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城市土壤受自然和人为双重影响下发生演变,传统土壤形成因素的影响主要体现在其继承特性上,城市化后,人为影响处于主导地位,由于影响强度和方式的多样性,城市土壤表现出复杂的变异性,其规律难以把握,不易表达。
很多研究表明,城市化过程会对土壤产生强烈的影响,但大部分研究停留在对城市土壤性质的描述性报告阶段,关于城市化过程中人为影响方式、强度、历史等因素对土壤演变的规律性研究很少,关于城市土壤,目前的研究在一定程度上回答了“是什么”,而无法回答“为什么”、“将来会怎样”,这限制了城市土壤研究结果在城市规划、城市生态和环境保护、预警中的应用,限制了城市土壤研究的深入和城市土壤学科研究的意义。
本研究从空间、时间、类型、影响方式等多个角度对城市土壤演变规律进行研究,分析其驱动因素,以期发现城市土壤演变的规律性和驱动机制、城市化过程中土壤演变的规律性和驱动机制,为城市土壤研究进行方法和视角的探索,为城市土壤的科学评价和管理提供理论基础。
研究首先从城市化大背景下,对城市扩张格局中的城-郊-农序列样带上的土壤演变规律进行纵向比较,并采用了空间影响距离分析、社会经济因素分析等研究城市化过程中土壤演变规律及驱动机制。论文还针对城市建成区内部,分别从时间(建成区时间)、空间(空间距离)和类型(不同尺度和级别土地利用类型)角度对城市土壤演变规律及驱动机制进行研究。
研究发现,城市环境下由于砂性建筑材料进入土壤,砂粒和粗骨物质含量显著提高,城区土壤砂粒含量达到郊区菜地土壤和农区土壤的三倍左右。随着建成区历史延长,土壤中的砂粒含量趋向提高。城市环境下颗粒组成的垂直变化可以用来反映母质的来源性差异,并进而追溯土壤受扰动的程度和客土堆填信息,帮助我们认识城市土壤人为影响的强度和方式。城市土壤容重普遍大于自然和农业土壤,孔隙度呈相反趋势,土壤压实严重,建成区内不同功能区之间土壤容重表现为居住区>商服文教区>自然景观区>工业区。
城市环境影响下,土壤出现碱性化趋向。由城区到农区,pH逐渐降低,外源CaCO3的输入强度逐渐减弱,是典型的城市环境主导输入物质。随着城市化历史更久,pH呈现明显增高趋势。城市土壤的趋碱性和复钙特征的表征,以较为稳定的亚表层为依据更具合理性。
土壤一般养分元素属于城郊主导输入型物质或者城区、城郊复合主导输入型物质。其中,土壤总有机碳(TOC)和全氮(TN)属于城郊输入型物质,在城市条件下,土壤中有机物物质输入的强度、累积速率与建成区历史没有明显关系。磷素(P)属于城区和郊区复合输入型物质,城市化后依然存在P对土壤的输入过程,建成时间越久,P的含量越高。城市环境下P输入的来源主要是生活污水、生活垃圾等,因此,不同城市功能区之间以居民区土壤P含量最高。郊区菜地是土壤中全钾(TK)主要外源输入场所,城区土壤速效钾(AK)含量的提高,有可能是城市化后土壤进一步富集了部分AK,或者是酸碱度条件改变使得K活化度上升。随着建成区时间的延长,土壤中TK含量呈现明显的下降趋势,AK则呈现上升趋势,这说明城市环境下基本不存在K的输入过程,但是K活化度随建成时间延长而提高。
本研究涉及的5种重金属元素可以分为两类,Zn、Pb、Cu属于存在明显外源污染的类型,且为城市环境主导输入型,随着建成区历史的延长,含量均值呈提高趋势,土壤已经发挥了较大的吸附生态服务功能,有相当比例超过了土壤允许的最大环境容量,达到红色预警状态,可能具有负面的生态效应;Cr、Cd受城市环境影响不明显,没有表现出显著的污染特征。不同城市功能区之间比较发现,工业区土壤重金属污染最严重。通过不同含量分组比较和不同建成区历史比较两种方式,都证明了外源输入强度高的重金属元素,亚表层土壤含量表现出了稳定的规律性,比表层土壤更具有指示意义。表层土壤Zn含量与城市道路分布特征存在显著的相关关系,140m半径范围内的道路距离加权面积指数可以解释表层土壤Zn含量变异的66.4%。
采用局部土地利用类型的一级分类单元对城市土壤进行分区分类,是较为理想的选择,空间控制范围不宜过大。城市土壤存在高度的变异性,同一土地利用类型内部依然存在很大的变异性,这造成了类型间的土壤性质差异往往难以达到统计上的显著水平,对于城市土壤研究,从均值角度进行比较也是可取的选择。
采用聚类等数学方法可以对城市土壤其进行有效的分类,植被和利用类型能够比较好的解释土壤类型解读结果,也近似反映了各种土壤类型所受到的影响。数学分类结果可以作为城市土壤分类的有益参考和鉴定基础。
GDP和人口密度与部分城市土壤属性表现出了高度的相关性,可以成为反映城市土壤变化以及预测预警的潜在指标之一,可以用在区域土壤生态环境评价工作中去,既为研究城市化对土壤资源演变影响提供了易得数据,同时也为我国现阶段经济发展的环境代价评估提供依据。