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城市化对土壤生态环境的影响研究进展

北极星环境修复网  来源:生态学报  作者:谢天等  2019/3/13 9:13:01  我要投稿  

北极星环境修复网讯:导 读:城市土壤是城市生态系统中最重要的组成部分之一,发挥着重要的生态系统服务功能。 在全球快速城市化的背景下,城市土壤受到人类活动的强烈干扰,土壤物理、化学性质发生改变,土壤退化与污染日益加重。 城市土壤退化导致土壤动物生态特征与行为模式发生变化,城市景观格局与土地利用类型的变化强烈影响了土壤动物的栖息地,为土壤动物的生存与生物多样性带来潜在威胁;另一方面,城市化过程改变了土壤微生物群落组成与功能特征。 城市化直接影响了城市土壤维持植物生长、土壤自然消减能力以及碳储存功能等重要的生态系统服务功能。 针对城市化过程对土壤生态环境产生的一系列影响,需要采用科学的管理方式,改善土壤理化性质,提高土壤环境质量,保护和恢复土壤生物多样性,从而增强城市土壤的生态系统服务功能。

在全球城市化的背景下,世界城市人口不断增加,城市规模持续扩张。 全球城市人口总数已经由1950年的7.5亿上升至2018年的 42亿,城市人口比例已达到55%。 较欧美发达国家,我国城市化进程起步相对较晚, 但发展速度较快,截止2014年,我国城镇化常住人口已经由改革开放初期的1.7亿增至7.3亿。 然而在城市化快速发展的背景下,一些城市与地区仍保持着不可持续的发展模式,城市不断提高的人类活动强度导致城市生态环境问题日益突出,对城市生态系统结构和过程的影响不断加剧,进而对生态系统的功能与服务带来显著的影响,并持续威胁着城市生态安全与城市居民的身体健康。

土壤是人类赖以生存的物质基础和持续发展的宝贵资源。 Daily 等将土壤生态系统服务功能总结为:调节水文循环、植物的物理支撑作用、植物养分的供给与传输、废弃物与污染物的处理、土壤肥力的恢复以及元素循环的调节作用。 作为城市生态系统的重要组成部分,城市土壤提供了多样的生态系统服务功能。 然而,在快速城市化的过程中,人类活动导致城市中原始的土地覆被类型不断被工业建筑用地及人工景观所取代,自然土壤被硬化地表逐渐封实,高强度的人类活动改变了土壤覆被和土地利用格局,影响了城市土壤地球化学元素的循环过程,土壤动物的生境随之受到威胁,生物多样性发生变化,土壤生态系统的健康状态受到影响,超出土壤自然生态功能的阈值,从而带来一系列的土壤生态环境问题。

城市土壤的健康状况与城市生态环境质量和城市居民健康安全紧密相关。 自20世纪末,全球范围内对城市土壤的关注逐渐增多。 当前针对城市土壤生态环境问题的研究主要集中在城市各类人为排放的污染物在土壤中的累积特征及健康风险。 尽管学界已普遍认同人类活动导致城市土壤理化性质的变化,并带来各种不利的生态效应,然而城市化过程对土壤特征、土壤生物,以及土壤生态功能影响的研究仍然缺乏系统的分析。 本文梳理了国内外相关文献资料,分析讨论了与城市土壤生物及生态系统服务功能相关的生态学过程,并从土壤理化性质、土壤动物、土壤微生物以及土壤生态系统服务功能等几个方面探讨了城市化过程对土壤生态环境的影响。

1 城市化对土壤理化特征的影响

城市土壤的理化特征受城市人为活动影响剧烈。 建筑施工地和新建的大型公共绿地的土壤经历了人为的移除、堆填及混合等剧烈扰动,其自然剖面被改变,原有的成土层结构遭到破坏,在垂直方向上形成深厚的均匀混合土层。 同时,土壤中无规律地混入大量的建筑垃圾和生活垃圾等外来物质。 城市人类活动造成土层结构的无序变化,杂质来源多样且成分组成复杂,导致城市生态系统土壤质量的下降。 城市中,不同城市化程度的公园或居民区的土壤性质均表现出显著差异。 城市土壤理化特征的变化是城市化过程影响土壤生态环境的直观反映,也是土壤生态功能变化的潜在原因。

1.1 城市化对土壤物理特征的影响

人为压实是城市绿地土壤的普遍现象,是城市土壤物理特征变化的根本原因。 在城市中,建筑材料的堆放、重型机器的作业、交通车辆和行人践踏等行为均直接导致城市土壤压实,这些人为压实行为导致土壤自然结构体变形,土粒团聚体之间的孔隙体积缩小,孔隙结构变化甚至坍塌,土壤紧实度增加,透水透气性能下降,从而形成较天然土壤更高的容重,造成土壤质量的降低。 城市中不同类型的人类活动代表了不同水平的人为干扰强度,导致土壤容重的差异。 研究表明,国内外不同城市的不同功能区土壤容重均值间存在显著差异,受到剧烈人类活动干扰的城市中心土壤容重大多高于城市周边郊区(表 1)。 另外,相同功能区内不同类型土壤容重同样差异明显,例如城市湿地中灌丛下土壤容重显著高于河漫滩土壤容重,而城市公园草地下土壤容重高于乔木植被下土壤容重,并与建筑时间呈显著正相关关系。 因此,城市内不同类型的人为活动对土壤压实程度具有显著的影响。

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此外,城市下垫面的改变影响了土壤水分下渗的能力。 一方面,地表封实增加城市地表径流量,影响地下水自然回灌过程,改变城市的水文状况,成为城市内涝的重要原因,地表径流带走土壤中的大量营养物质,增加了地表河流的营养物质与下游水体的污染负荷,同时影响城市土壤和水体的质量;另一方面,地表封实使绿地植物根系难以获得充足的空气、水分以及养分,直接限制了植物的生长,缺乏营养的植物需要更加频繁地通过人为施肥获得其生长必需的营养元素,进一步导致了降雨径流中养分的增加。 因此,物理特征的退化是城市土壤质量下降的一种主要表现形式,并进一步产生各类城市生态环境效应。

1.2 城市化对土壤化学特征的影响

城市化对土壤化学特征的影响主要表现为城市土壤化学元素循环过程的变化。 一方面,在城市化过程中,人为搅动造成了城市土壤自身化学性质的改变,土壤的有机质和速效养分含量降低,其保持养分的能力减弱。 此外,由于城市中植物的凋落物多数情况下得到了及时清理,难以实现土壤与植物之间的养分循环;土壤有机质和养分进一步的损失,导致土壤抵抗干扰能力下降。 另一方面,碳、氮、磷、硫等各类营养元素通过大气沉降、城市面源和点源排放等途径输入土壤,改变土壤元素的生物化学循环过程。 此外,城市土壤化学特征还受到了其物理性质变化的影响,例如土壤的可溶性碳、总氮以及总磷在土壤中移动性较强,与土壤容重呈正相关关系。

城市化过程对土壤化学特征影响的另一重要表现是城市土壤污染的加剧。 城市土壤处于城市生态系统物质循环的末端,具有接收城市人类活动废弃物和富集污染物质的作用。 城市中工业“三废”、机动车尾气排放以及城市生活垃圾倾倒,使得大量污染物进入土体,从而导致城市土壤重金属、有机污染物以及病原菌污染等环境问题。 城市土壤中累积的各类污染物可以通过不同的方式进入人体,包括直接通过食物链传递和土壤颗粒物吸入,伴随富集的营养元素通过地下水进入食物链等途径摄入人体,对城市居民身体健康造成潜在的威胁。 因此,城市化对土壤化学性质的影响与城市生态环境和人体健康密切相关,关注城市土壤化学性质的变化具有重要的现实意义。

2 城市化对土壤动物生态学特征的影响

城市土壤物理化学特征的退化对土壤动物的生存与生物多样性造成了潜在威胁。 作为土壤动物的栖息地,土壤为生活在其中的动物提供了必需的营养元素和适宜的生存环境。 与此同时,土壤动物作为陆地生态系统的重要组成部分,参与了土壤生态系统中诸多的生态过程,在改善土壤理化性质,分解土壤凋落物,促进土壤养分循环等过程中均起到了积极的作用。 因此,土壤蚯蚓等土壤动物能够反映土壤健康水平,常作为指示生物用以表征土壤环境质量。 当前对于土壤动物种群和群落的研究已经不再局限于自然生态系统,在人为干扰的生态系统中,土壤动物的生态学特征的响应同样引发了国内外学者的关注。 诸多研究表明,城市土壤污染、土壤理化环境的变化以及其他宏观尺度的人为活动干扰深刻影响了土壤动物个体、种群以及群落特征。

城市人类活动造成的土壤污染深刻影响了土壤动物的生存环境,并在基因、细胞、个体、群落等水平上对土壤无脊椎动物产生不同程度的毒性效应。 例如,Creamer 等研究发现土壤线虫和线蚓的丰度和物种多样性对土壤重金属浓度变化的响应较为敏感,而土壤蚯蚓则具有相对较强的耐受性,但在土壤重金属超过特定阈值时,土壤中蚯蚓表现显著下降的趋势。 Skaldina 等发现芬兰城市工业区土壤蚂蚁在个体和种群水平上均受到土壤重金属浓度的影响。 Santorufo 等发现意大利那不勒斯市土壤节肢动物,尤其是弹尾虫种群丰度受土壤重金属污染影响尤其显著。 此外,Santorufo研究了土壤节肢动物群落结构特征对重金属污染响应的季节性差异,结果表明螨蜱目和弹尾目的相对丰度在秋季分别与土壤总 Cu 和水溶态 Cu 的浓度显著相关。 多数研究均表明,城市土壤污染对于无脊椎动物群落具有明显的负面效应,在短时间内,土壤动物物种多样性和丰度均呈现下降的趋势;在长时间内,土壤动物对污染的适应性可能提高,耐抗性的物种不断取代群落中敏感的物种,从而改变土壤群落的结构组成。 因此,土壤污染物能够对城市土壤中多种无脊椎动物的种群丰度、群落组成和物种多样性产生不同程度的影响,甚至使其行为活动发生显著变化。

城市土壤理化性质的改变,导致土壤动物具有独特的生态特征与行为模式。 诸多研究表明城市土壤理化性质是影响土壤蚯蚓丰度与生物量的决定性因子。 例如,Amossé 等对瑞士奈沙泰尔市土壤蚯蚓的研究显示土壤深度与土壤容重是城市土壤中影响蚯蚓群落结构组成的主要环境因子,而线虫群落特征则与土壤含水量显著相关。 Xie 等对于北京市居民区蚯蚓群落的研究结果则表明,土壤含水量和土壤 pH 值是当地蚯蚓群落结构组成的主要影响因素。 此外,伴随着土壤理化性质的变化,土壤动物的广幅种更容易适应被干扰的环境,成为优势物种,同时狭幅种则不断减少,因而具有更高的灭绝风险。

除了土壤理化性质改变带来的影响以外,城市土壤动物的生存还受到来自宏观尺度的城市化过程的影响。 随着城市规模的扩张,由城市景观格局和土地利用类型发生变化引起的土壤动物栖息地的破坏与丧失直接影响了土壤动物的群落结构特征与物种多样性。 例如,彭涛等发现北京市不同土地利用类型下土壤节肢动物种群丰度具有显著差异。 章家恩等发现广州市受人为干扰的土地利用类型中土壤动物物种多样性显著低于自然植被类型下的相应水平。 土壤节肢动物群落对于不同程度城市化压力的响应也存在着显著差异,如图1所示,本团队研究发现北京市居民区和公园土壤蚯蚓种群丰度和生物量均与建成时间显著相关。 而且,城市化过程所导致的土壤动物栖息地的破碎和消失还可能是城市土壤动物局地性濒危和灭绝的主要原因,其对土壤动物物种多样性的影响程度可能甚至高于土壤理化性质所产生的影响。 其他国家学者的研究也发现类似结果,例如,Leonard发现悉尼市不同的土壤节肢动物种群丰度受栖息地破碎度的影响极其显著。 美国曼哈顿土壤蚂蚁群落结构与种群丰富度在不同的景观尺度下具有显著差异。 此外,Xie 等还通过 Meta⁃种群动态理论模型解释了不同景观尺度下城市土壤生境破碎度对土壤蚯蚓种群丰度的差异性影响。 综上,由城市化导致的土壤污染物累积、土壤理化性质的退化以及土壤动物栖息地丧失等现象是土壤动物个体、种群以及群落特征变化的重要原因。

3 城市化对土壤微生物特征的影响

土壤微生物在陆地生态系统生物化学循环过程中发挥着不可替代的作用。 土壤微生物群落组成结构特征与土壤环境变化密切相关,对土壤环境变化高度敏感,能够反映土壤生态系统的健康状况,因而被视为理想的土壤质量评价指标。 城市化是影响全球生物多样性的关键因素之一,土壤微生物在生物多样性中占有重要的地位。 全球城市的快速扩张导致了土壤微生物群落组成与功能发生变化,因此,研究城市土壤微生物群落结构与功能的变化与驱动规律,具有重要的理论与现实意义,因而城市化对土壤微生物群落特征的影响受到学界越来越多地关注。

已有的研究采用不同技术手段对城市土壤微生物群落特征及其影响因素展开分析。 例如,Xu 等通过454焦磷酸测序技术对我国 16个城市的代表性公园的土壤微生物群落及地学特征进行研究,揭示了公园土壤理化特征和气候特征对细菌群落结构特征的内在关系。 Yan 等采用高通量测序的方法分析了北京市建成区土壤微生物群落结构特征,表明城市发展是影响当地城市土壤微生物群落组成与生物多样性的重要因子,其中土壤pH对细菌群落特征的影响最为关键。 相似的研究发现城市土壤微生物群落多样性随城市不透水地表的扩张而显著下降,城市土壤重金属累积以及不同土地利用类型的差异也是土壤微生物群落结构变化的重要原因。 上述研究均指出,土壤微生物群落特征与城市化过程密切相关,由城市化过程导致的土壤理化性质的变化可能是土壤微生物群落结构特征差异的根本原因。

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此外,国内外学者还针对土壤中不同功能类型的微生物受城市化过程的影响展开研究。 例如,闫冰等利用 Biolog⁃ECO 微平板技术的分析表明,北京市不同环路土壤微生物群落代谢功能的多样性之间并未表现出显著差异,认为城市化发展过程可能使土壤微生物功能多样性趋于同质化,该结论与杨元根等对英国城市的研究结果有所差异,后者指出不同代谢功能的微生物数量在城乡梯度上的差异是由于重金属对微生物功能损伤的长期效应所导致的。 Rai等指出在土壤固氮过程中起到重要作用的蓝藻细菌群落内的物种多样性水平受城市化过程影响显著。 具有耐热性能的球囊霉素相关的土壤蛋白的群落同样在城乡梯度上表现出了显著的差异。 Mafiz 等通过宏基因组学工具对于美国城市农田土壤细菌的抗生素耐药性与耐药基因展开研究,发现无论城市土壤是否受到污染,土壤细菌均存在较为多样的抗生素抗性基因,且抗生素抗性基因之间、抗生素抗性基因与重金属抗性基因之间均存在显著的正相关性。 此外,不同的研究还表明城市道路交通压力、土壤重金属污染及土地利用类型变化均对城市土壤多种酶的活性产生重要的影响。 因此,城市化过程不仅改变了土壤微生物群落结构特征,同时对其功能特征也产生了深刻的影响。

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