快速城市化地区昆明市“城—郊—乡”梯度土壤表层碳氮磷化学计量特征

何云玲, 张淑洁, 邓福英, 荣丽, 张林艳

快速城市化地区昆明市“城—郊—乡”梯度土壤表层碳氮磷化学计量特征

何云玲1,*, 张淑洁1, 邓福英1, 荣丽2, 张林艳3

1. 云南大学资源环境与地球科学学院, 昆明 650091 2. 云南大学国际河流与生态安全研究院, 昆明 650091 3. 云南大学建筑与规划学院, 昆明 650091

基于航空遥感影像, 利用地理信息系统(ArcGIS 10.2)和景观格局分析(Fragstats 4.2)软件, 通过主成分分析(PCA)和多元线性回归分析对研究区城市化水平进行量化, 选取覆盖研究区典型的“城—郊—乡”样带, 进行表层土壤取样, 测定总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量并分析其空间变化特征。结果表明: 快速的城市化进程导致了土壤C、N、P化学计量特征的空间分异, “城—郊—乡”梯度上变异系数都较大, 尤其城区各元素的变异系数分别为84.08%、76.95%和81.34%, 属于强变异, 表明土壤表层C、N、P含量空间分布极不均衡。研究区土壤C、N、P含量均表现为城区显著高于郊区的特征, 与郊区土壤相比, 城区土壤C含量较高, 说明人为活动造成城区土壤明显的有机质富集现象。城区土壤P含量高于郊区和乡村, 城市化过程加剧了城区土壤P的富集, 也使该地区水体(主要是滇池)面临富营养化风险。分析城市化过程中强烈的人类活动干扰对土壤C、N、P含量及其化学计量特征, 对于提高城市土壤管理水平、改善生态环境、促进城市生态系统健康持续发展具有重要意义。今后昆明市在进行城市绿化时可有针对性地选择部分豆科固氮植物加强生物固氮, 目的是提高土壤N含量的同时促进城区土壤丰富的P被吸收利用, 在一定程度上预防以及减轻P对水体的危害。

快速城市化; “城—郊—乡”; C:N:P; 空间变异; 昆明中部

0 前言

土壤有机碳库的细微变化都将会影响全球气候变化以及全球碳平衡[1], 而且土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)之比是反映土壤环境质量的灵敏指标之一, 常作为诊断或预测养分限制或饱和的指标[2]。森林、农田、草原等土地利用方式改变对土壤碳库及通量影响, 已得到较广泛的关注, 而由人类活动主导的剧烈环境变化所驱动的土壤环境演化及其生态响应仍是一个尚未系统回答的科学问题[3]。伴随着城市化进程的加快和城市规模的不断扩张, 越来越多的自然用地和农业用地转变为城市建设用地, 改变了城市土壤的理化性质, 必将影响土壤C、N、P含量的变化, 这对全球气候变化及陆地生态系统将产生深刻的影响[4]。

近年来国内外学者对城市区域土壤C、N、P的研究热度不断提高, Rabbi等分析了澳大利亚东部不同类型土壤有机碳含量的差异及成因[5], Lidia等分析了波兰城市化对土壤有机碳的影响[6]。在人为和自然因素的交互影响下, 城市绿地C、N、P时空异质性显著[7–8]。从目前的研究结果来看, 不同时间、不同城市、城市内部不同功能区, 绿地土壤C、N、P的分布均存在变异, 例如许乃政等对上海市土壤有机碳含量研究发现随着城市用地年限延长, 土壤有机碳密度逐渐增大[9]; 吕丽平等研究表明海南的土壤有机碳含量随城市化进程总体呈下降趋势[10]; Chen等对南昌市“城—郊—乡”梯度上土壤P素研究结果发现全P含量城区明显高于郊区[11]。导致研究结果不一致的其中一个原因是对城、郊、乡的地域选择多是基于行政区划进行, 但是“城—郊—乡”梯度的形成应该是多种因素相互作用的结果, 对其准确描述是开展城市化强度差异对生态系统产生影响的重要前提[12]。另外, 土壤C、N、P化学计量特征伴随城市化进程在“城—郊—乡”梯度下的研究还少有报道[13]。

昆明市作为云南省省会, 中国面向东南亚、南亚开放的门户城市, 自2000年以来随着旧城改造不断推进以及新区建设, 城市快速发展, 建设用地扩张速度逐年增加, 城市土地利用和景观格局以前所未有的速度发生着剧烈的变化, 城市环境发生了很大的改变。本研究在遥感影像资料和GIS技术支持下, 选择昆明市包含城—郊—乡梯度差异的典型样带为研究区域, 由中心城区到郊区到乡村, 分析城市化过程中强烈的人类活动干扰对样带土壤C、N、P含量及其化学计量特征, 对于提高城市土壤管理水平、改善生态环境、促进城市生态系统健康持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

昆明市位于中国西南云贵高原中部, 东经102°10′—103°41′, 北纬24°24′—26°33′之间, 属北亚热带低纬高原山地季风气候, 气候温和, 四季如春, 年平均气温16.5 ℃, 年降雨量1450 mm, 5—10月为雨季, 降水量占全年的85%左右; 11月至次年4月为干季, 降水量仅占全年的15%左右; 市中心海拔1891 m, 土壤主要为红壤和砖红壤。2017年末, 全市常住人口678.3万人, 建成区面积达到420.5 km2。由于其特殊的地理位置, 是中国面向东南亚、南亚等的前沿和门户, 伴随着昆明市人口不断增多与城市建设用地面积的急剧增长, 城市化进程进一步加剧。考虑到其山间盆地的地貌类型, 本文以昆明市中部主要行政区和建成区所在地的西山、五华、盘龙和官渡这四个区内具有连续的城乡交错带作为主体研究区, 这个区域也是昆明市快速城市化扩张的代表区域。

2 研究方法

2.1 城-郊-乡梯度的划分

“城—郊—乡”梯度的划分是研究人类活动对生态环境影响的基础, 以往研究表明城市化物理变量与景观变量的结合可在一定程度上较好地完成“城—郊—乡”梯度的量化[14–15]。本文利用精度2.5 m的卫星影像数据与Landsat8遥感影像数据, 使用ENVI软件获取研究区土地利用信息, 并结合ArcGIS10.2与Fragstats4.2软件以1 km×1 km为网格单位提取不透水下垫面比例、道路网密度、景观形状指数与香农多样性指数4个城市化指标, 并在SPSS22.0软件里采用主成分分析(PCA)与多元线性回归分析构建“城—郊—乡”梯度模型对研究区的城市化水平指数(UI)进行量化。其中, 不透水下垫面比例和道路网密度是城市化进程中最显著和直观的特征, 可反映城市化发展方向的变化趋势; 景观形状指数和香农多样性指数分别是景观形状的复杂程度和异质性, 数值越大, 表明斑块越复杂, 土地利用的破碎化程度越高。根据研究区城市化指数UI值, 将其导入ArcGIS网格面与矢量化后的土地分类图的叠加图属性表中, 并与昆明市卫星影像数据进行对比分析, 最后将-5.804

根据城—郊—乡划分的网格单位, 在研究区内选取面积相等的连续格网(东西方向1 km, 南北方向1 km)作为梯度带, 自西向东, 共设置44个连续梯度网格(以涵盖城乡交错土地景观空间格局连续区域为原则), 分别记做序号1, 2, ...... , 44, 如图1所示。将样带上各城市化指标进行分析(图2), 可见随着从乡村到郊区到城区梯度的变化, 不透水下垫面比例、道路网密度、景观形状指数和香农多样性指数各指标数值逐渐增大; 乡村的不透水下垫面比例与道路网密度均明显低于城区与郊区, 且城区最高(其中不透水下垫面比例高达90%以上); 城区的景观形状指数与香农多样性指数最大, 表明城区的景观异质性最大, 且景观破碎化程度明显高于郊区与乡村。经过实地验证和遥感影像比对, 该连续梯度网格带符合城—郊—乡梯度的基本特征。

2.2 土壤采样及分析方法

土壤样品的采集于2018年5月初开始进行, 针对上述研究区划分出来的自西向东样带内的44个1 km×1 km的网格, 在每个网格内采用对角线采样法采集表层(0—30 cm)各5个土壤样品, 共采集220个土样, 土壤采样点绿地类型见表1所示。采样时使用GPS定位采样点, 记录经纬度坐标。使用工兵铲在地表进行深度超过30 cm的采样坑样品采集, 沿坑壁垂直向下均匀采集0—30 cm的土壤样品约1 kg, 去除草根、石块。将每个网格内的5个土壤样品混合, 按照四分法取混合土样1—2 kg, 密封在聚乙烯塑料样品袋内并标记。同时在每个采样点现场使用100 cm3的环刀采集环刀样品用以测定土壤容重, 每个采样点进行3次重复采样, 共采集样品660个; 并在每个采样点按照上层(0—10 cm)、中层(0—20 cm)、下层(20—30 cm)分别采集10—20 g左右土壤, 放入铝盒中盖紧, 带回实验室立即称重并进行烘干用以计算土壤含水量。将采集的土壤样品风干后, 经木棒研磨去除动植物残体和碎石等异物, 过2 mm尼龙筛混匀, 装入聚乙烯塑料样品袋内标记、装箱, 运送至资质检测机构对总有机碳含量(C)、全氮(N)、全磷(P)等进行测定。土壤总有机碳采用重铬酸钾—外加热法测定, 全氮采用半微量开氏法测定, 全磷采用氢氟酸—高氯酸酸溶—钼锑抗比色法测定。样品分析结果采用SPSS22.0进行相关分析、回归分析、以及方差分析与多重比较。

图1 昆明市中部样带分布图

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

图2 沿城—郊—乡样带城市化指标值变化特征

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

表1 土壤采样点植被覆盖类型

3 结果与分析

3.1 碳氮磷含量特征

昆明市中部调查样方内土壤表层总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量的频数分布表明(图3), C含量的范围为1.85—48.58 g·kg–1, 平均值为16.18 g·kg–1, 变异系数(CV)达到72.25%; N含量的范围为0.32—3.88 g·kg–1, 平均值为1.37 g·kg–1, 变异系数69.78%; P含量的范围为0.29—3.15 g·kg–1, 平均值为0.80 g·kg–1,变异系数58.70%。可见, 昆明市中部调查样带内土壤表层C、N、P含量变异系数都较大, 属于强变异, 空间分布极不均衡。

昆明市中部城—郊—乡梯度上土壤表层总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量变化(图4)可见, 不同城市化水平的区域土壤C、N、P含量变化趋势大体一致, 整体呈现出乡村的含量数值较大, 伴随城市化水平的增大, C、N、P含量向城区递减。研究区土壤表层C含量在“城—郊—乡”梯度上呈现的变化特征与李家熙等[17]对苏州的研究结果一致: 城市绿地土壤有机碳含量低于农业土壤与山地土壤; 但与Luo等对北京[18]、Liu等[19]对重庆的城市土壤研究结果不一致: 土壤有机碳含量随着距离城市中心距离的增加而逐渐减小。

3.2 碳氮磷化学计量关系

土壤C与N含量相关系数高达0.931(<0.01)呈极显著正相关关系(图5), 土壤C与P含量相关系数0.728(<0.01)呈显著正相关关系; 表明土壤N、P含量是影响C含量变化的重要因素之一, 土壤中N、P含量的升高能够加快植物生长, 致使更多的凋落物在地面聚集, 增加土壤有机质的输入, 这一结果与冯锦等对新疆[20]、王天乐等对内蒙[21]的土壤C、N、P计量特征研究结果相一致。

图3 调查样方土壤总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量频数分布图

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

图4 城—郊—乡梯度上土壤表层总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量分布图

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

图5 土壤表层总有机碳(C)和全氮(N)、全磷(P)含量的相关分析(直线为线性拟合, Tau为Mann-Kendall秩相关系数, 带**表示达到了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—乡不同区域土壤表层总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化学计量的统计特征如图6所示。研究区内土壤表层C含量大小表现为乡村>城区>郊区, 乡村土壤表层C含量分别为郊区、城区的3.06倍、1.38倍; N含量大小也表现为乡村>城区>郊区, 乡村土壤表层N含量分别是郊区、城区的2.48倍、1.31倍; P含量大小则表现为城区>乡村>郊区, 城区土壤表层P含量分别是郊区、乡村的1.69倍、1.15倍。另外, 变异系数计算结果显示土壤表层C、N和P含量在城区的变异系数均为最大, 分别为84.08%、76.95%和81.34%, 属于强变异, 空间分布极不均衡。再从不同区域间的差异显著性检验来看, 土壤表层C、N、P含量均表现为城区显著高于郊区的变化特征。

图6 城—郊—乡不同区域土壤表层总有机碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化学计量(图中不同大写字母、小写字母和数字分别表示各要素不同区域间在p<0.05水平显著)

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

研究区内土壤表层的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), 数值上均低于国内平均水平, 空间上也均出现在乡村区域; 化学计量特征平均值大小顺序均表现为乡村>城区>郊区。从不同区域间的差异显著性检验来看, 土壤表层C:N和N:P均表现为郊区显著低于其他区域, 城区和乡村之间则无明显差异; 土壤表层C:P则在城区、郊区和乡村两两之间无显著差异。

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1) 土壤碳氮磷含量特征

城市土壤常常遭受各种自然和人为活动导致的物理干扰、化学污染, 通常具有高度空间异质性[22]。不少研究表明, 随着城市—郊区—乡村的空间梯度演替, 表层土壤有机碳含量渐趋减少[23], 被普遍认为是碳源的城市区域, 其土壤可能具有较大的碳吸存潜力[24]。国内外现有研究所用土壤有机碳数据采样深度多集中于表层20 cm(10—40 cm), 昆明市中部城区土壤表层C含量13.84 g·kg–1, 高于柳云龙等[25]和段保正等[26]分别对上海市(11.91 g·kg–1)和西安市(5.59 g·kg–1)的研究结果; 低于张小萌等[27]对乌鲁木齐(33.05 g·kg–1)的研究结果。昆明市中部“城—郊—乡”土壤表层N含量略高于同处于中国西南地区邻近的成都东部“城—郊—乡”土壤调查结果, 但是P含量均＜1 g·kg–1, 低于成都的调查结果[13]。从整体上看, 昆明市中部土壤C、N、P含量均表现为城区显著高于郊区的特征, 与王秋兵等[28]、曾宏达等[29]分别对沈阳市、福州市的研究结果相同。

与郊区土壤相比, 城区土壤有机碳含量较高, 说明城市土壤表现出明显的有机质富集现象。城区土壤有机质除少量来自本身植物枯枝落叶和杂草, 主要由工业生产、生活垃圾排放等人类活动产生的有机废弃物带入; 而且城区土壤不以生产为目的, 大部分绿地受到较好的人为养护与管理, 较为坚实, 土壤有机碳分解较慢, 有利于有机碳的积累[9]。土壤N、P含量在城区显著高于郊区, 一方面可能与大部分城区以前多为菜地等农田, 长期施肥导致氮素积累, 另外一方面与城市化进程中人为富P垃圾堆填过多, 且P的迁移能力差有关[30]。

与乡村土壤相比, 城区土壤C、N、P含量的区域差异性虽然未达到显著性检验, 其中C、N含量总体表现为乡村大于城区的特征, 主要原因在于本研究中乡村土壤采样点多为自然状态下的林地土壤, 人为干扰较小, 郁闭度较高, 表层土壤C、N受植被枯落物归还等影响而富集[31]。研究结果与刘伟玲等[32]对深圳市不同土地利用类型下土壤有机碳含量的研究结果相一致: 林地土壤有机碳含量高于绿地与农用地的土壤有机碳含量。

(2) 土壤碳氮磷计量关系

土壤具有高度的结构复杂性、空间异质性和生物多样性, 但是却有研究表明, 在大的区域尺度上土壤中C:N:P具有较为稳定的特征, 通常在一定范围之内波动[33]。例如Cleveland和Liptzin研究发现全世界范围内土壤C、N、P三者含量之间具有显著的正相关关系, 比值约为186:13:1[34]。但是土地利用和管理措施的变化等因素能显著改变元素的生物地球化学循环, 导致生态系统C、N、P的化学计量特征发生改变[35]。昆明市中部“城—郊—乡”不同区域土壤养分含量变化很大, 使得土壤C、N、P之比存在较大的空间变异性, 而且土壤C:N:P指标均远低于全球以及国内平均水平。

土壤C:N可用于判断土壤中有机质的分解程度及其对土壤肥力的潜在贡献, 适当的C:N比例有助于微生物发酵分解; 高的C:N(>25)说明有机质正在累积, 其累积速率大于分解速率, C:N在12—16之间说明有机质已经被微生物很好地分解[36]。Cusack在波多黎各亚热带土壤研究中发现城区森林土壤C:N低于乡村, 城市化过程强烈影响土壤N素的初级转化速率[37]。昆明市中部“城—郊—乡”土壤C:N 在10—12之间, 和一般耕作土壤C:N数值表现一致[36]; 而且研究区结果表明土壤C:N有郊区显著低于城区的趋势, 可能与城区的人为活动造成绿地土壤C富集, 而N相对稳定有关。

土壤C:P是衡量微生物矿化、土壤有机物质释放P或从环境中吸收固持P素潜力的一个指标[38]; 土壤N:P则指示了植物生长过程中土壤营养成分的供应情况, 可用来判断养分限制状况及哪种养分限制了有机质的分解[36]。昆明市“城—郊—乡”土壤C:P和N:P都相对较小, 尤其是N:P远低于我国土壤5.2的平均值[39]; 而且总体表现为城区土壤P含量高于郊区和乡村, 城市化过程加剧了城区土壤P的富集, 较低的N:P与P显著积累有关, 较低的C:P也是P有效性高的一个指标, P较多, 也使该地区水体(主要是滇池)面临富营养化风险。因此, 今后昆明市在进行城市绿化时可有针对性地选择部分豆科固氮植物加强生物固氮, 目的是提高土壤N含量的同时促进城区土壤丰富的P被吸收利用, 在一定程度上预防以及减轻P对水体的危害[13]。

4.2 结论

通过对研究区土壤表层总有机碳(C)、总氮(N)、总磷(P)含量与计量关系在“城—郊—乡”梯度上空间分布特征的研究, 得出以下结论:

(1)研究区“城—郊—乡”土壤C含量1.85—48.58 g·kg–1, 平均值16.18 g·kg–1, 变异系数72.25%; N含量0.32—3.88 g·kg–1, 平均值1.37 g·kg–1, 变异系数69.78%; P含量0.29—3.15 g·kg–1, 平均值0.80 g·kg–1,变异系数58.70%。土壤C、N、P含量属于强变异, 尤其是城区, 表明空间分布极不均衡。

(2) 研究区“城—郊—乡”土壤C与N含量呈极显著正相关关系, C与P呈显著正相关关系。表明土壤N、P含量是影响C含量变化的重要因素之一, N、P含量升高能够加快植物生长, 致使更多的凋落物在地面聚集, 增加土壤有机质的输入。

(3) 研究区“城—郊—乡”土壤C、N含量均表现为城区显著高于郊区的特征, 与郊区土壤相比, 城区土壤C含量较高, 说明人为活动造成城区土壤明显的有机质富集现象。城区土壤P含量高于郊区和乡村, 城市化过程加剧了城区土壤P的富集, 也使该地区水体(主要是滇池)面临富营养化风险。

致谢:云南大学资源环境与地球科学学院自然地理学专业硕士研究生叶鑫、王振、袁会珍、李同艳同学在野外土壤采样过程中给予了大力帮助, 作者在此表示衷心的感谢！

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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

国家自然科学基金项目(41961044); 云南省科技厅-云南大学“双一流”建设联合基金项目(2018FY001-017)

何云玲(1978—), 女, 博士, 副教授, 主要从事区域生态环境变化及其影响研究, E-mail: hyl610@126.com

何云玲

何云玲, 张淑洁, 邓福英, 等. 快速城市化地区昆明市“城—郊—乡”梯度土壤表层碳氮磷化学计量特征[J]. 生态科学, 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.