城市化进程中土壤功能演变及其生态环境效应研究_1
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河南农业科学 城市化进程中土壤功能演变及其生态环境效应研究 韩春建 。,吴克宁。,刘德元 ,宋建军 ,许 凯 (1.河南省煤田地质局资源环境调查中心,河南郑州450003; 2.中国地质大学土地科学技术学院,北京100083;3.河南农业大学资源与环境学院,河南郑州450002) 摘要:以郑州市为例,通过野外调查数据、遥感数据和社会经济统计数据,并采用RS和GPS技术 集成方法结合GIS空间分析技术对郑州市及郊区土壤功能演变进行分析。研究发现,土壤功能的 转化,导致大量具有生态功能的土壤丧失,产生了一系列生态环境效应:土壤多样性减少,土壤环境 质量下降,生物多样性减少,水污染,地表水文变化,热岛效应明显。 关键词:郑州市;城市化;土壤功能;生态环境效应 中图分类号:S158.1 文献标识码:A 文章编号:1004—3268(2009)06—0067—05 Change of Soil Function and Its Ecological Environment Effect in Urbanization HAN Chun—jian ,WU Ke—ning ,LIU De—yuan ,SONG Jian—jun ,XU Kai (1.Resources and Environment Investigation Center of Henan Provincial Coalfield Geology Bureau。Zhengzhou 450003,China;2.School of Land Science and Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083, China;3.College of Resources and Environment,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China) Abstract:Taking the Zhengzhou city as an example,compound method of RS,GPS technology and GIS space analysis technology with the correlation data were used to analysis change of suburb soil function.The results showed that the change of soil function causes massive lose of the ecology function of the soil and it caused the huge influence on the ecological environment.The soil,diversity soil environment quality and biodiversity drops,the water polluted.The city sewage processing success rate is lOW after processing rate,causes the rivers and streams water body and the farmland irrigation water is polluted.The surface hydrology change,the heat island effect is obvious. Key words:Zhengzhou city;Urbanization;Soil function;Ecological environment effect 土壤是地球表层自然环境中的要素之一,也是 地球陆地生态系统的基础|1]。赵其国等认为,土壤 主要承担着生产力(提高植物和生物生产力的能 因土壤与土地的特殊关系,土壤功能的变化受 到环境和人为因素(如土地利用变化、施肥管理等) 的综合影响,变化较快[7 ]。城市化进程中,土地利 力)、环境质量(土壤降低大气、水、生物环境污染物 和病菌损害的能力)、人类/动植物健康(保证食物链 用变化导致土壤的生态功能将不断丧失。由于土壤 功能对于生态环境的重要性,土壤功能的演变所产 生的生态环境效应也是巨大的,土壤功能变化及其 生态效应的研究是全球变化研究的一个切入点。鉴 此,以郑州市为例,采用RS和GPS技术集成方法,结 中提供必需元素和减少有害元素、污染物)3个方面 的功能__2]。综合众多学者的观点[3-63,土壤功能主 要有生产功能、生态功能、承载功能。 收稿日期:2008—11一O6 基金项目:国家自然科学基金项目(40471060) 作者简介:韩春建(1980一),男,河南泌阳人,硕士,主要从事土地科学、农业地质、环境保护等研究。 E—mail:hanchuNian21@126.com 通讯作者:吴克宁(1963一),男,北京人,教授,博士,主要从事土地资源评价研究。E—mail:knwu@sohu.corn ・ 67 ・ 2009年第6期 合GIS空间分析技术对郑州市土壤功能演变及其生 1.3数据收集处理与研究方法 态环境效应进行分析,以期为郑州市城市化进程中的 数据源为1988年Land sat/TM影像(中国科学 土壤资源和生态环境保护研究提供参考。 院中国遥感地面站,分辨率30m),2002年SPOT--5 1研究区概况及研究方法 影像数据(中国国土资源部航空物探遥感中心,融合 后分辨率2.5 m),1988年到2002年其他社会经济、 1.1研究区概况 环保、农业等数据分别从郑州市历年统计年鉴、郑州 研究区为郑州市金水区、二七区、中原区、惠济 市环保局、郑州市农业局获取。 区、管城区五区。处于河南的中北部,地理坐标北纬 对遥感影像进行人际交互解译,得出遥感影像 34。36 ~34。57 和东经ll3。27 ~113。51 ,土地总面 矢量图层,运用MAPGIS6.5建立土地利用变化数 积约1 000km 。属暖温带半湿润性季风气候 据库,根据土壤功能与土地利用的特殊关系得出土 区,干湿季节明显,四季分明。地势自西南向东北倾 壤功能演变数据库。 斜,地面绝大部分为第四纪沉积物所覆盖,西南部为 生态环境效应研究采用野外采样分析,时空对 黄土丘陵,向北过渡为黄土倾斜平原,东为黄淮冲积 比分析,定量定性比较分析相结合。 平原和一定范围内的砂丘、砂地。郑州市城市化发 展较快,1988年,郑州市城镇用地面积为 2结果与分析 84.81 km。,人口154万人;2002年城镇用地面积达 2.1 土壤功能演变 156.4 km ,建成区面积达到了136.25 km。,常住人 对任意两时期土地利用类型栅格数据A .;和 口达到322万人。社会经济发展、建设用地面积的 A ,按照如下代数式的地图代数法,可以求得: 不断扩大、农业结构调整等导致土壤功能变化较快。 c 一A...×1o+A (土地利用类型<1o时 1.2 郑州市土壤功能分类 适用)El2] (1) 土壤功能分类依据众多学者对土壤功能的论述 由k时期到k+1时期的土地利用变化图C…, 和土地生态服务功能的论述的观点L9叫 ,并充分考 它表现了土地利用变化的类型及其空间分布。据此 虑土壤与土地利用的特殊关系,进行土壤功能类型 可以求得土地利用类型相互转化的数量关系的原始 的划分,详见表1。 转移矩阵。根据表1土壤功能分类及土地利用与土 表1郑州市土壤功能分类系统 壤功能之间的内在联系,可以得出1988—2002年土 壤功能演变情况。 土壤功能演变类型复杂、多样,主要包括以下几 种演变类型。 2.1.1土壤生态功能与生产功能根据公式(1), 得出土地利用变化数据,然后再根据土壤功能分类 系统得出土壤生态功能与生产功能的转化。 根据表1土壤功能分类以及土地利用变化结果 得出,随着城市化的不断推进,人们对农业产品需求 的增加,共计6 801.00 hm 的具有气候调节、水域涵 养和污染净化功能的林地、园地、水域等转化为具有 生产功能的地类;同时,共计3 571.00hm 具有生产 表2 l988—2002年土壤生态功能内部演变 土壤功能 粮食生产 蔬菜生产 果品生产 水源涵养及 废物处理 (水浇地、旱地) (菜地) (园地) 气候调节(林地) (水域) 粮食生产(水浇地、旱地) 1 435 2 046 蔬菜生产(菜地) 35 lO2 果品生产(园地) 1 2Ol 3O 水源涵养及气候调节(林地) 14 l4 废物处理(水域) 90 6199 ・ 68 ・ 河南农业科学 功能地类转换为具有生态功能的林地、园地、水域等 2.768、0.715和3.499。近2O年来土壤类型的多样 地类,那么生态功能就损失了3 230.00hm ,详见 表2。 性指数和丰富度指数均在减少,而均匀度指数在增 加l1 。随着城市化的推进,具有土壤生态功能的林 地、园地、水浇地、旱地转化为承载功能的建设用地, 导致土壤生态功能的消失,土壤多样性的减少。 2.1.2土壤生态功能内部演变 根据土地利用变 化和土壤功能分类系统确定土壤生态功能内部演变 情况(表3)。 表3 l988—2002年土壤生态功能内部演变(hrnz) 2.2.2土壤功能演变导致生物多样性降低 郑州 市土壤功能演变将产生以下后果:一是土壤保护功 能、生物栖息地等生态功能丧失,致使特殊具有土壤 随着城市化发展,人们对食品、果品等水产品需 求增加、农业结构的调整等因素,具有气候调节、水 源涵养、废物处理等生态功能的水域、林地、园地之 间相互转换,土壤生态功能内部发生相互转换的涉 及1 O61.00 hm 。 2.1.3土壤生态功能与承载功能演变 结合由公 式(1)得出的土地利用转移矩阵和土壤功能分类系 统,可以提取出土壤生态功能与承载功能的演变关 系(表4)。 表4 1988--2002年土壤生态功能与承载功能演变 随着城市化的发展,发挥土壤承载功能的建设 用地面积不断增加,而发挥生物栖息、养分循环、径流 调节、水源涵养、气体调节、土壤保护、气候调节、废物 处理等土壤功能则不断消失。共有5 502.00 hm 的 生态功能转化为承载功能,同时,有相应面积的土壤 生态功能随之消失。 2.2 土壤功能演变产生的生态效应 2.2.1 土壤功能演变导致土壤多样性减少 根据 研究结果,郑州市2002年与1982年第2次土壤普 查时相比,土类减少1种,土属减少1个,土种减少 3个,减少的土属和土种分别属于盐化潮土和潴育 性水稻土。1982年郑州郊区土壤类型的Shannon 指数、Pielou指数和Gleason指数分别为2.770、 0.705和3.628,2002年郑州郊区土壤类型的Shan— non指数、Pielou指数和G[eason指数分别为 专一性的地表生物多样性降低,从而导致生物多样 性降低;二是土壤功能变化,人为活动增强,干扰生 物正常生长繁育致使生物多样性降低;三是土地利 用变化景观斑块数增加,由1988年的963个增加到 2002年的1 852个,平均斑块面积变小,景观破碎度 增加,斑块形状的多样性和复杂性降低,对物种的分 布、生产力水平及生物扩散、动物的觅食等产生不利 影响,从而导致多样性降低。1985年郑州市绿化物 种调查结果表明,郑州市区有落叶乔木65种,常绿 乔木30种,经济果树19种,落叶灌木54种,常绿灌 木25种,攀缘植物10种,总计203种,而2000年, 郑州市区的物种不到18O种_l 。 2.2.3土壤功能演变对城市大气质量的影响 随 着具有生态功能的土壤向具有承载功能的转化,大 气污染源也增加,另外,具有大气调节的林地、园地 以及气体调节功能略次于前者的农田系统也减少, 导致整体气体调节功能土壤较少。城市交通用地增 加,居民住宅用地、工业用地不断增加,汽车尾气排 放、工业废气排放是直接导致大气质量下降的主要 原因。2002年,郑州市绿化覆盖率21.83 ,绿地率 14.38 ,人均公共绿地面积只有4.23 m2,空气质量 下降。2002年,城区SO2平均浓度为0.048mg/ , 较2001年增加33.3 ;N02平均浓度0.026mg/m。, 较2001年减少29.7 ;可吸人颗粒物平均浓度 0.143mg/ ,较2001年增加19.2 [1引,超过国家平 均浓度二级标准的0.43倍。 2.2.4土壤功能演变致使城市“热岛”效应明显 不同城市区位的土壤功能所占比例不同,市区、工业 园区、近郊内承担生态功能的土壤大部分演变成了 具有承载功能的土壤,充当气候调节功能的林地、园 地、水浇地所占比例依次减少(图1),导致郑州市城 市热岛效应:El平均气温的高值区出现在市中心I夕 环路以外的近郊平均气温相对较低。日最高气温出 现在市区的火车站附近;日最低气温出现在东南郊。 郑州市区的气温较工业园区高1.0℃,而工业园区 ・ 69 ・ 8o.0o 7氇0o 60.0o 砸oo 霹蛾oo 丑弧oo 钯0o ln00 0.0o 市区 工业园区 近郊 图1郑州市不同区域土壤功能面积比例 ] 又较近郊高0.5 ̄C E16]。 由图1可知,具有土壤生态功能面积比例小的 地区热岛效应就明显。因此,土壤生态功能的大量 消失是产生城市热岛效应的主要因素之一。 2.2.5 土壤功能演变导致土壤健康质量下降 随着 郑州市城市化的不断推进,承担土壤净化等功能的大 量自然植被、人工植被一农作物用地、水域等转化为 建设用地,使“三废”物质在大气圈、水圈和岩石圈表 层产生与积累_1 。导致水污染,使农业灌溉水质恶 化导致大范围的土壤退化,环境容量下降口 。 对郑州市郊区北部的老鸦陈、西部的五龙口、东 部的张花庄和南部的东周村土壤环境中的镉、铅、 锌、铜、砷、总汞、总铬7项指标的监测表明,2002年 与1995年相比,老鸦陈和东周村的污染指数均增加 (图2)。 螂 抽 壤 螂 2009年第6期 著增加。另一方面,径流量增加以及洪峰流量集中 S S¨m 4 S 3 5呲 ¨玑㈣ 2 5l 5 加大了水流的侵蚀能力。 郑州市市政部门资料显示,随着城市的发展,建 设用地比例增多,积水几率增大,致使市政排水工程 投入不断增多。 2.2.7土壤功能演变导致水环境质量下降 土壤 净化过滤功能转化为承载功能,土壤失去了对污水 的净化过滤之功能,不但被污染,同时也导致污水排 放增加,从而导致水环境质量下降。 目前,郑州市每年排放各种废水约1.15亿t。 这些废水部分未经处理,直接排入水体,造成地面水 水质污染。贾鲁河下游是郑州市2O多条河流中污 染最重的,河段水质超出V类标准。城市污水大多 未经处理或处理率和处理达标率低,导致江河水体 和农田灌溉水受污染。 3 结论 土壤具有的三大功能,即生产功能、生态功能、 承载功能不断发生变化。通过研究可以看出,随着 郑州市城市化的发展,人们对食品、果品、鱼类等需 求结构不断变化,对住房、交通等建设用地需求不断 增加,土地利用结构不断发生变化,由于土壤功能与 土地利用紧密关联,土壤三大功能之间不断发生变 化,大量具有生产功能和生态功能的土壤转化为承 载功能。 郑州市在1988年到2002年间,共有5 502 hm 的具有生态功能的土壤转化为具有承载功能的土 壤,相应也就丧失了同样面积的土壤生态功能。 由于土壤功能的演变,大量生态功能的土壤丧 失,致使产生了土壤多样性减少、土壤综合肥力系数 降低、生物多样性降低、大气环境质量降低、热岛效 应明显、不同区域土壤污染加重、积水几率增加等水 文效应、水环境质量降低等生态环境效应。 土壤功能的快速演变导致生态环境恶化,而生 态环境的下降进一步制约着经济的发展。对于土壤 功能合理演变以及由此导致的生态环境效应的定量 关系和生态环境效应的机理需要进一步的研究。 参考文献: Eli黄昌勇.土壤学[M].北京:中国农业出版社,2000。 [2] 赵其国,孙波,张桃林.土壤质量与持续环境I.土壤质 量的定义及评价方法[J].土壤,1997,29(3): 113--120. 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