城市土壤無機碳空間分布特征及其與城市化歷史的關系*

趙 涵 吳紹華? 徐曉曄 周生路 李嘯天

（1 南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023）

（2 國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室，南京 210017）

城市土壤無機碳空間分布特征及其與城市化歷史的關系*

趙 涵1，2吳紹華1，2?徐曉曄1周生路1李嘯天1

（1 南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023）

（2 國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室，南京 210017）

城市化過程深刻影響了土壤的碳循環過程。利用城市土壤空間精細化采樣，結合1900年—2010年南京城市化歷史重建，分析城市土壤無機碳空間分布與城市化過程的時空關系，評估城市土壤無機碳的固碳潛力。研究表明，城市土壤無機碳密度與城市化歷史具有良好的對應關系，歷史老城區的無機碳庫儲量遠高于快速城市化的新城區，揭示城市土壤無機碳具有良好的固碳潛力。隨著城市化歷史的增加，無機碳密度平均值表現出線性增長，研究區的城市土壤表層無機碳庫為2.94Tg，其未來仍擁有的固碳潛力為1.45Tg。本研究可為闡明城市系統碳循環的機制、開展城市土壤無機碳固碳技術研究提供理論依據。

全球變化；碳循環；城市化；固碳潛力；無機碳

近百年來，城市快速擴張。與此同時城市化也帶來了全球變暖、自然災害頻發、生態系統破壞等一系列環境問題［1-2］，其中城市化對土地利用方式的劇烈改變造成了土壤碳庫的巨大虧減［3-4］，從而嚴重影響了全球的碳循環過程［5］，大氣中CO2濃度的不斷升高，溫室效應變得更加嚴重［6-7］。但城市化過程中殘留在土壤中的堿性建筑廢料使得城市土壤擁有巨大的碳匯潛力［8］。Pouyat等［8］研究了城市土壤碳庫的變化，表明城市化導致的土地利用方式的變化以及由此產生的建筑廢料在土壤中的殘留，會增強土壤的碳匯潛力，使城市土壤的無機碳含量不斷升高。Renforth等［9］通過土壤無機碳C、O穩定同位素的研究明確了土壤固碳生成次生無機鹽的過程，探明了土壤固碳潛力。對城市土壤碳庫的研究成為了新的熱點，探明城市土壤碳庫儲量及空間分異特征，構建城市化過程及其與無機碳庫的關系，從而進一步評測其碳匯潛力，對城市化的碳循環效應的研究有著重要的意義。

目前關于土壤碳庫的研究多集中于有機碳庫［10-11］，對無機碳庫的固碳潛力及穩定性知之甚少，甚至將土壤無機碳庫定義為“死庫”［12-13］，相關研究也只是簡單地探明了碳庫儲量。許乃政等［14］以長江三角洲為研究區域，通過對地球化學調查結果的進一步分析研究，得到了不同深度的土壤無機碳庫的儲量。楊黎芳和李貴桐［15］總結出全球無機碳庫的研究要遠遠落后于有機碳庫的研究，且研究多針對土壤無機碳的儲量、分布及其影響因素，對于土壤無機碳庫的碳源、碳匯研究較少。同時，城市化本身難以量化，對城市化歷史的重建具有較大的不確定性。目前對城市擴張的研究主要是利用遙感影像，以1980年衛星影像為主，而百年以上時間尺度的研究很少［16-23］。這成為城市化過程無機碳循環的時間尺度研究的重要制約因素。

因此，為了分析城市土壤無機碳空間分布與城市化過程的關系，評估城市土壤無機碳的固碳潛力。本研究利用城市土壤空間精細化采樣，重建近百年來南京城市化的歷史，建立城市化歷史與無機碳固碳潛力方程，評估固碳潛力。以期為完善城市系統碳循環的研究、重視城市土壤的生態意義、緩解全球溫室效應提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

南京市是江蘇省的省會，位于江蘇省的西南部，與安徽相鄰，處在31°14′～32°37′N，118°22′～119°14′E之間，全市行政區域總面積為6587 km2。本次研究的主要區域為南京市主城區，含玄武區、秦淮區、建鄴區、鼓樓區、雨花臺區、棲霞區和江寧區。

南京的地貌特征屬于寧鎮揚丘陵地帶，多為低山緩崗，崗地占到土地總面積的53%，低山和丘陵分別占土地面積的3.5%和4.3%，其余39.2%為河流湖泊、洼地及平原。南京屬于北亞熱帶季風濕潤氣候區，氣候較為溫和，四季分明，冬冷夏熱，雨水充沛。常年平均降雨117 d，平均降雨量1 106 mm，相對濕度76%，無霜期237 d，年平均氣溫16 ℃。南京地區的土壤以地帶性黃棕壤為主，分布在北部及中部的廣大地區，另有小面積的紅壤分布在南部與安徽省的接壤處，土壤特性以黏壤土為主，城市地區的土壤pH較高，偏堿性。

1.2 樣品采集與分析

2014年6月進行野外采樣，采樣密度約為1個樣5 km-2，共采集141個土壤樣品。采樣過程中使用便攜式GPS對采樣點進行定位，樣點分布如圖1。采樣點覆蓋研究區域并略有延伸，其中雨花臺區與江寧區采樣點分布密度相對稀疏。采樣時先將表層的枯枝落葉去除干凈，而后用不銹鋼的土樣采集器采集0～20 cm表層土壤。土壤樣品于室內自然風干，剔除大于2 mm的植物根莖、石子等雜物。待土樣完全風干，將樣品在研缽中研磨至分別過20目、60目、100目篩，連同原樣分別保存備用。此次土壤無機碳測定的供試土壤為過100目篩的樣品，其余樣品用于測試土壤的其他理化性質，并作為補充實驗的備用樣品。土壤有機質采用重鉻酸鉀-硫酸消化法測定，土壤粒度采用英國馬爾文土壤顆粒激光粒度儀測定，土壤pH采用電位法測定。

圖1 采樣點詳細分布圖Fig. 1 Detailed sampling points distribution map

1.3 數據來源

1900年、1910年、1920年、1930年、1940年、1950年、1970年等七幅不同時間的歷史地圖作為數據底圖，利用ArcGIS軟件將歷史地圖內的城市化區域進行數字化處理獲得城市化區域擴張信息。20世紀80年代之后的城市化原始信息是江蘇省土地利用方式的柵格數據，利用ArcGIS軟件提取分析得到1980年、1990年、2000年、2010年的城市化區域擴張信息。

1.4 研究方法

1.4.1 土壤無機碳質量分數測定 選取過100目篩的土壤樣品，通過氣量法測出碳酸鈣標樣與每份土壤樣品產生的CO2體積。利用標樣的碳酸鈣質量與產生的CO2體積的關系繪制標準曲線，求得各份樣品的碳酸鈣質量（通常白云石和碳酸鎂等碳酸鹽在土壤碳酸鹽中含量可以忽略，因此可以用碳酸鈣來表征土壤碳酸鹽的含量），進而獲得每份樣品的無機碳質量分數（g kg-1）。

1.4.2 無機碳庫儲量計算 土壤剖面的區域單位土壤無機碳密度計算公式為

式中，T為區域單位土壤無機碳密度（kg m-2）；θi%為第i層＞2 mm的礫石占土壤總量的體積分數（%）；ρi為第i層土壤容重（g cm-3）；Ci為通過氣量法實驗測得的第i層土壤無機碳的平均質量分數（g kg-1）；Di為第i層土層厚度（cm）。

利用無機碳密度計算土壤無機碳庫儲量計算公式為：

式中，S為無機碳庫儲量，T為區域單位土壤無機碳密度，A為區塊單元面積。

基于插值分析得到南京市主城區無機碳質量分數在空間上的平均值，計算出精確的南京市主城區土壤無機碳密度，從而得到研究區表層（0～20 cm）土壤無機碳庫儲量。

1.5統計學方法將本次研究的所有臨床細菌的合格數均做好記錄,并建立數據庫,對細菌的合格率進行分析統計。采用SPSS17.0統計學軟件進行統計處理。計數資料以率(%)表示,實施χ2檢驗。P<0.05表示差異有統計學意義。

1.4.3 城市化歷史數據處理與無機碳插值疊加分析 由于南京地處我國東部濕潤地區，自然土壤無機碳含量非常低，假設南京市土壤在沒有城市化之前是可比的。利用空間換時間的方法，認為城市土壤無機碳含量的變化是城市化時間的函數，它包含了建筑硅酸鹽風化、建筑無機碳輸入、土壤pH等理化性質改變等過程的綜合影響。因此，可假設各時段內新增城市區域的土壤無機碳含量代表了該時段土壤無機碳的含量，由此構建表層土壤無機碳含量均值的時間序列。利用ArcGIS軟件，將1900年、1910年、1920年、1930年、1940年、1950年、1970年、1980年、1990年、2000年、2010年共十一個年份的城市區域圖分別與南京市主城區表層土壤（0～20 cm）無機碳含量分布圖進行疊加分析，得到城市化歷史所對應的主城區范圍的表層土壤無機碳密度均值。

2 結果與討論

2.1 南京市主城區無機碳庫儲量及空間分布

土壤樣品理化性質見表1。南京市主城區表層土壤的無機碳含量均值為2.51 g kg-1，變化范圍為0～22.6 g kg-1，方差為11.92，變異較大。根據采樣與空間分析，研究區土壤無機碳密度為0.63 kg m-2，土壤無機碳碳庫儲量為1.49 Tg。這一結果與許乃政等［14］對長江三角洲表層土壤無機碳密度的研究結果類似，表明土壤無機碳是土壤碳庫的重要組成部分，但我國東部濕潤地區土壤無機碳穩定性相對較低，土壤無機碳含量明顯低于干旱半干旱地區［7，24］，所以目前我國東部地區對土壤無機碳研究相對較少。

城市土壤無機碳分布與城市歷史具有密切關系。歷史老城區（即原白下區和秦淮區）的無機碳含量最大，達到了4.48 g kg-1，遠大于其他六區；其次是玄武區與鼓樓區，二者的無機碳含量分別達到2.54 g kg-1和2.35 g kg-1；新城區無機碳含量較低，建鄴區與雨花臺區分別為2.23 g kg-1和2.20 g kg-1，快速城市化的棲霞區與江寧區分別僅為2.14 g kg-1和2.01 g kg-1。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physic-chemical properties of the soil studied

2.2 100年來南京市主城區擴張歷史重建

南京市主城區的擴張呈現明顯的單中心、擴散式的發展方式，在不同時期具有不同的擴張特征。具體分為1900—1950年、1950—1980年、1980—2010年三個時期。

南京市主城區在1900年已經形成明顯的城市中心，即現在的秦淮區范圍。1950年前的南京市主城區擴張始終未跨越明城墻的范圍，主要以填充原有城市中心為主，擴張速度緩慢，至1950年城市范圍也只占用了明城墻內部土地的60%～70%。

1950—1980年，南京市的城市擴張速率明顯增加，擴張范圍也突破了明城墻的限制。這一時期的城市擴張過程中，圍繞主城區的集聚式發展仍然非常明顯，城市范圍依舊非常集中。

2.3 無機碳庫密度空間分布與城市化歷史關系

通過對自1900年始每十年為一個時段的百年時間尺度無機碳庫空間格局進行研究，得到了每個年份所對應的主城區范圍的無機碳含量平均值（表2）。此處選取1900年與2010年兩幅圖進行疊加分析（圖2）。

隨著城市化歷史增加，無機碳含量均值呈明顯的上升趨勢，證實了城市土壤由于其富含鈣元素、pH較高的特性可以固定大量大氣中的CO2。無機碳含量均值最高的1900年達到了4.17g kg-1，與區域無機碳含量均值最高的秦淮區的4.48g kg-1相接近。

1900—1950年、1950—1980年、1980—2010年三個時期所對應主城區范圍的無機碳含量下降斜率逐漸緩慢，表明老城區無機碳庫的積累作用更加明顯，新城區的無機碳庫則呈現輕度的積累。結合三個階段的城市擴張速率來進行探究，也從另一個側面印證了城市土壤對大氣中CO2極強的固定作用。從另一個角度來看，未來對城市的擴張尤其是大時間尺度下的城市擴張的研究，可以利用地區無機碳庫的含量來作為輔助驗證手段，而由于歷史久遠等原因缺乏遙感數據及地圖數據的區域，可以直接利用無機碳含量的空間分異來研究城市的擴張過程與擴張速率。

表2 不同年代對應主城區范圍無機碳含量均值Table 2 Mean soil inorganic carbon content in the main urban area relative to year

圖2 無機碳庫插值分析1900年（a）和2010年（b）Fig. 2 Interpolation of inorganic carbon pool in year 1900（a）and 2010（b）

老城區由于城市化時間長，更多含鈣建筑廢料風化釋放至土壤中，使土壤pH升高，固碳能力增強，同時老城區土壤固碳過程更充分，因此老城區的土壤無機碳含量明顯高于新城區，這一結果也證實了Pouyat等［8］對城市土壤固碳機理的研究。許乃政等［3］對上海市城市格局與土壤無機碳的分布特征的研究中也發現，上海市1980年前建城區土壤無機碳分布富集明顯，而新建城區呈現輕度富集。

2.4 城市土壤無機碳固碳速率與潛力估算

研究表明隨城市化歷史增加，無機碳含量平均值呈現明顯的上升趨勢，且由于城市化速率不斷加快，新城區具有較大的固碳潛力。通過對城市化時間與無機碳含量的回歸方程擬合，得到了城市土壤對次生無機碳的固定方程為：

式中，x為從1900年起的城市化時間（y）；z為無機碳含量（g kg-1）。

得到城市土壤對次生無機碳的固定速率為0.00156 g kg-1a-1，擬合優度R2=0.9736。

假設1900年的主城區范圍經過長時間的無機碳固碳已經達到平衡，以此作為城市土壤的無機碳固碳潛力，測算研究區通過表層土壤無機碳的固碳潛力為2.94Tg，其未來仍擁有的固碳容量為1.45Tg。Renforth等［9］對英國城市土壤固碳過程的研究也得到了類似的結果，城市土壤因其高pH、富鈣等特性擁有巨大的固碳潛力，城市土壤每年固定的CO2量甚至可以達到基建行業每年向大氣中釋放的CO2總量的80%以上，未來的城市發展完全可以利用人工設計的方式來緩解溫室效應。

城市土壤無機碳的固碳過程主要是土壤次生碳酸鹽的形成過程，土壤次生碳酸鹽的形成方式有成巖的原生碳酸鹽再活化、有機碳轉化和CO2氣體直接羥基化三種，在高pH、富鈣的城市土壤中主要以后兩者為主，原生碳酸鹽再活化可以忽略不計。C、O穩定同位素在以上三種次生碳酸鹽形成過程中對應不同的同位素值，需要結合C、O穩定同位素解析，可以得到研究區域土壤次生碳酸鹽各形成方式的比例，從而相對精確地推算出其固碳速率與固碳潛力，下一步將利用同位素分析揭示城市土壤無機碳的固定速率和機制。

3 結 論

南京市主城區土壤無機碳含量的空間分異與城市化歷史具有良好的對應關系，老城區土壤的固碳量明顯高于新城區。城市土壤因其高pH、富鈣等特性而具有良好的固碳潛力，隨城市化歷史增加，土壤無機碳含量表現出明顯的線性增長，新城區仍擁有非常巨大的固碳潛力。但濕潤地區的城市土壤的無機碳穩定性如何，固碳的速率多大等關鍵問題仍然有待探究。下一步研究將在無機碳空間分析的基礎上，結合城市土壤無機碳的碳氧穩定同位素分析技術，進行城市土壤無機固碳機制、速率和穩定性研究，以期為城市土壤無機碳固碳提供理論支撐。

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（責任編輯：檀滿枝）

Spatial Distribution of Soil Inorganic Carbon in Urban Soil and Its Relationship with Urbanization History of the City

ZHAO Han1，2WU Shaohua1，2?XU Xiaoye1ZHOU Shenglu1LI Xiaotian1
（1 School of Geographic and Oceanographic Science，Nanjing University，Nanjing 210023，China）
（2 Development and Protection Key Laboratory of Coastal Zone，The Ministry of Land and Resources Nanjing 210017，China）

Urbanization has a profound impact on soil carbon recycling. Based on spatial specific sampling of the urban soil and inversion of the urbanization history of Nanjing between 1900 and 2010，spatio-temporal relationship between spatial distribution of inorganic carbon in urban soil and urbanization processes was analyzed for assessment of inorganic carbon sequestration potential of urban soil. Results show that inorganic carbon density of the urban soil is closely related to history of the city，and it is much higher in historical old regions than in newly urbanized regions，which indicates that the urban soil is highly potential in sequestration of inorganic carbon. The mean inorganic carbon density in the urban soil grows linearly with the development of urbanization. The inorganic carbon pool in the topsoil of the urban area studied reached 2.94 Tg and the area still had a potential of sequestrating 1.45 Tg of inorganic carbon in future. All the findings in this study may serve as theoretical basis for elaborating the mechanism of carbon recycling in the urban system and conducting research on inorganic carbon sequestration in urban soil.

Global change；Carbon recycling；Urbanization；Carbon sequestration potential；Inorganic carbon

S153

A

10.11766/trxb201703300075

* 國家自然科學基金項目（41671085）和中央高校基本科研業務專項資金（020914380046）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（ No. 41671085 ）and the Fundamental Research Funds for High-ranking Universities（No.020914380046）

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

趙 涵（1992—），男，山西大同人，碩士研究生，主要從事城市化與環境變化研究。E-mail:njuzhaohan@126.com

2017-03-30；

2017-07-13；優先數字出版日期（www.cnki.net）：2017-07-25