城市化对土壤生态环境的影响研究进展

城市土壤是城市生态系统中最重要的组成部分之一,发挥着重要的生态系统服务功能。在全球快速城市化的背景下,城市土壤受到人类活动的强烈干扰,土壤物理、化学性质发生改变,土壤退化与污染日益加重。城市土壤退化导致土壤动物生态特征与行为模式发生变化,城市景观格局与土地利用类型的变化强烈影响了土壤动物的栖息地,为土壤动物的生存与生物多样性带来潜在威胁;另一方面,城市化过程改变了土壤微生物群落组成与功能特征。城市化直接影响了城市土壤维持植物生长、土壤自然消减能力以及碳储存功能等重要的生态系统服务功能。针对城市化过程对土壤生态环境产生的一系列影响,需要采用科学的管理方式,改善土壤理化性质,提高土壤环境质量,保护和恢复土壤生物多样性,从而增强城市土壤的生态系统服务功能。     

喀斯特石漠化过程土壤质量变化及生态环境影响评价

通过对贵州中部喀斯特地区进行植被调查与土壤样品分析 ,探讨石漠化过程中土壤质量变化及其对生态环境的影响。结果表明 :喀斯特石漠化过程中随着植物群落退化度的提高 ,土壤出现粘质化 ,有机质含量急剧下降 ,植物可利用的养分含量减少 ,提高了石漠化对生态环境影响的潜能 ;随着植被覆盖率下降、土地垦殖率增加 ,引起土壤质量明显退化 ,加剧了石漠化发生的强度和速度。石漠化区土壤有机质、物理性粘粒、有效氮磷钾含量与植被覆盖率、土地复垦率有显著的相关性 ,以这些参数作为评价指标 ,初步将喀斯特石漠化过程中土壤质量变化对生态环境潜在影响的程度分为 3个等级     

城市土壤封闭对有机碳库影响的时空变化模拟

随着全球城市化的迅速发展,城市生态系统的研究日益受到关注。城市化过程引发的大面积土壤封闭,导致土壤功能退化,进而影响城市生态系统。通过构建城市封闭土壤碳循环模型,考虑土壤温度,水分,有效氮含量以及各项理化性质等影响土壤有机碳在封闭条件下分解的影响因素,模拟南京市1980年至2010年城市封闭土壤有机碳含量与土壤有机碳库的时空变化过程,揭示人工封闭对于城市土壤功能的影响。结果表明:南京市1980年至2010年封闭土壤的有机碳含量显著减少,2010年土壤有机碳含量的均值为6.7 g/kg,比开放土壤低54.7%。土壤有机碳含量较低的区域主要分布在快速城市化的地区。由于封闭土壤阻碍了土壤有机碳的来源,造成封闭土壤有机碳含量持续减少,1980年至2010年间城市土壤有机碳库的总量减少约0.32 Tg。城市封闭对土壤有机碳影响的时空变化模拟可为研究城市化过程中的生态环境效应与城市生态建设提供参考。     

城市景观格局演变的生态环境效应研究进展

快速城市化过程剧烈影响着下垫面变化,直接带来了交通拥挤、资源短缺、环境污染、生态恶化等诸多问题,所有这些问题的出现均与景观格局演变密切相关,研究城市景观格局演变及其生态环境效应正在成为全社会关注的热点.系统总结了城市化过程对景观格局演变的影响,分析了城市景观格局演变的热环境效应、水环境效应、生态服务效应,以及城市生态用地与生态安全格局设计等方面的研究进展.指出了目前城市景观演变与生态环境效应研究中存在的问题与不足:(1)现有研究侧重于景观格局演变的量化分析和景观格局指数的计算,较少关注景观格局演变对生态环境及其区域生态安全的影响;(2)城市景观格局演变与热岛效应研究多局限于两者数理统计关系的分析,对于城市热环境形成的机理缺乏深入研究;(3)城市景观格局演变与大气环境效应方面更多研究关注绿地及其空间布局在吸收和降解大气污染物、固体颗粒物方面的作用,对城市景观格局演变的大气环境综合效应以及大气灰霾效应影响机理重视不够;(4)如何通过合理设置生态用地,有效提高城市生态服务功能和保障城市生态安全,目前仍缺乏深入而又系统的研究.下一步的研究中,需要综合多尺度的景观信息来揭示城市景观的演变机理和环境效应,构建基于城市空间扩展和生态服务效应评价的城市生态空间优化决策模型,探讨城市生态空间优化模式与安全格局.     

我国城市绿地土壤质量研究综述与展望

城市绿地土壤是保护城市环境的一个重要生态屏障, 在发挥城市生态系统服务功能及改善环境方面具有重要作用。与自然土壤相比, 城市绿地的土壤性质发生了显著变化, 城市化过程不仅改变了城市绿地土壤的理化性质, 更对城市土壤的生物学属性及土壤碳库产生深刻影响, 而这些影响在城市随着功能区及土地利用类型的差异呈现出较大的空间变异。文章对近年来我国城市绿地土壤质量研究现状进行了综述, 主要从城市绿地土壤理化特性及生物学特性等方面展开论述, 并提出了未来我国城市绿地土壤质量研究的展望, 以期为城市绿地系统景观规划及土壤环境质量的改善提供理论参考。     

城市土壤碳循环与碳固持研究综述

城市化过程带来的土地利用变化和环境污染是全球变化的重要方面,城市为人们了解人类与自然复合生态系统对全球变化的影响及其对全球变化的响应过程提供一个独特的"天然实验室"。陆地生态系统碳循环是全球变化研究的热点领域之一,然而,人们对城市在全球碳循环中的作用和影响知之甚少,城市土壤碳循环研究处于起步阶段。介绍了城市土壤的主要特性和碳循环特征,指出强烈的人为作用是其最突出的特点;综述了城市土壤碳库、碳通量和碳固持研究方面取得的进展;探讨了城市化过程中土地利用变化、土壤中生物及土壤管护措施、城市小气候、大气污染沉降和土壤污染等对土壤碳循环的影响;提出未来城市碳循环研究需要开展长期系统监测、深化城市土壤碳循环机制研究、创新研究范式和研究方法、并将研究成果与城市景观规划与设计相结合,提升城市土壤碳管理能力。     

青藏高原高寒草甸不同季节土壤理化性质及酶活性对施肥处理的响应

分析了青藏高原东缘高寒草甸不同施肥处理对土壤全量养分、速效养分、pH、含水量、有机碳和土壤脲酶活性的影响,以揭示高寒草甸土壤养分和酶活性对施肥的响应。结果表明:(1)随施肥量的增加,土壤pH明显趋于降低,施肥引起高寒草甸土壤酸化;全磷、速效磷均显著增大;(2)土壤全氮、有机碳和脲酶活性随施肥量增加呈单峰曲线变化,在施肥量为30或60g·m-2时最高,施肥量增加到90g·m-2时土壤资源逐渐降低;(3)季节变化对土壤养分也有一定的影响,全氮和全磷含量均于9月份较高,而速效氮含量一般于9月份较低,而速效磷含量5月份较低;(4)施肥对土壤养分的影响并不是简单的线性正相关关系,30~60g·m-2施肥量可作为高寒草甸最佳施肥水平。施肥处理下土壤有机碳和脲酶活性可作为衡量土壤肥力和土壤质量变化的重要指标。高施肥量(≥90g·m-2)可作为影响高寒草甸土壤养分及土壤酶活性的阈值。     

全球气候变暖对凋落物分解的影响

凋落物分解作为生态系统核心过程,参与生态系统碳的周转与循环,影响生态系统碳的收支平衡,调控生态系统对全球气候变暖的反馈结果。全球气候变暖通过环境因素、凋落物数量和质量以及分解者3个方面,直接或间接地作用于凋落物分解过程,并进一步影响土壤养分周转和碳库动态。气候变暖可通过升高温度和改变实际蒸散量等环境因素直接作用于凋落物分解。气候变暖可引起植物物种短期内碳、氮和木质素等化学性质的改变以及群落中物种组成的长期变化从而改变凋落物质量。在凋落物分解过程中,土壤分解者亚系统作为主要生命组分(土壤动物和微生物)彼此相互作用、相互协调共同参与调节凋落物的分解过程。凋落物分解可以通过改变土壤微生物量、微生物活动和群落结构来加快微生物养分的固定或矿化,以形成新的养分利用模式来改变土壤有机质从而对气候变化做出响应。未来凋落物分解的研究方向应基于大尺度跨区域分解实验和长期实验,关注多个因子交互影响下,分解过程中碳、氮养分释放、地上/地下凋落物分解生物学过程与联系、分解者亚系统营养级联效应等方面。     

草原蘑菇圈的土壤-植物系统研究

在内蒙古锡林郭勒草原,比较研究了蒙古口蘑形成的蘑菇圈各环带的植物生长状况和土壤生态因子的变化。结果表明,绿草环上的植物体内营养元素和叶绿素的含量明显增加,其地上部分植物生物量显著高于正常草区,产生增产效应;枯草环上的植物生长则受到抑制。蘑菇圈土植物的区系组成有所变化。蘑菇圈上土壤养分特别是速效态的N和P含量有显著增加。蒙古口蘑菌丝体生长对土壤理化性质产生影响并产生明显的土壤生物学效应。     

放牧牲畜粪便降解及其对草地土壤养分动态的影响研究进展

放牧牲畜粪便沉积是影响草地土壤养分动态的重要途径之一,粪便降解过程调控着其养分返还效率,从而可能对草地土壤养分平衡和植被生长的养分供应等产生重要影响。针对放牧牲畜排粪行为特性、牲畜粪便的物质组成及其降解过程、以及粪便养分归还对土壤养分动态的影响等进行了系统论述,阐明了牲畜粪便降解与其养分迁移转化的关系,以及粪便养分输入对放牧草地生态系统养分生物地球化学循环的影响效应和可能的作用机制,以期为加深对牲畜粪便降解的养分动态变化过程的认知和厘清粪便-植物-土壤体系养分迁移和转化的影响机制积累理论基础,进而为优化牲畜粪便管理模式、维持土壤养分平衡和促进草地生态系统的健康协调和可持续发展提供科学依据。     

城郊生态系统土壤安全:问题与挑战

土壤作为地球表层系统物质和能量迁移转化的关键节点,其生态功能受到城市化快速发展的严重影响,土壤安全面临严峻的挑战。城郊生态系统受到城市和乡村的双重影响,具有复杂的景观结构和剧烈的动态变化,土壤安全问题更为突出和复杂。基于文献计量学方法,对1990—2017年发表的相关文献进行了统计,梳理和总结了城郊生态系统土壤安全研究的趋势和热点问题,对城郊生态系统中土壤安全面临的问题,及其特殊性、复杂性进行了重点论述,明确了当前快速城市化发展过程中城郊土壤安全研究面临的问题和挑战。建议今后的城郊生态系统土壤安全研究应加强区域尺度上的综合和不同城市发展模式下地区之间的比较,明确城市扩张对城郊生态系统土壤安全的影响机制;建立和完善基于"土壤安全"的城郊生态系统服务评价框架,深入研究城郊生态系统格局-过程-服务之间的关系;明确解析城郊土壤主要污染物来源及其复合污染状况,并结合区域特征,因地制宜开展科学的生态规划,优化城郊景观格局,提升城郊地区土壤安全与生态系统服务功能;明确土壤安全在城郊生态系统可持续发展目标中的重要性,建立科学合理的管理政策。     

城市化对土壤动物群落结构和多样性的影响

城市化进程加快带来的环境挑战正威胁着地球上的生物多样性。土壤动物是生物多样性的重要组成部分, 对维持土壤健康及城市生态系统稳定性具有重要意义。近年来, 城市土壤动物群落结构和多样性的研究已经取得了一定进展, 但是仍缺乏系统的总结和综述。基于此, 本文梳理归纳了国内外已有的相关文献, 总结了城市化影响土壤动物的主要途径, 并阐述了城市中不同体型大小的优势土壤动物类群对城市化的响应。本文建议未来应利用分子生物学手段深入解析城市土壤动物多样性, 明晰城市土壤食物网的结构与功能, 关注土壤动物群落的保护与恢复, 揭示城市土壤动物肠道微生物组特征, 并挖掘城市土壤动物抑制人类致病菌的潜力, 以期为城市生物多样性保护、生态系统稳定和人类健康维持提供相关科学依据。     

The Nature of Urban Soils and Their Role in Ecological Restoration in Cities

Current and predicted trends indicate that an increasing proportion of the world’s population is living in urban and suburban places. The nature of the urban environment becomes an important factor if we are concerned with the restoration and preservation of biodiversity and ecosystems in and around cities. This article highlights the varied impacts of cities on soils and their implications for restoration planning and expectations of restoration “success.” Urban soils exist in different historical and formational trajectories than their local nonurbanized counterparts due to direct anthropogenic disturbance and indirect environmental impacts from urbanization. Therefore, urban soils often exhibit altered physical, chemical, and biological characteristics in comparison to local nonurbanized soils. Several unique features of urban soils and urban ecosystems pose particular issues for ecological restoration or the improvement of degraded soil conditions in cities. The creation of novel soil types, conditions that promote invasion by non‐natives, the strong influence of past land use on soil properties, and the presence of strong interactions and alternative stable states set up unique difficulties for the restoration of urban soils. Soils in urban restorations are a medium that can be deliberately manipulated to improve site conditions or in the monitoring of soil conditions as indices of ecosystem status. Including an explicit role for strong manipulations of soils in urban ecosystems changes how we approach baselines, management, and reference conditions in urban ecological restoration. With an understanding of urban soil ecological knowledge, we can guide aspects of urban ecological restoration toward successful outcomes.     

城市化对流域生态水文过程的影响研究综述

了解流域水文过程(水量和水质)是流域综合管理的基础。城市化引起的生态环境问题已成为目前和未来一段相当长的时期内人类社会面临的重大问题。然而,城市化(土地利用/覆被变化、新污染物产生)、水文(降水、入渗、蒸散、径流过程)和生态系统服务(产水服务、调节气候、土壤保持、初级生产力、维持生物多样性等)在不同时空尺度之间的相互作用还存在知识空白。从城市化对流域生态系统结构和功能的影响、城市化对地表能量平衡与水量平衡的影响、城市化对水质和水生生物的影响、以及城市土地利用/覆被变化的大气环境效应等多方面系统总结了城市化影响流域生态水文过程的研究进展。研究发现,城市"热岛"、"干岛"、暴雨径流引起的城市内涝、水污染等环境现象都与生态水文过程密切相关。强调现代城市规划需要遵循生态水文学规律,从全流域生态系统角度认识近年来新出现的不同尺度的城市环境效应。城市最佳管理措施应以流域为单元实施,以调节土地利用/覆被、保护湿地(包括自然与人工湿地)为手段,充分发挥自然生态系统调节功能(如植被蒸散和净化水质)。未来城市生态水文学应围绕"低影响开发"以及"基于自然的解决方案"等城市流域管理措施,在稳定城市小气候、缓解洪涝干旱等极端水文气象灾害风险以及减轻城市水污染等方面开展多尺度综合研究。     

Metal concentrations in urban riparian sediments along an urbanization gradient

Urbanization impacts fluvial systems via a combination of changes in sediment chemistry and basin hydrology. While chemical changes in urban soils have been well characterized, similar surveys of riparian sediments in urbanized areas are rare. Metal concentrations were measured in sediments collected from riparian areas across the urbanization gradient in Baltimore, MD. Average metal concentrations are similar to those observed in other regional studies. Two important spatial patterns are evident in the data. First, calcium concentrations double across the urbanization gradient, regardless of changes in underlying geochemistry at the boundary between the Eastern US Piedmont and Coastal Plain physiographic provinces. Alkali-earth metal ratios indicate that the additional Ca is very pure and possibly arises from cement common to urban systems. Second, hot spots of trace metals typically associated with urban systems (e.g., Cu, Zn, and Pb) occur in areas that have been artificially filled to create additional real estate in high land value areas. Together, these data indicate that riparian sediments exhibit unexpected patterns of metal contamination. If these sediments are remobilized, during events such as droughts or floods, this contamination may perpetuate legacy impacts to ecosystem health from a history of fluvial contamination.     

城市土壤中多环芳烃分布和风险评价研究进展

随着城市化进程的加快,城市土壤中的多环芳烃（PAHs）污染日趋严重.本文从城市土壤中多环芳烃的分布和来源等方面综述了国内外取得的最新研究成果,对影响城市土壤多环芳烃分布的人为因素、自然因素,常见的多环芳烃源解析方法,以及城市土壤多环芳烃污染的风险评价进行了全面的阐述,尤其对地统计学在多环芳烃空间分析及风险评价上的应用进行了总结.最后,对未来城市土壤中多环芳烃研究的重点与发展趋势进行了展望.     

Soil Characteristics and the Accumulation of Inorganic Nitrogen in an Arid Urban Ecosystem

Urbanization represents the extreme case of human influence on an ecosystem. Biogeochemical cycling of nitrogen (N) in cities is very different from that of non-urban landscapes due to the large input of reactive forms of N and the heterogeneous distribution of various land uses that alters landscape connections. To quantify the likely effects of human activities on soil N and other soil properties in urban ecosystems, we conducted a probability-based study to sample 203 plots randomly distributed over the 6,400 km² Central Arizona-Phoenix Long-Term Ecological Research (CAP LTER) area, which encompasses metropolitan Phoenix with its 3.5 million inhabitants. Soil inorganic N concentrations were significantly higher in urban residential, non-residential, agricultural, transportation, and mixed sites than in the desert sites. Soil water content and organic matter were both significantly higher under urban and agricultural land uses, whereas bulk density was lower compared to undeveloped desert. We calculated that farming and urbanization on average had caused an accumulation of 7.23 g m⁻² in soil inorganic N across the CAP study area. Average soil inorganic N of the sampled desert sites (3.23 g m⁻²) was much higher than the natural background level reported in the literature. Laboratory incubation studies showed that many urban soils exhibited net immobilization of inorganic N, whereas desert and agricultural soils showed small, but positive, net N mineralization. The large accumulation of inorganic N in soils (mostly as nitrate) was highly unusual in terrestrial ecosystems, suggesting that in this arid urban ecosystem, N is likely no longer the primary limiting resource affecting plants, but instead poses a threat to surface and groundwater contamination, and influences other N cycling processes such as denitrification.