广州大学城不同绿地类型土壤碳通量特征分析*

冯婷诗 林敏丹 许展颖 林妙君 陈小梅

（1. 广州大学 地理科学与遥感学院, 广东 广州 510006 ；2.广州市少年宫，广东 广州 510170）

土壤碳通量是生态系统中有机碳物质对外输出的主要途径，是土壤向空气排放CO2的关键一环节[1]。全球陆地生态系统年平均土壤碳排放估算总量为72.6 Pg C[2]，约是年平均燃烧化石能源所释放碳量的8 倍[3]。土壤CO2释放研究对估算未来大气CO2浓度及全球气候变化具有重要的意义。城市绿地作为城市生态系统中的重要子系统[4]，对城市及全球的碳平衡起到促进作用。随着城市化进程加快，城市建设用地面积快速扩张，城市绿地类型越来越丰富，土壤碳通量受到非生物因子和生物因子的综合影响[5]，其中人类活动影响日益突出[6]。因此，弄清不同绿地类型土壤碳通量特征，对碳中和背景下城市绿地管理具有重要意义。

目前土壤通量研究已在草原、森林、农田、湿地、荒漠等几乎所有陆地生态系统中进行，主要研究领域涉及土壤碳通量特征及其影响因素[7-9]。近年来，城市绿地土壤CO2通量特征及其影响因素日益受到关注。陶晓等[10]在合肥市四种不同类型城市绿地土壤研究发现城市绿地土壤呼吸夏季明显高于冬季，且最高值出现在夏季持续降雨后。马莉在宝鸡市疏林地和草地土壤中发现它们土壤表层呼吸日动态变化为单峰曲线，草地土壤呼吸速率大于疏林地[11]。土壤碳通量主要影响因素是土壤温度和土壤湿度[12-13]，且土壤碳通量与土壤温度二者之间存在着显著的相关关系，以指数模型[14-15]最为典型。此外，气候、温度、降雨量、土壤特性、植被类型等也会影响不同区域城市绿地土壤碳通量的时空变化特征[11]。城市绿地与自然生态系统的土壤碳通量存在较大差别，Schimel等[15]发现干旱和半干旱地区的城市化会引起土壤碳通量的下降；罗上华等[16]发现城市绿地的土壤碳通量比农梗土壤和天然土壤更高。前人研究主要集中在北亚热带及以北地区，而南亚热带地区城市绿地土壤碳通量特征的研究相对较少，且不同区域的土壤碳通量特征研究结果不同，土壤碳通量影响机制仍解释不清。

因此，本研究以广州大学城绿地为研究现象，选取公园绿地、道路防护绿地（中环、外环）、文教区绿地、居住区绿地、生产绿地五种不同功能绿地，探讨大学城不同绿地利用类型土壤碳通量的时空变化特征，以期为低碳城市建设提供决策参考。

1 材料与方法

1.1 样地选取与设置

根据各功能区绿地的功能结构、开发利用现状以及人类活动强弱[11]，结合实际用地情况，本研究选取公园绿地、道路防护绿地、文教区绿地、居住区绿地、生产绿地等5 种功能区的6 个绿地作为研究样地（图1）。其中，公园绿地位于大学城中心湖公园中游客干扰频率较少的区域；道路防护绿地设置在大学城中环道路和外环道路，中环道路日常车流量和人流量较外环大；文教区绿地位于广州大学气象园，此处主要用于科研与教学，受其他因素干扰少；居住区绿地位于广州大学菊苑生活区中的绿化地；生产绿地位于大学城北亭村的农用地。在选定的6 个样地各设置3 个监测点并安置PVC 土壤环，使气室底座高出土壤表面5 cm 以保证气室偏移量尽可能准确。为减少对土壤的干扰，观测期尽量使土壤环留在原地，而对于不能长期安置土壤环的样地，测量前24 h前去安置土壤环。碳通量观测时间为2018 年7月—2019 年6 月。

图1 试验样地布局Figure 1 Layout of experimental plots

1.2 样品采集与处理

2018 年7 月，在上述6 个样地内各随机布置3 个呈三角形分布的平行样点，使用内径5 cm 的土钻随机采集0～10 cm、10～20 cm 两个土层的土壤。每个样地的土壤样品由3 个样方同一层次的土壤样品混合而成，共采集土壤样品12 个。将所采的新鲜土壤样品中植物的根系、残体和易见的土壤小动物等去除，过2 mm 筛并均匀混合，选取三分之一新鲜土壤样品袋密封，并储存在4℃的低温下，以供微生物生物量测定；另外三分之二进行风干，过0.25 mm 筛后袋封保存，以供土壤总有机碳的测定。

1.3 样品测定与分析

1.3.1 土壤碳通量测定 在观测期间每月的中下旬无雨的8:30—10:30 时段，采用土壤碳通量自动测量系统（LI-8100A，LI-COR，USA）观测土壤碳通量，每个测试点每次测定3 次，并选取平均值。在干季与湿季分别选择无雨的两天，对每个样地进行碳通量日变化的测定，每次测定从早晨8:00 时到晚上20:00 时，每2 h 测定一次。每次监测之前，先清除土壤环内的凋落物以及新鲜植物的苗体，以减少地表植物释放出的CO2对测定结果产生的影响，但尽量减少对土壤的干扰。

1.3.2 其他环境因子的测定 在测定土壤碳通量的同时，使用仪器自带的土壤湿度、温度传感器测定每个样地的土壤温度和土壤湿度，并监测实验样地中的大气因子，测定时间与测定土壤碳通量的同时。使用便携气象追踪仪（Kestrel4500，USA）测定环境因子，如大气温度、大气相对湿度、大气压强、平均风速等。此外，对有机质的测定采用重铬酸钾外加热法，土壤微生物含量采用磷脂脂肪酸法[17]。

1.4 数据处理

利用Excel2019 和SPSS23.0 进行数据统计分析。运用Excel 软件绘制不同绿地类型碳通量、土壤温湿度的年变化、日变化趋势曲线；用单因素方差分析法（LSD 法）判断不同绿地类型、不同月份的土壤碳通量、土壤温度、土壤湿度之间的差异（P＜0.05）；利用Pearson 相关系数对土壤碳通量与各环境因子之间进行相关分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同绿地类型土壤碳通量、温湿度年际变化

从图2-a 中可以看出，6 个绿地土壤碳通量具有分明的年际动态变化特征（P＜0.05），均呈湿季（5 月至10 月）高于干季（11 月至次年4 月）的不规则单峰曲线，且湿季土壤碳 通 量 变 化（1.94～9.76 µmolm-2s-1） 较 干 季（0.34～3.98 µmolm-2s-1）明显。湿季监测期内，土壤碳通量大约在8 月份时呈现一个较低值。土壤碳通量与土壤温度、大气温度呈极显著正相关（P＜0.01,表1）。各类型绿地的土壤碳通量最大值出现在7—9 月（夏季），从10 月开始，随月均温度的下降，土壤碳通量呈现逐渐减少趋势，次年1—2 月（冬季）达到最低值（图2-a、2-b）。

图2 广州大学城不同绿地类型土壤碳通量、温度和湿度年际变化Figure 2 Interannual variation of soil carbon flux, temperature and moisture in different green space types in Guangzhou university town

不同类型绿地土壤碳通量的差异显著（P＜0.05， 图2-a）。 受 人 工 养 护 多 的 文 教 区绿 地（5.33±2.90 µmolm-2s-1）、 道 路 绿 地 内环（3.96±2.50 µmolm-2s-1） 和 道 路 绿 地 外 环（3.74±2.22 µmolm-2s-1）土壤碳通量显著高于其他绿地类型。其中受人类干扰影响最多的居住区绿地土壤碳通量（1.70±1.10 µmolm-2s-1）显著低于其他绿地类型。

监测期内6 个城市绿地土壤温度在年内存在明显的季节变化（P＜0.05，图2-b），呈和缓的单峰曲线趋势。8 月（28.57±1.12 ℃）、7月（28.40±1.16 ℃） 和6 月（28.32±1.16 ℃）各绿地类型土壤温度显著高于其他月份，2 月（16.77±0.54 ℃）和1 月（16.14±1.15 ℃）土壤温度显著低于其他月份。土壤温度与大气温度呈极显著正相关（P＜0.01，表1），与气压呈极显著负相关（P＜0.01,表1）。不同绿地类型的土壤温度变化无显著差异 (P＞0.05)。

6 个绿地土壤湿度的年变化趋势相似（P＞0.05， 图2-b）。 在10 月 至 次 年1 月 期间，土壤湿度处于谷值。生产绿地的土壤湿度（0.16±0.10 %）显著低于其他绿地类型。土壤湿度与大气相对湿度呈极显著正相关（P＜0.01,表1），与气压呈极显著负相关（P＜0.01,表1）。

2.2 不同绿地类型土壤碳通量干湿季日变化特征

监测期内6 个绿地土壤碳通量干湿季日变化趋势不一致，湿季时各绿地类型的土壤碳通量（2.04～9.76 µmolm-2s-1，图3-a）明显高于干季（图3-b，0.23～2.78 µmolm-2s-1）。不同绿地类型土壤碳通量在湿季和干季的日变化特征差异显著（P＜0.05，图3）。

湿季时，土壤的碳通量日变化没有明显的变化趋势（图3-a）。湿季文教区绿地（7.88±0.92µmolm-2s-1） 和 道 路 中 环 绿 地（7.14±0.90µmolm-2s-1）土壤碳通量显著高于其他绿地类型。湿季土壤碳通量与土壤温度和气压呈极显著正相关（P＜0.01，表1），与大气温度、土壤湿度不相关（P＞0.05，表1）。

干季时，土壤的碳通量日变化没有明显的变化趋势（图3-b）。干季生产绿地（2.29±0.37µmolm-2s-1） 和 道 路 外 环 绿 地（2.20±0.31µmolm-2s-1）土壤碳通量显著高于其他绿地类型。干季土壤碳通量与土壤湿度、大气相对湿度呈显著负相关（P＜0.05，表1），与大气温度、土壤温度不相关（P＞0.05，表1）。湿季（2.89±0.43µmolm-2s-1）和干季（0.35±0.07 µmolm-2s-1）居住区绿地土壤碳通量均显著低于其他绿地。

图3 广州大学城不同绿地类型土壤碳通量日变化特征Figure 3 Diurnal variation of soil carbon flux in different green space types in Guangzhou university town

2.3 土壤碳通量与环境因子的关系

据表1 可知，土壤碳通量在湿季时与土壤温度呈极显著正相关（P＜0.01），而在干季时土壤碳通量与土壤湿度呈显著负相关（P＜0.05）。土壤碳通量与大气温度呈极显著正相关，与气压呈极显著负相关（P＜0.01）。干湿季的大气相对湿度均与大气温度呈极显著负相关（P＜0.01）。

表1 土壤碳通量与环境因子的相关分析Table 1Correlation analysis between soil carbon flux and environmental factors

2.4 土壤理化性质分析

不同绿地类型的土壤理化性质如表2 所示。研究表明，公园绿地、生产绿地土壤呈酸性，中环道路绿地、文教区绿地、居住区绿地土壤呈碱性。公园绿地和居住区绿地的土壤微生物量明显低于其他绿地。土壤碳通量与0～10 cm 土壤C、微生物总量呈正相关，与田间持水量呈负相关（表2）。

表2 不同绿地类型土壤理化性质Table2 Physical and chemical properties of soil in different green space types

3 结论与讨论

城市绿地土壤碳通量具有明显的季节变化，均呈湿季显著高于干季的单峰曲线，且土壤碳通量的最大值出现在夏季，最小值出现在冬季（图2-a）。这与同类气候类型其它相关研究结果基本一致[14,18]。土壤碳通量的季节变化主要受研究区域外部环境条件如土壤温湿度、植物的生长、土壤有机碳含量、土壤微生物活性、大气微气候因子等因素的影响。

土壤温度影响土壤碳通量的作用机制是通过调节土壤中的微生物及植物呼吸酶的活性来实现，在一定程度上土壤气温的上升能促进植物呼吸酶和土壤微生物的活性[19]。在本研究中，夏季土壤碳通量显著高于冬季，这是由于夏季时土壤温度较高，加强植物根系代谢，微生物较为活跃，促进土壤碳通量；当冬季时土壤温度较低，土壤微生物数量少、丰度小，其活跃程度也受到抑制，导致土壤碳通量下降[20]。土壤湿度可以直接影响植被根系的生长、微生物的活性，也可以间接影响氧气和底物的扩散运输[21]。本研究发现湿季土壤碳通量与土壤湿度不相关（P＞0.05），而干季时与土壤湿度呈显著负相关（P＜0.05），取代土壤温度，成为最关键的影响因子，与Arredondo 等[22]的研究结果一致，这是由于在干燥的季节，土壤含水量以及降水情况会限制土壤碳排放。

一般而言，土壤温度与土壤湿度共同影响土壤碳通量，解释了土壤碳通量变化的70%～97%[23]。本研究发现土壤碳通量变化与土壤温度的变化趋势是一致的（图2-a、2-b），全年土壤碳通量与土壤温度呈现极显著正相关（P＜0.01），而与土壤湿度不相关（P＞0.05），与Wei 等[24]的研究结果一致。这表明调控广州大学城绿地土壤碳通量季节变化的主要影响因子是土壤温度。此外，城市绿地土壤的热量和水分条件通常是彼此相互影响和作用的，还伴随着多个环境因子的协同作用。

大气温度主要先作用于土壤表面，再逐步将热量传递到土壤下层，影响土壤微生物、植物根系等的碳通量，使碳通过土壤孔隙排放到大气中[25]。本研究中大气温度与土壤碳通量呈极显著正相关（P＜0.01），这也表明了大气温度间接地影响土壤碳通量。土壤碳通量在干季时与大气相对湿度呈现显著负相关，这与赵哈林[26]、朱宏[27]等人的研究结果相一致。湿季监测期内，土壤碳通量大约在8 月份时呈现一个较低值，Epron[28]、吴亚华[15]等人也有相似的发现，这是由于在降水频率较高，降水量、降水强度不均匀等降水格局的影响下，土壤碳通量或受抑制、或受促进、或没有影响[28]，因而在湿季时表现出波动的趋势。

监测期内，干湿季土壤的碳通量日变化均没有明显的变化趋势，均与大气温度不相关，与胡进耀[30]、Capek[31]等人的研究结果不一致。土壤碳通量日变化动态特征与测定季节、土壤类型等有关，温度变化幅度对土壤碳通量作用变化产生重要影响[25]。结合实际可知，广州大学城地处南亚热带，具有温暖多雨、温差较小等气候特征，且本研究仅在8：00 至20:00 时进行监测，无法说明全日昼夜大气温度对土壤碳通量的影响。

土壤碳通量是一种复杂的生物学过程, 受到非生物因子和生物因子的综合影响[9,32]。不同城市绿地类型土壤碳通量的差异显著（P＜0.05），与梁晶等的研究结果相似[33]。土壤微生物是土壤有机质和土壤养分转化和循环的动力[34]，在一定程度上支配着通过土壤碳通量所进行的C 释放。充足的碳源有利于土壤微生物活性及微生物量的增加[35]，有机肥料和化学肥料的施用能够改变或增加土壤营养元素及有机碳的含量，激发土壤微生物的活性，提高地表根系的碳通量，进而促进土壤CO2的产生与排放[10,36]。本研究中土壤碳通量与0～10 cm 土壤C、微生物总量呈正相关，而0～10 cm 土壤C、微生物总量较高的文教区绿地、道路绿地（中环、外环）和生产绿地土壤碳通量显著高于其他绿地类型（表1）。结合实际可知，文教区绿地、道路绿地（中环、外环）有绿化养护工人进行肥料喷撒，生产绿地有农户精心照料，而公园绿地和居住区绿地则受人为干扰影响较大，二者的人流量都较大，有较为明显的土壤压实、土壤物理退化现象。这也表明定期对城市绿地进行养护有利于增加土壤碳通量。不同的土地利用方式通过对地表植被、土壤渗透性、土壤有机质含量等因子的影响间接作用于土壤碳通量[37]。研究发现干湿季居住区绿地土壤碳通量均显著低于其他绿地，与陶晓等[10]的研究结果相似，其可能是由于居住区绿地监测期内受绿化整改计划影响，大部分时间以裸地为主，改变了土壤微生物和根系的生活空间，从而抑制土壤CO2的产生。本研究结果表明，湿季时文教区绿地和道路中环绿地土壤碳通量显著高于其他绿地类型，而干季时生产绿地和道路外环绿地土壤碳通量显著高于其他绿地类型，这说明时间不同，土壤碳通量的影响因子不同，影响因素的主成分就会有所不同[38]。有研究表明，土壤温度、土壤湿度等因子在时空上的变异会受植被类型、植被覆盖度不同等的影响[39-40]，而本研究在样地选取上并没有消除植被类型对土壤碳通量的影响。因此今后关于不同绿地类型土壤碳通量的研究中，应选取相同植被类型的样地进行监测，以便进一步研究土壤碳通量的影响机制。

本研究通过对广州大学城公园绿地、道路防护绿地（中环、外环）、文教区绿地、居住区绿地、生产绿地等5 种不同功能绿地土壤碳通量、温湿度和土壤理化性质的测定，研究发现：（1）从季节尺度上看，广州大学城绿地土壤呼吸速率具有明显时间动态节律性，湿季和夏季时各绿地类型的土壤碳通量显著高于干季和冬季；（2）调控广州大学城绿地土壤碳通量季节变化的主要影响因子是土壤温度，同时伴随着多个环境因子的协同作用；（3）广州大学城不同城市绿地类型的土壤碳通量对环境因子的响应特征存在差异。定期对城市绿地进行养护促进土壤碳通量的增加。