成都東部“城–郊–鄉(xiāng)”梯度綠地土壤碳氮磷化學(xué)計量特征①

王 啟，李 艷，王連維，向蔓菁，袁大剛*，邵 帥，勾琪立

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2 雅安市雨城區(qū)林業(yè)局，四川雅安 625000)

成都東部“城–郊–鄉(xiāng)”梯度綠地土壤碳氮磷化學(xué)計量特征①

王 啟1，李 艷2，王連維1，向蔓菁1，袁大剛1*，邵 帥1，勾琪立1

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2 雅安市雨城區(qū)林業(yè)局，四川雅安 625000)

選取成都東部5個不同交通環(huán)線區(qū)域(一環(huán)內(nèi)、一環(huán)至二環(huán)、二環(huán)至三環(huán)、三環(huán)至繞城、繞城外)的綠地土壤為研究對象，采集0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層的土壤樣品，測定其總有機碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量并分析其化學(xué)計量特征。結(jié)果表明：成都東部綠地土壤C、P含量在沿“城–郊–鄉(xiāng)”梯度上總體有降低趨勢。各環(huán)線區(qū)域綠地土壤C、N、P含量基本隨著土層的加深而降低，其中以C、P降低最為明顯。綠地土壤C∶P和N∶P在成都東部“城–郊–鄉(xiāng)”梯度下有升高趨勢，但均低于國內(nèi)平均水平；綠地土壤C∶N在“城–郊–鄉(xiāng)”梯度變化不明顯?？焖俚某鞘谢M程導(dǎo)致了C、N、P化學(xué)計量比的空間分異。

成都東部；“城–郊–鄉(xiāng)”梯度；C∶N∶P；化學(xué)計量比

生態(tài)化學(xué)計量學(xué)結(jié)合了生態(tài)學(xué)和化學(xué)計量學(xué)的基本原理，是當今探究生物系統(tǒng)能量和元素平衡的重要方法[1]。相關(guān)學(xué)者研究認為，土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)之比可作為診斷或預(yù)測養(yǎng)分限制或飽和的指標，也是反映土壤質(zhì)量的靈敏指標[2–3]。Cleveland和Liptzin[4]提出，土壤C∶N∶P比值有相對穩(wěn)定性，約為186∶13∶1，但土壤C∶N∶P比值受土地利用等因素的影響[5]。

城市土壤在維持城市生態(tài)系統(tǒng)方面具有重要作用，例如生物多樣性的維持、水土保持、微小氣候調(diào)節(jié)、食物生產(chǎn)要素等[6]。城市化導(dǎo)致了城市自然景觀的轉(zhuǎn)變和不同土地利用在時空上的競爭加強，因此給土壤質(zhì)量帶來了直接和間接影響[7]。城市土壤常常遭受物理干擾、化學(xué)污染，并且通常具有高度空間異質(zhì)性[8]。土地利用和管理措施的變化能改變元素的生物地球化學(xué)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)中C、N、P的生態(tài)化學(xué)計量比[9–10]。上海不同利用類型土壤C∶N表現(xiàn)為城市草坪＞撂荒地＞灘涂＞園地[11]，北京城市化地區(qū)裸地也表現(xiàn)出很低水平的有機碳以及異常高的土壤C∶N特征[12]。Cusack[13]在波多黎各亞熱帶土壤研究中發(fā)現(xiàn)，城區(qū)森林土壤C∶N低于鄉(xiāng)村，城市化過程強烈影響森林土壤 N素初級轉(zhuǎn)化速率，進而改變土壤有機碳循環(huán)過程。國內(nèi)外就“城–郊–鄉(xiāng)”梯度土壤的研究已有報道，如Luo等[14]對北京城郊表層土壤C儲量比較后發(fā)現(xiàn)，城市土壤有機和無機碳含量顯著高于郊區(qū)土壤，且土壤C儲量隨著距市中心越遠而增大；周睿等[15]在對上海城郊土壤有機質(zhì)時空變異研究中發(fā)現(xiàn)，1999—2010年土壤有機質(zhì)增加的區(qū)域分布在離城市較遠的地區(qū)，而土壤有機質(zhì)下降區(qū)域位于近郊。Zhu和Carreiro[16]研究發(fā)現(xiàn)，城市地區(qū)N的凈礦化和硝化速率顯著高于鄉(xiāng)村地區(qū)。Yuan等[17]研究指出，南京城市化歷史越久的城區(qū)土壤相比郊區(qū)土壤表現(xiàn)為P富集；Chen等[18]對南昌市“城–郊–鄉(xiāng)”梯度森林土壤P素研究結(jié)果表明，土壤全P和可提取態(tài)P的含量均表現(xiàn)為城區(qū)明顯高于郊區(qū)。Lu等[19]發(fā)現(xiàn)杭州東部土壤重金屬含量和磁化率在“城–郊–鄉(xiāng)”梯度上顯著不同，離主城區(qū)越遠，其含量越低。城市化進程中“城–郊–鄉(xiāng)”梯度下綠地土壤生態(tài)化學(xué)計量特征的研究還鮮見報道。

成都城市發(fā)展格局表現(xiàn)為周期性軸向擴張規(guī)律[20]：20世紀70年代末以前，為單純的單中心集聚式城市發(fā)展階段；至20世紀80—90年代，為突破一環(huán)路、圍繞二環(huán)路為主的外延式城市擴張；再至 20世紀90年代的圈層式擴張，主要是對二環(huán)路內(nèi)城市土地進行填充式開發(fā)，并向新修建的三環(huán)路擴展；目前，成都城市以一環(huán)為中心，沿一環(huán)、二環(huán)、三環(huán)及繞城交通線呈同心圓放射性向外擴張，具有顯著的時間和空間梯度特征，是理想的研究“城–郊–鄉(xiāng)”梯度土壤變化特征的區(qū)域。此前，本課題對成都西部不同交通環(huán)線區(qū)域綠地土壤肥力特征進行了研究[21]，本研究擬通過對成都東部“城–郊–鄉(xiāng)”梯度綠地土壤C、N、P含量及其化學(xué)計量比進行分析，進而為成都城市土地利用管理和園林綠化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)成都位于四川省中部，四川盆地西部，介于102°54′ ～ 104°53′ E和30°05′ ～ 31°26′ N，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫16℃，年均降水量1 106.5 mm，年均日照時數(shù)2 188 h，年均太陽輻射能469 kJ/cm，年均無霜期239 d。成都是國家級歷史文化名城，我國西南地區(qū)的科技、金融、貿(mào)易中心及交通、通信樞紐，我國西部地區(qū)重要的旅游中心城市。成都中心城2015年底建成區(qū)面積已達406 km2，城市格局近幾年開始逐步由一圈一圈“攤大餅”式、單中心發(fā)展向手指狀、多中心發(fā)展；作為引導(dǎo)城市向東向南發(fā)展的重大基礎(chǔ)設(shè)施工程“五路一橋”已完成，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成效顯著，城市面貌發(fā)生重大變化。

1.2 樣品采集

采樣區(qū)域為成都東部一環(huán)(指一環(huán)路以內(nèi)區(qū)域)、二環(huán)(指一環(huán)路至二環(huán)路區(qū)域)、三環(huán)(指二環(huán)路至三環(huán)路區(qū)域)、繞城(指三環(huán)路至繞城高速區(qū)域)和繞城外(指繞城高速以外區(qū)域)5個環(huán)線區(qū)域。一環(huán)路以內(nèi)為城市中心區(qū)，人口密度大，有超過100年的居住和商貿(mào)用地歷史；一環(huán)至三環(huán)城區(qū)以生活、科研、文教和辦公區(qū)為主；三環(huán)路至繞城的環(huán)城區(qū)以生活、工業(yè)和城市生態(tài)區(qū)為主。綜合考慮地形地貌、土地利用與覆蓋、城市功能區(qū)分布、土壤類型等因素，在研究區(qū)地圖上，確定采樣點位置，使采樣點分布相對均勻。實際取樣時，根據(jù)采樣區(qū)面積并考慮城市土壤變異和城郊結(jié)合部的復(fù)雜性，對采樣點數(shù)量和空間分布進行適度調(diào)整，隨機取樣，以反映城市土壤的復(fù)雜性。每個樣點土壤按0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm分層采樣。采樣點分布如圖1所示，一環(huán)內(nèi)9個，其他區(qū)域各10個。

圖1 成都東部“城–郊–鄉(xiāng)”梯度綠地土壤采樣點分布Fig. 1 Distribution of green space soil sampling sites along urban-suburb-rural gradient in eastern Chengdu

1.3 樣品處理及分析方法

將采集的土壤樣品于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后除去石礫、動植物殘體和人工制品，經(jīng)研磨，使之能完全通過2 mm孔徑的土篩，然后取部分樣品繼續(xù)研磨，分別通過0.25 mm和0.15 mm孔徑的土篩，并裝袋備用。土壤總有機碳(C)采用重鉻酸鉀–硫酸消化法測定[22]；全氮(N)用硒粉–硫酸銅–硫酸消化–凱氏定氮法測定[22]；全磷(P)用氫氟酸–高氯酸酸溶–鉬銻抗比色法測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤的C∶N∶P化學(xué)計量比采用摩爾比表示。實驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2007進行描述性統(tǒng)計，采用SPSS進行單因素方差分析與多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 成都東部綠地土壤碳氮磷含量特征

成都東部各環(huán)線區(qū)域綠地0 ～ 20和20 ～ 40 cm土層土壤C、N、P特征見圖2。

由圖2A可知，0 ～ 20 cm土層土壤C含量變化范圍為6.24 ～ 17.05 g/kg，平均含量為二環(huán)≈一環(huán)≈三環(huán)≈繞城＞繞城外，總體上沿“城–郊–鄉(xiāng)”梯度呈降低趨勢，與Luo等[14]的結(jié)論一致；由圖2B可知，土壤N含量變化范圍為0.20 ～ 1.11 g/kg，平均含量為三環(huán)＞繞城≈一環(huán)≈二環(huán)＞繞城外；由圖 2C可知，土壤 P含量變化范圍為0.49 ～ 7.77 g/kg，平均含量為一環(huán)＞二環(huán)＞三環(huán)＞繞城外≈繞城，與土壤C含量類似，沿“城–郊–鄉(xiāng)”梯度總體上也呈降低趨勢，與 Chen等[18]對于南昌城市土壤研究結(jié)論一致。

由圖2A可見，20 ～ 40 cm土層土壤C含量最大值出現(xiàn)在繞城(17.05 g/kg)，最小在繞城外(6.24 g/kg)，平均含量為一環(huán)≈二環(huán)≈三環(huán)≈繞城＞繞城外；由圖2B可見，土壤N含量最大值在三環(huán)(1.11 g/kg)，最小值在二環(huán)(0.20 g/kg)，平均含量為三環(huán)＞繞城≈一環(huán)≈二環(huán)＞繞城外；由圖2C可見，土壤P含量最大值在二環(huán)(7.77 g/kg)，最小值在繞城(0.49 g/kg)，平均含量為一環(huán)＞二環(huán)＞三環(huán)≈繞城外＞繞城。

圖2 成都東部不同環(huán)線區(qū)域綠地0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層土壤總有機碳、全氮和全磷含量Fig. 2 Contents of green space soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorus in different soil layers and cycle areas in eastern Chengdu

5個環(huán)線區(qū)域綠地0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層中，土壤C含量在一環(huán)至繞城兩兩之間無顯著差異，而繞城外區(qū)域顯著低于一環(huán)至繞城區(qū)域；土壤 N含量在一環(huán)、二環(huán)、繞城和繞城外區(qū)域兩兩之間差異不顯著，而三環(huán)與繞城外之間土壤 N含量差異顯著；土壤P含量表現(xiàn)為三環(huán)內(nèi)顯著高于三環(huán)外區(qū)域，而二環(huán)內(nèi)2個區(qū)域和三環(huán)外2個區(qū)域間兩兩之間均無顯著差異。通過獨立樣本t值檢驗可知，研究區(qū)內(nèi)各環(huán)線內(nèi)的上下兩個土層C、N、P含量均無顯著差異。

2.2 成都東部綠地土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量特征

成都東部各個環(huán)線綠地0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層土壤C、N、P生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征見圖3。

在0 ～ 20 cm土層中，由圖3A可見，土壤C∶N最大值出現(xiàn)在二環(huán)(40.34)，最小值在繞城外(15.20)，平均值大小順序為二環(huán)＞一環(huán)≈繞城≈三環(huán)≈繞城外；對于土壤 C∶P，由圖 3B可見，最大值出現(xiàn)在繞城(100.92)，最小值在二環(huán)(11.88)，平均值為繞城＞繞城外＞三環(huán)≈二環(huán)＞一環(huán)；對于土壤N∶P，由圖3C可見，最大值在繞城(4.79)，最小值在二環(huán)(0.37)，平均值為繞城＞繞城外＞三環(huán)＞二環(huán)＞一環(huán)內(nèi)。土壤C∶P和N∶ P均有從一環(huán)內(nèi)至繞城上升、到繞城外下降的趨勢。

在20 ～ 40 cm土層中，由圖3A可知，對于土壤C∶N，最大值出現(xiàn)在二環(huán)(38.13)，最小值在三環(huán)(12.87)，平均值大小順序為一環(huán)≈二環(huán)＞三環(huán)≈繞城≈繞城外；對于土壤C∶P，由圖3B可知，最大值出現(xiàn)在繞城(151.61)，最小值在二環(huán)(10.74)，平均值為繞城＞繞城外≈三環(huán)≈二環(huán)≈一環(huán)；對于土壤N∶P，由圖 3C可知，最大值在繞城(6.41)，最小值在二環(huán)(0.36)，平均值為繞城＞繞城外＞三環(huán)＞二環(huán)＞一環(huán)。

0 ～ 20 cm土層中，土壤C∶N比在二環(huán)顯著高于其他環(huán)線區(qū)域，20 ～ 40 cm土層土壤C∶N則是在二環(huán)內(nèi)顯著高于其他區(qū)域，但二環(huán)內(nèi)2個區(qū)域和二環(huán)外3個區(qū)域間兩兩之間均無顯著差異；土壤C∶P和N∶P均在繞城顯著高于一環(huán)區(qū)域，而二環(huán)、三環(huán)和繞城外兩兩之間無顯著差異。20 ～ 40 cm土層中，土壤C∶P在繞城顯著高于其他區(qū)域，其他區(qū)域兩兩之間無顯著差異；土壤N∶P也是三環(huán)至繞城區(qū)域顯著高于其他區(qū)域，二環(huán)、三環(huán)和繞城外兩兩之間無顯著差異。各環(huán)線區(qū)域內(nèi)上下兩個土層的C∶N、C∶P、N∶P含量均無顯著差異。

圖3 成都東部不同環(huán)線區(qū)域綠地0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層土壤C、N、P化學(xué)計量比Fig. 3 Stoichiometry of green space soil carbon, nitrogen and phosphorus in different layers and circle areas in eastern Chengdu

3 討論

3.1 成都東部綠地土壤碳氮磷含量特征

從整體看，成都東部各環(huán)線區(qū)域綠地土壤 C含量表現(xiàn)為由城市中心向郊區(qū)遞減，體現(xiàn)出“城–郊–鄉(xiāng)”的梯度差異(圖 2A)。與郊區(qū)土壤相比，城市土壤有機碳含量較高，說明城市土壤表現(xiàn)出明顯的有機質(zhì)富集現(xiàn)象。一環(huán)、二環(huán)處于城鎮(zhèn)建設(shè)和人類活動核心地帶，城市土壤有機質(zhì)除少量來自其上生長的植物(枯枝落葉和雜草)外，主要由人為帶入，外源有機物質(zhì)的填埋是城市有機碳的主要來源[23]；由于城市土壤較為堅實，而城市土壤不以生產(chǎn)為目的，土壤有機碳分解較慢，消耗較少，促進了有機碳的積累[24]。而郊區(qū)多為旱地耕作土壤，農(nóng)田受人工擾動大，人為翻耕使土壤有機質(zhì)暴露，加速其分解，不利于有機碳積累；且耕作能增加土壤微生物的數(shù)量，增強其活性，有利于有機碳的分解，土壤有機碳含量較低。土壤N含量在三環(huán)顯著高于繞城外(圖 2B)，三環(huán)區(qū)域在以前多為菜地等農(nóng)田，由于長期施肥導(dǎo)致氮素積累。而繞城外鄉(xiāng)村區(qū)域 N含量較低，可能是由于土壤類型多為新建綠地，土壤氮素施用量不足。從本試驗結(jié)果來看，成都東部“城–郊–鄉(xiāng)”土壤 N含量均低于成都平原非城市土壤調(diào)查結(jié)果 1.29 g/kg[25]。不同區(qū)域土壤P含量差異顯著，且城市綠地土壤存在P富集現(xiàn)象(圖2C)，與Yuan等[17]的結(jié)論一致。一方面由于P在土壤中難于移動而易于被吸附和固定，另一方面可能是人為作用對土壤P環(huán)境的影響造成的，如富含P的生活污水輸入。根據(jù)全國第二次土壤普查分類標準[26]，本研究區(qū)“城–郊–鄉(xiāng)”土壤 P含量均達到一級標準(＞1 g/kg)，從一環(huán)至繞城呈下降趨勢，可能與一環(huán)和二環(huán)城市化歷史悠久導(dǎo)致城區(qū)內(nèi)長期施肥和富P垃圾堆填過多，且P的遷移能力差有關(guān)；而三環(huán)和繞城新建綠地較多，因而隨草皮帶入非本區(qū)域低 P土壤物質(zhì)并且土壤培肥不足[21]。而繞城外則略微升高，可能是由于繞城外土地利用以菜地為主，農(nóng)田施肥增加了土壤P的含量。

不同環(huán)線區(qū)域綠地土壤C、N、P含量有隨著土層的加深而降低的趨勢，其中以C、N降低最為明顯。表層土壤C、N由于受植被枯落物歸還、園林施肥等的影響而富集，而表下層土壤C、N含量相比表層土壤受外界的影響更小[27]，因而含量降低。

3.2 成都東部綠地土壤碳氮磷生態(tài)化學(xué)計量特征

土壤C、N、P之比受研究區(qū)域氣候、植被、母質(zhì)層、地形和土壤微生物等成土因素和人類活動的影響，不同區(qū)域土壤養(yǎng)分變化很大，使得成都土壤C、N、P之比存在較大的空間變異性。

成都東部綠地土壤 C∶N有郊區(qū)低于城區(qū)的趨勢(圖 3A)，可能與城區(qū)由于人為活動和交通造成綠地土壤C富集，C含量較高，而N相對穩(wěn)定，故C∶N較大。C∶N在“城–郊–鄉(xiāng)”梯度的變異相比C∶P和N∶P的變異較小，這與Tian等[28]研究結(jié)論一致。

土壤C∶P是衡量微生物礦化土壤有機物質(zhì)釋放P或從環(huán)境中吸收固持P素潛力的一個指標[29]。研究區(qū)綠地土壤C∶P在“城–郊–鄉(xiāng)”梯度上表現(xiàn)為一環(huán)區(qū)域最低(圖3B)。Tian等[28]對第二次普查中2 384個剖面數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，中國土壤剖面與表層C∶P平均值分別為61和136，而成都“城–郊–鄉(xiāng)”土壤C∶P指標均遠低于國內(nèi)水平。較低的C∶P是P有效性高的一個指標，使水體面臨富營養(yǎng)化風(fēng)險，今后應(yīng)進一步開展研究考慮如何栽種植物改善降低土壤 P素的有效性。

土壤N∶P可作N限制或飽和的診斷指標，指示植物生長過程中土壤營養(yǎng)成分的供應(yīng)情況[30]。Smith[31]指出，土壤 N∶P低，土壤磷活性高。成都“城–郊–鄉(xiāng)”綠地土壤 N∶P均低于我國土壤 N∶P的平均值5.2[28]，印證了城市土壤N、P比例嚴重失衡[32]的結(jié)論。較低的N∶P與P顯著積累有關(guān)，表明P較多，N是重要的限制因子。N∶P沿“城–郊–鄉(xiāng)”梯度表現(xiàn)為一環(huán)區(qū)域最低(圖3C)，城區(qū)土壤P含量高于郊區(qū)(圖 2C)，表明城市化過程加劇了成都城市土壤P的富集，使城市土壤P活性升高。在城市綠化時，可栽種豆科固氮植物加強生物固氮，提高土壤N含量，同時促進城市土壤中豐富的P被吸收利用，進而減輕P對水體的危害。

4 結(jié)論

1) 成都東部綠地土壤(0 ～ 20 cm和20 ～ 40 cm土層)C、P含量在沿“城–郊–鄉(xiāng)”梯度上總體有降低趨勢。在各個區(qū)域，土壤全量C、N、P養(yǎng)分基本隨著土層的加深而降低，其中以C、P含量降低最為明顯。

2) 成都東部綠地土壤C∶P和N∶P在“城–郊–鄉(xiāng)”梯度下有升高趨勢，但均低于國內(nèi)平均水平；而土壤C∶N在“城–郊–鄉(xiāng)”梯度變化不明顯，變異系數(shù)較低。

3) 城市化進程使成都“城–郊–鄉(xiāng)”梯度綠地土壤元素平衡發(fā)生了改變，其營養(yǎng)元素循環(huán)機制還需結(jié)合微生物和植被進一步深入研究。

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Stoichiometric Characteristics of Soil C, N and P of Green Space Along Urban–Suburb-Rural Gradient in Eastern Chengdu

WANG Qi1, LI Yan2, WANG Lianwei1, XIANG Manjing1, YUAN Dagang1*, SHAO Shuai1, GOU Qili1
(1 College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 Forestry Bureau of Yucheng District, Ya’an, Sichuan 625000, China)

This study selected 5 different traffic circle areas (within the first ring road, between the first and the second ring road, between the second and the third ring road, between the third ring road and the beltway, outside the beltway) in eastern Chengdu, sampled green space soils at the depths of 0–20 cm and 20–40 cm and analyzed the contents of soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorus and their ecological stoichiometry. The results showed that soil carbon and nitrogen concentrations of green space generally had a decreasing tendency along urban-suburb-rural gradient. In every area, soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorus concentrations of green space were decreased with increasing soil depth, and the trend was more significant to carbon and phosphorus. Soil C∶N of green space was not significantly different along urban-suburb-rural gradient. And both of C∶P and N∶P of green space tended to increase along urban-suburb-rural gradient in eastern Chengdu, but which were lower than national average. It can be concluded that the spatial differentiation of soil C∶N∶P stoichiometry is caused by the rapid urbanization.

Eastern Chengdu; Urban-suburb-rural gradient; C∶N∶P; Stoichiometry

S154.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.022

國家科技部基礎(chǔ)性工作專項項目(2014FY110200A12)和全國大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目(201410626087)資助。

* 通訊作者(gangday@sohu.com)

王啟(1994—)，男，四川雅安人，碩士研究生，主要從事土壤資源可持續(xù)利用研究。E-mail: wangqibilly@sohu.com