城市重金屬污染地塊修復(fù)的景觀植物配置策略研究進展*

周 銳 崔慧靈 段桂蘭# 朱永官,3

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021)

金屬開采冶煉、工業(yè)發(fā)電、農(nóng)業(yè)活動、廢物處理、交通運輸?shù)热藶榛顒訒a(chǎn)生大量重金屬污染[1]。但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一些污染企業(yè)退出城市核心區(qū)，留下的重金屬污染場地存在較大的環(huán)境和健康風(fēng)險，急需修復(fù)才能進一步開發(fā)改造。

植物修復(fù)技術(shù)是一類成本低廉、無二次污染的可就地進行的重金屬污染地塊修復(fù)技術(shù)[2]，適用于污染面積大的地塊[3]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，部分景觀植物能修復(fù)重金屬污染地塊[4]45-52。由于景觀植物富集的重金屬不會進入食物鏈，還可賦予污染地塊一定的景觀價值[5]，因此研究景觀植物的修復(fù)效果對于提高城市環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能都具有重要意義。正因如此，利用景觀植物修復(fù)城市重金屬污染地塊也就成為了近年的關(guān)注熱點[6]。所以，有必要總結(jié)景觀植物對重金屬的耐受性和修復(fù)效率的研究進展，探討景觀植物的配置策略。

本研究篩選出了可用于城市重金屬污染地塊修復(fù)的景觀植物，圍繞生物因素和非生物因素分析景觀植物的配置策略，為城市重金屬污染地塊的綠色修復(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 可用于城市重金屬污染地塊修復(fù)的景觀植物篩選

植物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)是篩選超累積植物。超累積植物是指能在被重金屬污染的地塊上良好生長，并且有發(fā)現(xiàn)其地上部重金屬濃度與地下部的比值大于1，植株與土壤重金屬濃度的比值也大于1[7]。目前，雖然已發(fā)現(xiàn)的超累積植物有700余種[8]，但超累積植物應(yīng)用仍存在一些局限性。首先，超累積植物多數(shù)是草本植物或灌木，生物量有限[9]4-152；其次，超累積植物通常只能富集少數(shù)幾種重金屬[10]；最后，在污染地塊進行修復(fù)，還需考慮氣候條件、生長周期等，異地引種難度較大[11]。要想在景觀植物中篩選可用于城市重金屬污染地塊修復(fù)的超累積植物難度更大。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，篩選出了針對不同重金屬的超累積景觀植物(見表1)，以供進一步推動景觀植物作為重金屬污染地塊超累積植物的研究。

表1 針對不同重金屬的超累積景觀植物Table 1 Ornamental enrichment plants for different heavy metals

有些未達到超累積標(biāo)準的景觀植物對重金屬也有強大的耐受和解毒能力，可正常生長在重金屬污染地塊中，該類景觀植物可用于與超累積植物進行配置以實現(xiàn)城市重金屬污染地塊的修復(fù)與美化。這類景觀植物主要包括花卉草本植物羽衣甘藍(Brassicaoleracea)、鳶尾(Iristectorum)、牽牛(Pharbitisnil)、黃蜀葵(Abelmoschusmanihot)、紫羅蘭(Matthiolaincana)等，灌木六月雪(Serissajaponica)、海桐(Pittosporumtobira)等，喬木旱柳(Salixmatsudana)、白榆(Ulmuspumila)、銀合歡(Leucaenaleucocephala)等[9]160-510。

另有一些重金屬累積能力更弱一點的景觀植物憑借其根莖葉系統(tǒng)發(fā)達、生物量高等優(yōu)勢也可用于配合配置策略，被認為是潛在替代植物[4]44。近年，大量潛在替代植物被發(fā)現(xiàn)，包括禾本科的毛竹(Phyllostachyspraecox)、黃條金剛竹(Pleioblastuskongosanensis)、闊葉箬竹(Indocalamuslatifolius)、菲白竹(Sasafortunei)等[26-27]。

此外，隨著有機物與重金屬復(fù)合污染問題的凸顯，對于具有修復(fù)復(fù)合污染地塊的植物越來越受到重視。景觀植物中，孔雀菊是重金屬Cd的超累積植物，在Cd與苯并芘復(fù)合污染的土壤中也長勢良好，且依然保持對Cd的超富集能力，而且苯并芘在其體內(nèi)也能顯著富集[28]。金絲垂柳(Salixaureopendula)對鎘-芘復(fù)合污染具有良好的適應(yīng)性[29]。

2 重金屬污染地塊修復(fù)的景觀植物配置策略

在重金屬污染地塊進行景觀植物配置時，應(yīng)充分考慮污染地塊的生物因素和非生物因素，以保障修復(fù)效果與景觀效果。首先，應(yīng)綜合喬、灌、草搭配的空間優(yōu)勢，在滿足景觀需求的同時，植物多樣性的增加有利于增強受損生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和恢復(fù)力，從而提高修復(fù)效率[30]2109；其次，應(yīng)遵循植物的生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)原理；第三，根據(jù)具體的污染地塊現(xiàn)狀，因地制宜選擇景觀植物[31]。下面詳細論述重金屬污染地塊進行景觀植物配置過程中主要考慮的策略。

2.1 生物因素

2.1.1 植物的適應(yīng)性原則

景觀植物配置首先應(yīng)考慮植物對自然環(huán)境的適應(yīng)性，其次要考慮植物對污染脅迫的適應(yīng)性[32]，也就是植物在經(jīng)歷污染脅迫后對環(huán)境適應(yīng)性的變化。生長在鉛鋅尾礦上的曼陀羅(Daturastramonium)與未經(jīng)歷污染的對照種群相比對鹽害的適應(yīng)能力變差[33]。生長在富含鉛鋅重金屬礦區(qū)土壤上的三色堇(Violatricolor)，其生殖性狀對重金屬會表現(xiàn)得更加敏感[34]。已有研究表明，土壤貧瘠、水土流失、土地荒漠化、放射性污染和土壤鹽堿化等都會影響植物的生長[35-37]，所以在植被配置過程中應(yīng)充分考慮植物對自然環(huán)境和污染脅迫的綜合適應(yīng)性。

2.1.2 植物的多樣性和生態(tài)位原則

土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括抵抗力和恢復(fù)力兩方面。植物多樣性是影響穩(wěn)定性的重要因素[38-39]。研究表明，植物多樣性的增加能促進植物群落生物量增加，有助于提高植物對重金屬污染地塊的修復(fù)效率[30]2112。蜈蚣草(Pterisvittata)分別與桑樹(Morusalba)和構(gòu)樹共同種植對As的吸收量比蜈蚣草單獨種植顯著提高，并且還可提高蜈蚣草的光合作用強度和對As的抗性[40]。同樣地，蜈蚣草和蓖麻混種能提高As、Cd污染地塊的修復(fù)效果[41]；高羊茅(Festucaarundinacea)和鷹嘴豆(Cicerarietinum)混種能提高Cd污染地塊修復(fù)效果[42]。植物多樣性的增加能夠促進群落生產(chǎn)力的提高，從而有利于受損生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)。

景觀植物配置還應(yīng)該考慮植物的生態(tài)位原則。生態(tài)位是指某一種群在一個完整的生態(tài)系統(tǒng)中所占據(jù)的時間和空間上的位置，及該種群與其他種群發(fā)生的相互作用和功能關(guān)系。在多種植物共同修復(fù)時，應(yīng)注意利用互利共生原理，使一個物種能從另一物種中獲得生存利益，使生態(tài)位相互錯開，有利于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[43]。如果選用生態(tài)位相互重疊的植物，種群間的相互作用會使植物在資源獲取和生存空間上產(chǎn)生競爭或他感抑制作用。此外，應(yīng)盡可能選用本地物種，因為本地物種對當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境具有較強的適應(yīng)性，在長期與環(huán)境和其他物種的相互適應(yīng)過程中建立了良好的生態(tài)位關(guān)系，可避免出現(xiàn)植物競爭、病蟲害等負面影響。

2.2 非生物因素

2.2.1 污染重金屬種類

根據(jù)大量調(diào)查，不同重金屬污染地塊周邊的優(yōu)勢景觀植物總結(jié)見表2。根據(jù)污染地塊的目標(biāo)重金屬污染物，可針對性地選擇修復(fù)植物。此外，配置時還應(yīng)從空間上根據(jù)景觀植物的高度、品種、葉色、花色進行搭配，使喬木、灌木、草本植物形成多層次景觀，在時間上應(yīng)考慮植物的季相搭配。

表2 不同重金屬污染地塊周邊優(yōu)勢景觀植物總結(jié)Table 2 Summary of dominant ornamental plants around contaminated sites with different heavy metals

2.2.2 土壤物理性質(zhì)

土壤團聚體是土壤的基本單元，是衡量土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[65]。在我國的城市表層土壤中，重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的含量隨土壤團聚體粒徑的減小而增加，可見小粒徑土壤重金屬污染更嚴重[66]。植物修復(fù)可促進土壤小團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化，從而使團聚體穩(wěn)定性得到改善，相應(yīng)地提高修復(fù)效率[67-68]。

土壤水分除了供給植物生理生化所需外，還能調(diào)節(jié)土壤氧化還原電位和土壤酸堿度，從而影響重金屬的生物有效性及植物對重金屬的吸收利用效率[69]。需要指出的是，在我國北方干旱地區(qū)的污染地塊，降雨稀少、土壤瘠薄、土壤鹽堿化等因素可能制約植物修復(fù)的進程，對植物進行配置時需要考慮這些制約因素。經(jīng)實踐證明，菊科、禾本科、怪柳科、麻黃科植物具有抗旱、耐鹽堿性[70]，可在景觀植物配置時使用。

2.2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)

土壤酸化能夠提高Cd、Pb等重金屬的遷移性及生物有效性[71]。植物配置應(yīng)考慮植物對不同土壤pH的適應(yīng)性及對重金屬的吸收效率。有研究表明，菊芋和蜈蚣草可以分別在輕度和重度酸性土壤中存活，并對重金屬有較好的富集作用[72-73]。

鹽生植物對鹽分和重金屬的耐受性有著共同的生理調(diào)控機制，使其能夠在重金屬污染環(huán)境中存活[74]。部分土壤中的鹽分還是土壤重金屬離子從植物根部向莖部轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵啟動子，所以鹽生植物從鹽堿地中提取鹽分的同時可以積累大量的重金屬[75]。經(jīng)過大量探究發(fā)現(xiàn)，禾本科大米草屬(Spartina)、黎科濱藜屬(Atriplex)能夠富集污染地塊的多種重金屬[76]。因此，進行景觀植物配置時應(yīng)考慮鹽生植物的適應(yīng)性(鹽生植物分為泌鹽鹽生植物、聚鹽鹽生植物和避鹽鹽生植物)[77]。此外，鹽生植物在修復(fù)污染地塊時，還應(yīng)注意植物根系環(huán)境對修復(fù)效果的影響，包括根系分泌物、根際微生物群落組成等。

2.2.4 土壤肥力

土壤有機質(zhì)是評價土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量和組成對土壤重金屬的生物有效性、化學(xué)行為及環(huán)境效應(yīng)有重要影響[78]。研究證明，有機質(zhì)的施加能提高土壤肥力，促進植物在污染土壤中的生長，提高植物的修復(fù)效率[79]。

氮、磷等營養(yǎng)元素不僅能夠促進植物的生長發(fā)育，提高生物量，而且對增強植物防御能力、減輕重金屬毒害能發(fā)揮重要作用[80]。由于重金屬污染地塊的土壤長期受毒害脅迫，易造成營養(yǎng)元素貧乏，因此施加外源肥料有利于植物生長。氮肥可調(diào)節(jié)龍葵抗氧化系統(tǒng)和葉片氮同化過程，提高其對Cd的吸收量，增強對Cd的抗性[81]。磷肥能增強蜈蚣草對As的修復(fù)能力[82]，提高李氏禾(Leersiahexandra)植株生物量及對Cu、Cr的累積量[83]。種植牧草可有效改善土壤肥力。牧草具有生長快速、生物量大、抗逆性強等特點，除作景觀草坪外，累積高濃度重金屬的牧草還可用作生物質(zhì)能源來實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，避免二次污染[84]。目前，國內(nèi)外修復(fù)重金屬污染地塊的代表性牧草有紫花苜蓿、多花黑麥草(Loliummultiflorum)、香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnotatum)、高羊茅等[85]。

3 未來研究展望

(1) 景觀植物富集土壤重金屬的植物生理學(xué)、分子生物學(xué)機制有待開展研究，為修復(fù)與美化城市重金屬污染地塊提供理論指導(dǎo)。(2)除了在污染地塊周邊調(diào)查正常生長的優(yōu)勢植物進行景觀植物的篩選外，還可通過室內(nèi)盆栽、田間試驗進行景觀植物篩選，以拓寬景觀植物篩選的渠道。(3)通過強化措施提高景觀植物對土壤重金屬的富集能力和耐受性，如添加生物炭、螯合劑、肥料，接種促進植物生長、提高植物抗性的微生物菌劑等。(4)富集重金屬后的景觀植物生物質(zhì)處理，應(yīng)選擇合適的無害化和資源化方法，避免造成二次污染。