廣州大學(xué)城不同綠地類型土壤碳通量特征分析*

馮婷詩 林敏丹 許展穎 林妙君 陳小梅

（1. 廣州大學(xué) 地理科學(xué)與遙感學(xué)院, 廣東 廣州 510006 ；2.廣州市少年宮，廣東 廣州 510170）

土壤碳通量是生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳物質(zhì)對(duì)外輸出的主要途徑，是土壤向空氣排放CO2的關(guān)鍵一環(huán)節(jié)[1]。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)年平均土壤碳排放估算總量為72.6 Pg C[2]，約是年平均燃燒化石能源所釋放碳量的8 倍[3]。土壤CO2釋放研究對(duì)估算未來大氣CO2濃度及全球氣候變化具有重要的意義。城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要子系統(tǒng)[4]，對(duì)城市及全球的碳平衡起到促進(jìn)作用。隨著城市化進(jìn)程加快，城市建設(shè)用地面積快速擴(kuò)張，城市綠地類型越來越豐富，土壤碳通量受到非生物因子和生物因子的綜合影響[5]，其中人類活動(dòng)影響日益突出[6]。因此，弄清不同綠地類型土壤碳通量特征，對(duì)碳中和背景下城市綠地管理具有重要意義。

目前土壤通量研究已在草原、森林、農(nóng)田、濕地、荒漠等幾乎所有陸地生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行，主要研究領(lǐng)域涉及土壤碳通量特征及其影響因素[7-9]。近年來，城市綠地土壤CO2通量特征及其影響因素日益受到關(guān)注。陶曉等[10]在合肥市四種不同類型城市綠地土壤研究發(fā)現(xiàn)城市綠地土壤呼吸夏季明顯高于冬季，且最高值出現(xiàn)在夏季持續(xù)降雨后。馬莉在寶雞市疏林地和草地土壤中發(fā)現(xiàn)它們土壤表層呼吸日動(dòng)態(tài)變化為單峰曲線，草地土壤呼吸速率大于疏林地[11]。土壤碳通量主要影響因素是土壤溫度和土壤濕度[12-13]，且土壤碳通量與土壤溫度二者之間存在著顯著的相關(guān)關(guān)系，以指數(shù)模型[14-15]最為典型。此外，氣候、溫度、降雨量、土壤特性、植被類型等也會(huì)影響不同區(qū)域城市綠地土壤碳通量的時(shí)空變化特征[11]。城市綠地與自然生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳通量存在較大差別，Schimel等[15]發(fā)現(xiàn)干旱和半干旱地區(qū)的城市化會(huì)引起土壤碳通量的下降；羅上華等[16]發(fā)現(xiàn)城市綠地的土壤碳通量比農(nóng)梗土壤和天然土壤更高。前人研究主要集中在北亞熱帶及以北地區(qū)，而南亞熱帶地區(qū)城市綠地土壤碳通量特征的研究相對(duì)較少，且不同區(qū)域的土壤碳通量特征研究結(jié)果不同，土壤碳通量影響機(jī)制仍解釋不清。

因此，本研究以廣州大學(xué)城綠地為研究現(xiàn)象，選取公園綠地、道路防護(hù)綠地（中環(huán)、外環(huán)）、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地五種不同功能綠地，探討大學(xué)城不同綠地利用類型土壤碳通量的時(shí)空變化特征，以期為低碳城市建設(shè)提供決策參考。

1 材料與方法

1.1 樣地選取與設(shè)置

根據(jù)各功能區(qū)綠地的功能結(jié)構(gòu)、開發(fā)利用現(xiàn)狀以及人類活動(dòng)強(qiáng)弱[11]，結(jié)合實(shí)際用地情況，本研究選取公園綠地、道路防護(hù)綠地、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地等5 種功能區(qū)的6 個(gè)綠地作為研究樣地（圖1）。其中，公園綠地位于大學(xué)城中心湖公園中游客干擾頻率較少的區(qū)域；道路防護(hù)綠地設(shè)置在大學(xué)城中環(huán)道路和外環(huán)道路，中環(huán)道路日常車流量和人流量較外環(huán)大；文教區(qū)綠地位于廣州大學(xué)氣象園，此處主要用于科研與教學(xué)，受其他因素干擾少；居住區(qū)綠地位于廣州大學(xué)菊苑生活區(qū)中的綠化地；生產(chǎn)綠地位于大學(xué)城北亭村的農(nóng)用地。在選定的6 個(gè)樣地各設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)并安置PVC 土壤環(huán)，使氣室底座高出土壤表面5 cm 以保證氣室偏移量盡可能準(zhǔn)確。為減少對(duì)土壤的干擾，觀測期盡量使土壤環(huán)留在原地，而對(duì)于不能長期安置土壤環(huán)的樣地，測量前24 h前去安置土壤環(huán)。碳通量觀測時(shí)間為2018 年7月—2019 年6 月。

圖1 試驗(yàn)樣地布局Figure 1 Layout of experimental plots

1.2 樣品采集與處理

2018 年7 月，在上述6 個(gè)樣地內(nèi)各隨機(jī)布置3 個(gè)呈三角形分布的平行樣點(diǎn)，使用內(nèi)徑5 cm 的土鉆隨機(jī)采集0～10 cm、10～20 cm 兩個(gè)土層的土壤。每個(gè)樣地的土壤樣品由3 個(gè)樣方同一層次的土壤樣品混合而成，共采集土壤樣品12 個(gè)。將所采的新鮮土壤樣品中植物的根系、殘?bào)w和易見的土壤小動(dòng)物等去除，過2 mm 篩并均勻混合，選取三分之一新鮮土壤樣品袋密封，并儲(chǔ)存在4℃的低溫下，以供微生物生物量測定；另外三分之二進(jìn)行風(fēng)干，過0.25 mm 篩后袋封保存，以供土壤總有機(jī)碳的測定。

1.3 樣品測定與分析

1.3.1 土壤碳通量測定 在觀測期間每月的中下旬無雨的8:30—10:30 時(shí)段，采用土壤碳通量自動(dòng)測量系統(tǒng)（LI-8100A，LI-COR，USA）觀測土壤碳通量，每個(gè)測試點(diǎn)每次測定3 次，并選取平均值。在干季與濕季分別選擇無雨的兩天，對(duì)每個(gè)樣地進(jìn)行碳通量日變化的測定，每次測定從早晨8:00 時(shí)到晚上20:00 時(shí)，每2 h 測定一次。每次監(jiān)測之前，先清除土壤環(huán)內(nèi)的凋落物以及新鮮植物的苗體，以減少地表植物釋放出的CO2對(duì)測定結(jié)果產(chǎn)生的影響，但盡量減少對(duì)土壤的干擾。

1.3.2 其他環(huán)境因子的測定 在測定土壤碳通量的同時(shí)，使用儀器自帶的土壤濕度、溫度傳感器測定每個(gè)樣地的土壤溫度和土壤濕度，并監(jiān)測實(shí)驗(yàn)樣地中的大氣因子，測定時(shí)間與測定土壤碳通量的同時(shí)。使用便攜氣象追蹤儀（Kestrel4500，USA）測定環(huán)境因子，如大氣溫度、大氣相對(duì)濕度、大氣壓強(qiáng)、平均風(fēng)速等。此外，對(duì)有機(jī)質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀外加熱法，土壤微生物含量采用磷脂脂肪酸法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2019 和SPSS23.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用Excel 軟件繪制不同綠地類型碳通量、土壤溫濕度的年變化、日變化趨勢曲線；用單因素方差分析法（LSD 法）判斷不同綠地類型、不同月份的土壤碳通量、土壤溫度、土壤濕度之間的差異（P＜0.05）；利用Pearson 相關(guān)系數(shù)對(duì)土壤碳通量與各環(huán)境因子之間進(jìn)行相關(guān)分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同綠地類型土壤碳通量、溫濕度年際變化

從圖2-a 中可以看出，6 個(gè)綠地土壤碳通量具有分明的年際動(dòng)態(tài)變化特征（P＜0.05），均呈濕季（5 月至10 月）高于干季（11 月至次年4 月）的不規(guī)則單峰曲線，且濕季土壤碳 通 量 變 化（1.94～9.76 μmolm-2s-1） 較 干 季（0.34～3.98 μmolm-2s-1）明顯。濕季監(jiān)測期內(nèi)，土壤碳通量大約在8 月份時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)較低值。土壤碳通量與土壤溫度、大氣溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01,表1）。各類型綠地的土壤碳通量最大值出現(xiàn)在7—9 月（夏季），從10 月開始，隨月均溫度的下降，土壤碳通量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，次年1—2 月（冬季）達(dá)到最低值（圖2-a、2-b）。

圖2 廣州大學(xué)城不同綠地類型土壤碳通量、溫度和濕度年際變化Figure 2 Interannual variation of soil carbon flux, temperature and moisture in different green space types in Guangzhou university town

不同類型綠地土壤碳通量的差異顯著（P＜0.05， 圖2-a）。 受 人 工 養(yǎng) 護(hù) 多 的 文 教 區(qū)綠 地（5.33±2.90 μmolm-2s-1）、 道 路 綠 地 內(nèi)環(huán)（3.96±2.50 μmolm-2s-1） 和 道 路 綠 地 外 環(huán)（3.74±2.22 μmolm-2s-1）土壤碳通量顯著高于其他綠地類型。其中受人類干擾影響最多的居住區(qū)綠地土壤碳通量（1.70±1.10 μmolm-2s-1）顯著低于其他綠地類型。

監(jiān)測期內(nèi)6 個(gè)城市綠地土壤溫度在年內(nèi)存在明顯的季節(jié)變化（P＜0.05，圖2-b），呈和緩的單峰曲線趨勢。8 月（28.57±1.12 ℃）、7月（28.40±1.16 ℃） 和6 月（28.32±1.16 ℃）各綠地類型土壤溫度顯著高于其他月份，2 月（16.77±0.54 ℃）和1 月（16.14±1.15 ℃）土壤溫度顯著低于其他月份。土壤溫度與大氣溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01，表1），與氣壓呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01,表1）。不同綠地類型的土壤溫度變化無顯著差異 (P＞0.05)。

6 個(gè)綠地土壤濕度的年變化趨勢相似（P＞0.05， 圖2-b）。 在10 月 至 次 年1 月 期間，土壤濕度處于谷值。生產(chǎn)綠地的土壤濕度（0.16±0.10 %）顯著低于其他綠地類型。土壤濕度與大氣相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01,表1），與氣壓呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01,表1）。

2.2 不同綠地類型土壤碳通量干濕季日變化特征

監(jiān)測期內(nèi)6 個(gè)綠地土壤碳通量干濕季日變化趨勢不一致，濕季時(shí)各綠地類型的土壤碳通量（2.04～9.76 μmolm-2s-1，圖3-a）明顯高于干季（圖3-b，0.23～2.78 μmolm-2s-1）。不同綠地類型土壤碳通量在濕季和干季的日變化特征差異顯著（P＜0.05，圖3）。

濕季時(shí)，土壤的碳通量日變化沒有明顯的變化趨勢（圖3-a）。濕季文教區(qū)綠地（7.88±0.92μmolm-2s-1） 和 道 路 中 環(huán) 綠 地（7.14±0.90μmolm-2s-1）土壤碳通量顯著高于其他綠地類型。濕季土壤碳通量與土壤溫度和氣壓呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01，表1），與大氣溫度、土壤濕度不相關(guān)（P＞0.05，表1）。

干季時(shí)，土壤的碳通量日變化沒有明顯的變化趨勢（圖3-b）。干季生產(chǎn)綠地（2.29±0.37μmolm-2s-1） 和 道 路 外 環(huán) 綠 地（2.20±0.31μmolm-2s-1）土壤碳通量顯著高于其他綠地類型。干季土壤碳通量與土壤濕度、大氣相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05，表1），與大氣溫度、土壤溫度不相關(guān)（P＞0.05，表1）。濕季（2.89±0.43μmolm-2s-1）和干季（0.35±0.07 μmolm-2s-1）居住區(qū)綠地土壤碳通量均顯著低于其他綠地。

圖3 廣州大學(xué)城不同綠地類型土壤碳通量日變化特征Figure 3 Diurnal variation of soil carbon flux in different green space types in Guangzhou university town

2.3 土壤碳通量與環(huán)境因子的關(guān)系

據(jù)表1 可知，土壤碳通量在濕季時(shí)與土壤溫度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而在干季時(shí)土壤碳通量與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。土壤碳通量與大氣溫度呈極顯著正相關(guān)，與氣壓呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。干濕季的大氣相對(duì)濕度均與大氣溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。

表1 土壤碳通量與環(huán)境因子的相關(guān)分析Table 1Correlation analysis between soil carbon flux and environmental factors

2.4 土壤理化性質(zhì)分析

不同綠地類型的土壤理化性質(zhì)如表2 所示。研究表明，公園綠地、生產(chǎn)綠地土壤呈酸性，中環(huán)道路綠地、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地土壤呈堿性。公園綠地和居住區(qū)綠地的土壤微生物量明顯低于其他綠地。土壤碳通量與0～10 cm 土壤C、微生物總量呈正相關(guān)，與田間持水量呈負(fù)相關(guān)（表2）。

表2 不同綠地類型土壤理化性質(zhì)Table2 Physical and chemical properties of soil in different green space types

3 結(jié)論與討論

城市綠地土壤碳通量具有明顯的季節(jié)變化，均呈濕季顯著高于干季的單峰曲線，且土壤碳通量的最大值出現(xiàn)在夏季，最小值出現(xiàn)在冬季（圖2-a）。這與同類氣候類型其它相關(guān)研究結(jié)果基本一致[14,18]。土壤碳通量的季節(jié)變化主要受研究區(qū)域外部環(huán)境條件如土壤溫濕度、植物的生長、土壤有機(jī)碳含量、土壤微生物活性、大氣微氣候因子等因素的影響。

土壤溫度影響土壤碳通量的作用機(jī)制是通過調(diào)節(jié)土壤中的微生物及植物呼吸酶的活性來實(shí)現(xiàn)，在一定程度上土壤氣溫的上升能促進(jìn)植物呼吸酶和土壤微生物的活性[19]。在本研究中，夏季土壤碳通量顯著高于冬季，這是由于夏季時(shí)土壤溫度較高，加強(qiáng)植物根系代謝，微生物較為活躍，促進(jìn)土壤碳通量；當(dāng)冬季時(shí)土壤溫度較低，土壤微生物數(shù)量少、豐度小，其活躍程度也受到抑制，導(dǎo)致土壤碳通量下降[20]。土壤濕度可以直接影響植被根系的生長、微生物的活性，也可以間接影響氧氣和底物的擴(kuò)散運(yùn)輸[21]。本研究發(fā)現(xiàn)濕季土壤碳通量與土壤濕度不相關(guān)（P＞0.05），而干季時(shí)與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），取代土壤溫度，成為最關(guān)鍵的影響因子，與Arredondo 等[22]的研究結(jié)果一致，這是由于在干燥的季節(jié)，土壤含水量以及降水情況會(huì)限制土壤碳排放。

一般而言，土壤溫度與土壤濕度共同影響土壤碳通量，解釋了土壤碳通量變化的70%～97%[23]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤碳通量變化與土壤溫度的變化趨勢是一致的（圖2-a、2-b），全年土壤碳通量與土壤溫度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P＜0.01），而與土壤濕度不相關(guān)（P＞0.05），與Wei 等[24]的研究結(jié)果一致。這表明調(diào)控廣州大學(xué)城綠地土壤碳通量季節(jié)變化的主要影響因子是土壤溫度。此外，城市綠地土壤的熱量和水分條件通常是彼此相互影響和作用的，還伴隨著多個(gè)環(huán)境因子的協(xié)同作用。

大氣溫度主要先作用于土壤表面，再逐步將熱量傳遞到土壤下層，影響土壤微生物、植物根系等的碳通量，使碳通過土壤孔隙排放到大氣中[25]。本研究中大氣溫度與土壤碳通量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），這也表明了大氣溫度間接地影響土壤碳通量。土壤碳通量在干季時(shí)與大氣相對(duì)濕度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，這與趙哈林[26]、朱宏[27]等人的研究結(jié)果相一致。濕季監(jiān)測期內(nèi)，土壤碳通量大約在8 月份時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)較低值，Epron[28]、吳亞華[15]等人也有相似的發(fā)現(xiàn)，這是由于在降水頻率較高，降水量、降水強(qiáng)度不均勻等降水格局的影響下，土壤碳通量或受抑制、或受促進(jìn)、或沒有影響[28]，因而在濕季時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢。

監(jiān)測期內(nèi)，干濕季土壤的碳通量日變化均沒有明顯的變化趨勢，均與大氣溫度不相關(guān)，與胡進(jìn)耀[30]、Capek[31]等人的研究結(jié)果不一致。土壤碳通量日變化動(dòng)態(tài)特征與測定季節(jié)、土壤類型等有關(guān)，溫度變化幅度對(duì)土壤碳通量作用變化產(chǎn)生重要影響[25]。結(jié)合實(shí)際可知，廣州大學(xué)城地處南亞熱帶，具有溫暖多雨、溫差較小等氣候特征，且本研究僅在8：00 至20:00 時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，無法說明全日晝夜大氣溫度對(duì)土壤碳通量的影響。

土壤碳通量是一種復(fù)雜的生物學(xué)過程, 受到非生物因子和生物因子的綜合影響[9,32]。不同城市綠地類型土壤碳通量的差異顯著（P＜0.05），與梁晶等的研究結(jié)果相似[33]。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力[34]，在一定程度上支配著通過土壤碳通量所進(jìn)行的C 釋放。充足的碳源有利于土壤微生物活性及微生物量的增加[35]，有機(jī)肥料和化學(xué)肥料的施用能夠改變或增加土壤營養(yǎng)元素及有機(jī)碳的含量，激發(fā)土壤微生物的活性，提高地表根系的碳通量，進(jìn)而促進(jìn)土壤CO2的產(chǎn)生與排放[10,36]。本研究中土壤碳通量與0～10 cm 土壤C、微生物總量呈正相關(guān)，而0～10 cm 土壤C、微生物總量較高的文教區(qū)綠地、道路綠地（中環(huán)、外環(huán)）和生產(chǎn)綠地土壤碳通量顯著高于其他綠地類型（表1）。結(jié)合實(shí)際可知，文教區(qū)綠地、道路綠地（中環(huán)、外環(huán)）有綠化養(yǎng)護(hù)工人進(jìn)行肥料噴撒，生產(chǎn)綠地有農(nóng)戶精心照料，而公園綠地和居住區(qū)綠地則受人為干擾影響較大，二者的人流量都較大，有較為明顯的土壤壓實(shí)、土壤物理退化現(xiàn)象。這也表明定期對(duì)城市綠地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)有利于增加土壤碳通量。不同的土地利用方式通過對(duì)地表植被、土壤滲透性、土壤有機(jī)質(zhì)含量等因子的影響間接作用于土壤碳通量[37]。研究發(fā)現(xiàn)干濕季居住區(qū)綠地土壤碳通量均顯著低于其他綠地，與陶曉等[10]的研究結(jié)果相似，其可能是由于居住區(qū)綠地監(jiān)測期內(nèi)受綠化整改計(jì)劃影響，大部分時(shí)間以裸地為主，改變了土壤微生物和根系的生活空間，從而抑制土壤CO2的產(chǎn)生。本研究結(jié)果表明，濕季時(shí)文教區(qū)綠地和道路中環(huán)綠地土壤碳通量顯著高于其他綠地類型，而干季時(shí)生產(chǎn)綠地和道路外環(huán)綠地土壤碳通量顯著高于其他綠地類型，這說明時(shí)間不同，土壤碳通量的影響因子不同，影響因素的主成分就會(huì)有所不同[38]。有研究表明，土壤溫度、土壤濕度等因子在時(shí)空上的變異會(huì)受植被類型、植被覆蓋度不同等的影響[39-40]，而本研究在樣地選取上并沒有消除植被類型對(duì)土壤碳通量的影響。因此今后關(guān)于不同綠地類型土壤碳通量的研究中，應(yīng)選取相同植被類型的樣地進(jìn)行監(jiān)測，以便進(jìn)一步研究土壤碳通量的影響機(jī)制。

本研究通過對(duì)廣州大學(xué)城公園綠地、道路防護(hù)綠地（中環(huán)、外環(huán)）、文教區(qū)綠地、居住區(qū)綠地、生產(chǎn)綠地等5 種不同功能綠地土壤碳通量、溫濕度和土壤理化性質(zhì)的測定，研究發(fā)現(xiàn)：（1）從季節(jié)尺度上看，廣州大學(xué)城綠地土壤呼吸速率具有明顯時(shí)間動(dòng)態(tài)節(jié)律性，濕季和夏季時(shí)各綠地類型的土壤碳通量顯著高于干季和冬季；（2）調(diào)控廣州大學(xué)城綠地土壤碳通量季節(jié)變化的主要影響因子是土壤溫度，同時(shí)伴隨著多個(gè)環(huán)境因子的協(xié)同作用；（3）廣州大學(xué)城不同城市綠地類型的土壤碳通量對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)特征存在差異。定期對(duì)城市綠地進(jìn)行養(yǎng)護(hù)促進(jìn)土壤碳通量的增加。