Black T A, Collins S L, Yuste J C, Hirano T, Jassal R S, Pumpanen J, Tang J W. Looking deeper into the soil: biophysical controls and seasonal lags of soil CO2production and efflux. Ecological Applications, 2010, 20(6): 1569- 1582.

[21] Wu Z T, Dijkstra P, Koch G W, Peuelas J, Hungate B A. Responses of terrestrial ecosystems to temperature and precipitation change: a meta-analysis of experimental manipulation. Global Change Biology, 2011, 17(2): 927- 942.

[22] Lloyd J, Taylor J A. On the temperature dependence of soil respiration. Functional Ecology, 1994, 8(3): 315- 323.

[23] 吳玉蓮, 王襄平, 李巧燕, 孫閻. 長白山闊葉紅松林凈初級生產力對氣候變化的響應: 基于BIOME-BGC模型的分析. 北京大學學報: 自然科學版, 2014, 50(3): 577- 586.

[24] Akbari H, Pomerantz M, Taha H. Cool surfaces and shade trees to reduce energy use and improve air quality in urban areas. Solar Energy, 2001, 70(3): 295- 310.

[25] Golden J S, Kaloush K E. Mesoscale and microscale evaluation of surface pavement impacts on the urban heat island effects. International Journal of Pavement Engineering, 2006, 7(1): 37- 52.

[26] Huang L M, Li J L, Zhao D H, Zhu J Y. A fieldwork study on the diurnal changes of urban microclimate in four types of ground cover and urban heat island of Nanjing, China. Building and Environment, 2008, 43(1): 7- 17.

[27] Jenerette G D, Harlan S L, Brazel A, Jones N, Larsen L, Stefanov W L. Regional relationships between surface temperature, vegetation, and human settlement in a rapidly urbanizing ecosystem. Landscape Ecology, 2007, 22(3): 353- 365.

[28] Voogt J A, Oke T R. Thermal remote sensing of urban climates. Remote Sensing of Environment, 2003, 86(3): 370- 384.

[29] Liu C, Shi B, Tang C S, Gao L. A numerical and field investigation of underground temperatures under Urban Heat Island. Building and Environment, 2011, 46(5): 1205- 1210.

[30] Huang J L, Wang R S, Shi Y. Urban climate change: a comprehensive ecological analysis of the thermo-effects of major Chinese cities. Ecological Complexity, 2010, 7(2): 188- 197.

[31] Shi B, Tang C S, Gao L, Liu C, Wang B J. Observation and analysis of the urban heat island effect on soil in Nanjing, China. Environmental Earth Sciences, 2012, 67(1): 215- 229.

[32] Short J R, Fanning D S, Foss J E, Patterson J C. Soils of the mall in washington, DC: II. Genesis, classification, and mapping. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(3): 705- 710.

[33] Edmondson J L, Davies Z G, McHugh N, Gaston K J, Leake J R. Organic carbon hidden in urban ecosystems. Scientific Reports, 2012, 2: 963.

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

[35] Pouyat R, Groffman P, Yesilonis I, Hernandez L. Soil carbon pools and fluxes in urban ecosystems. Environmental Pollution, 2002, 116(S1): S107-S118.

Simulating effects of urban soil sealing on the soil organic carbon pool

CHEN Hao, WU Shaohua*,CHEN Dongxiang, ZHOU Shenglu, LI Baojie, SHI Yaxing

SchoolofGeographicandOceanographicScience,NanjingUniversity,Nanjing240046,China

Study of the environmental effects of urbanization is important in terms of surface processes. The direct and potential effects of urbanization on the environment have become increasingly visible. With rapid global urbanization, studies involving the urban ecosystem have become more and more important. Urban soil, which is an important component of the urban ecosystem, is seriously affected by human activities. The impacts of human activities on urban soils, such as sealing, compaction, degradation, land filling, and mixing, are usually stronger than those on soils in non-urban environments. Soil sealing, defined here as land covered by impervious surfaces, such as housing, roads, or other pavements, is one of the main characteristics of urbanization and an indicator of changes in urban land cover. The exchange of material and energy between soil and other environmental compartments is reduced by artificial soil sealing in urban areas and this has a negative impact on soil functions. Soil organic carbon is an important indicator of soil function and quality, and is the most important carbon pool in terrestrial ecosystems. Therefore, studies on soil organic carbon transformations in urban soils could be used to evaluate the effects of urban soils on the wider environment. The resulting impacts on soil organic carbon stocks in urban areas, however, remain poorly characterized, especially for soils under impervious surfaces.In this paper, we established a soil sealing carbon cycle model to consider the factors that could affect the decomposition rate of soil organic carbon, such as the soil temperature, soil moisture, and other soil properties. The carbon flows between urban soil organic carbon pools could be accurately simulated using the model. We applied the model to simulate the decomposition process of soil organic carbon content in urban areas of Nanjing, which has recently experienced rapid urbanization, to reveal the impact of artificial soil sealing (including road pavements, residential areas, and squares) on soil organic carbon content from 1980 to 2010. By comparing soil organic carbon content between the sealed and open soils, we considered the impact of artificial soil sealing in urban areas on soil organic carbon. The results of the simulation can contributed to the study of the urban ecological environment during the process of urbanization and urban ecological construction. The major results are summarized as follows: (1) Soil sealing decreased soil organic carbon content significantly. The soil organic carbon content of the sealed urban soil was 6.7 g/kg in 2010 and was lower than the open soil by 54.7%. (2) Soils with low organic carbon content were mainly distributed in the rapidly urbanizing areas. (3) Previous research has estimated urban soil organic carbon storage by testing soils in open areas, because of the lack of organic carbon data from sealed soils. This has led to the overestimation of the urban soil carbon inventory. However, in a closed environment, the storage of the soil organic carbon pool would be significantly reduced. Through our model simulation, we found that the soil organic carbon pool was reduced by approximately 3.2 × 105t because of soil sealing in Nanjing from 1980 to 2010. The results of the simulation will contribute to the study of the urban ecological environment during the process of urbanization and urban ecological construction.

urbanization; urban soil; soil sealing; soil organic carbon; spatial analysis

國家自然科學基金項目(41001047)

2015- 12- 22; 網絡出版日期:2016- 10- 19

10.5846/stxb201512222551

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wsh@nju.edu.cn

陳浩,吳紹華,陳東湘，周生路,李保杰,施亞星.城市土壤封閉對有機碳庫影響的時空變化模擬.生態學報,2017,37(8):2600- 2610.

Chen H, Wu S H, Chen D X, Zhou S L, Li B J, Shi Y X.Simulating effects of urban soil sealing on the soil organic carbon pool.Acta Ecologica Sinica,2017,37(8):2600- 2610.