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北京市建成区土壤生态环境特征与影响因素研究

3、环境科学 > 专题9：城市化与土壤安全

近几十年来，全球正经历前所未有的城市化过程，高密度的人类活动直接或间接的改变了自然生态系统的生产力、生物多样性、流域水文过程及生物地球化学循环，从而对生态系统的组成、结构、过程和功能产生了一系列影响。土壤作为城市生态系统的重要组成部分，是元素地球化学循环的关键性“源”和“汇”。由于在城市化过程中土壤受到了人类活动的强烈扰动，尤其对土壤中重要元素碳、氮的循环和重金属元素的累积产生了重要影响。然而，由于土壤组成及土壤生态过程的复杂性，关于快速城市化对土壤的生态功能及生态过程的影响的研究尚不深入。北京市自2000年以来进入了快速城市化阶段，土地利用类型的经历了快速变化。本研究以北京市建成区内各类型的绿地土壤为研究对象，通过网格布点、采样分析，开展对城市土壤碳、氮循环及重金属元素的分布特征及其影响因素的研究。本研究结果能够揭示快速城市化过程对土壤生态功能的影响机制，阐述城市生态学中经济、社会与自然的相关关系，为城市规划及城市生态环境管理提供理论依据。
本研究主要包括五个方面的研究内容，即（1）北京市建成区2000-2012年城市化过程动态分析；（2）北京市建成区土壤理化性质空间分布格局；（3）北京市建成区土壤有机碳循环格局及影响因素；（4）北京市建成区土壤氮循环特征及影响因素；（5）北京市建成区城市土壤重金属累污染格局及累积风险评估。主要研究结论如下：
（1）利用2008年和2012年的遥感数据及2000年和2010年的人口普查数据，得到研究区内各土地利用类型综合动态度和不同土地利用类型的动态度、4个典型景观指数的变化、人口的变化。结果表明，由于北京市建成区内大面积硬化，各类土地利用类型在2008年至2012年之间的综合动态度仅为1.06%，而农业用地的单一动态度达到7.85%；景观破碎化程度较高；从2000年到2010年建成区常住人口年均增长率为9.1%，是北京市常住人口年均增长率的3倍，人口密集区域从市中心转移到中心偏北区域。
（2）北京市建成区土壤呈现出显著的压实现象，超过63%的土壤样品容重超过1.4 g cm-3，即超出粉砂壤土（silt loam）根系生长的限制值。容重较高的区域主要位于西部、北部；研究区内土壤含有较高比例的砂粒，并且接近一半的样品的土壤含水量低于有利于树木生长的最低含水量11.44%；土壤pH值范围为7.44至8.90，为碱性土壤，并且商业用地的土壤pH值最高，而农业用地最低。
（3）北京市建成区土壤有机碳密度变化范围为1.08-5.62 kg m-2，土壤有机碳储量不以凋落物等为来源的有机碳的变化而变化，其空间分布与土壤的压实、有机质来源有密切关系，在工业用地的土壤中浓度显著高于除农业用地以外的其他类型的土壤；土壤有机碳的矿化率变化范围为0.67-21.78%，具有较高的矿化比例，因此累积碳的能力有限；以土壤有机碳指标为基础，计算得到土壤固碳能力指数，研究区内近70%的土壤固碳能力指数等于或低于“中等”水平，反映出研究区内大部分区域土壤的固碳能力相对较差。通过相关性分析，筛选出土壤碳循环的主要影响因素包括人口密度及增长率、景观指数、住宅、绿地及农业用地的面积。
（4）通过动力学模型的拟合，除微生物量碳和矿化碳，其他有机碳指标均与城市化因子建立起定量关系，进一步印证了城市化因子对土壤碳循环的影响。并且模型参数反映出土壤碳循环存在达到平衡状态的阈值，譬如，当交通用地的面积百分比接近10%时，城市土壤的固碳指数将会达到其最大限度。并且，北京市建成区土壤目前的平均有机碳的状态已经接近或是超过理论最大值。
（5）北京市建成区土壤总氮的浓度变化范围为242.94-1730.92 mg kg-1，土壤无机氮净矿化率的变化范围为-10.58-21.81 mg kg-1 d-1，接近10%的样点土壤无机氮的矿化率为负，这些样点土壤的无机氮处于被消耗的状态，说明大部分样点的土壤氮不断的在累积，但其总量远低于临近区域的森林土壤；利用等级分解分析，其结果表明城市土壤氮的影响因子仍以土壤理化性质为主，对总氮的显著性达到80%以上；但土壤性质、景观指数和土地利用类型对土壤总氮、硝态氮、铵态氮和氮矿化率综合影响显著性分别为88%、44%、20%和22%。
（6）根据地累积指数的结果，研究区内城市土壤的重金属污染程度较轻，其中Zn的污染范围最广，超过建成区四分之一的面积达到1级轻度污染水平，Cu的污染程度最高，达到2级及以上水平的样品最多；通过回归树模型建立重金属与城市化因子之间的关系，反映出影响土壤重金属累积的影响因素主要包括有机碳、人口增长率、阳离子交换量，另外，景观指数和风速也会对土壤重金属的累积产生显著的影响；土壤的理化性质，有机碳和阳离子交换量对4种重金属均具有正相关的关系，人口的年均增长率对土壤重金属的影响更多的是具有负相关关系，而人口密度则与重金属的累积具有负相关关系。对北京市建成区的重金属累积风险进行分区，结果表明，高风险区主要分布于建成区中心、东部及西部区域，而低值区则主要分布在南部。单个重金属的累积高风险区的分布与城市化程度较高的区域一致；而4种重金属综合累积的风险除了与城市化程度相关，还与交通网络的密集程度有关。