城市化進程中土地利用方式改變對土壤有機碳庫的影響
——以上海三林楔形綠地為例

張青青，梁 晶，*，伍海兵，鄭思俊，黃軍華

(1.上海市園林科學規劃研究院，上海 200232； 2.上海城市困難立地綠化工程技術研究中心，上海 200232)

隨著城市化的快速發展，房屋建筑、道路、停車場、城市廣場等封閉土壤的數量急劇增加，如杭州灣封閉土壤從1994年的2.7%增加到2003年的4.7%[1]，造成土壤有機碳儲量持續下降，土壤資源和環境壓力日益增大。這迫切需要進行土地利用方式的轉變，且由最初的因建筑物、道路等建設產生大面積封閉土壤到后期注重綠地建設[2]，以期增加土壤有機碳儲量、緩解溫室效應。

目前開展了一些關于城市不同土地利用覆蓋變化下相應的有機碳變化的研究[3-5]。陳浩等[6]發現，南京市2010年封閉土壤有機碳含量的均值為6.7 g·kg-1，比開放土壤低54.7%；且由于封閉土壤阻礙了土壤有機碳的來源，1980—2010年封閉土壤的有機碳含量顯著減少。艷燕等[7]發現，天山北坡城市群封閉土壤有機碳儲量為總城市土壤碳庫的68%，單個城市封閉土壤有機碳儲量占比50%以上，封閉土壤有機碳儲量構成干旱區城市土壤碳庫的主體。朱士華等[8]發現，烏魯木齊市生態系統碳庫主體(95%)分布在土壤中，城市土地覆被變化導致約25%的碳庫損失，由農田、裸土/殘存荒漠，以及城市綠地轉變為封閉土壤解釋了68%的土壤有機碳和63%的植被碳損失量，其空間分布與封閉土壤的擴張相一致。隨著我國生態文明建設的推進，城市建設管理和宜居品質再獲新飛躍，城市中拆舊建綠透綠，減少城市封閉土壤，為城市更新擦亮底色。近幾十年來，尤其是沿海開放戰略實施以來，上海地區經濟發展迅速，土地利用呈現明顯的高強度開發特征[9]。然而對上海不同利用方式轉變的碳儲量變化的研究較為缺乏，尤其是封閉土壤轉變開放土壤的有機碳儲量的影響還停留在定性階段，沒有量化。

為了探究城市土地利用方式轉變對土壤碳庫的影響，本研究以上海市正在改造的三林楔形綠地為研究對象，估算三林現狀和擬建成后土壤有機碳儲量的變化。相關工作主要集中于以下幾點：(1)對遙感圖像進行分類，得到研究區的封閉土壤和開放土壤的分布面積，同時計算規劃后三林楔形綠地的開放土壤面積和封閉土壤面積；(2)采集土壤樣本，分析測定開放土壤和封閉土壤的有機碳含量和密度；(3)設定擬建成后開放土壤和封閉土壤的有機碳含量，利用土壤有機碳密度和面積數據估算三林楔形綠地建設前后的有機碳儲量變化。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

上海市三林楔形綠地(121°27′～121°30′E，31°7′～31°8′N)位于黃浦江東岸，北起中環線、南至外環線、東臨濟陽路、西至黃浦江。它是聯接前灘、世博和陸家嘴等地區的重要城市功能帶，是上海市城市總體規劃確定的中心城區八片楔形綠地的首發地塊，占地面積約為4.2 km2。

從遙感影像(圖1)中可以看出，三林楔形綠地的開放土壤主要為農田土壤、苗圃地，封閉土壤為建筑、廠房、道路、停車場等硬質化區域。根據規劃設計方案，擬建成城市中心較大的“綠肺”。

圖1 三林楔形綠地遙感影像Fig.1 Remote sensing image of Sanlin Green Wedge

根據三林楔形綠地的遙感影像和規劃設計圖，可以通過遙感解譯手段獲取開放土壤和封閉土壤的面積變化。研究區擬建成后開放土壤面積將從現在的120.4 hm2增加到241 hm2，增加了1倍，其中中西部增加較多。而封閉土壤面積則由現在的271.2 hm2降至151.6 hm2，下降了44%。相比之下，建成后開放的面積顯著增多，封閉土壤面積降低(圖2)。

圖2 三林楔形綠地土地利用方式的變化Fig.2 Change of land use patterns in Sanlin Green Wedge

1.2 采樣與實驗方法

通過遙感航拍圖，對三林楔形綠地土壤隨機采樣，共采集43個點，每個剖面以20 cm為間隔，采集土樣到1 m深或出水為止。其中，封閉土壤以出現硬質地面為止，開放土壤到地下水出水為止。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。土壤密度采用環刀法測定，每個樣點采集3個。

采用重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機碳含量。pH按5∶1水土比用電位法測定，EC按10∶1水土比用電導法測定，質地采用Stoke-沉降篩分法測定[10]。經測定，三林楔形綠地土壤EC值平均為(0.13±0.09)mS·cm-1，pH平均為(8.46±0.25)，質地主要為粉砂質黏土。

1.3 數據處理與分析

土壤剖面的有機碳密度(SOCD)采用以下公式獲得

(1)

式(1)中：VSOCD表示SOCD的值，單位為t·hm-2；VSOCi是i土層的有機碳含量，單位為g·kg-1；VBDi為i土層的密度，單位為g·cm-3；Hi為i土層的厚度，單位為cm；α是土壤中>2 mm 石礫的體積百分數。

土壤有機碳儲量(VSOCS)采用以下公式計算：

VSOCS=VSOCD×VS。

(2)

式(2)中：VS為該類型土壤的面積；土壤有機碳儲量的單位為t。

采用SAS 9.0 軟件中的 t 檢驗分析封閉土壤與開放土壤的有機碳含量、有機碳密度的顯著性差異。采用ArcGIS 10.2軟件對上海市三林楔形綠地遙感影像進行矢量化，并進行土壤類型劃分，采用反距離權重插值法對三林楔形開放土壤有機碳含量、土壤有機碳密度進行插值。采用Origin 8.5 對數據進行做圖。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量

根據調查結果，三林楔形綠地現有的土壤有機碳含量主要在1.66～16.12 g·kg-1，平均為(5.31±2.57)g·kg-1，變異系數為48.39%，為中等變異(表1)。其中開放土壤有機碳含量為7.51 g·kg-1，封閉土壤有機碳含量為4.67 g·kg-1。配對 t 檢驗表明，開放土壤有機碳含量顯著(P<0.05)高于封閉土壤有機碳含量，約為封閉土壤的1.6倍，這是因為封閉土壤中的有機碳沒有外源有機碳肥料等的補充，且封閉土壤中的土壤有機碳始終處于分解過程中，最終使得有機碳的含量降低。而開放綠地土壤因為人為養護的管理，使得土壤中有機質提升，故封閉土壤有機碳含量低于開放土壤。

表1 三林楔形綠地土壤有機碳含量和密度的現狀

通過反距離加權插值法對三林楔形綠地現狀土壤有機碳含量進行空間分析可以發現：三林楔形綠地的東北角、西北角和正南方的土壤有機碳含量偏低，正北和西南部的土壤含量較高，整體而言，空間變異性大(圖3)。

圖3 三林楔形綠地土壤有機碳含量的空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content in Sanlin Green Wedge

2.2 土壤有機碳密度

三林楔形綠地現有的土壤有機碳密度平均值為(59.30±36.92)t·hm-2，變異系數為62.27%，為中等變異(表1)。此時，開放土壤的有機碳密度為99.13 t·hm-2，封閉土壤的有機碳密度為47.74 t·hm-2。配對 t 檢驗表明，開放土壤有機碳密度顯著(P<0.05)高于封閉土壤有機碳密度。

通過反距離加權插值法對建設前的三林楔形綠地土壤有機碳密度進行空間分析可以發現：三林楔形綠地的東北、西北和正南方的土壤有機碳密度偏低，正北和西南部的土壤有機碳密度較高，整體而言，空間變異性大(圖4)。

圖4 三林楔形綠地土壤有機碳密度的空間分布Fig.4 Spatial distribution of soil organic carbon density in Sanlin Green Wedge

2.3 土壤有機碳儲量的變化

為了合理估算三林楔形綠地土壤有機碳儲量的變化，本研究中擬建成后的開放土壤的密度、有機碳含量均參照上海新建綠地的密度(1.32 g·cm-3)和有機碳含量(17.68 g·kg-1)[11]；由開放土壤轉變為封閉土壤的密度、有機碳含量參照現在三林楔形綠地開放土壤的密度、有機碳含量；封閉土壤仍為封閉土壤，其密度、有機碳含量參照現在三林楔形綠地封閉土壤的密度、有機碳含量[12]。擬建成后開放土壤、封閉土壤的剖面厚度均參照現在三林楔形綠地的開放土壤、封閉土壤的剖面厚度，兩者分別為100.0、65.3 cm(表2)。

表2 三林楔形綠地土地利用方式轉變后土壤密度、厚度、有機碳含量的變化

經分析，三林楔形綠地現有的土壤有機碳儲量約為2.99×104t，其中開放土壤的有機碳儲量為 1.45×104t，封閉土壤的有機碳儲量為1.54×104t。擬建成后，三林楔形綠地的土壤有機碳儲量約為6.29×104t，其中開放土壤的有機碳儲量為5.38×104t，封閉土壤的有機碳儲量為9.09×103t(圖5)。綜合來看，三林楔形綠地擬建成后土壤總有機碳儲量顯著增加，其中開放土壤有機碳儲量增加較為明顯，約為現有土壤有機碳儲量的1.8倍，是建成后封閉土壤的5.92倍。

圖5 三林楔形綠地土地利用方式轉變后土壤有機碳儲量變化Fig.5 Changes of soil organic carbon storage after land use change in Sanlin Green Wedge

3 結論與討論

通過研究發現，土地利用方式變化對土壤碳儲量變化影響顯著。上海市三林楔形綠地開放綠地的土壤有機碳含量和密度顯著高于封閉土壤，其中開放土壤有機碳含量為7.51 g·kg-1，約為封閉土壤的1.6倍，現有的土壤有機碳儲量約為2.99×104t。相比現狀，擬建成后土壤有機碳庫變化較大，有機碳儲量預估可達到6.29×104t，其中開放土壤的有機碳儲量為5.38×104t，約為現有土壤有機碳儲量的1.8倍。

城市化進程中土壤更新與再利用速率快，頻率高，這就使得土壤的理化性質發生變化，結構變差，土壤污染容易擴散。1978年以來，隨著城市化進程的快速推進，上海地區出現了大規模的農業用地向建設用地轉移的現象，但由于建設用地屬于封閉土壤，一方面阻斷了土壤與外界的交換而切斷外界凋落物以及植物根系的補充，另一方面土壤的有機碳處于不斷分解的狀態，這就致使土壤的固碳能力的降低。為了緩解這種現狀，增加城市土壤的固碳能力，城市致力于擴大綠地面積，但綠化速度跟不上城市擴張速度，而且綠化過程中容易忽視了城市生態環境平衡，綠化結構單一、植被覆蓋率不足，不同區域之間都存在綠化不平衡的情況，綠化程度差異明顯。要發揮城市綠地在城市中的生態環境平衡作用，在城市土壤及綠化管理中要做到：(1)注重綠地土壤質量的管理，做好綠地土壤的規劃、保護、管理、改良培肥等工作，如園林綠地人行道建議盡量使用透氣鋪裝材料改良土壤通氣性，采用園林廢棄物等提升土壤肥力等，對建設過程中造成的土壤破壞要及時進行修復改良，建立健全綠地土壤管理辦法，為綠化植物提供生長場所；(2)優化綠化樹種配置，選用抗逆性強、易管護的植物，精細化做好綠化植物的養護工作。

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