城市化与土地覆盖类型对绿地土壤碳氮库的交互影响：基于有机质组分的研究

《Journal of Environmental Management》：Interactive effects of urbanness and land cover types on soil carbon and nitrogen pools in green spaces

本研究针对城市化进程中绿地土壤碳(C)氮(N)储存机制不清的问题，通过分析大曼彻斯特区不同城市化梯度下林地、草地及过渡带的土壤有机质组分，发现城市化程度与土壤C、N浓度呈正相关，且颗粒有机质(POM)在城市化区域比例更高。研究揭示了植物多样性通过调控有机质组分影响碳氮储存的路径，为优化城市绿地管理以实现碳中和目标提供了科学依据。

　　

随着全球城市化进程的加速，城市绿地作为重要的生态系统服务载体，其土壤碳(C)氮(N)储存功能日益受到关注。然而，城市化进程和土地覆盖变化如何影响土壤关键碳氮库及有机质组分的分布规律尚不明确，这直接制约了城市环境优化管理策略的制定。传统观点认为城市化会导致土壤碳氮流失，但近年研究发现城市环境中的高温、高CO₂浓度等特殊条件可能产生相反效应。在这一背景下，曼彻斯特大学的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表了题为"Interactive effects of urbanness and land cover types on soil carbon and nitrogen pools in green spaces"的研究论文，系统揭示了城市化与土地覆盖类型对绿地土壤碳氮库的交互影响机制。

研究团队采用多学科交叉方法，重点运用了城市化梯度设计、土壤有机质物理分组技术和多元统计分析等关键技术。通过结合人口密度、天空可视因子和土地覆盖数据构建综合城市化指数，在曼彻斯特大都会区选取6个代表不同城市化程度的绿地作为研究样点。采用超声波分散-湿筛法将土壤有机质(SOM)分离为颗粒有机质(POM)和矿物结合有机质(MAOM)两个关键组分，并利用元素分析仪测定各组分碳氮含量。通过线性混合效应模型和主成分分析(PCA)等统计方法，解析了城市化程度、土地覆盖类型与土壤碳氮储存的复杂关系。

研究结果部分，首先通过土壤性质与植物群落调查发现，城市化程度最高的Ladybarn公园(LB)具有最高的木本植物多样性但最低的草本多样性，而最乡村的Lyme公园(LM)则呈现相反模式。质量百分比数据显示，城市绿地中POM比例普遍高于MAOM，表明城市土壤有机质更易分解。

在城市化与土壤碳氮浓度关联分析中，研究发现随着城市化程度增加，三种土地覆盖类型下的土壤碳氮浓度均呈现上升趋势，其中林地和过渡带的响应尤为显著。具体而言，林地土壤碳浓度随城市化程度增加而上升148%(R²=0.58)，过渡带也呈现类似规律，而草地的响应相对较弱。

关于土地覆盖类型与城市化的交互效应，模型分析显示二者对土壤碳(F=8.93)和氮(F=12.1)浓度存在显著交互作用。与草地相比，城市化程度每增加一个单位，过渡带和林地的土壤碳浓度分别增加89%和86%。值得注意的是，在最低城市化水平下，林地和过渡带的碳氮浓度显著低于草地，凸显了城市化程度对不同土地覆盖类型碳氮储存能力的调节作用。

土壤有机质组分分析揭示了更深层的机制。虽然城市化与土地覆盖类型的交互作用对POM-C/MAOM-C比值的直接影响不显著，但土壤pH成为关键驱动因子(P=0.011)。在草地中，POM-C/MAOM-C比值随城市化程度增加呈上升趋势(P=0.076)，表明城市环境下草地土壤碳向更易分解的POM组分富集。对于氮素而言，城市化与土地覆盖类型的交互作用对POM-N/MAOM-N比值影响显著(F=2.64)，进一步证实了土地利用方式对氮素稳定化路径的调控作用。

主成分分析(PCA)结果显示，前两个主成分累计解释了87%的变异，其中MAOM-C和MAOM-N与全量土壤碳氮紧密关联，构成了有机质组成的主要变异轴，而POM相关指标则代表了独立的变异维度。这一发现说明矿物结合有机质是决定城市绿地土壤碳氮储存稳定性的核心组分。

通过结构方程模型构建的路径分析揭示了植物多样性的关键中介作用。虽然城市化程度与香农多样性指数呈弱负相关(ρ=-0.163)，但植物多样性显著影响POM-C的积累(ρ=-0.943)。下游效应分析表明，POM-C对全量土壤碳的贡献最大(ρ=0.657)，而MAOM-N则是全量土壤氮的主要贡献者(ρ=0.600)。这一发现证实了植物多样性通过调控有机质组分分配进而影响土壤碳氮储存的生态路径。

讨论部分深入剖析了与传统假设相悖的研究发现。与预期相反，城市化程度与土壤碳氮储存呈正相关，这可能源于城市环境下植物生产力的提升抵消了分解加速的负效应。研究强调了历史土地利用、管理实践和城市热岛效应等复杂因素的共同作用，指出单纯的环境因子难以完全解释观察到的模式。特别是植物多样性通过促进MAOM形成而增强碳氮稳定性的机制，为理解城市绿地生态系统功能提供了新视角。

该研究的创新之处在于首次系统量化了城市化梯度下不同土地覆盖类型中有机质组分的分配规律，揭示了植物多样性在连接城市化与土壤碳氮储存中的关键作用。研究结果对城市绿地规划具有重要指导意义：在高度城市化区域，可通过优化植物配置增强矿物结合有机质的形成，从而提高碳氮储存的稳定性；而对于不同土地覆盖类型，应采取差异化管理策略，最大化其碳汇功能。这些发现为制定基于自然的城市碳中和方案提供了科学基础，对推动城市可持续发展具有重要实践价值。