陳 浩,吳紹華,陳東湘，周生路,李保杰,施亞星

南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,南京 210046

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城市土壤封閉對(duì)有機(jī)碳庫(kù)影響的時(shí)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(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,南京 210046

隨著全球城市化的迅速發(fā)展,城市生態(tài)系統(tǒng)的研究日益受到關(guān)注。城市化過(guò)程引發(fā)的大面積土壤封閉,導(dǎo)致土壤功能退化,進(jìn)而影響城市生態(tài)系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建城市封閉土壤碳循環(huán)模型,考慮土壤溫度,水分,有效氮含量以及各項(xiàng)理化性質(zhì)等影響土壤有機(jī)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(jī)碳含量與土壤有機(jī)碳庫(kù)的時(shí)空變化過(guò)程,揭示人工封閉對(duì)于城市土壤功能的影響。結(jié)果表明：南京市1980年至2010年封閉土壤的有機(jī)碳含量顯著減少,2010年土壤有機(jī)碳含量的均值為6.7 g/kg,比開放土壤低54.7%。土壤有機(jī)碳含量較低的區(qū)域主要分布在快速城市化的地區(qū)。由于封閉土壤阻礙了土壤有機(jī)碳的來(lái)源,造成封閉土壤有機(jī)碳含量持續(xù)減少,1980年至2010年間城市土壤有機(jī)碳庫(kù)的總量減少約0.32 Tg。城市封閉對(duì)土壤有機(jī)碳影響的時(shí)空變化模擬可為研究城市化過(guò)程中的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)與城市生態(tài)建設(shè)提供參考。

城市化；城市土壤；土壤封閉；土壤有機(jī)碳；時(shí)空模擬

世界上超過(guò)50%的人口生活在城鎮(zhèn)中,預(yù)計(jì)到2050年,城鎮(zhèn)人口將會(huì)達(dá)到世界人口的70%[1]。隨著城鎮(zhèn)人口的迅速增長(zhǎng),城鎮(zhèn)面積將呈現(xiàn)出飛速擴(kuò)張的趨勢(shì)[2]。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,使得城市地區(qū)的封閉土壤比例迅速增加,在有的地區(qū)甚至達(dá)到了60%—70%[3]。城市土壤的封閉會(huì)致使土壤中的有機(jī)碳庫(kù)含量降低[4-5],進(jìn)而影響到城市生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)以及全球的碳循環(huán)過(guò)程。因此,對(duì)于城市封閉土壤有機(jī)碳庫(kù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,全球變化和城市生態(tài)學(xué)研究逐漸深入,城市土壤有機(jī)碳的研究日益受到關(guān)注。城市地區(qū)土壤碳庫(kù)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(jī)碳分布與自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤的差異[6- 9]。同時(shí),碳循環(huán)模型也被廣泛地應(yīng)用于城市土壤有機(jī)碳的研究,Schneider[10]在傳統(tǒng)的Agro-IBIS模型中添加了城市地區(qū)的模塊來(lái)模擬城市地區(qū)的碳循環(huán)過(guò)程。Tian等[11]在新一代陸地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型(DLEM)中對(duì)城市地區(qū)的碳、氮、水循環(huán)進(jìn)行了模擬。但是,在城市土壤碳庫(kù)的研究中,大多數(shù)僅對(duì)城市綠地以及城市森林中的土壤碳庫(kù)進(jìn)行了探討[12- 17],而對(duì)于城市地區(qū)的封閉土壤中的碳庫(kù)研究較少。上述的城市碳循環(huán)模型中,缺少對(duì)城市封閉土壤中的有機(jī)碳庫(kù)進(jìn)行的細(xì)致研究。城市封閉土壤碳的生物地球化學(xué)過(guò)程作為城市土壤的重要組成部分,其在時(shí)空上的變化仍是一個(gè)尚未系統(tǒng)回答的科學(xué)問(wèn)題,因此開展封閉土壤碳的時(shí)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(qū)域,在實(shí)地采樣的基礎(chǔ)上,借鑒生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型,針對(duì)模型考慮不足的城市封閉土壤碳循環(huán)部分,設(shè)立了城市封閉土壤碳循環(huán)模型,用于模擬南京市城市封閉土壤環(huán)境下的碳循環(huán)。模型充分考慮了在城市封閉土壤環(huán)境下影響土壤有機(jī)碳分解的關(guān)鍵因素,對(duì)城市封閉土壤中各個(gè)碳庫(kù)中有機(jī)碳的時(shí)空變化進(jìn)行了模擬。本文的研究將實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：(1)構(gòu)建城市封閉土壤碳循環(huán)模型并評(píng)估模型模擬的精確性。(2)估測(cè)城市發(fā)展對(duì)于城市地區(qū)土壤碳庫(kù)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

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

南京是我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)的重要城市,有重要的經(jīng)濟(jì)、政治地位。近30年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,南京市的城市化進(jìn)程迅速,城市人口數(shù)量以及城區(qū)面積都得到顯著提高。1949年,南京城區(qū)人口數(shù)量約有70萬(wàn)人,但是截止到2010年,城區(qū)常住人口數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)到510.59萬(wàn)人,城鎮(zhèn)化率達(dá)到79.73%。1949年城區(qū)面積約為42 km2,但是截止2010年市區(qū)面積已擴(kuò)張到577 km2,新建成區(qū)分布于老城區(qū)的周圍,其中西北以及東南方向是近些年城市主要的擴(kuò)張方向。

1.2 樣品采集

在南京市城市不同功能區(qū)設(shè)置14個(gè)封閉土壤采樣點(diǎn)(圖1),采樣點(diǎn)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(shí),先將剖面進(jìn)行整理,去除瓦礫浮土后按照土壤發(fā)生層采集樣品。實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后,分別過(guò)2、0.3 mm和0.15 mm尼龍篩,用于土壤理化性質(zhì)以及有機(jī)碳分組相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。土壤機(jī)械組成采用激光粒度儀測(cè)定。容重采用石蠟封閉法測(cè)定[18]。含水量測(cè)定采用烘干法,約20 g鮮土105 °C下烘24 h,烘干前后土壤質(zhì)量之差即為水分含量。土壤總碳、總氮采用碳氮分析儀測(cè)定,無(wú)機(jī)碳采用氣量法測(cè)定[19],土壤有機(jī)碳含量為總碳與無(wú)機(jī)碳之差。

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

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)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(jī)碳庫(kù)變化的關(guān)鍵因素[11,20-21]。城市地區(qū)獨(dú)特的小氣候如“熱島效應(yīng)”、“雨島效應(yīng)”等,影響了土壤有機(jī)碳的分解速率,進(jìn)而改變了土壤有機(jī)碳庫(kù)的時(shí)空變化。在模型中,溫度響應(yīng)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(shè)城市不透面阻擋了新鮮有機(jī)底物的輸入,現(xiàn)存的有機(jī)碳在土壤封閉的狀態(tài)下仍在繼續(xù)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(guò)模擬有機(jī)碳在土壤不同碳庫(kù)中的碳流動(dòng)過(guò)程來(lái)預(yù)測(cè)南京地區(qū)封閉土壤中的有機(jī)碳含量的時(shí)空變化。同時(shí)假設(shè)南京市開放土壤的有機(jī)碳含量在短時(shí)間尺度內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。并將開放土壤的有機(jī)碳含量作為模型模擬封閉土壤有機(jī)碳分解的初始值,而開放土壤的有機(jī)碳含量則通過(guò)1980s第二次土壤普查開放土壤有機(jī)質(zhì)含量經(jīng)過(guò)換算后得到。對(duì)于1980年前已經(jīng)成為封閉土壤的地區(qū),研究假設(shè)其已經(jīng)封閉了6a年,即以模型運(yùn)行60年后的有機(jī)碳的含量作為其初始值。

模型的相關(guān)參數(shù)以及模擬過(guò)程如圖2所示。模型通過(guò)南京市1980—2010的日均溫?cái)?shù)據(jù),模擬出了南京市封閉土壤溫度在30年間的動(dòng)態(tài)變化。封閉土壤質(zhì)地、土壤水分、土壤有效氮以及物理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)試實(shí)地采集的封閉土壤樣品獲得,測(cè)試結(jié)果如表2所示。將1980s第二次土壤普查開放土壤有機(jī)質(zhì)含量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)通過(guò)普通克里格插值法獲得南京市開放土壤有機(jī)質(zhì)含量的柵格數(shù)據(jù),并將此數(shù)據(jù)作為模型模擬封閉土壤有機(jī)碳分解的初始值。通過(guò)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(jìn)行南京市有機(jī)碳庫(kù)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(jī)碳庫(kù)的變化過(guò)程,最終得出了南京市1980年至2010年的封閉土壤有機(jī)碳庫(kù)的時(shí)空變化圖。

圖2 城市封閉土壤碳循環(huán)模型模擬過(guò)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(zhì)(0—20 cm)

2.2 城市封閉土壤碳庫(kù)劃分

不透水面阻斷了土壤與外界新鮮有機(jī)物底物的交換,因此在模型中僅考慮土壤中現(xiàn)存的凋落物碳儲(chǔ)量、土壤有機(jī)質(zhì)碳儲(chǔ)量與碳通量。本文借鑒Biome-BGC模型中對(duì)于凋落物以及土壤有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)的劃分將城市封閉土壤中的碳庫(kù)劃分為7個(gè)部分。如圖3所示,凋落物被分為3個(gè)部分：易分解物質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素。土壤有機(jī)質(zhì)按照分解速率的快慢分為4個(gè)部分：快速微生物分解的有機(jī)質(zhì)、中速微生物分解的有機(jī)質(zhì)、慢速微生物分解的有機(jī)質(zhì)以及惰性有機(jī)質(zhì)。凋落物以特定的分解速率從凋落物庫(kù)進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)的快、中、慢速分解碳庫(kù)。而土壤有機(jī)質(zhì)的分解則依照特定的速率由快速有機(jī)質(zhì)分解碳庫(kù),經(jīng)過(guò)中、慢速分解碳庫(kù),流向惰性有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)。土壤有機(jī)碳庫(kù)的分解速率取決于有機(jī)碳庫(kù)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(shí)的分解速率作為基礎(chǔ)分解速率常數(shù),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(guān)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(chǔ)分解速率常數(shù),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(shì)能,psat是土壤飽和水勢(shì)能,CN為惰性土壤有機(jī)質(zhì)的碳氮比。

Kcorr=Stsoil×Sw×N×k

(2)

(3)

(4)

(5)

圖3 城市封閉土壤碳循環(huán)模型結(jié)構(gòu)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(shè)使得自然植被轉(zhuǎn)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(zhì)地的變化使得太陽(yáng)反射,熱容量,蒸發(fā)率和地表起伏發(fā)生變化,進(jìn)而造成了城市的地表溫度高于郊區(qū)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(qū)的地表土壤溫度總體上高于郊區(qū)[30]。本文參考了施斌等[31]對(duì)于南京市城區(qū)夏季土壤溫度的模擬方法,采取日均溫來(lái)估算每天的城市土壤溫度,并構(gòu)建城市封閉土壤溫度模型。在該模型中,做了以下假設(shè)：(1)土壤是均質(zhì)的,熱流僅在豎直方向傳播；(2)不考慮降雨入滲,并且相應(yīng)的熱傳導(dǎo)方程為一維。一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程如下：

(6)

(7)

(8)

式中，T為土壤溫度；t為時(shí)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(dǎo)溫系數(shù),kh為混凝土熱導(dǎo)率,p為混凝土密度,c為混凝土比熱容,

城市封閉土壤因?yàn)楦采w有大量的非滲透地表,導(dǎo)致降雨極少滲透進(jìn)入土壤,大量降雨積累在非滲透面上被蒸發(fā)。當(dāng)降雨超過(guò)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(qū)土壤濕度相對(duì)于郊區(qū)而言,變化波動(dòng)較小,總體上而言相對(duì)穩(wěn)定[31]。因此,城市封閉土壤碳循環(huán)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(shù)。并根據(jù)公式(9)計(jì)算土壤水勢(shì)能：

(9)

式中，P為土壤水勢(shì)能,Psat為土壤飽和水勢(shì)能,θsat為土壤飽和體積含水量,θ為土壤體積含水量,b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),由土壤理化性質(zhì)決定。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證與不確定性分析

本文在南京市的主城區(qū)選取了14個(gè)封閉土壤的采樣點(diǎn),獲取了其土壤20 cm處的土樣,測(cè)量土壤中的有機(jī)碳含量來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M精度。14個(gè)封閉土壤樣點(diǎn)的模型模擬結(jié)果為(6.7±0.6) g/kg。實(shí)測(cè)值為(5.7±2.7) g/kg。精度檢驗(yàn)結(jié)果表明模擬均值與實(shí)測(cè)結(jié)果的均值較為接近,表明模型能較好的表征土壤封閉對(duì)有機(jī)碳含量變化的影響。但是實(shí)測(cè)值的σ要大于模擬結(jié)果,表明模型對(duì)于模擬城市土壤高空間異質(zhì)性的特征還存在不足?？傮w而言,模型的模擬結(jié)果較為接近實(shí)測(cè)值,也在一定程度上揭示了南京市封閉土壤有機(jī)碳含量空間分布的變異性。

城市封閉土壤有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)較稀缺,目前可查到的相關(guān)文獻(xiàn)資料較少(表3)?？v觀已有的數(shù)據(jù),城市封閉土壤有機(jī)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(guān)研究中城市封閉土壤有機(jī)碳含量存在一定差異,但是本文模擬和實(shí)測(cè)的結(jié)果與國(guó)際上的實(shí)測(cè)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(jī)碳時(shí)空變化過(guò)程。

表3 已有的城市封閉土壤有機(jī)碳密度調(diào)查結(jié)果

本文利用1980s第二次土壤普查數(shù)據(jù)獲取南京市開放土壤的有機(jī)碳含量數(shù)據(jù),并將其為模型模擬封閉土壤有機(jī)碳分解的初始值?？紤]到城市土壤由開放土壤轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]土壤的過(guò)程中存在表土剝離以及客土回填現(xiàn)象,這一假設(shè)會(huì)造成模型模擬結(jié)果存在不確定性。因此,對(duì)模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行敏感度分析,確定每個(gè)參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響。敏感度分析采用固定其他輸入變量不變,對(duì)需要分析的變量增加和減小來(lái)計(jì)算模型估算結(jié)果的變幅來(lái)表示。

如表4所示,有機(jī)碳初始值變量的模擬結(jié)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(duì)模型模擬結(jié)果具有一定的影響,土壤水分與土壤有效氮含量對(duì)模擬結(jié)果的影響較小。敏感度分析結(jié)果表明模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)有機(jī)碳初始值的依賴極強(qiáng),精確獲取初始值是模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。但是,因?yàn)槌鞘械貐^(qū)封閉土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)缺乏,所以本文采用開放土壤有機(jī)碳作為其初始值進(jìn)行模型預(yù)測(cè)。這一假設(shè)也是本文模型模擬結(jié)果略高于實(shí)測(cè)結(jié)果,并且無(wú)法準(zhǔn)確表征城市封閉土壤有機(jī)碳空間分布的高度變異性的原因。

表4 模型參數(shù)敏感性分析

3.2 南京土壤封閉過(guò)程

根據(jù)1980年、1995年和2010年3個(gè)年份南京的遙感影像,通過(guò)遙感解譯手段獲取了這段時(shí)間南京的封閉土壤面積變化數(shù)據(jù)。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(qū),到1995年封閉土壤面積主要在市轄區(qū)范圍內(nèi)擴(kuò)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(qū)中迅速增長(zhǎng),同時(shí)也在江寧區(qū)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%?？v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(zhǎng)的主要方向,而東北與西南方位封閉土壤面積相對(duì)增長(zhǎng)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(jī)碳含量時(shí)空變化

利用城市封閉土壤碳循環(huán)模型模擬了南京市1980—2010 年間的土壤有機(jī)碳變化過(guò)程,得到了南京市1980—2010年間的土壤有機(jī)碳含量空間分布圖(圖5)。南京市的土壤有機(jī)碳含量隨著封閉土壤面積的增加呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì),1980年南京市土壤有機(jī)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(jī)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(guān)性,即封閉土壤處的土壤有機(jī)碳含量較低,開放土壤的有機(jī)碳含量較高,土壤有機(jī)碳含量隨著封閉土壤面積的擴(kuò)張而呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。如圖6所示,土壤有機(jī)碳含量較低與較高的地區(qū)分別是溧水區(qū)和高淳區(qū),平均土壤有機(jī)碳含量分別為9.8 g/kg與11.9 g/kg。土壤有機(jī)碳減少最顯著的地區(qū)主要分布在主城區(qū),1980年土壤有機(jī)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(qū)的城市擴(kuò)張速度快,封閉土壤面積較多。但主城區(qū)的平均土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較高,造成這一現(xiàn)象的原因是在城區(qū)中存在一定面積的城市綠地如公園、人工草坪等。同時(shí),溧水和高淳區(qū)的土壤有機(jī)碳含量變化最小,都減少了約0.3%。原因是兩區(qū)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(jī)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(qū)平均土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量降低顯著的地區(qū)主要分布在主城區(qū),隨著離主城區(qū)距離的增加,土壤有機(jī)碳的降低量呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)；而1995年至2010年,南京市主城區(qū)周邊的土壤有機(jī)碳含量的降低最顯著,表明封閉土壤的擴(kuò)張加速了土壤有機(jī)碳的減少。

圖7 南京市1980—2010土壤有機(jī)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(jī)碳庫(kù)時(shí)空變化

圖8 1980—2010年間南京市土壤有機(jī)碳庫(kù)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(jī)碳含量數(shù)據(jù),以往城市土壤碳庫(kù)估算通常利用開放土壤的有機(jī)碳代替封閉土壤[34-35],忽視土壤封閉的影響,這會(huì)造成高估城市土壤碳庫(kù)含量。實(shí)際上,在封閉環(huán)境的影響下,土壤有機(jī)碳庫(kù)含量會(huì)顯著減少。如圖8所示,假設(shè)南京市開放土壤的有機(jī)碳含量處于相對(duì)平衡狀態(tài),那么南京市0—20 cm土壤自1980年至1995年因?yàn)橥寥赖姆忾]造成的有機(jī)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(jī)碳含量為0.18 Tg,年均損失12.0 Gg/a。這說(shuō)明南京市自1995年后封閉土壤的飛速增長(zhǎng)加速了土壤有機(jī)碳庫(kù)總量的減少。南京市1980年至2010間各地區(qū)的有機(jī)碳庫(kù)也均呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)(圖9),其中主城區(qū)的有機(jī)碳庫(kù)的減少量最顯著,自1980年至2010的有機(jī)碳損失量為0.2 Tg,而高淳區(qū)的減少量最少,自1980年至2010的有機(jī)碳損失量為9.0 Gg。1995年至2010年南京市各區(qū)有機(jī)碳庫(kù)的減少量均大于同一地區(qū)在1980年至1995年間的減少量。這表明南京市各地區(qū)的土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化存在一定差異,碳庫(kù)變化較大的地區(qū)分布在封閉土壤面積較多的地區(qū)。

圖9 1980—2010南京市各區(qū)土壤有機(jī)碳庫(kù)Fig.9 Soil organic carbon pool of various regions in Nanjing city from 1980 to 2010

4 結(jié)論

本文借鑒生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的模型,并充分考慮封閉環(huán)境下土壤溫度、水分等影響因素,構(gòu)建了城市封閉土壤碳循環(huán)模型。應(yīng)用此模型模擬了南京市1980年至2010年封閉土壤的碳循環(huán)過(guò)程。模擬結(jié)果表明,南京市2010年平均土壤有機(jī)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(jī)碳含量明顯減少,2010年封閉土壤有機(jī)碳含量的均值為6.7g/kg,比開放土壤低54.7%。土壤有機(jī)碳含量降低的區(qū)域主要位于南京市1980至2010年封閉土壤增加的區(qū)域。南京市主城區(qū)的土壤有機(jī)碳含量降低最顯著,降低了約7%,而減少量最小的地區(qū)是溧水區(qū)和高淳區(qū),均降低了0.3%左右。其中,1980年至1995年南京市主城區(qū)的有機(jī)碳含量降低幅度較為明顯,1995年至2010年則是主城區(qū)周邊的區(qū)域降低幅度較明顯,這是因?yàn)槟暇┦?980年至1995年南京市主城區(qū)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(qū)以及周邊的江寧區(qū)等地區(qū)。在不考慮開放地區(qū)土壤有機(jī)碳變化的前提下,南京市1980至2010年間土壤有機(jī)碳共減少了0.32 Tg,年均損失11.4Gg/a,其中主城區(qū)的土壤碳庫(kù)變化最顯著,共減少了0.2 Tg,高淳區(qū)的土壤碳庫(kù)變化最小,減少了9.0 Gg。表明土壤在封閉狀態(tài)下依然存在著有機(jī)碳的分解,并且由于封閉土壤阻礙了土壤有機(jī)碳的來(lái)源,造成封閉土壤有機(jī)碳含量持續(xù)減少,對(duì)城市土壤有機(jī)碳庫(kù)的總量造成顯著影響。城市土壤封閉引起有機(jī)碳庫(kù)降低的問(wèn)題應(yīng)引起足夠的重視。

封閉土壤碳循環(huán)模型模擬的土壤有機(jī)碳含量為(6.7±0.6)g/kg,略高于實(shí)地采樣的結(jié)果(5.7±2.7)g/kg。模擬結(jié)果的σ為0.6,而實(shí)測(cè)結(jié)果的σ為2.7,表明實(shí)際的封閉土壤有機(jī)碳的空間分布具有很大的空間變異。同時(shí)與國(guó)內(nèi)外封閉土壤有機(jī)碳含量實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)比較,結(jié)果較為接近。表明封閉土壤碳循環(huán)模型能較好的模擬城市土壤封閉后的有機(jī)碳時(shí)空變化過(guò)程。

封閉土壤作為城市土壤重要的組成部分,其中碳循環(huán)過(guò)程在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)體系中具有重要的地位。本研究主要關(guān)注城市地區(qū)封閉土壤以及由開放土壤轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]土壤后的有機(jī)碳循環(huán)過(guò)程,下一步將開放地區(qū)的有機(jī)碳循環(huán)過(guò)程納入其中,綜合模擬城市化過(guò)程對(duì)碳生物地球化學(xué)過(guò)程的影響,為城市系統(tǒng)生態(tài)建設(shè)提供決策參考。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41001047)

2015- 12- 22; 網(wǎng)絡(luò)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(duì)有機(jī)碳庫(kù)影響的時(shí)空變化模擬.生態(tài)學(xué)報(bào),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.