城市化正在使美国不同气候梯度的住宅开发和土壤同质化。土地开发实践通常在低质量的压实填料上安装景观。虽然之前的研究表明，城市草坪下的土壤质量会随着时间的推移而改善，但研究使用高尔夫球场来代表草坪，或在不同的开发和管理风格中取样。亚热带气候下住宅景观中沙质土壤质量数据有限，值得进一步研究。为了评估年龄对住宅土壤特征的影响，研究人员选择了佛罗里达州中部和西南部的两个住宅开发项目，这些项目的已知地块年龄最高可达31年。从景观床和草坪以及公共区域的草坪中收集土壤样品(0至30 cm)，以评估堆积密度和有机质随时间的变化。虽然景观床通常需要较少的管理，但草坪和景观床之间的土壤特征相似，表明类似的过程。土壤上(0 ~ 15 cm)和下(15 ~ 30 cm)的容重分别下降了22 ~ 34%和9 ~ 20%。上层土壤碳积累速率范围为0.060至0.156 kg cm - 2 yr - 1，与之前的研究相当，但不超过0.021 kg cm - 2 yr - 1，或者在更深的深度上不显著。本研究的结果代表了过去在较凉爽的气候条件下进行的土壤质地较细的时间序列研究。沙质土壤质地和温暖的气候不能控制碳固存率，但植被类型和景观管理措施克服了这些条件。
城市化正在使美国各地区的水分梯度均质化[1]，住宅土壤的均质化尤为明显[2]。土地开发对生态系统，特别是土壤质量产生了影响。在住宅开发项目中，土壤质量通常会因开发前表土的移除、低质量填土的回填以及施工期间重型机械交通的压实而退化[3,4]。与未受干扰的土壤相比，城市土壤中的压实和低有机质含量减少了植物有效储水量，减少了入渗，增加了地表径流[5,6,7,8]。此外，许多地区常见的沙质土壤特别容易因压实而减少入渗[6,8]。
住宅景观通常由草坪草和景观床的某种组合组成。Milesi等人[9]估计，草坪草覆盖了美国土地面积的1.9%，因为它对侵蚀控制有效，而且每单位面积安装的成本低于景观床种植。佛罗里达州居民将一半以上的家庭淡水消耗用于景观灌溉[10]。尽管全州平均年降水量为137厘米[11]，但佛罗里达州的用水量在美国各州中排名第四(11,500 Mgal d - 1)，也是密西西比河以东各州中最多的[12]。随着时间的推移，佛罗里达州的人口和游客数量分别增加到2020年的2150万居民[13]和2019年的1.31亿州外游客[14]。因此，在2015年，佛罗里达州的国内淡水使用量(2215 Mgal d - 1)有史以来首次超过了农业使用量(2089 Mgal d - 1[10])。
土壤质量可被定义为“在自然或管理的生态系统边界内，一种特定土壤维持植物和动物生产力、维持或提高水和空气质量以及支持人类健康和居住的能力”[15]。过去的研究表明，在20-55年的城市草坪草系统中，随着有机质的积累，土壤质量趋于改善[16,17,18,19]。有机质的积累和土壤结构的变化会影响土壤质量和支持景观植被所需的资源。这些研究在美国不同的气候和地点进行，包括科罗拉多州和怀俄明州(果岭)[16]、马里兰州(草坪)[17]、俄亥俄州(高尔夫球场)[18]和阿拉巴马州(未种植树木的草坪)[19]。然而，这些研究要么来自高尔夫球场，要么来自不同土地开发和景观管理实践的市政区域的草坪。在个别住宅发展的限制下，没有先前的研究调查草坪和景观床下土壤质量随时间的演变，以尽量减少土壤、开发实践和景观管理实践的混杂因素。
此外，在之前的研究中，土壤质地是可变的，大多数地点都是壤土，只有一个地点(果岭[16])是沙质土壤。沙质土壤在整个佛罗里达州都很常见(图1)，Candler系列(高温、无涂层的片层石质沉积物)是该州分布最广的土壤[20]。良好的排水条件加上温度和降雨加速了矿化，导致佛罗里达州许多沙质土壤的土壤有机碳含量低(< 1%)[21,22]。在佛罗里达州，未受干扰的和非农业的A层土壤，排水适度至过度良好，平均有机碳含量低于1.5%(22)。相比之下，此前来自美国其他地区的研究表明，在条件不太有利于成矿的地方，有机质随着时间的推移而增加。
图1
佛罗里达州州土壤调查中收集和分析的1615种表层土壤中沙粒的重量浓度[22]
考虑到佛罗里达州预期的人口增长，以及世界范围内城市地区的增长，了解发展对城市土壤及其未来演变的影响是很重要的。随着时间的推移，沙质土壤或亚热带气候的城市发展中土壤质量改善的证据不足，因此有必要在佛罗里达州研究这一现象，在那里，未受干扰的土壤中土壤有机质的积累在排水良好的土壤中受到限制[20,21]。本研究的总体目标是评估自佛罗里达州中部和西南部草坪和景观床下的两个住宅开发项目的初始扰动以来土壤质量(0至30厘米)随时间的变化。的地区。具体而言，目标是:(1)确定三种土地覆盖类型(景观床、草坪和公共区域)的土壤性质(体积密度、有机质含量和有机碳积累)随时间的变化趋势;(2)根据样本采集地点(FL中部或西南部)、地点(景观床、草坪、公共区域)和样本深度，比较和对比分析关系，确定异同点。
在第2节中，介绍了通过住宅地块的土壤采样和随后的分析来实现目标的方法。数据和分析结果将在第3节中介绍，然后将其与第4节中文献的先前发现结合起来。关于沙质土壤土壤发育的总体结论和对未来城市土壤轨迹研究的考虑包括在第5节中。
地块从佛罗里达州的两个城市住宅开发项目中取样(图2):佛罗里达州中部的世界之巅(OTOW)(北纬29.1°，西经82.3°)和佛罗里达州西南部的莱克伍德牧场(LR)(北纬27.4°，西经82.4°)。OTOW年平均降雨量1318毫米，年平均气温21℃;对于LR，年平均降雨量为1377毫米，年平均气温为23°C[23]，在开发之前，OTOW的大多数地区主要被定位为Candler土壤系列(高温，未涂覆的片层石英岩);[20])，这是佛罗里达州最常见的土壤系列。在开发之前，LR地区被定位为Myakka系列(砂质、硅质、超热Alaquods)或Eau Gallie系列(砂质、硅质、超热Alaquods)[20]。然而，公布的土壤调查并没有反映房屋建设期间可能发生的填筑或其他景观改变的潜在增加[8]，因为分别于1978年和1980年公布了马里恩县(OTOW)和海牛县(LR)的土壤调查;在任何一个项目开始建设之前。
图2
美国佛罗里达州的世界之巅和莱克伍德牧场社区的位置(左)。鸟瞰世界之巅和莱克伍德牧场社区(右)的上方和下方
位于llr (LR- r)的住宅地段;n=50)在2020年和2017年对OTOW (n=45)进行了采样，而LR公共区域(LR- ca;n=16)在2015年进行了抽样(表1)。地块年龄和公共面积年龄是根据该物业的开发年份和该物业的抽样年份计算的。每个住宅地块的开发日期分别使用Marion和Manatee County Property Appraiser的OTOW和LR数据库进行验证[24,25]。LR-R地块的开发时间为0 - 30年(1986-2016)，LR-CA地块为0 - 20年(1995-2015)，OTOW地块为0 - 22年(1998-2020)。
表1在佛罗里达州的两个住宅开发项目中，每个地块年龄范围内取样的地块数量。采用采样年份和采样时最老批次的年龄来计算批次年龄
对于OTOW和LR-R，在5个年龄组中选择了6到19个批次:0-5岁。6-10岁。11-15岁。16-20岁。，≥21岁。OTOW共有45个站点，而LR-R有50个站点。对于LR-CA，从开发后的0、1、5、13和20年的区域内取样了三到四个地点，总共111个地点。
对于LR-CA，使用土壤岩心采样器收集0 ~ 6 cm和6 ~ 30 cm深度的样品。对于6-30 cm深度，采样从15或16 cm深度开始，以捕获该次表层的中点。在每个公共区域内，每个深度至少取两个子样本。
对于OTOW和LR-R，在整个草坪和景观床的随机位置放置调查标志，以标记采样位置(图3-A)。在每个地块中，从前草坪的五个位置和前景观床的五个位置收集子样本，不包括人行道和街道之间的任何区域。避免使用包含实用箱、成熟树木、砾石或景观织物的景观床。将景观床上的护根物拉到一边，以便土壤采样器能够穿透。仅对于OTOW，在安装草坪或景观床之前，从新地块(年龄=0年)收集土壤样本。在新批次中随机选择9个采样点，用9个子样本的平均值代表一个批次。
图3
草坪和景观床土壤样品采集过程。白色圆圈(a)表示抽样地点选择的调查标志的部分分布。(b)显示了使用冲孔管收集样品的过程，(c)显示了测量和切割样品的过程，并将样品切割成顶部0-15 cm和底部15-30 cm的部分
使用土壤岩心取样器来确定多个深度的体积密度是具有破坏性的[26]，因此对于在LR-R和OTOW设置下收集样品是不切实际的。相反，土壤样本是使用狭窄的管状土壤采样器或穿孔管收集的。LR-R采用56 cm冲孔管，内切直径1.9 cm采集样品。在OTOW中，使用了一个121厘米的穿孔管，其内部切割直径为1.7厘米，用于土壤样本收集(18个来自景观美化前，144个来自陈年地块)。在OTOW和LR居住区，将冲孔管推入地下至30 cm或直至拒绝，并记录拒绝深度(图3-B)。
有时，高度的压实、树根、岩石或其他障碍物使采集深度超过15厘米的样本变得难以进行。如果无法获得至少15cm深度的样本，则在其1-2 m范围内选择新的采样点重新采样。记录总取样深度，以说明样品的总深度从15至30厘米不等。
每个土壤样品被分为15 cm的上剖面和15 cm的下剖面。在划分上下深度之前，从草坪采集的样品中切除任何表面植被或草皮茅草(图3-C)。在每个位置(草坪或景观床)和深度(0-15 cm或15-30 cm)采集的五个子样本按样本位置和深度(例如草坪和0-15 cm深度)为每个地块合成，每个地块产生四个复合样本。
2.3.1 体积密度
土壤样品通过10号筛(小于2毫米)，以去除超大颗粒，包括根，砾石和其他碎片。所有土壤样品在105°C下烘箱干燥48小时或直到重量不再下降。干容重是通过(1)用冲孔管收集的土塞(切割直径和长度)或(2)用土芯取样器收集的土芯的筛过的烘干质量和圆柱体积来计算的。虽然土壤中的砾石和其他岩石碎片很少，但从容重测定中删除了> 2mm大小的颗粒，包括根。
2.3.2 土壤质地
利用佛罗里达大学环境土壤学和土地利用实验室的Beckman Coulter LS‐13320多波粒度分析仪，通过激光衍射分析确定了OTOW和LR-R站点土壤样品的土壤粒度分布。对复合样品中的子样品进行分析，无需分散或预处理[27]。粒径分布概括为砂(2.0-0.05 mm)、粉土(0.05-0.002 mm)和粘土(< 0.002 mm)颗粒的体积浓度。对于LR公共区域，使用比重计方法分析了砂、淤泥和粘土大小颗粒的亚样本[28]。每个样品的纹理类别是使用每种粒径的相对数量来确定的[29]。
2.3.3 土壤有机质
土壤有机质(SOM)浓度由5 g样品的着火损失(LOI)确定，其平衡精度为0.001 g(0.02%)，着火温度为550℃，总着火时间为4小时。由于结晶水和吸湿性水以及碳酸盐的二氧化碳损失，LOI可能高估了SOM，土壤中的粘土和CaCO3含量非常低，最大限度地减少了最常见误差来源的可能性。先前的研究发现，LOI的变化系数与干燃烧方法相当，分别为5.6%和4.9%[30]。土壤有机碳(SOC)估算值为0.50*SOM[31,32]。碳密度通过土壤有机碳乘以土壤样品的体积密度和深度来计算。通过LR-R的0- 22岁批次和OTOW的0- 30岁批次的平均碳密度差异来估计碳积累速率。
使用R[33]建立了线性回归模型，以检验地块年龄与土壤有机质和容重之间的关系。从草坪和景观床收集的土壤样本以及收集的土壤剖面的上部和下部分别生成了线性模型。通过目测正态Q-Q图和残值直方图以及Shapiro-Wilk检验来评估正态性假设。通过绘制模型残差与预测值和布鲁希-异教检验来直观地评估异方差。
在一些情况下，通过因变量的变换来评估线性回归模型的统计显著性，以满足线性模型假设。采用Box-Cox法[34]选择最合适的幂变换(如对数、平方根、三次等)。在土壤质地分析中，简单的线性回归假设无法通过变换得到满足，因此采用了对线性趋势进行非参数评估的Thiel-Sen估计方法来代替简单的线性回归[35]。使用base R[33]和软件包' car '[36]、' ggplot2 '[37]、' ggpubr '[38]、' lmtest '[39]、' MASS '[40]和' mblm '[41]进行数据组织、分析、建模和可视化。
摘要
文章强调了
1 介绍
2 材料与方法
3.结果
4 讨论
5 结论
数据可用性
参考文献
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所有LR-R地块的土壤样品均以沙粒大小的颗粒为主。虽然质地严格地基于颗粒质量，而不是体积，但估计质地可以将土壤置于环境中。对于大多数土壤粒度组分(砂、粉、粘土)，Thiel-Sen估计方法的结果表明，地块年龄(年)与粒度之间存在显著相关性(P < 0.05)。然而，在本研究所代表的许多年龄范围内(0-22岁)观察到的土壤质地的任何差异都不足以改变质地分类。从LR-CA收集的所有土壤都有大约1%的粘土的砂质地。
来自OTOW和LR的土壤样本代表了FL土壤的粗糙质地(表2)。在两个住宅开发项目的草坪和景观床中，从0到15厘米，沙粒大小的颗粒的体积浓度平均超过95%，并且总是超过84%。从15到30厘米，两个住宅开发项目的草坪和景观床中沙粒大小的颗粒浓度平均为94%，从不低于78%。这些体积浓度估计值对应于美国农业部在土壤质地三角形上用重力定义的砂和壤土砂的质地等级。
表2体积系数在世界之巅和莱克伍德牧场取样的住宅地块的沙子、淤泥和粘土大小颗粒的浓度(%)。数值以平均值±标准差表示，范围如下所示为最小-最大
3.2.1之上OTOW
OTOW在0-15 cm深度的容重范围为1.02 ~ 1.84 g cm?3，在15-30 cm深度的容重范围为1.19 ~ 2.31 g cm?3。在所有采样深度和位置，增加的地块年龄与土壤容重下降相关(p < 0.05)，与LR-R观察到的趋势相比，地块年龄随土壤容重变化的调整R2更高(图4)。对于草坪采集的土壤样品(图4a)，地块年龄显著预测了0-15 cm深度的土壤容重(反立方根变换;F (43)=98, P=1.1 * 10 - 12, R2adj=0.69), 15 - 30厘米的深度(F (42)=54, P=4.7 * 9, R2adj=0.55)。对于从景观床采集的土壤样本(图4c)，地块年龄显著预测了0-15 cm深度(F(1,43)=49, P=1.1* 10-8, R2adj=0.52)和15-30 cm深度(F(1,42)=37, P=3.4* 10-7, R2adj=0.45)的土壤容重。此外，回归模型显示，30 a来，草地和景观床在0 ~ 15 cm深度的平均容重分别下降了0.41和0.39 g cm?3(变化幅度分别为34%和32%)。在15 ~ 30 cm深度处，堆积密度下降幅度较小，草坪和景观床的堆积密度平均分别下降0.38和0.39 g cm?3(分别下降19%和20%)。
图4
OTOW (a和c)和LR-R (b和d)在0-15和15-30 cm深度收集的土壤样本的体积密度与住宅地块年龄的关系。草坪(a和b)和景观床(c和d)表示。阴影区域表示回归的95%置信区间。* p < 0.05;*** p < 0.001。对于OTOW，在建立草坪或景观床之前，对已有100年历史的地块进行采样
3.2.2 LR-R
LR-R在0 ~ 15 cm深度的容重范围为0.84 ~ 1.95 g cm?3，在15 ~ 30 cm深度的容重范围为1.04 ~ 2.31 g cm?3。在所有采样深度和位置，增加的批龄都与土壤容重下降相关(P < 0.05)，在15-30 cm深度收集的样品中，相关性较弱。对于草坪采集的土壤样本(图4b)，地块年龄显著预测了0-15 cm深度的土壤容重(F (1,48)=41.48, P < 0.0001, r2=0.45)和15-30 cm深度(立方变换;F (1,48)=16.95, P < 0.0001, r2=0.24)。对于从景观床采集的土壤样本(图4d)，地块年龄显著预测了0-15 cm深度的土壤容重(F(1,48)=22.64, P < 0.0001, R2adj=0.31)和15-30 cm深度(立方变换;F (1,48)=5.314, P=0.03, r2=0.08)。此外，回归模型显示，22 a来，草地和景观床在0 ~ 15 cm深度的平均容重分别下降了0.54和0.35 g cm?3(分别下降了31%和24%)。在15 ~ 30 cm深度处，堆积密度下降幅度较小，草坪和景观床的堆积密度平均分别下降0.33和0.19 g cm?3(下降15%和9%)。
3.2.3 LR-CA
在LR公共区域，0-6 cm深度的体积密度为1.20至1.94 g cm - 3, 6-30 cm深度的体积密度为1.31至2.37 g cm - 3。在0-6 cm深度(F (1,35)=53.78, P=1.4* 10-8, R2adj=0.59)和6-30 cm深度(倒数平方变换;F (1,25)=25.71, P=3.1* 10-5, R2adj=0.49)。在0- 20年的公共区域，平均容重从1.67 g cm - 3下降到1.30 g cm - 3(下降22%)。
图5
LR-CA在0-6 cm和6-30 cm深度采集的土壤样品的体积密度(a)和土壤有机质浓度(b)与发育年龄的关系。阴影区域表示回归的95%置信区间。ns=无意义;*** p < 0.001
3.3.1 OTOW
对于0-15 cm深度的草坪采集土壤样品(图6a)，地块年龄显著预测SOM的倒数立方根变换(F(1,43)=88, P=6.3* 10-12, r2=0.66)，但在15-30 cm深度，地块年龄与SOM之间的关系不显著(P=0.995)。对于从景观床采集的样本(图6c)，地块年龄显著预测深度0-15 cm处SOM的倒数平方根变换(F(1,43)=33, P=7.5* 10-7, R2adj=0.42)，但与草坪采集的样本相似，地块年龄与SOM之间的关系在深度15-30 cm处不显著(P=0.524)。这些结果还表明，在地块发育后的0 ~ 30年间，草坪和床上15 cm土壤剖面的SOM分别增加了约5.7%和2.5%(分别增加了384%和194%)。相比之下，与OTOW相邻的成熟松林在0 ~ 15 cm (n=80)深度采集的样本，采用相同的方法进行分析，平均SOM为1.23%，标准差为0.26%。
图6
OTOW (a和c)和LR-R (b和d)在0-15和15-30 cm深度采集的土壤样本的土壤有机质浓度与住宅地块年龄的关系。草坪(a和b)和景观床(c和d)表示。阴影区域表示回归的95%置信区间。ns=无意义;* p < 0.05;** p < 0.01;*** p < 0.001
3.3.2 LR-R
总体而言，在所有采样深度和位置，批次年龄的增加与SOM的显著增加(α=0.05)相关，在15-30 cm深度的样本中，相关性较弱。对于深度为0-15 cm的草坪采集土壤样本(图6b)，地块年龄显著预测SOM(对数变换;F(1,48)=57.08, P < 0.0001, R2adj=0.53)， 15-30 cm深度处SOM的立方根反比变换(F(1,48)=7.602, P=0.008, R2adj=0.12)。对于从景观床采集的土壤样本(图6d)，地块年龄显著预测深度为0-15 cm (F (1,48)=50.8, p < 0.0001, r2=0.50)和15-30 cm (F (1,48)=4.27, p=0.04, r2=0.06)的SOM的对数变换。这些结果还表明，在地块发育后的0 ~ 22年间，在土壤剖面上15 cm，草坪和床的SOM分别增加了约2.7%和3.2%(增加了163%和158%)。而在15 ~ 30 cm深度，草坪和床的土壤有机质分别增加了0.53和0.44%(53%和36%)。相比之下，未受干扰和非农业A层土壤(n=222)中至极好排水的平均有机碳含量为1.41%或更低[22]。
3.3.3 LR-CA
0 ~ 6 cm深度SOM升高与发育年龄增加有显著相关性(F (1,27)=75.33, P=2.5* 10-11, R2adj=0.61)，而6 ~ 30 cm深度SOM升高与发育年龄增加无显著相关性(P=0.86;图5 b)。平均SOM在0- 20岁的公共区域增加了3.4%(增加了334%)。
对于OTOW，在0-15 cm深度，草坪和景观床的估计碳积累量分别为0.156和0.064 kg C m?2 yr?1(表3)。对于OTOW，在15-30 cm深度，SOM的变化与地块年龄的增加没有显著相关，因此无法估计碳积累速率。对于LR-R，估计在0-15 cm深度的碳固存，草坪和景观床的碳固存分别产生0.084和0.100 kg C m?2 yr?1。与表层土壤相比，15-30厘米深度的碳固存率要低4 - 5倍。LR-CA在0- 20年公共区域的平均SOM变化表明，其碳积累速率为0.060 kg C m?2 yr?1，低于其他表层土壤(OTOW和LR-R, 0- 15 cm)，但大于LR-R在15-30 cm的速率。
表30 ~ 15 cm和15 ~ 30 cm深度草坪和景观床土壤碳积累速率。在15-30 cm深度的OTOW中，SOM的变化与地块年龄没有显著相关性，因此无法估计碳积累速率
下载原文档：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s42452-023-05478-6.pdf
