城市化对土壤呼吸作用影响的研究进展

了北京 城市 ． 乡村过 渡 区土壤 有机碳 的时空 分布 、 温 家石 等 【Ｊ 究 了城 市 化 对 区域碳 吸 收 和碳 储 存 能 ２研 ｊ ＿ 力 的影 响 、曾宏达 等川研究 了沿 江湿 地 转变 为城 市
绿地对土壤有机碳 的影 响。 国内关于城市化与土 但 壤碳动态及其机制的研究尚处在起步阶段 。而关于
作者 简 介 ：侯 颖 （ ９９年 生 ） １７ ，女 ，讲 师 ，ｔ ，研 究方 向：植被 生态 学 。Ｅｍａ ： ｕｉｇ ８ ２ ． ｍ ｇ￣ － ｉｈ ｙ ２ ＠１６ ｏ ｌｏ ｎ ｃ
收稿 日期 ：２ １－８２ ０ １０．３
生态环境学报
第２ ０卷第 １ 期 （ ０ １ １ ２ ２ １ 年 ２月 ）
百度文库引起 的土壤呼 吸变化对 于精 确地估测 陆地 碳循 环有着重要意义。 国外在 ２ ０世纪 ９ ０年代 就开始了城乡梯度 上土壤碳 动态 的研
究 ，而我 国在这这方 面的研究还处在起 步阶段 ，尤其是关于 由自然土壤转变为城市土壤 后 ，土壤 呼吸变化 的机 制研究较少 。
已有 的研究表 明 ，在干旱和半干旱地 区，城市化 引起 土壤 呼吸降低 ，而非干旱区则相反 。此外 ， 城市化过程 中 ，土壤呼吸变
物 群 落按 乔 、灌 、草 分为 ３ 进行 研究 ，发 现其 土 组
土壤产生 Ｃ ２ Ｏ 的所有代谢作用 ， 包括土壤微生物呼 吸、植物根系呼吸、土壤动物呼吸等生物学过程和 含碳物质 的化学氧化作用等非生物学过程 ，其 中， 土壤微生物呼吸和植物根系呼吸排放的Ｃ ２ Ｏ 占土壤 呼 吸的绝 大部 分 ［ 。土壤 呼吸是碳 素 由陆地 生态 系 ２ 统进 入 大气 的主 要途 径和 大气 Ｃ 的重要 来 源［１ Ｏ２ ２， ５
生 态 环 境 学 报 ２ １， ０１） １４ －９ ９ ０ ２ （２： ９ ５１４ １
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化的方 向和强度 因所处 的气候 区域 、 利用 的土地来 源 、 城市 内部 的土地利用方式及植被类型的不 同等而存在差异 ， 但仍存在 许多不确定 的影 响因素 ，如与气候 变化的耦 合作用等。因此 ，在未来城市化过程对土壤呼吸作 用的研究 中 ， 加强土壤 呼吸 应 作用 的直接影 响因子 和间接影 响因子 、时空差 异及 其他更精细的研究 。
。
吸作 用 的影 响研究 较少 ，这可 能成 为研 究 区域乃 至 全 球碳 循 环 的瓶颈 【。 ｏ 随着 城 市化 进程 的不 断推 进 ， Ｊ 城 市用 地 的面 积在 不断 扩 大 ，其在 全球碳 循 环 中的 作 用 也越来 越 重要 。 目前 ，我 国正 处在 城 市化快 速
发 展 阶段 ，大量 自然 用地 转变 为城 市用 地 ， 近 ２ 且 ０ 年来 的城市 用 地大 部分 是 由农 田转化 而来 的 ［。因
并 由此 引起 土地 利用／ 土地 覆被 方式 的变 化 。 种变 这 化 造 成 了土壤 物 理性状 、化 学性 质 、生物 学特 征发
生显著变化 ， 影响土壤中各种生物化学反应过程 【 ２ 。 引 其 中 ，土壤 碳 吸 收 、碳 储存 和土 壤 呼 吸是 土壤 生物 化学 反应 中的重要 过 程 。 关 于土壤 呼 吸 ， 目前 国内外 的相关 研究 主要 集 中在 非城 市 区域 的森林 、草 地 、农 田和湿 地等 生态 系统 【 Ｊ而城 市 化所 引起 的土地 覆盖 变化 对土 壤呼 ４，
由 自然 土 壤 转 变 为 城 市 土 壤 后 ，土 壤 呼 吸及 其 机 制 、土壤 有机 碳 转化及 其 与相 关生 物学 指标 的关 系 方 面研 究 则更 少 【１ 。 ｊ６ ’１ 土壤 呼 吸从严 格 意义 上而 言 ，是 指未受 扰 动 的
呼吸研 究较 少 ，而对 于城 市建 成 区土壤 呼 吸 、土 壤 有 机碳 含量 、碳储 存 、碳 吸收 能力 等开展 了一些 工 作 。如 ，温 家石 等 【Ｊ 究发 现 ，在 湿 润地 区 ，城 市 ２研 ３ 建 成 区植 被 的碳 吸 收 能力 低 于 本 地 野外 森林 同面 积 的碳 吸 收能力 ，城市 建设 用地 成 为重要 的碳排 放 源 Ｌ 。城 市 内部 土地利 用类 型不 同导致 土壤 呼 吸存 ２ 在 差异 。如 ，张鸽 香等 Ｌ 对城 市公 园绿 地 的研究 表 ５ Ｊ 明 ，不 同植 被类 型 的 年 均 土 壤 呼 吸 速 率 有 显 著 差 异 ，平均 土 壤 呼吸 速 率大 小排 序 为 草坪 ＞ 疏林 ＞ 近 自然 林 。 倩等 【Ｊ 上 海植 物 园 中典 型 的人工 植 孙 ｊ对 Ｕ
一
壤 呼 吸速 率大 小 的变化 趋势 为 草 ＞ 乔 ＞ 灌 ，且 ３
种植被类型之间的土壤呼吸速率存在极显著差异 ； 对城市建成区土壤呼吸的机制也有所研究 ， 如李熙 波等 ＬＪ ３的研究 表 明 ，在 中 国亚 热带 的城 市草 坪 中 ， ｌ 土壤 呼 吸 的季 节变 化 主要受 温 度和 生物 量 的驱 动 ， 微生 物是 土壤 呼 吸 的主要 驱动 因子 。但 关 于城 市化 过程 中土 地利 用转 变前 后 土壤 呼 吸变化 ，或城 乡梯 度上 土壤 呼 吸 的差 异研 究 在 国 内还 尚属 空 白。
的加 快 引起城 市 区域 向 自然 和农业 生 态系统 蔓延 ，
１ 城 市化对 土壤 呼吸影 响研 究进展
城 市 化 引起 的土 地 利 用／ 盖 变化 在 全 球 尺度 覆 上 极大 地改 变 了城市 生态 系统 的过 程和 功能 Ｌ 】最 ８， 直 接 的影 响有地 表封 闭 、土 壤生 态功 能消 失 、土 壤 物 理 性 质 恶 化 、土 壤 污 染 加 剧 及 其 土 壤 质 量 下 降 等 。因此 ，在早 期 的研究 中 ，城市 化对 土壤 的影 响
关键词 ：城市化 ；土壤 呼吸 ；土地利用方式 ；植被类 型 ；气候 变化
中 图 分 类 号 ：Ｓ ５ １ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１７ ．９ ６（ ０ １ ２１ ４ ．５ ６ ４５ ０ ２ １ ）１ ．９ ５０
据 报道 ， 每年 因 土地利 用／ 地覆 被变 化所 释放 土
来 越深 入 和广泛 的开 展 。
的 Ｃ ２（ Ｏ 土壤 呼 吸 ）达全 球碳 释放 量 的 ２ ％，已成 ５ 为大 气 中第二 大 人为 碳源 。因此 ，研究 土地 利用 ／ 】 土 地 覆 被 方 式 变 化 所 引 起 的 土壤 呼 吸 变 化是 陆地 生态 系 统碳循 环 研究 的一 个重 要 内容 。城 市化 进程
与全 球气 候 变化 密切 相关 。土壤 呼 吸受凋 落 物质量
（ 影响凋落物的分解速率 ） 、土壤湿度 （ 控制微生物 和 根 系 的活 性 ） 、土 壤质 地 （ 响微 生 物到 达 土壤 影 底层 ，同时也影响土壤的含水量 ） Ｈ值和植物地 、ｐ 上部分向土壤输送的有机碳量等的影响 ［，］城市 ２２ｏ ６１ 化 因改 变 了 土壤 的理 化 特 性 和地 上 植 被 的 生 长 和 分 配而 影 响上述 几个 特征 ，从 而对 土壤 呼 吸产生 影 响 。研究 表 明 ，由 自然用 地 （ 如森林 用地 和 农业 用 地 ）转 变为 城市 用地 的过 程 中 ，土 壤 呼吸 、土壤 碳 库 和碳 流 可能会 发 生显 著改 变 【 ｌ ，而且 ，改 变 的大 小 和方 向与所处 地 区气 候类 型 、原 土地 利用 类 型 以 及 转变 为城 市用 地 后 的土地 利用 情况 等 有关 。 国 际 上 对 自然 土 地 转 变 为城 市用 地 后 土 壤 呼 吸变化 的研 究 是近 ２ ０年 来 随着对 气候 变 化 中碳 源 ／ 汇的研究而展开的，但多数集中在北美 ， 尤其是美 国。理论分析结合调查数据统计是最为普遍 的研究 途径 。 随着 卫 星遥 感 技 术 的发 展 以及 实 验 方 法 的 不断 提高 和模 型 开发 、应用 的逐 渐成 熟 ，利用 遥感 和模 型 方 法 来 研 究 大 尺 度 城 市 化 对 生 态 系 统 土壤 碳过 程 的影 响成 为最 有效 的手 段 。例如 ， ｃｉ ｌ Ｓｈｍｅｚ Ｌ 利用 遥感 技 术发 现 ，在 干旱 和半 干 旱地 区 ，城 市 化 引起土壤 呼吸降低。 ｒ ｄ Ｂ ｅ ＆Ｋ ｅ ｒ ｌ ｎ ｏｍｅＬｊ 利用环境等 ２ 级的方法也得出与上述相一致的结果 ， 他们对城市 乡村 土壤 呼 吸的研 究表 明 ， 沙漠 地 区城 市土壤 呼吸 低 于 乡村 ，可能 原 因是 城市 化 引起 Ｎ 的可 获得 性 增 加 ，这会 限制 细 根 的生长 ，因此 ，降低根 系 的呼 吸作用 。 Ｇ ｏ ｍａ ｌ８ 非干 旱地 区的研 究结 但 ｒｆ ｎｅａ［１ ｔ ２对
。
农业大 国碳源汇的准确估算具有重要的科学意义。 鉴 于此 ，本 文 就 当前城 市化 过程 中土壤 呼 吸的研究 状况 和影 响 因素 进行 了探 讨 ，并 提 出未来 研究 的方 向 ，以期 在 土地 利用 变 化 中土壤 呼 吸的研 究得 以越
基金 项 目 ：国家 自然科 学 基金 重点 项 目 （ ０ １０ ８ ９ ５ １０ ）
城市化对土壤 呼吸作用影 响的研究进展
侯 颖
商 丘师 范学 院生命 科 学学 院 ，河南 商 丘 ４６ ０ ７０ ０
摘要 ：土壤呼 吸是指土壤产 生 Ｃ Ｏ 的所有代谢作用 ，是碳素 由陆地生态系统进入大气 的主要途径和大气 Ｃ ２ Ｏ 的重要来 源 ， 是影 响全球碳循环 的途 径之一 ，它的变化可能会对大气 Ｃ ２ Ｏ 浓度产生显著 的影响 。城市化 的推进引起世界范 围内土地利用／ 覆盖方式 的变化 ，这种变化对土壤的理化性质 、生物学特性等产生深刻影响 ，从 而影 响土壤 的呼吸作用 。因此 ，研究城 市化
２ 城市化过程 中土壤 呼吸变化 的影响因素
土壤 呼吸是 一个 复杂 的生 物学 过 程 ，受 到多 因 素 的综合 影 响 。在 城市 化过 程 中 ，除我们 经 常讨论 的 自然 因素 （ ，温 度 、水 分 等 ） ，土地利 用类 如 外
此 ，研究 由 自然 用地 ，尤其 是农 业用 地转 变 为城 市 用地过程中，土壤的呼吸变化及其机制对我们这个
研究主要集中在土壤理化性质 、土壤生物多样性 、 重金属 、有机污染等方面 ， 探讨各种污染物质的种 类 、来源解析以及分布特征等，并取得了诸多的成 果Ｌ 】 １ 。随着气候变化及温室气体成为环境学 、 生 态学 等学 科讨 论 的热点 ，城 市化 由于强烈 的人 为活 动 对 土 壤 碳 循 环 的影 响 日渐 受 到 国 内 外学 者 的 广 泛关 注 Ｌ。２ １ ０世 纪 ９ Ｊ ０年代 初 ，Ｐ ｕａ 及 其 同事 曾 ｏｙｔ 以纽 约市 为 中心对 城 市 化过 程 中 的城市 一 村梯 度 乡 上土 壤有 机碳 以及 土壤 的 Ｃ、Ｎ 动态 进行 大量 研究 ［ －６ １ １］ ４ 随后 ，部分学者用不同方法 （ 模型模拟 、立 地 实验 ） 不 同尺 度 （ 、从 国家 、区域 、州 、城 市 ） 对城 市化 引起 的土壤 碳 流 、Ｎ循 环 以及微 生物 等 的 变化 进行 了大 量 的研 究 Ｌ－］ ｌ２ｏ近年来 ，我 国学 者在 ７１ 这方面也做过一些探讨 ，如 ，Ｈ ｅｎｅａ［１ ｕ ｌ ２研究 Ｋ ｉ ｔ ｌ２