謝 天,侯 鷹,陳衛(wèi)平,2,*,王美娥,呂斯丹,李勖之

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 1000493 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 1001014 環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 國(guó)家環(huán)境保護(hù)土壤環(huán)境管理與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210042

在全球城市化的背景下,世界城市人口不斷增加,城市規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張。全球城市人口總數(shù)已經(jīng)由1950年的7.5億上升至2018年的42億,城市人口比例已達(dá)到55%[1]。較歐美發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)城市化進(jìn)程起步相對(duì)較晚, 但發(fā)展速度較快,截止2014年,我國(guó)城鎮(zhèn)化常住人口已經(jīng)由改革開(kāi)放初期的1.7億增至7.3億[2]。然而在城市化快速發(fā)展的背景下,一些城市與地區(qū)仍保持著不可持續(xù)的發(fā)展模式,城市不斷提高的人類活動(dòng)強(qiáng)度導(dǎo)致城市生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益突出,對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程的影響不斷加劇,進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的功能與服務(wù)帶來(lái)顯著的影響,并持續(xù)威脅著城市生態(tài)安全與城市居民的身體健康。

土壤是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和持續(xù)發(fā)展的寶貴資源。Daily等[3]將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總結(jié)為：調(diào)節(jié)水文循環(huán)、植物的物理支撐作用、植物養(yǎng)分的供給與傳輸、廢棄物與污染物的處理、土壤肥力的恢復(fù)以及元素循環(huán)的調(diào)節(jié)作用。作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,城市土壤提供了多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。然而,在快速城市化的過(guò)程中,人類活動(dòng)導(dǎo)致城市中原始的土地覆被類型不斷被工業(yè)建筑用地及人工景觀所取代,自然土壤被硬化地表逐漸封實(shí),高強(qiáng)度的人類活動(dòng)改變了土壤覆被和土地利用格局,影響了城市土壤地球化學(xué)元素的循環(huán)過(guò)程,土壤動(dòng)物的生境隨之受到威脅,生物多樣性發(fā)生變化,土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)受到影響,超出土壤自然生態(tài)功能的閾值,從而帶來(lái)一系列的土壤生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

城市土壤的健康狀況與城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和城市居民健康安全緊密相關(guān)。自20世紀(jì)末,全球范圍內(nèi)對(duì)城市土壤的關(guān)注逐漸增多。當(dāng)前針對(duì)城市土壤生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的研究主要集中在城市各類人為排放的污染物在土壤中的累積特征及健康風(fēng)險(xiǎn)[4-5]。盡管學(xué)界已普遍認(rèn)同人類活動(dòng)導(dǎo)致城市土壤理化性質(zhì)的變化,并帶來(lái)各種不利的生態(tài)效應(yīng),然而城市化過(guò)程對(duì)土壤特征、土壤生物,以及土壤生態(tài)功能影響的研究仍然缺乏系統(tǒng)的分析。本文梳理了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料,分析討論了與城市土壤生物及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能相關(guān)的生態(tài)學(xué)過(guò)程,并從土壤理化性質(zhì)、土壤動(dòng)物、土壤微生物以及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等幾個(gè)方面探討了城市化過(guò)程對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響。

1 城市化對(duì)土壤理化特征的影響

城市土壤的理化特征受城市人為活動(dòng)影響劇烈。建筑施工地和新建的大型公共綠地的土壤經(jīng)歷了人為的移除、堆填及混合等劇烈擾動(dòng),其自然剖面被改變,原有的成土層結(jié)構(gòu)遭到破壞,在垂直方向上形成深厚的均勻混合土層。同時(shí),土壤中無(wú)規(guī)律地混入大量的建筑垃圾和生活垃圾等外來(lái)物質(zhì)[6]。城市人類活動(dòng)造成土層結(jié)構(gòu)的無(wú)序變化,雜質(zhì)來(lái)源多樣且成分組成復(fù)雜,導(dǎo)致城市生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量的下降[7]。城市中,不同城市化程度的公園或居民區(qū)的土壤性質(zhì)均表現(xiàn)出顯著差異[8]。城市土壤理化特征的變化是城市化過(guò)程影響土壤生態(tài)環(huán)境的直觀反映,也是土壤生態(tài)功能變化的潛在原因。

1.1 城市化對(duì)土壤物理特征的影響

人為壓實(shí)是城市綠地土壤的普遍現(xiàn)象,是城市土壤物理特征變化的根本原因。在城市中,建筑材料的堆放、重型機(jī)器的作業(yè)、交通車輛和行人踐踏等行為均直接導(dǎo)致城市土壤壓實(shí),這些人為壓實(shí)行為導(dǎo)致土壤自然結(jié)構(gòu)體變形,土粒團(tuán)聚體之間的孔隙體積縮小,孔隙結(jié)構(gòu)變化甚至坍塌,土壤緊實(shí)度增加,透水透氣性能下降,從而形成較天然土壤更高的容重,造成土壤質(zhì)量的降低。城市中不同類型的人類活動(dòng)代表了不同水平的人為干擾強(qiáng)度,導(dǎo)致土壤容重的差異。研究表明,國(guó)內(nèi)外不同城市的不同功能區(qū)土壤容重均值間存在顯著差異,受到劇烈人類活動(dòng)干擾的城市中心土壤容重大多高于城市周邊郊區(qū)(表1)。另外,相同功能區(qū)內(nèi)不同類型土壤容重同樣差異明顯,例如城市濕地中灌叢下土壤容重顯著高于河漫灘土壤容重[15],而城市公園草地下土壤容重高于喬木植被下土壤容重,并與建筑時(shí)間呈顯著正相關(guān)關(guān)系[16]。因此,城市內(nèi)不同類型的人為活動(dòng)對(duì)土壤壓實(shí)程度具有顯著的影響。

表1 國(guó)內(nèi)外不同城市中不同功能區(qū)綠地土壤容重統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表中均值后不同字母表示不同土地利用類型之間的顯著差異

此外,城市下墊面的改變影響了土壤水分下滲的能力。一方面,地表封實(shí)增加城市地表徑流量,影響地下水自然回灌過(guò)程,改變城市的水文狀況,成為城市內(nèi)澇的重要原因[17],地表徑流帶走土壤中的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),增加了地表河流的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與下游水體的污染負(fù)荷,同時(shí)影響城市土壤和水體的質(zhì)量；另一方面,地表封實(shí)使綠地植物根系難以獲得充足的空氣、水分以及養(yǎng)分,直接限制了植物的生長(zhǎng),缺乏營(yíng)養(yǎng)的植物需要更加頻繁地通過(guò)人為施肥獲得其生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素,進(jìn)一步導(dǎo)致了降雨徑流中養(yǎng)分的增加[18]。因此,物理特征的退化是城市土壤質(zhì)量下降的一種主要表現(xiàn)形式,并進(jìn)一步產(chǎn)生各類城市生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

1.2 城市化對(duì)土壤化學(xué)特征的影響

城市化對(duì)土壤化學(xué)特征的影響主要表現(xiàn)為城市土壤化學(xué)元素循環(huán)過(guò)程的變化。一方面,在城市化過(guò)程中,人為攪動(dòng)造成了城市土壤自身化學(xué)性質(zhì)的改變,土壤的有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量降低,其保持養(yǎng)分的能力減弱。此外,由于城市中植物的凋落物多數(shù)情況下得到了及時(shí)清理,難以實(shí)現(xiàn)土壤與植物之間的養(yǎng)分循環(huán)；土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分進(jìn)一步的損失,導(dǎo)致土壤抵抗干擾能力下降。另一方面,碳、氮、磷、硫等各類營(yíng)養(yǎng)元素通過(guò)大氣沉降、城市面源和點(diǎn)源排放等途徑輸入土壤,改變土壤元素的生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程[19]。此外,城市土壤化學(xué)特征還受到了其物理性質(zhì)變化的影響,例如土壤的可溶性碳、總氮以及總磷在土壤中移動(dòng)性較強(qiáng),與土壤容重呈正相關(guān)關(guān)系[16]。

城市化過(guò)程對(duì)土壤化學(xué)特征影響的另一重要表現(xiàn)是城市土壤污染的加劇。城市土壤處于城市生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的末端,具有接收城市人類活動(dòng)廢棄物和富集污染物質(zhì)的作用[20]。城市中工業(yè)“三廢”、機(jī)動(dòng)車尾氣排放以及城市生活垃圾傾倒,使得大量污染物進(jìn)入土體,從而導(dǎo)致城市土壤重金屬、有機(jī)污染物以及病原菌污染等環(huán)境問(wèn)題[21-22]。城市土壤中累積的各類污染物可以通過(guò)不同的方式進(jìn)入人體,包括直接通過(guò)食物鏈傳遞和土壤顆粒物吸入,伴隨富集的營(yíng)養(yǎng)元素通過(guò)地下水進(jìn)入食物鏈等途徑攝入人體,對(duì)城市居民身體健康造成潛在的威脅[23]。因此,城市化對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響與城市生態(tài)環(huán)境和人體健康密切相關(guān),關(guān)注城市土壤化學(xué)性質(zhì)的變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 城市化對(duì)土壤動(dòng)物生態(tài)學(xué)特征的影響

城市土壤物理化學(xué)特征的退化對(duì)土壤動(dòng)物的生存與生物多樣性造成了潛在威脅。作為土壤動(dòng)物的棲息地,土壤為生活在其中的動(dòng)物提供了必需的營(yíng)養(yǎng)元素和適宜的生存環(huán)境。與此同時(shí),土壤動(dòng)物作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,參與了土壤生態(tài)系統(tǒng)中諸多的生態(tài)過(guò)程,在改善土壤理化性質(zhì),分解土壤凋落物,促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程中均起到了積極的作用。因此,土壤蚯蚓等土壤動(dòng)物能夠反映土壤健康水平,常作為指示生物用以表征土壤環(huán)境質(zhì)量[24]。當(dāng)前對(duì)于土壤動(dòng)物種群和群落的研究已經(jīng)不再局限于自然生態(tài)系統(tǒng),在人為干擾的生態(tài)系統(tǒng)中,土壤動(dòng)物的生態(tài)學(xué)特征的響應(yīng)同樣引發(fā)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。諸多研究表明,城市土壤污染、土壤理化環(huán)境的變化以及其他宏觀尺度的人為活動(dòng)干擾深刻影響了土壤動(dòng)物個(gè)體、種群以及群落特征。

城市人類活動(dòng)造成的土壤污染深刻影響了土壤動(dòng)物的生存環(huán)境,并在基因、細(xì)胞、個(gè)體、群落等水平上對(duì)土壤無(wú)脊椎動(dòng)物產(chǎn)生不同程度的毒性效應(yīng)[25-26]。例如,Creamer 等[27]研究發(fā)現(xiàn)土壤線蟲和線蚓的豐度和物種多樣性對(duì)土壤重金屬濃度變化的響應(yīng)較為敏感,而土壤蚯蚓則具有相對(duì)較強(qiáng)的耐受性,但在土壤重金屬超過(guò)特定閾值時(shí),土壤中蚯蚓表現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)。Skaldina等[28]發(fā)現(xiàn)芬蘭城市工業(yè)區(qū)土壤螞蟻在個(gè)體和種群水平上均受到土壤重金屬濃度的影響。Santorufo等[29]發(fā)現(xiàn)意大利那不勒斯市土壤節(jié)肢動(dòng)物,尤其是彈尾蟲種群豐度受土壤重金屬污染影響尤其顯著。此外,Santorufo[30]研究了土壤節(jié)肢動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)特征對(duì)重金屬污染響應(yīng)的季節(jié)性差異,結(jié)果表明螨蜱目和彈尾目的相對(duì)豐度在秋季分別與土壤總Cu和水溶態(tài)Cu的濃度顯著相關(guān)。多數(shù)研究均表明,城市土壤污染對(duì)于無(wú)脊椎動(dòng)物群落具有明顯的負(fù)面效應(yīng),在短時(shí)間內(nèi),土壤動(dòng)物物種多樣性和豐度均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)[31]；在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),土壤動(dòng)物對(duì)污染的適應(yīng)性可能提高,耐抗性的物種不斷取代群落中敏感的物種,從而改變土壤群落的結(jié)構(gòu)組成[32]。因此,土壤污染物能夠?qū)Τ鞘型寥乐卸喾N無(wú)脊椎動(dòng)物的種群豐度、群落組成和物種多樣性產(chǎn)生不同程度的影響,甚至使其行為活動(dòng)發(fā)生顯著變化[33-34]。

城市土壤理化性質(zhì)的改變,導(dǎo)致土壤動(dòng)物具有獨(dú)特的生態(tài)特征與行為模式。諸多研究表明城市土壤理化性質(zhì)是影響土壤蚯蚓豐度與生物量的決定性因子。例如,Amossé等[35]對(duì)瑞士奈沙泰爾市土壤蚯蚓的研究顯示土壤深度與土壤容重是城市土壤中影響蚯蚓群落結(jié)構(gòu)組成的主要環(huán)境因子,而線蟲群落特征則與土壤含水量顯著相關(guān)。Xie等[36]對(duì)于北京市居民區(qū)蚯蚓群落的研究結(jié)果則表明,土壤含水量和土壤pH值是當(dāng)?shù)仳球救郝浣Y(jié)構(gòu)組成的主要影響因素。此外,伴隨著土壤理化性質(zhì)的變化,土壤動(dòng)物的廣幅種更容易適應(yīng)被干擾的環(huán)境,成為優(yōu)勢(shì)物種,同時(shí)狹幅種則不斷減少,因而具有更高的滅絕風(fēng)險(xiǎn)[37]。

除了土壤理化性質(zhì)改變帶來(lái)的影響以外,城市土壤動(dòng)物的生存還受到來(lái)自宏觀尺度的城市化過(guò)程的影響。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張,由城市景觀格局和土地利用類型發(fā)生變化引起的土壤動(dòng)物棲息地的破壞與喪失直接影響了土壤動(dòng)物的群落結(jié)構(gòu)特征與物種多樣性。例如,彭濤等[38]發(fā)現(xiàn)北京市不同土地利用類型下土壤節(jié)肢動(dòng)物種群豐度具有顯著差異。章家恩等[39]發(fā)現(xiàn)廣州市受人為干擾的土地利用類型中土壤動(dòng)物物種多樣性顯著低于自然植被類型下的相應(yīng)水平。土壤節(jié)肢動(dòng)物群落對(duì)于不同程度城市化壓力的響應(yīng)也存在著顯著差異[36, 40],如圖1所示,本團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)北京市居民區(qū)和公園土壤蚯蚓種群豐度和生物量均與建成時(shí)間顯著相關(guān)[36]。而且,城市化過(guò)程所導(dǎo)致的土壤動(dòng)物棲息地的破碎和消失還可能是城市土壤動(dòng)物局地性瀕危和滅絕的主要原因,其對(duì)土壤動(dòng)物物種多樣性的影響程度可能甚至高于土壤理化性質(zhì)所產(chǎn)生的影響[41]。其他國(guó)家學(xué)者的研究也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果,例如,Leonard[42]發(fā)現(xiàn)悉尼市不同的土壤節(jié)肢動(dòng)物種群豐度受棲息地破碎度的影響極其顯著。美國(guó)曼哈頓土壤螞蟻群落結(jié)構(gòu)與種群豐富度在不同的景觀尺度下具有顯著差異[43-44]。此外,Xie等[36]還通過(guò)Meta-種群動(dòng)態(tài)理論模型解釋了不同景觀尺度下城市土壤生境破碎度對(duì)土壤蚯蚓種群豐度的差異性影響。綜上,由城市化導(dǎo)致的土壤污染物累積、土壤理化性質(zhì)的退化以及土壤動(dòng)物棲息地喪失等現(xiàn)象是土壤動(dòng)物個(gè)體、種群以及群落特征變化的重要原因。

圖1 北京市土壤蚯蚓種群特征與居民區(qū)與公園建成時(shí)間的擬合曲線Fig.1 Fitting curves between the earthworm population and the age of residential areas and parks in Beijing

3 城市化對(duì)土壤微生物特征的影響

土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)生物化學(xué)循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用。土壤微生物群落組成結(jié)構(gòu)特征與土壤環(huán)境變化密切相關(guān),對(duì)土壤環(huán)境變化高度敏感,能夠反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,因而被視為理想的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[45]。城市化是影響全球生物多樣性的關(guān)鍵因素之一,土壤微生物在生物多樣性中占有重要的地位[46]。全球城市的快速擴(kuò)張導(dǎo)致了土壤微生物群落組成與功能發(fā)生變化,因此,研究城市土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的變化與驅(qū)動(dòng)規(guī)律,具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義,因而城市化對(duì)土壤微生物群落特征的影響受到學(xué)界越來(lái)越多地關(guān)注。

已有的研究采用不同技術(shù)手段對(duì)城市土壤微生物群落特征及其影響因素展開(kāi)分析。例如,Xu等[47]通過(guò)454焦磷酸測(cè)序技術(shù)對(duì)我國(guó)16個(gè)城市的代表性公園的土壤微生物群落及地學(xué)特征進(jìn)行研究,揭示了公園土壤理化特征和氣候特征對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征的內(nèi)在關(guān)系。Yan等[48]采用高通量測(cè)序的方法分析了北京市建成區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征,表明城市發(fā)展是影響當(dāng)?shù)爻鞘型寥牢⑸锶郝浣M成與生物多樣性的重要因子,其中土壤pH對(duì)細(xì)菌群落特征的影響最為關(guān)鍵。相似的研究發(fā)現(xiàn)城市土壤微生物群落多樣性隨城市不透水地表的擴(kuò)張而顯著下降,城市土壤重金屬累積以及不同土地利用類型的差異也是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的重要原因[49-50]。上述研究均指出,土壤微生物群落特征與城市化過(guò)程密切相關(guān),由城市化過(guò)程導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)的變化可能是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征差異的根本原因。

此外,國(guó)內(nèi)外學(xué)者還針對(duì)土壤中不同功能類型的微生物受城市化過(guò)程的影響展開(kāi)研究。例如,閆冰等[51]利用Biolog-ECO微平板技術(shù)的分析表明,北京市不同環(huán)路土壤微生物群落代謝功能的多樣性之間并未表現(xiàn)出顯著差異,認(rèn)為城市化發(fā)展過(guò)程可能使土壤微生物功能多樣性趨于同質(zhì)化,該結(jié)論與楊元根等[52]對(duì)英國(guó)城市的研究結(jié)果有所差異,后者指出不同代謝功能的微生物數(shù)量在城鄉(xiāng)梯度上的差異是由于重金屬對(duì)微生物功能損傷的長(zhǎng)期效應(yīng)所導(dǎo)致的。Rai等[53]指出在土壤固氮過(guò)程中起到重要作用的藍(lán)藻細(xì)菌群落內(nèi)的物種多樣性水平受城市化過(guò)程影響顯著。具有耐熱性能的球囊霉素相關(guān)的土壤蛋白的群落同樣在城鄉(xiāng)梯度上表現(xiàn)出了顯著的差異[12]。Mafiz 等[54]通過(guò)宏基因組學(xué)工具對(duì)于美國(guó)城市農(nóng)田土壤細(xì)菌的抗生素耐藥性與耐藥基因展開(kāi)研究,發(fā)現(xiàn)無(wú)論城市土壤是否受到污染,土壤細(xì)菌均存在較為多樣的抗生素抗性基因,且抗生素抗性基因之間、抗生素抗性基因與重金屬抗性基因之間均存在顯著的正相關(guān)性[55-56]。此外,不同的研究還表明城市道路交通壓力、土壤重金屬污染及土地利用類型變化均對(duì)城市土壤多種酶的活性產(chǎn)生重要的影響[57-58]。因此,城市化過(guò)程不僅改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)對(duì)其功能特征也產(chǎn)生了深刻的影響。

城市土壤微生物群落受到了城市地上與地下各種生物因素以及土壤理化性質(zhì)等非生物因素的共同影響,然而城市微生物群落組成、結(jié)構(gòu)和功能特征與各種土壤理化參數(shù)的關(guān)系仍然不明晰,圍繞土壤微生物群落多樣性和地上部分生物多樣性互相作用機(jī)理的研究仍然缺乏。因此,仍需采取相應(yīng)的微生物研究技術(shù),進(jìn)一步對(duì)城市化導(dǎo)致的城市土壤理化性質(zhì)的變化、土壤污染、土地管理措施以及地上生物多樣性的變化對(duì)土壤微生物群落的影響機(jī)制加以深入研究。

4 城市化對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,為人類提供了各種福祉。當(dāng)前學(xué)界提出了土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的不同研究框架,用以評(píng)估土壤生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、土壤生態(tài)功能保護(hù)的優(yōu)先性,并用以制定相應(yīng)的土壤修復(fù)措施。在城市生態(tài)系統(tǒng)的管理中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的概念正在越來(lái)越多地被引入到土壤管理的議題當(dāng)中,例如,在城市管理的前端提出DESTISOL決策支持系統(tǒng)的概念,構(gòu)建了基于城市土壤理化因子、土壤功能以及土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合定量關(guān)系,從而將土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的概念運(yùn)用于城市管理的決策中[59]。簡(jiǎn)而言之,城市土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能受到了研究者和決策者越來(lái)越多的重視。城市土壤既為植物的生長(zhǎng)提供必需的養(yǎng)分,以維持綠色植物的生長(zhǎng)；又能夠過(guò)濾、緩沖和轉(zhuǎn)換土壤中有害物質(zhì),實(shí)現(xiàn)污染物的凈化；并且具有固定與儲(chǔ)存大氣中溫室氣體的能力；同時(shí)還可以與地上部分進(jìn)行水和熱的交換,發(fā)揮其氣候調(diào)節(jié)的功能[60]。已有的相關(guān)研究主要針對(duì)城市化對(duì)土壤維持植物生長(zhǎng)功能、土壤自然消減功能和土壤碳儲(chǔ)存功能的影響。

4.1 城市化對(duì)土壤維持植物生長(zhǎng)功能的影響

城市綠地植被為城市居民提供了重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。相關(guān)研究表明,綠地植物能夠有效緩解城市居民日常的精神壓力,提供綠地景觀的美學(xué)審美價(jià)值。然而,相較于自然森林植被,城市綠地植物具有較低的存活率[61-62]。城市土壤物理、化學(xué)和生物特征的改變能夠?qū)Τ鞘袠?shù)木存活率產(chǎn)生不利影響。伴隨著人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾,城市土壤理化性質(zhì)改變,土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少,對(duì)植物的養(yǎng)分供應(yīng)下降,降低了城市綠地的質(zhì)量,影響了土壤維持植物生長(zhǎng)的功能,阻礙了綠地植物的生長(zhǎng)。

城市化過(guò)程中,土壤物理性質(zhì)的改變是影響城市植物正常生長(zhǎng)的重要因素。土壤的孔隙狀況與土壤環(huán)境中生物與非生物過(guò)程密切相關(guān),包括孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)等相關(guān)土壤物理指標(biāo)決定了土壤中水、氣的比例關(guān)系以及土壤溫度和營(yíng)養(yǎng)的狀態(tài)。然而,人為活動(dòng)導(dǎo)致的土壤壓實(shí)改變了土壤透氣孔徑的分布,相關(guān)研究表明城市土壤孔隙度介于39.6%—47.2%之間,低于土壤的適宜區(qū)間(50%—60%)[7, 63]。Jim等[63]通過(guò)研究中國(guó)香港道路綠地土壤孔隙狀況對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)土壤孔隙度指標(biāo)是影響城市植物生長(zhǎng)功能的重要因子,與植物的健康穩(wěn)定的生長(zhǎng)緊密相關(guān)；此外,不透水地表的擴(kuò)張對(duì)道路綠地植物生長(zhǎng)空間的限制,同樣影響了其正常生長(zhǎng)。同時(shí),Haan等[61]對(duì)美國(guó)密西根城市道路綠地的研究表明,較土壤孔隙度而言,植物的存活率更加取決于土壤質(zhì)地。因此,對(duì)相應(yīng)土壤物理性質(zhì)的改良應(yīng)在城市綠地土壤管理中加以運(yùn)用。

此外,城市土壤化學(xué)特征的變化,使其難以為城市植物生長(zhǎng)提供足夠的肥力和理想的生存環(huán)境,進(jìn)一步抑制城市植物的生存與生長(zhǎng)。例如,Lawrence[64]通過(guò)一般線性混合模型表征城市土壤特征與城市植被特征之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)包括土壤pH、鉀素等土壤化學(xué)特征是決定城市植物生存的重要因子,而城市土地利用覆被類型與人為管護(hù)方式的差異同樣與城市植物的存活率和死亡率密切相關(guān)。類似的研究同樣證實(shí)通過(guò)翻耕與堆肥等不同的人為管理方式可以改善土壤性質(zhì),促進(jìn)城市樹(shù)木的生長(zhǎng)[65]。綜上所述,土壤維持植物生長(zhǎng)的功能受到城市化過(guò)程的影響,與土壤性質(zhì)密切相關(guān),并隨土壤理化性質(zhì)的退化而持續(xù)下降。

維持植物生長(zhǎng)是城市土壤基本的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能之一。在城市中,土壤理化性質(zhì)的改良,對(duì)于維持植物生長(zhǎng)的功能、保障城市綠化效果極為重要。當(dāng)前針對(duì)城市土壤維持植物生長(zhǎng)功能的研究側(cè)重于單一的土壤或城市化因子對(duì)植物健康的影響,難以形成完善的定量評(píng)價(jià)體系。如何建立城市土壤不同理化特征與維持植物生長(zhǎng)功能之間的定量關(guān)系,并為城市綠地管理提供相應(yīng)的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù),仍是城市土壤生態(tài)功能研究的重點(diǎn)。

4.2 城市化對(duì)土壤自然消減功能的影響

城市中人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物大多直接或間接地進(jìn)入城市土壤。作為城市環(huán)境的天然屏障,城市土壤既是城市污染物的匯集地,又是污染物的凈化器,具有容納、過(guò)濾和消解污染物的能力。土壤對(duì)于污染物的凈化功能是城市土壤生態(tài)系統(tǒng)最為重要的生態(tài)功能之一,對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和居民健康起到了積極的作用[16,20]。城市化過(guò)程中人為排放的污染物,在土壤中不斷累積,可能超過(guò)土壤自身的凈化能力,從而導(dǎo)致土壤污染。

美國(guó)環(huán)保局(EPA)將土壤自然消減能力定義為,在沒(méi)有人類干擾的情況下,土壤中污染物的總量、濃度和體積減少、污染物的毒性降低、遷移能力削弱的一系列物理、化學(xué)和生物過(guò)程,是土壤重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[66]。土壤自然消減能力與土壤復(fù)雜的生態(tài)過(guò)程密切相關(guān),不同的土壤因子對(duì)土壤凈化功能發(fā)揮著不同的作用,例如土壤有機(jī)質(zhì)可以通過(guò)固定重金屬離子,顯著降低土壤重金屬有效性[67]；土壤微生物能夠?qū)⑼寥乐杏袡C(jī)污染物吸收、轉(zhuǎn)化并降解為其他無(wú)害的物質(zhì)[68]。因此,土壤對(duì)污染物的凈化功能與土壤自身的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征之間的相互作用密切相關(guān)。通過(guò)土壤理化指標(biāo)對(duì)土壤凈化功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià),是當(dāng)前城市土壤凈化功能研究的熱點(diǎn)。

城市化過(guò)程對(duì)城市土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境脅迫直接影響了其生態(tài)學(xué)過(guò)程,導(dǎo)致了其物理、化學(xué)和生物特征出現(xiàn)了不同程度的改變,進(jìn)一步影響土壤自然消減功能。例如,Set?l? 等[16]分析了城市公園土壤理化性質(zhì)的變化對(duì)土壤固定重金屬能力的影響。Rutgers等[69]和Thomsen等[70]則針對(duì)土壤重金屬和有機(jī)污染物在土壤媒介中揮發(fā)、降解、遷移、擴(kuò)散和生物固定等一系列的生態(tài)學(xué)過(guò)程建立了相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)。Wang等[71]借助了Rutgers 等[69]的模型,選取土壤若干理化指標(biāo)對(duì)北京市土壤的自然消減能力進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)北京市土壤自然消減能力與居民區(qū)和公園的建成年數(shù)顯著相關(guān),其中,在不同的用地類型中,城市公園具有最高的土壤自然消減能力。此外,Xie等[72]考慮到城市土壤不同物理、化學(xué)和生物因子在土壤凈化功能中參與的生態(tài)過(guò)程差異,在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中引入權(quán)重,對(duì)北京市居民區(qū)綠地土壤自然消減能力進(jìn)行定量評(píng)價(jià),結(jié)果表明城市土壤容重、微生物群落多樣性以及有機(jī)質(zhì)含量對(duì)城市土壤自然消減能力的發(fā)揮起到重要的作用；該研究同時(shí)揭示了城市居民區(qū)城市化社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度對(duì)土壤凈化功能的顯著影響,土壤自然消減能力可以通過(guò)城市化社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子有效地進(jìn)行表征。因此,城市土壤自然消減能力與土壤自身理化性質(zhì)密切相關(guān),土壤理化特征的健康是土壤相關(guān)功能正常發(fā)揮的重要前提,同時(shí)城市化強(qiáng)度對(duì)土壤自然消減能力具有顯著的影響。

城市土壤自然消減能力的發(fā)揮關(guān)系到人體健康和城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?，F(xiàn)有的土壤生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)方法較多,尚仍不存在標(biāo)準(zhǔn)的定量評(píng)價(jià)體系。如何建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的土壤功能的評(píng)價(jià)體系,是今后土壤生態(tài)服務(wù)功能,尤其是土壤自然消減能力研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于城市土壤理化特征的變化是導(dǎo)致城市土壤自然消減能力變化的根本原因,因此通過(guò)土壤理化特征對(duì)城市土壤自然消減能力展開(kāi)定量評(píng)價(jià)是較為有效且科學(xué)的研究方法。此外,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)界仍然缺乏根據(jù)土壤自然消減能力確定城市土壤中可容納污染物的臨界閾值的系統(tǒng)研究。構(gòu)建土壤自然消減能力的定量評(píng)價(jià)方法,確定土壤自然消減能力和土壤中污染物臨界閾值之間的定量關(guān)系,對(duì)于明晰城市土壤污染生態(tài)效應(yīng),提高土壤環(huán)境質(zhì)量,保護(hù)城市居民健康安全具有重要意義。

4.3 城市化對(duì)土壤碳儲(chǔ)存功能的影響

土壤碳庫(kù)是陸地碳庫(kù)的重要組成部分。土壤與植被碳庫(kù)的碳儲(chǔ)存能力決定了大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的凈碳通量,其微小的波動(dòng)能夠影響大氣中CO2濃度的年際變化,從而導(dǎo)致全球氣候變化[73]。城市土壤是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫(kù),其碳儲(chǔ)存功能是城市土壤重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。城市土壤固碳功能不僅受到自然因素的影響,也受到城市人類活動(dòng)的干擾。因此,城市生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲(chǔ)存特征、功能及人類活動(dòng)的影響受到學(xué)界越來(lái)越多的關(guān)注[74-75]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全球范圍內(nèi)城市土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算,結(jié)果顯示以往的研究低估了城市土壤的固碳功能。例如,朱超等[76]對(duì)中國(guó)城市建成區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的估算發(fā)現(xiàn),2006年土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為0.25 Pg,占城市生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳總儲(chǔ)量的73%。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)北京[77]、上海[78]、廣州[79]、南京[80]等城市土壤碳儲(chǔ)量分別展開(kāi)調(diào)查,結(jié)果顯示不同城市土壤均具有較高的碳庫(kù)儲(chǔ)量。Churkina等[81]對(duì)美國(guó)城市土壤碳儲(chǔ)量進(jìn)行量化,表明不同城市區(qū)域內(nèi)土壤固碳總量可達(dá)7—17 Pg C,占城市碳庫(kù)總量的64%,城市碳庫(kù)密度則高達(dá)23—42 kg/m2,遠(yuǎn)高于其他自然生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)密度。Edmondson 等[82]發(fā)現(xiàn)城市綠地與不透水地表下的土壤均具有較高的固碳功能,其固碳潛力遠(yuǎn)高于人們的預(yù)期。盡管不同國(guó)家和城市的土壤碳儲(chǔ)量存在一定差異,但針對(duì)不同城市的研究結(jié)果均表明城市土壤具有較強(qiáng)的固碳能力。

由于人類活動(dòng)的影響,城市土壤碳庫(kù)與天然土壤相比,在時(shí)間和空間上具有更高的異質(zhì)性。在時(shí)間尺度上,隨著我國(guó)城市建成區(qū)綠地面積的不斷增加,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在1997—2006年間呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[76]。相似地,美國(guó)城市土壤從1950—2000年之間碳儲(chǔ)量增速顯著。此外,由于城市濕地土壤面積的擴(kuò)張,韓國(guó)在2003—2013年10年間公園表層土壤有機(jī)碳密度增加了2倍以上[83]。相反,哈爾濱市土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量近30年來(lái)下降0.16 Tg,這是由城市中具有較強(qiáng)固碳功能的耕地與林地快速消失所導(dǎo)致的[84]。

在空間尺度上,城市土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與距市中心距離呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系[85]。陳浩等[80]研究發(fā)現(xiàn)南京市土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較低的區(qū)域主要分布在快速城市化區(qū)域,地表的封實(shí)是影響土壤碳儲(chǔ)存功能的最主要原因。在空間垂直方向上,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤深度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。比如,英國(guó)萊徹斯特城的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與土壤深度呈現(xiàn)出負(fù)的指數(shù)相關(guān)關(guān)系,1 m深的土壤中47%的有機(jī)碳均集中在表層土壤[82]。Ghosh 等[86]發(fā)現(xiàn)城市表層土壤(0—30 cm)較深層土壤(30—50 cm和50—100 cm)具有更高的有機(jī)碳儲(chǔ)量。此外,許多研究證實(shí)了城市不同植被類型下土壤固碳功能存在顯著差異,例如,林地土壤的碳固存能力顯著高于草地土壤[75, 83],不同喬木種的土壤之間同樣存在差異[87]。盡管城市造林能夠提升城市生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量,但是對(duì)于土壤碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)仍然存在一定爭(zhēng)議[88]。

不同城市化水平對(duì)土壤碳儲(chǔ)存功能具有顯著的影響。例如,不同研究發(fā)現(xiàn)土壤固碳能力隨城市土地建成年數(shù)增加而增加,這可能是由土壤理化性質(zhì)的變化所導(dǎo)致的[89-90]。相似地,城市人口數(shù)量、城市規(guī)模、土地利用/覆被變化以及城市綠地的不同管理模式均被證實(shí)顯著影響城市土壤碳儲(chǔ)量[91-92]。此外,Liu等[77]采用多個(gè)與土壤有機(jī)碳相關(guān)的指標(biāo),利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指數(shù)的方法,對(duì)北京市建成區(qū)土壤固碳能力進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果表明北京市建成區(qū)土壤固碳功能較差,城市化過(guò)程削弱了城市土壤的固碳功能。Sarzhanov 等[93]通過(guò)CO2/有機(jī)碳庫(kù)比衡量俄羅斯城市土壤碳庫(kù),結(jié)果表明城市化過(guò)程顯著降低了土壤碳儲(chǔ)存功能。Vasenev 等[94]通過(guò)情景分析的方法,模擬不同城市化水平下,俄羅斯莫斯科城市的區(qū)域擴(kuò)張和土地覆被類型變化可能對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生有利或不利的效應(yīng)。綜上,城市中土壤碳庫(kù)具有明顯的時(shí)空異質(zhì)性,城市化能夠顯著影響土壤碳儲(chǔ)存功能。

城市土壤固碳功能在促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、緩解氣候變化效應(yīng)的過(guò)程中扮演著重要的角色,是當(dāng)前城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同城市土壤碳儲(chǔ)存功能及其影響因素的研究較為豐富,但城市土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性較差,土壤固碳功能的影響因素及其生態(tài)效應(yīng)較為復(fù)雜。此外,由于不同研究中土壤碳庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)源、研究尺度以及模型和參數(shù)的選取不同,可能導(dǎo)致估算結(jié)果存在較大差異和不確定性,因而難以將不同城市的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如何在特定尺度上確定統(tǒng)一的碳儲(chǔ)存功能的評(píng)估方法,并提高模型的估算精度,是當(dāng)前土壤相關(guān)功能研究的難點(diǎn)。

5 結(jié)論與展望

城市土壤既為土壤動(dòng)物和微生物提供了天然的棲息地,也為人們提供多種重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。然而,城市土壤受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾,一方面,其本身物理和化學(xué)性質(zhì)較天然土壤而言,均表現(xiàn)出明顯差異。城市土壤理化性質(zhì)的變化能夠顯著影響土壤動(dòng)物與微生物群落的結(jié)構(gòu)特征,同時(shí)導(dǎo)致一系列土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,包括維持植物生長(zhǎng)功能、自然消減能力以及碳儲(chǔ)存功能等發(fā)生變化。因此,城市土壤退化是城市土壤動(dòng)物生態(tài)特征與行為模式、土壤微生物群落特征與功能效應(yīng)以及土壤生態(tài)服務(wù)功能變化的根本原因。另一方面,城市化過(guò)程改變了城市土地利用/覆被類型,破壞了土壤生物棲息地,改變了土壤生物群落結(jié)構(gòu)特征,甚至導(dǎo)致土壤物種局地滅絕,并且影響土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮。

然而,關(guān)于城市化過(guò)程對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響研究仍然存在許多空白,因此亟須對(duì)城市土壤質(zhì)量和土壤生態(tài)服務(wù)功能的影響因素及其機(jī)制展開(kāi)更加細(xì)致和全面的研究。開(kāi)展對(duì)城市土壤理化特征長(zhǎng)期定位和系統(tǒng)觀測(cè),探討城市土壤生物生態(tài)學(xué)特征的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)及其影響驅(qū)動(dòng)因素,能夠?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)系統(tǒng)的管理和決策提供科學(xué)依據(jù),對(duì)提高城市土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,緩解城市化所產(chǎn)生的負(fù)面生態(tài)效應(yīng),保障城市居民健康、保護(hù)人居生活環(huán)境具有重要的意義。