城市土壤有机碳库的特征及其演变研究综述#
 

摘要：陆地土壤有机碳库在全球碳平衡中具有重要作用，由于城市化进程的加速，与人类活动密切相关的城市土壤成为陆地生态系统的重要组成部分。城市化地区土壤与自然土壤具有不同的特征，具体表现在土壤地表的封闭压实、表土的人为扰动、外来植物的入侵、落叶的清扫等，这些都将影响城市土壤的碳储量。本文综述了城市化地区不同功能区、不同植被覆盖区的土壤碳密度和碳库时空演变特征，指出了城市化地区土壤碳库的研究方向。
 

关键词：土壤学；土壤碳库；城市化；功能分区；研究进展
中图分类号：S15
 

0 引言
土壤碳库是陆地碳库的重要组成部分，包括土壤的有机碳和无机碳，土壤无机碳库变动
不大，对碳循环的影响较小，而土壤有机碳分解和积累的变化，—方面直接影响着全球的碳
平衡，另一方面影响了土壤肥力和植物生长，从而在很大程度上影响了陆地生物碳库[1-2]。
据估计，地球表面1m 土层中有机碳储量为1500~2000 Pg(1 Pg = 1015 g)，约为陆地生物碳库
的3 倍，大气碳库的2 倍[3]，可见土壤有机碳库（以下简称“土壤碳库”）在全球碳平衡中
具有重要作用[4-5]。在陆地生态系统中，城市生态系统作为人类活动最为集中、最为活跃的
区域，其引起土壤碳库的变化可能通过向大气释放碳素导致大气CO2 等温室气体的不断增
加，从而使全球气温升高速率加快[6]。而且，这一影响将伴随着快速的城市化进程而加剧，
在发展中国家、尤其是中国，快速城市化对土壤碳库变化速率和程度的影响将远远超过自然
变化的影响[7]。然而，近年来大量的土壤有机碳研究多集中于全球[8-9]，国家[6, 10-11]以及区域
尺度[1, 12-13]或森林、农田、草地等生态系统尺度上，对城市生态系统这一尺度研究却很少
[14-17]，主要是因为目前对土壤碳库储量的估计仍有很大的不确定性[18]以及城市化的高度动
态性。对城市生态系统这一尺度研究可为城市土壤有机碳库的研究提供数据支持，为区域/
全球碳循环研究提供重要补充，同时对于调控城市土壤碳库、缓解气候变化以及促进城市生
态可续发展等具有重要意义。

1 城市土壤碳的特征
城市化是一个国家或地区实现工业化、现代化不可逾越的发展阶段，城市化已成为当代
世界各国的一个主要发展趋势[19]。城市土壤是在这一特定背景下由自然土壤经多次直接或
间接的人为干扰而组装起来的具有高度时空变异性而现实利用价值较低的一类特殊的土壤
[20]。城市土壤有机碳来源于植物、动物、微生物残体和根系分泌物，并处于不断分解与形
成的动态过程。在城市化进程中，人类活动改变了城市区域下垫面的性质，疏松、覆盖植物
的自然态土壤被坚硬、密实、干燥而不透水的建筑材料取代，土壤发生渣砾化和粗粒化[21-22]，
而这一过程可直接或间接地影响土壤碳库，导致土壤碳库的种类组成和规模均发生较大变
化。
城市化对城市土壤最直接的影响是大量土壤地表的封闭。由于不透水层或低透水层如柏
油路、人行道和建筑等大面积地表封闭的出现，封闭土壤与大气部分或全部隔离[23]，土壤
中的物质交换严重受限，土壤中元素的生物化学循环保留在边缘地带已降解腐殖质微有机生
物群落中。这导致土壤生长植物、过滤水分、交换热量、净化污染物等重要生态功能部分甚
至完全消失，这种不可逆的过程将“活”的土壤变成“死”的物体。城市化进程中的城市土壤压
实问题也是普遍存在的[24]，土壤压实往往会对城市土壤物理性质造成恶劣影响，主要表现
在土壤颗粒组成极端、土壤结构受到严重毁坏、容重增加、通气和持水孔隙降低等，这些因
素都会影响到土壤有机碳的含量。Aragon 等利用Proctor 方法测得较高的土壤容重密度与土
壤有机碳含量呈正相关[25]。而且，机械压实导致的土壤密度的增加和孔隙度下降不仅局限
于上表层土壤，也会影响到一定深度的土层[26-27]。土壤压实使得土壤水和气的渗透率受到限
制、植物根系难以伸入到亚表层、土壤动物也不容易进入。一方面影响城市树木生长，更重
 要的是影响土壤的元素地球生物化学循环，且对土壤碳库增加有负作用[28]。
城市土壤人为翻动表现为表土的移除和表土回填。表土移除会导致土壤有机碳库的亏
空、碳截存过程被破坏[29]。与自然土壤相比，这些人为扰动导致城市土壤剖面结构分异程
度低，土层分异不连续，土层缺失，有的甚至发生“土层倒置”等现象，腐殖质层被剥离或者
被埋藏，土层深浅变异较大，使得碳密度随深度递减的规律不明显甚至消失。上表层土壤中
的有机生物埋于下层，而亚表层土壤有机生物则暴露在其不适应的环境中[30]；另一方面，
土壤混合会改变土壤体积、孔隙度等，这些都会间接作用于碳库。而表土的移除同样会影响
土壤中可利用有机质和土壤颗粒，如通风不好及高黏含量均会降低底土的矿化速度。表土回
填是公路建设中裸露底土进行复垦较常用的措施，美国学者Grote 等[31]在裸露底土地段进行
表土回填的试验，发现表土回填会引起更多的碳输入，从而提高土壤碳储量和植物的生产力。
城市化地区外来植物的入侵对土壤有机碳库的影响也是不容忽视的。入侵植物通过影响
群落凋落物的输入数量、质量以及输入时间，间接影响对土壤碳库的输入，其中入侵植被的
地上和地下部分残体会对土壤的碳循环产生影响，使土壤碳库发生变化。多数研究表明外来
植物入侵对生态系统地下碳循环和碳库产生影响[32-34]，但由于入侵植物种类较多以及研究地
点环境条件的不同，关于外来植物入侵对于土壤碳库和土壤有机碳矿化影响的研究结论并不
统一。陆建忠等[35]对加拿大一枝黄花入侵上海江湾绿地研究发现，入侵种使土壤总碳库显
著高于裸地土壤，而土著一枝黄花对土壤与裸地土壤之间差异不显著。而Kourtev 等[36]对美
国新泽西州3 个阔叶林公园凋落物的研究发现则相反，本地种矮丛越橘凋落物量最高接近
600 g/m2，而入侵种日本小檗和柔枝莠竹最高分别为350 g/m2 和300 g/m2，2 个入侵种地上
凋落物积累量都小于本地物种。
此外，城市化地区覆盖物落叶的清扫、外来物质的输入包括砖、砂浆、混凝土、灰尘等
建筑物质、工业废弃物或工业过程产物等人造物、有机污染物以及橡胶、纸板、皮革、塑料
等废弃物都会对土壤有机碳库产生影响，这是城市土壤与自然土壤相比所具有的独特性。
2 城市土壤碳密度的变化
2.1 城市土壤碳密度的空间分布差异
2.1.1 不同功能区土壤碳密度差异
城市内部不同功能区，土壤中的底质成分、土壤形成和土地利用方式的差别导致了土层
之间和土壤剖面之间具有显著的空间变化。土壤有机碳密度的空间分布主要受气候、植被以
及人类活动的影响[37]。研究者对纽约市的城乡梯度带[28]、德国罗斯托克市[38]、美国6 个城
市[39]以及英国20 个城市[40]开展了土壤调查，对比分析居住区、工商业区、公共绿地、城郊
菜地等不同土地利用类型的土壤碳密度差异。孙艳丽等[41]对开封市不同功能区城市土壤有
机碳密度分析得出：表层有机碳密度为休闲区>工业区>交通区>文教>行政/居民区；土壤剖
面有机碳密度为文教区>交通区>工业区>休闲区>行政/居民区，城市土壤表层有机碳密度和
剖面有机碳密度均沿城郊剖面线呈下降式梯度变化。
在城乡过渡区域，城市化和人类活动对土壤碳密度的影响同样存在。临近城市建成区的
土地更易受到城市化的影响，表现为土壤有机碳密度与距城市中心的距离有一定的相关性
[16]。Pouyat 等[28]通过对生长在纽约市建成区到周边农村环境梯度带上的红栎林研究发现，
地表10 cm 范围内的土壤有机碳密度与其到城市中心的距离存在显著相关关系。章明奎、周
翠等[17]对杭州市城乡过渡带有机碳密度研究显示：城区>近郊(蔬菜地)>近郊 (非农业用地) >
远郊区。孙艳丽等[41]对开封市表层有机碳的密度和剖面有机碳密度均为新城区>老城区>郊
区，城区分别是郊区的2.53 和1.56 倍，小于章明奎等对杭州市的研究结果(分别是4.3 和5.7
倍)。
2.1.2 不同植被覆盖下土壤碳密度差异
伴随着经济的高速发展，城市化进程的不断加快，高强度的人类活动引起土地覆被的急
剧改变，水域、森林、草地、裸地或农田等转化为城市用地是不可避免的，这一转变会直接
影响土壤结构，作为土壤有机碳来源的根系、凋落物等也都会受到不同程度的影响，从而会
间接地改变土壤有机碳密度。张廷龙[42]对北京市西北部地区不同植被覆盖（林地、园地、
裸地）的土壤采样研究发现，土壤有机碳密度的变幅为9.617~52.915 t/hm2，最高为林地，
此次是园地，最低为裸地；同类型样方土壤有机碳密度，大致有城市内部高于城市边缘的趋
势。同一植被覆盖下，不同的植被类型的土壤碳密度亦有较大的变化。吴珊珊等[43]对合肥
环城公园不同植被类型土壤有机碳密度研究发现存在较大差异，阔叶林及针阔混交林群落的
土壤有机碳密度较高，针叶林及疏林地土壤有机碳密度较低。刘为华[44]对常绿阔叶林下0~10
cm 层上海城市绿地有机碳含量进行对比研究，公园绿地植被类型多，覆盖度高，居住区绿
地、道路绿地植被类型单一，植被覆盖度相对低，研究发现土壤碳密度含量依次为公园绿地、
居住区绿地、道路绿地。因此，同类型的植被覆盖对于城市生态系统碳循环的影响是截然不
同的。
2.2 城市土壤碳密度的时间变化差异
由于城市地表封闭的普遍性，土壤上生长植物、过滤水分、交换热量、净化污染物等重
要生态功能部分甚至完全消失，从这一角度看城市化的过程无疑减少了土壤碳的蓄积量。但
自然土地覆被类型除了向不透水面转变这一主要途径外，部分类型经过人工改造后转化为城
市生态系统中具有自然属性的组分，例如住宅绿地、公园绿地、城市森林等。这一部分转变
对土壤有机碳密度变化的影响相对复杂，局部地区受人为扰动、外来物种、园艺管理、城市
环境等众多因素的影响[28, 31-34]，其土壤碳密度可能高于原有生态系统[45-46]，即城市土壤碳富
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