上海市綠地表層土壤有機碳儲量的估算①

張青青 ，伍海兵 ，梁 晶 *

(1 上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232；2 上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232)

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其碳庫微小的變化可能直接影響大氣中CO2濃度，進而影響全球氣候變化[1]。隨著城市化進程的加快，建筑物、道路等施工使城市的封閉土壤大量增加，不僅致使土壤中有機碳易于釋放到空氣中，而且減弱了對大氣CO2的固存量，最終造成溫室效應(yīng)、熱島效應(yīng)加劇，對城市的發(fā)展造成了很大的影響[2-4]。為了解決這種現(xiàn)象，國家大力推進生態(tài)文明建設(shè)，轉(zhuǎn)變土地利用方式，注重城市綠地的建設(shè)，試圖通過綠地土壤來調(diào)控土壤碳庫。而城市綠地土壤有機碳庫主要聚集于表層[5]，因此，研究城市綠地表層土壤有機碳儲量具有重要意義。

Edmondson 等[6]分析了英國萊斯特市不同土地覆蓋對家庭花園和非住宅綠地有機碳儲量的影響，發(fā)現(xiàn)城市綠地0 ～ 21 cm 土壤的有機碳平均密度為99 t/hm2。羅上華等[7]對北京市不同類型綠地0 ～ 20 cm土壤有機碳進行測定，結(jié)果表明：城市不同類型綠地土壤中有機碳含量差異明顯，行道樹土壤有機碳含量顯著高于其他類型綠地，而其他類型綠地土壤有機碳含量差異不顯著。周陶冶[8]發(fā)現(xiàn)上海市不同類型綠地表層土壤有機碳含量大小依次為公園綠地＞農(nóng)業(yè)用地＞交通道路＞居民區(qū)綠地。目前，國內(nèi)外學(xué)者多從土地利用方式變化方面研究綠地土壤有機碳含量和密度的變化特征[9]，缺乏對某個特定區(qū)域綠地土壤有機碳總庫大小的估算和預(yù)測。

上海作為中國發(fā)展速度較快的大城市，注重城市綠地面積建設(shè)(如198 地塊)，且強調(diào)注重發(fā)揮綠地固碳增匯作用，維持城市的可持續(xù)發(fā)展。但目前上海市綠地土壤對土壤有機碳庫的貢獻大小尚不清楚。因此，本研究以上海市綠地表層土壤為對象，基于大量的土壤數(shù)據(jù)，分析土壤有機碳含量和密度的空間分布規(guī)律，估算2015 年上海市綠地表層土壤有機碳總儲量，并根據(jù)上海城市整體規(guī)劃對2035 年上海市綠地表層土壤有機碳儲量進行推算，為上海市綠地土壤碳庫評價與改良提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

上海位于中國的東南部(120°52′ ～ 122°12′E，30°40′ ～ 31°53′N)，總面積6.34×105hm2，共16 個區(qū)。其中，城區(qū)包括黃浦、徐匯、長寧、靜安、普陀、虹口、楊浦、浦東新區(qū)，郊區(qū)包括崇明、寶山、嘉定、青浦、閔行、奉賢、松江、金山。2015 年，上海市年均溫為17.1 ℃，年均降水量為1 649.1 mm，屬亞熱帶濕潤季風氣候，平均海拔約為4 m。當年，上海市綠地面積達到1.27×105hm2，約占上?？偯娣e的20.08%。其中，公園綠地面積為1.84 ×104hm2(上海統(tǒng)計年鑒，2015 年)。

本研究于2015 年7—8 月份，對上海市的公園綠地、公共綠地、街道綠地等不同類型綠地土壤進行采樣，共采集表層(0 ～ 20 cm)樣品472 個，同時每處采集3 個環(huán)刀樣，用于容重的分析。采樣點地理位置見圖 1。

圖1 采樣點地理位置Fig.1 Location of sampling sites

1.2 研究方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤有機碳含量(SOC)通過重鉻酸鉀-外加熱法測定[10]。土壤有機碳密度(SOCD)是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的儲量。目前，它已成為評價和衡量土壤中有機碳儲量的一個極其重要的指標。計算公式為：

式中：SOCD 的單位為t/hm2，SOC 的單位為g/kg，n為土層數(shù)(n= 1)，BD 為土壤容重(g/cm3)，α為土壤中＞2 mm 石礫的體積百分數(shù)，H為土層厚度(cm)，本研究土層厚度為20 cm。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SAS 9.0 軟件對綠地表層土壤有機碳含量和有機碳密度進行正態(tài)分布檢驗，并分析不同綠地類型土壤有機碳含量、有機碳密度的差異。運用ArcGIS 14.2 軟件中的普通克里金法對上海市綠地表層土壤有機碳含量和有機碳密度進行空間插值。采用Origin 2017 作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 上海市綠地表層土壤有機碳含量和密度總體特征

上海市綠地表層土壤有機碳含量介于2.83 ～41.47 g/kg，平均值為13.50 g/kg，變異系數(shù)(CV)為44.82%(表1)。根據(jù)Nielsen 的變異系數(shù)分級標準，CV≤10%，屬于弱變異性；10%＜CV＜100%，屬于中等變異性；CV≥100%，屬于強變異性。本研究表明，上海市綠地表層土壤有機碳含量屬于中等變異性。同郝瑞軍等[11]2011 年測定的上海市綠地表層土壤有機碳平均含量(11.21 g/kg)相比，2015 年上海市綠地表層土壤有機碳平均含量有增加趨勢，且年均增加速率為0.57 g/(kg·a)。而與國內(nèi)其他城市相比，上海市綠地表層土壤有機碳含量則高于北京市崇文區(qū)綠地表層土壤有機碳含量(10.90 g/kg)[12]，也高于鄭州市綠地表層土壤有機碳含量(6.60 g/kg)[13]。

上海市綠地表層土壤有機碳密度介于 8.72 ～104.05 t/hm2，平均值為35.04 t/hm2，CV 值為39.46%，也屬于中等變異性(表1)。與國內(nèi)其他城市相比，本研究結(jié)果與開封市的土壤有機碳密度(35.3 t/hm2)較為接近[14]，略高于蕪湖市的土壤有機碳密度(32.8 t/hm2)[15]。

表1 上海市綠地表層土壤有機碳含量和密度的統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis of content and density of organic carbon in green surface soil in Shanghai

2.2 上海市綠地表層土壤有機碳含量和密度空間分布特征

如圖2 所示，上海市綠地表層土壤有機碳含量空間分異性較大。楊浦區(qū)東南部、長寧區(qū)中部、徐匯區(qū)北部、青浦區(qū)北部、松江區(qū)北部以及崇明區(qū)西北部的土壤有機碳含量較高，高于14.7 g/kg；寶山區(qū)北部、閔行區(qū)東部、浦東西區(qū)西部、金山區(qū)西部、奉賢區(qū)中部和崇明區(qū)西南部的有機碳含量較低，低于10.3 g/kg。在空間上有機碳含量表現(xiàn)為西高東低，自中心向四周有逐漸增加的趨勢。

同土壤有機碳含量變化相似，上海市綠地表層土壤有機碳密度的空間分異性也較大(圖3)。崇明區(qū)西北部較高，高于71.0 t/hm2；寶山區(qū)北部、閔行區(qū)東部、浦東西區(qū)西部、金山區(qū)西部和南部、奉賢區(qū)西部和崇明區(qū)西南部土壤有機碳密度較低，低于27.8 t/hm2。在空間上有機碳密度也表現(xiàn)為西高東低，中心區(qū)域低于四周郊區(qū)。這同史利江等[16]發(fā)現(xiàn)上海市0 ～ 100 cm的土壤有機碳密度呈西高東低的研究結(jié)果相似。分析其原因可能有以下幾方面：①上海市郊區(qū)較中心城區(qū)的綠地養(yǎng)護更為粗放，枯枝落葉等凋落物更多回歸于土壤，這促進了土壤有機碳的積累；②中心城區(qū)、閔行區(qū)受高樓大廈等封閉空間的影響，其熱島效應(yīng)高于四周較為開闊的郊區(qū)[17-18]，致使土壤有機碳易于分解，積累量較低[19-20]；③隨著城市綠化發(fā)展水平的提高，建設(shè)相對較晚的郊區(qū)綠地較中心城區(qū)綠地土壤質(zhì)量要求高；④與本底土壤性質(zhì)也有一定關(guān)系，如上海東部分布有黃泥、黃潮泥、潮沙泥等水稻土，而西部多分布為青紫泥等水稻土，而黃泥、黃潮泥、潮沙泥比青紫泥肥沃，有機質(zhì)含量高[16]。崇明區(qū)綠地表層土壤有機碳密度從南到北呈增加趨勢，西北角的尤其高，在東西方向上呈現(xiàn)西高東低的趨勢。這與申廣榮等[21]對崇明表層土壤有機碳密度的研究結(jié)果相左，可能是由于本研究只涉及到綠地，而申廣榮等的研究涉及面廣，包括農(nóng)田、林地、城鎮(zhèn)或建筑用地等。而農(nóng)田、林地土壤碳庫的變化在土壤碳庫里占著重要比例。

2.3 上海市不同綠地類型土壤有機碳含量及密度分布特征

由圖 4 可知，上海市不同綠地類型表層土壤有機碳含量依次為：公園綠地(13.93 g/kg)＞公共綠地(13.91 g/kg)＞道路綠地(10.82 g/kg)。就整個上海而言，不同綠地類型土壤有機碳含量差異顯著，主要表現(xiàn)為：公園綠地、公共綠地土壤有機碳含量與道路綠地差異顯著(P＜0.05)，公園綠地與公共綠地土壤有機碳含量差異不顯著(P＞0.05)。就郊區(qū)而言，不同綠地類型土壤有機碳含量差異不顯著(P＞0.05)；但城區(qū)公園綠地、公共綠地土壤有機碳含量與道路綠地差異顯著(P＜0.05)，公園綠地與公共綠地土壤有機碳含量差異不顯著(P＞0.05)。本研究結(jié)果與齊齊哈爾市中心城區(qū)主要綠地土壤有機碳含量排序：公園綠地＞單位附屬綠地＞居住區(qū)綠地＞道路綠地的研究結(jié)果相一致[22]。但與合肥市 0 ～ 30 cm 土層不同綠地類型土壤有機碳含量大小依次為：道路綠地(9.91 g/kg)＞公園綠地(7.00 g/kg)＞居住區(qū)綠地(5.70 g/kg)的研究結(jié)果不同[23]。這可能是與不同城市綠地土壤性質(zhì)及其不同類型綠地土壤的養(yǎng)護水平不同等有關(guān)。在本研究中，公園綠地人為干預(yù)相對較強，有專門養(yǎng)護人員定期進行施肥、澆水等養(yǎng)護管理，因此土壤有機碳含量最高；公共綠地通常分布于街頭、路口等區(qū)域，雖然存在人為養(yǎng)護管理，但養(yǎng)護水平遠低于公園綠地；而道路綠地則主要分布在路邊綠化帶或路中央分車道，管理方式較為粗放，不僅無施肥等養(yǎng)護措施，且道路綠地的凋落物易被環(huán)衛(wèi)工及時清掃，不利于土壤有機碳的積累，因此其土壤有機碳含量最低。

圖2 上海市綠地表層土壤有機碳含量Fig. 2 Organic carbon content in green surface soil in Shanghai

圖3 上海市綠地表層土壤有機碳密度分布圖Fig. 3 Organic carbon density in green surface soil in Shanghai

圖4 上海市城區(qū)和郊區(qū)綠地土壤有機碳含量和密度差異Fig. 4 Organic carbon contents and density of green surface soils in urban and suburb in Shanghai

同土壤有機碳含量的分布特征相似，上海市不同綠地類型表層土壤有機碳密度依次為：公共綠地(36.26 t/hm2)＞公園綠地(36.04 t/hm2)＞道路綠地(28.75 t/hm2)(圖 4)。整個上海不同綠地類型土壤有機碳密度差異顯著，主要表現(xiàn)為：公園綠地、公共綠地的土壤有機碳密度與道路綠地差異顯著(P＜0.05)，公園綠地與公共綠地土壤有機碳密度差異不顯著(P＞0.05)。就郊區(qū)而言，不同綠地類型土壤有機碳密度差異不顯著(P＞0.05)；而城區(qū)公園綠地、公共綠地的土壤有機碳密度與道路綠地差異顯著(P＜0.05)，公園綠地與公共綠地土壤有機碳密度差異不顯著(P＞0.05)。本研究結(jié)果與蕪湖市不同綠地類型的土壤有機碳密度均值排序為道路綠地＞公園綠地＞街頭綠地存在差異[15]，同樣可能是受土壤性質(zhì)、養(yǎng)護水平等的影響。但不同類型綠地土壤有機碳密度同土壤有機碳含量的分布特征存在差異，如公共綠地的土壤有機碳密度高于公園綠地土壤，這是由于土壤有機碳密度除了受土壤有機碳含量影響外，土壤容重、土壤磚頭石塊等建筑廢棄物也是影響其差異的因素。相較于公園綠地，公共綠地土壤要求相對較低，且容易受人為干擾，致使土壤容重增大，從而土壤有機碳密度增加。

2.4 土壤碳儲量的估算及預(yù)測

對上海市不同區(qū)域綠地土壤有機碳密度對比分析發(fā)現(xiàn)，松江區(qū)的土壤有機碳密度最高，為44.14 t/hm2；奉賢區(qū)土壤有機碳密度最低，為26.38 t/hm2(表2)，這與上海市綠地表層土壤有機碳密度空間分布特征結(jié)果一致。為進一步了解不同區(qū)域綠地表層土壤有機碳儲量的變化及差異，本研究根據(jù)各區(qū)綠地表層土壤有機碳密度、各區(qū)綠地面積及公園綠地面積，對上海市綠地表層土壤有機碳儲量進行了估算，發(fā)現(xiàn)上海市綠地表層土壤有機碳儲量為4.26×106t，其中公園綠地表層土壤有機碳儲量為6.63×105t。與史利江等[16]估算的上海市表層土壤有機碳儲量(2.17×107t)相比，本研究綠地表層土壤有機碳儲量是其表層土壤有機碳儲量的 19.6%，這與上海市綠地面積的占比(20.08%)相近，表明上海市綠地土壤有機碳儲存能力屬于較強的狀態(tài)。

《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035 年)》指明，至2035 年，上海市常住人口控制在2 500 萬人左右，人均公園綠地面積達到13 m2以上。基于此可推斷出，至 2035 年，上海市公園綠地面積約可達到3.25×104hm2。同時，基于上海市綠地規(guī)劃中公園綠地面積與綠地總面積存在一定的比例關(guān)系(14%)，可以估算出至2035 年，上海市綠地總面積可能達到2.32×105hm2。本研究表明，上海市綠地表層土壤有機碳平均含量的年均增加速率為0.57 g/(kg·a)，那么，至2035 年上海市綠地表層土壤有機碳平均含量可達到24.95 g/kg。在土壤容重變化不大的情況下，可推斷出，至2035 年，上海市綠地表層土壤有機碳儲量約1.53×107t。

表2 上海市不同區(qū)域的綠地表層土壤有機碳密度及儲量分布特征Table 2 Organic carbon density and storage in green surface soils in different regions in Shanghai

3 結(jié)論

1) 上海市綠地表層土壤有機碳空間分異性較大，土壤有機碳含量和密度在空間上均表現(xiàn)為西高東低，自中心向四周逐漸增高。

2) 不同綠地類型土壤有機碳含量大小依次為：公園綠地＞公共綠地＞道路綠地；但受土壤容重及土壤中＞2 mm 的石礫的體積百分數(shù)的影響，公共綠地表層有機碳密度最高(36.36 t/hm2)，道路綠地表層有機碳密度最低(28.75 t/hm2)。不同綠地類型表層土壤有機碳含量和密度因養(yǎng)護水平、土壤性質(zhì)等不同而存在顯著差異。

3) 根據(jù)上海市各區(qū)綠地面積，可估算出上海市2015 年綠地表層土壤有機碳庫為4.26×106t?；谘芯拷Y(jié)果，并結(jié)合《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》，預(yù)計到2035 年，上海市綠地表層土壤有機碳儲量約可達到1.53×107t。