城市化对土壤环境的影响

邹超煜,白岗栓,李志熙,边利军，王正娟

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 2.榆林学院，陕西 榆林 719000；3.乌兰布和灌域管理局 沙区灌溉试验站，内蒙古 磴口 015200；4.互助县水土保持工作站，青海 互助 814000)



城市化对土壤环境的影响

邹超煜1,白岗栓1,李志熙2,边利军3，王正娟4

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨凌 712100； 2.榆林学院，陕西 榆林 719000；3.乌兰布和灌域管理局 沙区灌溉试验站，内蒙古 磴口 015200；4.互助县水土保持工作站，青海 互助 814000)

城市土壤；重金属污染；富营养化；有机污染；土壤改良

随着城市化的快速发展及人口的不断集中，城市土地利用方式发生急剧转变并显著影响城市的土壤环境。城市化过程加快了城市土壤重金属的外源输入速率，造成城市土壤重金属污染；城市人口高度集中，其排泄物导致城市土壤氮磷失衡，引起土壤富营养化；城市工农业生产及居民生活引起城市土壤有机物污染；城市的厂房、住宅、道路等建设造成城市土壤孔隙分布、剖面结构和土壤的水、热、气、养分等发生变化；与农村土壤相比，城市土壤的微生物种群呈多样化，但微生物总量减少，种群不稳定；城市的“三废”及郊区农业产业结构的调整，加重了郊区土壤污染。为了维护、改良城市土壤，提出了做好城市规划、加强土壤保护、制定合理的土壤安全管理政策、探索城市土壤修复新技术、强化公众参与意识、树立城市土壤可持续利用观等土壤保护及改良措施。

城市化是区分发达国家和发展中国家的一个重要标准，也是现代化的必然要求[1]。2014年我国的城市化率已达到54.8%，且每年的预期增长率为0.8%，到2020年我国城市化率将接近60%。城市化作为社会进步的标志，已成为世界性的普遍现象。但伴随着城市化的快速发展和城市人口的不断集中，大量农业用地转变为城市用地，与城市化有关的土壤质量问题日益突出[2-5]。城市土壤是城市园林植物生长的介质，为城市园林植物提供养分与水分，同时也是城市污染物的源和汇，在净化大气和水体环境、吸收和降解城市污染物等方面起着重要作用[6]。城市土壤质量的高低直接关系到城市生态环境质量和人类健康[7]。

城市土壤并不是一个分类学上的术语，它是出现在城市和郊区，受多种人为强烈活动的影响，原有的土壤特性发生变化的土壤总称[6]。城市和城郊土壤紧密接触着城市人群，其质量的高低不但影响着城市居民的生活水平，而且通过食物链直接影响着人们的食品安全，同时也通过水体、大气等循环间接影响着城市的环境质量[6,8]。因此，城市土壤与自然土壤相比，其生态和环境功能更应被重视。但长期以来，土壤学研究的主要方向是如何提高和维护土壤的生产力，对城市及郊区土壤的生态和环境功能研究较少[9]。为了使城市土壤发挥更好的生态和环境功能，根据已有的研究结果，笔者简要总结了城市化对城市土壤的影响，并提出了城市土壤的维护、改良方法。

1 城市化对城区土壤质量的影响

1.1 对土壤化学性质的影响

1.1.1 加重了城市土壤的重金属污染

土壤的重金属污染是评价城市环境污染的重要指标之一[10]。城市土壤的重金属含量主要受成土母质及其外源输入量的影响[4]。土壤中的重金属外源输入途径通常与人类活动密切相关，如含有重金属的废弃物、汽车尾气、燃煤烟尘、采矿和冶炼、工业粉尘等均可提高土壤中的重金属含量[11-13]。城市土壤重金属污染主要涉及锌(Zn)、铅(Pb)、铜(Cu)和汞(Hg)四种重金属元素[7,13-16]。交通运输是城市土壤锌、铅、铜污染的主要来源[14-15,17]，其中铅主要来源于含铅汽油的燃烧,锌主要来源于机动车轮胎磨损产生的含锌粉尘[7]。汞主要来源于燃料燃烧过程中排放的汞蒸汽和玻璃、水泥、金属冶炼、陶瓷等生产过程中散逸的汞蒸汽。城市化过程加快了城市土壤重金属的外源输入速率[18-19]，城市土壤中的重金属含量通常高于城市周围的森林土壤和农业土壤[20]。

1.1.2 加重了城市土壤的氮、磷污染

通常情况下人类摄取的植物体、动物体所提供的氮、磷等营养元素，会通过人体的新陈代谢重新进入自然环境中。城市人口高度集中，随着人们的日常生活及活动，大量的氮、磷等营养元素进入城市生态系统。土壤是诸多生态循环过程的终端，且土壤生态环境相对稳定又具有较长的周转周期，因而进入城市生态系统中的营养元素大多数滞留在城市土壤中，少数则随污水的排放等转移到城市外部。近几年城市土壤生源要素(生源要素指的是生物体所需的大量元素，如碳、氧、氢、氮和磷等)污染已经成为城市污染源之一。大部分城市土壤具有较高的磷素含量[21]。陈立新[22]的研究结果表明，与自然土壤相比，哈尔滨市城市土壤的水解氮、全氮含量降低，全磷和有效磷含量显著增高，磷在城市土壤中的富集现象严重。

卢瑛等[7]的研究表明，南京城市土壤剖面各层土壤的全磷含量均高于农业土壤(1.24 g/kg)，最高的达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之间，平均值略高于郊区农业土壤[19，23]。生源要素的吸附-解吸特性往往影响着土壤溶液中的生源要素浓度，从而影响着生源要素的淋溶及地下水中的生源要素浓度，城市土壤中的生源要素含量高于农业土壤，当氮素和磷素的平衡遭到破坏，将会造成地下水污染[24]。

1.1.3 加重了城市土壤的有机物污染

交通运输、工业生产、石油开采及居民生活等也会排出大量的有机污染物，如多氯联苯(PCBs)、多环芳烃(PAHs)、抗生素(ATBs)等，使土壤污染加剧[25-27]。挥发、淋溶和扩散等是有机污染物通过土壤进入空气、水体的主要途径，进入土壤、大气、水体的有机污染物对生态环境和人类的生命健康均会造成极大的危害[27-28]。多氯联苯是一种重要的工业原料，英国土壤中的多氯联苯含量占环境总量的93.1%[29]。土壤是多环芳烃重要的汇，多环芳烃主要来源于废弃物处理及大气沉降，此外还有工业废水和燃料的溢出等。近一个世纪以来，尤其在城市地区，土壤多环芳烃的浓度在不断增加[30]。Krauss等[31]研究发现，城市土壤中的多氯联苯、多环芳烃等持久性有机污染物在居住区花园绿地和工业区附近的含量较高，呈现从中心城区向郊区逐渐递减的趋势。抗生素是生态环境中的一类新型污染物，由于抗生素使用量大，并且能够诱导生态环境中的微生物产生耐药性，因此对生态环境和人类健康造成巨大的潜在威胁。虽然抗生素的半衰期较短，但由于其频繁使用且易进入土壤环境系统，因此已成为土壤环境中的一类新型污染物。高立红等[26]的研究结果表明，土壤环境中的抗生素主要来源于医用抗生素、畜牧养殖、水产养殖和工厂排放等。

1.2 对土壤物理性质的影响

在城市建设过程中，城市土壤受到人为干扰发生剧烈改变，某些土层侵入体的增多改变了土壤孔隙分布和土壤的水、肥、气、热状态。城市中强烈的车辆碾压和人为践踏等，造成土壤孔隙度减少，土壤由团粒结构演化为片状或块状结构，土壤密度增加，通透性降低[32]。另外，城市建设使城市地面被城市建筑物、沥青、水泥等所封闭，降低了城市土壤的透气性、吸水能力及渗水能力等。

城市土壤被压实的原因多种多样：公园、道路旁的公共绿地主要是由于人为践踏，行道树下和绿化带内则主要是由于绿地建设过程中的机械碾压，建筑点则是由于建筑材料的堆放和重型机械的碾压。当土壤含水量较高时，机械操作和人为践踏都会引起严重的土壤压实。压实后的土壤容重增加，孔隙度减小，透气性、透水性能降低，水分调节能力下降，土壤物理性质退化[32]。自然土壤的降水渗透能力为87.6%，压实土壤为72.8%，土壤压实显著降低了土壤的降水渗透能力[33]。

城市土壤中大于2 mm的粗骨物质远高于农业土壤。城市土壤的粗骨物质除少量为自然岩石碎屑外，多数则是人工合成的物质，如混凝土、砖块、沥青等。粗骨物质之间及粗骨物质与土粒之间的孔隙大，使土壤水分运动以优势流的方式进行，从而抑制了土壤的过滤功能，增加了土壤污染对地下水的威胁。城市地表土壤的固化使得降水不能渗入土壤及参与土壤的水分循环，同时伴随着地下水的过度开采，造成城市地下水位下降，这些因素是造成城市土壤干旱的主要原因。城市带来的“热岛效应”导致城市土壤的温度高于农田土壤，并影响土壤中的水分、养分变化及微生物活动。

1.3 对土壤生物多样性的影响

土壤微生物是土壤中最活跃的活性生物且其生物活性与土壤质量密切相关。土壤微生物对土壤中的营养物质和水、热等环境因素变化敏感，能及时反映土壤生态系统功能的变化和土壤质量状况[34]。土壤的结构、水分、养分、通气性等都对土壤微生物有重要影响[35]。随着城市化过程中土地利用方式的转变，土壤扰动和土壤污染促使土壤理化性质发生改变，并显著影响着土壤中各种微生物的种群活性、大小及微生物的多样性[36]。随着城市化水平的不断提高，城市土壤中的微生物总量持续减少，且微生物群落结构和功能也发生显著改变[37]。城市中不同土地利用方式下的土壤微生物总量变化趋势表现为公园>校园>居住区>道路[38]。城市土壤与农村土壤相比，微生物对碳源的利用程度、利用种类均具有显著的差异性，农村土壤的微生物总量较高，群落稳定且多样性较低，而城市土壤的微生物总量较低，群落变化速率高且种群呈多样化[39]。

2 城市化对郊区土壤环境的影响

郊区作为城市的边缘地带，是城市化最为敏感和最为活跃的地带[40]。受城市化的影响，郊区的土壤肥力呈下降趋势，土壤环境不断恶化[41]。

2.1 城市污染对郊区土壤环境的影响

城市的废水、废气、废渣导致城市周边土壤污染日益严重[42]。大量的工业废渣和未经环保处理的生活垃圾堆放在城郊，导致城郊土壤及其生态环境遭到污染与破坏。许多工业污泥和固体废物中含有大量的有机物和植物所需的多种营养元素，对提高土壤肥力具有积极的促进作用，但工业污泥和固体废物含有难分解的有机污染物、高浓度的重金属、各种病原体和细菌等，未经妥善处理而直接当作肥料施入土壤，会造成土壤重金属超标、有机污染物超标、生源要素超标，从而导致严重的土壤污染[43]。

城市中大量的生活和工业污水未经净化处理便直接排入河道、湖泊等水体，造成城郊水域及河道遭受严重污染并引起城郊农业灌溉水源污染，灌溉水质恶化[44]。城郊地区直接将城市生活污水及工业污水作为灌溉水源，是城郊土壤污染的主要原因之一。

2.2 农业结构调整对郊区土壤环境的影响

城市对蔬菜、水果的需求量远高于农村，促使城郊土地种植结构发生变化，而种植结构的变化导致土壤中植物营养元素含量发生变化。通常情况下水果、蔬菜从土壤中吸收的养分高于谷类作物[45]。城郊型农业种植的主要作物一般为蔬菜，与谷类作物相比，蔬菜生长迅速，生长期短，根系较不发达且生物量大，而且种植蔬菜的土壤氮、磷等营养元素含量高，硝酸盐积累量大，土壤pH值降低，土壤向酸化方向演变，土壤原有的养分平衡被打破，土壤生产力逐渐降低[46]。城郊型农业的土壤肥力、理化性状、发生特性和土壤质量等均在强烈的人为作用下向高氮、高磷、富集重金属的方向演变。随着城市化的不断发展，城郊型农业规模也不断扩大，对土壤资源的高效、集约利用也更加充分，但强烈的人为活动和高强度的外源物质输入打乱了土壤系统原有的物质循环途径与平衡，造成土壤环境容量逐渐减小，土壤污染风险逐渐增大，土壤的环境生态功能不断削弱。

3 城市土壤的保护及改良

3.1 做好城市规划，加强土壤保护

目前中国城市发展规划的关注点仍然集中在物质环境规划上，城市规划的管理体制及学术思想等难以适应当今社会经济结构及城市建设的发展[47]。中国城市的发展应不断提高城市规划水平，遵循城市规划原则，运用生态学原理，处理好经济发展和环境保护之间的关系，合理安排城市建设与生态环境之间的用地矛盾，城市人口的持续膨胀不应该成为城市不断向郊区和农业区扩张的理由。城市规划应科学合理，集约、高效利用土地资源，用最小的投入取得最大的土地产出和效益。在土地开发建设初期，对开发的土地采取必要的保护措施，防止土壤污染，减少水土流失。土地开发规划期和建设期不仅要注重对原有土壤的保护，更应考虑如何有效地恢复被污染的土地，如通过合理的设计将废弃的垃圾场变为公园及城市用地。根据城市土壤大量固化的特点，可适当修建蓄水池，不但可排涝减灾，而且可将雨水用于城市清洁和灌溉。

3.2 制定合理的土壤安全管理政策

在城市发展、建设过程中，参照欧美等城市化较为完善的国家在城市土壤污染治理方面的经验、管理法规及政策，依据城市土壤污染的类型、机制和途径，建立一套适合我国城市预防、治理土壤污染的技术和管理措施。依据城市土壤背景值和城市土壤污染特性，建立城市土壤质量标准和城市土壤环境容量指标体系。在城市规划和建设中，针对房地产开发商，建立城市土壤环境评价制度，如买卖或租用可能被污染的土地，签约当事人应事先调查土壤的污染状态，评价土壤的污染程度，并在土地成交价上反映出净化土壤所需要的费用[48]。

3.3 探索城市土壤修复新技术

污染土壤的修复技术主要有生物修复(植物修复、微生物修复)、化学修复、化学-生物修复等[49]。生物修复不破坏原有的土壤生态环境，能使土壤保持良好的结构和肥力，无需进行二次处理就可种植其他植物。生物修复技术既安全又经济，如固化生物修复技术可用于修复多环芳烃污染的土壤[50]。美国用植物净化土壤已经进行了许多年，佛罗里达州立大学已证明一种蕨类植物吸收砷的能力是土壤的200多倍[51]。生物碳是由生物质高温热解制成，是一种稳定的固体，有很强的吸附能力和良好的孔隙结构，可有效改良土壤的理化特性，可广泛应用于城市土壤修复[52]。目前环境科学与工程领域对环境友好的生物碳质吸附剂的研究几乎为空白。聚丙烯酰胺可大量吸附污染物，减少污染物排放，可在城市污水处理中大量应用[53]。

3.4 强化公众参与意识，树立城市土壤可持续利用观

我国城市生态建设的主体为政府，公众对城市土壤环境的保护及其重要性缺乏认知，参与意识薄弱。政府应通过各种形式，宣传有关土壤环保方面的知识，提高民众的土壤环保意识，促使广大民众特别是城市管理者及土地使用者积极参与到土壤改良及土壤保护过程中，同时政府要制定相应的激励政策，强化公众参与意识，吸引更多的城市学家、土壤学家和生态学家关注城市土壤，促使城市管理者在城市建设和规划中必须利用土壤学方面的研究成果来保护土壤、修复土壤，促使城市居民建立起人类生存依赖于土壤，城市土壤应持续利用、维护的观念。

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(责任编辑 徐素霞)

中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-306);国家“十二五”科技支撑计划项目(2014BAD14B006，2011BAD31B05)

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1000-0941(2016)11-0076-05

邹超煜(1990—)，男，江西吉安市人，硕士研究生，从事水土保持及生态环境保护方面的研究；通信作者白岗栓(1965—)，男，陕西富平县人，研究员，硕士，主要从事果树栽培及农田生态方面的研究。

2015-08-27