城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全:問(wèn)題與挑戰(zhàn)

趙方凱,楊 磊,陳利頂,*,李 剛,孫 龍,李守娟

1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021

城市化及其區(qū)域生態(tài)安全響應(yīng)是當(dāng)前全球研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。聯(lián)合國(guó)研究報(bào)告表明,2007年底全球城市人口已經(jīng)超過(guò)50%,至2050年全球?qū)?huì)有96億人,約50%—68%的人口將居住在城市中[1- 2]。隨著城市的快速發(fā)展,城市化進(jìn)程對(duì)城市及其周邊生態(tài)系統(tǒng)造成強(qiáng)烈影響,由此帶來(lái)的生態(tài)與環(huán)境問(wèn)題日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。研究表明,城市化所帶來(lái)的環(huán)境壓力通過(guò)土地利用/土地覆被變化[3]等方式,帶來(lái)氣候變化及極端氣候事件增多[4]、環(huán)境污染加劇[5]、生物多樣性降低[6]、資源和能源短缺[7]等一系列問(wèn)題,并且在特大城市群地區(qū),土壤生態(tài)安全問(wèn)題尤為突出[8- 10]。

城郊生態(tài)系統(tǒng)(Peri-Urban Ecosystems)位于城市邊緣地帶,是城市生態(tài)系統(tǒng)向農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)域,由于地處城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡或轉(zhuǎn)化地帶,城郊生態(tài)系統(tǒng)兼具兩者的組成特征,既有大量建成區(qū)以及公園等休閑娛樂(lè)景觀,也有較大比例的農(nóng)田、草地、森林、濕地等景觀[11]。城郊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,景觀較為破碎,居民點(diǎn)之間相對(duì)較為分散,人口密度低于城市但又高于鄉(xiāng)村。由于城郊生態(tài)系統(tǒng)處于過(guò)渡地帶,因而城郊生態(tài)系統(tǒng)沒(méi)有非常明確的邊界。土壤是控制地球表層物質(zhì)、能量和信息遷移轉(zhuǎn)化的重要節(jié)點(diǎn),城郊生態(tài)系統(tǒng)中土壤的生態(tài)過(guò)程、水文過(guò)程、生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程承載著維持城市和農(nóng)村生產(chǎn)、生活密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[12]。面向城市生態(tài)系統(tǒng),城郊生態(tài)系統(tǒng)提供食物供給、水質(zhì)凈化、廢棄物循環(huán)利用、休閑娛樂(lè)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),而面向農(nóng)村/自然生態(tài)系統(tǒng),城郊生態(tài)系統(tǒng)則提供產(chǎn)品供給等城市生態(tài)系統(tǒng)的部分功能。由于土壤容易受到人類活動(dòng)的影響,在快速城市化過(guò)程中,城郊地區(qū)土壤安全面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[13]。研究表明,全球農(nóng)業(yè)用地預(yù)計(jì)需要增加3.2—8.5億hm2并提供超過(guò)現(xiàn)在一倍的食物供給,才能滿足未來(lái)城市化發(fā)展的需求[12]。然而城市擴(kuò)張導(dǎo)致了大量?jī)?yōu)質(zhì)耕地(尤其是城郊地區(qū))的減少,從而增加了城郊農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)壓力[14]。另一方面,城郊生態(tài)系統(tǒng)由于其特殊的地理位置,使得城郊土壤更易受到城市污水、污泥、固體廢棄物、廢氣、降塵等的污染。城郊農(nóng)業(yè)為提高生產(chǎn)能力和資源利用效率,對(duì)城市和農(nóng)村廢棄物的資源和利用已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象,這也帶來(lái)土壤重金屬污染、抗生素及抗性基因污染等問(wèn)題[11, 15- 16]。

雖然城市化進(jìn)程中的生態(tài)環(huán)境響應(yīng)及其交互作用得到了廣泛關(guān)注,但是城郊生態(tài)系統(tǒng)及其土壤安全問(wèn)題的研究仍然較為缺乏。本文通過(guò)總結(jié)1990—2017年城郊生態(tài)系統(tǒng)文獻(xiàn)發(fā)表的分布及其趨勢(shì),對(duì)城郊生態(tài)系統(tǒng)中土壤安全的研究熱點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別,并系統(tǒng)綜述了城郊生態(tài)系統(tǒng)的特征及其土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),明確了城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全問(wèn)題研究面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn),指出其研究的重要性、必要性和緊迫性,以期為城市群生態(tài)安全和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升提供理論指導(dǎo)。

1 研究現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1.1 城郊生態(tài)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1.1 中國(guó)的城市化進(jìn)程

通過(guò)對(duì)比中國(guó)城市和農(nóng)村人口變化,以及全球城市和農(nóng)村人口變化可以發(fā)現(xiàn)[17],從1995—2016年,我國(guó)城市化水平呈現(xiàn)穩(wěn)步上升趨勢(shì),在2011年左右城市人口比例超過(guò)了50%,標(biāo)志著我國(guó)已全面進(jìn)入城市化時(shí)代(圖1)。而人口的增長(zhǎng)是城市化發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力[18]。另外根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的我國(guó)耕地面積,以及《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》公布的我國(guó)城市建成區(qū)面積數(shù)據(jù),通過(guò)陳印軍[19]提出的方法對(duì)土地調(diào)查的耕地面積進(jìn)行歸一化處理,分別得到城市面積擴(kuò)張速率及耕地面積減少速率(圖2)。結(jié)果表明,隨著我國(guó)城市化的快速發(fā)展,城市面積不斷增加,耕地面積則逐年減少;城市擴(kuò)張速率與耕地面積減少速率呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì),并且在2002—2003年左右二者均達(dá)到最高值。

圖1 中國(guó)城市/農(nóng)村人口及全球人口變化Fig.1 Temporal changes and forecast of urban and rural population from 1990 to 2030

圖2 中國(guó)城市面積擴(kuò)張速率及耕地面積減少速率Fig.2 Urban expansion rate and cultivation land loss rate in China from 1995 to 2015

1.1.2 城郊生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究文獻(xiàn)發(fā)表趨勢(shì)

本文以Web of Sciences和中國(guó)知網(wǎng)作為主要數(shù)據(jù)庫(kù),以peri-urban/城郊以及soil/土壤作為關(guān)鍵詞,檢索時(shí)間跨度為1990—2017年,共檢索到3472篇文獻(xiàn),其中城郊土壤安全相關(guān)研究共675篇。分別以我國(guó)城市化速率開始快速增加的2000年和我國(guó)全面進(jìn)入城市化的2011年為分界線,將檢索到的城郊生態(tài)系統(tǒng)研究文獻(xiàn)劃分為3個(gè)階段(圖3)。第一階段從1990—2002年,文章發(fā)表量逐年上升,但是增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩,并且城郊土壤安全問(wèn)題的相關(guān)研究所占比例較低;第二階段從2002—2011年,文章發(fā)表量迅速上升,并且城郊土壤安全相關(guān)研究的比例也有了顯著提高;第三階段為2011年至今,我國(guó)全面進(jìn)入城市化時(shí)代,土壤安全問(wèn)題在城郊生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)研究中的比例呈現(xiàn)一個(gè)跳躍式增長(zhǎng)。由圖3可以看出,2002年以后關(guān)于城郊生態(tài)系統(tǒng)及其土壤安全問(wèn)題的研究迅速增加,并且城郊土壤安全研究愈加受到我國(guó)學(xué)者的重視。

圖3 城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全文章發(fā)表量及其比例Fig.3 Number of papers on soil security in peri-urban ecosystem and its proportion

1.1.3 城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全研究熱點(diǎn)

圖4 城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全研究熱點(diǎn)分布 Fig.4 Research hotspots on soil security in peri-urban ecosystem

通過(guò)對(duì)相近關(guān)鍵詞進(jìn)行了歸并處理,統(tǒng)計(jì)顯示,1990—2017年城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全問(wèn)題的研究主要集中食物安全、氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、土壤質(zhì)量、水資源安全及能源安全6個(gè)方面(圖4)。其中,食物安全問(wèn)題尤其受到全球?qū)W者的廣泛關(guān)注。通過(guò)將6個(gè)重點(diǎn)研究方向的關(guān)鍵詞進(jìn)行合并整理,表1列出了各研究方向排名前五的關(guān)鍵詞。其中,食物安全方向主要關(guān)注城郊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、食物供給能力以及土地利用的影響,表明城郊生態(tài)系統(tǒng)在城市化的影響下,其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及食物供給能力受到土地利用變化的強(qiáng)烈影響。另外,城郊生態(tài)系統(tǒng)中溫室效應(yīng)、碳循環(huán)、生物多樣性保護(hù)、土壤肥力及污染、水源涵養(yǎng)及水質(zhì)凈化、可再生生物能源等方面也開展了大量的研究,但是在土壤安全的框架內(nèi),對(duì)其相互之間耦合關(guān)系的研究較為缺乏。

1.2 城郊土壤生態(tài)系統(tǒng)特征

1.2.1 景觀格局特征

生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、格局及其承載的過(guò)程不同,其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也不同[20]。城市化過(guò)程能夠顯著改變周邊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其過(guò)程,從而改變其承載的生態(tài)功能,最終影響相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[21]。城市化過(guò)程中城郊景觀的變化及其時(shí)空格局,主要通過(guò)應(yīng)用景觀指數(shù)開展以下兩個(gè)個(gè)方面的研究,(1)從理論方面,探索沿城市化的時(shí)空梯度景觀格局變化的普遍規(guī)律,(2)從方法方面,通過(guò)景觀指數(shù)結(jié)合城市化梯度,從而準(zhǔn)確定量分析城市化的影響[3, 22- 23]。

研究表明,城市化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直接影響主要表現(xiàn)為土地利用/覆被的變化[17- 18],而城郊生態(tài)系統(tǒng)由于其獨(dú)特的地理位置,受到城市擴(kuò)張的直接影響并且影響強(qiáng)烈,土地利用格局極為復(fù)雜,導(dǎo)致城郊區(qū)域景觀多樣性、復(fù)雜性及破碎化程度均高于城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)村/自然生態(tài)系統(tǒng)(圖5)。例如在中國(guó)臺(tái)北,城市中心以及農(nóng)村/自然生態(tài)系統(tǒng)的景觀多樣性指數(shù)約在0.2左右,而在城郊地區(qū)則高達(dá)1.4[23]。而景觀均勻度指數(shù)則呈現(xiàn)相反趨勢(shì),在美國(guó)麥迪遜市,城郊區(qū)域的景觀均勻度指數(shù)只有約0.5,而城市與農(nóng)村區(qū)域則達(dá)到0.6—1.0左右[22]。城郊生態(tài)系統(tǒng)同時(shí)具有城市景觀和農(nóng)業(yè)景觀,也具有林地、草地、濕地等景觀類型,并且沿城鄉(xiāng)梯度,隨著城市化程度的提高,城市景觀比例明顯上升,而農(nóng)業(yè)景觀等其他景觀類型的比例則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[22]。城郊生態(tài)系統(tǒng)隨著城市的擴(kuò)張逐漸沿著城市—鄉(xiāng)村梯度向外推移,其景觀結(jié)構(gòu)也處于不斷的變化之中。城郊生態(tài)系統(tǒng)景觀類型多樣、景觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,城市建成區(qū)與村鎮(zhèn)、農(nóng)田、園地、林地、水域等在空間上呈犬牙交錯(cuò)的分布,人類干擾強(qiáng)烈,具有較低的景觀均勻度,景觀的動(dòng)態(tài)變化也最為劇烈。相比而言,城市、農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)均有較為均一的景觀格局,斑塊密度較低、最大斑塊面積較高,而城郊景觀的多樣性和空間分布的復(fù)雜性導(dǎo)致其具有較高的斑塊密度和較低的最大斑塊面積[22- 23]。

表1 各研究方向排名前5的高頻關(guān)鍵詞及其比例

圖5 城市化梯度對(duì)景觀特征的影響[3, 22- 24] Fig.5 Threshold of fragmentation and compositional diversity in relationship to the urbanization level

另一方面,城郊生態(tài)系統(tǒng)處于不斷變化的過(guò)程中。隨著城市化的發(fā)展,城郊生態(tài)系統(tǒng)逐漸向城市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變,其中的景觀類型大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘芯坝^(大部分為居住、工業(yè)及商業(yè)用地),農(nóng)田等其他景觀類型逐漸減少。在城市化的“前-中-后”階段,城郊生態(tài)系統(tǒng)特征與其空間變化趨勢(shì)相似,景觀多樣性/破碎化先逐漸上升,而在城市化后期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[3, 22- 23],與此同時(shí),城郊生態(tài)系統(tǒng)也逐漸隨著城市的擴(kuò)張而向外擴(kuò)展,因而城郊生態(tài)系統(tǒng)的邊界也非常難以確定。總體而言,城郊生態(tài)系統(tǒng)具有較高的景觀空間異質(zhì)性、復(fù)雜的景觀結(jié)構(gòu)以及顯著的動(dòng)態(tài)變化特征。

1.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征

城郊土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與其景觀組成密切相關(guān)。城市化過(guò)程通過(guò)改變城郊生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局,從而帶來(lái)了生態(tài)過(guò)程的變化。通過(guò)改變城郊生態(tài)系統(tǒng)的土地利用方式、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和增加人口密度,城市化導(dǎo)致其土壤物理、化學(xué)、生物性質(zhì)的變化,進(jìn)而改變土壤的生物地球化學(xué)循環(huán)、水分循環(huán)、養(yǎng)分遷移和轉(zhuǎn)化、能量循環(huán)等過(guò)程,最終改變這些過(guò)程承載的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[15, 25- 26]。綜合全球多個(gè)城市的研究發(fā)現(xiàn),城郊生態(tài)系統(tǒng)是土壤供給功能和居民需求變化最為劇烈的區(qū)域。研究表明,沿城鄉(xiāng)梯度,能源、水資源、食物等的需求迅速降低,而供給能力逐漸升高,尤其是在城市核心區(qū)域,幾乎完全喪失了自然資源供給能力(圖6)[25, 27- 28]。而在城郊區(qū)域,尤其是城市邊緣區(qū)域,隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展,大量工廠和商業(yè)設(shè)施的建設(shè),及人口密度的顯著上升,導(dǎo)致其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給和需求與城市區(qū)域沒(méi)有顯著差異;在遠(yuǎn)郊區(qū)域由于缺乏城市化干擾,其自然資源供給能力較強(qiáng),而需求較低,接近于農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)[27]。城市化導(dǎo)致的城郊土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變,也會(huì)導(dǎo)致城郊區(qū)域的供需失衡,為了調(diào)節(jié)這種失衡關(guān)系,城市化過(guò)程中又增加了對(duì)城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤資源的管理,進(jìn)而又加劇了土壤過(guò)程的變化[29]。例如在中國(guó),從1990年至2015年化肥使用量增漲了75%左右,而大量氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的輸入,顯著改變了土壤中營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、微生物群落以及糧食產(chǎn)量等[30- 31]。通過(guò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量化描述,研究認(rèn)為食物供給能力在城市化過(guò)程中損失最大。例如在北京區(qū)域,從2013—2040年其損失預(yù)計(jì)達(dá)到20.70%,約為其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失的3—7倍,其中農(nóng)田損失造成的食物供給能力下降約占全部的99.31%[32]。

圖6 沿城鄉(xiāng)梯度土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化[25, 27- 28] Fig.6 Changes of soil ecosystem services along urbanization gradient

農(nóng)業(yè)景觀在城郊生態(tài)系統(tǒng)中占較大比例,甚至是主要景觀類型,是維持城市和城郊生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分[33- 35]。農(nóng)業(yè)景觀中土壤主要以生產(chǎn)和供給功能為主,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)會(huì)隨著種植類型和利用強(qiáng)度的不同而存在較大的差異[36- 37]。隨著城市化導(dǎo)致的耕地減少,大量現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)被應(yīng)用于城郊農(nóng)業(yè)生產(chǎn),以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力,滿足生產(chǎn)需求。例如,溫室大棚被廣泛應(yīng)用于城郊農(nóng)業(yè)生產(chǎn),其也構(gòu)成了城郊地區(qū)一種典型的人工農(nóng)業(yè)景觀,并且其相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),食物供給能力提高了約2.3倍[38]。另外,由于城市人口對(duì)食物多樣性的需求,城郊地區(qū)相應(yīng)地提供了豐富的農(nóng)產(chǎn)品種類,例如蔬菜、糧食、肉類、蛋類及水產(chǎn)品等。并且由于城郊到城市的供給鏈較短,供給成本相對(duì)較低,使得其農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)低廉,因此城郊農(nóng)業(yè)對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的食物供給占有較大的比重。研究表明,亞洲和非洲部分城市中城郊農(nóng)業(yè)提供了超過(guò)60%的葉類蔬菜,超過(guò)65%的家禽肉類產(chǎn)品,以及超過(guò)54%的糧食作物,并且在城市化進(jìn)程中,城郊農(nóng)業(yè)的食物供給能力呈現(xiàn)出了極大的增長(zhǎng)趨勢(shì)[34, 39]。Chen[31]對(duì)我國(guó)18個(gè)城市的研究發(fā)現(xiàn),城郊農(nóng)業(yè)提供了90%的蔬菜和50%的肉類產(chǎn)品。也有我國(guó)特大城市群地區(qū)的研究表明,北京城郊農(nóng)業(yè)總價(jià)值估算量在2008年達(dá)到了1101億元,其中生產(chǎn)功能約占28%,保證了北京40%左右的蔬菜、肉類和蛋類供給[40];而2006年上海城郊地區(qū)食物供給總價(jià)值約為4038萬(wàn)元[41]。尤其是近年來(lái)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,使得城郊農(nóng)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值得到顯著增長(zhǎng)。除供給功能外,城郊農(nóng)業(yè)也可以提供土壤保持、廢棄物處理、養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)、水文調(diào)節(jié)等服務(wù)。

多樣的景觀類型和結(jié)構(gòu)使得城郊土壤能夠提供更為多樣的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(圖6),而在城市/農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)中,均一的景觀類型導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多樣性則相對(duì)較低[42]。除了農(nóng)業(yè)土壤提供上述功能以外,城郊土壤還可以為城市生態(tài)系統(tǒng)提供較大比例的能源、水資源、建筑材料、休閑娛樂(lè)和文化場(chǎng)所。其他景觀類型(森林、草地、濕地等)中的土壤同樣具有重要的生態(tài)功能,其生態(tài)服務(wù)價(jià)值主要體現(xiàn)在氣候調(diào)節(jié)、固碳、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化以及生物多樣性維持等方面。例如,有研究認(rèn)為相比城市土壤,城郊土壤具有相對(duì)較高的固碳功能和生物多樣性。這是由于城郊地區(qū)具有較大的綠地面積(公園、森林等),而且由于城市觀賞花木需求較高,城郊區(qū)域大量種植外來(lái)觀賞植物,擁有了較高的生物多樣性;同時(shí)較高比例的綠地面積使得城郊土壤碳固定及水源涵養(yǎng)能力高于城市土壤[43],并且城郊土壤的水質(zhì)凈化能力則與其土壤養(yǎng)分保留能力具有顯著相關(guān)性[42]。

2 城郊土壤安全面臨的問(wèn)題

由于城郊生態(tài)系統(tǒng)直接面對(duì)城市擴(kuò)張帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境壓力,面臨著更為復(fù)雜的土壤安全問(wèn)題,尤其是食物安全、土壤質(zhì)量以及土壤污染3個(gè)方面,影響著城郊土壤的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),與城市和農(nóng)村人類生產(chǎn)和生活關(guān)系最為密切和直接。

2.1 食物安全問(wèn)題

過(guò)去20年中,我國(guó)耕地減少率和城市擴(kuò)張率保持較為一致的趨勢(shì)(圖2),并且城市擴(kuò)張所導(dǎo)致的耕地減少主要發(fā)生在城郊區(qū)域[11, 44- 46]。據(jù)估計(jì),到2030年,全球城市擴(kuò)張將導(dǎo)致耕地面積減少1.8%—2.4%,在發(fā)展中國(guó)家則將達(dá)到5%—10%,并且全球約25%的耕地面積減少將發(fā)生在我國(guó)[14]。尤其是我國(guó)城市化程度最高的長(zhǎng)三角、珠三角及京津冀地區(qū),耕地面積減少更為嚴(yán)重[31]。耕地減少會(huì)導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的下降。截至2000年,全球城市擴(kuò)張導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降3.4%—4.2%[14]。研究表明,從1992年至2015年,我國(guó)城市擴(kuò)張導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降了124.5萬(wàn)t,占我國(guó)年均糧食產(chǎn)量的2.2%[30],預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)城市擴(kuò)張將導(dǎo)致糧食產(chǎn)量下降8%—10%[14]。

2.2 土壤質(zhì)量問(wèn)題

城郊生態(tài)系統(tǒng)中包括建設(shè)用地開發(fā)、采石、筑路等在內(nèi)的各種城市化活動(dòng),這些均能加劇土壤侵蝕,研究認(rèn)為城市化建設(shè)階段是土壤流失發(fā)生的主要時(shí)期,土壤侵蝕速率的空間分布從大到小依次為:城郊>城市>農(nóng)村[47]。地表不透水面的增加也極大地增加了城郊地區(qū)的雨洪風(fēng)險(xiǎn)。相較于距離較遠(yuǎn)的農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng),城市及城郊大量工業(yè)活動(dòng)顯著增加了大氣酸沉降對(duì)城郊土壤的作用。例如大量SO2的排放,導(dǎo)致我國(guó)城市降雨觀測(cè)點(diǎn)中,40%的降雨pH小于5.6[31],酸雨會(huì)改變一系列土壤過(guò)程,長(zhǎng)期影響下能加速土壤退化。另一方面,與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相似,城郊農(nóng)業(yè)大量使用化肥,且其使用量逐年升高[30],化肥中的養(yǎng)分元素不能全部被吸收利用,其中氮和鉀的利用率為30%—60%,磷的利用率僅為2%—25%,大量養(yǎng)分流失造成非點(diǎn)源污染,并且長(zhǎng)期大量施用化肥同樣改變了土壤性質(zhì),強(qiáng)烈干擾土壤本身的物質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)[31,48]。相比于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期,城郊農(nóng)業(yè)為提高經(jīng)濟(jì)效益及滿足城市食物供給需求,大量種植蔬菜等短生產(chǎn)期作物,頻繁的耕作對(duì)土壤造成了極大的壓力[47]。在以上各種因素的長(zhǎng)期作用下,出現(xiàn)了土壤肥力降低、土壤質(zhì)量下降以及土壤退化等一系列問(wèn)題[49- 50],城郊土壤安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2.3 土壤污染問(wèn)題

研究表明,我國(guó)大部分污染土壤位于城郊高強(qiáng)度耕作區(qū)域[31]。并且由于城郊生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性與多樣性,城郊土壤的污染來(lái)源也呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜性的特征,其不僅受到農(nóng)業(yè)污染源的強(qiáng)烈影響,也受到城市生活污染源及工業(yè)污染源的影響,這些強(qiáng)烈的人為干擾對(duì)城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全造成了巨大的威脅[51-52]。城郊農(nóng)業(yè)以高效益、高效率、高生產(chǎn)力為目標(biāo),因而大量城市及農(nóng)業(yè)廢棄物被應(yīng)用于城郊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,例如污水灌溉、污泥施肥、禽畜糞便施用等,使得城郊土壤成為有機(jī)廢棄物的重要承載者和消化分解者。消納廢棄物、分解畜禽糞便等是城郊農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一項(xiàng)獨(dú)特而重要的服務(wù)。研究表明,增施有機(jī)肥不但可以減少?gòu)U物處理成本,還可以改良土壤,提高土壤肥力,改善農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán),增加作物產(chǎn)量[51]。但大量有機(jī)肥及城市有機(jī)廢棄物的使用也導(dǎo)致城郊土壤出現(xiàn)較高的重金屬、抗生素以及抗性基因污染[53- 56],并且通過(guò)植物吸收和富集,這些污染物進(jìn)入食物鏈威脅食物安全和人類健康。調(diào)查發(fā)現(xiàn),珠三角城市群城郊重金屬污染土壤比例達(dá)到了50%,并且我國(guó)主要城市中城郊生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品中,約有30%存在重金屬超標(biāo)問(wèn)題[31]。另一方面,城市及城郊的部分工業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致了嚴(yán)重的大氣和水體污染,并通過(guò)大氣沉降、污水灌溉、地下水滲漏等加劇了城郊土壤污染,危及糧食安全[57]。由于城郊區(qū)域具有較大面積的未利用土地,加上城市到城郊較為發(fā)達(dá)的交通系統(tǒng),大部分城市廢棄物被排入城郊生態(tài)系統(tǒng),例如垃圾填埋場(chǎng)、污水處理廠等。這些廢棄物含有大量并且多樣的污染物,包括氮素污染物、重金屬、持久性有機(jī)污染物等,能夠顯著改變當(dāng)?shù)赝寥佬再|(zhì)及生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程,并且通過(guò)地表徑流等遷移到較遠(yuǎn)的區(qū)域造成周邊土壤污染[57- 58]。

3 城郊土壤安全面臨的挑戰(zhàn)

城市化給城郊生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)一系列土壤安全問(wèn)題,并且由于城郊生態(tài)系統(tǒng)特殊的景觀格局和劇烈的動(dòng)態(tài)變化,導(dǎo)致這一問(wèn)題尤為特殊和復(fù)雜。

3.1 土壤供給功能及其可持續(xù)性的降低

為了保證城市生態(tài)系統(tǒng)的食物供給,城郊生態(tài)系統(tǒng)需要保持足夠面積的優(yōu)質(zhì)耕地,但城市的發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢(shì),城市化導(dǎo)致耕地面積的持續(xù)減少,降低了城郊生態(tài)系統(tǒng)的供給能力;同時(shí)城市人口的增加進(jìn)一步加大了供給需求,增加了城郊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)供給的壓力。雖然現(xiàn)在交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展以及全球糧食貿(mào)易能夠在一定程度上彌補(bǔ)城郊供給能力的不足,但并不能完全平衡城市生態(tài)系統(tǒng)的供需問(wèn)題。自從我國(guó)進(jìn)入快速城市化階段以來(lái),糧食生產(chǎn)與消費(fèi)量的比例逐漸降低,大量糧食進(jìn)口導(dǎo)致自給能力迅速下降[30]。解決城市化帶來(lái)的耕地減少問(wèn)題主要通過(guò)兩個(gè)方面:一是提高耕作技術(shù),增加生產(chǎn)力;二是擴(kuò)大農(nóng)田面積,例如侵占綠地、圍湖造田等,但這種方式會(huì)嚴(yán)重影響其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。由于我國(guó)現(xiàn)有耕地?cái)U(kuò)張潛力幾乎達(dá)到最大水平,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系制定合理有效的土地利用政策和策略,是保證城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤供給能力的重要研究方向。

3.2 土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多樣性的降低

隨著城市化的發(fā)展,城郊生態(tài)系統(tǒng)景觀格局趨向單一化(城鎮(zhèn)化),而人類的需求和活動(dòng)愈加多樣性,這對(duì)城郊土壤的多功能性提出了更高的要求[59]。城市擴(kuò)張不僅侵占農(nóng)業(yè)景觀,同樣會(huì)導(dǎo)致生態(tài)綠地等其他景觀類型面積的減少,建設(shè)用地和不透水面的增加,導(dǎo)致城郊生態(tài)系統(tǒng)中土壤的調(diào)節(jié)能力不斷下降,以及洪澇災(zāi)害、熱島效應(yīng)、土壤退化等風(fēng)險(xiǎn)的顯著提升[29, 33]。在滿足城市發(fā)展的同時(shí),城郊土壤提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的種類和質(zhì)量都大大降低。人類的干預(yù)使得城郊土壤自身及外界環(huán)境不斷發(fā)生變化,因而城郊土壤生態(tài)功能維持和生產(chǎn)功能的提升是目前城市生態(tài)、地球關(guān)鍵帶科學(xué)等研究的重要議題。根據(jù)沈仁芳和滕應(yīng)[13]提出的土壤安全戰(zhàn)略,在快速城市化進(jìn)程中,應(yīng)以保證土壤資源安全與可持續(xù)利用為目標(biāo),從多個(gè)方面考量城郊土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。由于城郊生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣性和時(shí)間、空間上的變化,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的平衡關(guān)系難以把握[43]。當(dāng)前,急需開展城郊土壤多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡與協(xié)同關(guān)系的研究,解析快速城市化影響下不同區(qū)域之間土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需平衡關(guān)系。

3.3 土壤污染治理挑戰(zhàn)的增加

快速城市化導(dǎo)致城郊生態(tài)系統(tǒng)中土壤環(huán)境的變化,部分地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的土壤污染及食物污染[60],而由于城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤污染來(lái)源的多樣性和各種污染物之間相互作用的復(fù)雜性,導(dǎo)致城郊土壤兼有重金屬、固體廢棄物、農(nóng)藥化肥等多種污染源造成的綜合污染問(wèn)題,十分難以處理和修復(fù)。城郊生態(tài)系統(tǒng)處于城市生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)的交錯(cuò)地帶,城市生活污染、工業(yè)污染以及農(nóng)業(yè)面源污染等交叉污染造成城郊地區(qū)土壤環(huán)境污染嚴(yán)重且負(fù)荷較大,城郊景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性更加劇了城郊土壤污染處理的難度。現(xiàn)有城郊土壤污染治理,大多數(shù)只是針對(duì)特定污染物,而多種污染源對(duì)城郊土壤的影響是一個(gè)復(fù)雜的整體作用,對(duì)單一污染源進(jìn)行治理并不能有效地解決城郊土壤污染問(wèn)題,也并不能有效提升城郊土壤安全。維持城郊土壤安全,需要針對(duì)城郊土壤中的污染物來(lái)源及其在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化特征開展系統(tǒng)研究,解析其在環(huán)境中的空間分布特征、時(shí)間動(dòng)態(tài)和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),為城郊土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提升提供科學(xué)基礎(chǔ)。

3.4 現(xiàn)有對(duì)策的局限性

面對(duì)城市化過(guò)程帶來(lái)的城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全問(wèn)題,已有一定的應(yīng)對(duì)措施,例如城郊生態(tài)農(nóng)業(yè)、城郊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)及生態(tài)規(guī)劃等。現(xiàn)代城郊農(nóng)業(yè)逐漸改變其傳統(tǒng)生產(chǎn)的模式,在保證生產(chǎn)功能的基礎(chǔ)上,通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu),發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)及休閑觀光農(nóng)業(yè),同時(shí)提供水土保持、水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)氣候、消納廢棄物等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[36]。我國(guó)現(xiàn)階段城郊生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展仍處于初步階段,城郊農(nóng)業(yè)的生態(tài)功能、休閑娛樂(lè)和文化功能等尚未得到充分的開發(fā)和利用,并且由于對(duì)生態(tài)農(nóng)業(yè)的認(rèn)識(shí)不足,部分地區(qū)仍然存在著高污染的生產(chǎn)模式,給當(dāng)?shù)赝寥蕾Y源造成危害[53, 61]。開展城郊生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)是改善和解決城郊土壤安全問(wèn)題的重要措施。這既包括與城市生態(tài)系統(tǒng)相連接的風(fēng)景游覽區(qū)以及河堤防護(hù)林等,也包括城郊森林公園、農(nóng)田防護(hù)林以及庫(kù)渠河灘等[49, 62- 65]。與城市相比,城郊植被重建面積較大并且相對(duì)集中,具有良好的生態(tài)和景觀效益,這不僅能提高城郊生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和支持能力(如改善區(qū)域小氣候、防治污染、保持土壤、改善水源涵養(yǎng)、促進(jìn)生物多樣性保護(hù)等),還能增強(qiáng)城郊生物傳粉能力、降低生物有害性等[66- 67]。但需要指出的是,不合理的植被重建有可能加劇城郊生態(tài)系統(tǒng)的壓力,如單一樹種的植樹造林、未考慮當(dāng)?shù)厮Y源承載力的植被重建、生物入侵等。為解決城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全問(wèn)題,提高其作為城市生態(tài)系統(tǒng)緩沖區(qū)的緩沖能力,需要結(jié)合城市、城郊、鄉(xiāng)村的功能定位及資源和生態(tài)承載力,充分考慮城郊土壤面臨的關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)行科學(xué)的生態(tài)規(guī)劃,優(yōu)化城郊景觀格局,提升城郊地區(qū)土壤安全與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

全球城市化的快速發(fā)展促進(jìn)了城郊生態(tài)系統(tǒng)及其土壤安全的研究,其中城郊生態(tài)系統(tǒng)在食物安全、氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、土壤質(zhì)量、水資源和能源安全等方面獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。城郊生態(tài)系統(tǒng)位于城市和農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡地帶,景觀類型多樣,破碎化程度高,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能獨(dú)特和復(fù)雜,并且具有較高的動(dòng)態(tài)變化特征。受城郊景觀類型和結(jié)構(gòu)的影響,城郊土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型多樣。城市化過(guò)程影響了城郊地區(qū)土壤的生態(tài)過(guò)程及其承載的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),并且其土壤安全受到城市和農(nóng)業(yè)/自然生態(tài)系統(tǒng)的雙重影響?？焖俪鞘谢^(guò)程給城郊土壤帶來(lái)一系列安全問(wèn)題,如耕地面積減少、食物供給功能降低,土壤中污染物來(lái)源多樣且成分復(fù)雜,土壤質(zhì)量下降等,但在區(qū)域尺度上和不同城市發(fā)展模式下,城郊生態(tài)系統(tǒng)土壤安全的研究較為缺乏;為提升城郊土壤安全及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),當(dāng)前研究中同樣需要建立和完善基于“土壤安全”的城郊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)框架,依據(jù)城市—城郊—鄉(xiāng)村生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系制定合理的土地利用策略,維持和提升城郊土壤的生產(chǎn)功能和供給能力;明確城郊地區(qū)土壤主要污染物來(lái)源,系統(tǒng)開展污染物在城郊土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化過(guò)程研究,解析其復(fù)合污染狀況,提升土壤安全;結(jié)合區(qū)域特征,因地制宜開展科學(xué)的生態(tài)規(guī)劃,優(yōu)化城郊景觀格局,提升城郊地區(qū)土壤安全與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,維護(hù)城市和區(qū)域生態(tài)安全;并需要進(jìn)一步明確土壤安全在城郊生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的重要性,建立科學(xué)合理的管理政策。