北京市公园土壤黑碳含量特征及来源分析

2017-11-15 01:45巩文雯于晓东韩平王纪华李樱
生态环境学报 2017年10期
关键词:五环来源北京市

巩文雯,于晓东,韩平,王纪华,李樱

1. 北京农业质量标准与检测技术研究中心,北京 100097;2. 清华大学环境学院,北京 100084;3. 唐山工业职业技术学院,河北 唐山 063299;4. 环境保护部环境保护对外合作中心,北京 100035

北京市公园土壤黑碳含量特征及来源分析

巩文雯1,2,于晓东3,韩平1*,王纪华1,李樱4*

1. 北京农业质量标准与检测技术研究中心,北京 100097;2. 清华大学环境学院,北京 100084;3. 唐山工业职业技术学院,河北 唐山 063299;4. 环境保护部环境保护对外合作中心,北京 100035

通过对北京市五环内44个典型公园的表层土壤进行取样调查,测定了土壤有机碳(OC)和黑碳(BC)的质量分数,研究了土壤BC的分布特征,并分析了土壤OC和BC之间的相关关系及BC的可能来源。结果表明,北京市公园表层土壤OC质量分数范围为1.76~19.61 g·kg-1,平均值9.08 g·kg-1;BC质量分数相对较低,变化范围为0.46~6.25 g·kg-1,平均值2.16 g·kg-1。土壤OC和BC之间存在极显著正相关关系(r=0.788,P<0.01),表明BC组分对土壤固碳和有机质累积具有重要作用,BC对北京市公园土壤有机质含量增高的贡献不可忽略。北京市五环内公园土壤的 w(BC)/w(OC)均值为 0.23,反映了BC主要来源为生物质和化石燃料燃烧共同作用的结果。总体上,四环和五环附近公园土壤的w(BC)/w(OC)值(0.23和0.19)略低于三环和二环以内的公园土壤(0.26),但Kruskal-Wallis非参检验结果显示,除了三环和五环公园外,其他不同环线附近公园土壤的w(BC)/w(OC)值并无显著性差异,总体较为接近,表明城市公园土壤的BC来源呈现类似的特征。该研究有助于更好地了解北京城市化过程中人类活动对公园土壤中BC的影响,为区域乃至全球土壤有机碳库及碳循环研究提供数据补充。

公园土壤;有机碳;黑碳;含量;来源

黑碳(BC)是化石燃料和生物质不完全燃烧的产物,具有一定的生物化学惰性和热稳定性,广泛存在于大气、水体、土壤、沉积物和冰川等各种环境介质中,在全球生物地球化学循环中起到重要作用(Goldberg,1985;Kuhlbusch,1998;Masiello et al.,1998)。BC来源丰富且属于陆相来源,一部分 BC经过风力搬运进入大气,并通过雨水沉降、地表径流等作用进入到沉积物体系中,但大部分BC会直接进入土壤体系(Glaser et al.,2000;Song et al.,2002)。据估算,全球每年BC排放50~270 Tg,其中80%以上保存在陆地土壤中(Kuhlbusch et al.,1995)。在高度发展的城市中,BC的来源较为丰富,化石燃料和生活垃圾的燃烧都相对比较集中,并产生了规模可观的黑碳类物质(王曦等,2016)。城市土壤被认为是重要的碳库,BC在城市土壤有机碳(OC)中占有较大的比重(Liu et al.,2001;Hamilton et al.,2013)。高度的城市化发展,高密度的人类活动,使城市土壤中BC含量也日益增多(罗上华,2014),直接影响到城市土壤物理化学性质、土壤肥力、有机污染物组成等,进而对它们的生态环境效益产生重要的影响。

公园是重要的城市休闲娱乐场所,与人们日常生活联系紧密。北京市绿化覆盖率超过48%,其中公园绿地面积约183.86 km2,人均公园绿地面积16 m2。城市公园绿地是城市绿地系统中面积相对最大的组成部分,随着城市化进程的推进和城市用地面积的扩大,其在全球碳循环中的作用也越来越重要。本研究以北京市五环内公园土壤为研究对象,通过测定表层土壤中BC和OC的含量,并分析土壤中BC的分布及来源,了解北京城市化过程中人类活动对公园土壤中BC的影响,为城市土壤有机碳库的研究提供数据支持,同时也为被污染土壤的修复过程提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

选取北京市五环内 44个代表性公园为研究对象,每个采样点按照随机多点混合的方式,随机选取5个点采集表层0~10 cm的土样进行混合。采样点分布分别如图1所示。二环内采样点分别为:S21官园公园、S22南馆公园、S23中山公园、S24景山公园;三环附近采样点分别为:S12紫竹院公园、S13元大都遗址、S14人定湖公园、S15地坛公园、S20玉渊潭公园、S25日坛公园、S26团结湖公园、S31莲花池公园、S32万泉公园、S33陶然亭公园、S34方庄体育公园、S35龙潭公园、S39万芳亭公园;四环附近采样点分别为:S6四季青公园、S7双榆树公园、S8马甸公园、S9太阳宫公园、S11枫林公园、S16北京悠客公园、S18阳光星期八公园、S19玲珑公园、S27红领巾公园、S30万丰公园、S36窑洼湖公园、S38丰台花园、S41海子公园、S42石榴庄公园;五环附近采样点分别为:S1玉东公园、S2东升八家公园、S3如苑公园、S4望京公园、S5黑塔公园、S10将府公园、S17姚家园公园、S28兴隆公园、S29小屯公园、S37古塔公园、S40御康公园、S43宣颐公园、S44海棠公园。

1.2 样品分析方法

将土壤样品风干,除去石块、草根等杂物后,采用四分法留取一部分土样并研磨,依次过10目、60目和100目的分样筛,标记后备用。

采用重铬酸钾-硫酸消化法测定土壤中 OC的含量(文启孝,1984),具体步骤为:向定量样品中加入Ag2SO4,再缓慢滴加K2Cr2O7-H2SO4溶液,于185~190 ℃甘油浴中加热5 min,冷却后稀释,以邻菲罗啉为指示剂,用FeSO4标准溶液滴定至终点,在800 ℃下用马弗炉灼烧样品进行全过程空白试验,通过计算求出OC质量分数。

采用化学氧化法提取土壤中的BC样品(Lim et al.,1996;Song et al.,2002),基本步骤如下:(1)称取约3 g过100目的自然风干样品;(2)加入15 mL 3 mol·L-1盐酸反应24 h,以除去样品中的碳酸盐;(3)加入 15 mL 15 mol·L-1的氢氟酸和 1 mol·L-1的盐酸反应24 h,以除去硅酸盐包裹的碳酸盐;(4)加入15 mL 10 mol·L-1的盐酸反应24 h,以除去副产物 CaF2;(5)加入 15 mL 0.1 mol·L-1重铬酸钾和2 mol·L-1硫酸混合物,在(55±1) ℃下反应 60 h,以除去有机碳;(6)将剩余样品离心并烘干即为所提取的土壤和沉积物中的BC样品;(7)利用元素分析仪测定BC质量分数。

1.3 数据处理和分析

采用SPSS v 20.0软件中的Pearson相关性分析和 MsExcel®软件对数据进行相关性分析;采样SPSS v 20.0软件中的Kruskal-Wallis非参检验方法进行显著性差异分析;采样 Origin software 9.0(OriginLab)进行统计图的绘制。

2 结果与讨论

2.1 北京公园土壤BC质量分数及分布特征

图1 采样点分布图Fig. 1 Location of sampling sites

北京市五环内公园土壤的OC和BC质量分数的统计结果见表1。从表1可知,二环及以内公园土壤 OC 质量分数为 5.70 g·kg-1(2.42~8.78 g·kg-1),BC 质量分数为 1.44 g·kg-1(0.76~2.51 g·kg-1);三环附近公园土壤 OC质量分数为 11.42 g·kg-1(1.91~18.94 g·kg-1),BC 为 3.09 g·kg-1(0.49~6.25 g·kg-1);四环附近公园土壤 OC质量分数为 10.41 g·kg-1(2.06~15.16 g·kg-1),BC 为 3.09 g·kg-1(0.49~ 6.25 g·kg-1);五环附近公园土壤 OC 质量分数为 8.77 g·kg-1( 1.76~19.61 g·kg-1),BC 为 1.64 g·kg-1(0.46~5.41 g·kg-1)。总体上,三环及四环附近公园土壤的OC和BC质量分数较高,而二环以内和五环附近公园土壤的OC和BC质量分数相对较低。北京市公园表层土壤 OC平均质量分数为 9.80 g·kg-1,最低值为 1.76 g·kg-1(S44,海棠公园),最高值为19.61 g·kg-1(S10将府公园)。就BC而言,其质量分数变化范围为0.18 g·kg-1(S40,御康公园)~6.25 g·kg-1(S31,莲花池公园),平均值为 2.16 g·kg-1。由于BC的化学性质稳定,可以在土壤中常年累积,个别样点BC质量分数较高,说明该区域土壤BC累积程度较为严重,有可能是累积历史较长,也可能是BC输入量较大造成。

表1 北京市五环内公园土壤有机碳(OC)和黑碳(BC)质量分数统计特征Table 1 Statistical characteristic of organic carbon (OC) and black carbon (BC) mass fraction in Beijing urban park soils

图2所示为按北京环线分组的公园土壤BC的分布特征。二环以内的4个采样点土壤OC和BC质量分数均较低;三环附近的 13个采样点中,除S15地坛公园和S33陶然亭公园外,其他公园土壤OC和BC质量分数均较高,尤其是S31莲花池公园;四环附近的14个采样点中,除S7四季青公园、S27红领巾公园和 S41海子公园等各别样点的土壤BC含量较低外,整体上土壤OC和BC值均较高;而五环附近的13个采样点中,除了S4望京公园和S10将府公园的土壤BC含量较高外,整体土壤OC和BC值均较低。

图2 北京市五环内公园土壤有机碳和黑碳的分布特征Fig. 2 Distribution of OC and BC contents in Beijing urban park soils

根据BC在土壤中的含量范围,将土壤BC含量水平进行分级,分别为:一级(<1 g·kg-1)、二级(1~5 g·kg-1)、三级(5~10 g·kg-1)和四级(>10 g·kg-1)(何跃等,2007)。土壤BC含量样品数频率分布统计结果表明(图3),北京市公园土壤BC含量频率分布表现为一级和二级的样本最高,分别有 13和28个样本,占总样本的30%和64%。

图3 北京市五环内公园土壤黑碳含量样品数频率分布特征Fig. 3 Frequency of BC content in Beijing urban park soils

本研究选取了其他城市公园土壤BC质量分数及w(BC)/w(OC)值进行比较。从表2可知,本研究中北京市公园土壤BC质量分数与上海市(徐福银等,2014)、南京市(何跃等,2006;王曦等,2016)相当,但明显低于英国格拉斯哥等城市(Rawlins et al.,2008;Edmondson et al.,2015)以及德国斯图加特市(Lorenz et al.,2006)等重工业城市。

2.2 北京公园土壤OC与BC相关性分析

研究表明,城市土壤中BC的存在及含量会影响土壤有机质的组成特征(Lorenz et al.,2005)。图4所示为北京公园土壤的OC和BC的关系图,由图可知,北京公园土壤的OC含量随着BC含量的升高而升高,土壤OC和BC含量之间存在极显著线性相关关系(r=0.788,P<0.01)。本研究结果与前人的研究一致(Glaser et al.,2003;徐福银等,2014;朱哲等,2016;占长林等,2017)。也有研究认为,土壤OC含量与BC含量的对数值之间具有线性关系(何跃等,2006;何跃等,2007;He et al.,2009),这可能与研究区域不同输入来源或不同土地利用方式等有关。例如,何跃等(2006)对不同功能区土壤OC和BC含量相关关系进行分析,得到路边绿化带、公园、学校、居民区土壤中 OC和BC含量分别存在线性相关关系,但郊区菜地土壤OC和BC含量之间无显著相关关系,最终将所有城市土壤同时进行拟合,结果显示OC含量与BC含量的对数值之间具有线性关系。总体而言,北京市公园土壤的OC和BC含量之间良好的正相关性,表明城市土壤有机质构成中 BC成分占据重要地位,BC对北京市公园土壤有机质含量增高的贡献不可忽略。

图4 北京市五环内公园土壤黑碳和有机碳的相关性Fig. 4 Correlation of OC and BC contents in Beijing urban park soils n=44

2.3 北京公园土壤BC来源分析

由于BC具有一定的生物和化学惰性,可以长时间存留在土壤和沉积物体系中。一方面BC能够使土壤和沉积物中的有机质呈富集趋势,另一方面也具有一定的环境指示意义。常见的BC来源辨析方法有黑碳形态特征分析(Sümegi et al.,2001;Scott,2010)、碳同位素分析(Lehndorff et al.,2015)、w(BC)/w(OC)比值(Gatari et al.,2003;Wang et al.,2014;何跃等,2007;徐福银等,2014)和焦炭/烟炱比值(Zhan et al.,2015;占长林等,2016,2017)等。研究发现,w(BC)/w(OC)值与人为活动过程紧密相关,其大小不仅在一定程度上反映了土壤和沉积物体系的污染程度,同时也可以反映BC的来源情况(Muri et al.,2002;Viidanoja et al.,2002;Gatari et al.,2003)。通常认为,当 w(BC)/w(OC)值为(0.11±0.03)时,表明 BC主要来源于生物质燃烧;w(BC)/w(OC)值在0.5左右时,则表明BC主要来源于化石燃料的燃烧(Muri et al.,2002;Gatari et al.,2003)。

表2 本研究与其他城市公园土壤BC质量分数及w(BC)/w(OC)值的比较Table 2 Comparison of BC mass fraction and w(BC)/w(OC) ratios in studied soils and in soils of other cities

本研究采用 w(BC)/w(OC)比值对公园土壤 BC的可能来源进行分析。结果表明,北京市五环内公园土壤的w(BC)/w(OC)均值为0.23,反映了BC的主要来源为生物质和化石燃料燃烧共同作用的结果。通过分析各个样点的w(BC)/w(OC)值发现,样点S37(古塔公园)的w(BC)/w(OC)值最低,为0.04,而样点S27(红领巾公园)的w(BC)/w(OC)值最高,达到了0.34。通过对两地的实地考察,发现地处东四环繁华地带的红领巾公园附近的机动车量明显比靠近东五环偏僻地带的古塔公园高,人为干扰的影响也更大更复杂。总体上,四环和五环附近公园土壤的w(BC)/w(OC)值(0.23和0.19)略低于三环和二环以内的公园土壤(0.26)。然而,Kruskal-Wallis非参检验结果显示,除了三环和五环附近公园土壤w(BC)/w(OC)值具有显著性差异(P<0.05)外,其他不同环线附近公园土壤的w(BC)/w(OC)值并无显著性差异,总体较为接近。

将本研究结果与其他城市公园土壤w(BC)/w(OC)结果进行比较(表2),发现本研究中北京市公园土壤的 w(BC)/w(OC)值(0.23)与上海市(0.19)(徐福银等,2014)、南京市(0.26)(何跃等,2006)、英国格拉斯哥等城市(0.23)以及东北部等城市(0.28~0.39)(Rawlins et al.,2008;Edmondson et al.,2015)的值较为接近,反映了在相似的管理措施等人为干扰作用下,城市公园土壤的BC来源呈现类似的特征。值得注意的是,同样对南京市公园土壤进行研究,王曦等(2016)得到的土壤w(BC)/w(OC)值(0.41)高于何跃等(2006)的结果(0.26)。这可能是由于BC测量方法或取样位点的差异,也有可能是 10年间工业排放、汽车尾气及燃料燃烧等人为活动对土壤中BC含量产生了显著的影响。例如,有研究报道杭州市绿地土壤的BC含量随着绿地年龄的增加而呈现增加的趋势(Liu et al.,2010)。因此,在比较各地土壤BC含量和来源或在此基础上估算其固碳能力时,需要将不同研究的取样方法、BC测量方法及研究时间等影响因素考虑在内。

3 结论

本研究对北京市五环内 44个典型公园表层土壤BC和OC的含量进行了测定,并分析了土壤OC和BC之间的相关关系及BC的可能来源。总体而言,北京市公园表层土壤的BC含量与上海市和南京市公园土壤BC含量相当;不同环线附近公园土壤的w(BC)/w(OC)值总体较为接近,与其他城市公园土壤w(BC)/w(OC)值也非常接近,反映了在相似的管理措施等人为干扰作用下,城市公园土壤的BC来源呈现类似的特征。目前针对公园土壤有机碳库的相关研究仍然较少,国内仅集中在北京、上海、南京等大城市及周边。同时,由于地理位置及气候条件差异较大,土壤采样深度及测定方法、时间尺度和空间尺度不统一等问题,导致相关研究结果的比较存在一定的困难。因此,亟需更系统地开展城市公园土壤BC含量及分布特征研究,分析不同因素对其分布特征的影响,并通过定量化指标来指示公园土壤受人类活动的影响程度。

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Concentrationand Potential Sources of Black Carbon in Soils in Beijing Urban Parks

GONG Wenwen1,2, YU Xiaodong3, HAN Ping1*, WANG Jihua1, LI Ying4*
1. Beijing Research Center for Agriculture Standards and Testing, Beijing 100097, China; 2. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084,China; 3. Tangshan Polytechnic College, Tangshan 063299, China;4. Foreign Economic Cooperation Office, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100035, China

The mass fraction and distribution characteristics of organic carbon (OC) and black carbon (BC) of surface soils taken from 44 typical parks in Beijing urban parks were studied, and the relationship between OC and BC was investigated to get insights into the potential sources of BC. The results showed that the mass fraction of OC was from 1.76 to 19.61 g·kg-1with the average mass fraction of 9.08 g·kg-1; and the mass fraction of BC was relatively lower, ranged from 0.46 to 6.25 g·kg-1, and the average mass fraction of BC was 2.16 g·kg-1. The significant correlation between OC and BC (r=0.788, P<0.01) indicated that the contribution of BC to the increase of organic matters of soil in Beijing urban parks was very important. In addition, the average ratio of w(BC)/w(OC) of all soil samples was 0.23, and the ratios of w(BC)/w(OC) of different urban park soils were close, which were 0.26,0.26, 0.23 and 0.19, respectively. Generally, the w(BC)/w(OC) ratios of soil from parks in the 4thand 5thring roads were slightly lower than that from parks in the 3rdand 2ndring roads. However, the results of Kruskal-Wallis tests showed that no significant difference was found among the w(BC)/w(OC) ratios of soils from urban parks in different ring roads, except parks in the 3rdand 5thring roads, indicating that the BC sources of different urban park soils seems to be similar. This study provided insights into the effect of human activities on the BC content of park soils during the process of urbanization, and could provide an data supplement for the reaearch on regional and even global soil OC pool and carbon cycle.

park soils; organic carbon; black carbon; concentration; sources

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.021

S153.6+1; X144

A

1674-5906(2017)10-1795-06

巩文雯, 于晓东, 韩平, 王纪华, 李樱. 2017. 北京市公园土壤黑碳含量特征及来源分析[J]. 生态环境学报, 26(10):1795-1800.

GONG Wenwen, YU Xiaodong, HAN Ping, WANG Jihua, LI Ying. 2017. Concentrationand potential sources of black carbon in soils in Beijing urban parks [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(10): 1795-1800.

国家自然科学基金项目(212647002);中国博士后科学基金项目(2016M600099)

巩文雯(1987年生),女,博士,研究方向为有机污染化学。E-mail: gongww@brcast.org.cn

*通信作者,韩平,hanping1016@163.com;李樱,li.ying@mepfeco.org.cn

2017-08-14

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