意大利巴勒莫市城市土壤功能在解除密封处理后的短期恢复

《Journal of Environmental Management》：Short-term recovery of urban soil functions after de-sealing in Palermo (Italy)

　　**里卡多·斯卡伦盖（Riccardo Scalenghe）| 莫妮卡·奥泰里（Monica Auteri）| 达里奥·奥托维诺（Dario Autovino）| 乔治奥·拜亚蒙特（Giorgio Baiamonte）| 杰阿科莫·贝尔维西（Giacomo Belvisi）| 基娅拉·卡帕多尼亚（Chiara Cappadonia）| 加埃塔诺·卡尔塔贝洛塔（Gaetano Caltabellotta）| 亚历山德拉·卡拉乌巴（Alessandra Carrubba）| 朱塞佩·奇拉奥洛（Giuseppe Ciraolo）| 安东尼奥·科姆佩雷蒂（Antonio Comparetti）| 朱塞佩·迪·米切利（Giuseppe Di Miceli）| 马泰奥·伊波利托（Matteo Ippolito）| 达里奥·德·卡罗（Dario De Caro）| 马西莫·约维诺（Massimo Iovino）| 尼科莱塔·拉拉（Nicoletta Lala）| 桑托·奥兰多（Santo Orlando）| 菲利波·萨伊亚诺（Filippo Saiano）| 马乌罗·萨尔诺（Mauro Sarno）| 卢卡·塞塔尼（Luca Settanni）| 卢西亚诺·格里斯蒂纳（Luciano Gristina）**
**意大利巴勒莫大学**

**摘要**
城市土壤的封闭会损害雨水调节能力、微气候和生物活动，然而关于新被解除封闭的土壤在地中海城市中如何演变的实地证据仍然很少。我们在巴勒莫（意大利）对一个长期被封闭的停车场进行了为期24个月的实验，移除了柏油，并比较了四种表面处理方法：两种未植被化的破碎柏油表面和处理方式，以及两种使用进口表土的植被修复处理方式。我们监测了稳态渗透率、土壤圆锥贯入阻力、植物动态、二氧化碳排放量、微生物负荷以及与封闭一周后（时间点0）相比的光谱特性。在移除柏油后，所有处理区域的渗透率都极高，这是无结构的粗颗粒材料的典型特征。到第18个月时，稳态渗透率相比初始测量值下降了25%至97%，并且各处理组之间存在差异：植被修复处理区域的渗透率下降幅度最大，持续时间也最长，而未植被化的破碎柏油表面则保持了较高的渗透性。先前被压实的土层中的圆锥贯入阻力相对于封闭前降低了大约一个数量级，接近适合根部生长的范围。植被在修复区域生长更快、更密集，同时这些区域的微生物负荷和二氧化碳排放量也高于破碎柏油表面和封闭对照组，表明土壤生物功能迅速恢复。随着植被的生长，表面反照率增加，这表明对缓解局部热应力有积极作用。总体而言，我们的结果表明，微修复可以在几年内将封闭的碎石转变为具有功能的土壤-植物系统，但水文和生物过程的发展强烈依赖于表面设计及植被选择。

**1. 引言**
城市扩张伴随着大量的土壤封闭，自然或管理过的土壤被柏油、混凝土或其他不透水材料覆盖（Nizeyimana等人，2001年；Scalenghe和Ajmone-Marsan，2009年；Romero Díaz等人，2017年；Siedentop和Fina，2012年）。这一过程改变了水分分配，扰乱了土壤生物活动及碳循环，降低了城市管理和应对雨水及热应力的能力（Hopkins等人，2015年；Pistocchi等人，2015年；Recanatesi等人，2017年；Kabisch和Haase，2013年）。这些影响在地中海城市尤为严重，因为强烈的降雨事件与高比例的不透水覆盖和有限的雨水基础设施同时发生，加剧了密集建筑区域的洪水和热风险（Maienza等人，2021年；Ugolini等人，2020年）。在过去二十年中，人们非常关注绘制封闭表面的地图并量化其范围和增长情况（Criado等人，2020年；García和Pérez，2016年；Elvidge等人，2007年；García Alvarado等人，2018年；Peroni等人，2020年；Tardieu等人，2021年）。大多数研究关注不透水覆盖的二维分布，通常使用遥感指标或土地利用指标，仅有少数研究探讨了封闭和解除封闭对三维土壤体的影响（Krówczyńska等人，2016年；Pabjanek等人，2017年；Pérez和García，2016年；Aristegui和Pérez，2017年）。然而，封闭对土壤功能的后果强烈依赖于原始土壤的性质、添加的人造材料的类型以及封闭层的深度和连续性（IUSS工作组WRB，2006年；2022年；Calzolari等人，2020年）。长期封闭形成的城市技术土壤（Technosols）在结构、孔隙率和人工物质含量方面可能与邻近未封闭土壤有显著差异，这些差异直接影响封闭后被移除后的渗透性、储水能力和根系生长深度（Ajmone-Marsan和Biasioli，2010年；Ajmone-Marsan等人，2019年；Howard等人，2013年；Howard和Olszewska，2011年）。

**2. 材料与方法**
研究区域约为750平方米，其中约470平方米由一座单层建筑占用。剩余部分在1968年铺设了约15厘米厚的柏油，即在这里描述的解除封闭干预措施之前的几十年。大约170平方米的区域保持裸露状态。轻型车辆曾在该区域内行驶和停放。尽管受到使用压实，这片裸露的土壤与周围土壤相似，自20世纪60年代以来一直用于试验性种植树木和草本植物。根据旧的分类，这种土壤属于“Terra Rossa”类型，经过封闭后成为技术土壤（图SI）。从2022年10月开始，划定了一个大约15米乘5米的矩形区域进行首次解除封闭实验。2023年3月7日，有16个圆形区域被解除封闭。

在该实验中，由于主要与流体动力学模拟相关的原因，未对不同的解除封闭几何形状进行比较测试。柏油路面从直径1米的圆形区域（0.785平方米）被移除，并用气动锤进行破碎。为了确保内部有效性，所有16个处理区域都设置在同一块长期封闭的技术土壤中；这种设计减少了城市填充物小尺度异质性带来的混杂，但必然限制了空间代表性。随后测试了四种解除封闭后的管理方案（每种方案重复四次；图SI），这些方案预先选定为代表不同的管理强度梯度（从最小干预到最大现场再利用），符合当前的解除封闭指南和市政计划，强调模块化干预、材料和表土的再利用以及基于自然的多样性（欧洲委员会，2012年、2013年；Graie，2018年；Canino等人，2020年；Vieillard等人，2024年）。这些处理方案并不旨在精确再现当前实践中的具体翻新频率，而是作为涵盖不同干预强度范围的现实实验原型。据我们所知，目前没有统一的证据基础来量化这些具体方案在解除封闭项目中的实际应用比例，因此我们将解释限制在相对可行性和功能性能上。具体而言，解除封闭后的区域处理方式如下：
(a) 碎裂柏油[CA]，代表最低投入的方案（“最小化处理”），旨在测试在粗糙的人造基质上的自发殖民和功能恢复；
(b) 切碎的仙人掌梨（Opuntia ficus-indica (L.)）枝条与破碎柏油的混合物（1:1体积比）[CAOM]，这是一种低投入的改良方法，旨在增加可分解有机物和保持水分，同时保持与CA相同的现场矿物基质和自然殖民路径；
(c) 移除上层5厘米的柏油，并替换为相邻Chronic Cambisol (Aric)土层的5厘米Ap层；播种Sorghum bicolor (L.) Moench var. Arcane，并进行表面灌溉，随后种植Medicago sativa L. [RA1]，代表通过薄“表土层”和一年生到多年生植被序列实现的中等强度修复；
(d) 移除上层5厘米的柏油，并替换为相邻Chronic Cambisol (Aric)土层的5厘米Ap层；种植无籽的商业型Chrysopogon zizanioides (L.) Roberty，并进行表面灌溉 [RA2]。RA2被设计为一种“强化”基准，用于测试根系快速驱动的结构形成和生物刺激效果；然而，由于在真实环境中部署和管理非本地多年生草类可能存在操作和行政上的挑战，RA2并不适用于常规的解除封闭项目。

解决这些知识空白需要严格控制的实地实验，以在同一土壤体内比较不同的解除封闭方案。城市技术土壤在质地、人工物质含量和结构上的差异巨大，直接影响水文和生物地球化学响应（IUSS工作组WRB，2022年；Calzolari等人，2020年）。即使以有限的空间重复为代价，最小化初始条件的差异也有助于更清晰地归因于具体过程，并能够同时评估物理、生物和辐射指标随时间的变化（Sandin等人，2018年）。因此，该设计旨在最大化处理组之间的可比性，而非反映所有城市技术土壤的多样性；相应地，结果应被视为来自受控案例研究的过程级证据，需在未来涵盖更广泛的城市填充历史和基质条件的多地点研究中进行验证。

我们的目标是：
(i) 量化在不同低干扰表面设计下解除封闭后渗透能力和关键物理性质的短期到中期演变；
(ii) 测试植被化与非植被化方案是否对生物恢复和植被发展有差异性影响；
(iii) 评估地下恢复是否体现在与城市微气候调节相关的表面辐射性质的可测量变化上。我们测试了三个假设：
H1：解除封闭后，所有处理方案都表现出非常高的稳态渗透率，但随时间逐渐下降；
H2：植被修复处理（RA1、RA2）加速了从高渗透性向适度渗透性的转变，并降低了贯入阻力；
H3：植被修复处理增加了微生物负荷、二氧化碳排放量、植被发育和表面反照率，优于破碎柏油处理和封闭对照组（例如，Fini等人，2017年；O'Riordan等人，2021年）。

该实验的范围是局部性的：所有处理区域都设置在同一块长期封闭的技术土壤中，以避免处理效果受到母材或填充历史的干扰（IUSS工作组WRB，2022年；Calzolari等人，2020年）。虽然这限制了空间普遍性，但它提供了在地中海城市的实际条件下对解除封闭方案的稳健过程级比较， directly有助于为雨水管理和气候适应设计了基于土壤的解除封闭干预措施。在监测期间，该区域被作为受控访问的研究微站点进行管理，以减少车辆通行和践踏造成的干扰。禁止车辆在该区域内通行和停放，行人进入也仅限于预定的操作（如播种/种植、灌溉检查和测量活动）。操作人员在固定的进入方向接近试验地块，并避免踩踏或跨越未密封的圆形区域，特别是在潮湿条件下，以确保观察到的渗透性、压实度和生物指标的变化主要反映的是处理效果带来的恢复，而不是外部干扰的反复影响。

2023年11月6日，又建立了4个直径为1米的试验地块。两天后（2023年11月8日），使用两种豆科植物（Medicago sativa L.（生态型Fontana murata）和Scorpiurus muricatus L.）进行了水力播种。每个圆形区域内划出了4行：其中2行播种了M. sativa，另外2行播种了S. muricatus。M. sativa的播种量为每行0.59克，S. muricatus的播种量为每行0.39克。随后的调查量化了整体植被覆盖度、特定物种和杂草的覆盖度、每行的植物数量以及植物高度。

2.1 气候和农业气象监测
西西里地区的农业气象信息服务（SIAS）提供了每日最高温度（Tmax）、最低温度（Tmin）和降雨量的数据（访问网址：http://www.sias.regione.sicilia.it/frameset_rete_new.htm，数据截止日期为2025年11月）。标准气象站安装在实验现场附近（ID 276；坐标38°07′47.3″N 13°19′39.3″E），用于每小时收集降水量（P [mm]、全球太阳辐射（Rs [W m?2]）、空气温度（T [?C]）、空气相对湿度（RH [%]）、风速（m s?1）和风向（?）等信息，高度为2米。

2.2 植被处理和实验布局
红色和黄色圆形区域（处理组CA和CAOM）保持未经干扰的状态，以允许自然植被生长。在绿色圆形区域（处理组RA1）中，2023年3月23日播种了谷物高粱（Sorghum bicolor (L.) Moench）（图1）。
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图1. 植被处理的时间线。红色（CA）表示从2023年3月开始完全不进行干预的未密封土壤，让自然植被生长。黄色（CAOM）表示在未密封土壤中添加了有机物后同样不进行干预，让自然植被生长。绿色（RA1 – Sorghum）：2023年3月23日播种了‘Arcane’品种的谷物高粱；2023年3月24日开始浇水；2023年3月31日前每天进行一次密集检查，之后每周检查一次，直到成熟和收获。蓝色（RA2 – Vetiver）：2023年3月28日移植了三丛香根草（Chrysopogon zizanioides (L.)）；2023年3月29日开始浇水；2023年3月31日进行了第一次检查，之后每周检查一次。

选定的杂交品种（var. Arcane；意大利SIS sementi公司提供）具有较高的耐旱性和抗病性。每个未密封圆形区域内分布了50粒种子，根据平均发芽率90%，预计可生长出45株植物（每平方米57株）。在蓝色圆形区域（RA2处理组）中，2023年3月28日移植了三丛香根草。在相应的播种和移植当天，在未密封区域的外部安排了两个各1平方米的正方形对照地块，也播种了相同的植物品种（杂交谷物高粱和香根草），使用与未密封区域相同的植物数量。从播种后的第二天开始对植物进行浇水（高粱为2023年3月24日；香根草为2023年3月29日），每次浇水量为每圆形区域5升（约每平方米6.4升），并定期进行检查（从3月到月底每两天一次，之后几个月内每周检查一次，直至植物成熟和收获）。

为了确保植物完全建立，对每个地块进行了四次连续的灌溉：高粱灌溉了五次，每次5升；香根草灌溉了两次，分别是一次5升和三次3升。对于香根草，第一次灌溉每次5升，第二次灌溉每次3升。对于每个未密封圆形区域，记录了所有植物的叶片数量、植物高度和SPAD指数，共进行了四次调查，从植物发芽到完全成熟。2023年7月11日收获了高粱穗，测量了所有绿色圆形区域和对照组的穗数和穗重。此外，在所有地块（包括对照组）中进行了视觉评估，以确定绝对植被覆盖度和（仅对新播种区域）特定植被覆盖度，以土壤面积的百分比表示。高粱收获后，2023年10月19日在相同的试验地块中播种了西西里本地品种的苜蓿（Medicago sativa，称为“Fontana Murata”）。播种前，将土壤轻轻耕至3-5厘米深度。种子以15厘米的间距行播，播种密度为每平方米400粒（考虑发芽率为85%）。调查内容包括植被覆盖率的百分比（%）和植物密度（每平方米的植株数量），分别在播种后第30天和548天（2025年4月）进行了测量。在实验的初期阶段，2023年4月至7月，每月检测了所有地块的土壤覆盖度和所有物种的幼苗出现情况。2024年4月和2025年4月再次监测了植被覆盖率（%）和冠层高度（厘米）。鉴于前四种处理方式的生长情况良好，我们进行了额外的试验：在水力播种的沥青区域种植了两种草本植物——Scorpiurus muricatus和Medicago sativa，并进行了线性切割。2024年5月10日测量了新播种植物的高度。2025年4月仅进行了植物组成的调查，采用了Braun-Blanquet的植物群落学方法，并通过计算Shannon指数（H’）来评估植物多样性水平。

2.3 Beerkan渗透测量
为了确定不同处理方式的渗透性能，在两个时间点进行了Beerkan渗透测试：2023年3月（移除沥青一周后）和2024年9月20日（大约解除密封18个月后）。每次测试在每个圆形区域内进行一次（4个处理组×4个地块=16次测试），连续两天完成。

我们使用了一个直径为0.08米的小金属环，按照Beerkan协议（Lassabatère等人，2006年）将其插入Technosol表面0.01米深。金属环通过手动或橡胶锤插入，确保上缘保持水平。由于表面层多石，难以在较大面积上进行测量，因此需要使用小直径的环。每次测试向封闭的渗透表面连续倒入25毫升的水，每次体积产生约28毫米的初始积水深度。对于每次浇水量，我们记录了从浇水到完全渗透所需的时间。

2.4 微生物采样和计数
沥青和石子是在土壤解除密封后立即使用表面缓冲方法直接从未密封区域收集的。2023年9月12日，使用便携式本生灯建立了无菌采样区。通过铝制方形模板在每个样本上划定了2×2厘米的采样区域。模板在每次采样前用乙醇浸泡并火焰消毒。使用这种固定的、经消毒的模板来界定采样区域，确保每次采样的面积一致，从而提高了微生物计数的精确度和重复性。使用一把30厘米长的手动铲子小心翼翼地挖掘Technosol土壤表层的前5厘米。然后从下方土壤层中的干净表面上采集样本，确保每个样本的最小表面积为2平方厘米。使用浸过4毫升Ringer溶液的无菌棉签擦拭采样区域内部。每个样本重复采集两次。收集后，所有样本都被送往巴勒莫大学的农业微生物实验室进行微生物分析。样本在Ringer溶液中进行了十进制稀释。这些细胞悬浮液用于在PCA平板上估计总嗜温菌数量（TMC），并在30°C下进行72小时的厌氧培养。

2.5 分光辐射分析和反照率估算
2024年12月11日，我们在室外进行了测量，以表征16个未密封表面样本和建筑附近的遮荫带。使用现场分光辐射计和校准过的白色参考面板收集了反射率（ρ）数据。ρ值用于得出选定样本的光谱特征（350–2500纳米）；每个样本取20个重复数据平均值以获得最终结果。排除了受水蒸气影响的波长（1300–1450纳米）和波长λ > 1800纳米的数据。通过积分平均光谱计算了每个样本的宽带反照率（α）。为了评估建筑对光照的影响，在测量带上沿轨迹测量了10个点的Eλi值（每个点20次读数）。实验初期（2023年4月至7月），每月检测了所有地块的土壤覆盖度和所有物种的幼苗出现情况。2024年和2025年4月再次监测了植被覆盖率（%）和冠层高度（厘米）。鉴于前四种处理方式的良好生长情况，我们进行了额外的试验：在水力播种的沥青区域种植了两种草本植物——Scorpiurus muricatus和Medicago sativa，并进行了线性切割。2024年5月10日测量了新播种植物的高度。2025年4月仅进行了植物组成调查，采用了Braun-Blanquet的植物群落学方法，并通过计算Shannon指数（H’）来评估植物多样性水平。

2.6 土壤CO2排放测量
测量装置的直径为15厘米，高度为20厘米，壁厚为0.3厘米，体积为3.5升。在解除密封后大约80天的间隔内进行了六次测量。每个地块永久安装了直径相同、高度为10厘米的测量环。使用JK40-M2-D红外气体探测器（配备内置泵）测量CO2通量（细节见SI）。该仪器具有温度补偿功能（范围-40至70°C），自动零点跟踪功能以防止长期漂移，以及三点校准功能以确保测量线性和准确性。通过Wi-Fi接口配置关键测量参数并将数据存储在便携设备上。

2.7 通过贯入仪阻力估算压实度和孔隙度动态
2023年10月16日和2025年4月10日使用手动驱动的标准装置（8公斤落锤，落锤高度575毫米）进行了动态圆锥贯入仪（DCP）测试，以测量未密封区和参考区的连续贯入阻力。将贯入阻力转换为California Bearing Ratio（CBR），再根据已发表的相关性转换为静态土壤圆锥贯入阻力（SCPR，qd）。结果SCPR曲线（MPa）用于确定相对于文献中根系限制阈值的压实层。

2023年3月7日视为第一天。2023年16日在每个RA1地块播种了高粱，并在17日进行了第一次灌溉；2023年21日在每个RA2地块移植了香根草，并在22日进行了第一次灌溉。高粱在春季生长，并在126日收获。2023年189日对Technosol表面进行了微生物采样。2023年226日在RA1圆形区域进行了轻度表面耕作后重新播种了苜蓿。在第244天准备了四个额外的圆形区域，并在两天后（第246天）使用苜蓿和Scorpiurus的混合物进行了水力播种。常规植被监测始于2024年4月（大约第405天），并在第430天进行了详细的冠层高度调查。第二次Beerkan渗透试验在解封18个月后进行，即第558天。在第645天进行了用于确定反照率的光谱辐射测量，最终的全面植被和生物多样性调查在2025年4月中旬完成，大约是第770.2天。

**数据处理和统计分析**
所有数据均使用Minitab 19.1.1.0（美国宾夕法尼亚州州立学院）进行处理。在检查残差正态性和方差齐性假设后，根据实验设计对收获时收集的植物数据进行了单因素方差分析（ANOVA）（表SI）。当ANOVA结果显著时，根据数据集的不同，使用Fisher的LSD或Tukey的HSD检验来评估处理组之间的差异，p < 0.05。

**结果**
3.1. 解封区域的植被建立和覆盖动态
高粱在所有区域中迅速生长，但在解封的圆形区域中生长的植物始终比未密封的对照组更矮且产量更低（图2）。高粱幼苗在播种后大约7天出现，解封区域和对照组之间的出苗时间没有显著差异。然而，在所有测量参数上均观察到了处理效应，特别是在植物高度上，以及在较小程度上，SPAD叶绿素指数值上也存在差异（图2；表SI）。收获时，解封区域的植物明显比对照组更矮且产量更低，这归因于穗密度较低和单个穗重量减少（数据未显示）。因此，解封区域的收获指数（HI%）也比对照组显著降低（图2；表SI）。如果植物根系主要探索未铺设的区域——每个种植圆形区域大约235立方分米（注意根系也可能在铺设表面以下及更深的地方生长），我们可以根据植物大小估计其探索的土壤体积。20厘米高的高粱植物可以探索大约20-30立方分米的土壤体积（Myers, 1980）。每个圆形区域至少有10株植物，因此总共探索的体积在200到300立方分米之间。因此，根系探索的体积不低于未铺设区域的85%。

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**图2.**高粱 bicolor var. Arcane对解封的响应随时间的变化：左侧面板——时间进程：（顶部）每株植物的叶片数量，（中间）植物高度，（底部）叶片叶绿素含量（SPAD指数），从出苗到收获期间记录。右侧面板——收获性状：（顶部）总生物量，（中间）穗数，（底部）收获指数。所有数值（对照组除外）均为独立样本的平均值±标准误差。

**接下来的两年观察（2024-2025年）显示，在四种处理（CA、CAOM、RA1、RA2）之间植被覆盖和冠层发育存在明显差异，反映了不同的建立途径和物种组成（图3）。**2024年，RA2（香根草）实现了最大的总植被覆盖率（83%）和最高的冠层高度（74厘米）。相比之下，CA和CAOM——分别依赖于在压碎的沥青表面上自然发生的定殖（有和没有仙人掌枝条添加剂）——显示出较低的总覆盖率（12%和17%）和较短的植被高度（15厘米和20厘米）。到了2025年，所有处理的覆盖率和高度都有所增加，表明社区正在逐渐发展和稳定。Braun–Blanquet调查（图SI；表SI2）显示，植被主要由一年生和多年生草本植物主导。Sonchus tenerrimus L.是最常见和丰富的物种，在几乎所有区域中都有记录，其覆盖-丰富度分数从“+”到“2”，显示出了强烈的场地适应性。Erodium malacoides和Mercurialis annua也是新兴植物群中的常见组成部分。此外，计算出的Shannon指数（H’）值在1.10到2.25之间，表明两次调查之间的植物多样性处于中等水平。

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**图3.**四种表面处理下的覆盖率和冠层发育：压碎的沥青（CA）、切碎的仙人掌枝条+压碎的沥青（1:1体积比）（CAOM）、部分移除沥青+5厘米的Cambisol Ap层覆盖高粱 bicolor，然后是Medicago sativa（RA1），以及部分移除沥青+5厘米的Cambisol Ap层覆盖Chrysopogon zizanioides（RA2）。条形图显示了2024年（蓝色轮廓）和2025年（红色轮廓）的数据。在上方面板中，杂草（非目标）覆盖区域是深绿色的封闭部分；特定（目标/引入的）植被覆盖区域是堆叠在上面的开放部分。冠层高度（下方面板）是总植被高度。误差条表示每个平均值的标准误差。

**3.2.**在狭窄的线性沥青切割中的植被建立**
在水力播种Scorpiurus muricatus和Medicago sativa后，这些植物在狭窄的线性沥青切割中快速建立并持续多年，表明即使受到最小的干扰，微解封的走廊也能维持植被（图4）。60天后，两种植物都得到了良好的建立，平均高度分别为S. muricatus约20厘米和M. sativa约16厘米。应用Myers（1980）的早期（约60天）可探索土壤体积框架，Scorpiurus占据了其0-30厘米半圆柱形根系体积的约93%，而Medicago大约探索了其对应体积的59%。值得注意的是，两年后这两种植物仍在人工沥青切割中存活。到了第三年，四个重复实验中只有一株Medicago植物存活。

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**图4.**顶部：单一线性沥青切割的俯视图（直径1米的白色圆形区域），其中水力播种了两种饲料作物。底部：侧视图——左侧为Scorpiurus muricatus，右侧为Medicago sativa。

**3.3.**四种解封处理的渗透行为**
初始的稳定状态Beerkan渗透率非常高且各处理之间相似，但在18个月后下降，并在无植被和有植被的表面之间形成了明显差异（图5；表SI）。在第一次采样时，所有处理的Beerkan渗透速度都非常快，总渗透时间在0.02到0.21小时之间（图5），并且几乎迅速达到了准稳定状态的Beerkan渗透率（ir-f）（每次渗透结束时的最终速率）。ir-f值（表SI）在各处理之间大体相当，表明表面管理差异并未立即影响解封后的土壤水力响应。此外，稳定状态渗透率远高于结构化矿物土壤的典型渗透率，更接近于干净的粗颗粒土壤的渗透率，这表明在沥青移除后，表面表现为高度渗透性的无结构土壤。

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**图5.**连续两年四种表面处理的累积渗透量（毫米）与时间（小时，对数尺度）的关系。红色：CA（压碎的沥青）；黄色：CAOM（1:1切碎的仙人掌枝条+压碎的沥青）；绿色：RA1（顶部5厘米沥青被5厘米Ap层土壤替代；然后种植Sorghum bicolor）；蓝色：RA2（顶部5厘米沥青被5厘米Ap层土壤替代；Chrysopogon zizanioides）。虚线代表第一年，实线代表第二年。
在第二次采样时，所有处理的Beerkan渗透时间都变长，范围从0.04到2.79小时（图5），处理对ir-f的影响变得明显。无植被（CA，CAOM）和有植被（RA1，RA2）表面之间出现了明显对比：有植被的修复区域的ir-f值低于无植被区域。因此，在解封18个月后，四种处理显示出明显不同的稳定状态渗透行为。
在各处理中，ir-f相对于初始值下降了25-97%。在CA和CAOM中，下降幅度适中（Δ = 25-35％），这与通过由压碎的沥青主导的粗糙、结构较弱的表层持续渗透一致。相比之下，RA1和RA2的ir-f下降幅度更大（Δ = 89-97％），且渗透时间也更长，表明向更类似于结构化土壤的水力行为过渡。在CAOM中，添加切碎的仙人掌枝条可能增强了细颗粒的保持能力，进一步有助于观察到的渗透性适度降低（表SI2）。总体而言，稳定状态最终渗透率的降低显示出从初始的高渗透性向更受调控的、类似土壤的行为的连续变化，这一变化受到所选解封处理的强烈影响。

**3.4.**新形成的Technosols中的微生物定殖**
微生物计数的结果如图6所示。单因素ANOVA显示处理对微生物负荷有显著影响，F(4,31) = 11.32，p < 0.001。随后使用Fisher的LSD检验进行了事后比较，以确定各组之间的具体差异。所有解封处理的表面微生物负荷都高于密封对照组，其中RA2（香根草）下的值最高（图6）。微生物负荷在不同处理之间有所不同：RA2的平均值最高（约4.0 log10 CFU cm?2），而对照组（C）最低，约为2.0 log10 CFU cm?2。RA2与RA1、CA、CAOM和C有显著差异（Fisher的LSD，p ≤ 0.05）。RA1（高粱→苜蓿顺序）、CA（压碎的沥青）和CAOM（1:1切碎的仙人掌枝条+压碎的沥青）显示出中等的平均值（约3.2-3.6 log10 CFU cm?2），这些平均值彼此之间没有显著差异，但都显著高于对照组。

**3.5.**处理表面的光谱反射率和反照率**
光谱特征和由此衍生的反照率清楚地区分了沥青和植被表面，植被在已定殖的沥青上显示出显著信号，而在植被干燥的地方信号较弱或改变（图7；表1）。平均光谱特征比较了选定的特征样本，包括参考沥青（样本2）、参考植被以及CA和RA2（分别覆盖地块6和7）（图7）。

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**图7.**选定样本的光谱特征：**a）沥青，**b）参考植被，**c）CA，**d）RA2。灰色框突出显示了受大气水蒸气噪声影响的1300-1450纳米波长范围。

**表1.**分析表面的平均宽带反照率值。
| 表面 | 反照率（α） |
| --- | --- |
| 沥青 | 0.16 |
| 有植被的沥青 | 0.25 |
| 参考植被 | 0.35 |

沥青光谱在可见光谱（400-700纳米）中没有特定的反射峰；反射率值（ρ）较低（约0.1-0.2）。在近红外（700-1300纳米）范围内，反射率略高（约0.2-0.3），这与沥青的深色和吸光特性一致。参考植被在550纳米和700纳米左右有两个反射峰，这对应于典型的由叶绿素吸收驱动的植被行为。CA样本（图7c）在可见光谱的550纳米和700纳米处有反射峰。在这个样本中，反射率值较高（约0.2），并且在570到600纳米之间变化（绿色-黄色），近红外反射率为约0.5，这与表面存在健康植被一致。相比之下，RA2（图7d）没有显示出典型的植被模式，尽管近红外反射率约为0.5，表明存在光合作用较低的低植被。1300-1450纳米的波长范围受到大气水蒸气噪声的影响。

**3.5.1.**沿样带的太阳辐射测量**
沿样带的辐照度光谱证实了从阴影点到阳光点的强烈梯度，记录了圆圈间光照条件的变化（图8）。在样带的每个点测量了辐照度Eλi（W m?2 nm?1），表示在波长λ处可用的辐射能量。对10个点的分析（图8）显示，在500纳米处有一个峰值，此处大气透射率最高，在900纳米和1120纳米处有两个最小值。这种行为是由于大气透射率造成的，在900纳米时透射率约为60％，在1120纳米时略高于30％（Boyd和Petitcolin, 2004）。灰色框显示了1300-1450纳米的波长范围，此时大气透射率几乎为零，阻挡了来自光源的电磁波。能量从阴影区域（底部黄色曲线）增加到直接被照亮的点（顶部青色曲线），证实了建筑物阴影的影响。

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**图8.**沿样带放置的10个点的太阳辐照度测量。灰色框突出显示了受大气水蒸气噪声影响的1300-1450纳米波长范围。

**3.5.2.**反照率分析**
宽带反照率从沥青（0.16）增加到有植被的沥青（0.25）和参考植被（0.35）（表1）。对于每种表面类型，都使用了平均光谱特征来计算反照率，以表征其辐射行为。表1中显示的反照率值与Zaragoza Ramírez和Bartolomé Mu?oz在2012年的报告结果一致，这支持了这些测量数据的可靠性。具体来说，最低的反照率值对应于沥青表面，表明这种表面限制了太阳能量的反射。对于种植了植被的沥青表面和参考植被表面，也得到了相似的反照率值，两者之间的差异约为0.10，这可能与测量时的光照条件不同有关。

3.6 土壤二氧化碳排放和短期碳动态
在700天的研究期间，种植植被的处理（RA1和RA2）的二氧化碳排放量始终高于碎石沥青处理和对照组（见图9），这表明这些区域的生物活动更加活跃。图9中的数据以及事后的比较（表2）清楚地显示了不同处理之间的二氧化碳通量差异。条形图和时间序列都表明，RA1（高粱→紫花苜蓿序列）和RA2（香根草）的二氧化碳排放量高于CA、CAOM和对照组。下载：高分辨率图像（432KB）；下载全尺寸图像。

图9. (a) 在解封后700天内，不同处理的二氧化碳通量（g m?2 d?1）的时间动态：CA（碎石沥青；红色），CAOM（1:1切碎的仙人掌枝条+沥青；黄色），RA1（种植高粱→紫花苜蓿的修复土壤；绿色），RA2（种植香根草的修复土壤；蓝色），以及对照组（未开发的参考土壤；深绿色虚线）。线条表示每次采样日的平均值。(b) 同一处理在不同采样日期的平均（±SE）二氧化碳通量。

表2. 使用Tukey HSD方法对不同处理的二氧化碳通量进行事后比较。

这些视觉趋势得到了Tukey HSD检验（表2）的证实，该检验显示高排放处理（RA1和RA2）与低排放处理之间存在统计学上的显著差异，而RA1与RA2之间以及CA与对照组之间则没有显著差异。

3.7 通过土壤锥形贯入仪阻力评估的压实动态
在之前的铺砌区域下方，地下压实情况在18个月内显著缓解，200–300毫米深度层的压实阻力（PR）从7–16 MPa下降到1–4 MPa，接近未铺砌参考土壤的水平（见图10）。2023年10月16日（解封后223天），所有铺砌点中200–250毫米深度层的平均PR范围为7至15 MPa，说明该深度层已经压实；而在未铺砌区域则为5 MPa。同一天，250–300毫米深度层的平均PR在铺砌点中为13至16 MPa（CAOM除外），表明该深度层非常紧实；而在未铺砌区域则为4 MPa。2025年4月10日（解封后765天），所有先前铺砌点中200–250毫米深度层的平均PR下降到1–3 MPa（未铺砌区域为2 MPa）。同样，在2023年10月16日，未铺砌区域300–350毫米深度层的平均PR为6 MPa，350–400毫米深度层为8 MPa，400–450毫米深度层也为6 MPa；到2025年4月10日，未铺砌区域300–450毫米深度层的平均PR降至<1 MPa。图10显示了解封对所有铺砌点在不同时间点（解封后223天和765天）的土壤锥形贯入仪阻力的影响，并与未铺砌区域进行了比较；计算了765天与223天之间200–250、250–300、300–350、350–400和400–450毫米深度层的平均PR差异。尽管在223天时超过了限制根系生长的文献阈值（1.5–4.2 MPa；Langton, 1999；Gourves和Barjot, 1995），但由于土壤结构的改善，根系仍能通过大孔隙发育。后续的根系发育使PR降低了6–15 MPa。

4. 讨论
我们的结果支持了一个核心解释：微尺度解封触发了长期被封闭的技术土壤（Technosol）的耦合恢复过程，其中水力物理结构、生物功能和表面能量特性沿着一个可预测的序列共同演化，这一过程受到表面设计（基质选择和植被类型）的强烈影响。解封后立即，系统进入了一个短暂的“高渗透性”阶段；大约18个月后，渗透性逐渐减弱，同时根系活动和微生物定殖增加；约两年后，植被结构和表面反照率发生了可测量的变化，表明一个具有多种调节功能的土壤-植物系统开始形成。
第一阶段的特征是所有处理下的稳态渗透率极高，这与沥青清除和碾压后形成的无结构、粗糙的碎石层一致（见图5；补充信息表SI）。这种初期的高渗透性可以缓冲暴雨径流的峰值，但如果存在可溶性污染物，也会带来较高的优先输送能力。到18个月时，稳态渗透率相对于初始值下降了25–97%，并且不同处理之间的差异开始显现。这种差异与物理沉降和细颗粒填充以及生物聚合和根孔调节共同作用，导致渗透性从“即时排水”转变为更受调控的、类似土壤的渗透性（Sela等人，2015年）。实际上，植被起到了水力调节器的作用：它减少了可能限制植物可用水分的过度渗透，同时保持了有助于径流缓解的渗透能力。
与水力调节同时发生的是，地下压实状况显著缓解，标志着耦合过程的第二个阶段：与生物活动相关的结构松散。锥形贯入仪阻力显示，解封地块下方200–300毫米深度层最初是紧实的（平均PR约为7–16 MPa），随后在大约18个月内下降到约1–4 MPa，接近未铺砌土壤的适宜范围（见图10）。PR向未铺砌参考区域值的收敛表明，即使是最小程度的干扰也能在短时间内重新建立功能性孔隙网络，这与无需大量表土输入即可快速生物物理恢复的报告相符（Maienza等人，2021年）。重要的是，水力轨迹（渗透率下降）和机械轨迹（PR下降）并不矛盾：它们共同表明了从粗糙、不稳定的大孔隙结构向更有序、由沉降、聚合和根系作用塑造的孔隙系统的转变。
植被的建立和生物指标构成了第三阶段，解释了不同处理在功能结果上的差异。第二年，不同处理的树冠发育情况明显不同：香根草（RA2）实现了最大的覆盖率和树冠高度，而依赖碎石沥青上自发定殖的CA和CAOM则增长缓慢（见图3）。根系探索估计表明，RA1中的早期高粱群落能够利用大部分被破坏的体积，表明即使是小规模的圆形干预也能促进根系的显著发展和碳氮循环的启动。草本植物在线性沥青切割区内的成功建立进一步支持了微尺度解封作为一种可扩展策略，用于将植被走廊融入封闭的矩阵中（见图4），这对遮荫和蒸散冷却有重要意义（Xiao等人，2020年）。
微生物和呼吸数据证实了解封后土壤生物功能的快速重新激活。香根草（RA2）的微生物负荷最高，而其他处理的微生物负荷介于中间值，均高于对照组，这证实了植被对微生物活动的促进作用（见图6）。这些数据表明，根际过程和根系渗出物支持了微生物的聚集，这与解封后的技术土壤可以迅速恢复肥力的证据一致（Chen等人，2021年；Maienza等人，2021年）。CAOM中的高微生物负荷值表明即使在没有密集干预的情况下也有所改善。相比之下，封闭的土壤由于有机输入有限，其微生物丰度和活性降低（Renella，2020年）。
二氧化碳排放进一步区分了经过生物改良的表面和惰性表面：RA1和RA2的二氧化碳通量高于CA、CAOM和封闭对照组（见图9；表2），表明微生物代谢和根系活动增强——这是微生物循环重新活跃的关键标志（Anderson和Domsch，1978a，1978b）。在耦合轨迹的框架内解释，呼吸作用的增强可能反映了恢复过程中的一个过渡阶段，此时伴随着更高的矿化作用；需要长期监测来确定通过生物量和聚集作用积累的碳是否最终超过了矿化作用，从而使技术土壤向净储存方向转变。
最后，光谱和反照率结果表明，恢复过程不仅体现在地下，也体现在表面能量界面上。光谱辐射特征区分了不同的表面覆盖类型，并支持了从裸露的沥青到沥青-植被镶嵌体以及参考植被的反照率增加（见图7；表1）。结合恢复的渗透性和蒸散作用，反射率的增加意味着对局部热应力缓解有明显的协同效益。横断面辐照度分析表明，建筑物造成的遮荫可能会影响表面辐射测量结果，因此在将反照率与能量平衡建模相结合时，需要在不同太阳角度下进行时间上的重复测量（见图8）。
从设计角度来看，耦合轨迹明确了哪些措施最能有效加速多功能恢复。植被选择对于结构性改善（PR下降）、水力调节（渗透性控制下降）、微生物反弹和表面能量特性的同时改善起到了重要作用。在密集种植不可行的情况下，被动策略（例如，保留碎石沥青）仍然可以相对于封闭对照组带来实质性的收益，但生物发展的速度较慢，渗透性的调节作用也较弱。将时间明确的水力和生物基准纳入解封实践中，还可以改善管理预期：应预见早期的“过度渗透”现象（并在必要时通过临时沉积物/污染物控制进行管理），并考虑之后的性能目标。将四种处理明确 interpreted 为管理强度梯度，有助于将试点规模的结果转化为实际的应用选择。CA实现了最低成本的技术方案（解封后最大程度的现场再利用和最小化的后续处理），适用于那些主要目标是快速径流缓冲且可接受较慢生物发展的未充分利用的铺砌区域。CAOM添加了一个可行且低成本的步骤——使用本地可获得的生物质进行有机改良——旨在加速早期的生物恢复和水分缓冲，而无需土壤输入的物流操作，这与促进实用、模块化行动和解封计划的思路一致（欧盟委员会，2012年，2013年；Graie，2018年；Canino等人，2020年；Vieillard等人，2024年）。RA1代表了中等强度的修复措施（薄层Ap覆盖加上作物-多年生植物的序列），在有干净供体土壤且能保证建立浇水/维护的情况下，可能是最具可转移性的“辅助恢复”选项。RA2应被视为一个有意图加速的、上限参考标准，展示了在大约2年内强健、深根系可以取得的成果，但它不一定是一种可行的或理想的做法，因为在实际操作中，非本地多年生草本植物的使用和长期控制可能会面临监管和生态限制。因此，RA2的结果主要激发了使用本地可接受的功能类似物（本地或批准的深根多年生植物）的动机，当目标是最大化耦合的水力和生物恢复的同时保持可部署性时。为了验证这种耦合轨迹的普遍性，并为最小化且有效的干预措施提供更精细的指导，需要进行多站点复制以及长期跟踪水分侵入、二氧化碳排放、光谱/反照率动态和微生物群落组成的变化。5. 结论：这项中期实地研究表明，城市表层材料的去除会触发长期被密封的技术土壤中水文物理结构和生物功能的快速、耦合恢复。在去除密封层后，会出现一个“超渗透性”的初始阶段，随后在18个月内渗透性会可预测地下降到中等水平（尽管仍然较高）。战略性植被修复（深根多年生植物和作物种植组合）可以加速这一转变过程，同时减少过多的水分侵入、缓解渗透阻力、增加微生物生物量，并增强碳循环和反照率——从而提升多种调节生态系统服务（如径流缓解、微气候调节、早期生物多样性支持）。相比之下，被动或低投入的处理方法（例如碎石沥青的保留）在微生物重新定殖和水分渗透方面仍能取得显著效果，这为有限种植条件的情况下提供了成本效益高的选择。该研究通过量化渗透性的阶段性下降，并将其与结构和生物变化联系起来，填补了关于城市土壤短期内水力特性的知识空白。认识到这一变化轨迹有助于制定更为细致的规划：提前预见过量渗透（及其相关的污染物传输风险），合理安排植被种植时间以利用沉降和聚集过程，并为雨水管理和气候适应目标设定现实的性能基准。这也挑战了“任何形式的表层材料去除都具有统一且立即效益”的传统假设，强调了表征地下特性和管理过渡阶段的必要性。尽管2023年新增了约84公顷的密封面积（ISPRA，2024年），但根据巴勒莫市的城市规划草案（Palermo市议会，2024年），通过重新利用废弃地块实现“零新增土地消耗”，如果仅对城市中未充分利用的铺装面积的5%（约50公顷）进行表层材料去除，就能同时满足政策目标并带来显著的水文、气候和生态效益。这种处理方法每年可额外渗透105-106立方米雨水，使城市温度降低约0.1-0.2°C（局部地区甚至可降低数°C），为每公顷土地创造数十种物种的栖息地，并长期固碳103-104吨。总体而言，当表层材料去除与合理的植被选择相结合时，成为快速、资源高效的途径，用于恢复多功能的城市土壤系统。将水文和生物方面的时间基准纳入政策和设计框架，可以提高城市表层材料去除措施在应对气候适应、生物多样性提升和可持续雨水管理目标方面的有效性、成本效益和韧性。从规划角度来看，这些发现表明，可以在高度封闭的城市区域中设计小规模、模块化的表层材料去除干预措施，形成“渗透性岛”。在不到两年的时间内，这种 minimally disruptive（最小干扰）的表层材料去除方式能够恢复可根生的土壤条件，增加生物活动，并提供稳定的渗透能力，这些数据可以直接用于雨水设计和基于自然的解决方案。将沥青去除与土壤修复和植被种植结合的处理方法始终表现出优于仅保留碎石沥青的方案，表明基底选择和种植是关键的设计因素。综合来看，这些结果提供了实用的具体基准和响应时间，有助于市政机构和设计师优先考虑对未充分利用的铺装区域进行表层材料去除，实现“零净土地占用”目标，并增强地中海城市的气候韧性。这里测试的多指标协议还有助于实施欧盟最近的《土壤监测法》，为城市地区表层材料去除和土壤功能恢复提供操作性的衡量指标（欧洲议会和欧盟理事会，2025年）。

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Riccardo Scalenghe：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿起草、可视化、验证、监督、资源管理、项目行政、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念化。
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