原文作者：石蜜蜜、李秋颐、王明珠
摘 要：近20年来，以建设用地规模急剧扩张，农地转用过速为标志的快速城市化无疑对区域土壤有机碳，总氮含量及土壤有机碳密度等指标带来很大影响。本研究以快速城市化地区北京的典型区县为例，采用实地调研采样、统计分析等手段，利用梯度带分析和空间替代时间的方法，探索快速城市化对城市区域土壤碳氮特征的影响。
关键词：城市化；土壤有机碳；北京
城市化指农业人口不断转变为非农业人口的过程[1]。随着城市化进程的加剧，人类活动通过改变景观格局、土地利用方式、植被、土壤，从而对城市生态系统土壤碳氮含量产生严重干扰，进而改变城市生态系统碳氮循环。城市化通过多个途径影响土壤的碳氮特征。快速城市化导致生态用地数量萎缩，破碎化、孤岛化等格局劣化问题日趋严重[2]；加速升高土壤温度，增大土壤呼吸的碳通量[3]。而城市化对生态系统碳氮特征影响的研究，尤其是对土壤碳库影响的研究相对较少，目前的土地利用规划编制主要考虑土地利用经济产出，难以反映土地利用变化对生态系统固碳能力的影响[4]。有必要在快速城市化地区开展城相关研究，为城市的快速城市化进程和低碳城市建设提供合理建议。
北京是典型的快速城市化地区，其城市化特征主要是中心城区的扩张和郊区城镇化[5]。按城市化程度高低可划分为首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区和生态涵养发展区。
1 研究区概况
北京市中心位于北纬39°54’2”，东经116°25’29”。WWw.11665.coM暖温带大陆性季风气候，由此形成的地带性植被类型为暖温带落叶阔叶林。土壤以褐土为主，地形复杂，地貌类型较齐全，有中山、低山丘陵和平原，生态环境多样化，植被种类丰富，并有明显垂直分布规律。北京18个区县被划分为首都功能核心区、城市功能拓展区、城市发展新区以及生态涵养发展区4大功能分区[6]。不同功能区根据其城市发展现状、发展趋势和功能特点被区分为具有不同城市化发展水平的区域。
2 研究方法步骤
2.1 野外调研与试验设计
2.1.1 研究区设置。2012年7～8月中旬抽样调查：首都功能核心区选择东城区、西城区、石景山区；城市功能拓展区选择朝阳区海淀区和丰台区；城市发展新区选择通州区、顺义区和大兴区；生态涵养发展区选择门头沟区和怀柔区。
2.1.2 城市化梯度样带划分和调查路线设置。从城市的西部、东部、北部和南部向市中心共划分4个梯度样带。为排除车流量的不同及其它人类活动对土壤有机碳分布的影响，梯度带沿国道和通往国道的主干道，样点沿道路两侧随机布设。
2.1.3 土壤调查设计。采样既考虑梯度带的划分，也考虑城市区界，按可达道路沿线取样。非建成区：森林群落中，从中心到边缘随机选2～3个点做深50cm的剖面。其它群落中，土壤剖面设在样地附近，每个样地各1个，剖面上每隔10cm用环刀取1个土样。建成区：受地下设施限制，对每个样点取0～20cm的表层混合土。由于城市土壤局部变异性大，在每个绿地斑块均匀取2～3个对照样。建成区中因被水泥等建筑材料封存的土壤暂不列入研究当中。调查道路39个、非建成区样地22个、工业区14个、公园34个、果园7个、农田17个、学校2个、医院7个、政府2个、住宅区27个，共计170样点，347个样品。
2.2 样品处理和分析测定 [论文网]
2.2.1 土壤样品预处理。风干后，称取300g，拣根、石子等。取60g过2mm筛；过筛后称重20g全部过0.15mm筛，装袋、贴标签以备用。
2.2.2 测定方法。容重的测定采用环刀法：土壤容重（g/cm3）=环刀内干土重量（g）/环刀容积（100cm3）。土壤有机碳和总氮含量由北京农科院草叶中心测定，采用的方法分别为toc有机碳分析法和凯氏定氮法。表层（0～20cm）土壤碳密度的计算：土壤有机碳i=bicihi。其中：土壤有机碳i表示地类i的表层土壤碳密度；bi代表土壤容重（g/cm3）；ci代表地类i的土壤有机碳含量；hi表示土壤厚度，这里取20cm。
3 结果分析
3.1 各功能区不同土地利用下土壤碳氮特征分析
3.1.1 首都功能核心区。该区不同土地利用方式下表层土壤的有机碳平均含量表现出明显差异，其中医院绿地有机碳含量最高（7.04 g/kg）。其次，是住宅绿地和道路绿地，土壤有机碳分别为6.51 g/kg和6.19 g/kg；公园绿地土壤有机碳含量较少（4.26 g/kg）；文教区绿地土壤有机碳含量最低（2.87 g/kg）。医院、住宅区、道路绿地有机碳含量较高，公园、文教区绿地含量较低。
全氮含量大小为文教区绿地>道路绿地>医院绿地>住宅绿地>公园绿地。文教区全氮含量是其它绿地类型全氮含量的2倍，其它几种全氮含量相近。土壤碳氮比大小为住宅区绿地>道路绿地>医院绿地>公园绿地>文教区绿地。土壤容重作为反映土壤紧实度的一个重要指标，从其均值来看，不同绿地类型的对应值大小排序为公园绿地>医院绿地>住宅区绿地>道路绿地>文教区绿地。首都核心区人口密集，公园和医院作为公共场所受人为干扰大，故土壤紧实，而文教区绿地保护较好，少人为干扰，所以土质疏松。土壤碳密度：医院绿地（1.70kg/m2）>住宅区>道路绿地>公园绿地>文教区（0.60kg/m2）。
总之，文教区绿地土壤中除全氮含量外，其它指标均最低，说明该类型绿地土壤质量较差。医院、住宅区绿地的土壤有机碳、碳氮比和碳密度都较高，因此，土壤质量相对较高。
3.1.2 城市功能拓展区。该区调查的绿地类型多于首都核心功能区，增加的有工业区绿地、农田和人工林。与首都功能核心区相比，该区城市化程度没有首都功能区高，但进程较快。不同绿地类型的有机碳平均含量大小为公园绿地>人工林>道路绿地>住宅区绿地>文教区绿地>医院绿地>工业区绿地。
8种绿地类型全氮含量相近，0.68～1.00g/kg，较一般土壤的含氮量1.00～2.00g/kg低。全氮含量为医院绿地>农田>文教区绿地>公园绿地>道路绿地>人工林>工业区绿地>住宅区绿地。各类型绿地土壤碳氮比分布在1.33～4.11，不同绿地类型下相差大。公园道路>绿地>人工林>住宅区绿地）>工业区绿地=农田>文教区绿地>医院。从土壤容重均值来看，各土地利用方式下的绿地土壤容重差异较为明显。大小依次为：农田>工业区绿地>医院绿地>文教区绿地>住宅区绿地>公园绿地>道路绿地=人工林。表层0～20cm的土层深度，土壤碳密度公园绿地（0.64kg/m2）>道路绿地>人工林>住宅区绿地>工业区绿地>农田>文教区绿地医院（0.14kg/m2）。
总之，该区公园绿地和人工林土壤各指标数值都较高，说明土壤质量和肥力较高。而工业区、医院绿地土壤的各项指标都较低，说明其土壤质量和肥力较差。
3.1.3 城市发展新区。有机碳含量：工业区绿地>人工林>政府部门绿地>果园>道路绿地>农田>公园绿地>住宅区绿地>工业住宅区绿地。9种绿地类型的全氮含量在0.510.91g/kg变化。全氮含量大小为公园绿地>工业区绿地>人工林>道路绿地>政府部门绿地>农田>果园>工业住宅区绿地>住宅区绿地>公园绿地>工业区绿地。
政府部门绿地碳氮比最大（11.11），工业住宅混合区绿地最小（为1.11）。其它几种碳氮比为公园绿地=工业区绿地>人工林>果园（10.12）>道路绿地>农田>住宅区绿地。各种绿地类型容重大小为：工业住宅区绿地>住宅区绿地=农田>道路绿地=公园绿地=政府部门绿地>工业区绿地>人工林>果园。
工业区绿地有机碳密度为2.38kg/m2，显著高于其它绿地类型，推测工业区的废物排放中含碳有机物使土壤碳密度增大，工业区住宅区绿地最小（0.12kg/m2）。其余几种绿地类型的土壤碳密度大小依次为：政府部门绿地>人工林>果园>道路绿地>公园绿地>农田>住宅区绿地。由于该区所有绿地类型土壤容重相差不大，所以碳密度的大小与有机碳含量吻合。人工林较果园、道路绿地、农田等人工干预少，故枯枝落叶层厚，有机质累积比较多，土壤肥力高、土壤碳密度较大。
3.1.4 生态涵养发展区。该区共调查了12个土地绿地类型。土壤有机碳含量：人工林>文教区绿地>道路绿地>农田>郊区林地>果园>公园绿地>住宅区绿地>医院绿地>农田+果园>工业区绿地>城郊绿地。全氮含量：郊区林地>人工林>公园绿地>农田>果园>文教区绿地>医院绿地>公园区绿地>住宅区绿地>道路绿地>工业区绿地>城郊绿地。土壤碳氮比在1.29～10.05，不同类型相差大，文教区绿地最大、农田果园混合区最小。
城郊绿地、道路绿地、工业区绿地的土壤容重近似相等（1.33g/cm3）。各类型土壤容重大小为医院绿地>公园绿地>道路绿地=城郊绿地=工业区绿地>农田>人工林>住宅区绿地>果园>农田+果园>郊区林地>文教区绿地。郊区林地由于地理位置偏僻，少人为干扰，故土质疏松、容重小。土壤碳密度大小为：人工林（3.15kg/m2）>文教区绿地>道路绿地>农田>果园>郊区林地>公园绿地>住宅区>医院绿地>农田果园混合区绿地>城郊绿地>工业区（0.04kg/m2）。
3.2 城市化对土壤碳氮特征的影响分析
以上分析可看出：不同功能区土壤指标差异明显。就城市化程度来说，首都功能核心区>城市功能拓展区>城市发展新区>生态功能涵养区。城市发展新区土壤有机碳含量最高，城市功能拓展区最少。因为前者具有良好的自然和资源条件，有机质含量受人为干扰少，而后者是城市化较高的地区，土壤受人为建设干扰较大。生态涵养区土壤有机碳也处于较高水平，这与生态涵养区的主要功能有关。由于土壤碳密度与土层厚度、土壤有机碳含量和容重有关，四功能区容重差异不大相近，故碳密度变化与有机碳变化吻合。
全氮是反映土壤肥力的主要指标，一般在1.0～2.0g/kg。4个功能区全氮含量为0.78～1.27g/kg，肥力较低，与北京土地利用有关。不同功能区各绿地类型的全氮含量为生态涵养发展区>首都功能核心区>城市功能拓展区>城市发展新区。主要与城市化发展速度有关，人为干扰大会加快土壤中有机质的分解，从而减少有机质积累，生态涵养发展区中人为活动最少，首都功能核心区也因其功能完备，少有新建工地和工程，城市功能拓展区和城市发展新区的建设更加密集，人为活动更加频繁，使全氮含量较少。
4个功能区的碳氮比差异也较大，从2.46变化到9.16，不同功能区各绿地类型中土壤全氮含量的大小次序与各功能区总体平均的土壤全氮含量大小次序相一致，即依次为城市发展新区>首都功能核心区>生态涵养发展区>城市功能拓展区。此外，4个功能区总体的土壤容重变化范围为1.24～1.35g/cm3，变化差异较小，各绿地类型之间的差异也不大。
总的来说，城市功能拓展区的土壤有机碳含量和碳氮比明显低于其它3个区域，土壤总氮的含量也相对较低。分析其原因，应该与城市功能拓展区城市化速度较快，受人为活动影响较大，表层土破坏较严重，从而使得有机碳沉积过程被破坏，而降低了土壤碳含量。城市发展新区与生态涵养区在这3个指标上就远远高于其它2个功能区，是因为上述两区均属于城市化水平较低的功能区，人为活动干扰影响小，有利于有机物的贮存和碳沉降，从而提高了土壤碳含量。综上，可以说明城市化发展速度与有机碳和碳氮比大体成负相关关系。快速城市化在改变土地利用方式的同时，改变了表层土的性质，从而改变了土壤碳氮特征。
4 结果与结论
不同功能区城市化程度和速度不同，表征碳氮特征的各项指标存在一定差异。城市化发展速度与有机碳和碳氮比大体呈负相关关系。在各个功能区内，不同的土地利用方式所对应的表征碳氮特征的各项指标也有较大差异。以空间代替时间，对比不同城市化程度功能区、对比同一功能区不同绿地类型下各项指标，可以看到：快速城市化在改变土地利用方式的同时，改变了表层土的性质，从而改变了土壤碳氮特征。
参考文献
1 李路路.人口的变化、道路建设和城市规模的扩展是城市化的主要特征[j].社会学研， 1987（3）
2 曾辉，姜传明.深圳市龙华地区快速城市化过程中的景观结构研究研究——林地的结构和异质性特征分析[j].生态学报，2000（3）
3 史利江，郑丽波，梅雪英，俞立中，贾正长.上海市不同土地利用方式下的土壤碳氮特征[j].应用生态学报，2010（9）
4 叶浩，濮励杰.苏州市土地利用变化对生态系统固碳能力影响研究[j].中国土地科学，2010（3）
5 张文茂，苏慧.北京城市化进程与特点研究[j].北京规划建设，2009（2）
