城市綠地土壤溫室氣體通量及其人為影響因素研究進展

林 挺， 黃柳菁， 陳 敏， 鄧一榮， 肖榮波*

(1.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州 510045)

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城市綠地土壤溫室氣體通量及其人為影響因素研究進展

林 挺1,2， 黃柳菁2， 陳 敏1， 鄧一榮2， 肖榮波1,2*

(1.廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東廣州 510045)

城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，它既是城市碳氮元素重要的儲存庫，也是溫室氣體不容忽視的排放源。城市綠地土壤溫室氣體通量除受原自然條件影響外，更多的受城市人為活動的影響。在自然因素和人為活動干擾的相互作用下，城市綠地碳氮庫和碳氮流具有復(fù)雜性和多變性。因此，在綜述城市綠地土壤溫室氣體通量研究進展的基礎(chǔ)上，探討了人為活動對城市綠地土壤溫室氣體通量的影響，并從城市綠地土壤溫室氣體通量變化的時空差異性、人為干擾對城市綠地土壤溫室氣體通量的直接和間接影響因子以及科學(xué)合理地規(guī)劃城市綠地景觀植被3個方面提出了研究展望。

土壤；城市化；城市綠地；溫室氣體；人為干擾

CO2、N2O和CH4是大氣中具有溫室效應(yīng)的主要溫室氣體(Greenhouse Gas,GHG)，這3種氣體的溫室效應(yīng)占所有溫室氣體溫室效應(yīng)的80%左右[1]?；剂先紵统鞘谢^程中引起的土地利用方式的變化是大氣中溫室氣體增加的主要原因[2]。快速發(fā)展的城市使越來越多的自然用地和農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，深刻地改變了土壤的原始結(jié)構(gòu)和功能，對土壤的理化性質(zhì)、生物特征、碳氮循環(huán)造成深刻影響[3-4]。隨著城市化進程的逐漸加強，城市綠地面積也在逐步擴大。城市綠地土壤溫室氣體的排放/吸收除了受原有土地類型和城市特定氣候條件影響外，更多的受人為活動的干擾。人為踩踏壓實、污染物質(zhì)的注入、城市小氣候以及養(yǎng)護措施等均可影響城市綠地土壤溫室氣體的通量。關(guān)于土壤溫室氣體通量的研究，目前國內(nèi)外主要集中在自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，對城市綠地土壤溫室氣體通量研究較少，這或許會成為區(qū)域乃至全球溫室氣體排放源研究的一大缺口。因此，研究由自然、農(nóng)業(yè)土壤轉(zhuǎn)變而來的城市綠地土壤溫室氣體通量變化特征以及找出人為干擾引起的土壤溫室氣體通量變化的關(guān)鍵因素，對科學(xué)合理地規(guī)劃城市景觀綠地、準確估算城市大氣中溫室氣體濃度、減少碳排放、控制城市熱島效應(yīng)具有重要的科學(xué)意義。

1 城市綠地土壤溫室氣體通量特征

1．1 城市綠地土壤CO2通量城市綠地土壤一般比城郊農(nóng)業(yè)土壤和自然土壤具有更高的CO2通量[5]。美國菲尼克斯城區(qū)不同土地利用類型的土壤CO2通量變化范圍在42.96～1 244.88 mg/(m2·h)之間，其中草坪和高夫球場的CO2通量比農(nóng)業(yè)用地高[6]。美國柯林斯堡城區(qū)草坪土壤CO2通量速率是玉米地、小麥田和天然矮草草地的2.5～5.0倍，草坪僅占研究區(qū)域面積的6.4%，但其土壤CO2通量占全區(qū)土壤CO2通量的24%[7]。表1統(tǒng)計了自然生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與城市綠地CO2通量年均值。從統(tǒng)計的數(shù)據(jù)來看，城市綠地土壤較一些自然生態(tài)系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤具有更高CO2通量。

但也有研究表明，城市化降低了城市綠地土壤CO2通量。在菲尼克斯城郊梯度研究中，鄉(xiāng)村地區(qū)的土壤CO2通量比城區(qū)樣地土壤高79%，比近郊的樣地高49%[8]。Schimel利用遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在干旱和半干旱地區(qū)，城市化引起土壤CO2通量的降低[9]。Brenda等通過環(huán)境等級方法對城鄉(xiāng)梯度土壤呼吸研究發(fā)現(xiàn)，城市化引起綠地土壤氮的可獲得性增加，限制了綠地植被細根的生長，從而使得干旱和半干旱地區(qū)城市綠地土壤呼吸程度低于鄉(xiāng)村[10]。

城市草坪一般比其他植被類型綠地土壤具有更高的CO2通量。美國菲尼克斯城市綠地土壤呼吸值為499.46～1 797.08 mg/(m2·h)，草坪CO2通量顯著高于灌叢[17]。張香鴿通過靜態(tài)箱觀測方法研究發(fā)現(xiàn)，南京市中山植物園3種植被類型土壤呼吸速率具有顯著差異，表現(xiàn)為草坪>疏林>近自然林[15]。梁晶等測定了上海城區(qū)9種植物群落的土壤呼吸速率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)草坪群落CO2的年均釋放量最大，達到了33.18 t/(hm2·a)，是喬木林的1.95倍，是灌木叢的2.12倍[18]。孫倩等研究發(fā)現(xiàn)，上海植物園中典型的人工植物群落土壤呼吸速率大小的變化趨勢為草喬灌，且3種植被類型之間的土壤呼吸速率存在極顯著差異[19]。李熙波對福州市內(nèi)的閩江公園不同植被類型土壤呼吸速率觀測發(fā)現(xiàn)，片林植被碳庫要明顯高于比鄰草坪，同時也具有更高的生態(tài)系統(tǒng)總碳庫[20]。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)CO2通量年均值的比較

1．2 城市綠地土壤CH4通量從目前已有的研究結(jié)果來看，城市化可能降低了綠地土壤對CH4的吸收能力，使得CH4排放與吸收交替進行。紐約城鄉(xiāng)梯度樣帶研究顯示，城市綠地疏林CH4的吸收通量在87.5～287.5 μg/(m2·h)之間，農(nóng)村和郊區(qū)林地CH4吸收通量明顯高于城市[21]。在巴爾的摩長期樣地CH4通量研究中，郊區(qū)近林地的CH4吸收通量為70 μg/(m2·h)，而城區(qū)內(nèi)密林只有9.583 μg/(m2·h)，城市草坪樣地幾乎不吸收CH4，是大氣CH4的弱吸收匯[22]。Kaye等的研究發(fā)現(xiàn)，美國菲尼克斯城市草坪吸收CH4的能力只有科羅拉多州高原草地的50%[23]。我國上海城市草坪CH4通量日變化呈排放與吸收交替進行的特點，年均吸收量為12.59 μg/(m2·h)，是大氣CH4的弱吸收匯[16]。表2統(tǒng)計了不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)間CH4通量年均值，與自然土壤相比，城市綠地土壤是CH4的吸收匯，但其吸收強度明顯小于自然生態(tài)系統(tǒng)。

表2 不同地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)間CH4年均通量比較

1.3 城市綠地土壤N2O通量目前針對城市綠地土壤N2O通量的研究較少，只在部分城市展開。美國巴爾的摩城市綠地N2O通量明顯高于郊區(qū)林地，通量范圍在16.15～16.16 μg/(m2·h)之間，大氣氮沉降及城市綠地施肥可能加速了城市綠地N2O的排放[22]。上海市城市草坪是N2O排放源，其排放強度較我國溫帶自然系統(tǒng)偏高[16]。表3統(tǒng)計不同地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)間N2O年均排放通量。城市綠地土壤N2O的排放量高于部分生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)生差異的原因可能是氣候、土壤微生物、植被以及施肥等多方面綜合作用的結(jié)果。

表3 不同生態(tài)系統(tǒng)間N2O年均通量比較

2 人為活動對城市綠地土壤溫室氣體通量的影響

2．1 城市綠地土壤的物理退化嚴重的壓實現(xiàn)象是城市綠地土壤物理退化的主要表現(xiàn)。在公園、道路邊等公共綠地，土壤壓實主要是人為踐踏的影響所致。方海蘭等對上海新建的18塊綠地土壤調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，城市綠地土壤通氣性差，83.2%的土壤通氣空隙度為5%[37]。重慶市主城區(qū)綠地土壤容重變幅為0.96～1.74 g/cm3，平均值為1.42 g/cm3，存在明顯的壓實現(xiàn)象[38]。合肥城區(qū)內(nèi)不同綠地類型土壤容重均值為1.40 g/cm3，明顯高于近郊森林公園1.25 g/cm3[39]。

城市綠地土壤物理功能的退化使得土壤微生物生活的空間發(fā)生變化，從而在一定程度上會影響土壤溫室氣體的通量[40]。龐學(xué)勇等研究發(fā)現(xiàn)，成都城市綠地土壤CO2通量明顯受露營和人為踐踏的影響，露營和人為踐踏區(qū)土壤CO2通量明顯地低于對照區(qū)[41]。而土壤產(chǎn)甲烷菌氧化能力則與土壤容重和氧化還原電位(Eh)呈相關(guān)性，當(dāng)Eh值從-200 mV下降到-300 mV時，土壤CH4排放量增加了17倍[42]。

2．2 城市綠地土壤有機碳有機碳是絕大多數(shù)土壤微生物的主要能源和基質(zhì)，其含量的高低直接影響微生物的活性，從而影響到土壤溫室氣體的通量[43]。城市綠地土壤中有機碳含量比農(nóng)業(yè)土壤和一些自然土壤中的有機碳含量高[5]。美國城市綠地土壤有機碳密度約為(7.7±0.2)kg/m2，草坪土壤有機碳含量甚至比美國部分森林土壤高[44]。美國菲尼克斯城市綠地灌叢間和林地下的有機碳含量比近郊和遠郊的土壤含量高，且無機碳含量也要高[7]。我國杭州城區(qū)表層土壤有機碳貯量約為近郊和遠郊區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的4.3和5.7倍[45]。

有機肥料和化學(xué)肥料的施用可能是城市綠地土壤有機碳含量高的主要原因之一，它能夠改變土壤有機碳及營養(yǎng)元素的含量，激發(fā)微生物的活性，從而促進了土壤溫室氣體的產(chǎn)生與排放[46-48]?；瘜W(xué)氮肥施用可減少土壤CH4的排放量，而有機肥施用對原有機質(zhì)含量低的土壤而言可大幅增加CH4的排放量[49]。此外，Gregorich等發(fā)現(xiàn)，土壤N2O氣體的通量與土壤氮肥的增施量呈明顯的線性關(guān)系[50]。

2．3 土壤的溫度和濕度土壤的溫度和濕度是影響城市綠地溫室氣體產(chǎn)生與排放的關(guān)鍵因素。土壤溫度升高以及水分的變化可改變土壤的氧化還原電位、透氣性、pH等，激發(fā)微生物活性，提高土壤有機質(zhì)分解速率，從而影響土壤溫室氣體排放[51]。

城市地區(qū)“熱島效應(yīng)”使得城市地區(qū)的溫度總體高于郊區(qū)，且這種差異隨城市規(guī)模擴大有增加的趨勢[52-53]。美國巴爾的摩長期生態(tài)樣地的研究表明，城市綠地林地與郊區(qū)森林樣地的土壤溫度相差約0.7 ℃，城區(qū)內(nèi)草坪和林地之間最大溫差能達到5.3 ℃[54-55]。盡管城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市綠地土壤溫度普遍高于郊區(qū)土壤，但目前城市中熱島效應(yīng)對于溫室氣體通量的直接影響還鮮見報道。

城市區(qū)域性降雨、水文格局以及不同的人為灌溉模式均可引起土壤水分的變化。在菲尼克斯，土壤水分是決定城市灌叢土壤CO2通量的重要因素[56]。巴爾的摩地區(qū)城市草坪土壤與林地相比幾乎不吸收CH4，原因可能是其生長季灌溉使其表層(0～10 cm)水分含量高于林地[22]。在溫度相同的條件下，灌溉和耕作能明顯增強土壤呼吸，灌溉地土壤CO2通量的平均值大約是未灌溉地的2.3～2.4倍[57]。

2．4 城市綠地土壤污染城市土壤由于受到重金屬污染，將通過增加土壤微生物呼吸量，改變土壤微生物對土壤能源碳氮的消耗量和消耗速度，從而導(dǎo)致有機質(zhì)轉(zhuǎn)化能力和養(yǎng)分循環(huán)能力的改變，最終影響土壤碳周轉(zhuǎn)過程[58]。Lorenzn等對德國斯圖加特市10個不同土地利用類型的土壤剖面進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)微生物碳、氮的最低值出現(xiàn)在鐵路區(qū)域和公共停車場，最高值出現(xiàn)在園林區(qū)域和有人管理的公園林地，交通路段土壤容易受到環(huán)境污染影響，汽車尾氣中的鉛污染是影響土壤微生物活性的重要因素[59]。Goldman等對沿著城市-鄉(xiāng)村樣帶森林土壤CH4和氮獲取量進行分析表明，由于城市空氣污染(特別是臭氧含量增加)對林地樹葉的破壞造成土壤有機質(zhì)分解速率小，碳、氮在土壤微生物中的含量減小，結(jié)果表現(xiàn)為城市土壤CH4消耗量比鄉(xiāng)村小[21]。

另外，城市生活垃圾、生活污水對城市綠地土壤溫室氣體的排放也有一定影響。城市綠地中生活垃圾的添加能提高土壤有機質(zhì)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園土壤具有更高的CO2和N2O通量[60-61]。而Wolna-Maruwka等發(fā)現(xiàn)，采用生活污水灌溉的樣地土壤中微生物的組成并沒有發(fā)生顯著變化，土壤微生物呼吸的強度下降[62]。

2．5 大氣環(huán)境城市大氣環(huán)境中的SO2、NOx及氣溶膠等污染物濃度也會對綠地土壤溫室氣體的排放產(chǎn)生直接或間接的影響。Lovett等發(fā)現(xiàn)紐約城區(qū)中大氣沉降中的N、S、Ca等元素含量明顯高于城郊地區(qū)，大氣中的氮沉降有助于加速凋落物的降解[63]。此外，大氣中顆粒物對于土壤呼吸具有不同的影響，細粒子的沉降能顯著增加土壤呼吸[64]。

3 展望

世界范圍內(nèi)的城市化加劇了自然用地和農(nóng)業(yè)用地向城市用地的轉(zhuǎn)化，改變了土壤的碳氮庫，因而城市綠地土壤溫室氣體通量與自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤呈現(xiàn)出截然不同的特點。城市化過程中人為干擾嚴重改變了綠地土壤原有的理化性質(zhì)和生物特征，使得溫室氣體的排放/吸收受到影響。因此，在自然因素和人為干擾的交互影響下，城市綠地溫室氣體通量具有復(fù)雜性和多變性。盡管科學(xué)工作者在這方面已做了一些工作，但仍存在較多的未知領(lǐng)域和不確定因素，需要人們?nèi)ネ诰蚝吞接慬21-22]。

(1) 進一步加強城市綠地土壤溫室氣體排放/吸收變化時空差異性的研究。城市綠地土壤溫室氣體通量受城市所處的地理氣候條件的影響，濕潤、半濕潤、干旱和半干旱地區(qū)城市綠地土壤溫室氣體通量變化情況呈現(xiàn)不同特點。因此，未來在估算城市綠地土壤溫室氣體通量的研究中要充分考慮不同區(qū)域環(huán)境、不同氣候條件的影響以及深入了解城鄉(xiāng)梯度上土壤溫室氣體排放/吸收量變化差異，這能為區(qū)域乃至全球碳氮循環(huán)的準確估測和全球氣候變化預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。

(2) 加強人為干擾對城市綠地土壤溫室氣體通量的直接和間接影響的研究。城市化引起的土壤理化性質(zhì)的改變是一個復(fù)雜的過程。城市土壤溫室氣體的通量除了受原有自然條件的影響外，更多受人為活動的影響。找出不同區(qū)域和氣候環(huán)境下城市綠地土壤溫室氣體變化的關(guān)鍵因素，能更好地理解城市化過程土壤溫室氣體通量變化的原因和機理。未來可以考慮在城市綠地設(shè)置各種人為干擾的控制試驗，深入研究不同人為干擾活動對土壤溫室氣體通量的影響。

(3) 加強低碳導(dǎo)向型城市綠地植被景觀規(guī)劃。城市綠地是城市中一個不容忽視的碳氮匯。盡管有許多研究表明，城市草坪比其他植被類型綠地有更高的溫室氣體通量，但是這個結(jié)論仍受到許多不確定因素影響。未來可考慮將當(dāng)前森林清查的規(guī)程引入城市綠地植被調(diào)查，加強對不同區(qū)域和氣候條件下的城市綠地不同類型植被土壤溫室氣體通量的長期監(jiān)測。這對城市綠地的合理配置、豐富樹種組成、有效控制城市熱島效應(yīng)、減少城市溫室氣體濃度、構(gòu)建低碳導(dǎo)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

國家自然科學(xué)基金項目(41301058，41201601)；廣東省自然科學(xué)基金項目(S2013040011866)；廣東省低碳技術(shù)創(chuàng)新與示范重大科技專項(2012A010800011)。

林挺(1990- )，男，廣東汕頭人，碩士研究生，研究方向：城市生態(tài)學(xué)。*通訊作者，教授級高級工程師，博士，從事城市生態(tài)學(xué)研究。

2014-12-15

S 181.3;X 171

A

0517-6611(2015)04-266-05