城市土壤中黑碳积累受来源和土地利用影响的控制因素：中国中部一个工业城市与一个特大城市的对比研究

《Environmental Pollution》：Source- and land-use-dependent controls on black carbon accumulation in urban soils: A comparison between an industrial city and a megacity in central China

　　

詹长林|刘珊|康伟|郭敏|胡天鹏|毛瑶|李东

湖北理工学院环境科学与工程学院，黄石，435003，中国

摘要：

黑碳（BC）是土壤有机碳（SOC）的重要组成部分，对碳封存和环境质量具有重要影响，然而其在不同城市系统中的变化特征仍不够明确。本研究调查了中国中部两个代表性城市系统（黄石（工业城市）和武汉（特大城市）土壤中黑碳的浓度、亚组分组成（炭和烟尘）及其与排放源和土地利用类型之间的关系。由于数据分布非正态（Shapiro–Wilk检验，p < 0.05），采用了非参数统计分析方法。黄石的黑碳浓度显著高于武汉（中位数：1.51 mg g^-1 对比 0.77 mg g^-1；p < 0.01），而黑碳/总有机碳（BC/TOC）比率没有显著差异（中位数：26.38% 对比 28.00%；p > 0.05），表明热解碳在SOC中的比例贡献是一致的。相比之下，炭/烟尘比率存在显著差异（p < 0.05），反映了两个城市之间的燃烧源不同。土地利用的影响有限，城市内部仅观察到轻微差异。总体而言，结果表明，尽管黑碳在城市系统中的积累存在差异，但其对SOC的相对贡献保持稳定，而其组成受排放源的控制。因此，城市土壤中黑碳的动态变化是由排放结构和土地利用相关过程共同塑造的，这为理解热解碳在区域碳循环中的作用提供了新的见解。

引言

黑碳（BC）是在化石燃料和生物质不完全燃烧过程中形成的难熔碳质产物，是大气颗粒物和陆地碳库的重要组成部分（Bond等人，2013；Gustafsson和Ramanathan，2016）。由于其强吸收光的能力，黑碳对辐射强迫有显著影响，并导致区域气候变暖（Kelesidis等人，2022；Lu等人，2020；Wang等人，2025）。此外，其高化学稳定性使黑碳能够在土壤和沉积物中持续存在数十年到数百年，既作为长期碳汇，也作为重金属和多环芳烃等共排放污染物的载体（Coppola等人，2022；Gao等人，2023b；Zhan等人，2024）。这些特性使黑碳成为大气过程、土壤碳循环和环境污染之间的关键纽带。

黑碳通常分为两个操作定义的亚组分：炭和烟尘，它们在形成途径和物理化学性质上有所不同（Schmidt和Noack，2000）。炭主要通过低温、缺氧条件下的燃烧产生（例如生物质燃烧和煤炭闷烧），而烟尘则是在高温、富氧条件下产生的（例如车辆尾气和工业燃烧）（Bird等人，2015；Meng等人，2022）。因此，炭/烟尘比率被广泛用作区分燃烧源和推断传输途径的诊断指标（Fang等人，2018；Han等人，2010，2021；Zhan等人，2024）。此外，这些亚组分在颗粒大小、反应性和稳定潜力方面表现出不同的环境行为（Cai等人，2026），表明组成差异可能在控制黑碳在土壤中的持久性和生态效应方面起关键作用。

由于来自局部排放和区域传输的持续大气沉降，土壤是黑碳的主要汇（Burke等人，2024；Ljung等人，2025）。土壤中黑碳的积累受一系列耦合过程的控制，包括排放、大气传输、沉降以及土壤基质内的沉降后稳定或转化（Burke等人，2024；Czimczik和Masiello，2007；Forbes等人，2006；Lian和Xing，2017）。这些过程受到土地利用实践的强烈调节，土地利用实践影响植被覆盖、土壤扰动和微生物活动。例如，森林生态系统可以通过冠层拦截和凋落物输入增强黑碳的保留（Guo等人，2026；Landis，2025），而耕地土壤则经常受到干扰，可能导致黑碳通过侵蚀、淋溶和分解过程加速重新分布或损失（Abbas等人，2020；Burke等人，2024；Major等人，2010；Guggenberger等人，2008）。这些相互作用突显了需要一个基于过程的框架，将排放源与土地利用介导的土壤过程结合起来。

尽管人们对大气和水生系统中黑碳的关注日益增加，但在陆地土壤中的行为——特别是在快速城市化的地区——仍了解不足。大多数先前的研究集中在黑碳的总体浓度上（Edmondson等人，2015；Gao等人，2023a；Liu等人，2011；Wang等人，2022；Wang等人，2014；Zong等人，2016），对亚组分组成及其分布控制过程的关注有限。此外，虽然已经在个别城市中研究了黑碳，但在具有不同排放结构的城市系统之间进行系统比较仍然很少（Wang等人，2021）。这种跨系统分析对于阐明排放强度、大气传输和土地利用过程在塑造土壤黑碳动态中的相对作用至关重要。

中国中部由于其多样化的城市化路径和能源结构，为解决这些知识空白提供了理想的背景。黄石是一个典型的资源型工业城市，以煤炭燃烧、冶金和重工业为主，导致强烈的点源黑碳排放（Zhan等人，2016）。相比之下，武汉是一个交通网络发达、经济多元化的特大城市，其黑碳排放主要来自扩散源，如车辆尾气和城市能源消耗（Liu等人，2020；Pan等人，2023）。这些对比鲜明的城市系统为研究排放结构的差异如何与土地利用相互作用以调节土壤中的黑碳积累和组成提供了独特的机会。

在这项研究中，我们旨在（1）量化黄石和武汉不同土地利用类型土壤中的黑碳浓度和亚组分组成（炭和烟尘）；（2）研究黑碳分布的空间变异性和土地利用效应；（3）利用诊断比率和统计分析阐明黑碳的来源和控制过程。通过将组成指标与基于过程的视角相结合，本研究旨在加深对城市土壤中黑碳动态的理解，并提供一个概念框架，将排放、沉降和不同城市系统下的土壤过程联系起来。

章节片段

研究区域

本研究在中国中部的两个代表性城市——黄石和武汉进行，这两个城市都位于长江中游的湖北省。尽管它们具有湿润的亚热带季风气候，但这两个城市在经济结构、排放源和土地利用发展方面存在很大差异，为研究土地利用对土壤中黑碳的控制提供了有用的对比。

黄石（人口约244万）是中国最早的工业基地之一，以钢铁制造为主

城市规模的黑碳水平和组成结构差异

黄石和武汉土壤中总有机碳（TOC）、黑碳（BC）、炭和烟尘的统计特征显示了两者在浓度水平和组成结构上的明显差异（表1；图2）。在统计比较之前，使用Shapiro–Wilk检验评估了数据的正态性。结果显示，两个城市中的大多数变量（TOC、BC、炭、烟尘和炭/烟尘比率）显著偏离正态分布（p < 0.05），而只有武汉的BC/TOC遵循正态分布（p =

结论

本研究比较了工业城市（黄石）和特大城市（武汉）土壤中的黑碳（BC），发现其分布受排放源和土地利用相关过程的控制。黄石的黑碳和TOC浓度显著高于武汉（p < 0.01），而黑碳/TOC比率没有显著差异（p > 0.05），始终保持在约30%左右。相比之下，炭/烟尘比率存在显著差异（p < 0.05），表明燃烧过程不同

CRediT作者贡献声明

康伟：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。刘珊：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法论，资金获取。郭敏：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。毛瑶：调查，数据管理。胡天鹏：监督，调查，数据管理。李东：可视化。詹长林：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资源获取，方法论，调查，概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（41603117）、湖北省科技厅的科技创新基地项目（2025CSA114）以及湖北省自然科学基金的联合基金（2025AFD017，2026AFC0019）的支持。