人工封閉對城市土壤功能的影響研究進(jìn)展

魏宗強(qiáng) ，顏曉，吳紹華*，肖青亮

1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045；2. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210093

城市化過程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)是地表變化過程研究的重要領(lǐng)域。如今，世界超過50%的人口生活在城市，未來還將繼續(xù)增加，特別是在一些發(fā)展中國家和地區(qū)，至 2050年城市人口將接近全球總?cè)丝诘?0%（United Nations，2008）。城市化還導(dǎo)致城市面積迅速擴(kuò)張，使越來越多的自然用地和農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，對城市及其周圍的生態(tài)環(huán)境造成了現(xiàn)實(shí)的或潛在的威脅（Kasanko等，2006.圖1）。土壤作為城市生態(tài)環(huán)境的一個重要組成單位與功能載體，其發(fā)生過程與性質(zhì)功能亦受到城市化進(jìn)程的沖擊和影響，并由此產(chǎn)生出一類特殊的人為土壤——城市土壤（Bockheim，1974；張甘霖等，2003）。與農(nóng)田以及森林土壤相比，城市土壤的發(fā)生過程由于受到人類活動的強(qiáng)烈影響，致使其物理、化學(xué)性質(zhì)及生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生不同程度地退化（Sloan等，2012），顯著地體現(xiàn)在土壤容重增加、孔隙度降低、機(jī)械組成改變（Jim和Ng，2000；楊金玲等，2005；Edmondson等，2011）、pH升高（盧瑛等，2002）、污染物累積（陳同斌等，1997；張甘霖等，2007）、以及微生物群落結(jié)構(gòu)改變與活性降低等方面（Lorenz和Kandeler，2005；Lorenz和Kandeler，2006；Wang 等，2011；Wei等，2013）。

圖1 歐洲15個城市1950-1990年間人口增加與城市面積擴(kuò)張的關(guān)系（改自文獻(xiàn)Kasanko等，2006.）Fig.1 Relationship between Population Growing and Build-up Areas Expansion in 15 European Urban Areas from 1950 to 1990(Modified from Kasanko et al.,, 2006.)

城市土壤大部分被房屋、道路等建筑物覆蓋，受人類活動干擾非常強(qiáng)烈，是一種人為封閉土壤，目前全球這部分土壤面積超過580000 km2（Elvidge等，2007）。覆蓋層阻斷或減弱了土壤與外界大氣圈、水圈和生物圈的物質(zhì)能量交換，這導(dǎo)致土壤性質(zhì)及生態(tài)功能發(fā)生變化（Lorenz和Lal，2009）。隨著全球變化和城市生態(tài)學(xué)研究的深入，由城市土壤封閉引起的生態(tài)環(huán)境問題日益受到人們的關(guān)注（European Commission，2006）。目前關(guān)于土壤封閉對城市生態(tài)系統(tǒng)的表觀影響（如熱島效應(yīng)、水分下滲）已有較廣泛的研究，但對城市土壤自身質(zhì)量及性質(zhì)的影響還鮮有報(bào)道。城區(qū)人口密度大，人地矛盾突出，城市土壤功能與質(zhì)量改變可能更直接地影響到人類的生產(chǎn)生活。研究城市封閉土壤功能與質(zhì)量的變化規(guī)律及其機(jī)制，可為管理城市土壤和指導(dǎo)城市建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，對城市土壤研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

有關(guān)封閉對城市土壤功能與性質(zhì)影響的研究仍處于起步階段。本文將簡要介紹城市土壤人工封閉的定義及主要特征，綜述國內(nèi)外在人工封閉對城市土壤功能影響方面取得的進(jìn)展，并探討未來該領(lǐng)域研究的可能發(fā)展趨勢。

1 人工封閉城市土壤

土壤封閉概念最早在20世紀(jì)30年代由Duley提出，具體定義為土壤受自然界物理化學(xué)作用后，表層土壤顆粒積聚產(chǎn)生“結(jié)皮”，土壤透水性能降低的現(xiàn)象（Duley，1939）。封閉土壤的典型特征主要體現(xiàn)在土壤大孔隙比例減少，土壤導(dǎo)水及蓄水能力明顯降低等方面（Bouma，1992）。土壤封閉的成因很多，主要包括降雨、農(nóng)業(yè)勞作、土壤膠體分散以及機(jī)械壓實(shí)等（Scalenghe和Ajmone-marsan，2009），其中洪水搬運(yùn)及搬運(yùn)物中細(xì)小顆粒的沉積是形成土壤封閉的主要途徑（Panini等，1997；Singer和Shainberg，2004）。

本文所提到的人工封閉是指由于人類活動（如房屋建筑、道路建設(shè)等）引起的城市土壤透水、透氣性能降低的現(xiàn)象，主要的封閉材料為水泥與瀝青等（圖2）。由人類活動引起的土壤封閉是城市土壤的一個重要特征。因成土過程受到強(qiáng)烈的人為干擾，城市土壤的理化性質(zhì)及生物活性都與自然土壤存在較大差異（Lorenz和Lal，2009；Scalenghe和Ajmone-marsan，2009；Lehnamm 和 Stahr，2007）。長期以來，這些差異以及城市土壤性質(zhì)的復(fù)雜性限制了城市土壤分類體系的建立，2006年國際土壤學(xué)會世界土壤資源參比基礎(chǔ)工作組首次將城市土壤與工礦區(qū)土壤一并列為 Technosols類（IUSS Working Group WRB，2006），城市封閉土壤屬于其中的一個亞類（Ekranic Technosols）。城市封閉土壤的成因主要是人類活動，與自然作用引起的土壤封閉不同，人工封閉層對土壤與外界物質(zhì)能量交換的阻礙作用更劇烈、持久，甚至?xí)鹬苓吷鷳B(tài)系統(tǒng)性能的改變（Burghardt，2006）。

2 人工封閉對土壤功能的影響

2.1 對土壤水的影響

封閉會顯著阻礙水在城市土壤中的下滲與蒸發(fā)，一定程度改變土壤的水文特征。土壤質(zhì)地、土層深度以及有機(jī)質(zhì)含量都會影響土壤的蓄水能力，通常自然土壤的蓄水量約為3750 t·hm2（約合400 mm降水），封閉阻斷了土壤水的下滲，增加了城市地表徑流量（European Commission，2012）。有研究表明，城市年累積徑流量與封閉土壤面積存在顯著的線性回歸關(guān)系，徑流量隨封閉面積增大而增加（Bhaduri等，2001；Assouline和 Mualem，2002）。Haase和 Nuissl（2007）在德國萊比錫市（51°20′ N，12°23′ E）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于城市封閉土壤面積的擴(kuò)張，2003年城市地表徑流水量是1940年的兩倍。Perry和 Nawaz（2008）進(jìn)一步做了城市土壤封閉面積與年徑流水量的預(yù)測模型，在英國利茲市（53°48′ N，1°33′ W）的應(yīng)用結(jié)果表明，城市封閉土壤面積占城市總面積的比例每增加12.6%，城市地表徑流水量約增加12%。封閉降低了城市土壤對降水的蓄存能力，一方面增加了城市地下排水設(shè)施的工作壓力；另一方面，封閉還會一定程度增加地表徑流的流速，加劇城市洪澇發(fā)生的隱患。

圖2 城市景觀中常見的土壤封閉現(xiàn)象Fig.2 Overview of Most Common Impervious Surfaces in Urban Areas

土壤對污染物有過濾功能，封閉降低了土壤對水中污染物的過濾功能，可能會進(jìn)一步影響水的質(zhì)量。城市封閉土壤是城市非點(diǎn)源污染的重要來源，其面積比例在2.4%～5.1%時，就會引起城市周邊地區(qū)水源的pH及鹽度發(fā)生顯著變化（Conway，2007）。另外，城市土壤封閉材料往往蓄積重金屬與有毒有機(jī)污染物，這些元素可能會在徑流水的沖刷下釋放到水體中，Kayhanian等（2007）調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高速公路徑流水中重金屬及其它污染物的含量較高，有顯著的富集特征。Trowsdale和Simcock（2011）也發(fā)現(xiàn)城市封閉土壤造成的洪水中重金屬含量很高，特別是鋅含量。在北京、天津、廣州、澳門等城市的路面徑流水質(zhì)調(diào)查也發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)路面徑流水中有較高濃度的總氮、總磷、重金屬及有毒有機(jī)污染物（甘華陽等，2006；黃金良等，2006；張巍等，2008；張娜等，2009）。

2.2 對土壤能量交換的影響

封閉會顯著影響城市土壤與環(huán)境間的熱交換。自然土壤的熱特性主要由土壤類型以及含水量等因素決定（Sandholt等，2002），土壤導(dǎo)熱性較差，到達(dá)地面的太陽輻射大部分被反射到大氣中，少量被傳到下層土壤中。城市土壤封閉材料（如瀝青、混凝土）顏色較深，對太陽光反射率較低，更容易吸收太陽傳遞的熱量，加上其熱容量和導(dǎo)熱率也比綠地大，導(dǎo)致城市氣溫高于郊區(qū)，是城市熱島效應(yīng)（Urban Heat Island）的主要成因。Weng等人在印第安納波利斯市（39°47′ N，86°8′ W）的研究發(fā)現(xiàn)，城市土壤封閉表面溫度顯著高于周邊開放土壤（Weng等，2007）。Xiao和 Weng（2007）在貴州省的研究也得到相似的結(jié)果，城市建設(shè)引起土地利用方式變化，封閉土壤顯著提高了城市的空氣溫度。在寒帶地區(qū)，人工封閉材料導(dǎo)致的地表溫度升高還可能會引起某些凍土層融化（Scalenghe和Ajmone-marsan，2009）。另一方面，土壤溫度的變化會影響土壤的化學(xué)反應(yīng)，特別是對有機(jī)碳的礦化、吸附解吸等產(chǎn)生顯著影響（Sollins等，1996），可一定程度引起城市土壤碳循環(huán)改變。例如，某些輕組有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化對土壤溫度很敏感，溫度的輕微變化即可影響其轉(zhuǎn)化（Davidson和 Janssens，2006）。

城市綠地可緩解城市熱島效應(yīng)，人工封閉減少了市內(nèi)綠地植被也間接影響了城市的能量交換（彭玉麟等，2005）。據(jù)歐洲環(huán)保局估算，對于一個面積為135 km2大小的城市，綠地面積每增加1.5%，城市溫度降低3 ℃（European Environment Agency，2011）；而城市人工封閉導(dǎo)致綠地面積比例下降，從而間接加劇城市熱島效應(yīng)。另外，綠色植被能吸附大氣粉塵及有害氣體，某些植被對污染物有指示作用，土壤封閉后綠色植被的減少一定程度上可引起空氣質(zhì)量惡化。

2.3 對土壤生物多樣性及其行為的影響

土壤支撐著地表大部分植物、動物以及微生物的生命過程，生物的代謝活動也保證了土壤功能的實(shí)現(xiàn)。人工封閉活動顯著降低了城市土壤的植被數(shù)量，同時，機(jī)械壓實(shí)、土壤挖掘等活動也會導(dǎo)致土壤動物（如蚯蚓）數(shù)量大幅減少（European Commission，2012）。封閉還會通過改變某些土壤理化性質(zhì)，影響土壤微生物的生境，一定程度降低土壤酶的活性、真菌與放線菌的數(shù)量以及微生物的功能多樣性（Zhao等，2012；Wei等，2013）。封閉隔斷了城市土壤生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性，制造了大量獨(dú)立的“斑塊”，這些“斑塊”不同程度上限制區(qū)域范圍內(nèi)物種的多樣性（Scalenghe和Ajmone-marsan，2009）。

封閉表層阻礙了土壤與環(huán)境之間的能量交換，可能會進(jìn)一步改變城市生態(tài)系統(tǒng)中某些生物的行為。例如，人工加劇的城市熱島效應(yīng)導(dǎo)致城市氣溫高于郊區(qū)，城市中某些植被的開花時間會比郊區(qū)的略有提前（Roetzer等，2000；Wilby，2006）；土壤溫度的升高還會改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)某些真菌進(jìn)化，影響有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化（Zogg等，1997；McLean 等，2005）。

2.4 對土壤氣體交換的影響

土壤與環(huán)境間的氣體交換是一個復(fù)雜的生態(tài)學(xué)過程，受植被、微生物等生物因素影響的同時，也受到溫度、濕度、pH值等環(huán)境因素的作用，并且隨著人類影響的增強(qiáng)，人為因素的作用也越來越大。土地利用方式轉(zhuǎn)變是影響土壤與大氣氣體交換的重要因素，城市土壤被封閉后，封閉材料能顯著抑制氣體的擴(kuò)散（Kluitenberg等，1991）。Wiegand和Schott（1999）采用222Rn（氡）示蹤技術(shù)定量研究了混凝土與瀝青覆蓋對土壤與外界環(huán)境氣體交換的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤封閉比例超過99%時，氡主要在封閉層下表層土壤中累積，而當(dāng)土壤封閉比例較低時，氡主要在封閉層 0.5 m以下土層中累積。

封閉改變了土壤微生物的群落組成，還會一定程度上影響周邊開放土壤與環(huán)境間氣體交換的種類與數(shù)量。據(jù) Kaye等（2004）研究，美國中部平原地區(qū)，城市封閉土壤中間鑲嵌的草坪只占地區(qū)總面積的6.4%，但其N2O釋放量約占整個平原區(qū)N2O釋放總量的 30%。說明封閉加劇了周邊開放土壤N2O的排放。

大量研究表明城市土壤有較強(qiáng)的碳固持能力，是大氣環(huán)境的碳匯，在全球碳循環(huán)中具有不可忽視的地位（Pouyat等，2002；Pouyat等，2006；Churkina等，2010；羅上華等，2012）。Raciti等人（2011）在美國巴爾的摩市（39°17′ N，76°37′ W）的研究結(jié)果表明，農(nóng)田變更為城市綠地后每年可增加碳匯0.082kg·m2。但是，人工封閉會降低城市土壤的碳儲量，城市封閉土壤碳密度顯著低于非封閉土壤，可能會抵消城市綠地增加的碳匯，導(dǎo)致城市土壤變?yōu)榇髿猸h(huán)境的碳源（Pouyat等，2006；Raciti等，2012；Wei等，2014）。目前研究者們對于城市封閉土壤碳儲量降低的具體機(jī)理尚不清楚，可能與表層土壤的剝離、有機(jī)碳礦化及淋洗有關(guān)，但其損失的最終去向主要是大氣環(huán)境。

2.5 對土壤糧食生產(chǎn)功能的影響

土壤是農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)。歷史上，城市選址往往選擇在土壤較肥沃的地區(qū)，如河流沖積平原等，特別在古代，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較低，肥沃的土壤是城市選址的必要條件?，F(xiàn)代城市的高速擴(kuò)張導(dǎo)致郊區(qū)大面積肥沃農(nóng)田變?yōu)槌鞘型寥?，不能再進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，長此無限制的擴(kuò)張勢必會對人類糧食安全構(gòu)成威脅。歐洲環(huán)保局報(bào)告指出，1990年至 2000年間，城市化進(jìn)程已經(jīng)造成歐洲20個國家9700 km2農(nóng)田變?yōu)槌鞘蟹忾]土壤，其中，德國、西班牙與法國農(nóng)田面積減少最多，分別在 1500 km2到 2000 km2不等，從占用農(nóng)用地總面積的相對比例來看，荷蘭為2.5%，德國為0.5%，西班牙與法國為0.3%，并且這種擴(kuò)張趨勢可能會持續(xù)到2060年（European Environment Agency，2011）。近30年來中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市快速擴(kuò)張主要以占用周邊農(nóng)田完成。談明洪等（2004）研究指出，1990年至 2000年間，中國城市面積約擴(kuò)張 3534 km2，其中 70%的新增城市建設(shè)用地來自耕地，且主要為生產(chǎn)力較高的優(yōu)質(zhì)耕地。鑒于中國人地矛盾問題本已突出，城市封閉對中國的糧食生產(chǎn)構(gòu)成的威脅可能要比世界其它國家或地區(qū)更為顯著。

3 研究展望

城市土壤作為城市發(fā)展建設(shè)的載體，為城市提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，人工封閉不同程度地改變了城市土壤的功能，也影響著整個城市生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著全球城市化的快速發(fā)展，城市生態(tài)系統(tǒng)研究已受到國際以及我國學(xué)者的廣泛關(guān)注，并為此建立了多個長期觀測站進(jìn)行系統(tǒng)研究。城市封閉土壤占城市景觀的大部分，是受人類活動干擾最強(qiáng)烈的城市土壤。但是，它的生態(tài)服務(wù)功能（如物質(zhì)轉(zhuǎn)化、碳固持等）至今仍未受到足夠重視，只在個別城市開展過相關(guān)研究，這限制了人類對城市生態(tài)系統(tǒng)的全面認(rèn)識。目前城市封閉土壤研究仍處于起步階段，未來需要在更多城市開展大量系統(tǒng)調(diào)查研究來獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

另外，已有研究主要圍繞城市人工封閉對城市環(huán)境及土壤的外在表觀影響（如水分下滲、熱島效應(yīng)），然而，對封閉后土壤本身物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的變化及其機(jī)制研究還很缺乏，這就限制了人類對城市化生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的全面認(rèn)識。結(jié)合城市生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)及城市非封閉土壤存在的環(huán)境問題，筆者認(rèn)為以下幾個方面可能需要被著重研究：（1）城市非封閉土壤中易發(fā)生重金屬、有機(jī)污染物及營養(yǎng)鹽的累積，人工封閉后這些污染物質(zhì)在土壤中的賦存、遷移、轉(zhuǎn)化需要進(jìn)一步研究；（2）城市土壤有較高的碳儲存能力，人工封閉后地上植被減少，土壤性質(zhì)改變，影響土壤的碳氮轉(zhuǎn)化。為更精確估測人類居住區(qū)的碳儲量，評價城市化對土壤功能的影響，未來需加強(qiáng)對城市封閉土壤碳氮儲量變化及其穩(wěn)定機(jī)制方面的研究；（3）土壤封閉后，植被與土壤動物的數(shù)量顯著減少，因此，與非封閉土壤相比土壤微生物在封閉土壤生態(tài)系統(tǒng)中的功能會更加突出，研究封閉土壤的微生物性質(zhì)可有力促進(jìn)城市封閉土壤生態(tài)系統(tǒng)研究；（4）城市封閉土壤是受人類活動干擾最強(qiáng)烈的土壤，一些自然土壤或非封閉土壤的研究方法可能不再適用于城市封閉土壤研究，因此，未來城市封閉土壤研究還需要提高方法創(chuàng)新性。

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