何云玲, 張淑潔, 鄧福英, 榮麗, 張林艷

快速城市化地區(qū)昆明市“城—郊—鄉(xiāng)”梯度土壤表層碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征

何云玲1,*, 張淑潔1, 鄧福英1, 榮麗2, 張林艷3

1. 云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650091 2. 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650091 3. 云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院, 昆明 650091

基于航空遙感影像, 利用地理信息系統(tǒng)(ArcGIS 10.2)和景觀格局分析(Fragstats 4.2)軟件, 通過(guò)主成分分析(PCA)和多元線性回歸分析對(duì)研究區(qū)城市化水平進(jìn)行量化, 選取覆蓋研究區(qū)典型的“城—郊—鄉(xiāng)”樣帶, 進(jìn)行表層土壤取樣, 測(cè)定總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量并分析其空間變化特征。結(jié)果表明: 快速的城市化進(jìn)程導(dǎo)致了土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征的空間分異, “城—郊—鄉(xiāng)”梯度上變異系數(shù)都較大, 尤其城區(qū)各元素的變異系數(shù)分別為84.08%、76.95%和81.34%, 屬于強(qiáng)變異, 表明土壤表層C、N、P含量空間分布極不均衡。研究區(qū)土壤C、N、P含量均表現(xiàn)為城區(qū)顯著高于郊區(qū)的特征, 與郊區(qū)土壤相比, 城區(qū)土壤C含量較高, 說(shuō)明人為活動(dòng)造成城區(qū)土壤明顯的有機(jī)質(zhì)富集現(xiàn)象。城區(qū)土壤P含量高于郊區(qū)和鄉(xiāng)村, 城市化過(guò)程加劇了城區(qū)土壤P的富集, 也使該地區(qū)水體(主要是滇池)面臨富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。分析城市化過(guò)程中強(qiáng)烈的人類活動(dòng)干擾對(duì)土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量特征, 對(duì)于提高城市土壤管理水平、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。今后昆明市在進(jìn)行城市綠化時(shí)可有針對(duì)性地選擇部分豆科固氮植物加強(qiáng)生物固氮, 目的是提高土壤N含量的同時(shí)促進(jìn)城區(qū)土壤豐富的P被吸收利用, 在一定程度上預(yù)防以及減輕P對(duì)水體的危害。

快速城市化; “城—郊—鄉(xiāng)”; C:N:P; 空間變異; 昆明中部

0 前言

土壤有機(jī)碳庫(kù)的細(xì)微變化都將會(huì)影響全球氣候變化以及全球碳平衡[1], 而且土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)之比是反映土壤環(huán)境質(zhì)量的靈敏指標(biāo)之一, 常作為診斷或預(yù)測(cè)養(yǎng)分限制或飽和的指標(biāo)[2]。森林、農(nóng)田、草原等土地利用方式改變對(duì)土壤碳庫(kù)及通量影響, 已得到較廣泛的關(guān)注, 而由人類活動(dòng)主導(dǎo)的劇烈環(huán)境變化所驅(qū)動(dòng)的土壤環(huán)境演化及其生態(tài)響應(yīng)仍是一個(gè)尚未系統(tǒng)回答的科學(xué)問(wèn)題[3]。伴隨著城市化進(jìn)程的加快和城市規(guī)模的不斷擴(kuò)張, 越來(lái)越多的自然用地和農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘薪ㄔO(shè)用地, 改變了城市土壤的理化性質(zhì), 必將影響土壤C、N、P含量的變化, 這對(duì)全球氣候變化及陸地生態(tài)系統(tǒng)將產(chǎn)生深刻的影響[4]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市區(qū)域土壤C、N、P的研究熱度不斷提高, Rabbi等分析了澳大利亞?wèn)|部不同類型土壤有機(jī)碳含量的差異及成因[5], Lidia等分析了波蘭城市化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響[6]。在人為和自然因素的交互影響下, 城市綠地C、N、P時(shí)空異質(zhì)性顯著[7–8]。從目前的研究結(jié)果來(lái)看, 不同時(shí)間、不同城市、城市內(nèi)部不同功能區(qū), 綠地土壤C、N、P的分布均存在變異, 例如許乃政等對(duì)上海市土壤有機(jī)碳含量研究發(fā)現(xiàn)隨著城市用地年限延長(zhǎng), 土壤有機(jī)碳密度逐漸增大[9]; 呂麗平等研究表明海南的土壤有機(jī)碳含量隨城市化進(jìn)程總體呈下降趨勢(shì)[10]; Chen等對(duì)南昌市“城—郊—鄉(xiāng)”梯度上土壤P素研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)全P含量城區(qū)明顯高于郊區(qū)[11]。導(dǎo)致研究結(jié)果不一致的其中一個(gè)原因是對(duì)城、郊、鄉(xiāng)的地域選擇多是基于行政區(qū)劃進(jìn)行, 但是“城—郊—鄉(xiāng)”梯度的形成應(yīng)該是多種因素相互作用的結(jié)果, 對(duì)其準(zhǔn)確描述是開(kāi)展城市化強(qiáng)度差異對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的重要前提[12]。另外, 土壤C、N、P化學(xué)計(jì)量特征伴隨城市化進(jìn)程在“城—郊—鄉(xiāng)”梯度下的研究還少有報(bào)道[13]。

昆明市作為云南省省會(huì), 中國(guó)面向東南亞、南亞開(kāi)放的門(mén)戶城市, 自2000年以來(lái)隨著舊城改造不斷推進(jìn)以及新區(qū)建設(shè), 城市快速發(fā)展, 建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度逐年增加, 城市土地利用和景觀格局以前所未有的速度發(fā)生著劇烈的變化, 城市環(huán)境發(fā)生了很大的改變。本研究在遙感影像資料和GIS技術(shù)支持下, 選擇昆明市包含城—郊—鄉(xiāng)梯度差異的典型樣帶為研究區(qū)域, 由中心城區(qū)到郊區(qū)到鄉(xiāng)村, 分析城市化過(guò)程中強(qiáng)烈的人類活動(dòng)干擾對(duì)樣帶土壤C、N、P含量及其化學(xué)計(jì)量特征, 對(duì)于提高城市土壤管理水平、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)城市生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

昆明市位于中國(guó)西南云貴高原中部, 東經(jīng)102°10′—103°41′, 北緯24°24′—26°33′之間, 屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候, 氣候溫和, 四季如春, 年平均氣溫16.5 ℃, 年降雨量1450 mm, 5—10月為雨季, 降水量占全年的85%左右; 11月至次年4月為干季, 降水量?jī)H占全年的15%左右; 市中心海拔1891 m, 土壤主要為紅壤和磚紅壤。2017年末, 全市常住人口678.3萬(wàn)人, 建成區(qū)面積達(dá)到420.5 km2。由于其特殊的地理位置, 是中國(guó)面向東南亞、南亞等的前沿和門(mén)戶, 伴隨著昆明市人口不斷增多與城市建設(shè)用地面積的急劇增長(zhǎng), 城市化進(jìn)程進(jìn)一步加劇?？紤]到其山間盆地的地貌類型, 本文以昆明市中部主要行政區(qū)和建成區(qū)所在地的西山、五華、盤(pán)龍和官渡這四個(gè)區(qū)內(nèi)具有連續(xù)的城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶作為主體研究區(qū), 這個(gè)區(qū)域也是昆明市快速城市化擴(kuò)張的代表區(qū)域。

2 研究方法

2.1 城-郊-鄉(xiāng)梯度的劃分

“城—郊—鄉(xiāng)”梯度的劃分是研究人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的基礎(chǔ), 以往研究表明城市化物理變量與景觀變量的結(jié)合可在一定程度上較好地完成“城—郊—鄉(xiāng)”梯度的量化[14–15]。本文利用精度2.5 m的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)與Landsat8遙感影像數(shù)據(jù), 使用ENVI軟件獲取研究區(qū)土地利用信息, 并結(jié)合ArcGIS10.2與Fragstats4.2軟件以1 km×1 km為網(wǎng)格單位提取不透水下墊面比例、道路網(wǎng)密度、景觀形狀指數(shù)與香農(nóng)多樣性指數(shù)4個(gè)城市化指標(biāo), 并在SPSS22.0軟件里采用主成分分析(PCA)與多元線性回歸分析構(gòu)建“城—郊—鄉(xiāng)”梯度模型對(duì)研究區(qū)的城市化水平指數(shù)(UI)進(jìn)行量化。其中, 不透水下墊面比例和道路網(wǎng)密度是城市化進(jìn)程中最顯著和直觀的特征, 可反映城市化發(fā)展方向的變化趨勢(shì); 景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)分別是景觀形狀的復(fù)雜程度和異質(zhì)性, 數(shù)值越大, 表明斑塊越復(fù)雜, 土地利用的破碎化程度越高。根據(jù)研究區(qū)城市化指數(shù)UI值, 將其導(dǎo)入ArcGIS網(wǎng)格面與矢量化后的土地分類圖的疊加圖屬性表中, 并與昆明市衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 最后將-5.804

根據(jù)城—郊—鄉(xiāng)劃分的網(wǎng)格單位, 在研究區(qū)內(nèi)選取面積相等的連續(xù)格網(wǎng)(東西方向1 km, 南北方向1 km)作為梯度帶, 自西向東, 共設(shè)置44個(gè)連續(xù)梯度網(wǎng)格(以涵蓋城鄉(xiāng)交錯(cuò)土地景觀空間格局連續(xù)區(qū)域?yàn)樵瓌t), 分別記做序號(hào)1, 2, ...... , 44, 如圖1所示。將樣帶上各城市化指標(biāo)進(jìn)行分析(圖2), 可見(jiàn)隨著從鄉(xiāng)村到郊區(qū)到城區(qū)梯度的變化, 不透水下墊面比例、道路網(wǎng)密度、景觀形狀指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)各指標(biāo)數(shù)值逐漸增大; 鄉(xiāng)村的不透水下墊面比例與道路網(wǎng)密度均明顯低于城區(qū)與郊區(qū), 且城區(qū)最高(其中不透水下墊面比例高達(dá)90%以上); 城區(qū)的景觀形狀指數(shù)與香農(nóng)多樣性指數(shù)最大, 表明城區(qū)的景觀異質(zhì)性最大, 且景觀破碎化程度明顯高于郊區(qū)與鄉(xiāng)村。經(jīng)過(guò)實(shí)地驗(yàn)證和遙感影像比對(duì), 該連續(xù)梯度網(wǎng)格帶符合城—郊—鄉(xiāng)梯度的基本特征。

2.2 土壤采樣及分析方法

土壤樣品的采集于2018年5月初開(kāi)始進(jìn)行, 針對(duì)上述研究區(qū)劃分出來(lái)的自西向東樣帶內(nèi)的44個(gè)1 km×1 km的網(wǎng)格, 在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)采用對(duì)角線采樣法采集表層(0—30 cm)各5個(gè)土壤樣品, 共采集220個(gè)土樣, 土壤采樣點(diǎn)綠地類型見(jiàn)表1所示。采樣時(shí)使用GPS定位采樣點(diǎn), 記錄經(jīng)緯度坐標(biāo)。使用工兵鏟在地表進(jìn)行深度超過(guò)30 cm的采樣坑樣品采集, 沿坑壁垂直向下均勻采集0—30 cm的土壤樣品約1 kg, 去除草根、石塊。將每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的5個(gè)土壤樣品混合, 按照四分法取混合土樣1—2 kg, 密封在聚乙烯塑料樣品袋內(nèi)并標(biāo)記。同時(shí)在每個(gè)采樣點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用100 cm3的環(huán)刀采集環(huán)刀樣品用以測(cè)定土壤容重, 每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行3次重復(fù)采樣, 共采集樣品660個(gè); 并在每個(gè)采樣點(diǎn)按照上層(0—10 cm)、中層(0—20 cm)、下層(20—30 cm)分別采集10—20 g左右土壤, 放入鋁盒中蓋緊, 帶回實(shí)驗(yàn)室立即稱重并進(jìn)行烘干用以計(jì)算土壤含水量。將采集的土壤樣品風(fēng)干后, 經(jīng)木棒研磨去除動(dòng)植物殘?bào)w和碎石等異物, 過(guò)2 mm尼龍篩混勻, 裝入聚乙烯塑料樣品袋內(nèi)標(biāo)記、裝箱, 運(yùn)送至資質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)總有機(jī)碳含量(C)、全氮(N)、全磷(P)等進(jìn)行測(cè)定。土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀—外加熱法測(cè)定, 全氮采用半微量開(kāi)氏法測(cè)定, 全磷采用氫氟酸—高氯酸酸溶—鉬銻抗比色法測(cè)定。樣品分析結(jié)果采用SPSS22.0進(jìn)行相關(guān)分析、回歸分析、以及方差分析與多重比較。

圖1 昆明市中部樣帶分布圖

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

圖2 沿城—郊—鄉(xiāng)樣帶城市化指標(biāo)值變化特征

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

表1 土壤采樣點(diǎn)植被覆蓋類型

3 結(jié)果與分析

3.1 碳氮磷含量特征

昆明市中部調(diào)查樣方內(nèi)土壤表層總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量的頻數(shù)分布表明(圖3), C含量的范圍為1.85—48.58 g·kg–1, 平均值為16.18 g·kg–1, 變異系數(shù)(CV)達(dá)到72.25%; N含量的范圍為0.32—3.88 g·kg–1, 平均值為1.37 g·kg–1, 變異系數(shù)69.78%; P含量的范圍為0.29—3.15 g·kg–1, 平均值為0.80 g·kg–1,變異系數(shù)58.70%。可見(jiàn), 昆明市中部調(diào)查樣帶內(nèi)土壤表層C、N、P含量變異系數(shù)都較大, 屬于強(qiáng)變異, 空間分布極不均衡。

昆明市中部城—郊—鄉(xiāng)梯度上土壤表層總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量變化(圖4)可見(jiàn), 不同城市化水平的區(qū)域土壤C、N、P含量變化趨勢(shì)大體一致, 整體呈現(xiàn)出鄉(xiāng)村的含量數(shù)值較大, 伴隨城市化水平的增大, C、N、P含量向城區(qū)遞減。研究區(qū)土壤表層C含量在“城—郊—鄉(xiāng)”梯度上呈現(xiàn)的變化特征與李家熙等[17]對(duì)蘇州的研究結(jié)果一致: 城市綠地土壤有機(jī)碳含量低于農(nóng)業(yè)土壤與山地土壤; 但與Luo等對(duì)北京[18]、Liu等[19]對(duì)重慶的城市土壤研究結(jié)果不一致: 土壤有機(jī)碳含量隨著距離城市中心距離的增加而逐漸減小。

3.2 碳氮磷化學(xué)計(jì)量關(guān)系

土壤C與N含量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.931(<0.01)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5), 土壤C與P含量相關(guān)系數(shù)0.728(<0.01)呈顯著正相關(guān)關(guān)系; 表明土壤N、P含量是影響C含量變化的重要因素之一, 土壤中N、P含量的升高能夠加快植物生長(zhǎng), 致使更多的凋落物在地面聚集, 增加土壤有機(jī)質(zhì)的輸入, 這一結(jié)果與馮錦等對(duì)新疆[20]、王天樂(lè)等對(duì)內(nèi)蒙[21]的土壤C、N、P計(jì)量特征研究結(jié)果相一致。

圖3 調(diào)查樣方土壤總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)的含量頻數(shù)分布圖

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

圖4 城—郊—鄉(xiāng)梯度上土壤表層總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)含量分布圖

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

圖5 土壤表層總有機(jī)碳(C)和全氮(N)、全磷(P)含量的相關(guān)分析(直線為線性擬合, Tau為Mann-Kendall秩相關(guān)系數(shù), 帶**表示達(dá)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—鄉(xiāng)不同區(qū)域土壤表層總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化學(xué)計(jì)量的統(tǒng)計(jì)特征如圖6所示。研究區(qū)內(nèi)土壤表層C含量大小表現(xiàn)為鄉(xiāng)村>城區(qū)>郊區(qū), 鄉(xiāng)村土壤表層C含量分別為郊區(qū)、城區(qū)的3.06倍、1.38倍; N含量大小也表現(xiàn)為鄉(xiāng)村>城區(qū)>郊區(qū), 鄉(xiāng)村土壤表層N含量分別是郊區(qū)、城區(qū)的2.48倍、1.31倍; P含量大小則表現(xiàn)為城區(qū)>鄉(xiāng)村>郊區(qū), 城區(qū)土壤表層P含量分別是郊區(qū)、鄉(xiāng)村的1.69倍、1.15倍。另外, 變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示土壤表層C、N和P含量在城區(qū)的變異系數(shù)均為最大, 分別為84.08%、76.95%和81.34%, 屬于強(qiáng)變異, 空間分布極不均衡。再?gòu)牟煌瑓^(qū)域間的差異顯著性檢驗(yàn)來(lái)看, 土壤表層C、N、P含量均表現(xiàn)為城區(qū)顯著高于郊區(qū)的變化特征。

圖6 城—郊—鄉(xiāng)不同區(qū)域土壤表層總有機(jī)碳(C)、全氮(N)、全磷(P)化學(xué)計(jì)量(圖中不同大寫(xiě)字母、小寫(xiě)字母和數(shù)字分別表示各要素不同區(qū)域間在p<0.05水平顯著)

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

研究區(qū)內(nèi)土壤表層的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), 數(shù)值上均低于國(guó)內(nèi)平均水平, 空間上也均出現(xiàn)在鄉(xiāng)村區(qū)域; 化學(xué)計(jì)量特征平均值大小順序均表現(xiàn)為鄉(xiāng)村>城區(qū)>郊區(qū)。從不同區(qū)域間的差異顯著性檢驗(yàn)來(lái)看, 土壤表層C:N和N:P均表現(xiàn)為郊區(qū)顯著低于其他區(qū)域, 城區(qū)和鄉(xiāng)村之間則無(wú)明顯差異; 土壤表層C:P則在城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村兩兩之間無(wú)顯著差異。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1) 土壤碳氮磷含量特征

城市土壤常常遭受各種自然和人為活動(dòng)導(dǎo)致的物理干擾、化學(xué)污染, 通常具有高度空間異質(zhì)性[22]。不少研究表明, 隨著城市—郊區(qū)—鄉(xiāng)村的空間梯度演替, 表層土壤有機(jī)碳含量漸趨減少[23], 被普遍認(rèn)為是碳源的城市區(qū)域, 其土壤可能具有較大的碳吸存潛力[24]。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究所用土壤有機(jī)碳數(shù)據(jù)采樣深度多集中于表層20 cm(10—40 cm), 昆明市中部城區(qū)土壤表層C含量13.84 g·kg–1, 高于柳云龍等[25]和段保正等[26]分別對(duì)上海市(11.91 g·kg–1)和西安市(5.59 g·kg–1)的研究結(jié)果; 低于張小萌等[27]對(duì)烏魯木齊(33.05 g·kg–1)的研究結(jié)果。昆明市中部“城—郊—鄉(xiāng)”土壤表層N含量略高于同處于中國(guó)西南地區(qū)鄰近的成都東部“城—郊—鄉(xiāng)”土壤調(diào)查結(jié)果, 但是P含量均＜1 g·kg–1, 低于成都的調(diào)查結(jié)果[13]。從整體上看, 昆明市中部土壤C、N、P含量均表現(xiàn)為城區(qū)顯著高于郊區(qū)的特征, 與王秋兵等[28]、曾宏達(dá)等[29]分別對(duì)沈陽(yáng)市、福州市的研究結(jié)果相同。

與郊區(qū)土壤相比, 城區(qū)土壤有機(jī)碳含量較高, 說(shuō)明城市土壤表現(xiàn)出明顯的有機(jī)質(zhì)富集現(xiàn)象。城區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)除少量來(lái)自本身植物枯枝落葉和雜草, 主要由工業(yè)生產(chǎn)、生活垃圾排放等人類活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物帶入; 而且城區(qū)土壤不以生產(chǎn)為目的, 大部分綠地受到較好的人為養(yǎng)護(hù)與管理, 較為堅(jiān)實(shí), 土壤有機(jī)碳分解較慢, 有利于有機(jī)碳的積累[9]。土壤N、P含量在城區(qū)顯著高于郊區(qū), 一方面可能與大部分城區(qū)以前多為菜地等農(nóng)田, 長(zhǎng)期施肥導(dǎo)致氮素積累, 另外一方面與城市化進(jìn)程中人為富P垃圾堆填過(guò)多, 且P的遷移能力差有關(guān)[30]。

與鄉(xiāng)村土壤相比, 城區(qū)土壤C、N、P含量的區(qū)域差異性雖然未達(dá)到顯著性檢驗(yàn), 其中C、N含量總體表現(xiàn)為鄉(xiāng)村大于城區(qū)的特征, 主要原因在于本研究中鄉(xiāng)村土壤采樣點(diǎn)多為自然狀態(tài)下的林地土壤, 人為干擾較小, 郁閉度較高, 表層土壤C、N受植被枯落物歸還等影響而富集[31]。研究結(jié)果與劉偉玲等[32]對(duì)深圳市不同土地利用類型下土壤有機(jī)碳含量的研究結(jié)果相一致: 林地土壤有機(jī)碳含量高于綠地與農(nóng)用地的土壤有機(jī)碳含量。

(2) 土壤碳氮磷計(jì)量關(guān)系

土壤具有高度的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、空間異質(zhì)性和生物多樣性, 但是卻有研究表明, 在大的區(qū)域尺度上土壤中C:N:P具有較為穩(wěn)定的特征, 通常在一定范圍之內(nèi)波動(dòng)[33]。例如Cleveland和Liptzin研究發(fā)現(xiàn)全世界范圍內(nèi)土壤C、N、P三者含量之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系, 比值約為186:13:1[34]。但是土地利用和管理措施的變化等因素能顯著改變?cè)氐纳锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán), 導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)C、N、P的化學(xué)計(jì)量特征發(fā)生改變[35]。昆明市中部“城—郊—鄉(xiāng)”不同區(qū)域土壤養(yǎng)分含量變化很大, 使得土壤C、N、P之比存在較大的空間變異性, 而且土壤C:N:P指標(biāo)均遠(yuǎn)低于全球以及國(guó)內(nèi)平均水平。

土壤C:N可用于判斷土壤中有機(jī)質(zhì)的分解程度及其對(duì)土壤肥力的潛在貢獻(xiàn), 適當(dāng)?shù)腃:N比例有助于微生物發(fā)酵分解; 高的C:N(>25)說(shuō)明有機(jī)質(zhì)正在累積, 其累積速率大于分解速率, C:N在12—16之間說(shuō)明有機(jī)質(zhì)已經(jīng)被微生物很好地分解[36]。Cusack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(guò)程強(qiáng)烈影響土壤N素的初級(jí)轉(zhuǎn)化速率[37]。昆明市中部“城—郊—鄉(xiāng)”土壤C:N 在10—12之間, 和一般耕作土壤C:N數(shù)值表現(xiàn)一致[36]; 而且研究區(qū)結(jié)果表明土壤C:N有郊區(qū)顯著低于城區(qū)的趨勢(shì), 可能與城區(qū)的人為活動(dòng)造成綠地土壤C富集, 而N相對(duì)穩(wěn)定有關(guān)。

土壤C:P是衡量微生物礦化、土壤有機(jī)物質(zhì)釋放P或從環(huán)境中吸收固持P素潛力的一個(gè)指標(biāo)[38]; 土壤N:P則指示了植物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤營(yíng)養(yǎng)成分的供應(yīng)情況, 可用來(lái)判斷養(yǎng)分限制狀況及哪種養(yǎng)分限制了有機(jī)質(zhì)的分解[36]。昆明市“城—郊—鄉(xiāng)”土壤C:P和N:P都相對(duì)較小, 尤其是N:P遠(yuǎn)低于我國(guó)土壤5.2的平均值[39]; 而且總體表現(xiàn)為城區(qū)土壤P含量高于郊區(qū)和鄉(xiāng)村, 城市化過(guò)程加劇了城區(qū)土壤P的富集, 較低的N:P與P顯著積累有關(guān), 較低的C:P也是P有效性高的一個(gè)指標(biāo), P較多, 也使該地區(qū)水體(主要是滇池)面臨富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。因此, 今后昆明市在進(jìn)行城市綠化時(shí)可有針對(duì)性地選擇部分豆科固氮植物加強(qiáng)生物固氮, 目的是提高土壤N含量的同時(shí)促進(jìn)城區(qū)土壤豐富的P被吸收利用, 在一定程度上預(yù)防以及減輕P對(duì)水體的危害[13]。

4.2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤表層總有機(jī)碳(C)、總氮(N)、總磷(P)含量與計(jì)量關(guān)系在“城—郊—鄉(xiāng)”梯度上空間分布特征的研究, 得出以下結(jié)論:

(1)研究區(qū)“城—郊—鄉(xiāng)”土壤C含量1.85—48.58 g·kg–1, 平均值16.18 g·kg–1, 變異系數(shù)72.25%; N含量0.32—3.88 g·kg–1, 平均值1.37 g·kg–1, 變異系數(shù)69.78%; P含量0.29—3.15 g·kg–1, 平均值0.80 g·kg–1,變異系數(shù)58.70%。土壤C、N、P含量屬于強(qiáng)變異, 尤其是城區(qū), 表明空間分布極不均衡。

(2) 研究區(qū)“城—郊—鄉(xiāng)”土壤C與N含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, C與P呈顯著正相關(guān)關(guān)系。表明土壤N、P含量是影響C含量變化的重要因素之一, N、P含量升高能夠加快植物生長(zhǎng), 致使更多的凋落物在地面聚集, 增加土壤有機(jī)質(zhì)的輸入。

(3) 研究區(qū)“城—郊—鄉(xiāng)”土壤C、N含量均表現(xiàn)為城區(qū)顯著高于郊區(qū)的特征, 與郊區(qū)土壤相比, 城區(qū)土壤C含量較高, 說(shuō)明人為活動(dòng)造成城區(qū)土壤明顯的有機(jī)質(zhì)富集現(xiàn)象。城區(qū)土壤P含量高于郊區(qū)和鄉(xiāng)村, 城市化過(guò)程加劇了城區(qū)土壤P的富集, 也使該地區(qū)水體(主要是滇池)面臨富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。

致謝:云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院自然地理學(xué)專業(yè)碩士研究生葉鑫、王振、袁會(huì)珍、李同艷同學(xué)在野外土壤采樣過(guò)程中給予了大力幫助, 作者在此表示衷心的感謝！

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41961044); 云南省科技廳-云南大學(xué)“雙一流”建設(shè)聯(lián)合基金項(xiàng)目(2018FY001-017)

何云玲(1978—), 女, 博士, 副教授, 主要從事區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化及其影響研究, E-mail: hyl610@126.com

何云玲

何云玲, 張淑潔, 鄧福英, 等. 快速城市化地區(qū)昆明市“城—郊—鄉(xiāng)”梯度土壤表層碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)科學(xué), 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.