城市化进程中土地利用方式改变对土壤有机碳库的影响——以上海三林楔形绿地为例

张青青，梁 晶，*，伍海兵，郑思俊，黄军华

(1.上海市园林科学规划研究院，上海 200232； 2.上海城市困难立地绿化工程技术研究中心，上海 200232)

随着城市化的快速发展，房屋建筑、道路、停车场、城市广场等封闭土壤的数量急剧增加，如杭州湾封闭土壤从1994年的2.7%增加到2003年的4.7%[1]，造成土壤有机碳储量持续下降，土壤资源和环境压力日益增大。这迫切需要进行土地利用方式的转变，且由最初的因建筑物、道路等建设产生大面积封闭土壤到后期注重绿地建设[2]，以期增加土壤有机碳储量、缓解温室效应。

目前开展了一些关于城市不同土地利用覆盖变化下相应的有机碳变化的研究[3-5]。陈浩等[6]发现，南京市2010年封闭土壤有机碳含量的均值为6.7 g·kg-1，比开放土壤低54.7%；且由于封闭土壤阻碍了土壤有机碳的来源，1980—2010年封闭土壤的有机碳含量显著减少。艳燕等[7]发现，天山北坡城市群封闭土壤有机碳储量为总城市土壤碳库的68%，单个城市封闭土壤有机碳储量占比50%以上，封闭土壤有机碳储量构成干旱区城市土壤碳库的主体。朱士华等[8]发现，乌鲁木齐市生态系统碳库主体(95%)分布在土壤中，城市土地覆被变化导致约25%的碳库损失，由农田、裸土/残存荒漠，以及城市绿地转变为封闭土壤解释了68%的土壤有机碳和63%的植被碳损失量，其空间分布与封闭土壤的扩张相一致。随着我国生态文明建设的推进，城市建设管理和宜居品质再获新飞跃，城市中拆旧建绿透绿，减少城市封闭土壤，为城市更新擦亮底色。近几十年来，尤其是沿海开放战略实施以来，上海地区经济发展迅速，土地利用呈现明显的高强度开发特征[9]。然而对上海不同利用方式转变的碳储量变化的研究较为缺乏，尤其是封闭土壤转变开放土壤的有机碳储量的影响还停留在定性阶段，没有量化。

为了探究城市土地利用方式转变对土壤碳库的影响，本研究以上海市正在改造的三林楔形绿地为研究对象，估算三林现状和拟建成后土壤有机碳储量的变化。相关工作主要集中于以下几点：(1)对遥感图像进行分类，得到研究区的封闭土壤和开放土壤的分布面积，同时计算规划后三林楔形绿地的开放土壤面积和封闭土壤面积；(2)采集土壤样本，分析测定开放土壤和封闭土壤的有机碳含量和密度；(3)设定拟建成后开放土壤和封闭土壤的有机碳含量，利用土壤有机碳密度和面积数据估算三林楔形绿地建设前后的有机碳储量变化。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

上海市三林楔形绿地(121°27′～121°30′E，31°7′～31°8′N)位于黄浦江东岸，北起中环线、南至外环线、东临济阳路、西至黄浦江。它是联接前滩、世博和陆家嘴等地区的重要城市功能带，是上海市城市总体规划确定的中心城区八片楔形绿地的首发地块，占地面积约为4.2 km2。

从遥感影像(图1)中可以看出，三林楔形绿地的开放土壤主要为农田土壤、苗圃地，封闭土壤为建筑、厂房、道路、停车场等硬质化区域。根据规划设计方案，拟建成城市中心较大的“绿肺”。

图1 三林楔形绿地遥感影像Fig.1 Remote sensing image of Sanlin Green Wedge

根据三林楔形绿地的遥感影像和规划设计图，可以通过遥感解译手段获取开放土壤和封闭土壤的面积变化。研究区拟建成后开放土壤面积将从现在的120.4 hm2增加到241 hm2，增加了1倍，其中中西部增加较多。而封闭土壤面积则由现在的271.2 hm2降至151.6 hm2，下降了44%。相比之下，建成后开放的面积显著增多，封闭土壤面积降低(图2)。

图2 三林楔形绿地土地利用方式的变化Fig.2 Change of land use patterns in Sanlin Green Wedge

1.2 采样与实验方法

通过遥感航拍图，对三林楔形绿地土壤随机采样，共采集43个点，每个剖面以20 cm为间隔，采集土样到1 m深或出水为止。其中，封闭土壤以出现硬质地面为止，开放土壤到地下水出水为止。封闭土样采集时，先将剖面进行整理，去除瓦砾浮土后按照土壤发生层采集样品。土壤密度采用环刀法测定，每个样点采集3个。

采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机碳含量。pH按5∶1水土比用电位法测定，EC按10∶1水土比用电导法测定，质地采用Stoke-沉降筛分法测定[10]。经测定，三林楔形绿地土壤EC值平均为(0.13±0.09)mS·cm-1，pH平均为(8.46±0.25)，质地主要为粉砂质黏土。

1.3 数据处理与分析

土壤剖面的有机碳密度(SOCD)采用以下公式获得

(1)

式(1)中：VSOCD表示SOCD的值，单位为t·hm-2；VSOCi是i土层的有机碳含量，单位为g·kg-1；VBDi为i土层的密度，单位为g·cm-3；Hi为i土层的厚度，单位为cm；α是土壤中>2 mm 石砾的体积百分数。

土壤有机碳储量(VSOCS)采用以下公式计算：

VSOCS=VSOCD×VS。

(2)

式(2)中：VS为该类型土壤的面积；土壤有机碳储量的单位为t。

采用SAS 9.0 软件中的 t 检验分析封闭土壤与开放土壤的有机碳含量、有机碳密度的显著性差异。采用ArcGIS 10.2软件对上海市三林楔形绿地遥感影像进行矢量化，并进行土壤类型划分，采用反距离权重插值法对三林楔形开放土壤有机碳含量、土壤有机碳密度进行插值。采用Origin 8.5 对数据进行做图。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量

根据调查结果，三林楔形绿地现有的土壤有机碳含量主要在1.66～16.12 g·kg-1，平均为(5.31±2.57)g·kg-1，变异系数为48.39%，为中等变异(表1)。其中开放土壤有机碳含量为7.51 g·kg-1，封闭土壤有机碳含量为4.67 g·kg-1。配对 t 检验表明，开放土壤有机碳含量显著(P<0.05)高于封闭土壤有机碳含量，约为封闭土壤的1.6倍，这是因为封闭土壤中的有机碳没有外源有机碳肥料等的补充，且封闭土壤中的土壤有机碳始终处于分解过程中，最终使得有机碳的含量降低。而开放绿地土壤因为人为养护的管理，使得土壤中有机质提升，故封闭土壤有机碳含量低于开放土壤。

表1 三林楔形绿地土壤有机碳含量和密度的现状

通过反距离加权插值法对三林楔形绿地现状土壤有机碳含量进行空间分析可以发现：三林楔形绿地的东北角、西北角和正南方的土壤有机碳含量偏低，正北和西南部的土壤含量较高，整体而言，空间变异性大(图3)。

图3 三林楔形绿地土壤有机碳含量的空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil organic carbon content in Sanlin Green Wedge

2.2 土壤有机碳密度

三林楔形绿地现有的土壤有机碳密度平均值为(59.30±36.92)t·hm-2，变异系数为62.27%，为中等变异(表1)。此时，开放土壤的有机碳密度为99.13 t·hm-2，封闭土壤的有机碳密度为47.74 t·hm-2。配对 t 检验表明，开放土壤有机碳密度显著(P<0.05)高于封闭土壤有机碳密度。

通过反距离加权插值法对建设前的三林楔形绿地土壤有机碳密度进行空间分析可以发现：三林楔形绿地的东北、西北和正南方的土壤有机碳密度偏低，正北和西南部的土壤有机碳密度较高，整体而言，空间变异性大(图4)。

图4 三林楔形绿地土壤有机碳密度的空间分布Fig.4 Spatial distribution of soil organic carbon density in Sanlin Green Wedge

2.3 土壤有机碳储量的变化

为了合理估算三林楔形绿地土壤有机碳储量的变化，本研究中拟建成后的开放土壤的密度、有机碳含量均参照上海新建绿地的密度(1.32 g·cm-3)和有机碳含量(17.68 g·kg-1)[11]；由开放土壤转变为封闭土壤的密度、有机碳含量参照现在三林楔形绿地开放土壤的密度、有机碳含量；封闭土壤仍为封闭土壤，其密度、有机碳含量参照现在三林楔形绿地封闭土壤的密度、有机碳含量[12]。拟建成后开放土壤、封闭土壤的剖面厚度均参照现在三林楔形绿地的开放土壤、封闭土壤的剖面厚度，两者分别为100.0、65.3 cm(表2)。

表2 三林楔形绿地土地利用方式转变后土壤密度、厚度、有机碳含量的变化

经分析，三林楔形绿地现有的土壤有机碳储量约为2.99×104t，其中开放土壤的有机碳储量为 1.45×104t，封闭土壤的有机碳储量为1.54×104t。拟建成后，三林楔形绿地的土壤有机碳储量约为6.29×104t，其中开放土壤的有机碳储量为5.38×104t，封闭土壤的有机碳储量为9.09×103t(图5)。综合来看，三林楔形绿地拟建成后土壤总有机碳储量显著增加，其中开放土壤有机碳储量增加较为明显，约为现有土壤有机碳储量的1.8倍，是建成后封闭土壤的5.92倍。

图5 三林楔形绿地土地利用方式转变后土壤有机碳储量变化Fig.5 Changes of soil organic carbon storage after land use change in Sanlin Green Wedge

3 结论与讨论

通过研究发现，土地利用方式变化对土壤碳储量变化影响显著。上海市三林楔形绿地开放绿地的土壤有机碳含量和密度显著高于封闭土壤，其中开放土壤有机碳含量为7.51 g·kg-1，约为封闭土壤的1.6倍，现有的土壤有机碳储量约为2.99×104t。相比现状，拟建成后土壤有机碳库变化较大，有机碳储量预估可达到6.29×104t，其中开放土壤的有机碳储量为5.38×104t，约为现有土壤有机碳储量的1.8倍。

城市化进程中土壤更新与再利用速率快，频率高，这就使得土壤的理化性质发生变化，结构变差，土壤污染容易扩散。1978年以来，随着城市化进程的快速推进，上海地区出现了大规模的农业用地向建设用地转移的现象，但由于建设用地属于封闭土壤，一方面阻断了土壤与外界的交换而切断外界凋落物以及植物根系的补充，另一方面土壤的有机碳处于不断分解的状态，这就致使土壤的固碳能力的降低。为了缓解这种现状，增加城市土壤的固碳能力，城市致力于扩大绿地面积，但绿化速度跟不上城市扩张速度，而且绿化过程中容易忽视了城市生态环境平衡，绿化结构单一、植被覆盖率不足，不同区域之间都存在绿化不平衡的情况，绿化程度差异明显。要发挥城市绿地在城市中的生态环境平衡作用，在城市土壤及绿化管理中要做到：(1)注重绿地土壤质量的管理，做好绿地土壤的规划、保护、管理、改良培肥等工作，如园林绿地人行道建议尽量使用透气铺装材料改良土壤通气性，采用园林废弃物等提升土壤肥力等，对建设过程中造成的土壤破坏要及时进行修复改良，建立健全绿地土壤管理办法，为绿化植物提供生长场所；(2)优化绿化树种配置，选用抗逆性强、易管护的植物，精细化做好绿化植物的养护工作。

参考文献(References)：

[1] XIAO R，SU S L，ZHANG Z H，et al. Dynamics of soil sealing and soil landscape patterns under rapid urbanization[J].CATENA，2013，109: 1-12.

[2] 魏宗强，颜晓，吴绍华，等. 人工封闭对城市土壤功能的影响研究进展[J]. 生态环境学报，2014，23(4): 710-715.

WEI Z Q，YAN X，WU S H，et al. Effects of anthropogenic soil sealing in urban areas on soil function: a review[J].EcologyandEnvironmentalSciences，2014，23(4): 710-715.(in Chinese with English abstract)

[3] POUYAT R V，YESILONIS I D，NOWAK D J. Carbon storage by urban soils in the United States[J].JournalofEnvironmentalQuality，2006，35(4): 1566-1575.

[4] POUYAT R V，YESILONIS I D，GOLUBIEWSKI N E. A comparison of soil organic carbon stocks between residential turf grass and native soil[J].UrbanEcosystems，2009，12(1): 45-62.

[5] 简兴，王松，王玉良，等. 城市湿地周边不同土地利用方式下土壤有机碳及其活性组分特征[J]. 浙江农业学报，2016，28(1): 119-126.

JIAN X，WANG S，WANG Y L，et al. Soil organic carbon and its active components characteristics under different land utilization types at the periphery of City wetlands[J].ActaAgriculturaeZhejiangensis，2016，28(1): 119-126.(in Chinese with English abstract)

[6] 陈浩，吴绍华，陈东湘，等. 城市土壤封闭对有机碳库影响的时空变化模拟[J]. 生态学报，2017，37(8): 2600-2610.

CHEN H，WU S H，CHEN D X，et al. Simulating effects of urban soil sealing on the soil organic carbon pool[J].ActaEcologicaSinica，2017，37(8): 2600-2610.(in Chinese with English abstract)

[7] 艳燕，张弛，匡文慧，等. 天山北坡城市群非渗透面下的土壤有机碳特征[J]. 地理科学进展，2015，34(6): 781-789.

YAN Y，ZHANG C，KUANG W H，et al. Orgnic carbon charasteristics of soils beneath urban impervious surface in northern Tianshan urban cluster[J].ProgressinGeography，2015，34(6): 781-789.(in Chinese with English abstract)

[8] 朱士华，艳燕，胡云锋，等. 干旱区城市化对生态系统碳库的影响: 以乌鲁木齐市为例[J]. 自然资源学报，2016，31(7): 1086-1099.

ZHU S H，YAN Y，HU Y F，et al. The impact of urbanization on ecosystem carbon storage in arid area[J].JournalofNaturalResources，2016，31(7): 1086-1099.(in Chinese with English abstract)

[9] SU S L，XIAO R，ZHANG Y. Monitoring agricultural soil sealing in peri-urban areas using remote sensing[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing，2014，80(4): 367-372.

[10] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 3版. 北京: 中国农业出版社，2000.

[11] 方海兰，陈玲，黄懿珍，等. 上海新建绿地的土壤质量现状和对策[J]. 林业科学，2007，43(S1): 89-94.

FANG H L，CHEN L，HUANG Y Z，et al. Current situation and strategy for the soil quality of newly-established green belts in Shanghai[J].ScientiaSilvaeSinicae，2007，43(S1): 89-94.(in Chinese with English abstract)

[12] 魏宗强. 城市封闭土壤有机碳变化及其影响因素[D]. 南京: 南京大学，2013.

WEI Z Q. Urban soil organic carbon changes under impervious surfaces and the influencing factors[D]. Nanjing: Nanjing University，2013.(in Chinese with English abstract)