城市发展对土壤环境效应及其功能变化的影响评述

2023-01-03冯小娟王晓雁裴若会

化工设计通讯 2022年2期

冯小娟，王晓雁，裴若会，刘隆

（陕西省地质矿产实验研究所有限公司，陕西西安 710054）

城市是人类社会经济及文化发展到一定历史阶段的产物，具有一定的人口规模，以非农业人口为主的人类群居生活聚集区。城市化是城市社会、经济及各方面发展进程的结果，是城市工业化水平高低的重要标志。20世纪下半叶，第二次世界大战后发生了第三次工业革命，带来了城市化和人口向城市转移。世界各地的城市化进程取得了迅速进展，特别是在发展中国家。世界上50%以上的人口生活在城市，而中国城市人口的比例已经接近60%，聚集了大量本地区的人才、物质和各种高能信息，给城市带来巨大财富的同时，城市化也带来了环境承载压力，严重的城市环境污染问题。城市是一个集自然、经济、社会的综合生态系统，也是一个充满不确定性的人工生态系统[1-2]，它具有一般生态系统的特征，但又不同于自然生态系统和农田生态系统。人类的生产活动和日常生活在城市生态系统中起着重要的作用。然而，土壤作为城市生态系统的一个组成部分，很少受到人们关注[3]。人类生产活动产出的污染物破坏了土壤原有的生态平衡，导致城市土壤原有的一些生态功能丧失，最终将影响城市居民的健康[4]。因此，研究城市化进程中土壤生态功能的演变及其影响，并采取相应的防治措施，将有助于促进城市的可持续发展。

1 城市土壤

城市土壤是一个不同于传统土壤学的新概念。由于传统上城市没有土壤，土壤科学主要服务于农业[5]。城市土壤是城市或郊区土壤的总称。由于人类活动的各种影响，这些土壤保持了原有的性质并发生了变化。城市土壤是指在地带性土壤背景下，城市化过程中受人类活动影响的非农业用地，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。它广泛分布在公园、郊区、城市河流、道路、体育场、废弃工厂、矿山和垃圾填埋场，或建筑物和工业设施覆盖的地区[6]。在高度密集和强烈的人类活动的作用下，城市土壤不断被封闭和压实，从而改变了土壤的形态[7]。城市土壤物理性质的恶化主要表现为土壤容重的增加、颗粒组成的极端化、通气量和孔隙度的降低、土壤剖面结构分异程度低、土层缺乏、土层分异的不连续性，甚至出现“土层倒置”现象等[8]。通过对香港行道树生长条件下土壤容重的测定，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长的理想值，说明土壤板结严重。通过人类活动（生活垃圾、工业垃圾等）或自然过程产生的有害物质进入城市或郊区土壤中，它的含量超过土壤自净能力，使土壤理化性质变化加剧，主要表现在：土壤富营养化程度增加、土壤重金属污染中的有机质污染[10]。人类（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态系统中的土壤中[11]，磷是所有生命必不可少的元素，所有生物每天都需要它来产生能量。然而，人类活动对自然磷循环产生影响，导致土地肥力下降，影响农作物的品质，胁迫人类身体健康。香港[12--13]、北京[14]、南京[15]等城市已经开展了城市重金属污染的调查研究，结果表明，城市土壤遭受了不同程度的重金属污染；通过对天津市区和城郊土壤中10种多环芳烃的检测，发现市区多环芳烃（PAHs）含量超标最严重，其中二环萘（Nap）超标最严重，强致癌物苯并芘含量也令人担忧[16]。

2 城市土壤生态功能的演变

土壤是气候、地形、生物、母质、时间等自然因素的产物。它具有多种基本的环境功能，这些功能的共同作用下，维持着城市土壤的生态环境平衡，在城市环境的变化过程中起着重要的作用[17-18]。

2.1 维持动植物的多元化，是生物的基因库和繁殖地

城市土壤由于其特殊性，不但要起到城市功能区的基础支撑作用，还要起到城市植物种子库、基因库的作用。城市作为现代化建设的产物，也属于生态环境中一个重要系统，在这个系统中，土壤仍然是作为生产力基础的存在，土壤不仅为其上生活和生长的动植物提供了养分和栖息地，同时也是动植物生长发育繁衍后代的场所。城市生态环境中土壤与水文、小气候环境、城市降水、城市大气的相互作用，形成了城市土壤的能量和物质的循环，这些循环促进了城市土壤对动植物繁殖能力基因库的承载量，从而进一步促进土壤生态系统的生物多样性。而这种促进作用使城市土壤这一特殊的循环体，在城市的发展过程中起着重要的生态调节作用，保持了城市生态的平衡。

2.2 驱动物质循环的中央枢纽

城市中C、N、S、P循环，金属元素的生态地球化学循环，水的生态平衡等共同构成了城市生态系统的物质循环。土壤中存在各种驱动因子，与城市生态系统发生着物质的循环作用，如土壤胶体表面结构可以影响重金属元素的循环过程，土壤的呼吸作用影响土壤中碳、氮的循环。一方面土壤通过固定作用，可将环境中的碳、氮固定于土壤中，另一方面，土壤在遭受破坏或氧化分解作用，又会将土壤中的碳、氮还回大气。通过对岩石、大气、水和生物圈对土壤圈物质循环的影响以及土壤圈物质循环对其他圈层的影响的研究，有利于获得城市土壤在城市环境物质循环中所起的作用。利用多种新方法和新技术对城市土壤圈物质循环开展研究，发现其在城市环境的物质循环构成中起着中央枢纽的作用，协调着城市的生态环境向着友好、和谐方向发展。

2.3 筛选过滤、封锁、缓解、净化能力

城市土壤对城市地下水同样起着重要的保护作用。城市土壤的缓冲能力可以降低城市降尘对城市地下水的污染作用。一方面城市土壤将大气降尘截留于土壤表面，在微生物的降解作用下，成为土壤的一部分，另一方面土壤通过生长于其表面的植物，将大气降尘固定，而降低其对地下水的危害。城市土壤同时可降低地表污水对地下水和深层土壤的危害。城市土壤在抵抗外来污染时虽然需要承载更大的污染压力，但其过滤机制仍然存在，可以将表层污水通过土壤颗粒和土壤胶体的作用净化后进入地下水，从而有效地抱回了城市地下水。城市土壤也是病原微生物的过滤器。由于城市土壤的特殊性，其功能也要求多样化，其中很重要的一个功能就是可以净化城市中的有害微生物，通过吸收、抑制等作用，降低病原微生物对人类的危害。

2.4 节约水资源，转化能源，预防灾害

城市土壤不仅能够净化城市水体，同时通过将城市水体吸附固持，将城市中多余的水分暂存于土壤系统中，等到干旱季节又可以将这部分水体释放出来，补充地下水、保持城市蒸发散能力，促进城市地下水位的平衡，同时维持城市环境的友好。城市土壤同样可以将城市热岛产生的热能吸附，一方面通过热平衡降低城市的热能，另一方面可以通过植被吸收热能，达到能源转化的作用，有利于城市环境的健康发展。城市土壤具有很强的容纳能力，可以在城市防洪过程中起到重要的作用，将暴雨中大部分的水体储存于城市土壤中，可以显著降低城市水灾。而由于城市的热岛效应，城市温度会较周边环境显著升高，城市土壤可将多余的热能吸收，从而降低城市系统的热害。另外，城市土壤作为城市生态系统的重要组成部分，对城市生态系统灾害具有很好的预防作用，通过土壤中的生物降低城市化过程中的各种灾害。

2.5 形成景观，保护自然变化和人类遗产

城市土壤不仅在城市生态系统中起着重要的作用，同时也是城市功能区不可缺少的部分。城市土壤通过自身的调节作用及人类有意识地培育，可以达到多种用途，其中重要的一种用途就是可以通过改良土壤，种植景观植物，形成城市行道、公园、草坪等景观，在发挥生态功能的过程中还起到了美化环境的功能。城市行道由于既要保证道路畅通，又要降低道路扬尘对周边环境的破坏作用，所以需要栽植不同层次的植被，因此对土壤的要求也相对比较高，要求既要保水，同时又有足够的养分保持能力。城市公园是城市中重要的休闲娱乐场所，因此城市公园中不仅需要树木，还需要花草，同时还对土壤的洁净度也有很高的要求。城市草坪属于特殊类型的景观，不仅对生态环境有着重要的意义，同时也是人们活动的场所，因此对土壤的要求相对较高。土壤不仅作为生态环境的重要组成部分，也是人类生活、生产过程中的重要因素，对城市环境起着重要的作用。

土壤是城市生态系统的重要组成部分，保持健康植物的生长是首要任务。绿色植物在协调城市环境质量和城市居民健康方面发挥着重要作用，而土壤是这些健康植物生长所必需的养分提供者和基础。绿地质量优质与否是城市土壤管理的核心地位[19]。其次，城市土壤的生态特性是城市污染物的吸收地与温床，并不是生产的功能[20]。城市土壤可以通过降解、转化、缓冲和吸附作用，降低工矿生产、农业生产活动、生活垃圾、生活污水等污染的浓度，降低生物毒性[21]。土壤中的各种微生物和土壤动物也能降解和转化外界入侵的各种物质，在有毒污染物的分解中起着重要作用[22]。城市土壤是通过维持绿色植物的生长、微生物的自净和降解来维持城市生态的可持续发展。

然而，在城市化进程中，土壤的功效不断演化。城市化减少了耕地，增加了工商业用地，改变了生物栖息地，降低了生物多样性也降低了水质，这表明土壤功能正在缓慢变化[23]。城市化导致土壤理化性质恶化，绿色植被无法正常生长，自然景观受到严重破坏，土壤中污染物无法自净，水热交换无法进行，而微生物环境的变化意味着城市土壤的许多原始自然土壤性质部分或完全丧失。同时，大部分城市化污染物通过各种形式进入土壤，这是土壤接受和缓冲功能的体现。然而，在激烈的环境污染活动中，城市土壤很快将超载，积累到一定程度，它的自净功能将面临庞大危境。从长远来看，这将对城市化的生态环境产生致命影响[24]。