生态修复技术在土壤污染治理中的应用

土壤作为环境系统的核心介质，是沟通大气和水体的枢纽，也是生物体和人类社会的基本载体。大气和水体的污染，最终反映并集中于土壤的污染。由于土壤污染具有隐蔽性、滞后性、累积性和长期性等特点，土壤污染并没有得到应有的重视，环境的面源污染仍在恶化。据不完全统计，全国受有机物和重金属污染的土地占耕地总面积的1／5。受土壤污染影响，全国每年生产受重金属污染粮食1.2亿吨。主要农产品的有机农药超标率高达15％，农产品的生态安全问题已相当严重。由于土壤污染的严重性及其修复的高难度。以及修复污染土壤的迫切性，污染土壤修复已成为当今环境科学研究的热点与极具挑战性的领域。

目前，尽管在污染环境的物理修复、化学修复以及工程技术方面有一定进展，并形成了一些实用技术。但是这些修复方法往往会破坏污染场地的理化性质，甚至会造成环境的二次污染，对于污染面积巨大且污染程度较轻的土壤基本上难以应用和奏效。在土壤污染中，使用生态修复技术是较好的选择。

一、污染生态修复

污染生态修复(ecological remediation)是指在生态学原理的指导下,以生物修复为基础,结合各种物理、化学、工程技术等措施,通过优化组合,使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的修复污染环境的方法(周启星等,2006,2007)。目前,国外主要是对生物修复概念表述内容的研究,类似生态修复概念表述的文章甚少。国内对污染生态修复的研究内容包括：生态修复与生物修复、生态恢复等概念的辨析(李培等,2006；周启星等,2007)；生态修复的理论依据、原则、特点的讨论(李培军等,2006；周启星等,2007)；生态修复过程所涉及的修复目标、过程监控、结果评价等方法的探讨(殷培杰和李培军,2007)；生态修复中生物、物理、化学等修复方法优化组合的探索等(Luepromchaietal.,2002Goietal.,2006Shinetal.,2006；Zaidietal.,2006；殷培杰和李培军,2007；周启星 等,2007)。其中,各修复方法的优化组合是目前生态修复研究的热点和难点。总体而言,污染生态修复的研究尚处于基础阶段,其理论框架、化组合方式和修复过程等内容的研究还在探索中。

二、污染土壤生态修复的特点。

1、污染物的复合性。土壤污染常表现为多种污染物的复合污染。污染土壤生态修复概念提出的目的之一,在于实现对复合污染土壤中各种污染物的综合修复。

2、修复方法的多样性和综合性。污染土壤生态修复方法是物理、化学、生物修复等方法的优化组合。物理修复方法有物理分离技术、蒸汽浸提技术、固化/稳定化技术等；化学修复方法有化学淋洗技术、溶剂浸提技术、化学氧化技术等；生物修复方法包括植物修复、动物修复、微生物修复等。在污染土壤的生态修复中又要借助工程技术措施,对各种修复方法采用工艺优化方法进行优化组合等。

3、影响因子的多样性和复杂性。污染土壤生态修复主要通过植物、动物、微生物等生物体的生命活动完成,而生物体的生命活动依赖于各种环境因子(如土壤 水分、养分、pH、氧化还原状况、气温、湿度等)。因此,污染物的种类和性质,修复生物体的种类和性质,修复生物体对污染物的吸收、降解等能力,土壤性质、气温、湿度等环境因子都会对污染土壤生态修复过程产生影响。

4、修复对象的区域分异性。不同地理区域,母质、生物、气候、地形、时间等成土因素的作用不同,导致土壤生态类型的多样性。同时由于不同的修复区域,人为干扰的时间和强度不同,污染物质的种类、性质、污染程度、空间分布等不同,污染物的迁移、转化途径等不同,使得污染土壤生态修复的对象表现出明显的区域分异性。

5、修复过程的系统性。污染土壤生态修复是系统观的方法,其修复过程包括调查、方案设计、工程实施、监测、效果评价等环节,各环节环环相扣、前后相连,形成一个完整的系统过程。在修复中保证其修复环节的最优化衔接和修复过程的系统性,从而保证修复工程的成功、提高工程效率。

三、污染土壤生态修复的原则

1、生态学原则。包括物质和能量循环再生原理、生物之间及生物与环境间的和谐共存原理、生态系统的自我净化功能等。污染土壤生态修复方法的选择、方法的优化组合、影响因子的调控等措施必须遵循生态学的基本原理和方法,才能维持生态修复过程中物质流、能量流、信息流的良性循环和动态平衡,才能最大限度激 活土壤的自净功能,达到修复目的。

2、可行性原则。包括技术可行性、经济可行性。技术可行性是指修复工程设计方案中的技术应满足先进性、实用性、可操作性、可实施性等要求。经济可行性是指修复工程的技术成本、项目运行成本低,可被接受,工程具有投入成本低、效益佳的特点。

3、工艺优化原则,也称为整体优化。现代生态学中,整体优化具有协调性、高效性与稳定性三重意义。在污染土壤生态修复中,优化 原则不仅包括以土壤生态系统的自净能力为核心,对修复工程中各种修复方法、影响因子等进行最优化组合和调控,更包括将修复对象的系统内在自净能力和外源增 加的净化功能有机结合,寻求投入的最小化和效果的最大化之间的优化。

4、因地制宜原则。自然生态系统的复杂性和多样性导致了地理空间上的高度多样性。而生态修复作为一个客观存在的生态工程工艺实体,与所处地域的自然环境和污染特征密切联系，因而污染土壤生态修复必须根据时空变化和不同的环境条件产生不同的生态修复工艺,表现出不同的工艺组合、工艺参数与调控方法。

5、安全性原则。工程实施中采用的修复生物及辅助措施不对人体健康造成威胁,不向土壤引入病原微生物或有毒害物质；修复过程和结果中土壤本身的生态安全性；修复工程环境效应的安全性,即修复工程的措施应实现对地上植物、地下水、空气等无有毒害二次污染物的产生。

四、污染土壤生态修复方法的应用

由于污染土壤生态修复影响因素较多,在实际的应用中并不容易。实际的修复案例中,通常先采用物理、化学、工程等措施,改良基础环境条件,再进行以植物、微生物为中心的生物修复。

1、美国康涅狄格州(Connecticut)的锡姆斯伯里地区：美国Edenspace Systems公司是一家从事污染土壤和水体修复工作的公司。1998年该公司对位于美国康涅狄格州(Connecticut)的锡姆斯伯里地区 (Simsbury),一块面积约0.95hm?的Pb污染土壤进行了植物修复(USEPA，2000)。该地的Pb污染是Ensign- Bickford公司的空场燃烧和爆炸导致。调查发现平均总Pb浓度635mg·kg-1,个别地点Pb浓度高达1000—4000 mg·kg-1。该地土壤为粉沙壤土, pH6.5—7.5。每年4—10月生长季节,土壤含水量饱和。Edenspace Systems公司采取的措施主要是: 1)增施氮、磷、钾肥提高土壤肥力,采用白云石石灰调节土壤pH；2)石灰和肥料施加深度为15—20cm,建立喷灌灌溉系统使土壤保持湿润；3)种植印度芥菜(Brassica juncea)和朝阳花(Helianthusanuus)；4)通过喷灌系统增施叶肥。6个月后发现,土壤中总Pb浓度下降到478mg·kg-1。在 芥菜和朝阳花干重中Pb的平均积累量达到1000mg·kg-1。 Edenspace Systems公司选取的修复方法是以植物提取为中心,以施肥、施加石灰以及建立喷灌系统等措施为辅助。整个方法实现了植物、物理、工程等措施的有机结合。从修复过程而言,首先是调查了解土壤基本性质和污染情况;其次是通过施肥、施加石灰以及建立喷灌系统等农艺、物理、工程等措施改善基础环境;再次是采用芥菜和朝阳花进行植物提取修复,并在修复过程中通过灌溉系统喷施叶肥,为植物生长提供营养物质,增加植物生物量的同时也促进了植物的修复效率。最终实现了对Pb污染土壤的成功修复,提高了土壤的服务功能。

2、陈旧型油盐污染土壤生物修复场地试验：张坤等(2008)在2006—2007年开展了面积7000m?的陈旧型油盐污染土壤生物修复场地试验。该场地污染主要是石油管线泄漏、废弃井、井台落地油等导致。调查发现,污染土壤中石油烃含量为0.5%—1.0%,土壤全盐含量平均为4.4g·kg-1,为正常耕地的4—6倍。他们采用了微生物和物理化学措施组合的修复方法。具体措施为：1)通过机械翻耕措施在浅层和深层土壤间构建疏松麦秸层,施加硫酸钙GaSO4后用地下水和自然降水冲洗浅层盐离子进行洗盐。2)向土壤中增施氮肥和磷肥。3)接种真菌C·echinulata和细菌E·cloacae,定期机械翻耕土壤增加土壤的通透性。4)种植小麦。监测发现,洗盐措施能有效清除土壤中的盐离子,接种外源微生物后土壤中总石油烃去除率达到67%。土壤各项理化指标达到或接近正常耕地的水平,小麦产量和品质也显著性恢复。该案例针对场地土壤中存在较严重的油盐复合污染的情况,以外源微生物为中心,以增施麦秆、GaSO4、冲洗盐离子、翻耕、施肥等物理和农业措施为辅 助,取得了非常好的修复效果。从修复过程来看,先通过施加麦秆、GaSO4和洗盐等措施,达到改善土壤基础环境的目的。增施肥料即改善了土壤性质,也为外源微生物提高了营养物质。然后以外源微生物降解为主来实现对土壤中总石油烃的生物降解,最终达到修复的目的。该方法各措施之间有机结合、互相促进,如麦秸 转化产物既能吸附重金属离子还能为外源石油烃降解微生物提供碳源等。对小麦产量和品质的分析证明,该方法成功的恢复了土壤的服务功能,实现了污染土壤的再利用。

总之,从以上修复案例可以看出,污染土壤修复中表现出的流程为本底调查→改善基础环境→生物修复→效果评价。

五、结论 

污染土壤生态修复的观点实质是一种系统的方法论观点,是对污染土壤生态系统进行修复的系统工程方法。污染土壤生态修复的优化组合方式表现出以植物和微生物为中心,其他措施为辅助的特点。

总之,污染土壤生态修复能实现对土壤复合污染的统筹修复,弥补了现有各种污染土壤修复方法的不足,有望成为污染土壤修复研究的发展趋势,因而加强对污染土壤生态修复的相关研究,进一步充实、完善污染生态修复的理论内容,建立起污染生态修复的理论框架,应是目前的首要任务。

周启星、魏树和、刁春燕   农业环境科学学报2007,26（2）：419

李培军  应用生态学报  2006年4月第17卷第四期