北京市公園土壤黑碳含量特征及來源分析

鞏文雯，于曉東，韓平，王紀華，李櫻

1. 北京農業質量標準與檢測技術研究中心，北京 100097；2. 清華大學環境學院，北京 100084；3. 唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299；4. 環境保護部環境保護對外合作中心，北京 100035

北京市公園土壤黑碳含量特征及來源分析

鞏文雯1,2，于曉東3，韓平1*，王紀華1，李櫻4*

1. 北京農業質量標準與檢測技術研究中心，北京 100097；2. 清華大學環境學院，北京 100084；3. 唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299；4. 環境保護部環境保護對外合作中心，北京 100035

通過對北京市五環內44個典型公園的表層土壤進行取樣調查，測定了土壤有機碳（OC）和黑碳（BC）的質量分數，研究了土壤BC的分布特征，并分析了土壤OC和BC之間的相關關系及BC的可能來源。結果表明，北京市公園表層土壤OC質量分數范圍為1.76～19.61 g·kg-1，平均值9.08 g·kg-1；BC質量分數相對較低，變化范圍為0.46～6.25 g·kg-1，平均值2.16 g·kg-1。土壤OC和BC之間存在極顯著正相關關系（r=0.788，P＜0.01），表明BC組分對土壤固碳和有機質累積具有重要作用，BC對北京市公園土壤有機質含量增高的貢獻不可忽略。北京市五環內公園土壤的 w(BC)/w(OC)均值為 0.23，反映了BC主要來源為生物質和化石燃料燃燒共同作用的結果。總體上，四環和五環附近公園土壤的w(BC)/w(OC)值（0.23和0.19）略低于三環和二環以內的公園土壤（0.26），但Kruskal-Wallis非參檢驗結果顯示，除了三環和五環公園外，其他不同環線附近公園土壤的w(BC)/w(OC)值并無顯著性差異，總體較為接近，表明城市公園土壤的BC來源呈現類似的特征。該研究有助于更好地了解北京城市化過程中人類活動對公園土壤中BC的影響，為區域乃至全球土壤有機碳庫及碳循環研究提供數據補充。

公園土壤；有機碳；黑碳；含量；來源

黑碳（BC）是化石燃料和生物質不完全燃燒的產物，具有一定的生物化學惰性和熱穩定性，廣泛存在于大氣、水體、土壤、沉積物和冰川等各種環境介質中，在全球生物地球化學循環中起到重要作用（Goldberg，1985；Kuhlbusch，1998；Masiello et al.，1998）。BC來源豐富且屬于陸相來源，一部分 BC經過風力搬運進入大氣，并通過雨水沉降、地表徑流等作用進入到沉積物體系中，但大部分BC會直接進入土壤體系（Glaser et al.，2000；Song et al.，2002）。據估算，全球每年BC排放50～270 Tg，其中80%以上保存在陸地土壤中（Kuhlbusch et al.，1995）。在高度發展的城市中，BC的來源較為豐富，化石燃料和生活垃圾的燃燒都相對比較集中，并產生了規模可觀的黑碳類物質（王曦等，2016）。城市土壤被認為是重要的碳庫，BC在城市土壤有機碳（OC）中占有較大的比重（Liu et al.，2001；Hamilton et al.，2013）。高度的城市化發展，高密度的人類活動，使城市土壤中BC含量也日益增多（羅上華，2014），直接影響到城市土壤物理化學性質、土壤肥力、有機污染物組成等，進而對它們的生態環境效益產生重要的影響。

公園是重要的城市休閑娛樂場所，與人們日常生活聯系緊密。北京市綠化覆蓋率超過48%，其中公園綠地面積約183.86 km2，人均公園綠地面積16 m2。城市公園綠地是城市綠地系統中面積相對最大的組成部分，隨著城市化進程的推進和城市用地面積的擴大，其在全球碳循環中的作用也越來越重要。本研究以北京市五環內公園土壤為研究對象，通過測定表層土壤中BC和OC的含量，并分析土壤中BC的分布及來源，了解北京城市化過程中人類活動對公園土壤中BC的影響，為城市土壤有機碳庫的研究提供數據支持，同時也為被污染土壤的修復過程提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

選取北京市五環內 44個代表性公園為研究對象，每個采樣點按照隨機多點混合的方式，隨機選取5個點采集表層0～10 cm的土樣進行混合。采樣點分布分別如圖1所示。二環內采樣點分別為：S21官園公園、S22南館公園、S23中山公園、S24景山公園；三環附近采樣點分別為：S12紫竹院公園、S13元大都遺址、S14人定湖公園、S15地壇公園、S20玉淵潭公園、S25日壇公園、S26團結湖公園、S31蓮花池公園、S32萬泉公園、S33陶然亭公園、S34方莊體育公園、S35龍潭公園、S39萬芳亭公園；四環附近采樣點分別為：S6四季青公園、S7雙榆樹公園、S8馬甸公園、S9太陽宮公園、S11楓林公園、S16北京悠客公園、S18陽光星期八公園、S19玲瓏公園、S27紅領巾公園、S30萬豐公園、S36窯洼湖公園、S38豐臺花園、S41海子公園、S42石榴莊公園；五環附近采樣點分別為：S1玉東公園、S2東升八家公園、S3如苑公園、S4望京公園、S5黑塔公園、S10將府公園、S17姚家園公園、S28興隆公園、S29小屯公園、S37古塔公園、S40御康公園、S43宣頤公園、S44海棠公園。

1.2 樣品分析方法

將土壤樣品風干，除去石塊、草根等雜物后，采用四分法留取一部分土樣并研磨，依次過10目、60目和100目的分樣篩，標記后備用。

采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定土壤中 OC的含量（文啟孝，1984），具體步驟為：向定量樣品中加入Ag2SO4，再緩慢滴加K2Cr2O7-H2SO4溶液，于185～190 ℃甘油浴中加熱5 min，冷卻后稀釋，以鄰菲羅啉為指示劑，用FeSO4標準溶液滴定至終點，在800 ℃下用馬弗爐灼燒樣品進行全過程空白試驗，通過計算求出OC質量分數。

采用化學氧化法提取土壤中的BC樣品（Lim et al.，1996；Song et al.，2002），基本步驟如下：（1）稱取約3 g過100目的自然風干樣品；（2）加入15 mL 3 mol·L-1鹽酸反應24 h，以除去樣品中的碳酸鹽；（3）加入 15 mL 15 mol·L-1的氫氟酸和 1 mol·L-1的鹽酸反應24 h，以除去硅酸鹽包裹的碳酸鹽；（4）加入15 mL 10 mol·L-1的鹽酸反應24 h，以除去副產物 CaF2；（5）加入 15 mL 0.1 mol·L-1重鉻酸鉀和2 mol·L-1硫酸混合物，在(55±1) ℃下反應 60 h，以除去有機碳；（6）將剩余樣品離心并烘干即為所提取的土壤和沉積物中的BC樣品；（7）利用元素分析儀測定BC質量分數。

1.3 數據處理和分析

采用SPSS v 20.0軟件中的Pearson相關性分析和 MsExcel?軟件對數據進行相關性分析；采樣SPSS v 20.0軟件中的Kruskal-Wallis非參檢驗方法進行顯著性差異分析；采樣 Origin software 9.0（OriginLab）進行統計圖的繪制。

2 結果與討論

2．1 北京公園土壤BC質量分數及分布特征

圖1 采樣點分布圖Fig. 1 Location of sampling sites

北京市五環內公園土壤的OC和BC質量分數的統計結果見表1。從表1可知，二環及以內公園土壤 OC 質量分數為 5.70 g·kg-1（2.42～8.78 g·kg-1），BC 質量分數為 1.44 g·kg-1（0.76～2.51 g·kg-1）；三環附近公園土壤 OC質量分數為 11.42 g·kg-1（1.91～18.94 g·kg-1），BC 為 3.09 g·kg-1（0.49～6.25 g·kg-1）；四環附近公園土壤 OC質量分數為 10.41 g·kg-1（2.06～15.16 g·kg-1），BC 為 3.09 g·kg-1（0.49～ 6.25 g·kg-1）；五環附近公園土壤 OC 質量分數為 8.77 g·kg-1（ 1.76～19.61 g·kg-1），BC 為 1.64 g·kg-1（0.46～5.41 g·kg-1）。總體上，三環及四環附近公園土壤的OC和BC質量分數較高，而二環以內和五環附近公園土壤的OC和BC質量分數相對較低。北京市公園表層土壤 OC平均質量分數為 9.80 g·kg-1，最低值為 1.76 g·kg-1（S44，海棠公園），最高值為19.61 g·kg-1（S10將府公園）。就BC而言，其質量分數變化范圍為0.18 g·kg-1（S40，御康公園）～6.25 g·kg-1（S31，蓮花池公園），平均值為 2.16 g·kg-1。由于BC的化學性質穩定，可以在土壤中常年累積，個別樣點BC質量分數較高，說明該區域土壤BC累積程度較為嚴重，有可能是累積歷史較長，也可能是BC輸入量較大造成。

表1 北京市五環內公園土壤有機碳（OC）和黑碳（BC）質量分數統計特征Table 1 Statistical characteristic of organic carbon (OC) and black carbon (BC) mass fraction in Beijing urban park soils

圖2所示為按北京環線分組的公園土壤BC的分布特征。二環以內的4個采樣點土壤OC和BC質量分數均較低；三環附近的 13個采樣點中，除S15地壇公園和S33陶然亭公園外，其他公園土壤OC和BC質量分數均較高，尤其是S31蓮花池公園；四環附近的14個采樣點中，除S7四季青公園、S27紅領巾公園和 S41海子公園等各別樣點的土壤BC含量較低外，整體上土壤OC和BC值均較高；而五環附近的13個采樣點中，除了S4望京公園和S10將府公園的土壤BC含量較高外，整體土壤OC和BC值均較低。

圖2 北京市五環內公園土壤有機碳和黑碳的分布特征Fig. 2 Distribution of OC and BC contents in Beijing urban park soils

根據BC在土壤中的含量范圍，將土壤BC含量水平進行分級，分別為：一級（＜1 g·kg-1）、二級（1～5 g·kg-1）、三級（5～10 g·kg-1）和四級（＞10 g·kg-1）（何躍等，2007）。土壤BC含量樣品數頻率分布統計結果表明（圖3），北京市公園土壤BC含量頻率分布表現為一級和二級的樣本最高，分別有 13和28個樣本，占總樣本的30%和64%。

圖3 北京市五環內公園土壤黑碳含量樣品數頻率分布特征Fig. 3 Frequency of BC content in Beijing urban park soils

本研究選取了其他城市公園土壤BC質量分數及w(BC)/w(OC)值進行比較。從表2可知，本研究中北京市公園土壤BC質量分數與上海市（徐福銀等，2014）、南京市（何躍等，2006；王曦等，2016）相當，但明顯低于英國格拉斯哥等城市（Rawlins et al.，2008；Edmondson et al.，2015）以及德國斯圖加特市（Lorenz et al.，2006）等重工業城市。

2.2 北京公園土壤OC與BC相關性分析

研究表明，城市土壤中BC的存在及含量會影響土壤有機質的組成特征（Lorenz et al.，2005）。圖4所示為北京公園土壤的OC和BC的關系圖，由圖可知，北京公園土壤的OC含量隨著BC含量的升高而升高，土壤OC和BC含量之間存在極顯著線性相關關系（r=0.788，P＜0.01）。本研究結果與前人的研究一致（Glaser et al.，2003；徐福銀等，2014；朱哲等，2016；占長林等，2017）。也有研究認為，土壤OC含量與BC含量的對數值之間具有線性關系（何躍等，2006；何躍等，2007；He et al.，2009），這可能與研究區域不同輸入來源或不同土地利用方式等有關。例如，何躍等（2006）對不同功能區土壤OC和BC含量相關關系進行分析，得到路邊綠化帶、公園、學校、居民區土壤中 OC和BC含量分別存在線性相關關系，但郊區菜地土壤OC和BC含量之間無顯著相關關系，最終將所有城市土壤同時進行擬合，結果顯示OC含量與BC含量的對數值之間具有線性關系。總體而言，北京市公園土壤的OC和BC含量之間良好的正相關性，表明城市土壤有機質構成中 BC成分占據重要地位，BC對北京市公園土壤有機質含量增高的貢獻不可忽略。

圖4 北京市五環內公園土壤黑碳和有機碳的相關性Fig. 4 Correlation of OC and BC contents in Beijing urban park soils n=44

2.3 北京公園土壤BC來源分析

由于BC具有一定的生物和化學惰性，可以長時間存留在土壤和沉積物體系中。一方面BC能夠使土壤和沉積物中的有機質呈富集趨勢，另一方面也具有一定的環境指示意義。常見的BC來源辨析方法有黑碳形態特征分析（Sümegi et al.，2001；Scott，2010）、碳同位素分析（Lehndorff et al.，2015）、w(BC)/w(OC)比值（Gatari et al.，2003；Wang et al.，2014；何躍等，2007；徐福銀等，2014）和焦炭/煙炱比值（Zhan et al.，2015；占長林等，2016，2017）等。研究發現，w(BC)/w(OC)值與人為活動過程緊密相關，其大小不僅在一定程度上反映了土壤和沉積物體系的污染程度，同時也可以反映BC的來源情況（Muri et al.，2002；Viidanoja et al.，2002；Gatari et al.，2003）。通常認為，當 w(BC)/w(OC)值為(0.11±0.03)時，表明 BC主要來源于生物質燃燒；w(BC)/w(OC)值在0.5左右時，則表明BC主要來源于化石燃料的燃燒（Muri et al.，2002；Gatari et al.，2003）。

表2 本研究與其他城市公園土壤BC質量分數及w(BC)/w(OC)值的比較Table 2 Comparison of BC mass fraction and w(BC)/w(OC) ratios in studied soils and in soils of other cities

本研究采用 w(BC)/w(OC)比值對公園土壤 BC的可能來源進行分析。結果表明，北京市五環內公園土壤的w(BC)/w(OC)均值為0.23，反映了BC的主要來源為生物質和化石燃料燃燒共同作用的結果。通過分析各個樣點的w(BC)/w(OC)值發現，樣點S37（古塔公園）的w(BC)/w(OC)值最低，為0.04，而樣點S27（紅領巾公園）的w(BC)/w(OC)值最高，達到了0.34。通過對兩地的實地考察，發現地處東四環繁華地帶的紅領巾公園附近的機動車量明顯比靠近東五環偏僻地帶的古塔公園高，人為干擾的影響也更大更復雜。總體上，四環和五環附近公園土壤的w(BC)/w(OC)值（0.23和0.19）略低于三環和二環以內的公園土壤（0.26）。然而，Kruskal-Wallis非參檢驗結果顯示，除了三環和五環附近公園土壤w(BC)/w(OC)值具有顯著性差異（P＜0.05）外，其他不同環線附近公園土壤的w(BC)/w(OC)值并無顯著性差異，總體較為接近。

將本研究結果與其他城市公園土壤w(BC)/w(OC)結果進行比較（表2），發現本研究中北京市公園土壤的 w(BC)/w(OC)值（0.23）與上海市（0.19）（徐福銀等，2014）、南京市（0.26）（何躍等，2006）、英國格拉斯哥等城市（0.23）以及東北部等城市（0.28～0.39）（Rawlins et al.，2008；Edmondson et al.，2015）的值較為接近，反映了在相似的管理措施等人為干擾作用下，城市公園土壤的BC來源呈現類似的特征。值得注意的是，同樣對南京市公園土壤進行研究，王曦等（2016）得到的土壤w(BC)/w(OC)值（0.41）高于何躍等（2006）的結果（0.26）。這可能是由于BC測量方法或取樣位點的差異，也有可能是 10年間工業排放、汽車尾氣及燃料燃燒等人為活動對土壤中BC含量產生了顯著的影響。例如，有研究報道杭州市綠地土壤的BC含量隨著綠地年齡的增加而呈現增加的趨勢（Liu et al.，2010）。因此，在比較各地土壤BC含量和來源或在此基礎上估算其固碳能力時，需要將不同研究的取樣方法、BC測量方法及研究時間等影響因素考慮在內。

3 結論

本研究對北京市五環內 44個典型公園表層土壤BC和OC的含量進行了測定，并分析了土壤OC和BC之間的相關關系及BC的可能來源。總體而言，北京市公園表層土壤的BC含量與上海市和南京市公園土壤BC含量相當；不同環線附近公園土壤的w(BC)/w(OC)值總體較為接近，與其他城市公園土壤w(BC)/w(OC)值也非常接近，反映了在相似的管理措施等人為干擾作用下，城市公園土壤的BC來源呈現類似的特征。目前針對公園土壤有機碳庫的相關研究仍然較少，國內僅集中在北京、上海、南京等大城市及周邊。同時，由于地理位置及氣候條件差異較大，土壤采樣深度及測定方法、時間尺度和空間尺度不統一等問題，導致相關研究結果的比較存在一定的困難。因此，亟需更系統地開展城市公園土壤BC含量及分布特征研究，分析不同因素對其分布特征的影響，并通過定量化指標來指示公園土壤受人類活動的影響程度。

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Concentrationand Potential Sources of Black Carbon in Soils in Beijing Urban Parks

GONG Wenwen1,2, YU Xiaodong3, HAN Ping1*, WANG Jihua1, LI Ying4*
1. Beijing Research Center for Agriculture Standards and Testing, Beijing 100097, China; 2. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084,China; 3. Tangshan Polytechnic College, Tangshan 063299, China;4. Foreign Economic Cooperation Office, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100035, China

The mass fraction and distribution characteristics of organic carbon (OC) and black carbon (BC) of surface soils taken from 44 typical parks in Beijing urban parks were studied, and the relationship between OC and BC was investigated to get insights into the potential sources of BC. The results showed that the mass fraction of OC was from 1.76 to 19.61 g·kg-1with the average mass fraction of 9.08 g·kg-1; and the mass fraction of BC was relatively lower, ranged from 0.46 to 6.25 g·kg-1, and the average mass fraction of BC was 2.16 g·kg-1. The significant correlation between OC and BC (r=0.788, P＜0.01) indicated that the contribution of BC to the increase of organic matters of soil in Beijing urban parks was very important. In addition, the average ratio of w(BC)/w(OC) of all soil samples was 0.23, and the ratios of w(BC)/w(OC) of different urban park soils were close, which were 0.26,0.26, 0.23 and 0.19, respectively. Generally, the w(BC)/w(OC) ratios of soil from parks in the 4thand 5thring roads were slightly lower than that from parks in the 3rdand 2ndring roads. However, the results of Kruskal-Wallis tests showed that no significant difference was found among the w(BC)/w(OC) ratios of soils from urban parks in different ring roads, except parks in the 3rdand 5thring roads, indicating that the BC sources of different urban park soils seems to be similar. This study provided insights into the effect of human activities on the BC content of park soils during the process of urbanization, and could provide an data supplement for the reaearch on regional and even global soil OC pool and carbon cycle.

park soils; organic carbon; black carbon; concentration; sources

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.021

S153.6+1; X144

A

1674-5906（2017）10-1795-06

鞏文雯, 于曉東, 韓平, 王紀華, 李櫻. 2017. 北京市公園土壤黑碳含量特征及來源分析[J]. 生態環境學報, 26(10):1795-1800.

GONG Wenwen, YU Xiaodong, HAN Ping, WANG Jihua, LI Ying. 2017. Concentrationand potential sources of black carbon in soils in Beijing urban parks [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1795-1800.

國家自然科學基金項目（212647002）；中國博士后科學基金項目（2016M600099）

鞏文雯（1987年生），女，博士，研究方向為有機污染化學。E-mail: gongww@brcast.org.cn

*通信作者，韓平，hanping1016@163.com；李櫻，li.ying@mepfeco.org.cn

2017-08-14