城市化對土壤生態環境的影響研究進展

謝 天,侯 鷹,陳衛平,2,*,王美娥,呂斯丹,李勖之

1 中國科學院生態環境研究中心, 城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 1000493 中國科學院地理科學與資源研究所, 生態系統網絡觀測與模擬院重點實驗室, 北京 1001014 環境保護部南京環境科學研究所, 國家環境保護土壤環境管理與污染控制重點實驗室, 南京 210042

在全球城市化的背景下,世界城市人口不斷增加,城市規模持續擴張。全球城市人口總數已經由1950年的7.5億上升至2018年的42億,城市人口比例已達到55%[1]。較歐美發達國家,我國城市化進程起步相對較晚, 但發展速度較快,截止2014年,我國城鎮化常住人口已經由改革開放初期的1.7億增至7.3億[2]。然而在城市化快速發展的背景下,一些城市與地區仍保持著不可持續的發展模式,城市不斷提高的人類活動強度導致城市生態環境問題日益突出,對城市生態系統結構和過程的影響不斷加劇,進而對生態系統的功能與服務帶來顯著的影響,并持續威脅著城市生態安全與城市居民的身體健康。

土壤是人類賴以生存的物質基礎和持續發展的寶貴資源。Daily等[3]將土壤生態系統服務功能總結為：調節水文循環、植物的物理支撐作用、植物養分的供給與傳輸、廢棄物與污染物的處理、土壤肥力的恢復以及元素循環的調節作用。作為城市生態系統的重要組成部分,城市土壤提供了多樣的生態系統服務功能。然而,在快速城市化的過程中,人類活動導致城市中原始的土地覆被類型不斷被工業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,高強度的人類活動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元素的循環過程,土壤動物的生境隨之受到威脅,生物多樣性發生變化,土壤生態系統的健康狀態受到影響,超出土壤自然生態功能的閾值,從而帶來一系列的土壤生態環境問題。

城市土壤的健康狀況與城市生態環境質量和城市居民健康安全緊密相關。自20世紀末,全球范圍內對城市土壤的關注逐漸增多。當前針對城市土壤生態環境問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險[4-5]。盡管學界已普遍認同人類活動導致城市土壤理化性質的變化,并帶來各種不利的生態效應,然而城市化過程對土壤特征、土壤生物,以及土壤生態功能影響的研究仍然缺乏系統的分析。本文梳理了國內外相關文獻資料,分析討論了與城市土壤生物及生態系統服務功能相關的生態學過程,并從土壤理化性質、土壤動物、土壤微生物以及土壤生態系統服務功能等幾個方面探討了城市化過程對土壤生態環境的影響。

1 城市化對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影響劇烈。建筑施工地和新建的大型公共綠地的土壤經歷了人為的移除、堆填及混合等劇烈擾動,其自然剖面被改變,原有的成土層結構遭到破壞,在垂直方向上形成深厚的均勻混合土層。同時,土壤中無規律地混入大量的建筑垃圾和生活垃圾等外來物質[6]。城市人類活動造成土層結構的無序變化,雜質來源多樣且成分組成復雜,導致城市生態系統土壤質量的下降[7]。城市中,不同城市化程度的公園或居民區的土壤性質均表現出顯著差異[8]。城市土壤理化特征的變化是城市化過程影響土壤生態環境的直觀反映,也是土壤生態功能變化的潛在原因。

1.1 城市化對土壤物理特征的影響

人為壓實是城市綠地土壤的普遍現象,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、重型機器的作業、交通車輛和行人踐踏等行為均直接導致城市土壤壓實,這些人為壓實行為導致土壤自然結構體變形,土粒團聚體之間的孔隙體積縮小,孔隙結構變化甚至坍塌,土壤緊實度增加,透水透氣性能下降,從而形成較天然土壤更高的容重,造成土壤質量的降低。城市中不同類型的人類活動代表了不同水平的人為干擾強度,導致土壤容重的差異。研究表明,國內外不同城市的不同功能區土壤容重均值間存在顯著差異,受到劇烈人類活動干擾的城市中心土壤容重大多高于城市周邊郊區(表1)。另外,相同功能區內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,并與建筑時間呈顯著正相關關系[16]。因此,城市內不同類型的人為活動對土壤壓實程度具有顯著的影響。

表1 國內外不同城市中不同功能區綠地土壤容重統計結果

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,地表封實增加城市地表徑流量,影響地下水自然回灌過程,改變城市的水文狀況,成為城市內澇的重要原因[17],地表徑流帶走土壤中的大量營養物質,增加了地表河流的營養物質與下游水體的污染負荷,同時影響城市土壤和水體的質量；另一方面,地表封實使綠地植物根系難以獲得充足的空氣、水分以及養分,直接限制了植物的生長,缺乏營養的植物需要更加頻繁地通過人為施肥獲得其生長必需的營養元素,進一步導致了降雨徑流中養分的增加[18]。因此,物理特征的退化是城市土壤質量下降的一種主要表現形式,并進一步產生各類城市生態環境效應。

1.2 城市化對土壤化學特征的影響

城市化對土壤化學特征的影響主要表現為城市土壤化學元素循環過程的變化。一方面,在城市化過程中,人為攪動造成了城市土壤自身化學性質的改變,土壤的有機質和速效養分含量降低,其保持養分的能力減弱。此外,由于城市中植物的凋落物多數情況下得到了及時清理,難以實現土壤與植物之間的養分循環；土壤有機質和養分進一步的損失,導致土壤抵抗干擾能力下降。另一方面,碳、氮、磷、硫等各類營養元素通過大氣沉降、城市面源和點源排放等途徑輸入土壤,改變土壤元素的生物化學循環過程[19]。此外,城市土壤化學特征還受到了其物理性質變化的影響,例如土壤的可溶性碳、總氮以及總磷在土壤中移動性較強,與土壤容重呈正相關關系[16]。

城市化過程對土壤化學特征影響的另一重要表現是城市土壤污染的加劇。城市土壤處于城市生態系統物質循環的末端,具有接收城市人類活動廢棄物和富集污染物質的作用[20]。城市中工業“三廢”、機動車尾氣排放以及城市生活垃圾傾倒,使得大量污染物進入土體,從而導致城市土壤重金屬、有機污染物以及病原菌污染等環境問題[21-22]。城市土壤中累積的各類污染物可以通過不同的方式進入人體,包括直接通過食物鏈傳遞和土壤顆粒物吸入,伴隨富集的營養元素通過地下水進入食物鏈等途徑攝入人體,對城市居民身體健康造成潛在的威脅[23]。因此,城市化對土壤化學性質的影響與城市生態環境和人體健康密切相關,關注城市土壤化學性質的變化具有重要的現實意義。

2 城市化對土壤動物生態學特征的影響

城市土壤物理化學特征的退化對土壤動物的生存與生物多樣性造成了潛在威脅。作為土壤動物的棲息地,土壤為生活在其中的動物提供了必需的營養元素和適宜的生存環境。與此同時,土壤動物作為陸地生態系統的重要組成部分,參與了土壤生態系統中諸多的生態過程,在改善土壤理化性質,分解土壤凋落物,促進土壤養分循環等過程中均起到了積極的作用。因此,土壤蚯蚓等土壤動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境質量[24]。當前對于土壤動物種群和群落的研究已經不再局限于自然生態系統,在人為干擾的生態系統中,土壤動物的生態學特征的響應同樣引發了國內外學者的關注。諸多研究表明,城市土壤污染、土壤理化環境的變化以及其他宏觀尺度的人為活動干擾深刻影響了土壤動物個體、種群以及群落特征。

城市人類活動造成的土壤污染深刻影響了土壤動物的生存環境,并在基因、細胞、個體、群落等水平上對土壤無脊椎動物產生不同程度的毒性效應[25-26]。例如,Creamer 等[27]研究發現土壤線蟲和線蚓的豐度和物種多樣性對土壤重金屬濃度變化的響應較為敏感,而土壤蚯蚓則具有相對較強的耐受性,但在土壤重金屬超過特定閾值時,土壤中蚯蚓表現顯著下降的趨勢。Skaldina等[28]發現芬蘭城市工業區土壤螞蟻在個體和種群水平上均受到土壤重金屬濃度的影響。Santorufo等[29]發現意大利那不勒斯市土壤節肢動物,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]研究了土壤節肢動物群落結構特征對重金屬污染響應的季節性差異,結果表明螨蜱目和彈尾目的相對豐度在秋季分別與土壤總Cu和水溶態Cu的濃度顯著相關。多數研究均表明,城市土壤污染對于無脊椎動物群落具有明顯的負面效應,在短時間內,土壤動物物種多樣性和豐度均呈現下降的趨勢[31]；在長時間內,土壤動物對污染的適應性可能提高,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構組成[32]。因此,土壤污染物能夠對城市土壤中多種無脊椎動物的種群豐度、群落組成和物種多樣性產生不同程度的影響,甚至使其行為活動發生顯著變化[33-34]。

城市土壤理化性質的改變,導致土壤動物具有獨特的生態特征與行為模式。諸多研究表明城市土壤理化性質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構組成的主要環境因子,而線蟲群落特征則與土壤含水量顯著相關。Xie等[36]對于北京市居民區蚯蚓群落的研究結果則表明,土壤含水量和土壤pH值是當地蚯蚓群落結構組成的主要影響因素。此外,伴隨著土壤理化性質的變化,土壤動物的廣幅種更容易適應被干擾的環境,成為優勢物種,同時狹幅種則不斷減少,因而具有更高的滅絕風險[37]。

除了土壤理化性質改變帶來的影響以外,城市土壤動物的生存還受到來自宏觀尺度的城市化過程的影響。隨著城市規模的擴張,由城市景觀格局和土地利用類型發生變化引起的土壤動物棲息地的破壞與喪失直接影響了土壤動物的群落結構特征與物種多樣性。例如,彭濤等[38]發現北京市不同土地利用類型下土壤節肢動物種群豐度具有顯著差異。章家恩等[39]發現廣州市受人為干擾的土地利用類型中土壤動物物種多樣性顯著低于自然植被類型下的相應水平。土壤節肢動物群落對于不同程度城市化壓力的響應也存在著顯著差異[36, 40],如圖1所示,本團隊研究發現北京市居民區和公園土壤蚯蚓種群豐度和生物量均與建成時間顯著相關[36]。而且,城市化過程所導致的土壤動物棲息地的破碎和消失還可能是城市土壤動物局地性瀕危和滅絕的主要原因,其對土壤動物物種多樣性的影響程度可能甚至高于土壤理化性質所產生的影響[41]。其他國家學者的研究也發現類似結果,例如,Leonard[42]發現悉尼市不同的土壤節肢動物種群豐度受棲息地破碎度的影響極其顯著。美國曼哈頓土壤螞蟻群落結構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Meta-種群動態理論模型解釋了不同景觀尺度下城市土壤生境破碎度對土壤蚯蚓種群豐度的差異性影響。綜上,由城市化導致的土壤污染物累積、土壤理化性質的退化以及土壤動物棲息地喪失等現象是土壤動物個體、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與公園建成時間的擬合曲線Fig.1 Fitting curves between the earthworm population and the age of residential areas and parks in Beijing

3 城市化對土壤微生物特征的影響

土壤微生物在陸地生態系統生物化學循環過程中發揮著不可替代的作用。土壤微生物群落組成結構特征與土壤環境變化密切相關,對土壤環境變化高度敏感,能夠反映土壤生態系統的健康狀況,因而被視為理想的土壤質量評價指標[45]。城市化是影響全球生物多樣性的關鍵因素之一,土壤微生物在生物多樣性中占有重要的地位[46]。全球城市的快速擴張導致了土壤微生物群落組成與功能發生變化,因此,研究城市土壤微生物群落結構與功能的變化與驅動規律,具有重要的理論與現實意義,因而城市化對土壤微生物群落特征的影響受到學界越來越多地關注。

已有的研究采用不同技術手段對城市土壤微生物群落特征及其影響因素展開分析。例如,Xu等[47]通過454焦磷酸測序技術對我國16個城市的代表性公園的土壤微生物群落及地學特征進行研究,揭示了公園土壤理化特征和氣候特征對細菌群落結構特征的內在關系。Yan等[48]采用高通量測序的方法分析了北京市建成區土壤微生物群落結構特征,表明城市發展是影響當地城市土壤微生物群落組成與生物多樣性的重要因子,其中土壤pH對細菌群落特征的影響最為關鍵。相似的研究發現城市土壤微生物群落多樣性隨城市不透水地表的擴張而顯著下降,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構變化的重要原因[49-50]。上述研究均指出,土壤微生物群落特征與城市化過程密切相關,由城市化過程導致的土壤理化性質的變化可能是土壤微生物群落結構特征差異的根本原因。

此外,國內外學者還針對土壤中不同功能類型的微生物受城市化過程的影響展開研究。例如,閆冰等[51]利用Biolog-ECO微平板技術的分析表明,北京市不同環路土壤微生物群落代謝功能的多樣性之間并未表現出顯著差異,認為城市化發展過程可能使土壤微生物功能多樣性趨于同質化,該結論與楊元根等[52]對英國城市的研究結果有所差異,后者指出不同代謝功能的微生物數量在城鄉梯度上的差異是由于重金屬對微生物功能損傷的長期效應所導致的。Rai等[53]指出在土壤固氮過程中起到重要作用的藍藻細菌群落內的物種多樣性水平受城市化過程影響顯著。具有耐熱性能的球囊霉素相關的土壤蛋白的群落同樣在城鄉梯度上表現出了顯著的差異[12]。Mafiz 等[54]通過宏基因組學工具對于美國城市農田土壤細菌的抗生素耐藥性與耐藥基因展開研究,發現無論城市土壤是否受到污染,土壤細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城市土壤多種酶的活性產生重要的影響[57-58]。因此,城市化過程不僅改變了土壤微生物群落結構特征,同時對其功能特征也產生了深刻的影響。

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等非生物因素的共同影響,然而城市微生物群落組成、結構和功能特征與各種土壤理化參數的關系仍然不明晰,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理的研究仍然缺乏。因此,仍需采取相應的微生物研究技術,進一步對城市化導致的城市土壤理化性質的變化、土壤污染、土地管理措施以及地上生物多樣性的變化對土壤微生物群落的影響機制加以深入研究。

4 城市化對土壤生態系統服務功能的影響

土壤作為生態系統的重要組成部分,為人類提供了各種福祉。當前學界提出了土壤生態系統服務功能的不同研究框架,用以評估土壤生態風險、土壤生態功能保護的優先性,并用以制定相應的土壤修復措施。在城市生態系統的管理中,生態系統服務功能的概念正在越來越多地被引入到土壤管理的議題當中,例如,在城市管理的前端提出DESTISOL決策支持系統的概念,構建了基于城市土壤理化因子、土壤功能以及土壤生態系統服務的綜合定量關系,從而將土壤生態系統服務功能的概念運用于城市管理的決策中[59]。簡而言之,城市土壤生態系統服務功能受到了研究者和決策者越來越多的重視。城市土壤既為植物的生長提供必需的養分,以維持綠色植物的生長；又能夠過濾、緩沖和轉換土壤中有害物質,實現污染物的凈化；并且具有固定與儲存大氣中溫室氣體的能力；同時還可以與地上部分進行水和熱的交換,發揮其氣候調節的功能[60]。已有的相關研究主要針對城市化對土壤維持植物生長功能、土壤自然消減功能和土壤碳儲存功能的影響。

4.1 城市化對土壤維持植物生長功能的影響

城市綠地植被為城市居民提供了重要的生態系統服務。相關研究表明,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審美價值。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、化學和生物特征的改變能夠對城市樹木存活率產生不利影響。伴隨著人類活動的強烈干擾,城市土壤理化性質改變,土壤營養物質減少,對植物的養分供應下降,降低了城市綠地的質量,影響了土壤維持植物生長的功能,阻礙了綠地植物的生長。

城市化過程中,土壤物理性質的改變是影響城市植物正常生長的重要因素。土壤的孔隙狀況與土壤環境中生物與非生物過程密切相關,包括孔隙度、孔隙結構等相關土壤物理指標決定了土壤中水、氣的比例關系以及土壤溫度和營養的狀態。然而,人為活動導致的土壤壓實改變了土壤透氣孔徑的分布,相關研究表明城市土壤孔隙度介于39.6%—47.2%之間,低于土壤的適宜區間(50%—60%)[7, 63]。Jim等[63]通過研究中國香港道路綠地土壤孔隙狀況對樹木生長的影響,發現土壤孔隙度指標是影響城市植物生長功能的重要因子,與植物的健康穩定的生長緊密相關；此外,不透水地表的擴張對道路綠地植物生長空間的限制,同樣影響了其正常生長。同時,Haan等[61]對美國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地。因此,對相應土壤物理性質的改良應在城市綠地土壤管理中加以運用。

此外,城市土壤化學特征的變化,使其難以為城市植物生長提供足夠的肥力和理想的生存環境,進一步抑制城市植物的生存與生長。例如,Lawrence[64]通過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系,發現包括土壤pH、鉀素等土壤化學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方式的差異同樣與城市植物的存活率和死亡率密切相關。類似的研究同樣證實通過翻耕與堆肥等不同的人為管理方式可以改善土壤性質,促進城市樹木的生長[65]。綜上所述,土壤維持植物生長的功能受到城市化過程的影響,與土壤性質密切相關,并隨土壤理化性質的退化而持續下降。

維持植物生長是城市土壤基本的生態系統服務功能之一。在城市中,土壤理化性質的改良,對于維持植物生長的功能、保障城市綠化效果極為重要。當前針對城市土壤維持植物生長功能的研究側重于單一的土壤或城市化因子對植物健康的影響,難以形成完善的定量評價體系。如何建立城市土壤不同理化特征與維持植物生長功能之間的定量關系,并為城市綠地管理提供相應的科學指導依據,仍是城市土壤生態功能研究的重點。

4.2 城市化對土壤自然消減功能的影響

城市中人類活動產生的污染物大多直接或間接地進入城市土壤。作為城市環境的天然屏障,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、過濾和消解污染物的能力。土壤對于污染物的凈化功能是城市土壤生態系統最為重要的生態功能之一,對城市生態系統的保護和居民健康起到了積極的作用[16,20]。城市化過程中人為排放的污染物,在土壤中不斷累積,可能超過土壤自身的凈化能力,從而導致土壤污染。

美國環保局(EPA)將土壤自然消減能力定義為,在沒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、化學和生物過程,是土壤重要的生態系統服務功能[66]。土壤自然消減能力與土壤復雜的生態過程密切相關,不同的土壤因子對土壤凈化功能發揮著不同的作用,例如土壤有機質可以通過固定重金屬離子,顯著降低土壤重金屬有效性[67]；土壤微生物能夠將土壤中有機污染物吸收、轉化并降解為其他無害的物質[68]。因此,土壤對污染物的凈化功能與土壤自身的物理、化學和生物學特征之間的相互作用密切相關。通過土壤理化指標對土壤凈化功能進行定量評價,是當前城市土壤凈化功能研究的熱點。

城市化過程對城市土壤生態系統產生的環境脅迫直接影響了其生態學過程,導致了其物理、化學和生物特征出現了不同程度的改變,進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的變化對土壤固定重金屬能力的影響。Rutgers等[69]和Thomsen等[70]則針對土壤重金屬和有機污染物在土壤媒介中揮發、降解、遷移、擴散和生物固定等一系列的生態學過程建立了相應的生態系統功能評價指標。Wang等[71]借助了Rutgers 等[69]的模型,選取土壤若干理化指標對北京市土壤的自然消減能力進行了評價,發現北京市土壤自然消減能力與居民區和公園的建成年數顯著相關,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、化學和生物因子在土壤凈化功能中參與的生態過程差異,在評價指標體系中引入權重,對北京市居民區綠地土壤自然消減能力進行定量評價,結果表明城市土壤容重、微生物群落多樣性以及有機質含量對城市土壤自然消減能力的發揮起到重要的作用；該研究同時揭示了城市居民區城市化社會經濟發展程度對土壤凈化功能的顯著影響,土壤自然消減能力可以通過城市化社會經濟因子有效地進行表征。因此,城市土壤自然消減能力與土壤自身理化性質密切相關,土壤理化特征的健康是土壤相關功能正常發揮的重要前提,同時城市化強度對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揮關系到人體健康和城市生態環境質量。現有的土壤生態服務功能評價方法較多,尚仍不存在標準的定量評價體系。如何建立標準規范的土壤功能的評價體系,是今后土壤生態服務功能,尤其是土壤自然消減能力研究的重點和難點。由于城市土壤理化特征的變化是導致城市土壤自然消減能力變化的根本原因,因此通過土壤理化特征對城市土壤自然消減能力展開定量評價是較為有效且科學的研究方法。此外,當前國內外學界仍然缺乏根據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研究。構建土壤自然消減能力的定量評價方法,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系,對于明晰城市土壤污染生態效應,提高土壤環境質量,保護城市居民健康安全具有重要意義。

4.3 城市化對土壤碳儲存功能的影響

土壤碳庫是陸地碳庫的重要組成部分。土壤與植被碳庫的碳儲存能力決定了大氣與陸地生態系統之間的凈碳通量,其微小的波動能夠影響大氣中CO2濃度的年際變化,從而導致全球氣候變化[73]。城市土壤是城市生態系統的重要碳庫,其碳儲存功能是城市土壤重要的生態系統服務功能。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的干擾。因此,城市生態系統土壤碳儲存特征、功能及人類活動的影響受到學界越來越多的關注[74-75]。

近年來國內外學者對全球范圍內城市土壤碳儲量進行估算,結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]對中國城市建成區土壤有機碳儲量的估算發現,2006年土壤有機碳儲量約為0.25 Pg,占城市生態系統有機碳總儲量的73%。國內學者對北京[77]、上海[78]、廣州[79]、南京[80]等城市土壤碳儲量分別展開調查,結果顯示不同城市土壤均具有較高的碳庫儲量。Churkina等[81]對美國城市土壤碳儲量進行量化,表明不同城市區域內土壤固碳總量可達7—17 Pg C,占城市碳庫總量的64%,城市碳庫密度則高達23—42 kg/m2,遠高于其他自然生態系統的碳庫密度。Edmondson 等[82]發現城市綠地與不透水地表下的土壤均具有較高的固碳功能,其固碳潛力遠高于人們的預期。盡管不同國家和城市的土壤碳儲量存在一定差異,但針對不同城市的研究結果均表明城市土壤具有較強的固碳能力。

由于人類活動的影響,城市土壤碳庫與天然土壤相比,在時間和空間上具有更高的異質性。在時間尺度上,隨著我國城市建成區綠地面積的不斷增加,土壤有機碳儲量在1997—2006年間呈現出快速增長的趨勢[76]。相似地,美國城市土壤從1950—2000年之間碳儲量增速顯著。此外,由于城市濕地土壤面積的擴張,韓國在2003—2013年10年間公園表層土壤有機碳密度增加了2倍以上[83]。相反,哈爾濱市土壤有機碳庫儲量近30年來下降0.16 Tg,這是由城市中具有較強固碳功能的耕地與林地快速消失所導致的[84]。

在空間尺度上,城市土壤有機碳儲量與距市中心距離呈顯著的負相關關系[85]。陳浩等[80]研究發現南京市土壤有機碳儲量較低的區域主要分布在快速城市化區域,地表的封實是影響土壤碳儲存功能的最主要原因。在空間垂直方向上,土壤有機碳儲量與土壤深度存在負相關關系。比如,英國萊徹斯特城的土壤有機碳儲量與土壤深度呈現出負的指數相關關系,1 m深的土壤中47%的有機碳均集中在表層土壤[82]。Ghosh 等[86]發現城市表層土壤(0—30 cm)較深層土壤(30—50 cm和50—100 cm)具有更高的有機碳儲量。此外,許多研究證實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系統的碳儲量,但是對于土壤碳儲量的貢獻仍然存在一定爭議[88]。

不同城市化水平對土壤碳儲存功能具有顯著的影響。例如,不同研究發現土壤固碳能力隨城市土地建成年數增加而增加,這可能是由土壤理化性質的變化所導致的[89-90]。相似地,城市人口數量、城市規模、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顯著影響城市土壤碳儲量[91-92]。此外,Liu等[77]采用多個與土壤有機碳相關的指標,利用生態系統服務功能指數的方法,對北京市建成區土壤固碳能力進行評價,結果表明北京市建成區土壤固碳功能較差,城市化過程削弱了城市土壤的固碳功能。Sarzhanov 等[93]通過CO2/有機碳庫比衡量俄羅斯城市土壤碳庫,結果表明城市化過程顯著降低了土壤碳儲存功能。Vasenev 等[94]通過情景分析的方法,模擬不同城市化水平下,俄羅斯莫斯科城市的區域擴張和土地覆被類型變化可能對土壤有機碳儲量產生有利或不利的效應。綜上,城市中土壤碳庫具有明顯的時空異質性,城市化能夠顯著影響土壤碳儲存功能。

城市土壤固碳功能在促進生態系統碳循環、緩解氣候變化效應的過程中扮演著重要的角色,是當前城市生態系統服務功能的研究熱點。目前國內外學者對不同城市土壤碳儲存功能及其影響因素的研究較為豐富,但城市土壤碳庫的穩定性較差,土壤固碳功能的影響因素及其生態效應較為復雜。此外,由于不同研究中土壤碳庫的數據來源、研究尺度以及模型和參數的選取不同,可能導致估算結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果進行對比。如何在特定尺度上確定統一的碳儲存功能的評估方法,并提高模型的估算精度,是當前土壤相關功能研究的難點。

5 結論與展望

城市土壤既為土壤動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系統服務功能。然而,城市土壤受到人類活動的強烈干擾,一方面,其本身物理和化學性質較天然土壤而言,均表現出明顯差異。城市土壤理化性質的變化能夠顯著影響土壤動物與微生物群落的結構特征,同時導致一系列土壤生態系統服務功能,包括維持植物生長功能、自然消減能力以及碳儲存功能等發生變化。因此,城市土壤退化是城市土壤動物生態特征與行為模式、土壤微生物群落特征與功能效應以及土壤生態服務功能變化的根本原因。另一方面,城市化過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構特征,甚至導致土壤物種局地滅絕,并且影響土壤生態系統服務功能的發揮。

然而,關于城市化過程對土壤生態環境的影響研究仍然存在許多空白,因此亟須對城市土壤質量和土壤生態服務功能的影響因素及其機制展開更加細致和全面的研究。開展對城市土壤理化特征長期定位和系統觀測,探討城市土壤生物生態學特征的動態變化趨勢及其影響驅動因素,能夠為城市生態系統的管理和決策提供科學依據,對提高城市土壤生態系統服務功能,緩解城市化所產生的負面生態效應,保障城市居民健康、保護人居生活環境具有重要的意義。