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城市化对土壤质量演变的影响研究——以郑州市为例
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摘要
郑州市位于黄土丘陵与黄淮海平原的过渡带,土壤类型多样;同时处于东引西进、城市化进程快速发展的地区,城市化引发的土壤质量和环境问题十分突出。本文以郑州市下辖的金水区、中原区、管城区、二七区和邙山区为研究对象,采集了105个土壤耕层样品,分析了CEC、pH、有机质、全氮、碱解氮、速效钾(K)、速效磷(P)和缓效钾养分指标,并对其中的56个样品进行4种重金属(Cd、Hg、Pb、Cr)和类金属元素As全量指标的分析,同时结合收集到的第二次土壤普查数据资料,以GIS为平台,研究了城市化这一驱动力对土地利用方式的改变以及这种改变导致的土壤资源功能的转化、土壤肥力的时空变化和土壤环境状况。主要结论如下:
    (1)土壤功能的转变:在城市化发展过程中,土壤资源功能主要向承载力功能转化,其中从生产力转化的土壤面积达1377.93公顷,从生态环境功能转化的面积为142.56公顷,且主要转化为独立工矿用地。从承载力功能的土壤转向生产力功能的面积为55.82公顷,转向生态环境功能的为0.53公顷。由于承载功能实际上为城市土壤的生产力功能,城市依靠其承载力功能支持城市的发展和运行。因此,土壤这种功能的转变是符合城市发展规律的。生产力功能内部转化主要是从大田向果园和鱼塘方向转变,面积达到602.25公顷,充分体现了城市化过程对周边农业结构的影响,农业种植逐渐转向经济收益较高的产业。从具有生产力功能的土壤转向生态环境功能的面积为101.57公顷,与此同时从具有生态环境功能的土壤转向生产力功能的达到122.97公顷,且主要转化为大田。
    (2)肥力的时空变异:从时间变异来看,从1982年到2003年
    
    
    郑州周围土壤中有机质、全氮、碱解氮、速效钾(K)和速效磷(P)的含量普遍提高,平均增长幅度分别为7.31g/kg、0.39g/kg、11.15mg/kg、38.36mg/kg,1.55 mg/kg,土壤这些养分的提高与施肥量强度的增加、秸秆还田和农业部开展的“补钾工程”有关。
    从空间变异看,养分趋向均一,尤其对于速效磷和速效钾来讲更是如此。在第二次土壤普查时含量较高的区域北部的花园口和毛庄附近地区出现了下降,而含量低的区域南部的南曹、十八里河、候寨等地区则提高了一个级别。这主要是在含量低的区域使用磷肥或钾肥,增产效果比较明显,而在含量高的区域几乎没有什么效果,造成了农民施肥的差异。有机质和全氮在菜地和稻麦轮作区含量较高,体现了城市化导致的农业结构调整对土壤养分含量的影响。
    (3)土壤重金属状况:在分析的Cd、Hg、Pb、Cr4种重金属元素和类金属元素As中,其平均值的含量均较低,除Pb的含量略高于其环境背景值外,其他都低于其环境背景值。含量较高的区域主要分布在北部和东部的污灌区、西部和一些长时间种植蔬菜的地区。可以看出利用城市排放的生活和工业污水进行灌溉,是增加土壤中重金属含量的一个重要原因,另外农药使用强度和交通密度的加大也是导致土壤中重金属含量增加的一个原因。
    无论是采用单因子还是综合污染指数对研究区域内的样点进行评价分析,全区的土壤都不存在重金属污染现象,但与“九五”期间郑州市环境监测总站监测的数据相比,已略有提高,表明尽管土壤中重金属含量未达污染水平,但已在逐渐富集。
Zhengzhou city lies in the transition between loess hill and Huang-Huai-Hai plain, so it has a variety of soil types. On the other hand, it locates in the region of transporting from the Eastern and marching to the market of the Western and rapid urbanization that brings about evident problems on soil quality and environment. In this paper, the districts that affiliated to Zhengzhou city, Jinshui, Zhongyuan, Guancheng, Erqi and Mangshan, were taken as the research area, 105 topsoil samples were collected from the above districts, several indicators, such as CEC, pH, organic matter contents and so on, were analyzed. Of the 105 samples, 56
    
    
    were analyzed for total contents of 5 heavy metal (Pb, Hg, As, Cr and Cd). Based on the collected data of the second soil survey, with the help of GIS, the change of land use types caused by urbanization and which bring out the function transformation of soil resource, spatial-temporal change of soil fertility and condition of soil environment were studied. The main conclusions are as follows:
    (1) Function transformation of soil resource. In the course of urbanization, the soil resource function was mainly converted to the bearing function, among them, the area from the productivity function is 1377.93 hm2 and the ecological environment function is 142.56 hm2, most of them were converted to industry land. The soil area from the bearing function to the productivity function is 55.82 hm2 and to the ecological environment function is 0.53 hm2. Because the bearing function actually is productivity function of city soil, the city supports the development of city which depends on its bearing function. As a result, the transition change of soil function accord with the law of city development. The inner transition of productivity function was mainly from the field to orchard and pond, reaching 602.25 hm2. It reflected influence of urbanization on the surrounding agricultural planting structure, cropping was converted to more economically profitable forms of agricultural land use. The soil area from the productivity function to the ecological environment function is 101.57 hm2, while the contrary is 122.97 hm2, and mainly converted to the field.
    (2) The spatial-temporal variation of fertility. As for temporal variation, there was a general increase of the average contents of organic matter, total N, alkali N and available K, and by 7.31g/kg, 0.39g/kg, 11.15mg/kg, 38.36mg/kg and 1.55 mg/kg respectively in the suburb of Zhengzhou from 1982 to 2003. The improvement of soil nutrients is relative to the large amount of chemical fertilizers application every year, the straw return to soil, and “K supplement program” that Soil and Fertilizer Work Station of Henan Province carried out.
    As for spatial variation, the distribution of nutrient content was inclined to be homogeneous, especially for available P and K. Nutrient contents declined in the regions where they had been higher in the second soil survey, while nutrient contents increased where they had been lower. It was due to the fact that the application of fertilizer in the region where nutrient content was lower could get an more evident
    
    
    enhancement of production than where nutrient content was higher, which led to the difference of the application fertilizer. In the region of vegetable planting, rotation between rice and wheat, organic matter and total N contents were still high, showing the impacts of agricultural planting structure adjustment caused by urbanization on soil nutrient contents.
    (3) Heavy metal contents. for the five heavy metal elements, the main contents were all lower than their backgrounds, except for the content of Pb was slightly higher. The region whose contents of heavy metal elements were high lied in the dirty irrigation area of north and east, the west and where had been planting vegetable for a long time. From this we can see that irrigation using dirty water discharged by cities and factories was a key reason for the increase of soil heavy metal contents. On the other hand
引文
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