（环境科学专业论文）沿海城郊快速城市化区域土壤环境质量变化特征分析.pdf

中文文摘 中文文摘 不同土地利用方式可以会改变土地覆被状况并影响许多生态过程，如生物多样 性、土壤侵蚀、土壤环境质量等。合理的土地利用会改善土壤结构，增强土壤抵抗 力，提高土壤环境质量；不合理的土地利用则会降低土壤环境质量，增加土壤侵蚀， 降低生物多样性。快速城市化进程使得大量的农业人口向城市迁移，为了满足人口 增长对城市带来的社会压力，城市的农业土壤资源被密闭利用为城镇建设等非农用 地。在这个过程中，人类的土地利用和管理方式对土壤特性空间变异有着重要的影 响，然而目前对快速城市化区域土壤环境质量变化特征的研究还不多。 福州市作为海峡西岸经济区的一个重要核心城市，其城市化速度发展较快，而 南台岛是福州市城市扩展最快的地区。本论文选择南台岛作为研究区，探讨其由于 快速城市化而导致的土地利用变化继而引起的土壤环境质量变化特征。南台岛位于 福州市仓山区，为闽江中第一大岛屿，东西长，南北相对较窄，总面积1 1 8 2 k m 2 。 城市化的快速发展使得南台岛的土地利用呈现出了土地紧缺、耕地面积不断减少、 建设用地比重日益加大、人地关系矛盾突出的特征。近年来，福建省内一些科研院 所及专家学者陆续开展了福州市土地利用变化的研究与调查，但针对福州市土地利 用变化对土壤环境质量变化特征的影响仍处于探索阶段，特别是相关南台岛土壤环 境质量变化特征的研究更是鲜有报道。因此，研究南台岛的土地利用变化，进而研 究其造成的土壤环境质量变化，提出有针对性的土地可持续利用措施，具有十分重 要的现实意义和理论价值。 本研究在进行广泛的实地调查和收集大量的基本资料的基础上，根据网格划分 遴选了研究区内1 6 个土壤环境质量监测的实验样区。经南台岛土地利用变化的特征 分析，选取研究区内主要土地利用方式农田、林地和建设用地为研究的对象； 按照不同采样设计方案，对不同土地利用方式的土壤容重、p h 、电导率、速效钾、 有效磷、碱解氮和有机质等7 个土壤环境质量指标进行测定，探讨了研究区土壤环 境质量的监测尺度依赖性、土壤环境质量指标的空间变异特征和不同土地利用方式 土壤环境质量的变化特征；通过研究区土地利用改变对土壤环境质量的变化特征分 析，提出研究区土地可持续利用的途径。 本研究的主要创新点如下： 1 关注到土壤环境监测过程中采样尺度对监测结果的影响，通过设计不同空间 i v 中文文摘 布局的采样方案，获得土壤环境监测过程中的尺度依赖性特征，进一步揭示了南台 岛土壤环境质量的空间变异规律。土壤环境监测的尺度依赖性问题讨论是目前国内 外较前沿的科学问题，本文将其付诸于监测方案的设计思路中，并获得了可靠的研 究结果。 2 获得了由于快速城市化引起的土地利用方式改变而导致的土壤环境质量变 化特征，为城市化的生态影响研究提供科学依据。 通过上述的研究工作，本研究取得了以下成果： 1 、系统研究了研究区土地利用变化，得出了研究区土地利用变化以下特征： ( 1 ) 1 9 8 9 年2 0 0 2 年1 3 年间研究区建设用地增加面积9 0 2 k i n 2 ，耕地减少面积 7 6 3 k m 2 。显然，研究区在城市化进程中土地利用方式发生了巨大的变化，其中农业 土壤资源减少总量中非农建设占地比例较高。另外，研究区城市化不断拓展，大量 农业土壤资源被占用、密闭化，其工业用地与用地总量的比例超过2 0 ，而国外发 达的特大城市工业用地一般不超过5 。“三废 物质及生活垃圾在未利用地和建 设用地的积累会导致污染日益严重的土壤的环境容量急剧下降。污染物在土壤中的 累积扩散导致土壤理化性质劣化，不仅降低土壤肥力使其生产功能削弱，而且对污 染物缓冲净化功能的弱化甚至消失导致土壤对环境的平衡功能急剧下降，对区域生 态环境和粮食安全也产生严重威胁。此外，研究区仍然拥有大量的菜地向福州市提 供鲜活农产品，但是随着农业集约化程度的不断提高，该地带土壤中持久性农化毒 害物质大量积累，土壤的功能显著减弱，会严重影响研究区的农产品品质和人体健 康。 ( 2 ) 从1 9 8 9 年到2 0 0 2 年，研究区土地利用变化速度很快，综合土地利用年动 态度达到0 8 1 0 3 ；各地类的年动态度大小为：建设用地 未利用地 耕地 水域 林地。从1 9 8 9 年到2 0 0 2 年，研究区土地利用程度指数呈现上升的趋势，土地利 用程度变化量和土地利用程度变化率均大于零，这说明研究区土地利用及土地利用 开发均处于发展期。 ( 3 ) 研究区土地利用变化的驱动机制包括快速城市化进程、人口增长、城市规 划和自然地理条件。 2 、系统研究了研究区土壤环境质量监测的尺度依赖性，得出了研究区土壤环境 质量空间异质性与监测尺度依赖性如下特征： ( 1 ) 研究区内不同土壤环境质量指标的变异系数不同，大小顺序为碱解氮 有 v 中文文摘 效磷 速效钾 电导率 有机质 土壤容重 p h 。 ( 2 ) 七种土壤环境质量指标变异函数理论模型不同，p h 、电导率、有效磷、有 机质较好的符合球状模型，速效钾的理论模型很好的符合高斯模型，土壤容重的理 论模型很好的符合线性模型，碱解氮的理论模型则也很好的符合指数模型。但是总 体来看，其变异函数曲线变化均比较平稳，表明在整个尺度上的各种生态过程是同 等重要的。且除有效磷和碱解氮的块金值较大外，其它土壤环境质量指标的块金值 都不大，这说明在最小间距内的变异分析过程中引起的误差较小。 ( 3 ) p h 、电导率块金值与基台值之比 林地 农田；电导率、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质的变化规律一致， 均为农田 林地 建设用地。 ( 2 ) 根据采样记录选取人为种植了5 年以内、5 。1 0 年、1 0 2 0 年和2 0 年以上的 农田为样地，分析农田土壤环境质量与耕作方式之间的关系。结果表明，农田土壤 容重和电导率变化表现均为先降低又升高的趋势，p h 变化呈现降低的趋势；而表示 v i 中文文摘 土壤养分含量的指标变化趋势基本相似，即先增加而后开始下降。 4 、针对研究区土壤环境质量的变化特征，揭示了研究区现有土地利用方式中存 在的问题，主要表现在土地利用缺乏整体规划，土地质量下降和耕地减少、建设用 地增加等方面。根据研究区的自然环境与社会经济基础，提出了土地可持续利用的 途径，并据此探讨了实现沿海城郊快速城市化区域土地持续利用的对策与建议。 v i i a b s t r a c t a b s t r a c t f u z h o uc i t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tc i t i e so f t h ew e s t e r ne c o n o m i cd i s t r i c to f t a i w a ns t r a i t ”w i t har a p i du r b a n i z a t i o np r o c e s s n a i t a ii s l a n di sl o c a t e di nt h es u b u r b a r e ao ff u z h o uc i t ya n dd e v e l o p sf a s t l yd u r i n gr e c e n ty e a r s t h er a p i du r b a n i z a t i o n m a k e sn a n t a ii s l a n das e r i e sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl a n ds c a r c i t y , s h r i n k i n go ff a r m l a n d ， i n c r e a s i n go fc o n s t r u c t i o nl a n d ，s e r i o u sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e np o l u l a t i o na n dl a n d t h e p a p e rf o c u s e so nt h es o i ld e g r a d a t i o nc a u s e db yr a p i du r b a n i z a t i o n t h ep a p e rd i v i d e st h e n a n t a ii s l a n di n t o16s o i lm o n i t o r i n gz o n e sa c c o r d i n gt ot h e i rl a n du s ep r o p e r t i e sa n d l o c a t i o n ，t h e nc o l l e c t st h es o i ls a m p l e s ，a n dm a k e st h ee x p e r i m e n t si n c l u d i n gs o i lc a p a c i t y , p h ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u se t e b a s e do nt h er e s u l t s ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a n du s ec h a n g ea st h ee x t e r n a ld r i v ef o rt h es o i l d e g r a d a t i o n , t h e s c a l e - d e p e n d e n c yo fs o i lm o n i t o r i n g ，s p a c i a lv a r i a n c eo fs o i lq u a l i t yi n d i c a t i o r s ，a n ds o i l q u a l i t yd e g r a d a t i o nf o ru n d e r s t a n d i n gt h eu r b a n i z a t i o ni m p a c t so ns o i l t h er e s u l t sa r e l i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a i t a ii s l a n dl a n d u s ec h a n g e sf o r m19 8 9t o2 0 0 2 ： t h eg e n e r a ll a n du s ed y n a m i cd e g r e eo ft h ei s l a n dr e a c h e d0 810 3 p e ry e a r , f o r d i f f e r e n tl a n d - u s et y p e s ，t h es e q u e n c ei s ：c o n s t r u c t i o nl a n d u n u s e dl a n d f a r m l a n d w a t e r s f o r e s t t h em e c h a n i s mo fl a n d u s ec h a n g e sa r et h e r a p i du r b a n i z a t i o n ， p o p u l a t i o ng r o w t h ，u r b a np l a n n i n ga n dn a t u r a lc o n d i t i o n s ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i lq u a l i t yo fs p a t i a lh e t e r o g e n e i t y ： s o i lq u a l i t yi n d i c a t o r ss h o wa p p a r e n t l ys p a t i a lh e t e r o g e n e i t y , a n dt h e i rv a r i a t i o n c o e f f i c i e n t sa r e ：s o i ld i s s o l u b l en i t r o g e n s o i ld i s s o l u b l ep s o i ld i s s o l u b l ek s o i l c o n d u c t i v i t y s o i lo r g a n i cm a t t e r s o i lc a p a c i t y p h ( 3 ) t h eb e s tm o n i t o r i n gs c a l eo fs o i lq u a l i t yi n d i c a t o r so nt h es t u d ya r e ai st h ef o u r t h s c a l e ，i tm e a n st h a ts o i lm o n i t o r i n gr e s u l t sf r o ms a m p l e si n1 0 0k m 2m a yr e l a t i v e l y r e l i a b l yr e p r e s e n t st h o s ef r o ms a m p l e si n6 2 5k m 2 ( 4 ) t h es o i lq u a l i t yi n d i c a t o r sc h a n g e su n d e rd i f f e r e n tl a n du s et y p e s ： s o i lc a p a c i t ya n dp hc h a n g e sa sf o l l o w s ：f a r m l a n d f o r e s t f a r m l a n d ；c o n d u c t i v i t y , n ，p ka n do r g a n i cm a t t e rc h a n g e sa sf o l l o w s ：f a r m l a n d f o r e s t c o n s t r u c t i o nl a n d 1 1 a b s t r a c t ( 5 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o i lq u a l i t ya n df a r m i n gh i s t o r yo nt h es t u d ya r e a ： s o i lc a p a c i t ya n dc o n d u c t i v i t yf i r s t l yd e c l i n et h e ni n c r e a s ew i t h i n3 0y e a r s ，p h d e c l i n e sw i t h i n3 0y e a r s ；s o i ln u t r i e n tc o n t e n tf i r s t l yi n c r e a s e st h e nt u r nt od e c l i n ew i t h i n 3 0y e a r s k e y w o r d s ：l a n du s e ；s o i lq u a l i t y ；u r b a n i z a t i o n ；m o n i t o r i n gs c a l e ；f u z h o u i i i 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名)杨睡学号2 q q 鱼q 墨q q 专业巫境型堂所呈 交的学位论文( 论文题目： 沿连越整迭逵越壹丝匡域燮巫境厦量变 他挂堑公板) 是本人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的 研究工作做出贡献的个人或集体，均己在论文中作了明确说明并表示谢 意，由此产生的一切法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：桶蜉 指导教师签名： 签字日期：为叼年月f 日“签字日期：伊7 绪论 绪论 一、研究背景和意义 土地利用是人类为社会和经济的目的，对土地进行长期或周期性的生物、技术 活动的经营【卜2 】。大量研究表明，不同土地利用方式可以改变土地覆被状况并影响许 多生态过型3 1 ，如生物多样性【4 】、土壤侵蚀5 羽、土壤环境质量【7 8 1 等。合理的土地利 用会改善土壤结构，增强土壤抵抗力p - 1 0 1 ，提高土壤环境质量；不合理的土地利用 则会降低土壤环境质量【1 1 】，增加土壤侵蚀【1 2 】，降低生物多样性1 3 】。土地利用变化不 但会引起土壤环境质量的变化：土地利用变化会改变地表植被【1 4 】，改变地表反射率 u s - 1 6 ，影响植物凋落物【1 7 】以及土壤微生物活动【1 8 】；而且会引起土壤管理措施的变化 1 9 1 。目前，土地利用变化是全球环境变化的重要原因之一，而土地利用变化对土壤 环境质量的影响是研究全球环境变化的核心内容【2 0 五3 1 。 土壤资源作为人类赖以生存、繁衍和发展的物质基础，其利用合理与否关系到 土壤环境质量的优劣。快速城市化进程使大量的农业人口向城市迁移，为了满足人 口增长对城市带来的社会压力，城市的农用地被密闭利用为建设用地等非农用地， 如日本【2 4 】，俄罗斯【2 5 1 ，美国【2 6 1 ，欧洲各国【2 7 。3 1 1 等的快速城市化进程。城市化进程的 土地利用变化会使土壤特性发生显著变化，从而导致土壤环境质量发生变化【3 2 。3 3 1 。 在快速城市化的进程中，人类活动如土地利用变化和管理方式变化对土壤环境质量 空间变异有着重要的影响，然而目前对快速城市化区域土壤环境质量变化特征的研 究还不多。 福州市作为海峡西岸经济区的一个重要核心城市，其城市化速度发展较快，而 南台岛是福州市城市扩展最快的地区。本研究选择南台岛作为研究区，探讨其由于 快速城市化而导致的土地利用变化继而引起的土壤环境质量变化特征。南台岛位于 福州市仓山区，为闽江中第一大岛屿，东西长，南北相对较窄，总面积1 1 8 2 k m 2 。 根据福州市委2 0 0 6 年制定的仓山区国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要， 福州正在全面开发南台岛，在现有仓山城区和金山新区的基础上向东、向南分三条 轴线推进，把南台岛融进“临江面海”大福州的核心区。城市化的快速发展使得南 台岛土壤资源的利用在数量、种类和程度上都产生了深远的影响，由此所引发和产 生的资源紧张和生态环境保护问题日见突出，并且直接影响着南台岛经济的可持续 福建师范大学硕士学位论文 发展。目前，南台岛的土地利用呈现出了土地紧缺，耕地面积不断减少，建设用地 比重日益加大，人地关系矛盾突出的特征【3 4 】。进行南台岛城市化土壤环境质量变化 特征的研究，并与国内外相关研究相参照，有利于沿海城郊快速城市化区域土壤环 境质量变化特征的探索。 近年来，福建省内一些科研院所及专家学者陆续开展了福州市土地利用变化的 研究与调查，在探讨福州市土地利用变化的时空变化【3 5 】、驱动力分析【3 6 。7 】以及构建 模型【3 8 】等方面取得了很大的成绩，但针对福州市土地利用变化对土壤环境质量变化 影响的研究仍处于探索阶段【3 9 - 4 1 1 。 本研究将根据南台岛土地利用变化的特征，根据网格划分遴选1 6 个土壤环境质 量监测的实验样区，对土壤物理、化学指标进行监测，讨论快速城市化区域土壤环 境质量变化的外在驱动因素( 土地利用变化) 特征、土壤环境质量监测的尺度依赖 性特征和土壤环境质量变化特征，是目前国内研究快速城市化的生态影响、快速城 市化的土壤响应特征等重要案例，为城市生态规划提供科学依据。 二、土壤质量的国内外研究进展 ( 一) 土壤质量概念的研究进展 随着时代的发展和科技水平的提高，土壤质量的概念和内涵也在不断地发展和 深化。不同土地利用方式的土壤适宜性是最早和最常被提及的土壤质量概念，它的 提出主要是针对作物的产量和品质【l2 1 。现在人们进一步深化了对土壤质量的认识， 土壤质量的范畴并不单纯局限于土壤的生产力方面，还纳入了食物安全与质量、人 类与动植物健康以及环境质量等问题。但是，对于土壤质量的概念，仍然有众多看 法【4 2 】。 a m e r i c as o i l a c a d e m y t 4 3 】把土壤质量定义为：由土壤特点或间接观测( 如紧实性、 侵蚀性和肥力) 推论的土壤的内在特性。在此基础上，p o w e r 和m y e r s 4 4 认为土壤 质量的定义是土壤供养维持作物生长的能力，包括耕性、团聚作用、土壤深度、持 水能力、渗透速率、p h 变化、有机质含量、养分能力等。l a r s o n 和p i e r c e t 4 5 】把土壤 质量定义为：为植物生长提供生育的基质；作为环境中有害化合物形成、减少 和退化的缓冲剂；调节和分配环境中水的运动。p a r r 等【4 6 】定义土壤质量为：土壤 长期持续生产安全营养的作物，提高人类和动物健康，并且不破坏自然环境的能力。 d o r a l l 和p 酞i n 【4 7 】将土壤质量的定义为：土壤在生态系统中保持生物生产力、维持 绪论 环境质量和促进生物健康的能力。 曹志洪【4 8 】认为土壤质量的定义包括三方面：容纳、降解、净化污染物质和维 护生态平衡的能力：在一定的生态系统内提供生命必须养分和生产生物物质的能 力；影响和促进植物、动物和人类生命安全和健康的能力之综合量度。简言之， 土壤质量是土壤环境质量、土壤肥力质量和土壤健康质量三个既独立又联系的组分 之组合。简而言之，土壤质量就是土壤支持植物生产能力、净化环境能力和促进生 物健康能力的集中体现。这是迄今为止国内较为全面的土壤质量的概念。 综上所述，土壤质量包含两方面的含义：一、当前的土地利用方式能否提高土 壤功能；二、当前的土地利用方式能否保持土壤的环境恢复力和生物多样性【5 0 】。 ( - - ) 土壤质量指标的研究进展 土壤质量指标的选择必须考虑土壤功能，这些土壤功能是变化的和复杂的。对 某一功能来说高质量的土壤对其他功能就未必是高质量的。因此有许多土壤特性可 以作为土壤质量的指标，研究需要明确最适合的标准【5 1 1 。选取的土壤质量指标必须 能够维持土壤功能，能够检测土壤变化的方向、速率和程度，能够决定生态系统的 改善和退化【5 2 j 。 1 国外土壤质量指标的研究进展 国外的研究学者对于土壤质量指标的选择有着不同的看法。j o h nwd 等【5 3 】提出 了选择土壤质量指标应遵循的原则：包含生态系统的过程，并有利于过程模拟； 能综合土壤物理、化学和生物特性及过程；对管理和气候因素的变化较为敏感； 有利于大多数用户，并适用于田间条件；尽可能由现存的土壤数据库所组成。 根据以上原则，j o h nwd 等【5 3 】选择的土壤质量指标包括：土壤质地、土壤容重和渗 透性、持水容量、持水特性、土层或根系深度、土壤呼吸、含水量、土壤温度、碳 氮全量、p h 、电导率、无机念的氮，磷和钾、微生物碳氮量、潜在可矿化氮、生物 碳总有机碳比以及呼吸生物量比等。l a r o s n 和p i e r c e 4 5 】提出了可用于控制土壤侵蚀 的土壤质量指标：土壤质地、结构和强度，植物有效水和最大扎根深度。d u x b u r y t 5 4 】 认为土壤质量指标可以选取土壤有机质生物活性部分。由于土壤有机质可以对土壤 质量和作物产生有益的影响，近来的研究认为土壤有机质生物活性部分是土壤质量 的中心指标，甚至把它看作是土壤质量指标中的唯一重要的指标【4 5 1 。s i n g e r 和 e w i n g t 5 5 l 还强调了污染物对土壤质量的影响，并提出了将污染物的有效性、浓度、 活动性和存在状态作为重要化学指标。 福建师范大学硕士学位论文 2 国内土壤质量指标的研究进展 国内对于土壤质量指标选择的研究呈现出了多样化的趋势，选择不同的土壤质 量指标分别评价不同的土壤退化过程：当评价土壤侵蚀时，应用土壤深度、容重、 p h 等土壤质量指标【5 6 _ 5 7 】；评价土壤盐渍化时，应用电导率等土壤质量指标【5 8 1 ；评 价土壤酸化时，应用p h 等土壤质量指标1 58 】；评价土壤化学退化时，应用土壤养分 等土壤质量指标【5 乳6 0 1 ；评价土壤生物退化时，应用有机质、微生物量和土壤动物区 系的多样性等土壤质量指标f 6 1 1 。 此外，国内的研究学者对于土壤质量指标的选择也提出了与国外有所差别的看 法。潘根兴【6 2 j 认为土壤质量指标应包括土壤肥力( 有机质、速效氮、速效磷、速效 钾、土壤结构、p h 、持水率、耕层厚度、质地、通气性和排水性等) ，土壤质量( 背 景值、污染指数、植物或作物中的污染物、环境容量、地表水污染物及地下水污染 物) ，土坡生态质量( 节肢动物、种群丰富度、多样性指数等) ，土壤生物活性( 微 生物量、碳氮比、土壤呼吸等) 四个方面的内容。郭旭东等【6 3 】应用土壤容重、有机 质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效钾以及速效磷等土壤质量指标分析低山丘陵 区不同土地利用方式的土壤质量。张庆利等【6 4 】应用土壤有机质、全氮、速效磷、速 效钾、阳离子交换及p h 等土壤质量指标评价金坛市的土壤质量。茹淑华等【6 5 】应用 土壤容重、土壤酸碱度、土壤粘粒、含盐量、土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾、 有效铜、有效锌、有效铁、有效锰等土壤质量指标评价河北平原的土壤质量。 ( 三) 土壤质量评价的研究进展 土壤质量影响着土壤生产力、食物质量、生物健康以及环境质量，因此需用不 同的土壤质量指标评价土壤质量的不同属性。 1 土壤质量评价原则的研究进展 由于土壤类型，土壤组分及土地利用方式的不同，因此评定不同土壤的质量优 劣不能简单地依靠分析几个土壤质量指标。即使是同一种土壤，由于使用功能不同 所表现出的质量优劣亦可能有所差异。因此目前仍然没有土壤质量评价的标准。 s i m s 等【6 6 】建议用一个无污染的土壤质量做为判断标准。但是纯净土壤是无法定 义的，土壤中自然产生的、土壤作为过滤介质在环境中捕捉的以及人为产生的毒素 和重金属都会使土壤变得不洁净，因而纯净土壤难以作为质量判断标准。d o r a n 等1 4 7 】 和k a r l e n 等 6 7 】建议以土壤功能为基础，将土壤质量评价着重于一个确定的系统内一 种特定的土壤功能的完善程度。由于土壤在各生态系统的功能不一，如作为森林、 绪论 草原生态系统的立地条件的功能，作为城市和工业生产中的含各种污染物的副产品 的净化器的功能等。但是该评价亦难以提出确定的标准【6 踟。 总之，土壤质量评价应综合考虑土壤的功能及土地利用类型，同时，土壤质量 指标也应随不同的地区、不同种类的土壤而有所不同 4 2 】。 2 土壤质量评价方法的研究进展 ( 1 ) 国外土壤质量评价方法的研究进展 目前国际上比较常用的土壤质量评价方法包括多变量指标克立格法，土壤质量 动力学方法，土壤质量综合评分法，土壤质量评价法。 多变量指标克立格法【5 0 】 该方法可以将无数量限制的单个土壤质量指标综合成一个总体的土壤质量指 数。这一过程称为多边量指标转换，是根据特定的标准将测定的值转换为土壤质量 指数。各个指标的标准代表土壤质量最优的范围或阈值，是在地区的基础上建立和 评价的。 土壤质量动力学方法 由于土壤系统的动态性，对可持续管理的评价应该采用动态评价方法，利用系 统动力学特征测量其可持续性。该法具体步骤如下：确定一个管理系统期望产出： 评价系统的设计，确定其是否能生产期望的产出；确定土壤质量的重要参数并建立 其质量标准；建立评价一个管理系统的初始状况；评价系统的产出，确定它是源于 系统设计，还是源于系统的执行过程，或者是两者的总和；稳定失控的系统过程； 借助于合适的试验设计技术，改善一个稳定管理系统的持续性。 土壤质量综合评分法【7 0 1 评价土壤质量的框架体系建立在系统工程理论的多目标分析原则基础上，将土 壤质量评价细化为个特定的土壤质量元素的评价。通过建立各个元素的评价标准， 利用简单乘法运算计算出土壤质量的大小，每个元素的权重由地理、社会和经济因 素所决定。 土壤相对质量评价法【7 i j 通过引入土壤相对土壤质量指数来评价土壤质量的变化，这种方法首先假设研 究区有一种理想土壤，其各项评价指标均能完全满足植物生长需要，以这种土壤的 质量指数为标准，其它土壤的质量指数于之相比，得出土壤的相对质量指数，从而 定量的表示所评价土壤的质量与理想土壤质量之间的差距。 福建师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 国内土壤质量评价方法的研究进展 虽然我国的土壤质量评价工作起步较晚，但是国内学者在这方面也做了大量的 工作。王效举等【7 2 1 在土壤质量评价中引入相对土壤质量指数的概念。付强等【7 3 】将高 维降维技术投影寻踪评价模型应用到土壤学科领域。潘峰掣7 4 】将物元分析方法 应用到土壤质量评价研究。曾国熙等【7 5 】将密切值法应用于土壤质量排序中，并提出 了按密切值大小的突变进行分类的新方法。傅伯杰等【7 6 】采用综合土壤质量指数和土 壤退化指数比较了天然林地、草地、灌木、次生林地、耕地和退耕地等六种土地利 用类型的土壤质量，结果表明灌木可以很好地恢复土壤性质，综合土壤质量指数和 土壤退化指数可以很好地评价土壤质量水平。卢铁光等【_ 7 。7 】通过建立土壤质量变化评 价模式来计算富锦市主要耕作土壤和表层耕作层的土壤质量矩阵，利用耕作层土壤 质量指数的变化来定量分析该市五十年农业生产以来土壤质量的变化趋势，结果表 明富锦市各土壤质量指数均呈下降趋势，土壤发生了退化。胡金明等【7 8 】利用主要耕 作土壤表层土的土壤质量指数分析三江平原地区大面积开荒后土壤质量的变化趋 势，结果表明，大面积开荒导致三江平原地区的土壤发生了明显的退化。马强等【7 9 1 建立了黑土肥力评价指标体系，运用模糊数学和因子分析方法对黑土肥力水平进行 评估、分级。凌青根【8 0 】对耕地土壤质量限制因子及交互作用的机理、土壤圈内外物 质交换的过程、强度、机制及对环境的胁迫和土壤质量演变时空分布规律进行了研 究，结果表明：在针对土壤退化问题而采取了保护性措施的地区的土壤质量会维持 或提高；而没有采取保护性耕作又高度种植的地区和边缘地区的土壤质量不断下降； 当荒地开辟为农田时，通常在开始的头十年，其土壤质量会迅速下降，之后当投入 大于产出时，土壤质量则会慢慢改善；土壤质量可以通过合理增加有机物质、采取 保护性耕地和作物轮作及种植豆科植物、作物残茬管理、侵蚀控制和修筑地下排水 系统等措施得以维持甚至提高。 三、城市化对土壤环境质量的影响 城市是人类聚居地的一种形式，是社会生产力发展到一定阶段的并且是由人类 创造出来的完全人工生态系统。城市化概念【8 l 】包括了以下四个方面：城市化的本 质是人口和现代产业在空间地域上的集聚；城市化运动是人口和产业不断向城市 地区集中转移的过程；城市化水平一般以城市居民占总人口的比例来衡量；城 市化过程包括两种确定的方式，即城市数量上的增加和城市人口、用地规模的扩大。 绪论 ( 一) 城市化对土壤理化过程的影响 城市化会影响土壤中的各种理化过程。m c l e a nm a 等【8 2 】研究发现城市“热岛效 应”显著提高了城市地区土壤的最低、平均和最高温度，这对土壤微生物演化的影响 至少持续5 0 年，在某些城市甚至超过1 0 0 年。s h ixz 等【8 3 】研究发现城市化会增加 地表密闭度，降低土壤水分渗透性，甚至会使土壤储水功能消失，同时强化地表径 流。b r o w nrg 【蚓和b r n nse 掣8 5 1 研究表明土壤地表径流的强度与地表密闭面积呈 显著正相关关系，当城市地表密闭率超过2 0 的临界值时，土壤地表径流量和径流 强度都会显著提高。而增加的城市地表径流冲刷携带的土壤颗粒、灰尘及各种残骸 是城市周边河流水质下降的主要原因之一。z a m m i t 等【8 6 】通过l a s c a m 模型模拟还 发现，未来l o 年的持续城市化过程造成的地表径流增加将会使氮和磷向环境的输入 分别提高4 和1 2 。此外，z h e n gd 等【8 7 】研究发现城市化引起的集约土地利用会 导致土壤呼吸系数发生明显改变，使其完全不同于自然土壤或农业土壤的土壤呼吸 系数。 s c h a r e n b r o c h 和l i o y d 韶】发现农村区域的土壤氮矿化率明显高于城市区域。但与 此相反，z h u 等【8 9 】发现n e wy o r k 的城市乡村景观序列中，氮的年均净矿化率 在城市中最高，其次是城乡交错区、农村区域，其日均净矿化率亦为城市 城乡交 错区 农村区域。k o n g 等【9 0 】研究发现城市化使我国华北平原的城市周边地区的土地 利用方式逐渐发生变化，因此从乡村到城市的方向上按照未开垦的草地。旱地水田 菜地顺序变化时，土壤养分显著增加。 w a l k e rsm 等【9 1 】和b o n i n oee t 9 2 】发现在城市化过程中，土地利用方式的转换不 但会引起土壤理化性质的上述变化，还会导致土壤碳储量的改变。t a n 等【9 3 】发现在 城市化过程中，随着有机质投入的减少及土壤的侵蚀，3 0 5 0 年的持续耕种会使 0 - 2 0 c m 土层土壤的有机碳库减少5 0 ，2 0 1 0 0 c m 土层土壤的有机碳库减少2 5 3 0 。 ( 二) 城市化对土壤生物过程的影响 m c i n t y r ene 等【9 4 】和s o u s ajp 等研究发现，随着城市化过程的发展，土壤中 节肢动物的多样性与丰富度会逐渐下降，同时弹尾目动物的丰富度也会显著降低。 杨冬青等【9 6 】在排除坡度、植被高度、离水源距离等因素后，发现土壤动物群落结构 特征发生变化的最主要原因是城市c - 热岛效应”。p i z l 等【9 7 】和o uw 等【9 跚研究发现城 市化过程对土壤中蚯蚓、线虫类动物的物种丰富度或群落结构没有不良影响，却发 祸建师范大学硕士学位论文 现沿着农村城市景观带蚯蚓密度及生物量急剧降低。与之相反，s t e i n b e r g 等【9 9 】 研究发现蚯蚓丰富度与生物量在城市土壤中显著高于农业土壤。这些研究从不同角 度表明城市化对降低土壤动物多样性、丰富度有显著影响。 n s a b i m a n ad 等【1 0 0 】研究发现快速城市化对土壤微生物群落的大小、活性与多样 性也会产生显著影响。m c l e a n 等【8 2 】发现城市“热岛效应”会产生两种城市基因型 土壤微生物：基因型a 是城市土壤微生物在高温下能比农业土壤微生物生长更快的 基因型；基因型b 是城市土壤微生物在任何温度下都比农业土壤微生物生长更快的 基因型。 ( 三) 城市化对土壤环境的影响 h o l tms 【1 0 1 】对城市区域的研究发现，城市及其周边的土壤由于污染物集中而加 剧污染程度。l a c e r d a 等【m 2 】对s o u t h e r na m a z o n 的a l t af l o r e s t a 研究发现，过去3 0 年内汞由大气向土壤的沉降速度由于工业活动、城市扩张、区域土地利用变化等而 显著增加。s t e i n f e l d t l 0 3 】的研究发现畜禽养殖导致的土壤污染随着城市人口对肉类食 品需要的增加而增加。 重金属含量常被用作检验城市化对土壤影响的指标。p i z l 等f 9 7 1 研究发现铅含量 最能表现城市化过程对土壤影响的程度。h o o k e r 等【1 0 4 】通过对b r i t a i n5 0 个城市的土 壤采样分析，发现城市地区最大的环境污染威胁是铅、镉及汞等重金属。l i ny 等【1 0 5 】 对台湾地区重金属与土地景观的相关分析发现，土壤重金属污染主要发生在城市建 设用地及工业用地上。张金屯等【1 0 6 】对a m e r i c a 的n e wy o r k 、n e wo r l e a n s 和 m i s s i s s i p p i 进行研究，结果表明：在城市郊区农区生态样带上土壤重金属 含量在市中心达到最大值，并且土壤重金属含量随着距市中心距离的加大而逐渐降 低。h uxf 等【1 0 7 】研究发现造成上海城市及其边缘带的重金属污染的主要原因是城 市交通、工业建设等城市活动。h u a n g 等【】0 8 】研究发现，改革开放后无锡工业区附近 的菜地土壤的重金属含量已显著高于当地土壤背景值。由于菜地大多分布于紧邻城 市建成区的地方，因此城市化导致的菜地土壤中重金属含量超标会对人体健康及城 郊水体等造成严重威胁。 此外，城市化过程会加重农业耕作土壤的有机污染物污染。w i l c k e 等【l 叫和 k r a u s s 等【1 lo 】对r u s s i a 的m o s c o w 及g e u t s c h l a n d 的b a v a r i a 进行研究，结果表明： 城市乡村景观带土壤中的多氯化萘、多氯联苯、多环芳烃浓度分布规律与重金 属类似，都是随距市中心距离的增加而显著降低。g a r b a n 等【l l l 】对f r a n c e 进行研究， 绪论 结果表明：农村未使用污泥的土壤中多环芳烃量增加的最主要来源是大气沉降。而 我国目前对此领域的研究较少。 四、城市化对土壤环境质量影响研究的主要问题和展望 ( 一) 目前研究中存在的问题 快速城市化过程对土壤环境质量变化规律的影响非常深刻，而土壤圈作为地球 各圈层的交汇，又不可避免会引发各种全球性问题，因此其研究已经越来越受到重 视。但与农业土壤研究相比，城市化对土壤环境质量影响的研究还处于起步阶段。 ( 二) 未来研究的方向 在快速城市化对土壤环境质量影响的研究方面，未来的研究可以加强以下工作： ( 1 ) 建立相应的土壤管理政策。( 2 ) 将基础性工作与高端信息技术结合，研究土壤数量 与特性的时空过程。( 3 ) 建立可以预测、描述、管理城市地区土壤动态变化的模型， 实现城市地区土壤资源可持续发展。 五、本研究的研究内容、技术路线和主要创新点 ( 一) 研究内容 本研究的研究将根据南台岛土地利用变化的特征，根据网格划分遴选1 6 个土壤 环境质量监测的实验样区，对土壤物理、化学指标进行监测，讨论快速城市化区域 土壤环境质量变化的外在驱动因素( 土地利用变化) 特征、土壤环境质量监测的尺 度依赖性特征和土壤环境质量变化特征，是目前国内研究快速城市化的生态影响、 快速城市化的土壤响应特征等重要案例，为城市生态规划提供科学依据。 因此，本研究主要研究内容包括： ( 1 ) 通过实地调查，收集研究区基础资料，建立研究区信息库。研究区基础资 料包括地质地貌、气候特征、土壤与植被特征、水文特征和社会经济情况。 ( 2 ) 根据研究区1 9 8 9 年和2 0 0 2 年土地利用现状图，利用g i s 软件分析研究区 土地利用格局的动态变化。在此基础上，通过分析研究区土地利用变化的时空特征， 以阐释南台岛土壤环境质量快速变化的原因。 ( 3 ) 根据上述研究和野外采集土壤样品以及实验室分析化验，运用地统计学方 法，探讨沿海城郊快速城市化区域土壤环境质量的空间变异特征，分析本区域土壤 环境质量的监测尺度，揭示本区域土壤环境质量的空间变异规律，并为本区域土地 福建师范大学硕士学位论文 利用方式、管理水平等方面的合理改变提供科学依据。 ( 4 ) 通过探讨研究区不同土地利用方式对土壤环境质量空间分布的影响，并通 过研究不同年限下土地利用方式对土壤环境质量空间分布的影响，从而有针对性的 为研究区的土地利用模式给予合理建议，为沿海城郊快速城市化区域的土地利用及 可持续利用研究工作奠定理论基础和提供现实依据。 ( 二) 研究技术路线 本研究研究的技术路线框架如图o 1 所示。 土地利用现状图野外调查图及方案 确定研究区的图像范围 提取符时期 ：地利用信息 土地利用时空变化特征分析 土地利用变化驱动机制分析 布设土壤采样点 土壤环境质量定量测定 土壤环境质量指标空间 变异性特征分析 土壤监测的尺度依赖性特 征分析 研究区土壤环境质量变化特征分析 研究区土地可持续利用的途径和措施 图0 - 1课题研究技术路线框架 f i g 0 1f r a m e w o r ko f t h et e c h n i c a lr o u t eo f t h i sr e s e a r c h ( 三) 主要创新点 本研究的主要创新点如下： ( 1 ) 关注到土壤环境监测过程中采样尺度对监测结果的影响，通过设计不同空 间布局的采样方案，获得土壤坏境监测过程中的尺度依赖性特征，进一步揭示了南 台岛土壤环境质量的空间变异规律。土壤环境监测的尺度依赖性问题讨论是目前国 绪论 内外较前沿的科学问题，本文将其付诸于监测方案的设计思路中，并获得了可靠的 研究结果。 ( 2 ) 获得了由于快速城市化引起的土地利用方式改变而导致的土壤环境质量变 化特征，为城市化的生态影响研究提供科学依据。 总之，本研究所建立的方法和所取得的成果，对于进一步深入研究沿海城郊快 速城市化区域的土地质量变化特征提供宝贵的基础资料，并可为其他快速城市化区 域相关研究提供借鉴。 第一章研究区环境特征与研究方法 第一章研