2017, Vol. 37
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2. 江西师范大学鄱阳湖湿地与流域教育部重点实验室, 南昌 330022
2. Key Lab of Poyang Lake Wetland and Watershed Research of Ministry of Education and School of Geography and Environment, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022
碳是地球环境介质中含量最丰富的元素之一, 其中, 有机碳是全球碳库的重要组成部分, 既可以来源于自然过程(成土过程、植株残体等), 也可以来源于人类活动(化石燃料的不完全燃烧、生物体的燃烧等)(Pio et al., 2011；Putaud et al., 2010；Godec et al., 2016；Birch et al., 1996).近些年来, 受到快速城市化及土地利用类型急剧转变等人类活动的影响, 环境中有机碳含量发生了显著的空间变异, 从而影响区域和全球的碳收支平衡和碳循环过程(Grimm et al., 2008).作为生态系统碳循环研究内容之一, 环境全碳和有机碳动态及其分布特征备受关注(Wiesmeier et al., 2012；VAN Kessel et al., 2006；Jobbagy et al., 2000；Liu et al., 2014；Sulzman et al., 2005).此外, 气溶胶有机碳对气候变化、地球辐射平衡、环境质量及人体健康等也会产生重要影响(Godec et al., 2016).同时, 有机碳与环境中污染物浓度存在密切的关系, 不但可以指示环境污染物的富集, 影响环境中污染物的分布特征和迁移转化过程, 而且有机碳含量的高低可以在一定程度上指示人类活动对环境的影响(徐殿斗等, 2005；刘文杰等, 2010；凌婉婷等, 2004；王佳佳等, 2015；卢瑛等, 2004).
有研究指出, 全球城市区域仅占陆地面积的2.4%, 但却居住着世界50%的人口(Schneider et al., 2010).据预测, 2025年全球城市人口比重将达到总人口的2/3 (Brockerhoff, 2000), 这必将导致城市面积的快速扩张(Marshall, 2007).20世纪80年代以来, 随着社会经济快速发展, 我国城市用地扩张规模和城市人口发展速度也处于世界前列(刘纪远等, 2014；Seto et al., 2012；Nechyba et al., 2004).城市面积的扩张以及城市人口比重的增加, 使得城市化对城市生态系统结构和功能的影响越来越显著(Grimm et al., 2008；Kaye et al., 2005).从城市扩张与碳排放量的关系来看, 建设用地面积增加会导致强烈的碳排放, 使城市生态系统的碳储量不断增加(Kaye et al., 2005；朱超等, 2012), 导致城市地区表现出较高的碳储量和空间变异性(Vasenev et al., 2014).因此, 综合评估快速城市化过程对有机碳储量及分布特征的影响十分必要.但从目前有机碳的研究来看, 大多侧重于城市土壤(Liu et al., 2011；Naizheng et al., 2012；章明奎等, 2006；孙艳丽等, 2009；柳云龙等, 2011；张小萌等, 2016), 而对于城市有积碳主要储存库的其它两个方面--灰尘及水系沉积物有机碳含量的研究相对较少.
本文基于1983-2014年6期Landsat遥感影像, 分析了南昌市近30年来的土地利用变化特征, 并对比了南昌市土壤、灰尘及湖相沉积物有机碳含量的空间差异, 通过多介质有机碳含量的变化来表征快速城市化进程中环境的变化, 以此来探讨快速城市化过程对环境的影响.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区概况南昌市地处江西省中北部, 位于115°27′~116°35′E、28°10′~ 29°11′N之间.地貌以平原为主, 东南相对平坦, 西北丘陵起伏, 区内水网密布, 湖泊众多.气候属亚热带湿润季风气候, 年平均气温17.0~17.7 ℃, 年降水量1600~1700 mm.南昌市是中国唯一1个毗邻长江三角洲、珠江三角洲和闽南金三角的省会城市.近几十年来, 随着经济的快速发展, 该地区土地利用变化剧烈, 尤其是城市用地面积的快速增加, 对城市生态系统产生了深刻的影响(张利等, 2011；左丽君等, 2007).
2.2 土地利用数据来源及处理本研究基于1983、1995、2000、2005、2010和2014年6期Landsat遥感影像数据, 结合研究区的土地利用特点, 参照国家基本资源与环境本底动态遥感调查数据库的分类体系, 将土地利用类型划分为耕地、林地、草地、城乡居民点和工矿用地、水域和未利用地6大类(韩会然等, 2015).采取人机交互的方式进行解译, 借助谷歌地球进行检查修正, 并在野外采样的基础上, 进行精度验证, 其综合评价精度达到95.1%.
此外, 基于南昌市6期土地利用矢量数据, 分析了南昌市土地利用动态度特征, 揭示了30多年来该地区土地利用的时空变化特征.单一土地利用类型动态度表达的是某研究区一定时间范围内某种土地利用类型的数量变化情况, 其计算公式见式(1).
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(1) |
式中, K为单一土地利用动态度, t2-t1为时间间隔, U1为区域内某一土地利用类型的初始面积；U2为该土地利用类型的监测期面积, U2-U1为研究时段内该类土地面积的变化.
2.3 有机质样品采集、处理及分析样品采集：采集南昌市不同介质(土壤、灰尘和城市内湖沉积物)样品.土壤样品主要沿着城市主干道从市中心向郊区延伸采集, 每公里设置1个采样点, 采集道路两侧表层(0~20 cm)土壤样品, 每个样品设置3个重复, 共采集39个样品；地表灰尘样品按照不同季节(夏季和冬季)选择晴好天气采集, 采样点随机设置在不透水地面使用塑料扫帚收集, 共采集104个样品；沉积物样品选择在距离市中心不同距离的4个城市内湖中采集(城市中心向外分别为东湖、青山湖、艾溪湖、瑶湖), 采集深度为10 cm, 其中东湖采集沉积物样品4个, 青山湖采集样品4个, 艾溪湖采集样品6个、瑶湖采集样品6个.采样点均采用手持GPS定位(图 2).
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| 图 2 南昌市城市扩张与采样点分布示意图 Fig. 2 Spatial distribution of urban expansion (from 1983 to 2014) and sample points in Nanchang |
样品处理：土壤、灰尘、沉积物自然风干后, 过20目尼龙网筛去除枯枝落叶等杂质, 用玻璃柱将土壤及沉积物进行碾压, 进而用玛瑙研钵研磨至过100目尼龙筛, 将重复样品充分混合, 从而测定其有机碳含量.
测试分析：所有样品中的有机碳含量均采用重铬酸钾-外加热容量法(油浴)测定土壤有机碳含量(鲁如坤, 2000), 为确保实验结果的准确性, 每个样品进行3个重复, 并利用标准物质(GSS-2a, GSS-3a)进行监测.
3 结果与分析(Results and discussion) 3.1 1983-2014年南昌市城市扩张格局1983-2014年南昌市城市土地利用变化见图 1和表 1, 南昌市城市扩张情况见图 2.
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| 图 1 南昌市1983-2014年土地利用变化图 Fig. 1 Land use change of Nanchang during 1983-2014 |
| 表 1 南昌市1983-2014年土地利用变化特征 Table 1 Land use change of Nanchang during 1983-2014 |
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由图 1~2、表 1可以看出, 1983-2014年间, 南昌市土地利用空间格局出现较大变化.其主要特征为：南昌市土地利用结构以耕地、林地、水域及城乡居民点和工矿用地为主.在1983年, 4种土地利用类型的面积所占比重分别为54.55%、16.39%、22.11%、4.06%；到2014年, 4种土地利用类型的面积所占比重分别为45.74%、13.30%、20.01%、14.39%.耕地、林地、水域面积都有明显的减少, 而城乡居民点和工矿用地比重则出现大幅度增加, 表明30多年间南昌市的城市化过程加快, 城市用地面积在急剧增加.
近30年来, 南昌市城市扩张呈现以市中心向周边扩张的边缘扩张模式, 扩张总量显著, 城乡居民点和工矿用地面积比例由1983年的4.06%迅速上升到2014年的14.39%.从扩张速度来看, 表现为两个低速增长阶段(1983-2000年、2005-2014年)和一个高速增长阶段(2000-2005年).1983年南昌市城乡居民点和工矿用地面积为300.81 km2, 2000年城乡居民点和工矿用地面积也仅为420.11 km2, 17年仅扩张119.30 km2, 年均增加7.02 km2, 年土地利用动态度为2.33%.2000年以后城乡居民点和工矿用地扩张速度和强度不断增加, 特别是在2000-2005年, 南昌市城区面积急剧扩张, 年土地利用动态度达到17.13%.2000-2014年间, 南昌市城区扩张面积达646.21 km2, 年均增加46.16 km2, 年土地利用动态度为10.99%, 比2000年前有很大幅度的增加.
3.2 南昌市不同环境介质有机碳含量特征表 2是南昌市不同环境介质有机碳含量情况.从表中可以看出, 土壤、灰尘和湖相沉积物的有机碳含量差异显著.有机碳含量最小值和最大值分别出现在湖相沉积物和土壤中；土壤中的标准差最大为12.61 g·kg-1, 湖相沉积物的标准差最小为8.44 g·kg-1；有机碳空间变异程度由大到小依次为湖相沉积物、土壤和灰尘, 变异系数分别为0.57、0.50、0.37, 表明土壤与湖相沉积物有机碳存在更明显的空间异质性.
| 表 2 南昌市不同环境介质有机碳含量 Table 2 Organic carbon content in different environmental media of Nanchang |
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与江西省土壤有机碳背景值相比, 南昌市各环境介质(土壤、灰尘及湖相沉积物)有机碳含量均处于较高水平, 分别是土壤背景值的10倍、11倍、6倍多, 表明南昌市环境中有机碳在很大程度上受到人类活动的影响.与上海、杭州、开封以及乌鲁木齐等城市相比, 南昌市有机碳含量明显高于上海市(11.91 g·kg-1), 但低于乌鲁木齐市(33.05 g·kg-1).
3.3 南昌市快速城市化对环境多介质有机碳含量的影响 3.3.1 土壤有机碳含量及空间分布图 3显示的是土壤有机碳在4条主干道的空间分布, 从图中可以发现, 城区4条主干道路土壤有机碳平均含量为27.51 g·kg-1, 均处于较高水平, 明显高于江西省背景值, 且在样品处理时已将石砾、杂质等外界因素影响控制到较低水平, 因此土壤颗粒对有机质的直接吸附可能是有机质含量水平较高的最主要原因(吴绽蕾等, 2013).由此说明, 土壤来源及其物质组成具有多元性特点, 受人为因素影响较大.
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| 图 3 城市主干道土壤有机碳水平分布 Fig. 3 Horizontal distribution of soil organic carbon in the main trunk roadsides |
南京路土壤有机碳含量明显高于其它道路, 可能是受到人口相对密集, 生活垃圾的混入以及机动车尾气的排放等人类活动等影响较大.此外, 道路土壤有机碳含量空间分布差异较大, 市区土壤有机碳含量明显高于郊区土壤, 其分布总体呈现出从市中心沿道路向郊区阶梯式递变的规律, 表明城市化过程对土壤有机碳有明显的富集作用.北京路采样点起于八一广场(市中心), 连接紫阳大道一直延伸至瑶湖(郊区), 是采样区中最长的一条道路, 可以较好的表现出市中心-郊区的有机碳分布格局.南京路和解放路的土壤有机碳含量也表现出明显的由市中心向郊区降低的趋势.而井冈山大道的土壤有机碳含量却呈现出由市中心向郊区上升的趋势, 可能是由于采样点全部分布在老城区(1983年前建成区)(图 2).
研究结果表明, 城市土壤中有机碳含量总体上随着距市中心距离的增加呈现显著下降的趋势, 这与前人研究结果一致(Liu et al., 2011；Naizheng et al., 2012；章明奎等, 2006；张小萌等, 2016；罗上华等, 2012；王秋兵等, 2009), 表明有机碳不同程度的富集恰好与城市建设用地面积迅速扩大的现象耦合.城市是一种特殊的生态系统, 受人为活动影响异常强烈, 但这种影响在城市发展的不同阶段有很大的差异.在城市扩张初期, 由于城市基础设施建设的需要, 土壤遭受较高强度的人为扰动, 土壤有机碳含量低于后期(刘兆云等, 2010).总之, 城市扩张速度快, 城市作为“碳源”为环境源源的不断输入有机碳, 且城市化强度的差异导致土壤有机碳呈现出明显的空间异质性.
3.3.2 灰尘有机碳含量及分布市区道路灰尘有机碳平均含量季节差异较大, 冬季普遍高于夏季(表 3).南昌市不同时期建成区道路灰尘冬季有机碳平均含量大小表现为：1983年前建成区(36.06 g·kg-1)＞1983-2000年建成区(31.67 g·kg-1)＞2000-2005年建成区(28.52 g·kg-1)＞2005-2014年建成区(24.59 g·kg-1), 其中1983年前建成区是2005-2014年建成区的1.5倍；夏季有机碳平均含量大小表现为1983年前建成区(27.84 g·kg-1)＞1983-2000年建成区(22.93 g·kg-1)＞2000-2005年建成区(20.65 g·kg-1)＞2005-2014年建成区(19.53 g·kg-1), 其中1983年前建成区是2005-2014年建成区的1.4倍, 与冬季相比相对较小.
| 表 3 南昌市夏、冬季道路灰尘有机碳含量及分布 Table 3 Content and distribution of organic carbon in the road dusts in summer and winter |
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目前对城市道路灰尘的研究大多集中在重金属富集及其健康风险评价方面(Edvardsson et al., 2009；Faiz et al., 2009；唐荣莉等, 2012；李如忠等, 2011；常静等, 2009), 而关于有机碳的研究相对较少, 本文通过对不同季节及不同位置的道路灰尘有机碳含量的对比分析得出：道路灰尘有机碳含量在冬季普遍高于夏季, 在空间上大致表现为由老城区向新建城区逐渐减少的趋势.不同时期建成区之间道路灰尘有机碳含量差异显著, 表明城市扩张是影响南昌城市道路灰尘有机碳空间分布的重要因素之一.
3.3.3 湖相沉积物有机碳含量分布特征分别对南昌市东湖、青山湖、艾溪湖以及瑶湖4个城市内湖沉积物有机碳含量进行对比分析发现, 其有机碳含量均值分别为: 25.08、20.99、5.03、13.11 g·kg-1, 即东湖>青山湖>瑶湖>艾溪湖.湖相沉积物是湖盆在自然与人类作用下各圈层相互作用的产物和信息库(金章东, 2011), 自然环境变化和人类活动在很大程度上影响着湖泊沉积记录(张振克等, 2000; 王苏民等, 1999), 而在城市这一复杂生态系统中, 人类活动的影响要远远大于自然环境变化, 南昌市内湖沉积物有机碳含量基本上表现为由市区向郊区降低的趋势(图 4), 这与南昌市城市化进程较为吻合.值得注意的是, 艾溪湖表层沉积物含量在4个内湖中含量最低, 可能是由于艾溪湖在2007年经过环境整治, 人类活动严重扰动了沉积物的原始状态, 从而导致艾溪湖表层沉积物有机碳含量较低.
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| 图 4 湖相沉积物有机碳含量示意图 Fig. 4 Organic carbon content in the lake sediments |
综合以上分析, 快速城市化过程对环境多介质(灰尘、土壤和内湖沉积物)有着显著的影响, 多介质有机碳沿着城市扩张方向呈现显著的下降趋势, 这似乎与城市环境污染物的分布规律一致(唐荣莉等, 2013；柳云龙等, 2012；孙宗斌等, 2014).以往研究表明, 环境中多介质有机碳含量与污染物浓度密切相关, 环境介质中有机碳可以影响污染物的形态、溶解性和移动性, 从而影响污染物的生物有效性(Todorova et al., 2016), 且有机碳含量是影响污染物含量及其分布的重要因素(李飞等, 2014), 这些都表明环境有机碳可以作为有效的指示物, 有效地反映城市化过程及人类活动对环境的影响.
4 结论(Conclusions)1) 1983-2014年间, 南昌市的城区不断扩张, 城市扩张呈现为以市区为中心向周边扩张的边缘扩张模式, 扩张总量显著.但在扩张速度上存在差异, 表现为1983-2000年和2005-2014年的低速扩张阶段以及2000-2005年的快速扩张阶段.
2) 南昌市城市土壤、灰尘、湖相沉积物有机碳含量都处于较高水平, 表明有机碳在很大程度上可能受到人类活动的影响, 其中土壤及湖相沉积物有机碳存在更明显的空间异质性, 各介质有机碳含量均值均远高于江西省土壤有机碳背景值.与其它城市相比, 南昌市土壤有机碳处于中等水平.
3) 城市扩张对南昌市有机碳的分布影响显著, 城区表层土壤、道路灰尘、湖相沉积物的有机碳分布均呈现出明显的富集和空间异质性, 且分布总体呈现出从城区向郊区逐渐降低的态势.各介质有机碳的富集与城市建设用地面积迅速扩张的现象耦合, 表明环境有机碳可以作为有效指示物, 反映城市化过程及人类活动对环境的影响.
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