楊 輝，侯永莉，郝 喆，陳紅丹，延孟孟

(1.遼寧省地礦集團(tuán)生態(tài)修復(fù)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110032；2.遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013；3.自然資源部老礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 沈陽 110013；4.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036；5.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

0 引 言

金屬礦山開采不僅對地形地貌景觀產(chǎn)生影響，并造成地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，還可能會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的水土污染，而金屬礦山的尾礦庫就是其中重要的潛在污染源。一般尾礦庫的有機(jī)質(zhì)含量較低，重金屬含量較高，植物很難生長。當(dāng)遇到風(fēng)雨天，裸露的尾礦砂隨風(fēng)飄揚，極易造成周邊環(huán)境污染和水土流失。因此，對尾礦庫的生態(tài)修復(fù)不僅是國際生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點問題，也是我國當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)所面臨的緊迫任務(wù)[1]。

作為一項涉及面廣、綜合性強(qiáng)的技術(shù)，植物修復(fù)技術(shù)在我國土壤修復(fù)中占有較大的比重。由于世界范圍內(nèi)植物種類繁多，資源非常豐富，所以利用植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)具有巨大的潛力。近些年來，在工礦廢棄地土壤改良及場地污染治理的研究和實踐中，植物修復(fù)技術(shù)相對于以往傳統(tǒng)的物理修復(fù)及化學(xué)修復(fù)等方式，是最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的解決方式，也逐漸成為我國礦山環(huán)境治理和尾礦庫生態(tài)修復(fù)的重要方法。當(dāng)下，隨著礦產(chǎn)資源逐漸枯竭或政策性關(guān)停等原因，加之缺乏有效的監(jiān)管措施與制度，廢棄尾礦庫帶來的礦山環(huán)境問題極為嚴(yán)重，大量廢棄尾礦庫亟需修復(fù)治理。本文針對鐵尾礦廢棄地的植物修復(fù)相關(guān)問題開展系統(tǒng)綜述，為尾礦廢棄地環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)提供重要參考。

1 植物修復(fù)技術(shù)定義及類型

1.1 植物修復(fù)技術(shù)定義

生物修復(fù)指利用動植物或微生物的生命活動來影響和改變土壤的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，生物修復(fù)還具有降解、吸收或富集水土中污染物質(zhì)的能力[2]。生物修復(fù)依據(jù)參與修復(fù)的生物種類，可分為植物修復(fù)、動物修復(fù)及微生物修復(fù)等。在水土污染修復(fù)過程中，植物修復(fù)投資較小且操作簡單，不僅可以改善地形地貌、保持水土、改良水土環(huán)境，還可以借此開發(fā)旅游景觀、發(fā)展農(nóng)林經(jīng)濟(jì)，相對于其他物理修復(fù)措施和化學(xué)修復(fù)措施具有成本低、見效快等優(yōu)勢。

美國國家環(huán)境保護(hù)局(EPA)將植物修復(fù)技術(shù)定義為利用植物提取、吸收分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害物質(zhì)技術(shù)的總稱[3]，包括水生植物修復(fù)和土壤的植物修復(fù)兩類?？刹捎弥参锔H過濾及生物降解技術(shù)、人工濕地構(gòu)建技術(shù)、植物固化技術(shù)、植物蒸發(fā)技術(shù)以及植物收割提取技術(shù)等對工礦廢棄地土壤進(jìn)行修復(fù)[4]。

綜上所述，植物修復(fù)技術(shù)可以概括為利用不同植物類型對自然環(huán)境進(jìn)行改善和優(yōu)化，以達(dá)到相應(yīng)目的的有關(guān)技術(shù)。

1.2 植物修復(fù)技術(shù)類型

在植物生長的過程中，其對污染物的作用機(jī)理不同，修復(fù)過程也不同，大體可分為四種類型。①植物降解修復(fù)，指通過植物的生長代謝而對污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化和降解，魏樹和[5]的研究表明，這種類型對結(jié)構(gòu)比較單一的有機(jī)污染物土壤修復(fù)效果顯著，這可能因為某些植物可以分泌專一性降解酶。其方式主要有兩種：一種是植物將污染物吸收后貯藏在體內(nèi)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化；另一種是植物根部的分泌物或微生物可直接將有機(jī)污染物進(jìn)行分解。②植物提取修復(fù)，指通過植物種植及其生長，在植物根系、莖葉等組織中吸收、積累、富集某種重金屬元素，最后通過植物的收割和集中處理來完成重金屬污染治理的技術(shù)，其重點是對超富集特征植物的篩選和研究。③植物揮發(fā)修復(fù)，指在一些揮發(fā)性污染物治理中，如易揮發(fā)性元素汞的土壤污染修復(fù)中，利用植物生長將土壤中的揮發(fā)物釋放和轉(zhuǎn)化的一種方式。如石杰等[6]的研究表明，煙草能將二價汞轉(zhuǎn)化為毒性較小的氣態(tài)汞。④植物穩(wěn)定修復(fù)，指利用植物來穩(wěn)定和積累污染物質(zhì)，使污染物質(zhì)不會因為物質(zhì)循環(huán)和水土流失而引起遷移和擴(kuò)散的方式。這一類植物主要針對重金屬污染土壤，其對重金屬或有機(jī)污染物具有很高的耐受性[7]。

2 植物修復(fù)技術(shù)國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

在20世紀(jì)30年代，美國最早開始利用植物對廢棄尾礦庫進(jìn)行土壤改良。20世紀(jì)50—70年代，學(xué)者們已經(jīng)開始熱衷于植物的耐重金屬研究，并初步得知了植物忍耐重金屬的機(jī)理，也相應(yīng)提出了如排除機(jī)制、重金屬進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)機(jī)制、滲透調(diào)節(jié)機(jī)制等機(jī)制原理[8]。 20世紀(jì)70—90年代初，學(xué)者們開始重點關(guān)注超累積植物的研究[9]。 英國BROOKS博士是提出植物修復(fù)概念的首批科學(xué)家之一，BROOKS等[10]在1977年首先提出“pyperaccumulator”這一概念，并研究發(fā)現(xiàn)了近50種十字花科庭芥屬植物對Ni有超富集特征。與此同時，其他金屬如Cu、Co、Mn、Pb、Se、Cd、Zn的超富集植物也相繼被發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)90年代后，學(xué)者們開始運用分子生物學(xué)和遺傳學(xué)等生物技術(shù)手段將轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入到生物量大的超富集植物中，用以提高植物的修復(fù)效率[11]。目前，國際上報道的重金屬超富集植物有500多種。

在工礦廢棄地生態(tài)修復(fù)方面，植物修復(fù)技術(shù)也成為該領(lǐng)域研究的重點。例如，在澳大利亞露天礦生態(tài)重建中，研究人員主張要保持植物種質(zhì)多樣性及血統(tǒng)，防止外來物種入侵、提高種子質(zhì)量，并提出了包括植物物種優(yōu)選、土壤基底重構(gòu)、表土覆蓋、播種和維護(hù)管理等全過程的植被重建技術(shù)。阿根廷的研究人員提出了包括物種選擇、胚質(zhì)生產(chǎn)、幼苗撫育、苗木生產(chǎn)、土壤重構(gòu)、構(gòu)建群落以及植被養(yǎng)護(hù)等干旱礦區(qū)植被重建關(guān)鍵技術(shù)。植物穩(wěn)定化和植物輔助提取技術(shù)在廢棄礦山修復(fù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，意大利學(xué)者ALESSIA等[12]將植物穩(wěn)定化和輔助植物提取技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)廢棄地的修復(fù)，可在不改變土壤和景觀特征的前提下實現(xiàn)礦區(qū)廢棄地的修復(fù)，其研究結(jié)果表明，雙色堇由于其對金屬的耐受性而成為最適合植物修復(fù)的植物。美國學(xué)者JULIANA等[13]在植物修復(fù)大氣環(huán)境方面也進(jìn)行了研究，其開展的植物修復(fù)田間試驗研究結(jié)果表明，植物修復(fù)技術(shù)可有效減少尾礦庫粉塵排放和尾礦庫風(fēng)蝕污染物的運輸。印度學(xué)者KUMAR等[14-15]對聚金屬草-豆科植物組合在植物修復(fù)礦山廢棄物的促進(jìn)作用方面開展研究，其研究結(jié)果表明，草-豆科植物具有富集金屬能力，是金屬轉(zhuǎn)運的潛在屏障，且有助于植物修復(fù)礦山廢棄物。另外，LI等[16]在紫外線輻射對南極植物修復(fù)的影響方面也有所研究。

綜上可知，近年來，在植物修復(fù)領(lǐng)域，國外研究熱點主要集中在土壤和植物相互作用機(jī)理、本土物種保持與特定污染的土壤修復(fù)技術(shù)以及植被自然恢復(fù)和人工修復(fù)選擇標(biāo)準(zhǔn)及效果評價等方面。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)學(xué)者針對植物修復(fù)領(lǐng)域進(jìn)行過許多探索和研究，但總體上，在植物修復(fù)方面我國尚處于起步階段。國內(nèi)學(xué)者自1999年開始，發(fā)現(xiàn)蜈蚣草對砷具有富集能力，東南景天對鋅具有超富集能力。近年來，中國科學(xué)院植物研究所何振艷等[17-19]研究揭示了蜈蚣草砷超富集機(jī)理及其調(diào)控分子網(wǎng)絡(luò)。對國內(nèi)植物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，植物修復(fù)大體上可分為植物降解修復(fù)、植物提取修復(fù)、植物揮發(fā)修復(fù)和植物穩(wěn)定修復(fù)等四種基本類型。在廢棄礦山環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的實踐中，國內(nèi)學(xué)者在耐性植物修復(fù)廢棄地、植物對土壤重金屬修復(fù)、先鋒植物選擇等方面都有相應(yīng)的研究進(jìn)展，推動了國家生態(tài)修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

2.2.1 耐性植物修復(fù)廢棄地方面

在耐性植物修復(fù)廢棄地方面，耐瘠薄、耐鹽堿的植物研究也較多。眾多研究表明[20-24]，在耐干旱、耐瘠薄土壤植被恢復(fù)中，較常用的植物種類有沙棘、紫穗槐、桑樹、亮葉樺、構(gòu)樹、白茅、狗尾草等。在酸堿地植被恢復(fù)中，較常用馬尾松、側(cè)柏、云杉、旱柳、銀白楊、毛榆、檉柳、沙棗等植物[25]。陳偉等[11]研究發(fā)現(xiàn)，選用馬尾松、茶樹、香根草、五節(jié)芒組合的喬灌草復(fù)層群落結(jié)構(gòu)可對酸性較強(qiáng)的亞熱帶高嶺土礦區(qū)進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)。

2.2.2 植物修復(fù)土壤重金屬方面

在尾礦廢棄地治理中，植物修復(fù)相對于傳統(tǒng)的客土復(fù)墾、化學(xué)固定等修復(fù)方式是最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的解決方式。無論植物修復(fù)采取何種方式，利用何種原理，都要求所選用的植物具有耐瘠薄、抗干旱、耐重金屬等生物學(xué)特性。而尾礦廢棄地植物修復(fù)的目標(biāo)是重建具有豐富物種多樣性、保持水土、防風(fēng)固沙等多功能的生態(tài)系統(tǒng)。隨著植被群落的建立，植物、動物、微生物種群不斷恢復(fù)，尾礦廢棄地土壤理化性質(zhì)得到持續(xù)改善，土壤的改良又促進(jìn)了植物群落的良性發(fā)展。徐學(xué)華等[26]研究表明，通過植被恢復(fù)可以改良土壤結(jié)構(gòu)，使尾礦土壤熟化過程加速，植被群落的重建是鐵尾礦區(qū)土壤修復(fù)的重要手段和途徑。

在植物修復(fù)土壤重金屬方面，張波等[27]、李若愚等[28]和王英輝等[29]總結(jié)了植物對土壤重金屬的超富集作用，篩選出30余種重金屬超富集植物。其中，蜈蚣草表現(xiàn)為As的超富集植物，鴨跖草表現(xiàn)為Cu的超富集植物，東南景天表現(xiàn)出對Pb具有富集能力和耐性，商陸科植物商陸和山茶科植物木荷表現(xiàn)出對Mn的超富集特性，寶山堇菜是Cd超富集植物。

在對湖南省湘潭錳礦業(yè)廢棄地自然定居植物調(diào)查中，劉茜等[30]發(fā)現(xiàn)，商陸、燈心草、廖科的土荊芥、禾本科的狗牙根、菊科的野茼蒿和一年蓬等草本植物可以很好地穩(wěn)定和吸收礦業(yè)廢棄地中的重金屬。在福建省三明市典型金屬礦區(qū)土壤重金屬污染調(diào)查中，王學(xué)禮[31]發(fā)現(xiàn)，木賊科的筆管草和禾本科的五節(jié)芒等對重金屬有較強(qiáng)的穩(wěn)定富集作用，對修復(fù)鉛、鎘污染的土壤具有潛在的應(yīng)用價值。

針對工礦廢棄地中的尾礦庫治理研究，李向敏等[32]對衡陽市某鉛鋅礦尾礦區(qū)進(jìn)行植被調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)艾蒿、鴨跖草、野大豆、辣蓼等植物對Zn、Cu、Pb等重金屬均表現(xiàn)出較高的富集性。在Pb、Zn含量較高的尾礦區(qū)，選用多種類、轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)較高的植物進(jìn)行土壤改良和生態(tài)修復(fù)，將會表現(xiàn)出較好的修復(fù)效果。

2.2.3 先鋒植物選擇方面

目前，礦山尾礦庫的治理恢復(fù)研究較多，關(guān)注重點是通過植物種植修復(fù)的方式來保持水土、改良土壤、減少重金屬污染。在自然界，一些植物種類對尾礦砂具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗性，對重金屬具有獨特的抗性，這些植物可吸收、富集水土中的污染物，成為尾礦庫廢棄地恢復(fù)中的先鋒植物。這類植物以降解、提取、固定、揮發(fā)等方式去除或降低土壤中的重金屬含量，再通過人工收割植物的地上植物體，可有效降低土壤中的重金屬含量[33]。

在選擇先鋒植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)方面，豆科植物特別是一些有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物，具有較強(qiáng)的耐受性和適應(yīng)性，是理想的先鋒植物。王婧靜[34]的研究表明，豆科植物具有固氮作用，可使土壤中的氮積累大幅度提高，以此來適應(yīng)被污染的土壤。另外，一些非豆科植物如胡頹子科的沙棘和馬桑科灌木馬桑等也具有固氮能力，可作為先鋒植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。在鹽堿地土壤改良研究中發(fā)現(xiàn)，隨著適應(yīng)性植被種植年限的增長，土壤的理化性質(zhì)和肥力也相應(yīng)地穩(wěn)步改善[35]。此外，楊曉艷等[36]的研究表明，禾本科的白茅、蓼科的水蓼、鐵線蕨科的鐵線蕨等也可作為先鋒植物進(jìn)行廢棄地復(fù)墾及生態(tài)修復(fù)。在浙江省海寧縣鼠尾山露采廢棄礦山環(huán)境治理中，選擇豆科的美麗胡枝子、紫穗槐、紫花苜蓿、白三葉、馬棘以及禾本科的高羊茅、狗牙根等灌木和草本混合種子進(jìn)行噴播，產(chǎn)生了較好的修復(fù)效果[37]。

何明珠等[38]的研究表明，植被定植后可有效改善尾礦廢棄地的土壤理化性質(zhì)。如刺槐在鐵尾礦上定植后，尾礦土壤中的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量顯著提高；而固氮菌數(shù)量、解磷菌數(shù)量和土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性也顯著上升。種植花生、大豆、高粱等農(nóng)作物可以改善鐵尾礦的理化性質(zhì)。此外，紫花苜蓿、三葉草、墨西哥玉米、野燕麥、黑麥草、狗尾草等草本植物可有效提升鐵尾礦的養(yǎng)分含量。張俊英等[39]研究表明，豆科的楊柴和檸條以及胡頹子科的沙棗等植物根系能很快適應(yīng)鐵尾礦廢棄地環(huán)境，而在提升鐵尾礦養(yǎng)分及微生物數(shù)量方面，楊柴和沙棗效果更好，更有優(yōu)勢。石娟華等[40]的研究表明，沙棘和桑樹組成的喬灌混交林，根系交叉分布相互補(bǔ)償，是尾礦砂上直接植被恢復(fù)模式之一，在鐵尾礦庫區(qū)生態(tài)修復(fù)中也是最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保，值得推廣的模式之一。宋鳳敏等[41]研究發(fā)現(xiàn)，禾本科的白茅對鐵尾礦環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，其生長的同時為其他物種提供適宜的小環(huán)境。野外調(diào)查和試驗表明，白茅對Mn、Ni和Cd具有較強(qiáng)的耐受性，可作為先鋒物種用于鐵尾礦庫區(qū)的污染土壤治理和植被恢復(fù)。更有研究表明[42-45]，紫穗槐對尾礦表層結(jié)構(gòu)改良作用明顯，因其生長速度快，根系發(fā)達(dá)，且為豆科固氮植物，所以對尾礦改良效益突出。作為常綠灌木的沙地柏，能夠有效增加尾礦庫區(qū)的綠色景觀，其縱深發(fā)展的根系也可改良土壤。因此，在尾礦區(qū)種植紫穗槐與沙地柏混交林可以更好地起到尾礦土壤生態(tài)修復(fù)的效果。

3 結(jié) 論

1) 植物修復(fù)技術(shù)作為污染防治和生態(tài)修復(fù)的重要手段，不僅操作簡便，而且兼具美化景觀的功能，越來越受到相關(guān)方的高度重視，被認(rèn)為是最具前途的生物修復(fù)技術(shù)之一。目前，在富集植物篩選、植物修復(fù)效果評價、養(yǎng)護(hù)管理及后期收集等方面還有待進(jìn)一步的研究與完善。

2) 針對鐵尾礦廢棄地的植物修復(fù)，首先需要進(jìn)行當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)本底調(diào)查，根據(jù)不同的立地條件，選擇適應(yīng)性強(qiáng)、耐瘠薄、耐干旱、耐重金屬污染的鄉(xiāng)土植物來重建尾礦廢棄地生態(tài)系統(tǒng)。在植物群落建立、先鋒物種選擇及植物搭配等方面進(jìn)行如下總結(jié)：①在植物群落建立方面，盡可能多地利用喬木、灌木、草本的搭配形成多樣的復(fù)層結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到相互補(bǔ)充的效果；②在先鋒物種選擇方面，選擇具有固氮能力的豆科植物具有較好的效果，以實現(xiàn)群落的快速演替；③在植物搭配方面，盡量考慮常綠樹種和落葉樹種、一年生和多年生、深根性和淺根性等不同的組合模式。

3) 植物修復(fù)技術(shù)在尾礦廢棄地修復(fù)中也面臨幾大難題。第一，絕大多數(shù)重金屬耐受植物生長周期較長，植物生物量較小，因此如何選擇最為適合、更為高效的修復(fù)植物需要進(jìn)一步研究。第二，在尾礦庫廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中添加有機(jī)肥、生物炭、微生物菌劑等會使重金屬分布不均，從而降低植物對重金屬的吸收效率。第三，修復(fù)尾礦廢棄地的植物收集和處理主要是借鑒廢棄物的處置方法，如何避免二次污染的產(chǎn)生還需更系統(tǒng)、深入地開展植物回收的技術(shù)原理研究。第四，修復(fù)植物組成的群落如何演替和更新，如何加入正向演替最終形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，植物群落對重金屬離子和地下水的影響等都需要進(jìn)一步探討。因此，如何將植物學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程、地質(zhì)學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，通過學(xué)科的交叉來研究建立一種更加高效、穩(wěn)定、可持續(xù)的生態(tài)修復(fù)模式迫在眉睫。