城市重金属污染地块修复的景观植物配置策略研究进展

城市重金属污染地块修复的景观植物配置策略研究进展

　　金属开采冶炼、工业发电、农业活动、废物处理、交通运输等人为活动会产生大量重金属污染。但随着产业结构的调整，一些污染企业退出城市核心区，留下的重金属污染场地存在较大的环境和健康风险，急需修复才能进一步开发改造。

　　植物修复技术是一类成本低廉、无二次污染的可就地进行的重金属污染地块修复技术，适用于污染面积大的地块。近年来的研究发现，部分景观植物能修复重金属污染地块。由于景观植物富集的重金属不会进入食物链，还可赋予污染地块一定的景观价值，因此研究景观植物的修复效果对于提高城市环境质量、调节城市生态系统服务功能都具有重要意义。正因如此，利用景观植物修复城市重金属污染地块也就成为了近年的关注热点。所以，有必要总结景观植物对重金属的耐受性和修复效率的研究进展，探讨景观植物的配置策略。

　　本研究筛选出了可用于城市重金属污染地块修复的景观植物，围绕生物因素和非生物因素分析景观植物的配置策略，为城市重金属污染地块的绿色修复和可持续发展提供参考。

　　l、可用于城市重金属污染地块修复的景观植物筛选

　　植物修复技术的基础是筛选超累积植物。超累积植物是指能在被重金属污染的地块上良好生长，并且有发现其地上部重金属浓度与地下部的比值大于1，植株与土壤重金属浓度的比值也大于。目前，虽然已发现的超累积植物有700余种，但超累积植物应用仍存在一些局限性。首先，超累积植物多数是草本植物或灌木，生物量有限；其次，超累积植物通常只能富集少数几种重金属；最后，在污染地块进行修复，还需考虑气候条件、生长周期等，异地引种难度较大。要想在景观植物中筛选可用于城市重金属污染地块修复的超累积植物难度更大。因此，本研究在前人研究的基础上，筛选出了针对不同重金属的超累积景观植物，以供进一步推动景观植物作为重金属污染地块超累积植物的研究。

　　有些未达到超累积标准的景观植物对重金属也有强大的耐受和解毒能力，可正常生长在重金属污染地块中，该类景观植物可用于与超累积植物进行配置以实现城市重金属污染地块的修复与美化。这类景观植物主要包括花卉草本植物羽衣甘蓝、鸢尾、牵牛、黄蜀葵、紫罗兰等，灌木六月雪、海桐等，乔木旱柳、白榆、银合欢等。

　　另有一些重金属累积能力更弱一点的景观植物凭借其根茎叶系统发达、生物量高等优势也可用于配合配置策略，被认为是潜在替代植物。近年，大量潜在替代植物被发现，包括禾本科的毛竹、黄条金刚竹、阔叶箬竹、菲白竹等。

　　此外，随着有机物与重金属复合污染问题的凸显，对于具有修复复合污染地块的植物越来越受到重视。景观植物中，孔雀菊是重金属Cd的超累积植物，在Cd与苯并芘复合污染的土壤中也长势良好，且依然保持对Cd的超富集能力，而且苯并芘在其体内也能显著富集。金丝垂柳对镉-芘复合污染具有良好的适应性。

　　2、重金属污染地块修复的景观植物配置策略

　　在重金属污染地块进行景观植物配置时，应充分考虑污染地块的生物因素和非生物因素，以保障修复效果与景观效果。首先，应综合乔、灌、草搭配的空间优势，在满足景观需求的同时，植物多样性的增加有利于增强受损生态系统的抵抗力和恢复力，从而提高修复效率；其次，应遵循植物的生物学特性、生态学原理；第三，根据具体的污染地块现状，因地制宜选择景观植物。下面详细论述重金属污染地块进行景观植物配置过程中主要考虑的策略。

　　2.1生物因素

　　2.1.1植物的适应性原则

　　景观植物配置首先应考虑植物对自然环境的适应性，其次要考虑植物对污染胁迫的适应性，也就是植物在经历污染胁迫后对环境适应性的变化。生长在铅锌尾矿上的曼陀罗与未经历污染的对照种群相比对盐害的适应能力变差。生长在富含铅锌重金属矿区土壤上的三色堇，其生殖性状对重金属会表现得更加敏感。已有研究表明，土壤贫瘠、水土流失、土地荒漠化、放射性污染和土壤盐碱化等都会影响植物的生长，所以在植被配置过程中应充分考虑植物对自然环境和污染胁迫的综合适应性。

　　2.1.2植物的多样性和生态位原则

　　土壤生态系统的稳定性包括抵抗力和恢复力两方面。植物多样性是影响稳定性的重要因素。研究表明，植物多样性的增加能促进植物群落生物量增加，有助于提高植物对重金属污染地块的修复效率。蜈蚣草分别与桑树和构树共同种植对As的吸收量比蜈蚣草单独种植显著提高，并且还可提高蜈蚣草的光合作用强度和对As的抗性。同样地，蜈蚣草和蓖麻混种能提高As、Cd污染地块的修复效果；高羊茅和鹰嘴豆混种能提高Cd污染地块修复效果。植物多样性的增加能够促进群落生产力的提高，从而有利于受损生态系统功能的恢复。

　　景观植物配置还应该考虑植物的生态位原则。生态位是指某一种群在一个完整的生态系统中所占据的时间和空间上的位置，及该种群与其他种群发生的相互作用和功能关系。在多种植物共同修复时，应注意利用互利共生原理，使一个物种能从另一物种中获得生存利益，使生态位相互错开，有利于提高生态系统的稳定性。如果选用生态位相互重叠的植物，种群间的相互作用会使植物在资源获取和生存空间上产生竞争或他感抑制作用。此外，应尽可能选用本地物种，因为本地物种对当地自然环境具有较强的适应性，在长期与环境和其他物种的相互适应过程中建立了良好的生态位关系，可避免出现植物竞争、病虫害等负面影响。

　　2.2非生物因素

　　2.2.1  污染重金属种类

　　根据大量调查，不同重金属污染地块周边的优势景观植物总结见表2。根据污染地块的目标重金属污染物，可针对性地选择修复植物。此外，配置时还应从空间上根据景观植物的高度、品种、叶色、花色进行搭配，使乔木、灌木、草本植物形成多层次景观，在时间上应考虑植物的季相搭配。

　　2.2.2土壤物理性质

　　土壤团聚体是土壤的基本单元，是衡量土壤结构、质量、稳定性的重要指标。在我国的城市表层土壤中，重金属Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的含量随土壤团聚体粒径的减小而增加，可见小粒径土壤重金属污染更严重。植物修复可促进土壤小团聚体向大团聚体转化，从而使团聚体稳定性得到改善，相应地提高修复效率。

　　土壤水分除了供给植物生理生化所需外，还能调节土壤氧化还原电位和土壤酸碱度，从而影响重金属的生物有效性及植物对重金属的吸收利用效率。需要指出的是，在我国北方干旱地区的污染地块，降雨稀少、土壤瘠薄、土壤盐碱化等因素可能制约植物修复的进程，对植物进行配置时需要考虑这些制约因素。经实践证明，菊科、禾本科、怪柳科、麻黄科植物具有抗旱、耐盐碱性，可在景观植物配置时使用。

　　2.2.3土壤化学性质

　　土壤酸化能够提高Cd、Pb等重金属的迁移性及生物有效性。植物配置应考虑植物对不同土壤pH的适应性及对重金属的吸收效率。有研究表明，菊芋和蜈蚣草可以分别在轻度和重度酸性土壤中存活，并对重金属有较好的富集作用。

　　盐生植物对盐分和重金属的耐受性有着共同的生理调控机制，使其能够在重金属污染环境中存活。部分土壤中的盐分还是土壤重金属离子从植物根部向茎部转移的关键启动子，所以盐生植物从盐碱地中提取盐分的同时可以积累大量的重金属。经过大量探究发现，禾本科大米草属、黎科滨藜属能够富集污染地块的多种重金属。因此，进行景观植物配置时应考虑盐生植物的适应性（盐生植物分为泌盐盐生植物、聚盐盐生植物和避盐盐生植物）。此外，盐生植物在修复污染地块时，还应注意植物根系环境对修复效果的影响，包括根系分泌物、根际微生物群落组成等。

　　2.2.4土壤肥力

　　土壤有机质是评价土壤肥力的重要指标，其含量和组成对土壤重金属的生物有效性、化学行为及环境效应有重要影响。研究证明，有机质的施加能提高土壤肥力，促进植物在污染土壤中的生长，提高植物的修复效率。

　　氮、磷等营养元素不仅能够促进植物的生长发育，提高生物量，而且对增强植物防御能力、减轻重金属毒害能发挥重要作用。由于重金属污染地块的土壤长期受毒害胁迫，易造成营养元素贫乏，因此施加外源肥料有利于植物生长。氮肥可调节龙葵抗氧化系统和叶片氮同化过程，提高其对Cd的吸收量，增强对Cd的抗性。磷肥能增强蜈蚣草对 As的修复能力，提高李氏禾植株生物量及对Cu、Cr的累积量。种植牧草可有效改善土壤肥力。牧草具有生长快速、生物量大、抗逆性强等特点，除作景观草坪外，累积高浓度重金属的牧草还可用作生物质能源来实现资源的循环利用，避免二次污染。目前，国内外修复重金属污染地块的代表性牧草有紫花苜蓿、多花黑麦草、香根草、百喜草、高羊茅等。

　　3、未来研究展望

　　(1)景观植物富集土壤重金属的植物生理学、分子生物学机制有待开展研究，为修复与美化城市重金属污染地块提供理论指导。(2)除了在污染地块周边调查正常生长的优势植物进行景观植物的筛选外，还可通过室内盆栽、田间试验进行景观植物筛选，以拓宽景观植物筛选的渠道。(3)通过强化措施提高景观植物对土壤重金属的富集能力和耐受性，如添加生物炭、螯合剂、肥料，接种促进植物生长、提高植物抗性的微生物菌剂等。(4)富集重金属后的景观植物生物质处理，应选择合适的无害化和资源化方法，避免造成二次污染。