城市化对土壤生态环境的影响研究进展

城市土壤微生物群落受到了城市地上与地下各种生物因素以及土壤理化性质等非生物因素的共同影响，然而城市微生物群落组成、结构和功能特征与各种土壤理化参数的关系仍然不明晰，围绕土壤微生物群落多样性和地上部分生物多样性互相作用机理的研究仍然缺乏。 因此，仍需采取相应的微生物研究技术，进一步对城市化导致的城市土壤理化性质的变化、土壤污染、土地管理措施以及地上生物多样性的变化对土壤微生物群落的影响机制加以深入研究。

４ 城市化对土壤生态系统服务功能的影响

土壤作为生态系统的重要组成部分，为人类提供了各种福祉。 当前学界提出了土壤生态系统服务功能的不同研究框架，用以评估土壤生态风险、土壤生态功能保护的优先性，并用以制定相应的土壤修复措施。 在城市生态系统的管理中，生态系统服务功能的概念正在越来越多地被引入到土壤管理的议题当中，例如，在城市管理的前端提出 ＤＥＳＴＩＳＯＬ 决策支持系统的概念，构建了基于城市土壤理化因子、土壤功能以及土壤生态系统服务的综合定量关系，从而将土壤生态系统服务功能的概念运用于城市管理的决策中。 简而言之，城市土壤生态系统服务功能受到了研究者和决策者越来越多的重视。 城市土壤既为植物的生长提供必需的养分，以维持绿色植物的生长；又能够过滤、缓冲和转换土壤中有害物质，实现污染物的净化；并且具有固定与储存大气中温室气体的能力；同时还可以与地上部分进行水和热的交换，发挥其气候调节的功能。 已有的相关研究主要针对城市化对土壤维持植物生长功能、土壤自然消减功能和土壤碳储存功能的影响。

４．１ 城市化对土壤维持植物生长功能的影响

城市绿地植被为城市居民提供了重要的生态系统服务。 相关研究表明，绿地植物能够有效缓解城市居民日常的精神压力，提供绿地景观的美学审美价值。 然而，相较于自然森林植被，城市绿地植物具有较低的存活率。 城市土壤物理、化学和生物特征的改变能够对城市树木存活率产生不利影响。 伴随着人类活动的强烈干扰，城市土壤理化性质改变，土壤营养物质减少，对植物的养分供应下降，降低了城市绿地的质量，影响了土壤维持植物生长的功能，阻碍了绿地植物的生长。

城市化过程中，土壤物理性质的改变是影响城市植物正常生长的重要因素。 土壤的孔隙状况与土壤环境中生物与非生物过程密切相关，包括孔隙度、孔隙结构等相关土壤物理指标决定了土壤中水、气的比例关系以及土壤温度和营养的状态。 然而，人为活动导致的土壤压实改变了土壤透气孔径的分布，相关研究表明城市土壤孔隙度介于39.6％—47.2％之间，低于土壤的适宜区间（50％—60％）。 Ｊｉｍ 等通过研究中国香港道路绿地土壤孔隙状况对树木生长的影响，发现土壤孔隙度指标是影响城市植物生长功能的重要因子，与植物的健康稳定的生长紧密相关；此外，不透水地表的扩张对道路绿地植物生长空间的限制，同样影响了其正常生长。 同时，Ｈａａｎ 等对美国密西根城市道路绿地的研究表明，较土壤孔隙度而言，植物的存活率更加取决于土壤质地。 因此，对相应土壤物理性质的改良应在城市绿地土壤管理中加以运用。

此外，城市土壤化学特征的变化，使其难以为城市植物生长提供足够的肥力和理想的生存环境，进一步抑制城市植物的生存与生长。 例如，Ｌａｗｒｅｎｃｅ通过一般线性混合模型表征城市土壤特征与城市植被特征之间的关系，发现包括土壤 ｐＨ、钾素等土壤化学特征是决定城市植物生存的重要因子，而城市土地利用覆被类型与人为管护方式的差异同样与城市植物的存活率和死亡率密切相关。 类似的研究同样证实通过翻耕与堆肥等不同的人为管理方式可以改善土壤性质，促进城市树木的生长。 综上所述，土壤维持植物生长的功能受到城市化过程的影响，与土壤性质密切相关，并随土壤理化性质的退化而持续下降。维持植物生长是城市土壤基本的生态系统服务功能之一。 在城市中，土壤理化性质的改良，对于维持植物生长的功能、保障城市绿化效果极为重要。 当前针对城市土壤维持植物生长功能的研究侧重于单一的土壤或城市化因子对植物健康的影响，难以形成完善的定量评价体系。 如何建立城市土壤不同理化特征与维持植物生长功能之间的定量关系，并为城市绿地管理提供相应的科学指导依据，仍是城市土壤生态功能研究的重点。

４．２ 城市化对土壤自然消减功能的影响

城市中人类活动产生的污染物大多直接或间接地进入城市土壤。 作为城市环境的天然屏障，城市土壤既是城市污染物的汇集地，又是污染物的净化器，具有容纳、过滤和消解污染物的能力。 土壤对于污染物的净化功能是城市土壤生态系统最为重要的生态功能之一，对城市生态系统的保护和居民健康起到了积极的作用。 城市化过程中人为排放的污染物，在土壤中不断累积，可能超过土壤自身的净化能力，从而导致土壤污染。

美国环保局（ＥＰＡ）将土壤自然消减能力定义为，在没有人类干扰的情况下，土壤中污染物的总量、浓度和体积减少、污染物的毒性降低、迁移能力削弱的一系列物理、化学和生物过程，是土壤重要的生态系统服务功能。 土壤自然消减能力与土壤复杂的生态过程密切相关，不同的土壤因子对土壤净化功能发挥着不同的作用，例如土壤有机质可以通过固定重金属离子，显著降低土壤重金属有效性；土壤微生物能够将土壤中有机污染物吸收、转化并降解为其他无害的物质。 因此，土壤对污染物的净化功能与土壤自身的物理、化学和生物学特征之间的相互作用密切相关。 通过土壤理化指标对土壤净化功能进行定量评价，是当前城市土壤净化功能研究的热点。

城市化过程对城市土壤生态系统产生的环境胁迫直接影响了其生态学过程，导致了其物理、化学和生物特征出现了不同程度的改变，进一步影响土壤自然消减功能。 例如，Ｓｅｔäｌä 等分析了城市公园土壤理化性质的变化对土壤固定重金属能力的影响。 Ｒｕｔｇｅｒｓ 等和 Ｔｈｏｍｓｅｎ 等则针对土壤重金属和有机污染物在土壤媒介中挥发、降解、迁移、扩散和生物固定等一系列的生态学过程建立了相应的生态系统功能评价指标。Ｗａｎｇ 等借助了 Ｒｕｔｇｅｒｓ 等［的模型，选取土壤若干理化指标对北京市土壤的自然消减能力进行了评价，发现北京市土壤自然消减能力与居民区和公园的建成年数显著相关，其中，在不同的用地类型中，城市公园具有最高的土壤自然消减能力。 此外，Ｘｉｅ 等考虑到城市土壤不同物理、化学和生物因子在土壤净化功能中参与的生态过程差异，在评价指标体系中引入权重，对北京市居民区绿地土壤自然消减能力进行定量评价，结果表明城市土壤容重、微生物群落多样性以及有机质含量对城市土壤自然消减能力的发挥起到重要的作用；该研究同时揭示了城市居民区城市化社会经济发展程度对土壤净化功能的显著影响，土壤自然消减能力可以通过城市化社会经济因子有效地进行表征。 因此，城市土壤自然消减能力与土壤自身理化性质密切相关，土壤理化特征的健康是土壤相关功能正常发挥的重要前提，同时城市化强度对土壤自然消减能力具有显著的影响。

城市土壤自然消减能力的发挥关系到人体健康和城市生态环境质量。 现有的土壤生态服务功能评价方法较多，尚仍不存在标准的定量评价体系。 如何建立标准规范的土壤功能的评价体系，是今后土壤生态服务功能，尤其是土壤自然消减能力研究的重点和难点。 由于城市土壤理化特征的变化是导致城市土壤自然消减能力变化的根本原因，因此通过土壤理化特征对城市土壤自然消减能力展开定量评价是较为有效且科学的研究方法。 此外，当前国内外学界仍然缺乏根据土壤自然消减能力确定城市土壤中可容纳污染物的临界阈值的系统研究。 构建土壤自然消减能力的定量评价方法，确定土壤自然消减能力和土壤中污染物临界阈值之间的定量关系，对于明晰城市土壤污染生态效应，提高土壤环境质量，保护城市居民健康安全具有重要意义。

4.3 城市化对土壤碳储存功能的影响

土壤碳库是陆地碳库的重要组成部分。 土壤与植被碳库的碳储存能力决定了大气与陆地生态系统之间的净碳通量，其微小的波动能够影响大气中 ＣＯ２浓度的年际变化，从而导致全球气候变化。 城市土壤是城市生态系统的重要碳库，其碳储存功能是城市土壤重要的生态系统服务功能。 城市土壤固碳功能不仅受到自然因素的影响，也受到城市人类活动的干扰。 因此，城市生态系统土壤碳储存特征、功能及人类活动的影响受到学界越来越多的关注。

近年来国内外学者对全球范围内城市土壤碳储量进行估算，结果显示以往的研究低估了城市土壤的固碳功能。 例如，朱超等对中国城市建成区土壤有机碳储量的估算发现，2006 年土壤有机碳储量约为0.25 Ｐｇ，占城市生态系统有机碳总储量的73％。 国内学者对北京、上海、广州、南京等城市土壤碳储量分别展开调查，结果显示不同城市土壤均具有较高的碳库储量。 Ｃｈｕｒｋｉｎａ 等对美国城市土壤碳储量进行量化，表明不同城市区域内土壤固碳总量可达7—17 Ｐｇ Ｃ，占城市碳库总量的64％，城市碳库密度则高达23—42ｋｇ ／ ｍ２，远高于其他自然生态系统的碳库密度。 Ｅｄｍｏｎｄｓｏｎ 等发现城市绿地与不透水地表下的土壤均具有较高的固碳功能，其固碳潜力远高于人们的预期。 尽管不同国家和城市的土壤碳储量存在一定差异，但针对不同城市的研究结果均表明城市土壤具有较强的固碳能力。

由于人类活动的影响，城市土壤碳库与天然土壤相比，在时间和空间上具有更高的异质性。 在时间尺度上，随着我国城市建成区绿地面积的不断增加，土壤有机碳储量在1997—2006年间呈现出快速增长的趋势。 相似地，美国城市土壤从1950—2000年之间碳储量增速显著。 此外，由于城市湿地土壤面积的扩张，韩国在 2003—2013年10年间公园表层土壤有机碳密度增加了2倍以上。 相反，哈尔滨市土壤有机碳库储量近 30年来下降0.16Ｔｇ，这是由城市中具有较强固碳功能的耕地与林地快速消失所导致的。

在空间尺度上，城市土壤有机碳储量与距市中心距离呈显著的负相关关系。 陈浩等 研究发现南京市土壤有机碳储量较低的区域主要分布在快速城市化区域，地表的封实是影响土壤碳储存功能的最主要原因。 在空间垂直方向上，土壤有机碳储量与土壤深度存在负相关关系。 比如，英国莱彻斯特城的土壤有机碳储量与土壤深度呈现出负的指数相关关系，１ｍ深的土壤中47％的有机碳均集中在表层土壤。 Ｇｈｏｓｈ等发现城市表层土壤（0—30 ｃｍ）较深层土壤（30—50ｃｍ 和50—100ｃｍ）具有更高的有机碳储量。 此外，许多研究证实了城市不同植被类型下土壤固碳功能存在显著差异，例如，林地土壤的碳固存能力显著高于草地土壤，不同乔木种的土壤之间同样存在差异。 尽管城市造林能够提升城市生态系统的碳储量，但是对于土壤碳储量的贡献仍然存在一定争议。

不同城市化水平对土壤碳储存功能具有显著的影响。 例如，不同研究发现土壤固碳能力随城市土地建成年数增加而增加，这可能是由土壤理化性质的变化所导致的。 相似地，城市人口数量、城市规模、土地利用／ 覆被变化以及城市绿地的不同管理模式均被证实显著影响城市土壤碳储量。 此外，Ｌｉｕ 等采用多个与土壤有机碳相关的指标，利用生态系统服务功能指数的方法，对北京市建成区土壤固碳能力进行评价，结果表明北京市建成区土壤固碳功能较差，城市化过程削弱了城市土壤的固碳功能。 Ｓａｒｚｈａｎｏｖ 等［通过 ＣＯ２／有机碳库比衡量俄罗斯城市土壤碳库，结果表明城市化过程显著降低了土壤碳储存功能。 Ｖａｓｅｎｅｖ 等通过情景分析的方法，模拟不同城市化水平下，俄罗斯莫斯科城市的区域扩张和土地覆被类型变化可能对土壤有机碳储量产生有利或不利的效应。 综上，城市中土壤碳库具有明显的时空异质性，城市化能够显著影响土壤碳储存功能。

城市土壤固碳功能在促进生态系统碳循环、缓解气候变化效应的过程中扮演着重要的角色，是当前城市生态系统服务功能的研究热点。 目前国内外学者对不同城市土壤碳储存功能及其影响因素的研究较为丰富，但城市土壤碳库的稳定性较差，土壤固碳功能的影响因素及其生态效应较为复杂。 此外，由于不同研究中土壤碳库的数据来源、研究尺度以及模型和参数的选取不同，可能导致估算结果存在较大差异和不确定性，因而难以将不同城市的研究结果进行对比。 如何在特定尺度上确定统一的碳储存功能的评估方法，并提高模型的估算精度，是当前土壤相关功能研究的难点。

５ 结论与展望

城市土壤既为土壤动物和微生物提供了天然的栖息地，也为人们提供多种重要的生态系统服务功能。 然而，城市土壤受到人类活动的强烈干扰，一方面，其本身物理和化学性质较天然土壤而言，均表现出明显差异。城市土壤理化性质的变化能够显著影响土壤动物与微生物群落的结构特征，同时导致一系列土壤生态系统服务功能，包括维持植物生长功能、自然消减能力以及碳储存功能等发生变化。 因此，城市土壤退化是城市土壤动物生态特征与行为模式、土壤微生物群落特征与功能效应以及土壤生态服务功能变化的根本原因。 另一方面，城市化过程改变了城市土地利用／覆被类型，破坏了土壤生物栖息地，改变了土壤生物群落结构特征，甚至导致土壤物种局地灭绝，并且影响土壤生态系统服务功能的发挥。然而，关于城市化过程对土壤生态环境的影响研究仍然存在许多空白，因此亟须对城市土壤质量和土壤生态服务功能的影响因素及其机制展开更加细致和全面的研究。 开展对城市土壤理化特征长期定位和系统观测，探讨城市土壤生物生态学特征的动态变化趋势及其影响驱动因素，能够为城市生态系统的管理和决策提供科学依据，对提高城市土壤生态系统服务功能，缓解城市化所产生的负面生态效应，保障城市居民健康、保护人居生活环境具有重要的意义。