污染土壤生态修复理论内涵的初步探讨

2011-04-22 15:33:42 作者：李培军 孙铁珩 巩宗强 李海波 台培东 来源：应用生态学报 浏览次数：0

1 引 言

当前，我国土壤污染的形式已十分严峻．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近2O多年来，美、德、荷、英等国先后开展了深入的污染土壤修复研究，在物理修复、化学修复和生物修复方面均取得显著进展。在一些技术应用方面已进入到商业化阶段。理论与实践已经证明，土壤污染在一定条件下是可逆的，但需要投入物质和能量；随着科学技术的进步，这种投入量可以降低到经济上接受的程度。

2 污染土壤修复的定义

污染土壤修复通常定义为：实现土壤中有毒有害污染物的转移或转化，消除或减弱污染物毒性，恢复或部分恢复土壤的生态服务功能。污染土壤修复主要有物理修复、化学修复和生物修复3种形式。物理修复：利用污染物与土壤之间，污染土壤颗粒与非污染土壤颗粒之间的物理特性差异，从土壤中分离、去除污染物，物理修复一般有外力或其他能量的投入。化学修复：通过化学方法完成土壤中污染物的降解、转化或固定，从而实现去除或脱毒．化学修复一般有化学品的投入。生物修复：利用环境介质中各种生物，包括植物、动物和微生物对土壤污染物进行吸收、降解或转化，使有害污染物转化为无害物质或降低到可以接受的浓度水平。广义的生物修复可划分为植物修复、动物修复和微生物修复3种类型。

3 污染土壤的生物修复

与传统的物理和化学修复技术相比，土壤生物修复技术主要的特点：1)土壤的物理、化学和生物学特性基本保持不变，一般不破坏植物生长所需要的土壤环境；2)在一定条件下可实现有机污染物的矿化；3)处理形式多样，可根据条件分别采用原位和异位修复方式；4)处理成本通常低于物理和化学方法；5)应用范围广泛，可处理不同类型、不同程度的污染土壤。

由于生物修复具有上述优点，在多数情况下。生物修复被认为是污染土壤修复的主体，在一些多方法联合修复过程中，物理和化学方法多作为预处理工艺出现。例如，当污染土壤中有机物含量过高时，常通过化学分离方法将污染物降低到生物修复可接受浓度，或转化为生物可利用部分，再应用生物方法进行修复。该技术已成功地应用于油田石油污染土壤的修复，通过这种联合修复，不仅可大大减轻生物修复的压力，而且可回收相当数量的再生资源。当土壤主要污染物为氯代烃时，首先应用强还原剂对污染物脱氯。然后应用生物修复方法，可缩短修复周期并提高修复效率。如果土壤中含有较高浓度的挥发性有机污染物如苯、四氯乙烯和低分子量烷烃等，则应先通过物理方法除去该类组分，再使用生物修复方法去除土壤中其他有机污染物。

生物修复方法本身也具有明显的局限性，主要表现在一般情况下，特定微生物只能降解特定类型的有机污染物，对于复合污染土壤，要筛选高效降解微生物可能十分困难。对于有机无机复合污染土壤，无机污染物可能对降解微生物产生毒害作用；2)一些有机污染物如持久性有机物很难被一般的微生物所降解，而在实用规模修复条件下，引进的高效微生物很难同土著微生物竞争而保持所需要的种群和数量；3)并非所有的污染物都能被彻底降解，一些污染物的降解中间产物的生物毒性甚至超过其母体；4)场地和其他环境因素对生物修复效果有很大影响，同物理和化学方法相比，生物修复通常需要更长的时问。

4 生态修复概念提出的意义

由于土壤污染大多属于复合污染，而单一修复方法难以解决土壤复合污染问题，多种修复方法的组合是修复污染土壤的实际需求，两种乃至多种方法的组合已难以用单一的物理、化学、生物名称来描述。用一种统一的方法涵盖多种修复方法，是污染土壤修复理论研究和应用的需要；另一方面，当人们对物理、化学和生物修复给予更多注意时，系统的自我净化功能常常被疏忽。实际上，当污染物浓度限制在一定程度时，单靠系统本身的调节与净化功能可使污染物得以去除。因此，修复方法的优化不仅是不同修复方法之间的优化组合，更包括了系统内在修复功能同外加修复功能的有机结合，其目标是寻求投入的最小量化与修复效果的优化。最后，污染土壤的修复不再以降低污染物浓度为唯一目标，人们对修复目标的描述开始变得更为全面，已将其扩展到生态服务功能的全面恢复，土壤生态功能的恢复要求污染土壤修复过程遵从生态学原理。

国外一种看法认为生态修复(Ecological remediation)即生态恢复(Ecorestoration)。实际上，二者既有共同点又有区别，前者更适合于环境介质而后者多针对生态系统；前者针对污染进行修复，后者主要针对退化进行恢复。从广义上讲，污染也是一种退化，但前者主要以降低污染物浓度为目标，后者主要以植被重新建设为目标。另一种较为普遍的认识就是认为生态修复即生物修复加生态因子调控。实际上，生物修复作为一种有效的修复方法，目前已日趋成熟，许多研究成果出现在专门的杂志，如(Journal of Biore．mediation)和众多相关刊物，生态因子控制已成为其中重要的研究内容。

国内一些研究已开始注意到生态修复的特点。认为生态修复强调生态学原理在修复中的应用．它既不同于植被的生态恢复。也不同于生物修复，是在生物修复基础上各种修复技术的综合，主要涉及各种物理修复、化学修复与生物修复的联合。以及生物修复中微生物修复与植物修复的联合。值得注意的是，国内外生态修复研究只描述了生态修复的一些特点，还没有给出一个明确的生态修复的定义，深入探讨生态修复理论内涵，对于污染土壤修复研究将是一个有益的推动。

5 生态修复的3个原理与3条原则

5.1 3个原理

5.1.1 生物方法与物理和化学方法优化组合原理

实际情况下的土壤污染多属于复合污染，其修复要靠多种方法共同完成。传统的修复方法中，通常是将物理和化学方法作为生物方法的辅助，而生物修复是主体部分，修复目标最终要靠生物修复方法来实现。在生态修复中，生物修复的作用仍然十分重要，但不同方法之间的组合服从于工艺优化原则。

化学—生物联合修复是具有潜力的修复方式。对于植物修复来说，通过使用螯合剂释放被土壤牢固吸附的重金属，可大幅度地提高植物对重金属的吸收和富集能力。达到提高植物修复效率的目的；对于高浓度有机污染土壤。表面活性荆可提高有机污染物的生物可利用性，提高微生物的修复效率。生态修复强调优化组合，以获得最快的修复效果。

5.1.2 土壤生态系统自净功能的激活原理

土壤一植物系统在一定条件下对环境污染具有净化作用。它是一个强有力的活过滤器，在整个生物固中这里的有机体密度最高。生命活动最为旺盛，由于土壤生物的多样性，土壤系统可通过一系列生物地球化学过程，对环境介质中的污染物质实现自净。然而，当污染负荷超过土壤系统本身的净化容量时，该功能将被钝化甚至消失，人为性化、激活土壤系统的净化功能。并实现同外加净化功能的耦合。可使修复效率大大提高，自我净化功能激活的途径可概括为：通过污染物脱毒途径减轻对净化生物的毒害；通过投加营养物改善营养状况；通过调控环境因子改善修复条件。

5.1.3 生态因子调控原理

生态因子调控是污染土壤修复的必要前提，是生态修复的基本特征，是强化修复效果的重要手段，因此大部分污染土壤修复研究都考虑生态因子的调控。相关文献报道很多。例如Gong等提出土壤水分含量是影响植物油淋洗修复多环芳烃的重要因素；Hutchins等利用硝酸盐作为电子受体提高生物修复石油污染土壤和含水层的效果，生态因子可分为生物因子与非生物因子，其中非生物因子即环境因子。包括营养盐、温度、pH值、水分、有害物质浓度和静压力等。每种生物对影响其生长和活动的环境均有一定耐受范围，如果条件超出这种范围，就难以发生对污染物的生物降解作用。生物因子主要是生物之间的协同作用。许多生物降解作用需要多种生物的合作，这种合作在最初的污染物转化和后期的矿化作用中都可能存在。生物协同机制包括；提供生长因子，即一种或多种生物向其他生物提供生长必须物质；分解不完全降解物质；分解共代谢产物和有毒产物，改善其他生物生存的条件，捕食有害生物等。

5.2 3条原则

生态修复属于生态工程范围。现代生态学的3个基本原则可以很好地用来描述生态修复的基本特征。

5.2.1 整体优化

在现代生态学中，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工艺中，不同方法的选择和匹配实现优化，系统内在净化功能与外加净化功能有机结合，方法之间的连接通过耦合实现，具有整体协调性。生态修复高效利用资源，具有能量消耗低和修复周期短的特点。生态修复工艺的稳定性体现在两个方面，一方面表现为抗逆性与耐冲击性，另一方面表现为环境无害与生态安全。

整体优化在一定程度上淡化了预处理与主处理的区分而强调整体修复的效果，它可以是几种不同方法的组合，其修复效果通过生态因子调控实现优化，近年来，淋洗修复、化学固定修复、电动力学修复等方法不断涌现。其中很多方法都有非常好的修复效果，是生态修复的重要组成部分。

5.2.2 循环再生

生产力的飞速发展大大加速了资源的消耗速度，特别是对于不可更新或难以更新资源，循环再生是其可持续利用的唯一途径，因此在污染土壤生态修复中，修复的目标已不仅仅是污染物浓度的降低，还包含了修复对象生态服务功能的恢复。这种服务功能常由于土壤的长期污染或物理和化学修复过程而受到影响，生态修复必须将生态功能恢复考虑在内。生态服务功能恢复的过程中生物方法通常起着极为重要的作用，有时会持续相当时间，可称之为后修复阶段，这也是生态修复能够涵盖物理和化学方法的主要依据。

5.2.3 区域分异

生态修复是一个客观存在的生态工程工艺实体，与所处地域自然环境和污染特征密切联系。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．制定污染土壤修复目标也应该考虑自然条件和修复的用途。合理的修复目标与经济技术指标是实现环境、社会和经济效益统一的前提。一些国家污染控制指标中已把土壤和水体分为敏感利用型和非敏感利用型。对于修复目标来说，这是远远不能满足要求的，修复后的土壤可以有农业、工业、民用建筑和景观等多种用途，而农业用途叉可分为经济作物和粮食种植等。根据区域分异原则制订多级修复基准，是污染土壤生态修复的重要研究内容，具有重要意义和很强的挑战性。

6 展 望

到目前为止，我们只对生态修复的内涵与理论做了初步探讨，同物理、化学和生物修复相比，生态修复的内涵已经有了进一步的拓宽和深化。在我国，污染土壤修复经历了清洁技术、生物修复的历程，已经进入生态修复阶段，可以说。生态修复研究是修复污染环境介质发展与提高的需要，关于生态修复的理论还比较粗浅，但随着研究的深入，一个新的修复理论必将在指导污染土壤修复的实践方面发挥重要作用。