极端地形改造与城市人为压力协同重塑土壤化学性质：黄土高原MECC工程的案例研究

《Geoderma》：Extreme terrain modification and urban anthropogenic pressure jointly reshape soil chemical properties: A case study of the MECC project in the Loess Plateau

本研究针对大规模地形改造工程(MECC)与城市扩张叠加作用下土壤化学性质演变机制不清的问题，通过高密度采样、遥感与机器学习模型，揭示了工程类型(挖/填)、土地利用和人为压力(NTL/POP)对土壤碳库和pH的差异化影响。结果表明填方区植被覆盖在低人为干扰下最利于碳固存，为极端城市化区域的土壤管理提供了科学依据。

　　

在城市扩张的浪潮中，如何在生态脆弱区域平衡发展需求与土壤资源保护成为全球性挑战。传统研究多关注渐进式城市蔓延对土壤的影响，但对于通过大规模挖山填沟等极端地形改造工程来实现城市扩张的生态效应，特别是其对土壤化学性质的深层重塑机制，仍缺乏系统认知。位于中国黄土高原的延安"削山建城"（Mountain Excavation and City Construction, MECC）项目，作为全球规模最大的地形改造工程之一，为科学家提供了一个天然实验室，用以揭示极端地形改造与城市人为压力如何协同影响土壤系统。

为了深入解析这一复杂过程，研究人员在《Geoderma》上发表了最新研究成果。该研究综合运用高密度土壤采样（0-30 cm三层）、高分辨率遥感影像解译（WorldView-2, 0.5 m）以及机器学习模型（随机森林、逻辑回归），系统评估了工程类型（挖方、填方）、土地利用类型（建设用地、裸地、林地、草地）和城市人为压力指标（人口密度、夜间灯光强度）对土壤关键化学性质（pH、有机碳OC、无机碳IC、总碳TC）的独立与交互影响。

主要技术方法概述

研究团队在延安新区布设了约250个采样点，采集0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm三层土壤样品，实验室测定土壤pH、有机碳(OC)、无机碳(IC)、总碳(TC)含量及容重等指标，并计算碳储量。利用2022年WorldView-2卫星影像解译获取土地利用/覆盖和工程类型分布图。结合2023年夜间灯光数据(NTL)和2020年高分辨率人口密度数据(POP)，采用随机森林回归分析各影响因素的相对重要性，并通过逻辑回归模型探讨多因素交互作用。

3.1. 土地利用覆盖和工程类型对土壤性质的影响

方差分析显示，所有土壤化学性质对不同土地利用类型均表现出显著敏感性，其中pH的F值最高(16.1)。逻辑回归结果表明，建设用地和裸地抑制碳储量的积累，而林地和草原则促进碳积累，其中草地的促进作用最强。工程类型的影响更为显著：挖方工程强烈抑制有机碳和无机碳的积累（系数为负），而填方工程则显著促进碳积累（系数为正）。这主要源于挖方区暴露出碳含量极低的古土壤层（如Q2、Q3黄土），而填方区则引入了富含有机质的表土，且后续多规划为绿地，有利于碳固存。

3.2. 城市发展对土壤性质的影响

随机森林分析揭示，夜间灯光强度(NTL)和人口密度(POP)对土壤性质变化的贡献度合计超过83%，远高于工程类型(3.5-7.0%)和土地利用(9.5-10.1%)。线性回归分析表明，夜间灯光强度与各形态碳储量均呈显著负相关（R² = 0.89–0.92）。在植被覆盖区（林地、草地），这种负相关性更强，反映了城市发展对植物-土壤系统碳循环的强烈干扰。

3.3. 人为干扰压力对土壤性质的影响

研究发现，人口密度与土壤pH呈显著负相关（R² = 0.51），表明人口聚集可能加速土壤酸化，尤其在建设用地更为明显。更为重要的是，人口密度与碳储量之间存在显著的幂函数关系（R² > 0.85），表明在城市化初期（人口密度低于约100人/公顷），碳损失速率最快，随后减缓，提示存在一个生态阈值，早期干预对防止土壤碳库不可逆退化至关重要。

3.4. 工程类型、土地利用覆盖、夜间灯光强度和人口密度对土壤性质的协同效应

多因素逻辑回归模型证实了单因素效应的协同性。填方区-植被覆盖（林地/草地）组合在低人为压力（低NTL、低POP）下，对有机碳积累表现出显著的促进作用（系数为正）。相反，挖方区-非植被覆盖（裸地/建设用地）组合在高人为压力下，对有机碳积累的抑制效应最强（系数为负）。这表明，合理的工程实施与土地利用规划相结合，可以有效缓解城市扩张对土壤碳库的负面影响。

研究结论与意义

本研究清晰地揭示了大规模地形改造（MECC项目）与城市人为压力协同作用下土壤化学性质的演变规律。核心结论是：工程类型决定了土壤碳库的初始本底，填方优于挖方；土地利用类型调控了碳积累的过程，植被覆盖是关键；而城市人为压力（NTL, POP）则是驱动碳库变化的主导力量，其影响存在非线性阈值效应。最优的碳固存情景出现在“填方区+植被覆盖+低人为压力”的组合中。

这项研究的科学意义在于，它首次系统量化了极端地形改造这类特殊城市化模式对土壤系统的复合影响，深化了对高强度人类活动区土壤碳循环机制的理解。其现实意义在于为类似生态脆弱区的大型城市工程建设提供了重要的管理启示：在工程规划阶段，应实施表土剥离与回填策略，即在填方区底层使用工程土，上层覆盖富含有机质的表土；在土地利用布局上，应优化绿地空间配置，特别是在挖方区嵌入植被缓冲带；在城市发展过程中，需重点关注城市化初期（低-中等人口密度阶段）的土壤保护措施，以规避碳库快速流失的生态阈值。未来，有必要在MECC项目区建立长期土壤生态监测网络，追踪土壤微生物、养分循环等指标的动态变化，为城市土壤的适应性管理提供持续的科学支撑。