城市林业土壤黑碳累积机理、稳定性及生态效应

Black carbon (BC) originates from incomplete combustion of fossil fuels and biomass. Black carbon in soil actually constitutes the little reactive fraction of soil organic matter (SOM) and contributes to stability of soil carbon pool. It is also believed to be the source of highly aromatic components of soil humic acids, able to increase cation exchange capacity, and maintain nutrients in soils.Take the typical rapid urbanization region of Nanjing city as the study area, investigate the characteristics of urban forest soil，analyses the black carbon content of urban forest soil under different natural and man's activity conditions, different land use types, different soil ages and layers. Illustrate the black carbon content and distribution characteristics of urban forest soil. By analysis the δ13C isotope ratio of soil black carbon, reveal the black carbon origin and accumulation mechanism in urban forest soil. By analysis the surface chemical properties, reveal the structure, degradation mechanism and stability of soil black carbon. Illustrate the effects of black carbon on stabilizeing organic carbon pool of urban forest soil, maintaining the balance of soil organic matter. Reveal the effects of black carbon on urban forest soil quality. Reveal the adsorption and desorption mechanism of soil black carbon to polycyclic aromatic hydrocarbon(PAHs). Illustrate the impacts of black carbon on the environmental behavior of PAHs in urban forest soil. Provide scientific basis for the urban forest soil ecological system management, maintenance of soil quality as well as the evaluation and restoration of organic pollutant(PAHs) in urban forest soil.

以典型快速城市化地区-南京市为研究区，系统调查城市林业土壤特征，测定不同自然和人为条件下，不同土地利用方式、不同土壤年龄与层次土壤黑碳的含量，阐明城市林业土壤黑碳的含量、分布特征；通过土壤黑碳δ13 C同位素比值等分析，揭示城市林业土壤黑碳的来源、累积机理；通过黑碳表面化学性质分析，揭示城市林业土壤黑碳的结构特征、降解机制及稳定性；阐明黑碳对于稳定城市林业土壤有机碳库、维持土壤有机质平衡的作用机制，揭示土壤黑碳对城市林业土壤质量的影响机制；揭示黑碳对土壤有机污染物多环芳烃（PAHs）的吸附、解吸机制，阐明土壤黑碳对城市林业土壤PAHs环境行为的影响机制。为城市林业土壤生态系统管理、土壤质量维护及多环芳烃（PAHs）有机污染的评价及修复提供科学依据。开展城市林业土壤黑碳研究不仅是一项具有创新意义的基础理论研究，同时也是一项具有实用价值的应用基础研究，在学术思想、研究内容和研究方法上有创新。

土壤黑碳是城市林业土壤碳库的重要组成部分，对城市林业土壤质量、城市森林生态系统的碳循环、土壤重金属及有机污染物的环境行为有重要影响。项目以典型快速城市化地区—南京市为研究区，系统调查城市林业土壤特征，研究土壤黑碳的含量、分布特征，阐明城市林业土壤黑碳的来源和累积机理，揭示城市林业土壤黑碳的结构特征及稳定性，阐明黑碳对城市林业土壤有机碳库、土壤质量的影响机制，揭示黑碳对土壤多环芳烃（PAHs）环境行为的影响机制。结果表明：城市林业不同功能区土壤黑碳含量差异很大，变化范围0.77 g/kg ~21.27g/kg，道路绿化带土壤黑碳含量显著高于其它功能区，居民区含量最低，黑碳在土壤表层有富集趋势。道路绿化带表层土壤黑碳与有机碳含量的比值（BC/SOC）最大，平均值为0.55±0.04，其次为公园，城郊天然林的比值最低。道路绿化带土壤黑碳的碳同位素比值（δ13CPDB）为-27.04‰，与其它功能区差异显著，城市交通污染对土壤黑碳积累有显著影响，而城市天然林土壤黑碳主要来源于生物质的燃烧。城市林业土壤PAHs含量范围156.67~1523.34 µg/kg，平均487.65±264.28 µg/kg，城市立交桥和道路绿化带土壤PAHs最高，近郊森林和远郊森林最低。与荷兰土壤修复标准相比，南京城市林业土壤中PAHs的含量处于中上等水平，多呈轻度污染，道路绿化带和城市立交桥属于中度或严重污染。土壤PAHs与SOC和BC含量均显著相关，南京城市林业土壤中PAHs来源主要为生物质和煤炭燃烧源和机动车排放源，少数土样PAHs来源属于石油源。研究成果为城市林业土壤生态系统管理、土壤质量维护及多环芳烃（PAHs）有机污染的评价及修复提供科学依据。项目发表14篇学术论文（SCI收录3篇），授权国家专利2项，合作申请2项国际合作项目，培养5名博士研究生（其中2名已毕业取得博士学位），在站博士后1名，4名硕士研究生，4人次赴俄罗斯学术交流访问，接待俄罗斯专家来访5人次，5人次参加国际学术会议学术交流。