城市封闭土壤有机碳变化及其影响因素

【摘要】：城市化过程及其生态环境效应是地表过程研究的重要领域。城市化正在对城市及周围生态环境造成现实或潜在的威胁,成为全球性的城市生态环境问题。城市土壤作为城市生态环境的一个重要组成单位与功能载体,其质量与性质亦受到城市化的冲击和影响。城市土壤中很大一部分被道路、居民区、广场等不透水面覆盖,这些人工封闭层会阻断或减弱土壤与外界环境的物质能量交换,导致土壤性质及生态功能发生变化。目前,城市土壤封闭问题已经引起人们的关注,2006年欧盟环保局制定的“土壤保护的主题战略”(Thematic Strategy for Soil Protection)中明确认定封闭是土壤健康的八大威胁之一。土壤有机碳可以指示土壤功能与质量的变化,同时也是全球陆地碳库的重要组成部分,但目前对城市土壤有机碳库变化仍缺乏有力探讨,特别是针对城市封闭土壤有机碳库的研究更是匮乏。未来全球的城市规模及人口还将持续增大,城市封闭土壤面积将不断增加,研究城市封闭土壤有机碳转化有助于了解封闭对土壤质量的影响,对城市生态建设具有重要的现实意义。基于以上背景,本文在国家自然科学基金“城市土壤封闭及其对土壤碳库的影响研究”项目的资助下,以大城市古都南京和快速城市化中等城市宜兴为主要研究地区,通过采集区域内不同封闭类型土壤剖面样品,以城市开放土壤为对照,研究了封闭后土壤性质的变化,以及这些变化对土壤有机碳数量与质量的影响,揭示了影响城市土壤有机碳转化的关键因素。同时,研究分析了封闭土壤有机碳的化学结构及其组分变化,得出了封闭后城市土壤有机碳氮的时间变化规律,并估测了城市封闭对土壤有机碳数量与质量的影响。论文研究的主要结论如下:(1)城市封闭与开放土壤的性质存在较大差异,形成不同的有机碳转化环境。由于受到强烈的人为压实作用及干扰,城市封闭会增加土壤容重与粘粒含量(P0.05)。与开放土壤相比,封闭土壤化学性质变异程度较高,其土壤有机碳(SOC)、土壤水溶性有机碳(WSOC)、全氮(TN)、矿质氮(Nmin)的含量显著低于开放土壤(P0.05),而TP、Olsen-P含量显著高于开放土壤(P0.05),说明封闭环境减少了外源有机物质向土壤的输入,同时也加剧了城市土壤的磷富集。另外,封闭土壤Cr含量(75±2mgkg-1)低于开放土壤(88±5mgkg-1,P0.01),说明封闭降低了某些重金属元素向城市土壤的输入,开放土壤承载了污染元素更多的输入量。不同土地利用方式封闭土壤间理化性质的差异不显著,封闭是导致土壤理化性质差异的关键因素。封闭降低了土壤微生物的数量、活性及功能多样性。首先,封闭显著降低了土壤中真菌与放线菌的数量(P0.05);其次,封闭土壤基础呼吸势(0.46±0.06 μg-1 h-1)与35-d累积C02释放量(108±11mgkg-1)分别为开放土壤的35%、33%,说明封闭降低了土壤微生物的活性;再次,道路覆盖土壤微生物功能多样性显著低于其它处理(P0.05),封闭土壤微生物碳源利用类型发生了改变,对糖类、胺类等简单碳源的利用能力降低,而对聚合物类等难降解碳源的利用能力增强。(2)封闭土壤活性有机碳组分较少,芳香化程度高,有机碳较稳定。城市封闭土壤中,63 μm重组有机碳占总有机碳的比例最大。另外,封闭土壤有机碳轻组中有较高的黑碳分布。采用自然土壤有机碳分组方法研究城市封闭土壤有机碳可以获得较理想的有机碳转化指示数据,但若与有机碳转化模型(如RothC模型)结合应用还有待进一步验证,因为城市封闭土壤有机碳组分与自然或农田土壤相比差别较大。与城市开放土壤相比,封闭土壤有机碳组分中碳水化合物的比例较低,而芳香碳的比例增加。进一步分析发现封闭土壤有机碳的烷基C/烷氧C的比值升高,有机碳分解程度较高,难分解有机碳的比例增多;脂族C/芳香C比值降低,有机碳芳香性增强、脂族性降低,分子结构趋于复杂化。因此,从有机碳的化学结构看城市封闭土壤有机碳转化趋于稳定。(3)封闭后土壤有机碳含量随时间降低,总氮及微生物活性是影响其转化的关键因素。城市封闭土壤有机碳与全氮随封闭时间延长逐渐降低,并且降低可能存在平衡值。回归模型结果表明封闭土壤有机碳密度约在封闭后20年降低至平衡值(2.6 kg m-2),损失常数为0.25;总氮约在15年左右降到平衡值,损失常数为0.31。土壤容重、总氮、阳离子(Ca+Mg+K)以及微生物活性与土壤有机碳之间的相关关系表明,封闭后土壤性质的变化会影响到土壤有机碳的转化。封闭达到一定程度后,土壤呼吸将不再是土壤有机碳的主要损失途径,典型对应分析结果表明WSOC是影响封闭土壤有机碳转化的主要因素,总氮和CO2累积释放量分别是表征或影响封闭土壤有机碳转化的关键土壤性质。(4)封闭后土壤有机碳密度降低,封闭面积增加会抵消开放土壤增加的碳汇,使城市土壤变为大气环境的碳源。南京城市封闭土壤0-20 cm 土层有机碳密度均值为2.35 kg m-2,显著低于开放土壤(4.52kgm-2,P0.05)。结合其它城市封闭土壤有机碳密度相关调查数据,2.5-3.0 kg m-2可作为城市封闭土壤有机碳储量估算的参考值。1980-2008年间南京城市扩张了 489 km2,其中主要靠占用周边的耕地来完成,城市建设用地的增加可导致约1.06×1012g的土壤碳损失,年损失率为3.8×1010gy-1。估测结果发现,2000-2008年全国共新增城市封闭面积10790.8 km2,封闭面积增加可导致56×1012g的碳损失,年损失率为7×1012 g y-1,其中华东地区最多(25×1012 g)。同期全国城市绿地可增加碳汇18.5×1012 g,小于封闭造成的碳损失,因此,封闭面积增加会抵消开放土壤增加的碳汇,使城市土壤变为大气环境的碳源。