人工封闭对城市土壤功能的影响研究进展

魏宗强 ，颜晓，吴绍华*，肖青亮

1. 江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2. 南京大学地理与海洋科学学院，江苏 南京 210093

城市化过程及其生态环境效应是地表变化过程研究的重要领域。如今，世界超过50%的人口生活在城市，未来还将继续增加，特别是在一些发展中国家和地区，至 2050年城市人口将接近全球总人口的70%（United Nations，2008）。城市化还导致城市面积迅速扩张，使越来越多的自然用地和农业用地转变为城市用地，对城市及其周围的生态环境造成了现实的或潜在的威胁（Kasanko等，2006.图1）。土壤作为城市生态环境的一个重要组成单位与功能载体，其发生过程与性质功能亦受到城市化进程的冲击和影响，并由此产生出一类特殊的人为土壤——城市土壤（Bockheim，1974；张甘霖等，2003）。与农田以及森林土壤相比，城市土壤的发生过程由于受到人类活动的强烈影响，致使其物理、化学性质及生态服务功能产生不同程度地退化（Sloan等，2012），显著地体现在土壤容重增加、孔隙度降低、机械组成改变（Jim和Ng，2000；杨金玲等，2005；Edmondson等，2011）、pH升高（卢瑛等，2002）、污染物累积（陈同斌等，1997；张甘霖等，2007）、以及微生物群落结构改变与活性降低等方面（Lorenz和Kandeler，2005；Lorenz和Kandeler，2006；Wang 等，2011；Wei等，2013）。

图1 欧洲15个城市1950-1990年间人口增加与城市面积扩张的关系（改自文献Kasanko等，2006.）Fig.1 Relationship between Population Growing and Build-up Areas Expansion in 15 European Urban Areas from 1950 to 1990(Modified from Kasanko et al.,, 2006.)

城市土壤大部分被房屋、道路等建筑物覆盖，受人类活动干扰非常强烈，是一种人为封闭土壤，目前全球这部分土壤面积超过580000 km2（Elvidge等，2007）。覆盖层阻断或减弱了土壤与外界大气圈、水圈和生物圈的物质能量交换，这导致土壤性质及生态功能发生变化（Lorenz和Lal，2009）。随着全球变化和城市生态学研究的深入，由城市土壤封闭引起的生态环境问题日益受到人们的关注（European Commission，2006）。目前关于土壤封闭对城市生态系统的表观影响（如热岛效应、水分下渗）已有较广泛的研究，但对城市土壤自身质量及性质的影响还鲜有报道。城区人口密度大，人地矛盾突出，城市土壤功能与质量改变可能更直接地影响到人类的生产生活。研究城市封闭土壤功能与质量的变化规律及其机制，可为管理城市土壤和指导城市建设提供科学依据，对城市土壤研究具有重要的理论和实践意义。

有关封闭对城市土壤功能与性质影响的研究仍处于起步阶段。本文将简要介绍城市土壤人工封闭的定义及主要特征，综述国内外在人工封闭对城市土壤功能影响方面取得的进展，并探讨未来该领域研究的可能发展趋势。

1 人工封闭城市土壤

土壤封闭概念最早在20世纪30年代由Duley提出，具体定义为土壤受自然界物理化学作用后，表层土壤颗粒积聚产生“结皮”，土壤透水性能降低的现象（Duley，1939）。封闭土壤的典型特征主要体现在土壤大孔隙比例减少，土壤导水及蓄水能力明显降低等方面（Bouma，1992）。土壤封闭的成因很多，主要包括降雨、农业劳作、土壤胶体分散以及机械压实等（Scalenghe和Ajmone-marsan，2009），其中洪水搬运及搬运物中细小颗粒的沉积是形成土壤封闭的主要途径（Panini等，1997；Singer和Shainberg，2004）。

本文所提到的人工封闭是指由于人类活动（如房屋建筑、道路建设等）引起的城市土壤透水、透气性能降低的现象，主要的封闭材料为水泥与沥青等（图2）。由人类活动引起的土壤封闭是城市土壤的一个重要特征。因成土过程受到强烈的人为干扰，城市土壤的理化性质及生物活性都与自然土壤存在较大差异（Lorenz和Lal，2009；Scalenghe和Ajmone-marsan，2009；Lehnamm 和 Stahr，2007）。长期以来，这些差异以及城市土壤性质的复杂性限制了城市土壤分类体系的建立，2006年国际土壤学会世界土壤资源参比基础工作组首次将城市土壤与工矿区土壤一并列为 Technosols类（IUSS Working Group WRB，2006），城市封闭土壤属于其中的一个亚类（Ekranic Technosols）。城市封闭土壤的成因主要是人类活动，与自然作用引起的土壤封闭不同，人工封闭层对土壤与外界物质能量交换的阻碍作用更剧烈、持久，甚至会引起周边生态系统性能的改变（Burghardt，2006）。

2 人工封闭对土壤功能的影响

2.1 对土壤水的影响

封闭会显著阻碍水在城市土壤中的下渗与蒸发，一定程度改变土壤的水文特征。土壤质地、土层深度以及有机质含量都会影响土壤的蓄水能力，通常自然土壤的蓄水量约为3750 t·hm2（约合400 mm降水），封闭阻断了土壤水的下渗，增加了城市地表径流量（European Commission，2012）。有研究表明，城市年累积径流量与封闭土壤面积存在显著的线性回归关系，径流量随封闭面积增大而增加（Bhaduri等，2001；Assouline和 Mualem，2002）。Haase和 Nuissl（2007）在德国莱比锡市（51°20′ N，12°23′ E）调查发现，由于城市封闭土壤面积的扩张，2003年城市地表径流水量是1940年的两倍。Perry和 Nawaz（2008）进一步做了城市土壤封闭面积与年径流水量的预测模型，在英国利兹市（53°48′ N，1°33′ W）的应用结果表明，城市封闭土壤面积占城市总面积的比例每增加12.6%，城市地表径流水量约增加12%。封闭降低了城市土壤对降水的蓄存能力，一方面增加了城市地下排水设施的工作压力；另一方面，封闭还会一定程度增加地表径流的流速，加剧城市洪涝发生的隐患。

图2 城市景观中常见的土壤封闭现象Fig.2 Overview of Most Common Impervious Surfaces in Urban Areas

土壤对污染物有过滤功能，封闭降低了土壤对水中污染物的过滤功能，可能会进一步影响水的质量。城市封闭土壤是城市非点源污染的重要来源，其面积比例在2.4%～5.1%时，就会引起城市周边地区水源的pH及盐度发生显著变化（Conway，2007）。另外，城市土壤封闭材料往往蓄积重金属与有毒有机污染物，这些元素可能会在径流水的冲刷下释放到水体中，Kayhanian等（2007）调查发现，高速公路径流水中重金属及其它污染物的含量较高，有显著的富集特征。Trowsdale和Simcock（2011）也发现城市封闭土壤造成的洪水中重金属含量很高，特别是锌含量。在北京、天津、广州、澳门等城市的路面径流水质调查也发现硬质路面径流水中有较高浓度的总氮、总磷、重金属及有毒有机污染物（甘华阳等，2006；黄金良等，2006；张巍等，2008；张娜等，2009）。

2.2 对土壤能量交换的影响

封闭会显著影响城市土壤与环境间的热交换。自然土壤的热特性主要由土壤类型以及含水量等因素决定（Sandholt等，2002），土壤导热性较差，到达地面的太阳辐射大部分被反射到大气中，少量被传到下层土壤中。城市土壤封闭材料（如沥青、混凝土）颜色较深，对太阳光反射率较低，更容易吸收太阳传递的热量，加上其热容量和导热率也比绿地大，导致城市气温高于郊区，是城市热岛效应（Urban Heat Island）的主要成因。Weng等人在印第安纳波利斯市（39°47′ N，86°8′ W）的研究发现，城市土壤封闭表面温度显著高于周边开放土壤（Weng等，2007）。Xiao和 Weng（2007）在贵州省的研究也得到相似的结果，城市建设引起土地利用方式变化，封闭土壤显著提高了城市的空气温度。在寒带地区，人工封闭材料导致的地表温度升高还可能会引起某些冻土层融化（Scalenghe和Ajmone-marsan，2009）。另一方面，土壤温度的变化会影响土壤的化学反应，特别是对有机碳的矿化、吸附解吸等产生显著影响（Sollins等，1996），可一定程度引起城市土壤碳循环改变。例如，某些轻组有机碳的转化对土壤温度很敏感，温度的轻微变化即可影响其转化（Davidson和 Janssens，2006）。

城市绿地可缓解城市热岛效应，人工封闭减少了市内绿地植被也间接影响了城市的能量交换（彭玉麟等，2005）。据欧洲环保局估算，对于一个面积为135 km2大小的城市，绿地面积每增加1.5%，城市温度降低3 ℃（European Environment Agency，2011）；而城市人工封闭导致绿地面积比例下降，从而间接加剧城市热岛效应。另外，绿色植被能吸附大气粉尘及有害气体，某些植被对污染物有指示作用，土壤封闭后绿色植被的减少一定程度上可引起空气质量恶化。

2.3 对土壤生物多样性及其行为的影响

土壤支撑着地表大部分植物、动物以及微生物的生命过程，生物的代谢活动也保证了土壤功能的实现。人工封闭活动显著降低了城市土壤的植被数量，同时，机械压实、土壤挖掘等活动也会导致土壤动物（如蚯蚓）数量大幅减少（European Commission，2012）。封闭还会通过改变某些土壤理化性质，影响土壤微生物的生境，一定程度降低土壤酶的活性、真菌与放线菌的数量以及微生物的功能多样性（Zhao等，2012；Wei等，2013）。封闭隔断了城市土壤生态系统的连续性，制造了大量独立的“斑块”，这些“斑块”不同程度上限制区域范围内物种的多样性（Scalenghe和Ajmone-marsan，2009）。

封闭表层阻碍了土壤与环境之间的能量交换，可能会进一步改变城市生态系统中某些生物的行为。例如，人工加剧的城市热岛效应导致城市气温高于郊区，城市中某些植被的开花时间会比郊区的略有提前（Roetzer等，2000；Wilby，2006）；土壤温度的升高还会改变土壤微生物的群落结构，促进某些真菌进化，影响有机碳的转化（Zogg等，1997；McLean 等，2005）。

2.4 对土壤气体交换的影响

土壤与环境间的气体交换是一个复杂的生态学过程，受植被、微生物等生物因素影响的同时，也受到温度、湿度、pH值等环境因素的作用，并且随着人类影响的增强，人为因素的作用也越来越大。土地利用方式转变是影响土壤与大气气体交换的重要因素，城市土壤被封闭后，封闭材料能显著抑制气体的扩散（Kluitenberg等，1991）。Wiegand和Schott（1999）采用222Rn（氡）示踪技术定量研究了混凝土与沥青覆盖对土壤与外界环境气体交换的影响，发现当土壤封闭比例超过99%时，氡主要在封闭层下表层土壤中累积，而当土壤封闭比例较低时，氡主要在封闭层 0.5 m以下土层中累积。

封闭改变了土壤微生物的群落组成，还会一定程度上影响周边开放土壤与环境间气体交换的种类与数量。据 Kaye等（2004）研究，美国中部平原地区，城市封闭土壤中间镶嵌的草坪只占地区总面积的6.4%，但其N2O释放量约占整个平原区N2O释放总量的 30%。说明封闭加剧了周边开放土壤N2O的排放。

大量研究表明城市土壤有较强的碳固持能力，是大气环境的碳汇，在全球碳循环中具有不可忽视的地位（Pouyat等，2002；Pouyat等，2006；Churkina等，2010；罗上华等，2012）。Raciti等人（2011）在美国巴尔的摩市（39°17′ N，76°37′ W）的研究结果表明，农田变更为城市绿地后每年可增加碳汇0.082kg·m2。但是，人工封闭会降低城市土壤的碳储量，城市封闭土壤碳密度显著低于非封闭土壤，可能会抵消城市绿地增加的碳汇，导致城市土壤变为大气环境的碳源（Pouyat等，2006；Raciti等，2012；Wei等，2014）。目前研究者们对于城市封闭土壤碳储量降低的具体机理尚不清楚，可能与表层土壤的剥离、有机碳矿化及淋洗有关，但其损失的最终去向主要是大气环境。

2.5 对土壤粮食生产功能的影响

土壤是农业粮食生产的基础。历史上，城市选址往往选择在土壤较肥沃的地区，如河流冲积平原等，特别在古代，农业生产水平较低，肥沃的土壤是城市选址的必要条件。现代城市的高速扩张导致郊区大面积肥沃农田变为城市土壤，不能再进行农业生产，长此无限制的扩张势必会对人类粮食安全构成威胁。欧洲环保局报告指出，1990年至 2000年间，城市化进程已经造成欧洲20个国家9700 km2农田变为城市封闭土壤，其中，德国、西班牙与法国农田面积减少最多，分别在 1500 km2到 2000 km2不等，从占用农用地总面积的相对比例来看，荷兰为2.5%，德国为0.5%，西班牙与法国为0.3%，并且这种扩张趋势可能会持续到2060年（European Environment Agency，2011）。近30年来中国经济快速发展，城市快速扩张主要以占用周边农田完成。谈明洪等（2004）研究指出，1990年至 2000年间，中国城市面积约扩张 3534 km2，其中 70%的新增城市建设用地来自耕地，且主要为生产力较高的优质耕地。鉴于中国人地矛盾问题本已突出，城市封闭对中国的粮食生产构成的威胁可能要比世界其它国家或地区更为显著。

3 研究展望

城市土壤作为城市发展建设的载体，为城市提供多种生态系统服务，人工封闭不同程度地改变了城市土壤的功能，也影响着整个城市生态系统的运转。随着全球城市化的快速发展，城市生态系统研究已受到国际以及我国学者的广泛关注，并为此建立了多个长期观测站进行系统研究。城市封闭土壤占城市景观的大部分，是受人类活动干扰最强烈的城市土壤。但是，它的生态服务功能（如物质转化、碳固持等）至今仍未受到足够重视，只在个别城市开展过相关研究，这限制了人类对城市生态系统的全面认识。目前城市封闭土壤研究仍处于起步阶段，未来需要在更多城市开展大量系统调查研究来获取基础数据。

另外，已有研究主要围绕城市人工封闭对城市环境及土壤的外在表观影响（如水分下渗、热岛效应），然而，对封闭后土壤本身物理、化学、生物性质的变化及其机制研究还很缺乏，这就限制了人类对城市化生态环境效应的全面认识。结合城市生态学研究的热点及城市非封闭土壤存在的环境问题，笔者认为以下几个方面可能需要被着重研究：（1）城市非封闭土壤中易发生重金属、有机污染物及营养盐的累积，人工封闭后这些污染物质在土壤中的赋存、迁移、转化需要进一步研究；（2）城市土壤有较高的碳储存能力，人工封闭后地上植被减少，土壤性质改变，影响土壤的碳氮转化。为更精确估测人类居住区的碳储量，评价城市化对土壤功能的影响，未来需加强对城市封闭土壤碳氮储量变化及其稳定机制方面的研究；（3）土壤封闭后，植被与土壤动物的数量显著减少，因此，与非封闭土壤相比土壤微生物在封闭土壤生态系统中的功能会更加突出，研究封闭土壤的微生物性质可有力促进城市封闭土壤生态系统研究；（4）城市封闭土壤是受人类活动干扰最强烈的土壤，一些自然土壤或非封闭土壤的研究方法可能不再适用于城市封闭土壤研究，因此，未来城市封闭土壤研究还需要提高方法创新性。

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