李雋永,竇曉琳,胡印紅,甘德欣,李 鋒,*

1 湖南農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院,長沙 410128 2 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 3 中國科學院大學,北京 100049

目前全球已有超過50%的人口居住在城市,預(yù)計還將持續(xù)增長[1]。人口的大量涌入使得城市不斷向外擴張[2-3]。城市擴張的突出表現(xiàn)之一就是原本以植物種植為特征的生態(tài)用地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂不乇頌橹鞯慕ㄔO(shè)用地[4-6],地表覆蓋類型的劇烈轉(zhuǎn)變使土壤原有的生態(tài)服務(wù)功能不斷退化甚至完全喪失,進而對城市土壤地球化學循環(huán)尤其是碳循環(huán)產(chǎn)生深刻的影響[7]。土壤中的碳儲量占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的75%[8],有研究表明土壤有機碳總量的10%排放到大氣中相當于30年內(nèi)人為產(chǎn)生的CO2排放量,由此可見,土壤有機碳庫較小的改變卻能夠?qū)Υ髿釩O2的濃度產(chǎn)生深刻影響[9-10]。土壤有機碳礦化是土壤碳循環(huán)的重要過程,是指土壤生物通過自身活動,分解和利用土壤中活性有機組分來完成自身代謝同時釋放出CO2的過程,受到溫度、土壤微生物活動、土壤理化性質(zhì)及活性有機組分等多重因素的影響[11-14],與土壤養(yǎng)分的釋放及全球氣候變化有著密切的聯(lián)系[15]。近年來,城市中大氣CO2濃度逐年上升,成為加劇城市熱島效應(yīng)的主要因素之一[16]。因此,研究城市土壤有機碳礦化過程對于深入了解城市土壤固碳能力及土壤與大氣之間的碳交換過程具有重要意義,進而為提高城市土壤的生態(tài)服務(wù)功能、改善城市土壤質(zhì)量、緩解城市熱島效應(yīng)提供科學依據(jù)。

近年來不少關(guān)于城市土壤碳循環(huán)的研究取得了重要的研究成果。戴慧的研究中顯示灌叢土壤有機碳礦化速率顯著高于大部分喬木種植土壤,與其土壤有機碳含量變化趨勢大體一致[17]。羅上華等的研究則顯示行道樹土壤的有機碳、無機碳、全碳含量均高于其他類型綠地,表明人為擾動可能會導致土壤碳儲量的增加[18],但也有研究得出與之相反的結(jié)果[19]。還有研究表明,在城市綠地建設(shè)中種植草坪可以使土壤表層碳較快積累,而喬木對于深層土壤碳積累作用更顯著[20]。造成這些結(jié)果差異的原因可能與土壤母質(zhì)、人為擾動、植被類型等因素相關(guān)。另外隨著城市的不斷擴張,人們對硬化地表下土壤碳循環(huán)規(guī)律的研究也不斷深入。2012年Raciti等研究者發(fā)現(xiàn)城市不透水地表下土壤碳含量比透水地表下土壤低66%,硬化覆蓋導致的碳流失可能會抵消城市其他地表類型的碳儲量[21],這與魏宗強等人的研究結(jié)果類似：南京城市硬化覆蓋下的土壤有機碳含量顯著低于透水地表下,因而導致硬化地表下土壤有機碳礦化作用弱于透水地表下[22-23]。但目前還沒有發(fā)現(xiàn)對城市幾種典型地表覆蓋類型下土壤碳循環(huán)進行系統(tǒng)研究的報道,特別是近年來在城市建設(shè)中使用日趨頻繁的透水鋪裝下土壤碳儲量和碳循環(huán)的研究幾乎沒有。因此,當前對于城市不同地表覆蓋類型下土壤有機碳礦化的動態(tài)變化差異及影響因素等方面的問題亟待進一步研究。

本文以北京市奧林匹克森林公園5種典型城市地表覆蓋類型(草坪、灌木、行道樹、植草磚、硬化地表)下的土壤為研究對象,通過對其有機碳礦化過程的研究,揭示了城市不同地表覆蓋類型下土壤有機碳礦化規(guī)律的差異及其與土壤基本理化性質(zhì)的關(guān)系,為制定科學有效的城市土壤管理措施、切實提高城市土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗樣地位于北京市朝陽區(qū)奧林匹克森林公園(40°01′3.00″N, 116°23′2.98″E),該公園建成于2008年,全園占地面積約680 hm2,地處華北平原邊緣地帶,屬于溫帶大陸性半濕潤季風氣候,四季分明,冬季寒冷干燥,盛行西北風,夏季高溫多雨,盛行東南風,年平均氣溫約11.6℃,降水集中,年平均降水量約600 mm,夏季降水量約占全年的75%。土壤類型為砂質(zhì)壤土。

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗共設(shè)置5種不同的地表覆蓋類型：草坪、灌木、行道樹、植草磚、硬化地表。其中草坪類型為面積大于100 m2的人工種植草坪覆蓋,草種為高羊茅(Festucaarundinace)；灌木類型為種植大葉黃楊(BuxusmegistophyllaLevl.)的綠化帶,綠化帶寬度約5 m,外圍是大理石硬化地表；行道樹類型為種植國槐(SophorajaponicaLinn.)的方形行道樹坑,邊長約1.5 m,外圍是水泥硬化地表；植草磚鋪設(shè)與公園停車位,其植草孔大小約40 cm2,孔內(nèi)種植草種類不明；硬化地表類型是面積大于100 m2的完全不透水的水泥覆蓋地表。5種地表覆蓋類型樣地均位于奧林匹克森林公園南園,氣候環(huán)境及原始土壤條件均相同。草坪、灌木、行道樹每年分別施肥2次、3次、1次,視情況再進行補施,使用的肥料均為復合肥。

1.3 土壤樣品采集

在2016年6月選擇晴朗的白天,于北京市奧林匹克森林公園中設(shè)置調(diào)查樣地,分別在5種地表覆蓋類型中均隨機選擇3塊有代表性的4 m×4 m樣方,采用多點混合采樣法分層采集土壤,土層深度分別為上層(0—15 cm)、中層(15—30 cm)、下層(30—45 cm),每個樣方采集3個重復,共獲得135個土壤樣品。樣品裝入無菌袋中帶回實驗室,部分土壤樣品立即放到4℃冰箱中保存,用于有機碳礦化培養(yǎng)及銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定；其余土壤自然風干,挑去石塊、植物根系等雜物后研磨,一部分過0.15 mm篩用于土壤總有機碳的測定,一部分過2 mm篩用于其他基本理化性質(zhì)的測定,密封并保存于干燥處。

1.4 試驗方法

1.4.1 土壤有機碳礦化培養(yǎng)

本試驗采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)、堿液吸收法測定土壤有機碳礦化量。將保存在4 ℃冰箱中的土樣取出一部分,放到28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)一周,使其從4 ℃狀態(tài)恢復到常溫狀態(tài)。預(yù)培養(yǎng)后,將相當于20 g干土的新鮮土均勻鋪在500 mL廣口瓶底部,調(diào)節(jié)含水量至田間持水量的60%,在廣口瓶中放入裝有5 mL 0.2 mol/L NaOH溶液的小燒杯,在廣口瓶口涂抹凡士林并加蓋密封,于28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)31 d,從開始培養(yǎng)后的第1、4、7、12、17、24、31 d測定CO2的釋放量：小心取出廣口瓶中的小燒杯,將堿液全部轉(zhuǎn)移至50 mL三角瓶中,于每瓶中加入2 mL 1 mol/L BaCl2溶液和2滴酚酞指示劑,用標準酸(0.2 mol/L HCl溶液)滴定至紅色消失,記錄滴定所用標準酸的量。每次測定后打開廣口瓶蓋子兩小時,以保證為土壤微生物呼吸提供足夠的氧氣,并用稱重法矯正土壤含水量。每份土樣均做2次重復,在同等實驗條件下用不加土樣的廣口瓶作為空白對照。

1.4.2 土壤基本理化性質(zhì)測定

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

由于本次試驗中對土壤有機碳礦化培養(yǎng)時間較短,該過程中消耗的有機碳為土壤活性有機碳,所以采用一級動力學方程對土壤有機碳礦化過程進行模擬[25],其表達式如下：

y=Cp×(1-e-kx)

其中,Cp表示土壤有機碳潛在礦化碳庫(mg/kg)；k表示礦化速率常數(shù)(d-1)；x表示培養(yǎng)天數(shù)(d)；y表示培養(yǎng)時間x(d)內(nèi)土壤累積有機碳礦化量(mg/kg)。模型參數(shù)采用非線性回歸方法進行擬合。

采用Excel 2013對試驗所得數(shù)據(jù)進行整理；重復試驗數(shù)據(jù)的平均值及標準差計算、不同地表覆蓋類型間理化性質(zhì)、土壤有機碳日均礦化量及累積礦化量的差異性檢驗、土壤有機碳礦化動態(tài)擬合以及土壤有機碳礦化參數(shù)與基本理化性質(zhì)之間的相關(guān)性檢驗采用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析,結(jié)合SigmaPlot 10.0進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試土壤的基本理化性質(zhì)差異比較

2.2 土壤有機碳礦化的動態(tài)及模擬

2.2.1 土壤有機碳日均礦化量及累積礦化量

圖1描述了本次試驗的各覆蓋類型及不同土層土壤有機碳在31 d內(nèi)的日均礦化量和累積礦化量的變化情況。有機碳日均礦化量即單位干土每天礦化的有機碳量,又叫有機碳礦化速率,土壤累積礦化量指的是在一段培養(yǎng)時間內(nèi)單位干土有機碳分解釋放的CO2-C總量,二者都是表征土壤有機碳礦化動態(tài)的重要指標。

隨著培養(yǎng)時間的延長,5種覆蓋類型土壤的有機碳日均礦化量都呈現(xiàn)下降趨勢,且階段特征較明顯：培養(yǎng)前12天屬于快速礦化過程,特征是礦化量大、降幅大、持續(xù)時間短；12天以后進入緩慢礦化過程,礦化量相對前期顯著減小、整體變化趨于平穩(wěn)。不同覆蓋類型土壤有機碳日均礦化量有較大差異,在培養(yǎng)的第1天,5類土壤有機碳日均礦化量均處在最高點,其中灌木達到38.71 mg kg-1d-1,顯著高于草坪和硬化地表,最低為硬化地表18.12 mg kg-1d-1,僅為灌木的46.80%。；至培養(yǎng)的第7天,各類型土壤有機碳日均礦化量均大幅減少,其中草坪、灌木和硬化地表尤為明顯,分別是各自第1天日均礦化量的30.29%、52.9%和54.35%；到12天以后,土壤有機碳日均礦化量趨于平穩(wěn),保持在開始時的16.7%—45.55%,同時各類型間整體差異減小,但灌木、行道樹和植草磚的日均礦化量仍處于較高水平；至培養(yǎng)中后期(17天后),日均礦化量雖仍有小幅波動,但相對前中期較穩(wěn)定；24—31天時草坪和硬化地表之間無明顯差異,日均礦化量約為2.12 mg kg-1d-1,而灌木、行道樹和植草磚日均礦化量分別為7.6、6.29、8.44 mg kg-1d-1。方差分析表明,除硬化地表各土層間差異不顯著外,其他覆蓋類型的土層深度對有機碳日均礦化量均有顯著影響,整體表現(xiàn)為上層>中層>下層。

表1 不同地表覆蓋類型及土層深度下土壤基本理化性質(zhì)(平均值±標準誤)Table 1 Soil physico-chemical properties under various land cover types and soil depth(Mean±SE)

* 同一列的不同字母表示相同土層的不同地表類型之間有顯著差異(P<0.05),相同字母表示相同土層的不同地表類型之間差異不顯著(P>0.05)

表2 土壤理化性質(zhì)雙因素方差分析Table 2 Two way ANOVA results of soil physico-chemical properties

*表示在0.05水平上有顯著差異；**表示在0.01水平上有顯著差異,ns(not significant)表示差異不顯著;SOC:土壤總有機碳soil organic carbon;WSOC:水溶性有機碳water soluble organic carbon；TN: 總氮Total nitrogen；AK:速效鉀Available kalium

土壤有機碳累積礦化量表現(xiàn)出與日均礦化量變化相應(yīng)的變化趨勢：在培養(yǎng)前期快速增加,然后逐漸變慢。在礦化培養(yǎng)期間,除草坪和硬化地表的上層土壤有機碳累積礦化量差異不顯著、行道樹和植草磚的下層壤有機碳累積礦化量差異不顯著外,其余相同深度的不同覆蓋類型土壤有極顯著差異(P<0.01),上層土壤有機碳累積礦化量從大到小依次為植草磚>行道樹>灌木>草坪>硬化地表,中層和下層均表現(xiàn)為灌木>行道樹>植草磚>硬化地表>草坪。除灌木和硬化地表外,其余3種覆蓋類型下土壤有機碳累積礦化量都隨土層加深有顯著的下降,植草磚表現(xiàn)最為明顯,其中層和下層土壤有機碳累積礦化量僅為上層的50%左右。

2.2.2 土壤有機碳礦化模擬

根據(jù)不同地表覆蓋類型及土層深度下土壤在礦化培養(yǎng)期間各階段測定的CO2釋放量及計算出的土壤有機碳累積礦化量,運用一級動力學方程采取非線性回歸的方式對碳礦化進行擬合,得到Cp和k值,結(jié)果顯示在表2中,由擬合決定系數(shù)R2可知該模型擬合效果較好。Cp和k值是土壤有機碳礦化作用的表征,Cp值越大、k值越小表明土壤有機碳礦化作用越強,反之則越弱。

由表2可以看出,不同覆蓋類型下土壤的Cp值變化范圍為83.244—644.8 mg/kg。方差分析表明,相同土層的不同覆蓋類型土壤Cp值存在顯著差異(P<0.05),上層土壤Cp值以植草磚為最高,中、下層土壤以灌木為最高,各層土壤Cp值均以草坪覆蓋為最低；土層深度對土壤有機碳Cp也有顯著影響(P<0.05),但不存在明顯的規(guī)律。k變化范圍為0.033—0.229 d-1,草坪各土層均為最大,其次是硬化地表,灌木相對較小。Cp/SOC值(土壤有機碳礦化潛能占土壤有機碳含量的比重)是土壤固碳能力的體現(xiàn),該值越低表示土壤有機碳礦化能力越弱,有機碳固存能力越強。不同地表覆蓋類型土壤Cp/SOC值有顯著差異,其中硬化地表、植草磚和行道樹下土壤Cp/SOC值顯著高于草坪和灌木,尤其是硬化地表下各層土壤Cp/SOC值均達7%以上。

2.3 土壤有機碳礦化擬合參數(shù)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

圖1 不同地表覆蓋類型及土層深度下土壤有機碳日均礦化量及累積礦化量動態(tài)變化Fig.1 Daily mineralization and cumulative mineralization of soil organic carbon under various land cover types and soil depth

3 討論

3.1 城市土壤有機碳礦化規(guī)律

城市5種地表覆蓋類型下土壤有機碳礦化的變化趨勢一致,均表現(xiàn)為前期速度較快而后期顯著減緩,與自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機碳礦化過程類似[11,26]。礦化培養(yǎng)初期,土壤中易分解養(yǎng)分含量相對較高,能夠為土壤微生物的生長和代謝過程供應(yīng)充足的營養(yǎng)物質(zhì),使得土壤微生物數(shù)量和活力都大大提高,因此這段時間土壤有機碳礦化速率很快,而隨著培養(yǎng)時間的延長,土壤中的易分解有機碳不斷減少,微生物代謝活動逐漸受到營養(yǎng)源的限制,有機碳礦化速率則相對前期顯著降低,各地表覆蓋類型間的差異也逐漸縮小[27]。

表3 土壤有機碳礦化的一級動力學參數(shù)及Cp/SOC值(平均值±標準誤)Table 3 Parameters of the first-order kinetics and Cp/SOC values for the SOC mineralization(Mean±SE)

*小寫字母表示同一土層的不同地表覆蓋類型下土壤間Cp的比較,字母相同的表示差異不顯著(P>0.05,а=0.05),字母不同的表示差異顯著(P<0.05, а=0.05);Cp：有機碳潛在礦化碳庫 the potentially mineralizable carbon；k:礦化速率常數(shù)the mineralization rate constant(k)；SOC: 土壤有機碳 soil organic carbon

表4 土壤Cp、k與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 4 Relationship between parameters of SOC mineralization and soil chemico-physical properties

*P<0.05, **P<0.01

3.2 不同地表覆蓋類型下土壤有機碳礦化差異

本研究結(jié)果顯示,城市不同地表覆蓋類型下土壤有機碳礦化作用差異顯著。其中灌木、行道樹、植草磚下的土壤有機碳日均礦化量、累積礦化量、Cp均較大,k值較小,而硬化地表和草坪下土壤有機碳礦化作用則相對較弱。不難發(fā)現(xiàn),與前面三種地表覆蓋類型下的土壤相比,后兩者受到的人為干擾更嚴重：硬化地表阻礙地上地下空氣、水分、養(yǎng)分等物質(zhì)交換和能量流動,土壤微生物呼吸作用等代謝行為受到抑制[21,28]；草坪土壤雖然有較大的植被覆蓋度,但城市中的草坪受到人類活動的劇烈影響,導致其發(fā)育過程緩慢,土壤質(zhì)地較差,養(yǎng)分含量較低(表1)。這說明人類活動的干擾是影響城市土壤有機碳礦化的重要因素,但城市中人類活動對樣地的干擾程度很難進行控制和量化,未來可以建立專門的樣地以便對人為因素進行控制,同時結(jié)合野外樣地進行綜合研究,這樣既能提出人為因素的干擾又能確保反應(yīng)城市中真實的情況。

此外,通過比較發(fā)現(xiàn),行道樹和植草磚(這兩者為既有硬化覆蓋又有植被種植的地表覆蓋類型)下土壤的有機碳礦化速率、累積礦化量及Cp值顯著高于硬化地表下土壤,且上層土壤表現(xiàn)最為顯著,說明植被種植能夠顯著減輕硬化覆蓋對表層土壤有機碳礦化的消極影響：一方面,植被凋落物能夠加快表層土壤發(fā)育進程,有助于土壤有機質(zhì)的形成,另一方面,植物根系分泌物能夠為土壤微生物提供大量的營養(yǎng)和能量物質(zhì),提高微生物的種類、數(shù)量及代謝活性[29]。

3.3 土壤理化性質(zhì)對有機碳礦化的影響

3.4不同地表覆蓋類型下土壤固碳能力差異

從Cp/SOC值來看,草坪和灌木的固碳能力強于另外3種覆蓋類型下土壤,可能與這兩種覆蓋類型受硬化地表的影響較小且植被覆蓋度相對較高有關(guān)系,但不排除綠地養(yǎng)護過程中施肥灌溉增加了土壤有機質(zhì)的輸入；硬化覆蓋阻擋了地上地下的物質(zhì)循環(huán),盡管其有機碳礦化作用較弱,消耗的有機碳很少,但其有機質(zhì)的零輸入仍導致其固碳能力較差。行道樹和植草磚覆蓋下土壤的固碳能力也較弱,與硬化地表相似,說明植物對于增強硬化地表下土壤的固碳能力沒有起太大作用,可能是由于公園建成時間較短,建設(shè)過程及硬化覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)破壞較嚴重,短時間內(nèi)土壤發(fā)育不夠成熟,土壤粘粒含量低,團聚體不穩(wěn)定,進而導致其固碳能力較差；同時可以推測這兩種覆蓋類型下土壤較高的SOC、WSOC含量并非完全來源于土壤對空氣中碳的固定,而應(yīng)該有較大部分來源于人為的輸入,包括行道樹的定期施肥、埋管灌溉以及汽車尾氣排放通過增加大氣CO2濃度進而使植草磚土壤有機碳含量增加等外源有機碳輸入[32]。城市土壤固碳能力的影響因素較為復雜,包括人為干擾、植被類型和覆蓋度等[17],尚需深入研究。

4 結(jié)論

城市化過程中,當自然植被覆蓋被硬化覆蓋取代后,土壤固碳能力將被大大削弱,其碳儲量會顯著減少,土壤有機碳礦化受到抑制,進而對土壤發(fā)育過程產(chǎn)生消極影響,而行道樹、植草磚等能通過種植植物增加土壤有機物質(zhì)的輸入,幫助減輕硬化地表對土壤有機碳礦化的消極作用,促進土壤養(yǎng)分循環(huán)。

城市土壤有機碳礦化的最主要限制因子是土壤有機碳的含量,此外土壤pH值、養(yǎng)分含量、粘粒含量等理化性質(zhì)也能通過影響土壤有機碳含量及微生物活動等對土壤有機碳礦化過程產(chǎn)生影響。

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