快速城市化地區昆明市“城—郊—鄉”梯度土壤表層碳氮磷化學計量特征

何云玲, 張淑潔, 鄧福英, 榮麗, 張林艷

快速城市化地區昆明市“城—郊—鄉”梯度土壤表層碳氮磷化學計量特征

何云玲1,*, 張淑潔1, 鄧福英1, 榮麗2, 張林艷3

1. 云南大學資源環境與地球科學學院, 昆明 650091 2. 云南大學國際河流與生態安全研究院, 昆明 650091 3. 云南大學建筑與規劃學院, 昆明 650091

基于航空遙感影像, 利用地理信息系統(ArcGIS 10.2)和景觀格局分析(Fragstats 4.2)軟件, 通過主成分分析(PCA)和多元線性回歸分析對研究區城市化水平進行量化, 選取覆蓋研究區典型的“城—郊—鄉”樣帶, 進行表層土壤取樣, 測定總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量并分析其空間變化特征。結果表明: 快速的城市化進程導致了土壤C、N、P化學計量特征的空間分異, “城—郊—鄉”梯度上變異系數都較大, 尤其城區各元素的變異系數分別為84.08%、76.95%和81.34%, 屬于強變異, 表明土壤表層C、N、P含量空間分布極不均衡。研究區土壤C、N、P含量均表現為城區顯著高于郊區的特征, 與郊區土壤相比, 城區土壤C含量較高, 說明人為活動造成城區土壤明顯的有機質富集現象。城區土壤P含量高于郊區和鄉村, 城市化過程加劇了城區土壤P的富集, 也使該地區水體(主要是滇池)面臨富營養化風險。分析城市化過程中強烈的人類活動干擾對土壤C、N、P含量及其化學計量特征, 對于提高城市土壤管理水平、改善生態環境、促進城市生態系統健康持續發展具有重要意義。今后昆明市在進行城市綠化時可有針對性地選擇部分豆科固氮植物加強生物固氮, 目的是提高土壤N含量的同時促進城區土壤豐富的P被吸收利用, 在一定程度上預防以及減輕P對水體的危害。

快速城市化; “城—郊—鄉”; C:N:P; 空間變異; 昆明中部

0 前言

土壤有機碳庫的細微變化都將會影響全球氣候變化以及全球碳平衡[1], 而且土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)之比是反映土壤環境質量的靈敏指標之一, 常作為診斷或預測養分限制或飽和的指標[2]。森林、農田、草原等土地利用方式改變對土壤碳庫及通量影響, 已得到較廣泛的關注, 而由人類活動主導的劇烈環境變化所驅動的土壤環境演化及其生態響應仍是一個尚未系統回答的科學問題[3]。伴隨著城市化進程的加快和城市規模的不斷擴張, 越來越多的自然用地和農業用地轉變為城市建設用地, 改變了城市土壤的理化性質, 必將影響土壤C、N、P含量的變化, 這對全球氣候變化及陸地生態系統將產生深刻的影響[4]。

近年來國內外學者對城市區域土壤C、N、P的研究熱度不斷提高, Rabbi等分析了澳大利亞東部不同類型土壤有機碳含量的差異及成因[5], Lidia等分析了波蘭城市化對土壤有機碳的影響[6]。在人為和自然因素的交互影響下, 城市綠地C、N、P時空異質性顯著[7–8]。從目前的研究結果來看, 不同時間、不同城市、城市內部不同功能區, 綠地土壤C、N、P的分布均存在變異, 例如許乃政等對上海市土壤有機碳含量研究發現隨著城市用地年限延長, 土壤有機碳密度逐漸增大[9]; 呂麗平等研究表明海南的土壤有機碳含量隨城市化進程總體呈下降趨勢[10]; Chen等對南昌市“城—郊—鄉”梯度上土壤P素研究結果發現全P含量城區明顯高于郊區[11]。導致研究結果不一致的其中一個原因是對城、郊、鄉的地域選擇多是基于行政區劃進行, 但是“城—郊—鄉”梯度的形成應該是多種因素相互作用的結果, 對其準確描述是開展城市化強度差異對生態系統產生影響的重要前提[12]。另外, 土壤C、N、P化學計量特征伴隨城市化進程在“城—郊—鄉”梯度下的研究還少有報道[13]。

昆明市作為云南省省會, 中國面向東南亞、南亞開放的門戶城市, 自2000年以來隨著舊城改造不斷推進以及新區建設, 城市快速發展, 建設用地擴張速度逐年增加, 城市土地利用和景觀格局以前所未有的速度發生著劇烈的變化, 城市環境發生了很大的改變。本研究在遙感影像資料和GIS技術支持下, 選擇昆明市包含城—郊—鄉梯度差異的典型樣帶為研究區域, 由中心城區到郊區到鄉村, 分析城市化過程中強烈的人類活動干擾對樣帶土壤C、N、P含量及其化學計量特征, 對于提高城市土壤管理水平、改善生態環境、促進城市生態系統健康持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

昆明市位于中國西南云貴高原中部, 東經102°10′—103°41′, 北緯24°24′—26°33′之間, 屬北亞熱帶低緯高原山地季風氣候, 氣候溫和, 四季如春, 年平均氣溫16.5 ℃, 年降雨量1450 mm, 5—10月為雨季, 降水量占全年的85%左右; 11月至次年4月為干季, 降水量僅占全年的15%左右; 市中心海拔1891 m, 土壤主要為紅壤和磚紅壤。2017年末, 全市常住人口678.3萬人, 建成區面積達到420.5 km2。由于其特殊的地理位置, 是中國面向東南亞、南亞等的前沿和門戶, 伴隨著昆明市人口不斷增多與城市建設用地面積的急劇增長, 城市化進程進一步加劇?？紤]到其山間盆地的地貌類型, 本文以昆明市中部主要行政區和建成區所在地的西山、五華、盤龍和官渡這四個區內具有連續的城鄉交錯帶作為主體研究區, 這個區域也是昆明市快速城市化擴張的代表區域。

2 研究方法

2.1 城-郊-鄉梯度的劃分

“城—郊—鄉”梯度的劃分是研究人類活動對生態環境影響的基礎, 以往研究表明城市化物理變量與景觀變量的結合可在一定程度上較好地完成“城—郊—鄉”梯度的量化[14–15]。本文利用精度2.5 m的衛星影像數據與Landsat8遙感影像數據, 使用ENVI軟件獲取研究區土地利用信息, 并結合ArcGIS10.2與Fragstats4.2軟件以1 km×1 km為網格單位提取不透水下墊面比例、道路網密度、景觀形狀指數與香農多樣性指數4個城市化指標, 并在SPSS22.0軟件里采用主成分分析(PCA)與多元線性回歸分析構建“城—郊—鄉”梯度模型對研究區的城市化水平指數(UI)進行量化。其中, 不透水下墊面比例和道路網密度是城市化進程中最顯著和直觀的特征, 可反映城市化發展方向的變化趨勢; 景觀形狀指數和香農多樣性指數分別是景觀形狀的復雜程度和異質性, 數值越大, 表明斑塊越復雜, 土地利用的破碎化程度越高。根據研究區城市化指數UI值, 將其導入ArcGIS網格面與矢量化后的土地分類圖的疊加圖屬性表中, 并與昆明市衛星影像數據進行對比分析, 最后將-5.804

根據城—郊—鄉劃分的網格單位, 在研究區內選取面積相等的連續格網(東西方向1 km, 南北方向1 km)作為梯度帶, 自西向東, 共設置44個連續梯度網格(以涵蓋城鄉交錯土地景觀空間格局連續區域為原則), 分別記做序號1, 2, ...... , 44, 如圖1所示。將樣帶上各城市化指標進行分析(圖2), 可見隨著從鄉村到郊區到城區梯度的變化, 不透水下墊面比例、道路網密度、景觀形狀指數和香農多樣性指數各指標數值逐漸增大; 鄉村的不透水下墊面比例與道路網密度均明顯低于城區與郊區, 且城區最高(其中不透水下墊面比例高達90%以上); 城區的景觀形狀指數與香農多樣性指數最大, 表明城區的景觀異質性最大, 且景觀破碎化程度明顯高于郊區與鄉村。經過實地驗證和遙感影像比對, 該連續梯度網格帶符合城—郊—鄉梯度的基本特征。

2.2 土壤采樣及分析方法

土壤樣品的采集于2018年5月初開始進行, 針對上述研究區劃分出來的自西向東樣帶內的44個1 km×1 km的網格, 在每個網格內采用對角線采樣法采集表層(0—30 cm)各5個土壤樣品, 共采集220個土樣, 土壤采樣點綠地類型見表1所示。采樣時使用GPS定位采樣點, 記錄經緯度坐標。使用工兵鏟在地表進行深度超過30 cm的采樣坑樣品采集, 沿坑壁垂直向下均勻采集0—30 cm的土壤樣品約1 kg, 去除草根、石塊。將每個網格內的5個土壤樣品混合, 按照四分法取混合土樣1—2 kg, 密封在聚乙烯塑料樣品袋內并標記。同時在每個采樣點現場使用100 cm3的環刀采集環刀樣品用以測定土壤容重, 每個采樣點進行3次重復采樣, 共采集樣品660個; 并在每個采樣點按照上層(0—10 cm)、中層(0—20 cm)、下層(20—30 cm)分別采集10—20 g左右土壤, 放入鋁盒中蓋緊, 帶回實驗室立即稱重并進行烘干用以計算土壤含水量。將采集的土壤樣品風干后, 經木棒研磨去除動植物殘體和碎石等異物, 過2 mm尼龍篩混勻, 裝入聚乙烯塑料樣品袋內標記、裝箱, 運送至資質檢測機構對總有機碳含量(C)、全氮(N)、全磷(P)等進行測定。土壤總有機碳采用重鉻酸鉀—外加熱法測定, 全氮采用半微量開氏法測定, 全磷采用氫氟酸—高氯酸酸溶—鉬銻抗比色法測定。樣品分析結果采用SPSS22.0進行相關分析、回歸分析、以及方差分析與多重比較。

圖1 昆明市中部樣帶分布圖

Figure 1 Distribution of soil sampling transect along urban- suburb-rural gradient in central Kunming

圖2 沿城—郊—鄉樣帶城市化指標值變化特征

Figure 2 Variations of urbanization index along the urban-suburb-rural gradient belt in central Kunming

表1 土壤采樣點植被覆蓋類型

3 結果與分析

3.1 碳氮磷含量特征

昆明市中部調查樣方內土壤表層總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量的頻數分布表明(圖3), C含量的范圍為1.85—48.58 g·kg–1, 平均值為16.18 g·kg–1, 變異系數(CV)達到72.25%; N含量的范圍為0.32—3.88 g·kg–1, 平均值為1.37 g·kg–1, 變異系數69.78%; P含量的范圍為0.29—3.15 g·kg–1, 平均值為0.80 g·kg–1,變異系數58.70%?？梢? 昆明市中部調查樣帶內土壤表層C、N、P含量變異系數都較大, 屬于強變異, 空間分布極不均衡。

昆明市中部城—郊—鄉梯度上土壤表層總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量變化(圖4)可見, 不同城市化水平的區域土壤C、N、P含量變化趨勢大體一致, 整體呈現出鄉村的含量數值較大, 伴隨城市化水平的增大, C、N、P含量向城區遞減。研究區土壤表層C含量在“城—郊—鄉”梯度上呈現的變化特征與李家熙等[17]對蘇州的研究結果一致: 城市綠地土壤有機碳含量低于農業土壤與山地土壤; 但與Luo等對北京[18]、Liu等[19]對重慶的城市土壤研究結果不一致: 土壤有機碳含量隨著距離城市中心距離的增加而逐漸減小。

3.2 碳氮磷化學計量關系

土壤C與N含量相關系數高達0.931(<0.01)呈極顯著正相關關系(圖5), 土壤C與P含量相關系數0.728(<0.01)呈顯著正相關關系; 表明土壤N、P含量是影響C含量變化的重要因素之一, 土壤中N、P含量的升高能夠加快植物生長, 致使更多的凋落物在地面聚集, 增加土壤有機質的輸入, 這一結果與馮錦等對新疆[20]、王天樂等對內蒙[21]的土壤C、N、P計量特征研究結果相一致。

圖3 調查樣方土壤總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量頻數分布圖

Figure 3 Frequency distribution histograms of topsoil total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus in survey plots

圖4 城—郊—鄉梯度上土壤表層總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量分布圖

Figure 4 Contents of topsoil total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus along the urban-suburb -rural gradient belt

圖5 土壤表層總有機碳(C)和全氮(N)、全磷(P)含量的相關分析(直線為線性擬合, Tau為Mann-Kendall秩相關系數, 帶**表示達到了99%的置信水平)

Figure 5 The correlation analysis of total organic carbon and total nitrogen, total phosphorus

昆明市中部城—郊—鄉不同區域土壤表層總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化學計量的統計特征如圖6所示。研究區內土壤表層C含量大小表現為鄉村>城區>郊區, 鄉村土壤表層C含量分別為郊區、城區的3.06倍、1.38倍; N含量大小也表現為鄉村>城區>郊區, 鄉村土壤表層N含量分別是郊區、城區的2.48倍、1.31倍; P含量大小則表現為城區>鄉村>郊區, 城區土壤表層P含量分別是郊區、鄉村的1.69倍、1.15倍。另外, 變異系數計算結果顯示土壤表層C、N和P含量在城區的變異系數均為最大, 分別為84.08%、76.95%和81.34%, 屬于強變異, 空間分布極不均衡。再從不同區域間的差異顯著性檢驗來看, 土壤表層C、N、P含量均表現為城區顯著高于郊區的變化特征。

圖6 城—郊—鄉不同區域土壤表層總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化學計量(圖中不同大寫字母、小寫字母和數字分別表示各要素不同區域間在p<0.05水平顯著)

Figure 6 Stoichiometry of topsoil total organic carbon, total nitrogen and total phosphorus in different areas

研究區內土壤表層的C:N最大值(16.62)和最小值(2.94), C:P最大值(44.80)和最小值(2.03), N:P最大值(3.17)和最小值(0.38), 數值上均低于國內平均水平, 空間上也均出現在鄉村區域; 化學計量特征平均值大小順序均表現為鄉村>城區>郊區。從不同區域間的差異顯著性檢驗來看, 土壤表層C:N和N:P均表現為郊區顯著低于其他區域, 城區和鄉村之間則無明顯差異; 土壤表層C:P則在城區、郊區和鄉村兩兩之間無顯著差異。

4 討論與結論

4.1 討論

(1) 土壤碳氮磷含量特征

城市土壤常常遭受各種自然和人為活動導致的物理干擾、化學污染, 通常具有高度空間異質性[22]。不少研究表明, 隨著城市—郊區—鄉村的空間梯度演替, 表層土壤有機碳含量漸趨減少[23], 被普遍認為是碳源的城市區域, 其土壤可能具有較大的碳吸存潛力[24]。國內外現有研究所用土壤有機碳數據采樣深度多集中于表層20 cm(10—40 cm), 昆明市中部城區土壤表層C含量13.84 g·kg–1, 高于柳云龍等[25]和段保正等[26]分別對上海市(11.91 g·kg–1)和西安市(5.59 g·kg–1)的研究結果; 低于張小萌等[27]對烏魯木齊(33.05 g·kg–1)的研究結果。昆明市中部“城—郊—鄉”土壤表層N含量略高于同處于中國西南地區鄰近的成都東部“城—郊—鄉”土壤調查結果, 但是P含量均＜1 g·kg–1, 低于成都的調查結果[13]。從整體上看, 昆明市中部土壤C、N、P含量均表現為城區顯著高于郊區的特征, 與王秋兵等[28]、曾宏達等[29]分別對沈陽市、福州市的研究結果相同。

與郊區土壤相比, 城區土壤有機碳含量較高, 說明城市土壤表現出明顯的有機質富集現象。城區土壤有機質除少量來自本身植物枯枝落葉和雜草, 主要由工業生產、生活垃圾排放等人類活動產生的有機廢棄物帶入; 而且城區土壤不以生產為目的, 大部分綠地受到較好的人為養護與管理, 較為堅實, 土壤有機碳分解較慢, 有利于有機碳的積累[9]。土壤N、P含量在城區顯著高于郊區, 一方面可能與大部分城區以前多為菜地等農田, 長期施肥導致氮素積累, 另外一方面與城市化進程中人為富P垃圾堆填過多, 且P的遷移能力差有關[30]。

與鄉村土壤相比, 城區土壤C、N、P含量的區域差異性雖然未達到顯著性檢驗, 其中C、N含量總體表現為鄉村大于城區的特征, 主要原因在于本研究中鄉村土壤采樣點多為自然狀態下的林地土壤, 人為干擾較小, 郁閉度較高, 表層土壤C、N受植被枯落物歸還等影響而富集[31]。研究結果與劉偉玲等[32]對深圳市不同土地利用類型下土壤有機碳含量的研究結果相一致: 林地土壤有機碳含量高于綠地與農用地的土壤有機碳含量。

(2) 土壤碳氮磷計量關系

土壤具有高度的結構復雜性、空間異質性和生物多樣性, 但是卻有研究表明, 在大的區域尺度上土壤中C:N:P具有較為穩定的特征, 通常在一定范圍之內波動[33]。例如Cleveland和Liptzin研究發現全世界范圍內土壤C、N、P三者含量之間具有顯著的正相關關系, 比值約為186:13:1[34]。但是土地利用和管理措施的變化等因素能顯著改變元素的生物地球化學循環, 導致生態系統C、N、P的化學計量特征發生改變[35]。昆明市中部“城—郊—鄉”不同區域土壤養分含量變化很大, 使得土壤C、N、P之比存在較大的空間變異性, 而且土壤C:N:P指標均遠低于全球以及國內平均水平。

土壤C:N可用于判斷土壤中有機質的分解程度及其對土壤肥力的潛在貢獻, 適當的C:N比例有助于微生物發酵分解; 高的C:N(>25)說明有機質正在累積, 其累積速率大于分解速率, C:N在12—16之間說明有機質已經被微生物很好地分解[36]。Cusack在波多黎各亞熱帶土壤研究中發現城區森林土壤C:N低于鄉村, 城市化過程強烈影響土壤N素的初級轉化速率[37]。昆明市中部“城—郊—鄉”土壤C:N 在10—12之間, 和一般耕作土壤C:N數值表現一致[36]; 而且研究區結果表明土壤C:N有郊區顯著低于城區的趨勢, 可能與城區的人為活動造成綠地土壤C富集, 而N相對穩定有關。

土壤C:P是衡量微生物礦化、土壤有機物質釋放P或從環境中吸收固持P素潛力的一個指標[38]; 土壤N:P則指示了植物生長過程中土壤營養成分的供應情況, 可用來判斷養分限制狀況及哪種養分限制了有機質的分解[36]。昆明市“城—郊—鄉”土壤C:P和N:P都相對較小, 尤其是N:P遠低于我國土壤5.2的平均值[39]; 而且總體表現為城區土壤P含量高于郊區和鄉村, 城市化過程加劇了城區土壤P的富集, 較低的N:P與P顯著積累有關, 較低的C:P也是P有效性高的一個指標, P較多, 也使該地區水體(主要是滇池)面臨富營養化風險。因此, 今后昆明市在進行城市綠化時可有針對性地選擇部分豆科固氮植物加強生物固氮, 目的是提高土壤N含量的同時促進城區土壤豐富的P被吸收利用, 在一定程度上預防以及減輕P對水體的危害[13]。

4.2 結論

通過對研究區土壤表層總有機碳(C)、總氮(N)、總磷(P)含量與計量關系在“城—郊—鄉”梯度上空間分布特征的研究, 得出以下結論:

(1)研究區“城—郊—鄉”土壤C含量1.85—48.58 g·kg–1, 平均值16.18 g·kg–1, 變異系數72.25%; N含量0.32—3.88 g·kg–1, 平均值1.37 g·kg–1, 變異系數69.78%; P含量0.29—3.15 g·kg–1, 平均值0.80 g·kg–1,變異系數58.70%。土壤C、N、P含量屬于強變異, 尤其是城區, 表明空間分布極不均衡。

(2) 研究區“城—郊—鄉”土壤C與N含量呈極顯著正相關關系, C與P呈顯著正相關關系。表明土壤N、P含量是影響C含量變化的重要因素之一, N、P含量升高能夠加快植物生長, 致使更多的凋落物在地面聚集, 增加土壤有機質的輸入。

(3) 研究區“城—郊—鄉”土壤C、N含量均表現為城區顯著高于郊區的特征, 與郊區土壤相比, 城區土壤C含量較高, 說明人為活動造成城區土壤明顯的有機質富集現象。城區土壤P含量高于郊區和鄉村, 城市化過程加劇了城區土壤P的富集, 也使該地區水體(主要是滇池)面臨富營養化風險。

致謝:云南大學資源環境與地球科學學院自然地理學專業碩士研究生葉鑫、王振、袁會珍、李同艷同學在野外土壤采樣過程中給予了大力幫助, 作者在此表示衷心的感謝！

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Stoichiometric characteristics of topsoil C, N and P along urban-suburb-rural gradient in a rapid urbanizing area of Kunming

HE Yunling1,*, ZHANG Shujie1, DENG Fuying1, RONG Li2, ZHANG Linyan3

1. College of Resources Environment & Earth Science, Yunnan University, Kunming 650091, China 2. Institute of International Rivers and Eco-security, Yunnan University, Kunming 650091, China 3. College of Architecture and Urban Planning, Yunnan University, Kunming 650091, China

Rapid urbanization is associated with physical changes in the landscape, such as increasingly impervious surface area and the replacement of natural vegetation with lawns, which can positively or negatively alter soil organic carbon (SOC) stocks. Based on remote sensing image, geographic information system (ArcGIS 10.2) and landscape pattern analysis software (Fragstats 4.2), regional urbanization levels were analyzed using principal component analysis (PCA) and multiple linear regression in the central Kunming. Then soil sampling plots were selected from typical sites based on the urban-suburb-rural gradient covering the central Kunming, and stoichiometric variability of topsoil C, N and P was analyzed. The results indicated that the spatial differentiation of soil C: N: P characteristic is caused by the rapid urbanization process. The coefficient of variation (CV) in the urban area is the highest. The CV for each element in the urban area is 84.08%, 76.95% and 81.34%, respectively, indicating that the spatial distribution of C, N and P contents in the soil surface is extremely uneven.The content of C, N and P in the topsoil is significantly higher in the urban area than in the suburbs. Compared with the soil in the suburbs, the content of C in the urban area is higher, indicating that human activities have caused obvious organic matter enrichment in the urban area. The content of topsoil P in urban areas is higher than that in the suburbs and rural areas. The urbanization process aggravates the enrichment of topsoil P in urban areas, and also exposes the water bodies (mainly Dianchi Lake) to the risk of eutrophication. The analysis of soil C, N and P contents and stoichiometric characteristics caused by human activities in the process of urbanization is of great significance for improving the level of urban soil management, improving the ecological environment and promoting the healthy and sustainable development of urban ecosystem. In the future, some leguminous nitrogen fixation plants can be selected in Kunming for urban greening to strengthen biological nitrogen fixation. The purpose is to improve soil N content and promote the absorption and utilization of P in urban soil, so as to prevent and reduce the harm of P to water.

rapid urbanization; urban-suburb-rural gradient; C: N: P; spatial variability; central Kunming

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.03.003

S154.1

A

1008-8873(2020)03-017-08

2019-04-19;

2019-05-15

國家自然科學基金項目(41961044); 云南省科技廳-云南大學“雙一流”建設聯合基金項目(2018FY001-017)

何云玲(1978—), 女, 博士, 副教授, 主要從事區域生態環境變化及其影響研究, E-mail: hyl610@126.com

何云玲

何云玲, 張淑潔, 鄧福英, 等. 快速城市化地區昆明市“城—郊—鄉”梯度土壤表層碳氮磷化學計量特征[J]. 生態科學, 2020, 39(3): 17–24.

HE Yunling, ZHANG Shujie, DENG Fuying, et al. Stoichiometric characteristics of topsoil C, N and P along urban-suburb-rural gradient in a rapid urbanizing area of Kunming[J]. Ecological Science, 2020, 39(3): 17–24.