芜湖城区表层土壤黑碳含量及分布特征

朱 哲，方凤满,2①，邓正伟

(1.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241003；2.安徽自然灾害过程与防治研究省级实验室，安徽 芜湖 241003)



芜湖城区表层土壤黑碳含量及分布特征

朱 哲1，方凤满1,2①，邓正伟1

(1.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽 芜湖 241003；2.安徽自然灾害过程与防治研究省级实验室，安徽 芜湖 241003)

为了解城市化进程中人类活动对城市土壤黑碳积累的影响，以芜湖市区(分为镜湖区、鸠江区、弋江区、三山区和开发区)为例，采集154个表层土壤样品，测定土壤中黑碳及有机碳含量。结果表明，芜湖市土壤黑碳含量在0.02～26.16 g·kg-1之间，平均值为5.87 g·kg-1，变异系数为62.98%；各功能区土壤黑碳含量平均值由高到低排序为镜湖区、鸠江区、三山区、弋江区和开发区；芜湖市土壤黑碳含量主要分布在>5～10 g·kg-1之间，占样品总数的50%。城市土壤黑碳与有机碳含量比值变幅为0.01～0.88，平均值为0.58，表明芜湖市城市土壤黑碳的主要来源为矿物燃料燃烧。各功能区黑碳含量分布存在较大空间差异，这与城市人为活动影响有密切关联。

黑碳；土壤；城市；分布特征；芜湖

黑碳(black carbon,BC)是生物质和矿物燃料(煤、石油等)不完全燃烧形成的一类含碳混合物残体,广泛分布于大气、土壤、沉积物、水体、冰和雪等环境中[1-4]，其来源可分为自然源和人为源2种[5-7]。黑碳具有高度的惰性,因此可用来指示全球气候的历史变化及重大火灾事件;由于可以强烈吸收太阳辐射,黑碳已被认为可能是除二氧化碳等温室气体之外引起全球气候变化的重要物质[8];此外,黑碳对土壤碳储存和海洋循环都有重要影响,被认为可能构成了地球碳平衡中那些“遗失的碳”中相当大的一部分[9-12]。因此,有关黑碳的研究引起了众多领域专家的强烈关注。

土壤是环境变化的记录者和指示者,在地球表层系统中,不同来源的黑碳很大一部分会直接落入土壤中。一些研究发现,沉积物、冰芯中的黑碳是记录较大规模火灾历史事件的良好指示物[4，13]。而城市土壤作为一种特殊的土地利用方式,受人类活动影响较大,具有其特殊的有机碳及黑碳来源。城市化过程中,来自交通、工业、农业等领域的矿物燃料、垃圾和秸秆焚烧等人为活动已经显著改变了全球碳循环,其中黑碳颗粒的排放深受人为活动的影响[14]。

笔者以芜湖市区为例,研究5个不同区域土壤黑碳和有机碳的含量及分布特征,目的在于通过黑碳含量来表征城市化过程中人为活动对土壤黑碳积累的影响,为城市土壤质量评价、环境保护及居民健康和城市土地的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

芜湖市位于安徽省东南部,地处长江下游南岸,属亚热带湿润性季风气候区。地势南高北低,地形呈不规则长条状。 芜湖城区包括镜湖区、鸠江区、弋江区和三山区4个行政区域,为更好地研究不同区域表层土壤中有机碳、黑碳的空间分布特征,该研究将鸠江区内的国家级经济技术开发区单独列出,称为“开发区”,将芜湖市划分为5个研究区。镜湖区位于芜湖市中心区域,为城市建成区和人口密集区,也是政治、经济、文化旅游中心和商业中心;弋江区近年经济发展、城市建设迅速,规划前土地利用类型以水稻田为主,现已转变为科教与建筑用地为主;鸠江区以工业为主,拥有生物医药、汽车及其零部件制造、金属压延、电子电器等支柱产业;三山区2006年新划入芜湖市区,主要为绿色食品生产基地;开发区位于芜湖市市区西北方向,于1993年4月经国务院批准设立,形成以汽车及其零部件、电子电器、新材料为主的3个主导产业。

1.2 样品采集

共采集土壤样本154个,采样点深度为0～15 cm,采用间距为1 km×1 km的近似网格法布点,具体采样时根据土地利用方式、污染源、交通等影响因素进行稀疏或加密处理,镜湖区、鸠江区、弋江区、三山区和开发区的采样点分别为25、27、42、37和23个。采集的样品于实验室风干,用镊子剔除石砾及植物根系等杂物,用木棍碾压过0.15 mm孔径筛,做好标签,以备黑碳和有机碳的分析测定。

1.3 样品处理与分析方法

1.3.1 样品处理

土壤有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸氧化法。黑碳测定采用目前最常用的化学氧化法[15]。具体操作步骤如下:(1)去除非硅酸盐矿物:取2 g左右的烘干土样,加入15 mL 3 mol·L-1HCl除去碳酸盐、Fe、Mn氧化物等,反应24 h。(2)去除硅酸盐和二氧化硅:采用HF和HCl去除土壤样品中的Si,根据土壤样品特征,所使用的试剂比例和浓度会有所调整,该研究中加入15 mL 10 mol·L-1HF和1 mol·L-1HCl除去硅酸盐,反应24 h;为了去除可能产生的CaF2,加入15 mL 10 mol·L-1HCl,反应24 h。(3)去除活性有机碳:去除土壤中的活性有机碳是测量的关键步骤,加入15 mL 0.1 mol·L-1K2Cr2O7溶液和2 mol·L-1H2SO4,在(55±1) ℃条件下去除有机碳,反应60 h,得到的剩余物即为黑碳样品,离心、烘干后直接用CHN元素分析仪测定黑碳含量[16]。

1.3.2 数据处理与分析

用Excel 2010、ArcGIS 9.2、SPSS 13.0等软件进行数据分析、制图和相关分析。

2 结果与讨论

2.1 芜湖市区土壤黑碳含量

芜湖市区土壤黑碳含量在0.02～26.16 g·kg-1之间,平均为5.87 g·kg-1,变异系数为62.98%(表1)。变异系数表示土壤黑碳空间变异性的大小,≤10%为弱变异性,>10%～<100%为中等变异性,≥100%为强变异性[10]。芜湖各区土壤样品中变异系数最大值出现在开发区,达85.43%,属于中等变异性,说明开发区内的人类及经济活动对土壤黑碳的分布产生明显影响。镜湖区和鸠江区变异系数也较大,分别为76.56%和61.49%。由表1可知,土壤黑碳平均含量由高到低依次为镜湖区(7.78 g·kg-1)、鸠江区(6.55 g·kg-1)、三山区(6.25 g·kg-1)、弋江区(4.65 g·kg-1)和开发区(4.61 g·kg-1)。在95%和99%置信水平下,镜湖区与弋江区、开发区间均存在极显著差异。这主要是因为镜湖区与鸠江区为中心城区,汽车尾气排放强度较大,来自交通、工业等领域的矿物燃料燃烧等人为活动导致其土壤黑碳含量升高;三山区仍然以农业种植为主,植物秸秆的焚烧和有机肥的施入有可能改变土壤黑碳含量的分布;而开发区和弋江区尚处于发展阶段,为新建区和高校园区,人类活动强度低,时间短。

表1 芜湖市各采样区土壤黑碳含量

Table 1 Black carbon contents in soil samples collected from different areas

采样区样品数w(黑碳)/(g·kg-1)最小值最大值平均值标准差变异系数/%镜湖区250.2426.167.78aA5.9676.56鸠江区272.7411.766.55abAB1.9129.09弋江区420.0210.924.65bB2.8661.49三山区371.6711.536.25abAB2.6943.04开发区230.2415.304.61bB3.9485.43总计1540.0226.165.873.7062.98

平均值数据后英文小写字母不同表示差异显著(P<0.05),大写字母不同表示差异极显著(P<0.01)。

2.2 土壤黑碳含量分布特征与来源分析

将土壤黑碳含量分为≤1、>1～5、>5～10、>10～15和>15 g·kg-1这5个组分别进行统计[17],发现芜湖市区土壤黑碳含量主要集中分布在>5～10 g·kg-1之间,占样品总数的50%;其次为>1～5 g·kg-1之间,占样品总数的33%;其他组别中,≤1 g·kg-1的样品数为11份,占总数的7.14%,>10～15 g·kg-1的样品数为11份,占总数的7.14%,>15 g·kg-1的土壤样品数共4份,占总数的2.60%(表2)。

表2 芜湖市各区土壤黑碳含量分布

Table 2 Distribution of black carbon contents in the soils relative to function zone

采样区不同黑碳含量(g·kg-1)样品数≤1>1～5>5～10>10～15>15镜湖区351133鸠江区032220弋江区6171810三山区0112330开发区215321总计115177114

除开发区外,各区地表土壤黑碳含量均集中在>5～10 g·kg-1之间,镜湖区土壤黑碳平均含量最高,为7.78 g·kg-1,其中>5～10 g·kg-1的样品占镜湖区样品总数的44%,这与镜湖区为芜湖市经济与人口中心有关,受人为活动影响较大,黑碳来源丰富,故土壤表层黑碳累积较多;鸠江区位于芜湖东北角,其土壤黑碳平均含量为6.55 g·kg-1,其中>5～10 g·kg-1的样品比例为81%,且该区变异系数最小,仅为29.09%,说明土壤黑碳分布较为均匀;弋江区因开发时间较短,受人为影响较少,土壤黑碳含量主要集中在>1～10 g·kg-1之间,平均含量较低,为4.65 g·kg-1;三山区工业与农业并重,土壤黑碳含量主要集中在>5～10 g·kg-1之间,占该区样品总数的62%,其平均含量较高,为6.25 g·kg-1;开发区位于芜湖北部,土壤黑碳含量主要集中在>1～5 g·kg-1之间,>1～5 g·kg-1的样品比例为65%,其平均含量为5区中最低,仅为4.13 g·kg-1,但变异系数最大,达85.43%,说明其土壤黑碳含量分布存在较大差异,这与开发区内厂区布局不均有关,生产加工行业(芜湖开发区内设有电器制造厂、造船厂和汽车零部件制造厂等)对土壤环境的影响很大,周围土壤中黑碳含量也相应较高[18]。

2.3 土壤有机碳(OC)含量特征

芜湖市区土壤有机碳含量变幅为0.37～29.69 g·kg-1,平均值为9.75 g·kg-1。各区土壤有机碳含量无显著差异,有机碳含量由高到低排序为镜湖区、三山区、弋江区、鸠江区和开发区。研究表明,耕作方式与土地利用方式会影响微团聚体与大团聚体之间的转化与再分布,且大团聚体有机碳不稳定,是土壤有机碳损失的途径之一[19]。芜湖市近年来社会经济发展迅速,耕作与城市大建设带来的机械扰动使原先被团聚体保护的有机碳暴露出来,加快了有机碳的分解速率,这是造成芜湖市区土壤有机碳含量总体不高的原因。从各区的有机碳变幅(表3)来看,镜湖区变幅最大,最高值与最低值之差达29.32 g·kg-1,鸠江区变幅最小。芜湖市各区土壤有机碳含量变异系数最大值出现在镜湖区,达59.42%,说明该区内土壤有机碳含量分布存在显著差异,镜湖区人口密集,人类活动空间差异显著,导致土壤有机碳含量空间变异大。

表3 芜湖市各区土壤中有机碳(OC)和黑碳(BC)含量统计

Table 3 Organic carbon and black carbon contents in the soil relative to function zone in Wuhu City

采样区OC含量/(g·kg-1)范围平均值标准差OC变异系数/%BC/OC比值范围平均值镜湖区0.37～29.6911.50aA6.8359.420.22～0.880.61aAB鸠江区4.45～14.069.28aA2.1723.320.62～0.840.70aA弋江区1.54～19.519.40aA4.5748.670.01～0.810.49bB三山区2.42～16.939.78aA3.2933.670.27～0.860.63aA开发区3.52～20.708.99aA5.1357.060.02～0.850.50bB总计0.37～29.699.754.5546.690.01～0.880.58

同一列数据后英文小写字母不同表示差异显著(P<0.05),大写字母不同表示差异极显著(P<0.01)。

研究发现,居民区和公园一些裸地由于垃圾频繁清扫,使得有机物质输入量减少,有机碳含量呈下降趋势。这一部分城市土壤面临着因有机质含量减少引起的土壤退化现象,如压实问题[20]。开发区与弋江区土壤有机碳含量变异系数也较大,分别为57.06%和48.67%。变异系数最小值出现在鸠江区,为23.32%,说明该区有机碳含量分布趋于平均。芜湖市表层土壤中黑碳和有机碳的空间分布见图1～2,有机碳含量较高的区域主要出现在镜湖区、弋江区和三山区,镜湖区是人为活动最密集的区域,交通因素造成有机碳的富集,三山区是芜湖重要的农产品基地,人为耕作和有机肥施用使土壤有机碳含量增加。

图1 芜湖市表层土壤中有机碳的空间分布

图2 芜湖市表层土壤中黑碳的空间分布

2.4 芜湖市土壤黑碳与有机碳含量比值及其指示意义

土壤中的黑碳与有机碳含量比值为BC/OC比值,研究表明,BC/OC比值的大小能在一定程度上反映土壤黑碳来源及其受人类活动的污染程度。一般认为,BC/OC比值在0.11±0.03之间,则土壤黑碳的主要来源为生物质燃烧;BC/OC比值在0.5左右,则认为土壤黑碳的主要来源为矿物燃料燃烧[16]。芜湖市区土壤BC/OC比值变幅在0.01～0.88之间,平均值为0.58,表明化石燃料的燃烧为芜湖市城市土壤黑碳的主要来源。芜湖各区之间的BC/OC比值存在一定差异(表3),由高到低依次为鸠江区、三山区、镜湖区、开发区和弋江区,其中弋江区BC/OC比值介于0.01～0.5之间,说明该区土壤黑碳来源多样;其他4区BC/OC比值均高于0.5,说明其土壤黑碳含量受到人类密集活动(尤其是交通因素)的影响。由图3可以看出,中心城区附近BC/OC比值较大,说明城市化过程中人类活动密集对土壤黑碳含量有明显影响。

图3 芜湖市黑碳/有机碳比值的空间分布

2.5 土壤有机碳和黑碳含量的相关性分析

黑碳对稳定土壤有机碳有较为重要的作用[21]。芜湖市区土壤有机碳和黑碳含量之间存在极显著相关性(R2=0.693 4，P<0.01)(图4)。

图4 芜湖市土壤中有机碳和黑碳含量的相关性

不同功能区有机碳和黑碳含量之间的拟合关系如表4所示,其中镜湖区和鸠江区的R2分别达0.969 9和0.924 6,为极显著相关关系(P<0.01),镜湖区与鸠江区是芜湖市的经济与人口中心,说明城市土壤有机质中黑碳起重要作用,弋江区、三山区和开发区的R2分别为0.432 7、0.698 7和0.598 0,均达到显著相关水平(P<0.05),说明黑碳在城市土壤有机碳固定过程中扮演了重要角色,这与自然土壤有显著差别。

表4 芜湖市土壤有机碳含量(y)和黑碳含量(x)的拟合关系

Table 4 Fitting relationship between organic carbon(y)and black carbon(x) in the soil of Wuhu City

采样区样本数拟合曲线 R2镜湖区25y=1.1296x+2.71150.9699**鸠江区27y=1.0925x+2.12690.9246**弋江区42y=1.0513x+4.50430.4327*三山区35y=1.0240x+3.38440.6987*开发区25y=1.0070x+4.34940.5980*总计154y=1.0253x+3.73190.6934**

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

2.6 芜湖市土壤与地表灰尘黑碳含量对比

与邓正伟等[22]对芜湖市地表灰尘中黑碳含量分布特征的研究相对比,芜湖市表层土壤与灰尘黑碳含量与分布存在一定的差异性(表5)。邓正伟等[22]对研究区域的划分与笔者有一定的差异,经济开发区基本一致,高新技术开发区对应笔者研究中的弋江区,中心城区对应笔者研究中的镜湖区和鸠江区西部。由表5可知,芜湖市土壤与灰尘有机碳含量存在极显著差异,黑碳含量存在显著差异,地表灰尘黑碳含量普遍高于表层土壤,表明燃油不完全燃烧所释放的含黑碳物质的颗粒物可能最先落入城市地表灰尘,而后再进入城市土壤中。芜湖市有机碳含量在表层土壤和灰尘中的差异也与黑碳相似,无论是变幅、平均值还是标准差,土壤含量均低于地表灰尘;但BC/OC比值表现为土壤大于地表灰尘,这与表层土壤与灰尘中黑碳的来源与累积方式不同有关,大气沉降是灰尘黑碳的主要来源[23],而城市土壤黑碳含量除了受成土母质的影响外,交通、工业乃至城市路面沥青物质都是其主要来源[24];黑碳具有高度的惰性和稳定性,会在土壤中累积,这也是造成土壤BC/OC比值高于灰尘的原因。

表5 芜湖市表层土壤与灰尘黑碳(BC)和有机碳(OC)含量对比

Table 5 Correlation matrix of organic carbon and black carbon contents in the soil and dust in Wuhu City

功能区样品类别OC含量/(g·kg-1)BC含量/(g·kg-1)范围平均值标准差范围平均值标准差BC/OC比值经济开发区土壤(n=23)3.52～20.708.99cB5.130.24～15.304.61aA3.940.50灰尘(n=16)11.46～36.7822.96abA8.104.25～31.3611.73cB8.100.45中心城区土壤(n=25)0.37～29.6911.50cB6.830.24～26.167.78bcAB5.960.61灰尘(n=37)9.78～38.7124.32aA7.623.65～24.6711.63aA5.840.48高新技术开发区土壤(n=42)1.54～19.519.40cB4.570.02～10.924.65cB2.860.49灰尘(n=23)7.81～38.1820.20bA9.711.75～22.498.95abAB4.530.45

n为样品数。同一列数据后英文小写字母不同表示P<0.05,大写字母不同表示P<0.01。

3 结论

(1)芜湖市区土壤黑碳含量变幅为0.02～26.16 g·kg-1,平均值为5.87 g·kg-1,变异系数为62.98%。土壤黑碳含量主要集中在>5～10 g·kg-1之间,占土壤样品的50%。各区土壤黑碳含量分布存在一定差异,可能与其土地利用类型差异和人为活动干扰时间及幅度不同有关。

(2)BC/OC比值变幅在0.01～0.88之间,平均值为0.58,表明化石燃料的燃烧为芜湖市区土壤黑碳的主要来源,芜湖各区之间的BC/OC比值存在一定差异。

(3)芜湖市区土壤有机碳和黑碳含量之间存在显著相关性,说明黑碳在城市土壤有机碳固定过程中扮演了重要角色,与自然土壤有显著差别。

(4)芜湖市表层土壤和地表灰尘都存在一定程度的黑碳富集,表明黑碳能够通过大气沉降方式进入城市土壤生态系统,但因受人为活动的影响程度不同而存在空间变异。

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(责任编辑： 许 素)

Content and Distribution of Black Carbon in Surface Soil of the Urban Area of Wuhu.

ZHU Zhe1, FANG Feng-man1,2, DENG Zheng-wei1

(1.College of Territorial Resources and Tourism, Anhui Normal University, Wuhu 241003, China;2.Anhui Key Laboratory of Natural Disaster Process and Prevention, Wuhu 241003, China)

In order to investigate effects of human activities in the process of urbanization on accumulation of black carbon in the soil, a total of 154 soil samples were collected from the surface soil of the urban area of Wuhu, including five different function zones, for analysis of contents of organic carbon (OC) and black carbon (BC). Results show that the content of black carbon in the soil of Wuhu varied in the range of 0.02-26.16 g·kg-1, being 5.87 g·kg-1on average and 62.98% in variation coefficient. The five function zones followed a decreasing order of Jinghu>Jiujiang>Sanshan>Yijiang> the development zone in terms of mean BC content. About 50% of the samples were found to have black carbon >5-10 g·kg-1in content. The BC/OC ratio in the urban soil varied in the range of 0.01-0.88, being 0.58 on average, which indicates that the BC in the soil of Wuhu City originates mainly from combustion of fossil fuel. BC content varied sharply with function zone in spatial distribution, which is held to be closely related to human activities in the city of Wuhu.

black carbon;soil;urban;distribution;Wuhu City

2015-10-23

国家自然科学基金(41371480);高等学校博士学科点专项科研基金(20123424120003)

X825

A

1673-4831(2016)06-0908-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2016.06.007

朱哲(1991—),女,安徽淮南人,硕士生,主要从事土壤与环境研究。E-mail: zhuzhe323921@163.com

① 通信作者E-mail: fangfengman74@163.com