城市發展對土壤環境效應及其功能變化的影響評述

馮小娟，王曉雁，裴若會，劉 隆

（陜西省地質礦產實驗研究所有限公司，陜西西安 710054）

城市是人類社會經濟及文化發展到一定歷史階段的產物，具有一定的人口規模，以非農業人口為主的人類群居生活聚集區。城市化是城市社會、經濟及各方面發展進程的結果，是城市工業化水平高低的重要標志。20世紀下半葉，第二次世界大戰后發生了第三次工業革命，帶來了城市化和人口向城市轉移。世界各地的城市化進程取得了迅速進展，特別是在發展中國家。世界上50%以上的人口生活在城市，而中國城市人口的比例已經接近60%，聚集了大量本地區的人才、物質和各種高能信息，給城市帶來巨大財富的同時，城市化也帶來了環境承載壓力，嚴重的城市環境污染問題。城市是一個集自然、經濟、社會的綜合生態系統，也是一個充滿不確定性的人工生態系 統[1-2]，它具有一般生態系統的特征，但又不同于自然生態系統和農田生態系統。人類的生產活動和日常生活在城市生態系統中起著重要的作用。然而，土壤作為城市生態系統的一個組成部分，很少受到人們關注[3]。人類生產活動產出的污染物破壞了土壤原有的生態平衡，導致城市土壤原有的一些生態功能喪失，最終將影響城市居民的健康[4]。因此，研究城市化進程中土壤生態功能的演變及其影響，并采取相應的防治措施，將有助于促進城市的可持續發展。

1 城市土壤

城市土壤是一個不同于傳統土壤學的新概念。由于傳統上城市沒有土壤，土壤科學主要服務于農業[5]。城市土壤是城市或郊區土壤的總稱。由于人類活動的各種影響，這些土壤保持了原有的性質并發生了變化。城市土壤是指在地帶性土壤背景下，城市化過程中受人類活動影響的非農業用地，以及由于土地混合、填埋或污染而形成的厚度在50cm以上的特殊土壤。它廣泛分布在公園、郊區、城市河流、道路、體育場、廢棄工廠、礦山和垃圾填埋場，或建筑物和工業設施覆蓋的地區[6]。在高度密集和強烈的人類活動的作用下，城市土壤不斷被封閉和壓實，從而改變了土壤的形態[7]。城市土壤物理性質的惡化主要表現為土壤容重的增加、顆粒組成的極端化、通氣量和孔隙度的降低、土壤剖面結構分異程度低、土層缺乏、土層分異的不連續性，甚至出現“土層倒置”現象等[8]。通過對香港行道樹生長條件下土壤容重的測定，土壤容重基本在1.67g/cm3左右[9]。大部分土壤表面容重均大于植物生長的理想值，說明土壤板結嚴重。通過人類活動（生活垃圾、工業垃圾等）或自然過程產生的有害物質進入城市或郊區土壤中，它的含量超過土壤自凈能力，使土壤理化性質變化加劇，主要表現在：土壤富營養化程度增加、土壤重金屬污染中的有機質污染[10]。人類（主要是城市居民）所消耗的磷的很大一部分是固定在城市生態系統中的土壤中[11]， 磷是所有生命必不可少的元素，所有生物每天都需要它來產生能量。然而，人類活動對自然磷循環產生影響，導致土地肥力下降，影響農作物的品質，脅迫人類身體健康。香港[12--13]、北京[14]、南京[15]等城市已經開展了城市重金屬污染的調查研究，結果表明，城市土壤遭受了不同程度的重金屬污染；通過對天津市區和城郊土壤中10種多環芳烴的檢測，發現市區多環芳烴（PAHs）含量超標最嚴重，其中二環萘（Nap）超標最嚴重，強致癌物苯并芘含量也令人擔憂[16]。

2 城市土壤生態功能的演變

土壤是氣候、地形、生物、母質、時間等自然因素的產物。它具有多種基本的環境功能，這些功能的共同作用下，維持著城市土壤的生態環境平衡，在城市環境的變化過程中起著重要的作用[17-18]。

2.1 維持動植物的多元化，是生物的基因庫和繁 殖地

城市土壤由于其特殊性，不但要起到城市功能區的基礎支撐作用，還要起到城市植物種子庫、基因庫的作用。城市作為現代化建設的產物，也屬于生態環境中一個重要系統，在這個系統中，土壤仍然是作為生產力基礎的存在，土壤不僅為其上生活和生長的動植物提供了養分和棲息地，同時也是動植物生長發育繁衍后代的場所。城市生態環境中土壤與水文、小氣候環境、城市降水、城市大氣的相互作用，形成了城市土壤的能量和物質的循環，這些循環促進了城市土壤對動植物繁殖能力基因庫的承載量，從而進一步促進土壤生態系統的生物多樣性。而這種促進作用使城市土壤這一特殊的循環體，在城市的發展過程中起著重要的生態調節作用，保持了城市生態的平衡。

2.2 驅動物質循環的中央樞紐

城市中C、N、S、P循環，金屬元素的生態地球化學循環，水的生態平衡等共同構成了城市生態系統的物質循環。土壤中存在各種驅動因子，與城市生態系統發生著物質的循環作用，如土壤膠體表面結構可以影響重金屬元素的循環過程，土壤的呼吸作用影響土壤中碳、氮的循環。一方面土壤通過固定作用，可將環境中的碳、氮固定于土壤中，另一方面，土壤在遭受破壞或氧化分解作用，又會將土壤中的碳、氮還回大氣。通過對巖石、大氣、水和生物圈對土壤圈物質循環的影響以及土壤圈物質循環對其他圈層的影響的研究，有利于獲得城市土壤在城市環境物質循環中所起的作用。利用多種新方法和新技術對城市土壤圈物質循環開展研究，發現其在城市環境的物質循環構成中起著中央樞紐的作用，協調著城市的生態環境向著友好、和諧方向發展。

2.3 篩選過濾、封鎖、緩解、凈化能力

城市土壤對城市地下水同樣起著重要的保護作用。城市土壤的緩沖能力可以降低城市降塵對城市地下水的污染作用。一方面城市土壤將大氣降塵截留于土壤表面，在微生物的降解作用下，成為土壤的一部分，另一方面土壤通過生長于其表面的植物，將大氣降塵固定，而降低其對地下水的危害。城市土壤同時可降低地表污水對地下水和深層土壤的危害。城市土壤在抵抗外來污染時雖然需要承載更大的污染壓力，但其過濾機制仍然存在，可以將表層污水通過土壤顆粒和土壤膠體的作用凈化后進入地下水，從而有效地抱回了城市地下水。城市土壤也是病原微生物的過濾器。由于城市土壤的特殊性，其功能也要求多樣化，其中很重要的一個功能就是可以凈化城市中的有害微生物，通過吸收、抑制等作用，降低病原微生物對人類的危害。

2.4 節約水資源，轉化能源，預防災害

城市土壤不僅能夠凈化城市水體，同時通過將城市水體吸附固持，將城市中多余的水分暫存于土壤系統中，等到干旱季節又可以將這部分水體釋放出來，補充地下水、保持城市蒸發散能力，促進城市地下水位的平衡，同時維持城市環境的友好。城市土壤同樣可以將城市熱島產生的熱能吸附，一方面通過熱平衡降低城市的熱能，另一方面可以通過植被吸收熱能，達到能源轉化的作用，有利于城市環境的健康發展。城市土壤具有很強的容納能力，可以在城市防洪過程中起到重要的作用，將暴雨中大部分的水體儲存于城市土壤中，可以顯著降低城市水災。而由于城市的熱島效應，城市溫度會較周邊環境顯著升高，城市土壤可將多余的熱能吸收，從而降低城市系統的熱害。另外，城市土壤作為城市生態系統的重要組成部分，對城市生態系統災害具有很好的預防作用，通過土壤中的生物降低城市化過程中的各種災害。

2.5 形成景觀，保護自然變化和人類遺產

城市土壤不僅在城市生態系統中起著重要的作用，同時也是城市功能區不可缺少的部分。城市土壤通過自身的調節作用及人類有意識地培育，可以達到多種用途，其中重要的一種用途就是可以通過改良土壤，種植景觀植物，形成城市行道、公園、草坪等景觀，在發揮生態功能的過程中還起到了美化環境的功能。城市行道由于既要保證道路暢通，又要降低道路揚塵對周邊環境的破壞作用，所以需要栽植不同層次的植被，因此對土壤的要求也相對比較高，要求既要保水，同時又有足夠的養分保持能力。城市公園是城市中重要的休閑娛樂場所，因此城市公園中不僅需要樹木，還需要花草，同時還對土壤的潔凈度也有很高的要求。城市草坪屬于特殊類型的景觀，不僅對生態環境有著重要的意義，同時也是人們活動的場所，因此對土壤的要求相對較高。土壤不僅作為生態環境的重要組成部分，也是人類生活、生產過程中的重要因素，對城市環境起著重要的作用。

土壤是城市生態系統的重要組成部分，保持健康植物的生長是首要任務。綠色植物在協調城市環境質量和城市居民健康方面發揮著重要作用，而土壤是這些健康植物生長所必需的養分提供者和基礎。綠地質量優質與否是城市土壤管理的核心地位[19]。其次，城市土壤的生態特性是城市污染物的吸收地與溫床，并不是生產的功能[20]。城市土壤可以通過降解、轉化、緩沖和吸附作用，降低工礦生產、農業生產活動、生活垃圾、生活污水等污染的濃度，降低生物毒性[21]。土壤中的各種微生物和土壤動物也能降解和轉化外界入侵的各種物質，在有毒污染物的分解中起著重要作用[22]。城市土壤是通過維持綠色植物的生長、微生物的自凈和降解來維持城市生態的可持續發展。

然而，在城市化進程中，土壤的功效不斷演化。城市化減少了耕地，增加了工商業用地，改變了生物棲息地，降低了生物多樣性也降低了水質，這表明土壤功能正在緩慢變化[23]。城市化導致土壤理化性質惡化，綠色植被無法正常生長，自然景觀受到嚴重破壞，土壤中污染物無法自凈，水熱交換無法進行，而微生物環境的變化意味著城市土壤的許多原始自然土壤性質部分或完全喪失。同時，大部分城市化污染物通過各種形式進入土壤，這是土壤接受和緩沖功能的體現。然而，在激烈的環境污染活動中，城市土壤很快將超載，積累到一定程度，它的自凈功能將面臨龐大危境。從長遠來看，這將對城市化的生態環境產生致命影響[24]。

3 結束語

城市土壤作為城市生態系統不可或缺的組成部分，服務于城市生態系統，在城市化過程中受到強烈的人類活動的影響，同時其功能的發揮又依賴于人類日常生活的需求，因此，在城市中，土壤生態功能的不斷演化源于人類活動的推動。