城市化對(duì)土壤環(huán)境的影響

鄒超煜,白崗栓,李志熙,邊利軍，王正娟

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 2.榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000；3.烏蘭布和灌域管理局 沙區(qū)灌溉試驗(yàn)站，內(nèi)蒙古 磴口 015200；4.互助縣水土保持工作站，青海 互助 814000)

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城市化對(duì)土壤環(huán)境的影響

鄒超煜1,白崗栓1,李志熙2,邊利軍3，王正娟4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100； 2.榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000；3.烏蘭布和灌域管理局 沙區(qū)灌溉試驗(yàn)站，內(nèi)蒙古 磴口 015200；4.互助縣水土保持工作站，青海 互助 814000)

城市土壤；重金屬污染；富營(yíng)養(yǎng)化；有機(jī)污染；土壤改良

隨著城市化的快速發(fā)展及人口的不斷集中，城市土地利用方式發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變并顯著影響城市的土壤環(huán)境。城市化過(guò)程加快了城市土壤重金屬的外源輸入速率，造成城市土壤重金屬污染；城市人口高度集中，其排泄物導(dǎo)致城市土壤氮磷失衡，引起土壤富營(yíng)養(yǎng)化；城市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活引起城市土壤有機(jī)物污染；城市的廠房、住宅、道路等建設(shè)造成城市土壤孔隙分布、剖面結(jié)構(gòu)和土壤的水、熱、氣、養(yǎng)分等發(fā)生變化；與農(nóng)村土壤相比，城市土壤的微生物種群呈多樣化，但微生物總量減少，種群不穩(wěn)定；城市的“三廢”及郊區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加重了郊區(qū)土壤污染。為了維護(hù)、改良城市土壤，提出了做好城市規(guī)劃、加強(qiáng)土壤保護(hù)、制定合理的土壤安全管理政策、探索城市土壤修復(fù)新技術(shù)、強(qiáng)化公眾參與意識(shí)、樹(shù)立城市土壤可持續(xù)利用觀等土壤保護(hù)及改良措施。

城市化是區(qū)分發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，也是現(xiàn)代化的必然要求[1]。2014年我國(guó)的城市化率已達(dá)到54.8%，且每年的預(yù)期增長(zhǎng)率為0.8%，到2020年我國(guó)城市化率將接近60%。城市化作為社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志，已成為世界性的普遍現(xiàn)象。但伴隨著城市化的快速發(fā)展和城市人口的不斷集中，大量農(nóng)業(yè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?，與城市化有關(guān)的土壤質(zhì)量問(wèn)題日益突出[2-5]。城市土壤是城市園林植物生長(zhǎng)的介質(zhì)，為城市園林植物提供養(yǎng)分與水分，同時(shí)也是城市污染物的源和匯，在凈化大氣和水體環(huán)境、吸收和降解城市污染物等方面起著重要作用[6]。城市土壤質(zhì)量的高低直接關(guān)系到城市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和人類健康[7]。

城市土壤并不是一個(gè)分類學(xué)上的術(shù)語(yǔ)，它是出現(xiàn)在城市和郊區(qū)，受多種人為強(qiáng)烈活動(dòng)的影響，原有的土壤特性發(fā)生變化的土壤總稱[6]。城市和城郊土壤緊密接觸著城市人群，其質(zhì)量的高低不但影響著城市居民的生活水平，而且通過(guò)食物鏈直接影響著人們的食品安全，同時(shí)也通過(guò)水體、大氣等循環(huán)間接影響著城市的環(huán)境質(zhì)量[6,8]。因此，城市土壤與自然土壤相比，其生態(tài)和環(huán)境功能更應(yīng)被重視。但長(zhǎng)期以來(lái)，土壤學(xué)研究的主要方向是如何提高和維護(hù)土壤的生產(chǎn)力，對(duì)城市及郊區(qū)土壤的生態(tài)和環(huán)境功能研究較少[9]。為了使城市土壤發(fā)揮更好的生態(tài)和環(huán)境功能，根據(jù)已有的研究結(jié)果，筆者簡(jiǎn)要總結(jié)了城市化對(duì)城市土壤的影響，并提出了城市土壤的維護(hù)、改良方法。

1 城市化對(duì)城區(qū)土壤質(zhì)量的影響

1.1 對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

1.1.1 加重了城市土壤的重金屬污染

土壤的重金屬污染是評(píng)價(jià)城市環(huán)境污染的重要指標(biāo)之一[10]。城市土壤的重金屬含量主要受成土母質(zhì)及其外源輸入量的影響[4]。土壤中的重金屬外源輸入途徑通常與人類活動(dòng)密切相關(guān)，如含有重金屬的廢棄物、汽車尾氣、燃煤煙塵、采礦和冶煉、工業(yè)粉塵等均可提高土壤中的重金屬含量[11-13]。城市土壤重金屬污染主要涉及鋅(Zn)、鉛(Pb)、銅(Cu)和汞(Hg)四種重金屬元素[7,13-16]。交通運(yùn)輸是城市土壤鋅、鉛、銅污染的主要來(lái)源[14-15,17]，其中鉛主要來(lái)源于含鉛汽油的燃燒,鋅主要來(lái)源于機(jī)動(dòng)車輪胎磨損產(chǎn)生的含鋅粉塵[7]。汞主要來(lái)源于燃料燃燒過(guò)程中排放的汞蒸汽和玻璃、水泥、金屬冶煉、陶瓷等生產(chǎn)過(guò)程中散逸的汞蒸汽。城市化過(guò)程加快了城市土壤重金屬的外源輸入速率[18-19]，城市土壤中的重金屬含量通常高于城市周圍的森林土壤和農(nóng)業(yè)土壤[20]。

1.1.2 加重了城市土壤的氮、磷污染

通常情況下人類攝取的植物體、動(dòng)物體所提供的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，會(huì)通過(guò)人體的新陳代謝重新進(jìn)入自然環(huán)境中。城市人口高度集中，隨著人們的日常生活及活動(dòng)，大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入城市生態(tài)系統(tǒng)。土壤是諸多生態(tài)循環(huán)過(guò)程的終端，且土壤生態(tài)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定又具有較長(zhǎng)的周轉(zhuǎn)周期，因而進(jìn)入城市生態(tài)系統(tǒng)中的營(yíng)養(yǎng)元素大多數(shù)滯留在城市土壤中，少數(shù)則隨污水的排放等轉(zhuǎn)移到城市外部。近幾年城市土壤生源要素(生源要素指的是生物體所需的大量元素，如碳、氧、氫、氮和磷等)污染已經(jīng)成為城市污染源之一。大部分城市土壤具有較高的磷素含量[21]。陳立新[22]的研究結(jié)果表明，與自然土壤相比，哈爾濱市城市土壤的水解氮、全氮含量降低，全磷和有效磷含量顯著增高，磷在城市土壤中的富集現(xiàn)象嚴(yán)重。

盧瑛等[7]的研究表明，南京城市土壤剖面各層土壤的全磷含量均高于農(nóng)業(yè)土壤(1.24 g/kg)，最高的達(dá)8倍以上。杭州城市土壤表土中的全磷含量在0.563～3.522 g/kg之間，平均值略高于郊區(qū)農(nóng)業(yè)土壤[19，23]。生源要素的吸附-解吸特性往往影響著土壤溶液中的生源要素濃度，從而影響著生源要素的淋溶及地下水中的生源要素濃度，城市土壤中的生源要素含量高于農(nóng)業(yè)土壤，當(dāng)?shù)睾土姿氐钠胶庠獾狡茐?，將?huì)造成地下水污染[24]。

1.1.3 加重了城市土壤的有機(jī)物污染

交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、石油開(kāi)采及居民生活等也會(huì)排出大量的有機(jī)污染物，如多氯聯(lián)苯(PCBs)、多環(huán)芳烴(PAHs)、抗生素(ATBs)等，使土壤污染加劇[25-27]。揮發(fā)、淋溶和擴(kuò)散等是有機(jī)污染物通過(guò)土壤進(jìn)入空氣、水體的主要途徑，進(jìn)入土壤、大氣、水體的有機(jī)污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類的生命健康均會(huì)造成極大的危害[27-28]。多氯聯(lián)苯是一種重要的工業(yè)原料，英國(guó)土壤中的多氯聯(lián)苯含量占環(huán)境總量的93.1%[29]。土壤是多環(huán)芳烴重要的匯，多環(huán)芳烴主要來(lái)源于廢棄物處理及大氣沉降，此外還有工業(yè)廢水和燃料的溢出等。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，尤其在城市地區(qū)，土壤多環(huán)芳烴的濃度在不斷增加[30]。Krauss等[31]研究發(fā)現(xiàn)，城市土壤中的多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴等持久性有機(jī)污染物在居住區(qū)花園綠地和工業(yè)區(qū)附近的含量較高，呈現(xiàn)從中心城區(qū)向郊區(qū)逐漸遞減的趨勢(shì)?？股厥巧鷳B(tài)環(huán)境中的一類新型污染物，由于抗生素使用量大，并且能夠誘導(dǎo)生態(tài)環(huán)境中的微生物產(chǎn)生耐藥性，因此對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康造成巨大的潛在威脅。雖然抗生素的半衰期較短，但由于其頻繁使用且易進(jìn)入土壤環(huán)境系統(tǒng)，因此已成為土壤環(huán)境中的一類新型污染物。高立紅等[26]的研究結(jié)果表明，土壤環(huán)境中的抗生素主要來(lái)源于醫(yī)用抗生素、畜牧養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖和工廠排放等。

1.2 對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

在城市建設(shè)過(guò)程中，城市土壤受到人為干擾發(fā)生劇烈改變，某些土層侵入體的增多改變了土壤孔隙分布和土壤的水、肥、氣、熱狀態(tài)。城市中強(qiáng)烈的車輛碾壓和人為踐踏等，造成土壤孔隙度減少，土壤由團(tuán)粒結(jié)構(gòu)演化為片狀或塊狀結(jié)構(gòu)，土壤密度增加，通透性降低[32]。另外，城市建設(shè)使城市地面被城市建筑物、瀝青、水泥等所封閉，降低了城市土壤的透氣性、吸水能力及滲水能力等。

城市土壤被壓實(shí)的原因多種多樣：公園、道路旁的公共綠地主要是由于人為踐踏，行道樹(shù)下和綠化帶內(nèi)則主要是由于綠地建設(shè)過(guò)程中的機(jī)械碾壓，建筑點(diǎn)則是由于建筑材料的堆放和重型機(jī)械的碾壓。當(dāng)土壤含水量較高時(shí)，機(jī)械操作和人為踐踏都會(huì)引起嚴(yán)重的土壤壓實(shí)。壓實(shí)后的土壤容重增加，孔隙度減小，透氣性、透水性能降低，水分調(diào)節(jié)能力下降，土壤物理性質(zhì)退化[32]。自然土壤的降水滲透能力為87.6%，壓實(shí)土壤為72.8%，土壤壓實(shí)顯著降低了土壤的降水滲透能力[33]。

城市土壤中大于2 mm的粗骨物質(zhì)遠(yuǎn)高于農(nóng)業(yè)土壤。城市土壤的粗骨物質(zhì)除少量為自然巖石碎屑外，多數(shù)則是人工合成的物質(zhì)，如混凝土、磚塊、瀝青等。粗骨物質(zhì)之間及粗骨物質(zhì)與土粒之間的孔隙大，使土壤水分運(yùn)動(dòng)以優(yōu)勢(shì)流的方式進(jìn)行，從而抑制了土壤的過(guò)濾功能，增加了土壤污染對(duì)地下水的威脅。城市地表土壤的固化使得降水不能滲入土壤及參與土壤的水分循環(huán)，同時(shí)伴隨著地下水的過(guò)度開(kāi)采，造成城市地下水位下降，這些因素是造成城市土壤干旱的主要原因。城市帶來(lái)的“熱島效應(yīng)”導(dǎo)致城市土壤的溫度高于農(nóng)田土壤，并影響土壤中的水分、養(yǎng)分變化及微生物活動(dòng)。

1.3 對(duì)土壤生物多樣性的影響

土壤微生物是土壤中最活躍的活性生物且其生物活性與土壤質(zhì)量密切相關(guān)。土壤微生物對(duì)土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水、熱等環(huán)境因素變化敏感，能及時(shí)反映土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的變化和土壤質(zhì)量狀況[34]。土壤的結(jié)構(gòu)、水分、養(yǎng)分、通氣性等都對(duì)土壤微生物有重要影響[35]。隨著城市化過(guò)程中土地利用方式的轉(zhuǎn)變，土壤擾動(dòng)和土壤污染促使土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變，并顯著影響著土壤中各種微生物的種群活性、大小及微生物的多樣性[36]。隨著城市化水平的不斷提高，城市土壤中的微生物總量持續(xù)減少，且微生物群落結(jié)構(gòu)和功能也發(fā)生顯著改變[37]。城市中不同土地利用方式下的土壤微生物總量變化趨勢(shì)表現(xiàn)為公園>校園>居住區(qū)>道路[38]。城市土壤與農(nóng)村土壤相比，微生物對(duì)碳源的利用程度、利用種類均具有顯著的差異性，農(nóng)村土壤的微生物總量較高，群落穩(wěn)定且多樣性較低，而城市土壤的微生物總量較低，群落變化速率高且種群呈多樣化[39]。

2 城市化對(duì)郊區(qū)土壤環(huán)境的影響

郊區(qū)作為城市的邊緣地帶，是城市化最為敏感和最為活躍的地帶[40]。受城市化的影響，郊區(qū)的土壤肥力呈下降趨勢(shì)，土壤環(huán)境不斷惡化[41]。

2.1 城市污染對(duì)郊區(qū)土壤環(huán)境的影響

城市的廢水、廢氣、廢渣導(dǎo)致城市周邊土壤污染日益嚴(yán)重[42]。大量的工業(yè)廢渣和未經(jīng)環(huán)保處理的生活垃圾堆放在城郊，導(dǎo)致城郊土壤及其生態(tài)環(huán)境遭到污染與破壞。許多工業(yè)污泥和固體廢物中含有大量的有機(jī)物和植物所需的多種營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)提高土壤肥力具有積極的促進(jìn)作用，但工業(yè)污泥和固體廢物含有難分解的有機(jī)污染物、高濃度的重金屬、各種病原體和細(xì)菌等，未經(jīng)妥善處理而直接當(dāng)作肥料施入土壤，會(huì)造成土壤重金屬超標(biāo)、有機(jī)污染物超標(biāo)、生源要素超標(biāo)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤污染[43]。

城市中大量的生活和工業(yè)污水未經(jīng)凈化處理便直接排入河道、湖泊等水體，造成城郊水域及河道遭受嚴(yán)重污染并引起城郊農(nóng)業(yè)灌溉水源污染，灌溉水質(zhì)惡化[44]。城郊地區(qū)直接將城市生活污水及工業(yè)污水作為灌溉水源，是城郊土壤污染的主要原因之一。

2.2 農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)郊區(qū)土壤環(huán)境的影響

城市對(duì)蔬菜、水果的需求量遠(yuǎn)高于農(nóng)村，促使城郊土地種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而種植結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致土壤中植物營(yíng)養(yǎng)元素含量發(fā)生變化。通常情況下水果、蔬菜從土壤中吸收的養(yǎng)分高于谷類作物[45]。城郊型農(nóng)業(yè)種植的主要作物一般為蔬菜，與谷類作物相比，蔬菜生長(zhǎng)迅速，生長(zhǎng)期短，根系較不發(fā)達(dá)且生物量大，而且種植蔬菜的土壤氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素含量高，硝酸鹽積累量大，土壤pH值降低，土壤向酸化方向演變，土壤原有的養(yǎng)分平衡被打破，土壤生產(chǎn)力逐漸降低[46]。城郊型農(nóng)業(yè)的土壤肥力、理化性狀、發(fā)生特性和土壤質(zhì)量等均在強(qiáng)烈的人為作用下向高氮、高磷、富集重金屬的方向演變。隨著城市化的不斷發(fā)展，城郊型農(nóng)業(yè)規(guī)模也不斷擴(kuò)大，對(duì)土壤資源的高效、集約利用也更加充分，但強(qiáng)烈的人為活動(dòng)和高強(qiáng)度的外源物質(zhì)輸入打亂了土壤系統(tǒng)原有的物質(zhì)循環(huán)途徑與平衡，造成土壤環(huán)境容量逐漸減小，土壤污染風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大，土壤的環(huán)境生態(tài)功能不斷削弱。

3 城市土壤的保護(hù)及改良

3.1 做好城市規(guī)劃，加強(qiáng)土壤保護(hù)

目前中國(guó)城市發(fā)展規(guī)劃的關(guān)注點(diǎn)仍然集中在物質(zhì)環(huán)境規(guī)劃上，城市規(guī)劃的管理體制及學(xué)術(shù)思想等難以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及城市建設(shè)的發(fā)展[47]。中國(guó)城市的發(fā)展應(yīng)不斷提高城市規(guī)劃水平，遵循城市規(guī)劃原則，運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理，處理好經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，合理安排城市建設(shè)與生態(tài)環(huán)境之間的用地矛盾，城市人口的持續(xù)膨脹不應(yīng)該成為城市不斷向郊區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)擴(kuò)張的理由。城市規(guī)劃應(yīng)科學(xué)合理，集約、高效利用土地資源，用最小的投入取得最大的土地產(chǎn)出和效益。在土地開(kāi)發(fā)建設(shè)初期，對(duì)開(kāi)發(fā)的土地采取必要的保護(hù)措施，防止土壤污染，減少水土流失。土地開(kāi)發(fā)規(guī)劃期和建設(shè)期不僅要注重對(duì)原有土壤的保護(hù)，更應(yīng)考慮如何有效地恢復(fù)被污染的土地，如通過(guò)合理的設(shè)計(jì)將廢棄的垃圾場(chǎng)變?yōu)楣珗@及城市用地。根據(jù)城市土壤大量固化的特點(diǎn)，可適當(dāng)修建蓄水池，不但可排澇減災(zāi)，而且可將雨水用于城市清潔和灌溉。

3.2 制定合理的土壤安全管理政策

在城市發(fā)展、建設(shè)過(guò)程中，參照歐美等城市化較為完善的國(guó)家在城市土壤污染治理方面的經(jīng)驗(yàn)、管理法規(guī)及政策，依據(jù)城市土壤污染的類型、機(jī)制和途徑，建立一套適合我國(guó)城市預(yù)防、治理土壤污染的技術(shù)和管理措施。依據(jù)城市土壤背景值和城市土壤污染特性，建立城市土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和城市土壤環(huán)境容量指標(biāo)體系。在城市規(guī)劃和建設(shè)中，針對(duì)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商，建立城市土壤環(huán)境評(píng)價(jià)制度，如買賣或租用可能被污染的土地，簽約當(dāng)事人應(yīng)事先調(diào)查土壤的污染狀態(tài)，評(píng)價(jià)土壤的污染程度，并在土地成交價(jià)上反映出凈化土壤所需要的費(fèi)用[48]。

3.3 探索城市土壤修復(fù)新技術(shù)

污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要有生物修復(fù)(植物修復(fù)、微生物修復(fù))、化學(xué)修復(fù)、化學(xué)-生物修復(fù)等[49]。生物修復(fù)不破壞原有的土壤生態(tài)環(huán)境，能使土壤保持良好的結(jié)構(gòu)和肥力，無(wú)需進(jìn)行二次處理就可種植其他植物。生物修復(fù)技術(shù)既安全又經(jīng)濟(jì)，如固化生物修復(fù)技術(shù)可用于修復(fù)多環(huán)芳烴污染的土壤[50]。美國(guó)用植物凈化土壤已經(jīng)進(jìn)行了許多年，佛羅里達(dá)州立大學(xué)已證明一種蕨類植物吸收砷的能力是土壤的200多倍[51]。生物碳是由生物質(zhì)高溫?zé)峤庵瞥桑且环N穩(wěn)定的固體，有很強(qiáng)的吸附能力和良好的孔隙結(jié)構(gòu)，可有效改良土壤的理化特性，可廣泛應(yīng)用于城市土壤修復(fù)[52]。目前環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境友好的生物碳質(zhì)吸附劑的研究幾乎為空白。聚丙烯酰胺可大量吸附污染物，減少污染物排放，可在城市污水處理中大量應(yīng)用[53]。

3.4 強(qiáng)化公眾參與意識(shí)，樹(shù)立城市土壤可持續(xù)利用觀

我國(guó)城市生態(tài)建設(shè)的主體為政府，公眾對(duì)城市土壤環(huán)境的保護(hù)及其重要性缺乏認(rèn)知，參與意識(shí)薄弱。政府應(yīng)通過(guò)各種形式，宣傳有關(guān)土壤環(huán)保方面的知識(shí)，提高民眾的土壤環(huán)保意識(shí)，促使廣大民眾特別是城市管理者及土地使用者積極參與到土壤改良及土壤保護(hù)過(guò)程中，同時(shí)政府要制定相應(yīng)的激勵(lì)政策，強(qiáng)化公眾參與意識(shí)，吸引更多的城市學(xué)家、土壤學(xué)家和生態(tài)學(xué)家關(guān)注城市土壤，促使城市管理者在城市建設(shè)和規(guī)劃中必須利用土壤學(xué)方面的研究成果來(lái)保護(hù)土壤、修復(fù)土壤，促使城市居民建立起人類生存依賴于土壤，城市土壤應(yīng)持續(xù)利用、維護(hù)的觀念。

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KFZD-SW-306);國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD14B006，2011BAD31B05)

X53

A

1000-0941(2016)11-0076-05

鄒超煜(1990—)，男，江西吉安市人，碩士研究生，從事水土保持及生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的研究；通信作者白崗栓(1965—)，男，陜西富平縣人，研究員，碩士，主要從事果樹(shù)栽培及農(nóng)田生態(tài)方面的研究。

2015-08-27