土地利用方式和城市扩张格局对土壤质量的影响评价——以重庆市为例

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随着城市化进程的持续推进,与之相关的土壤质量问题正变得日益突出。作为城市生态系统的重要组成部分,城市土壤不仅提供了多种生态系统功能与服务,同时也深刻影响着世界范围内的养分循环和碳储存过程。现有研究多数集中于农田及森林土壤中,而部分针对城市土壤的研究往往更加关注各类人为排放污染物的累积特征及健康风险问题,城市土壤质量评价研究相对缺位。本研究以重庆市主城区为目标研究区,借助遥感影像数据解译,结合土地利用类型和城市扩张格局,分析山地城市土壤中关键环境要素的变化特征及其影响因素。采用土壤质量综合指数法,对重庆市城市土壤质量受土地利用方式和城市扩张格局的影响进行了总结性评价。主要研究结果如下:(1)本研究共对重庆市主城区124份土壤样品进行了非生物和生物指标的测定分析,城市中不同的土地利用方式对土壤物理、化学和生物指标均产生了一定影响。土地利用方式对土壤理化性质的影响主要体现为含水率的变化,表层土壤也比下层土壤具有更高的含水率、TC和TN含量。研究区土壤中V、Cr、Mn、Zn元素平均含量均低于重庆市土壤环境背景值,Ni、Cu、Cd、Pb元素平均含量略高于背景值,存在一定的重金属元素富集现象。不同土地利用方式之间,细菌和真菌群落物种丰度和多样性指数均未表现出显著差异,可能存在生物均质化现象。(2)对共计18项物理、化学和生物指标进行Spearman相关性分析。其中,Ni、Cr、Cu、Pb、Cd元素两两之间极显著正相关,多个重金属元素之间极显著正相关,表明其存在共同来源或复合污染的可能。土壤p H值和含水率、TC、TN含量、粉粒含量显著负相关;土壤砂粒含量与粉粒、黏粒含量极显著负相关;TC和TN含量极显著正相关。含水率、Mn元素含量与土壤微生物多样性指数显著正相关,是本研究中影响微生物群落多样性的主要指标。(3)利用主成分分析法对研究区土壤质量的主要控制因子进行分离,第一主成分提供了35.6%的解释率,对应特征向量较大的因子为土壤重金属指标;第二主成分提供了14.4%的解释率,对应特征向量较大的因子为土壤粒径组成。结合相关性分析结果,筛选得出重庆市主城区土壤质量评价的最小数据集(MDS)。(4)根据主成分分析得到的结果,城市化率与PC1轴所代表的土壤指标存在显著的正相关关系,即城市土壤中的重金属元素分布主要受到城市化水平的影响。城市化率变异系数与PC2轴所综合的土壤指标存在显著的正相关关系,即城市化水平变化对土壤质量最主要的影响表现为对土壤颗粒组成的改变。城市化水平、城市扩张强度与土壤质量指数(SQI)均未表现出显著的相关关系。一方面是由于土壤质量指数作为综合指标,从多个维度共同进行衡量,导致指标值在城市化梯度上的分异不明显;另一方面由于山地城市发展格局的特殊性,以不透水面率衡量的城市化水平与众多因素存在关联,各因素之间可能存在协同或拮抗效应,导致城市扩张格局的对土壤质量指数的净效应并不显著。本研究不仅能够补充山地城市土壤质量评价研究的空白,为我国山地城市生态空间管理及决策提供科学依据,同时从不同土地利用类型和城市扩张格局的角度切入,为缓解城市快速扩张对土壤生态系统产生的压力和负面生态效应提供了相关参考。
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