2024, Vol. 45
2. 浙江农林大学省部共建亚热带森林培育国家重点实验室, 杭州 311300;
3. 江西省森林培育重点实验室, 南昌 330045
, CAI Chang-yong-ming1,3 , ZHONG Jia-lin1,2,3 , HUANG Fei1,3 , LI Xin1,3 , LI Xin-yan1,3 , LIU Wei1,2,3 , WANG Qiong1,2,3
2. State Key Laboratory of Subtropical Silviculture, Zhejiang A&F University, Hangzhou 311300, China;
3. Jiangxi Provincial Key Laboratory of Forest Cultivation, Nanchang 330045, China
城市化是人类发展的必然趋势, 也是不可避免的全球进程.有研究表明[1], 全球陆地总面积中城市面积占比不足4%, 却居住着超过50%的全球人口, 并且城市面积仍在持续快速扩张.我国正进入高速城市化时期, 经济的快速发展带来的是空前规模的城市用地扩张及城市人口膨胀[2].快速的城市化使城市原本的土地覆盖类型不断被工业建筑用地以及人工景观所取代, 土壤表面逐渐被硬化封实, 强烈的人为干扰（踩踏、客土填埋、杂质入侵）引起土壤普遍板结、自然层次紊乱和结构变差.严重退化的城市土壤结构对土壤通气状况、水土保持及养分循环均存在不良影响[3].因此, 深入探索和理解城市化背景下绿地土壤结构特征变化是促进城市绿地生态系统健康和可持续发展的关键问题之一.
土壤团聚体是构成土壤结构的基本单元, 是土壤颗粒通过有机质胶结而成的团块, 在维持土壤肥力与土地生产力上起着重要作用[4].其粒径组成与稳定性是衡量土壤结构的重要评价指标, 影响着土壤孔隙度、抗侵蚀能力和营养元素循环, 是土壤水肥保持和供给功能的重要基础[5].同时, 团聚体也是储存土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）的主要场所, 约有90% 的SOC储存于土壤团聚体[6].作为土壤中重要的胶结物质, SOC参与土壤物理、化学和生物过程, 是土壤养分的重要组成部分[7].近年来, 大量研究证实, 土壤团聚体稳定性与SOC含量呈显著正相关关系[8 ~ 10].一方面, 土壤团聚体的形成可以保护SOC, 减弱微生物的分解矿化作用；另一方面, SOC能够吸附黏土形成稳定的有机质-黏土复合体.这种复合体可以作为连接黏土颗粒的桥梁, 有助于团聚体的形成[11].目前, 土壤团聚体结构相关的研究主要集中在森林、草原和农田等生态系统[12 ~ 15], 对城市绿地土壤团聚体的稳定性和结构特征的研究相对较少. 土壤团聚体的形成及SOC含量受多种因素影响（包括植被、土壤性质、人为干扰和气候等）, 在不同生态系统中其驱动机制差异较大[16, 17]. Zhang等[18]和Jiang等[19]在研究中表明土地利用变化会使土壤团聚体结构及功能发生较大改变。相较于自然环境, 城市生态系统受人为干扰影响严重, 土地利用变化显著.改善土壤结构、提高SOC含量是维持土壤生态平衡, 缓解土壤退化的重要途径之一[20], 对城市土壤生态环境改善和可持续发展具有重要意义.因此, 在土壤团聚体尺度上, 探讨城市化过程中土壤团聚体稳定性及其SOC含量的变化及驱动机制十分必要.
南昌作为江西省的省会城市, 是长江中游城市群的重要组成部分.自1995~2020年, 南昌城市化发展迅速, 建设用地显著扩张[21].受气候影响, 南昌市主要土壤类型为红壤, 其特点为酸、瘦、黏, 极易受人为干扰而造成土壤孔隙度降低、有机质缺乏等不利影响[22].由于密集的城市活动, 南昌大部分土壤已经严重退化[23].Chen等[24]发现城市固体废弃物中的磷元素会加剧SOC矿化, 有降低南昌城市绿地中SOC稳定性的风险, 而关于南昌城市化对土壤团聚体稳定性的研究则鲜见报道.基于此, 本文以南昌市建成区不同城市化强度的绿地土壤作为研究对象, 通过探究城市化背景下土壤团聚体稳定性和SOC变化特征及其驱动因素, 为城市绿地土壤质量提升提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于江西省南昌市, 地处中国华东地区江西省北部（28°09′~29°11′N, 115°27′~116°35′E）, 平均海拔约30 m, 属于典型的亚热带季风气候, 阳光充足、四季分明、雨水充沛, 总面积为7 159 km2.不同土地利用方式中, 植被覆盖面积占南昌市总面积的63.37%；不透水面为第二大用地类型, 面积为1 553.68 km2；水体与裸地占比分布为13.08%与2.63%[25].
1.2 实验设计与样品采集本文以南昌市建成区（505 km2）为研究区域, 根据城市化强度指标采用网格法均匀布设样地, 详细的取样点信息可参照文献[23, 26].首先采用光谱混合分析方法对Landsat-8影像进行分类以获得不透水面的空间分布, 将研究区划分为100 m×100 m的网格并计算每一个网格的不透水面面积（impervious surface area, ISA）, 根据不透水率大小划分为低（ISA < 50%）、中（50%≤ISA < 80%）和高（ISA≥80%）这3个梯度等级[23, 27].在不同城市化区域共布设184个绿地样方（400 m2）, 样地之间至少间隔1 km.同时, 为减少植物种类引起的误差, 选择以香樟（Cinnamomum camphora）为优势种的样地采集样品.
采样时间为2020年5~7月, 在研究区每个样方均匀布设5个采样点, 使用环刀（100 cm3）采集0~20 cm土壤样品, 将每个样方5份土壤混合后立即称量鲜重, 带回实验室风干至恒重并记录.去除杂质（植物根系、石块、塑料和凋落物等）后将土样分为两份, 一份用于测定土壤理化性质, 另一份用于分离土壤团聚体组分.
1.3 植被调查与理化性质测定野外采样时, 记录400 m2样地内的植物信息作为地上植被因子, 包括乔木种类和数量、草本植物种类及盖度等.通过以上数据用来计算Shannon多样性指数（Shannon diversity index, SHDI）、草本植物盖度（herb coverage, HC）及草本植物丰富度（herb richness, HR）, 同时测定树高（tree height, TH）、胸径（diameter at breast height, DBH）、冠幅（crown diameter, CD）（表 1）.
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表 1 不同城市化强度绿地植被特征1） Table 1 Vegetation characteristics of greenspace in different urbanization intensities |
土壤理化性质均参考鲍士旦[28]的测定方法.土壤全氮（total nitrogen, TN）采用凯氏定氮法测定；全磷（total phosphorus, TP）采用氢氧化钠-钼锑抗比色法测定；土壤容重（bulk density, BD）为土壤干重与土壤体积的比值；土壤pH采用土水比为1∶2.5电位法测定；土壤含水率（moisture content, MC）采用105℃烘干法.测定结果如表 2所示.
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表 2 不同城市化强度绿地土壤理化性质1） Table 2 Soil physicochemical properties of greenspace in different urbanization intensities |
1.4 土壤水稳性团聚体与SOC测定及稳定性指数计算
土壤团聚体分离采用湿筛法[29], 称取100 g风干土壤样品湿筛分离为 > 2、1~2、0.25~1、0.053~0.25和 < 0.053 mm这5个团聚体粒级[30].将收集到的各个粒径团聚体磨细, 过0.149 mm的细筛后用于SOC含量测定, 采用鲍士旦[28]提出的重铬酸钾外加热法测定.土壤团聚体稳定性采用几何平均直径（geometric mean diameter, GMD）、平均重量直径（mean weight diameter, MWD）、分形维数（fractal dimension, D）以及不稳定团粒指数（unstable aggregate index, ELT）这4个指标来表征, 计算公式如下[31, 32]：
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式中, xi为i粒径团聚体的平均直径（mm）；ωi为i粒径团聚体的质量分数（%）；W（δ < di）为土粒直径小于di累计的质量（g）；W0为土壤各粒级质量的总和（g）；Wr > 0.25表示湿筛后 > 0.25 mm粒径团聚体质量总和（g）；dmax为最大粒级土粒的平均直径（mm）.
1.5 数据处理对数据进行正态分布检验后, 采用SPSS 26.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA）, Duncan法进行多重比较（P < 0.05）, Pearson检验进行相关性分析.采用Canoco 5.0软件进行冗余分析（redundancy analysis, RDA）和方差分解分析（variation partitioning analysis, VPA）.此外, 采用SPSS Amos Graphics（IBM, Armonk, NY）运行结构方程模型（structural equation model, SEM）探讨城市化与各因子间的直接或间接作用机制.运用Origin 2018和ArcGIS 10.0软件绘图.
2 结果与分析 2.1 不同城市化强度土壤团聚体粒级分布和稳定性特征不同城市化强度对土壤团聚体所占质量分数的影响差异如图 1所示.低城市化区域0.053~0.25 mm团聚体质量分数显著低于中、高城市化区域（P < 0.05）, 而 > 2、1~2、0.25~1和 < 0.053 mm团聚体随着城市化强度的增加质量分数无显著性差异（P > 0.05）.其中, 0.25~1 mm团聚体质量分数最高（40%~44%）, 显著高于其他粒级；其次为0.053~0.25 mm与 < 0.053 mm团聚体质量分数（16%~21%）；> 2 mm与1~2 mm团聚体质量分数最低（8%~12%）, 显著低于其他粒级（P < 0.05）.
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不同大写字母表示相同城市化程度不同土壤团聚体质量分数间存在显著差异（P < 0.05）, 不同小写字母表示不同城市化程度相同土壤团聚体质量分数间存在显著差异（P < 0.05） 图 1 不同城市化强度土壤团聚体质量分数分布 Fig. 1 Mass fraction distribution of soil aggregate in different urbanization intensities |
不同城市化强度土壤团聚体稳定性差异如表 3所示.MWD和GMD均在低城市化强度区域最高, 而D和ELT指标均在低城市化强度区域最低, 但无显著差异（P > 0.05）.
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表 3 不同城市化强度土壤团聚体稳定性1） Table 3 Soil aggregate stabilities in different urbanization intensities |
2.2 不同城市化强度土壤团聚体SOC含量分布特征
土壤团聚体中SOC含量分布如图 2所示.在低城市化区域中, > 2、1~2、0.25~1和0.053~0.25 mm这4个粒级中SOC含量显著高于中、高城市化区域, 从大到小分别高出高城市化区域38.84%、30.84%、26.77%和38.69%（P < 0.05）.在中、低城市化区域中, > 0.25 mm的3个大团聚体粒级中SOC含量显著高于 < 0.25 mm的2个微团聚体粒级（P < 0.05）；在高城市化区域中1~2 mm和0.25~1 mm团聚体中ω（SOC）最高值分别为15.93 g·kg-1和17.22 g·kg-1, 显著高于 < 0.053 mm团聚体SOC含量（P < 0.05）.整体上, 随着城市化强度增加, 土壤团聚体SOC含量下降.
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不同大写字母表示相同城市化程度不同土壤团聚体SOC含量存在显著差异（P < 0.05）, 不同小写字母表示不同城市化程度相同土壤团聚体SOC含量存在显著差异（P < 0.05） 图 2 不同城市化强度土壤团聚体SOC含量 Fig. 2 SOC contents of soil aggregates in different urbanization intensities |
在城市化过程中, 地上植被和土壤理化性质皆对团聚体质量分数、稳定性和SOC积累产生影响.图 3（a）为理化性质、植被特征与各团聚体质量分数和稳定性的RDA结果.从中可知, 环境因子共解释研究区土壤团聚体各组分含量及稳定性的20.09%.TN、SHDI、CD、HR、TH和DBH皆与GMD、MWD和1~2 mm及 > 2 mm团聚体质量分数呈正相关关系, 并且在低城市化区域表现更突出, 而BD和pH则相反.BD和pH与0.053~0.25 mm及0.25~1 mm团聚体质量分数以及ELT正相关.MC与D和 < 0.053 mm团聚体质量分数呈正相关关系.TN、MC和CD是影响土壤团聚体稳定性的主要环境因子, 分别解释了土壤团聚体差异的4.5%、2.5%和3.9%.此外, VPA进一步表明, 土壤理化性质对团聚体结构特征的影响更大（33.9%）.
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*表示P < 0.05, **表示P < 0.01 图 3 环境因子与土壤团聚体组分、稳定性以及团聚体中SOC的RDA和VPA结果 Fig. 3 RDA and VPA results for environmental factors and soil aggregate fractions, stability and SOC in aggregates |
而环境因子与团聚体SOC的相关关系如图 3（b）所示, 土壤性质和植被特征共解释团聚体SOC含量的46.89%. TN、TP、TH和HR与各团聚体SOC含量为正相关关系, BD和MC则相反, 为负相关关系, 其中TN可以解释团聚体SOC含量差异的39.1%, 是影响团聚体SOC的关键因素. 0.053~0.25 mm SOC含量在低城市化区域更高.方差分解分析的结果与图 3（a）相似, 土壤理化性质对团聚体SOC含量变化影响更大（82.3%）.
2.4 团聚体SOC与土壤团聚体稳定性的相关关系表 4为土壤团聚体SOC含量与团聚体稳定性指标的相关关系.MWD与0.053~0.25 mm和 < 0.053 mm粒径中SOC含量成极显著正相关关系（P < 0.01）；GMD与 > 2、0.053~0.25和 < 0.053 mm粒径中SOC含量呈极显著正相关（P < 0.01）, 与1~2 mm SOC含量显著正相关（P < 0.05）.而D则与 > 2、1~2以及 < 0.053 mm粒径中SOC含量极显著负相关（P < 0.01）；ELT与0.053~0.25 mm粒径中SOC含量极显著负相关（P < 0.01）, 与 < 0.053 mm粒径中SOC含量显著负相关（P < 0.05）.
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表 4 土壤团聚体SOC含量与稳定性的相关关系1） Table 4 Correlations between SOC contents and stabilities in soil aggregates |
为深入探讨城市化强度、环境因子、团聚体稳定性以及团聚体SOC含量之间复杂的耦合关系, 本文运用SEM对上述因子的相互作用机制进行分析.由图 4可知, 较高的城市化强度可以通过影响土壤性质变化间接引起土壤团聚体SOC含量降低（-0.42×0.47×0.14 = -0.03）.而更高的植被特征（HR、SHDI、TH、DBH和CD）则截然相反, 不仅能直接（0.23）提高土壤团聚体稳定性, 还能够通过提高团聚体SOC含量或改变土壤性质（提高TN和TP、降低MC和BD）间接提高团聚体稳定性, 路径系数分别为0.01（0.19×0.47×0.14）和0.02（0.15×0.14）.
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黑色实线箭头表示正向影响, 红色虚线箭头表示负向影响, 线粗细对应路径系数绝对值大小；*表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001 图 4 结构方程模型 Fig. 4 Structural equation model |
土壤各粒级团聚体质量分数及团聚体中SOC含量均显著受到城市化强度的影响.随着城市化强度的增加, 微团聚体中0.053~0.25 mm粒径的质量分数显著增加.这与前人研究结果基本一致, 表明城市化会破坏土壤团粒结构, 对土壤物理性质产生不利影响[33, 34].城市化过程中土地受踩踏和碾压的影响, 使土壤颗粒之间的连接破裂, 加剧了微团聚体的形成[35].此外, 地上植被覆盖的减少也是高城市化区域微团聚体（0.053~0.25 mm）质量增加的重要因素[36], 暴露的土壤容易受到水力作用和风力侵蚀, 进一步破坏团聚体的完整性[37].然而, 由于城市生态系统复杂多变的特性以及环境气候等存在高度的空间异质性[38], 干扰因素较多, 导致团聚体稳定性指标在不同城市化区域并无显著性差异.
此外, 城市化不仅改变了团聚体的粒径分布, 也使团聚体与SOC的结合发生变化.与本研究相似, Luo等[39]研究也表明城市化进程会造成SOC的损失.在城市绿地中, 建筑道路等人工覆盖物表面通常缺乏有机质的积累, 无法提供SOC的来源, 不透水面的增加使土壤密封, 形成了很多碳损失的热点区域, 并且凋落物输入减少及城区温度增加等因素都会加剧碳的分解速率, 最终导致团聚体SOC降低[40].同时, > 0.25 mm大团聚体在城市中的SOC含量均高于微团聚体, 这表明被大团聚体物理保护的碳在SOC的积累中起到了关键作用[41].因此, 促进土壤大团聚体形成, 缓解SOC流失是城市生态系统健康和可持续发展的重要举措.
3.2 城市化过程中环境因子、土壤团聚体稳定性及团聚体SOC的关系团聚体与土壤性质和植被生长状况有着密切联系[42].VPA表明土壤理化性质是影响团聚体稳定性和团聚体SOC的主导因素. TN能够明显促进土壤大团聚体的形成, 同时也能够提升团聚体中SOC的含量.TP同样与团聚体SOC显著正相关.这是因为它们参与土壤微生物活动和有机物质分解过程[43].氮、磷作为微生物生长和代谢的关键营养元素, 提供了充足的营养供给, 促进了土壤微生物的繁殖和活动.微生物通过分解作用可以将复杂的有机物质降解转化为简单的有机分子增加土壤中可利用SOC, 这些碳可以被团聚体吸附和稳定, 进而促进团聚体SOC的形成和储存[44].然而, 较大的BD则会对团聚体稳定性和SOC固持起负面作用. BD增加会降低团聚体对SOC的储存能力, 使土壤颗粒之间的胶结物质破碎, 破坏团聚体的结构, 使其更容易分散和破裂[45].土壤含水率同样是影响团聚体稳定性的重要因素. Li等[46]在研究中表明土壤中大团聚体含量随MC的增加而逐渐降低.本文得出的结论与其相似, MC与D和 < 0.053 mm团聚体呈正相关, 不利于团聚体的稳定.水流冲刷会破坏土壤团聚体的结构, 使土壤颗粒分散和流失, 减弱土壤的团聚作用和稳定性[26].
地上植被特征对团聚体稳定性和SOC含量的影响同样十分重要. Zhang等[47]表明植物生物量的提高能够促进土壤团粒结构形成和稳定性增加, 本文中RDA结果与其一致.较大的CD、TH和DBH通常意味着更多生物量的积累, 伴随着更发达和深入的根系系统, 植被的覆盖以及较多凋落物的输入可以为地表提供覆盖层和有机质, 并且能改善土壤质量[37, 48], 保护土壤团聚体免受侵蚀和破坏.而且, 凋落物的分解还能够转化为有机质, 提高土壤团聚体SOC含量, 增加土壤粘结和团聚能力[12, 49].更高的植物丰富度意味着丰富的植物种类分布, 不同植物根系的生物物理特性存在差异, 可以形成多种类型的土壤孔隙结构和团聚体.但由于城市中的绿化空间通常被精心规划和管理, 树种的选择常受到空间限制、人为选择、美观性和抗逆性等因素的影响[50].此外, 城市中的树木也经常受到人为修剪和管理, 凋落物的积累和保留可能会受到限制.因此, 城市绿地植被对土壤团聚体稳定性和碳固持的影响贡献小于土壤性质发挥的作用.
4 结论（1）随着城市化强度增强, > 0.053 mm各粒级土壤团聚体SOC含量均呈显著下降趋势.城市化的发展使土壤理化性质下降（TN和TP降低, BD升高）, 间接引起团聚体SOC含量降低.
（2）SOC作为一种胶结物质对团聚体稳定性有显著的正向影响.因此, 团聚体SOC的流失会使团聚体稳定性面临下降的风险.
（3）地上植被（较高的TH、CD、多样性指数）能够缓解城市化产生的负面影响, 可以直接或通过改善土壤理化性质（提高TN和TP, 降低BD）间接促进团聚体SOC积累, 维持团聚体稳定性, 但其发挥的作用小于土壤理化性质.
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