城市绿地土壤温室气体通量及其人为影响因素研究进展

林 挺， 黄柳菁， 陈 敏， 邓一荣， 肖荣波*

(1.广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州 510006；2.广东省环境科学研究院，广东广州 510045)



城市绿地土壤温室气体通量及其人为影响因素研究进展

林 挺1,2， 黄柳菁2， 陈 敏1， 邓一荣2， 肖荣波1,2*

(1.广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州 510006；2.广东省环境科学研究院，广东广州 510045)

城市绿地作为城市生态系统重要的组成部分，它既是城市碳氮元素重要的储存库，也是温室气体不容忽视的排放源。城市绿地土壤温室气体通量除受原自然条件影响外，更多的受城市人为活动的影响。在自然因素和人为活动干扰的相互作用下，城市绿地碳氮库和碳氮流具有复杂性和多变性。因此，在综述城市绿地土壤温室气体通量研究进展的基础上，探讨了人为活动对城市绿地土壤温室气体通量的影响，并从城市绿地土壤温室气体通量变化的时空差异性、人为干扰对城市绿地土壤温室气体通量的直接和间接影响因子以及科学合理地规划城市绿地景观植被3个方面提出了研究展望。

土壤；城市化；城市绿地；温室气体；人为干扰

CO2、N2O和CH4是大气中具有温室效应的主要温室气体(Greenhouse Gas,GHG)，这3种气体的温室效应占所有温室气体温室效应的80%左右[1]。化石燃料燃烧和城市化过程中引起的土地利用方式的变化是大气中温室气体增加的主要原因[2]。快速发展的城市使越来越多的自然用地和农业用地转变为城市用地，深刻地改变了土壤的原始结构和功能，对土壤的理化性质、生物特征、碳氮循环造成深刻影响[3-4]。随着城市化进程的逐渐加强，城市绿地面积也在逐步扩大。城市绿地土壤温室气体的排放/吸收除了受原有土地类型和城市特定气候条件影响外，更多的受人为活动的干扰。人为踩踏压实、污染物质的注入、城市小气候以及养护措施等均可影响城市绿地土壤温室气体的通量。关于土壤温室气体通量的研究，目前国内外主要集中在自然生态系统和农业生态系统，对城市绿地土壤温室气体通量研究较少，这或许会成为区域乃至全球温室气体排放源研究的一大缺口。因此，研究由自然、农业土壤转变而来的城市绿地土壤温室气体通量变化特征以及找出人为干扰引起的土壤温室气体通量变化的关键因素，对科学合理地规划城市景观绿地、准确估算城市大气中温室气体浓度、减少碳排放、控制城市热岛效应具有重要的科学意义。

1 城市绿地土壤温室气体通量特征

1．1 城市绿地土壤CO2通量城市绿地土壤一般比城郊农业土壤和自然土壤具有更高的CO2通量[5]。美国菲尼克斯城区不同土地利用类型的土壤CO2通量变化范围在42.96～1 244.88 mg/(m2·h)之间，其中草坪和高夫球场的CO2通量比农业用地高[6]。美国柯林斯堡城区草坪土壤CO2通量速率是玉米地、小麦田和天然矮草草地的2.5～5.0倍，草坪仅占研究区域面积的6.4%，但其土壤CO2通量占全区土壤CO2通量的24%[7]。表1统计了自然生态系统、农业生态系统与城市绿地CO2通量年均值。从统计的数据来看，城市绿地土壤较一些自然生态系统及农业生态系统土壤具有更高CO2通量。

但也有研究表明，城市化降低了城市绿地土壤CO2通量。在菲尼克斯城郊梯度研究中，乡村地区的土壤CO2通量比城区样地土壤高79%，比近郊的样地高49%[8]。Schimel利用遥感技术发现，在干旱和半干旱地区，城市化引起土壤CO2通量的降低[9]。Brenda等通过环境等级方法对城乡梯度土壤呼吸研究发现，城市化引起绿地土壤氮的可获得性增加，限制了绿地植被细根的生长，从而使得干旱和半干旱地区城市绿地土壤呼吸程度低于乡村[10]。

城市草坪一般比其他植被类型绿地土壤具有更高的CO2通量。美国菲尼克斯城市绿地土壤呼吸值为499.46～1 797.08 mg/(m2·h)，草坪CO2通量显著高于灌丛[17]。张香鸽通过静态箱观测方法研究发现，南京市中山植物园3种植被类型土壤呼吸速率具有显著差异，表现为草坪>疏林>近自然林[15]。梁晶等测定了上海城区9种植物群落的土壤呼吸速率，结果发现草坪群落CO2的年均释放量最大，达到了33.18 t/(hm2·a)，是乔木林的1.95倍，是灌木丛的2.12倍[18]。孙倩等研究发现，上海植物园中典型的人工植物群落土壤呼吸速率大小的变化趋势为草乔灌，且3种植被类型之间的土壤呼吸速率存在极显著差异[19]。李熙波对福州市内的闽江公园不同植被类型土壤呼吸速率观测发现，片林植被碳库要明显高于比邻草坪，同时也具有更高的生态系统总碳库[20]。

表1 不同生态系统CO2通量年均值的比较

1．2 城市绿地土壤CH4通量从目前已有的研究结果来看，城市化可能降低了绿地土壤对CH4的吸收能力，使得CH4排放与吸收交替进行。纽约城乡梯度样带研究显示，城市绿地疏林CH4的吸收通量在87.5～287.5 μg/(m2·h)之间，农村和郊区林地CH4吸收通量明显高于城市[21]。在巴尔的摩长期样地CH4通量研究中，郊区近林地的CH4吸收通量为70 μg/(m2·h)，而城区内密林只有9.583 μg/(m2·h)，城市草坪样地几乎不吸收CH4，是大气CH4的弱吸收汇[22]。Kaye等的研究发现，美国菲尼克斯城市草坪吸收CH4的能力只有科罗拉多州高原草地的50%[23]。我国上海城市草坪CH4通量日变化呈排放与吸收交替进行的特点，年均吸收量为12.59 μg/(m2·h)，是大气CH4的弱吸收汇[16]。表2统计了不同地区生态系统间CH4通量年均值，与自然土壤相比，城市绿地土壤是CH4的吸收汇，但其吸收强度明显小于自然生态系统。

表2 不同地区不同生态系统间CH4年均通量比较

1.3 城市绿地土壤N2O通量目前针对城市绿地土壤N2O通量的研究较少，只在部分城市展开。美国巴尔的摩城市绿地N2O通量明显高于郊区林地，通量范围在16.15～16.16 μg/(m2·h)之间，大气氮沉降及城市绿地施肥可能加速了城市绿地N2O的排放[22]。上海市城市草坪是N2O排放源，其排放强度较我国温带自然系统偏高[16]。表3统计不同地区生态系统间N2O年均排放通量。城市绿地土壤N2O的排放量高于部分生态系统，产生差异的原因可能是气候、土壤微生物、植被以及施肥等多方面综合作用的结果。

表3 不同生态系统间N2O年均通量比较

2 人为活动对城市绿地土壤温室气体通量的影响

2．1 城市绿地土壤的物理退化严重的压实现象是城市绿地土壤物理退化的主要表现。在公园、道路边等公共绿地，土壤压实主要是人为践踏的影响所致。方海兰等对上海新建的18块绿地土壤调查分析发现，城市绿地土壤通气性差，83.2%的土壤通气空隙度为5%[37]。重庆市主城区绿地土壤容重变幅为0.96～1.74 g/cm3，平均值为1.42 g/cm3，存在明显的压实现象[38]。合肥城区内不同绿地类型土壤容重均值为1.40 g/cm3，明显高于近郊森林公园1.25 g/cm3[39]。

城市绿地土壤物理功能的退化使得土壤微生物生活的空间发生变化，从而在一定程度上会影响土壤温室气体的通量[40]。庞学勇等研究发现，成都城市绿地土壤CO2通量明显受露营和人为践踏的影响，露营和人为践踏区土壤CO2通量明显地低于对照区[41]。而土壤产甲烷菌氧化能力则与土壤容重和氧化还原电位(Eh)呈相关性，当Eh值从-200 mV下降到-300 mV时，土壤CH4排放量增加了17倍[42]。

2．2 城市绿地土壤有机碳有机碳是绝大多数土壤微生物的主要能源和基质，其含量的高低直接影响微生物的活性，从而影响到土壤温室气体的通量[43]。城市绿地土壤中有机碳含量比农业土壤和一些自然土壤中的有机碳含量高[5]。美国城市绿地土壤有机碳密度约为(7.7±0.2)kg/m2，草坪土壤有机碳含量甚至比美国部分森林土壤高[44]。美国菲尼克斯城市绿地灌丛间和林地下的有机碳含量比近郊和远郊的土壤含量高，且无机碳含量也要高[7]。我国杭州城区表层土壤有机碳贮量约为近郊和远郊区农业土壤的4.3和5.7倍[45]。

有机肥料和化学肥料的施用可能是城市绿地土壤有机碳含量高的主要原因之一，它能够改变土壤有机碳及营养元素的含量，激发微生物的活性，从而促进了土壤温室气体的产生与排放[46-48]。化学氮肥施用可减少土壤CH4的排放量，而有机肥施用对原有机质含量低的土壤而言可大幅增加CH4的排放量[49]。此外，Gregorich等发现，土壤N2O气体的通量与土壤氮肥的增施量呈明显的线性关系[50]。

2．3 土壤的温度和湿度土壤的温度和湿度是影响城市绿地温室气体产生与排放的关键因素。土壤温度升高以及水分的变化可改变土壤的氧化还原电位、透气性、pH等，激发微生物活性，提高土壤有机质分解速率，从而影响土壤温室气体排放[51]。

城市地区“热岛效应”使得城市地区的温度总体高于郊区，且这种差异随城市规模扩大有增加的趋势[52-53]。美国巴尔的摩长期生态样地的研究表明，城市绿地林地与郊区森林样地的土壤温度相差约0.7 ℃，城区内草坪和林地之间最大温差能达到5.3 ℃[54-55]。尽管城市热岛效应导致城市绿地土壤温度普遍高于郊区土壤，但目前城市中热岛效应对于温室气体通量的直接影响还鲜见报道。

城市区域性降雨、水文格局以及不同的人为灌溉模式均可引起土壤水分的变化。在菲尼克斯，土壤水分是决定城市灌丛土壤CO2通量的重要因素[56]。巴尔的摩地区城市草坪土壤与林地相比几乎不吸收CH4，原因可能是其生长季灌溉使其表层(0～10 cm)水分含量高于林地[22]。在温度相同的条件下，灌溉和耕作能明显增强土壤呼吸，灌溉地土壤CO2通量的平均值大约是未灌溉地的2.3～2.4倍[57]。

2．4 城市绿地土壤污染城市土壤由于受到重金属污染，将通过增加土壤微生物呼吸量，改变土壤微生物对土壤能源碳氮的消耗量和消耗速度，从而导致有机质转化能力和养分循环能力的改变，最终影响土壤碳周转过程[58]。Lorenzn等对德国斯图加特市10个不同土地利用类型的土壤剖面进行了分析，结果发现微生物碳、氮的最低值出现在铁路区域和公共停车场，最高值出现在园林区域和有人管理的公园林地，交通路段土壤容易受到环境污染影响，汽车尾气中的铅污染是影响土壤微生物活性的重要因素[59]。Goldman等对沿着城市-乡村样带森林土壤CH4和氮获取量进行分析表明，由于城市空气污染(特别是臭氧含量增加)对林地树叶的破坏造成土壤有机质分解速率小，碳、氮在土壤微生物中的含量减小，结果表现为城市土壤CH4消耗量比乡村小[21]。

另外，城市生活垃圾、生活污水对城市绿地土壤温室气体的排放也有一定影响。城市绿地中生活垃圾的添加能提高土壤有机质的含量和微生物的活性，采用生活污水灌溉比用河水灌溉的城市花园土壤具有更高的CO2和N2O通量[60-61]。而Wolna-Maruwka等发现，采用生活污水灌溉的样地土壤中微生物的组成并没有发生显著变化，土壤微生物呼吸的强度下降[62]。

2．5 大气环境城市大气环境中的SO2、NOx及气溶胶等污染物浓度也会对绿地土壤温室气体的排放产生直接或间接的影响。Lovett等发现纽约城区中大气沉降中的N、S、Ca等元素含量明显高于城郊地区，大气中的氮沉降有助于加速凋落物的降解[63]。此外，大气中颗粒物对于土壤呼吸具有不同的影响，细粒子的沉降能显著增加土壤呼吸[64]。

3 展望

世界范围内的城市化加剧了自然用地和农业用地向城市用地的转化，改变了土壤的碳氮库，因而城市绿地土壤温室气体通量与自然土壤和农业土壤呈现出截然不同的特点。城市化过程中人为干扰严重改变了绿地土壤原有的理化性质和生物特征，使得温室气体的排放/吸收受到影响。因此，在自然因素和人为干扰的交互影响下，城市绿地温室气体通量具有复杂性和多变性。尽管科学工作者在这方面已做了一些工作，但仍存在较多的未知领域和不确定因素，需要人们去挖掘和探讨[21-22]。

(1) 进一步加强城市绿地土壤温室气体排放/吸收变化时空差异性的研究。城市绿地土壤温室气体通量受城市所处的地理气候条件的影响，湿润、半湿润、干旱和半干旱地区城市绿地土壤温室气体通量变化情况呈现不同特点。因此，未来在估算城市绿地土壤温室气体通量的研究中要充分考虑不同区域环境、不同气候条件的影响以及深入了解城乡梯度上土壤温室气体排放/吸收量变化差异，这能为区域乃至全球碳氮循环的准确估测和全球气候变化预测提供数据支持。

(2) 加强人为干扰对城市绿地土壤温室气体通量的直接和间接影响的研究。城市化引起的土壤理化性质的改变是一个复杂的过程。城市土壤温室气体的通量除了受原有自然条件的影响外，更多受人为活动的影响。找出不同区域和气候环境下城市绿地土壤温室气体变化的关键因素，能更好地理解城市化过程土壤温室气体通量变化的原因和机理。未来可以考虑在城市绿地设置各种人为干扰的控制试验，深入研究不同人为干扰活动对土壤温室气体通量的影响。

(3) 加强低碳导向型城市绿地植被景观规划。城市绿地是城市中一个不容忽视的碳氮汇。尽管有许多研究表明，城市草坪比其他植被类型绿地有更高的温室气体通量，但是这个结论仍受到许多不确定因素影响。未来可考虑将当前森林清查的规程引入城市绿地植被调查，加强对不同区域和气候条件下的城市绿地不同类型植被土壤温室气体通量的长期监测。这对城市绿地的合理配置、丰富树种组成、有效控制城市热岛效应、减少城市温室气体浓度、构建低碳导向型城市具有重要作用。

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Research Progress in Greenhouse Gas Fluxes of Urban Green Spaces and Its Artificial Factors

LIN Ting1,2, HUANG Liu-jing2, CHEN Min1, XIAO Rong-bo1,2*et al

(1. College of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou,Guangdong 510006; 2. Guangdong Provincial Academy of Environment Science, Guangzhou, Guangdong 510045)

As the important part of urban ecosystem, urban green spaces are significant repositories for urban carbon and nitrogen element, and also the emission sources of greenhouse gases. Human activities have played a stronger impact than nature conditions on the emissions/absorption quantity of soil greenhouse gases. Under the interaction between natural factors and anthropogenic interferences, carbon-nitrogen pool flow of urban green spaces become complicated and varied. Therefore, the research progress of greenhouse gas flux of soil green-house gases in urban green spaces were summarized, and then the impact of urban human activities on greenhouse gas emissions/absorption was explored. The changes of greenhouse gas emissions/absorption in temporal and spatial difference, the direct and indirect effects of human disturbance factors as well as planning urban green spaces landscape vegetation scientifically and rationally were proposed as the research prospects.

oil; Urbanization; Urban green spaces; Greenhouse gas; Anthropogenic interference

国家自然科学基金项目(41301058，41201601)；广东省自然科学基金项目(S2013040011866)；广东省低碳技术创新与示范重大科技专项(2012A010800011)。

林挺(1990- )，男，广东汕头人，硕士研究生，研究方向：城市生态学。*通讯作者，教授级高级工程师，博士，从事城市生态学研究。

2014-12-15

S 181.3;X 171

A

0517-6611(2015)04-266-05