劉　凱　張　健　楊萬勤　吳福忠　劉　洋

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,四川雅安 625014)

摘　要：討論了污染土壤生態(tài)修復(fù)的理論內(nèi)涵、修復(fù)方法的優(yōu)化組合及其應(yīng)用案例。將污染土壤生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)拓展為:目標(biāo)污染物降低到可接受程度、土壤生態(tài)毒理性降低到可接受程度、部分恢復(fù)或全部恢復(fù)土壤的生態(tài)服務(wù)功能。歸納出污染土壤生態(tài)修復(fù)的5個特點、5個原則。初步提出污染土壤生態(tài)修復(fù)方法優(yōu)化組合的原則。污染土壤生態(tài)修復(fù)方法優(yōu)化組合表現(xiàn)出以植物、微生物為中心,具有同步組合和階段組合兩種組合方式的特點。污染土壤生態(tài)修復(fù)的實際案例中,修復(fù)表現(xiàn)出以下流程:本底調(diào)查→改善基礎(chǔ)環(huán)境→生物修復(fù)→效果評價。目前,雖然各方法或措施間的優(yōu)化組合是污染土壤生態(tài)修復(fù)研究的重點,但對于優(yōu)化組合方式中各要素間的作用機(jī)理等內(nèi)容的研究還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。此外,促進(jìn)研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化也是污染土壤生態(tài)修復(fù)必然要面臨的問題。進(jìn)一步充實、完善污染生態(tài)修復(fù)的理論內(nèi)涵,建立起污染生態(tài)修復(fù)的理論框架,應(yīng)是目前的首要任務(wù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)修復(fù)；污染土壤；理論內(nèi)涵；優(yōu)化組合

土壤是環(huán)境中各種污染物的最終容納體之一,土壤污染的機(jī)理及其修復(fù)是近20年來環(huán)境科學(xué)研究的熱點之一。目前國內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在重金屬、多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、農(nóng)藥和石油烴等污染土壤的修復(fù)上,提出的理論和技術(shù)上可行的修復(fù)方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等。生物修復(fù)是通過利用生命系統(tǒng)的活動,實現(xiàn)受限制和管理的環(huán)境中需要的物理和化學(xué)的變化,使土壤中的有害污染物得以去除,土壤質(zhì)量得以提高或改善的過程,包括微生物修復(fù)、植物修復(fù)和動物修復(fù)等(Cacciatore&McNei,1995；李法云等,2003)。生物修復(fù)相對物理和化學(xué)修復(fù),具有低成本、低耗能、安全可靠、有害次生污染物少,且可用于修復(fù)工業(yè)固液體廢物、城市廢棄物、含重金屬的礦物廢料、化學(xué)泄露物、有毒害廢物等多種污染物的優(yōu)點(Sen& Chakrabart,2009),引起廣泛的關(guān)注。然而生物修復(fù)針對的多是某一種或一類污染物,而土壤污染通常是多種污染物共同作用的結(jié)果,單一的采用某種修復(fù)方法難以解決土壤復(fù)合污染修復(fù)的問題,因此需要用多種方法聯(lián)合修復(fù)污染土壤(Semer&Reddy,1996；李培軍等,2006,2006)。近年來,基于生物修復(fù)的理論和技術(shù),研究者提出了生態(tài)修復(fù)的觀點和方法。

污染生態(tài)修復(fù)(ecological remediation)是指在生態(tài)學(xué)原理的指導(dǎo)下,以生物修復(fù)為基礎(chǔ),結(jié)合各種物理、化學(xué)、工程技術(shù)等措施,通過優(yōu)化組合,使之達(dá)到最佳效果和最低耗費的一種綜合的修復(fù)污染環(huán)境的方法(周啟星等,2006,2007)。目前,國外主要是對生物修復(fù)概念表述內(nèi)容的研究,類似生態(tài)修復(fù)概念表述的文章甚少。國內(nèi)對污染生態(tài)修復(fù)的研究內(nèi)容包括：生態(tài)修復(fù)與生物修復(fù)、生態(tài)恢復(fù)等概念的辨析(李培等,2006；周啟星等,2007)；生態(tài)修復(fù)的理論依據(jù)、原則、特點的討論(李培軍等,2006；周啟星等,2007)；生態(tài)修復(fù)過程所涉及的修復(fù)目標(biāo)、過程監(jiān)控、結(jié)果評價等方法的探討(殷培杰和李培軍,2007)；生態(tài)修復(fù)中生物、物理、化學(xué)等修復(fù)方法優(yōu)化組合的探索等(Luepromchaiet al.,2002；Goietal.,2006；Shinetal.,2006；Zaidietal.,2006；殷培杰和李培軍,2007；周啟星等,2007)。其中,各修復(fù)方法的優(yōu)化組合是目前生態(tài)修復(fù)研究的熱點和難點?？傮w而言,污染生態(tài)修復(fù)的研究尚處于基礎(chǔ)階段,其理論框架、優(yōu)化組合方式和修復(fù)過程等內(nèi)容的研究還在探索中。污染生態(tài)修復(fù)包括土壤修復(fù)、水體修復(fù)和大氣修復(fù)等。本文僅針對土壤系統(tǒng),從系統(tǒng)觀的角度,討論了污染土壤生態(tài)修復(fù)的理論內(nèi)涵、各修復(fù)方法的優(yōu)化組合及其在實際案例中的應(yīng)用。

1  污染土壤生態(tài)修復(fù)的理論內(nèi)涵

1.1 污染土壤生態(tài)修復(fù)的概念

污染生態(tài)修復(fù)、生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)等概念在認(rèn)識上容易混淆,其辨析可參考文獻(xiàn)李培軍等(2006)、周啟星等(2007)。一般來說,生物修復(fù)著重于研究如何高效利用植物、動物、微生物等生命體,消減或清除環(huán)境中的污染物質(zhì),其著眼于具體的修復(fù)過程,屬于具體的修復(fù)方法研究。污染生態(tài)修復(fù)則是以生物修復(fù)為基礎(chǔ),研究如何將生物修復(fù)、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)、工程技術(shù)及環(huán)境因子(如土壤水分、養(yǎng)分、pH值、氧化還原狀況、氣溫、濕度等)有效結(jié)合或最優(yōu)化組合,最大限度激活生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能,實現(xiàn)對污染物所處環(huán)境的系統(tǒng)修復(fù)。污染生態(tài)修復(fù)的觀點實質(zhì)是一種系統(tǒng)的方法論觀點,是對污染生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的系統(tǒng)工程方法(殷培杰和李培軍,2007)。

污染土壤生態(tài)修復(fù)是針對被污染的土壤生態(tài)系統(tǒng),以生物修復(fù)技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合物理、化學(xué)、工程技術(shù)等理論和方法,最大限度的激活土壤生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能,實現(xiàn)轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化、清除或消減土壤中的有毒有害物質(zhì),提高土壤的生態(tài)安全性、恢復(fù)或部分恢復(fù)土壤服務(wù)功能的方法。污染土壤生態(tài)修復(fù)的創(chuàng)新性不在于各種修復(fù)方法和技術(shù),而在于因地制宜對各種修復(fù)方法的優(yōu)化組合、各修復(fù)環(huán)節(jié)的最優(yōu)化銜接,以及重視生物和環(huán)境影響因子的調(diào)控作用。

1.2 污染土壤生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)

污染土壤生態(tài)修復(fù)的首要目標(biāo)是目標(biāo)污染物的消減或清除。但目標(biāo)污染物的消減或清除不能作為污染土壤生態(tài)修復(fù)的唯一目標(biāo)。原因如下：1)土壤生境類型多樣,不同類型中土壤元素的環(huán)境背景值、污染物的種類、性質(zhì)、分布、遷移、降解、人類活動干擾的時間和強(qiáng)度等均存在差異,因而不能以單一固定的標(biāo)準(zhǔn)衡量復(fù)雜多樣的土壤生境污染情況。2)目標(biāo)污染物的消減或清除,并不能表明土壤生態(tài)毒理性的降低和生態(tài)安全性的提高。研究證明,有機(jī)污染土壤修復(fù)過程中可能產(chǎn)生毒性更強(qiáng)的次生污染物(孫鐵珩等,1999；Knokeet al.,1999；Romantschuketal.,2000；宋玉芳等, 2004)3)污染土壤生態(tài)修復(fù)是一項系統(tǒng)工程,涉及技術(shù)成本、項目運行成本、土地再利用等,因此對修復(fù)后土壤的生態(tài)及生產(chǎn)效益、棲息功能提出要求。土壤服務(wù)功能的恢復(fù)也成為污染土壤生態(tài)修復(fù)的延伸目標(biāo)。

因此,將污染土壤生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)拓展為3方面：1)目標(biāo)污染物降低到可接受程度。根據(jù)研究區(qū)域土壤背景值、相關(guān)法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、土壤生態(tài)安全、目標(biāo)實現(xiàn)的可能性、經(jīng)濟(jì)可承受能力等情況制定具體的目標(biāo)污染物修復(fù)值。2)土壤生態(tài)毒理性降低到可接受程度。3)恢復(fù)或全部恢復(fù)土壤的生態(tài)服務(wù)功能(李培軍等,2006a,2006b)。

1.3 污染土壤生態(tài)修復(fù)的特點和原則

相關(guān)文獻(xiàn)對污染土壤生態(tài)修復(fù)的特點、原則的內(nèi)容在認(rèn)識上各有不同。周啟星等(2006,2007)、崔爽和周啟星(2008)、Zhou和Hua(2004)等將其特點總結(jié)為3點：1)遵循循環(huán)再生、和諧共存、整體優(yōu)化、區(qū)域分異等生態(tài)學(xué)原理；2)影響因素多而復(fù)雜；3)多學(xué)科交叉和融合。李培軍等(2006)提出了3個原理(生物方法與物理和化學(xué)方法優(yōu)化組合原理、土壤生態(tài)系統(tǒng)自凈功能的激活原理、生態(tài)因子調(diào)控原理)與3條原則(整體優(yōu)化、循環(huán)再生、區(qū)域分異)。殷培杰和李培軍(2007)認(rèn)為POPs(persistentorganic pollutants)污染土壤生態(tài)修復(fù)原則應(yīng)為4點：1)污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的自凈功能是生態(tài)修復(fù)的基礎(chǔ)；2)生物代謝過程、理化技術(shù)和環(huán)境因素的耦合是生態(tài)修復(fù)得以發(fā)揮作用的關(guān)鍵；3)修復(fù)過程和結(jié)果必須是生態(tài)安全的；4)以恢復(fù)污染土壤生態(tài)系統(tǒng)的原有服務(wù)功能為宗旨。污染土壤生態(tài)修復(fù)的實質(zhì)是對污染土壤生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的系統(tǒng)的生態(tài)工程方法,而生態(tài)工程設(shè)計原則主要有：生態(tài)學(xué)原則、因地制宜原則、系統(tǒng)功能需求的獨立性原則、能流和信息流的高效率原則、設(shè)計的價值和目標(biāo)的體現(xiàn),以及能量標(biāo)簽原則、系統(tǒng)自組織原則、預(yù)適應(yīng)性原則等(Bergenetal.,2001；Kangas,2004)。

考慮到“特點”、“原則”兩詞的本意內(nèi)涵,污染土壤生態(tài)修復(fù)的特點應(yīng)指污染土壤生態(tài)修復(fù)方法同其他方法相比所具有的不同或獨到之處。原則應(yīng)指污染土壤生態(tài)修復(fù)方法所依據(jù)的相關(guān)理論等。據(jù)此歸納出污染土壤生態(tài)修復(fù)的特點和原則。

(1)污染土壤生態(tài)修復(fù)的特點。

①污染物的復(fù)合性。土壤污染常表現(xiàn)為多種污染物的復(fù)合污染。污染土壤生態(tài)修復(fù)概念提出的目的之一,在于實現(xiàn)對復(fù)合污染土壤中各種污染物的綜合修復(fù)。

②修復(fù)方法的多樣性和綜合性。污染土壤生態(tài)修復(fù)方法是物理、化學(xué)、生物修復(fù)等方法的優(yōu)化組合。物理修復(fù)方法有物理分離技術(shù)、蒸汽浸提技術(shù)、固化/穩(wěn)定化技術(shù)等；化學(xué)修復(fù)方法有化學(xué)淋洗技術(shù)、溶劑浸提技術(shù)、化學(xué)氧化技術(shù)等；生物修復(fù)方法包括植物修復(fù)、動物修復(fù)、微生物修復(fù)等(Arthuretal.,2005；周啟星等,2006；Lestanet al. 2008)。在污染土壤的生態(tài)修復(fù)中又要借助工程技術(shù)措施,對各種修復(fù)方法采用工藝優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化組合等。

③影響因子的多樣性和復(fù)雜性。污染土壤生態(tài)修復(fù)主要通過植物、動物、微生物等生物體的生命活動完成,而生物體的生命活動依賴于各種環(huán)境因子(如土壤水分、養(yǎng)分、pH、氧化還原狀況、氣溫、濕度等)。因此,污染物的種類和性質(zhì),修復(fù)生物體的種類和性質(zhì),修復(fù)生物體對污染物的吸收、降解等能力,土壤性質(zhì)、氣溫、濕度等環(huán)境因子都會對污染土壤生態(tài)修復(fù)過程產(chǎn)生影響。

④修復(fù)對象的區(qū)域分異性(李培軍等,2006；周啟星等,2006)。不同地理區(qū)域,母質(zhì)、生物、氣候、地形、時間等成土因素的作用不同,導(dǎo)致土壤生態(tài)類型的多樣性。同時由于不同的修復(fù)區(qū)域,人為干擾的時間和強(qiáng)度不同,污染物質(zhì)的種類、性質(zhì)、污染程度、空間分布等不同,污染物的遷移、轉(zhuǎn)化途徑等不同,使得污染土壤生態(tài)修復(fù)的對象表現(xiàn)出明顯的區(qū)域分異性。

⑤修復(fù)過程的系統(tǒng)性。污染土壤生態(tài)修復(fù)是系統(tǒng)觀的方法,其修復(fù)過程包括調(diào)查、方案設(shè)計、工程實施、監(jiān)測、效果評價等環(huán)節(jié),各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣、前后相連,形成一個完整的系統(tǒng)過程。在修復(fù)中保證其修復(fù)環(huán)節(jié)的最優(yōu)化銜接和修復(fù)過程的系統(tǒng)性,從而保證修復(fù)工程的成功、提高工程效率。

(2)污染土壤生態(tài)修復(fù)的原則。

①生態(tài)學(xué)原則。包括物質(zhì)和能量循環(huán)再生原理、生物之間及生物與環(huán)境間的和諧共存原理、生態(tài)系統(tǒng)的自我凈化功能等。污染土壤生態(tài)修復(fù)方法的選擇、方法的優(yōu)化組合、影響因子的調(diào)控等措施必須遵循生態(tài)學(xué)的基本原理和方法,才能維持生態(tài)修復(fù)過程中物質(zhì)流、能量流、信息流的良性循環(huán)和動態(tài)平衡,才能最大限度激活土壤的自凈功能,達(dá)到修復(fù)目的。

②可行性原則。包括技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性。技術(shù)可行性是指修復(fù)工程設(shè)計方案中的技術(shù)應(yīng)滿足先進(jìn)性、實用性、可操作性、可實施性等要求。經(jīng)濟(jì)可行性是指修復(fù)工程的技術(shù)成本、項目運行成本低,可被接受,工程具有投入成本低、效益佳的特點。

③工藝優(yōu)化原則,也稱為整體優(yōu)化。現(xiàn)代生態(tài)學(xué)中,整體優(yōu)化具有協(xié)調(diào)性、高效性與穩(wěn)定性三重意義(李培軍等,2006)。在污染土壤生態(tài)修復(fù)中,優(yōu)化原則不僅包括以土壤生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力為核心,對修復(fù)工程中各種修復(fù)方法、影響因子等進(jìn)行最優(yōu)化組合和調(diào)控,更包括將修復(fù)對象的系統(tǒng)內(nèi)在自凈能力和外源增加的凈化功能有機(jī)結(jié)合,尋求投入的最小化和效果的最大化之間的優(yōu)化(Allenet al.，2003；Odum&Odum,2003)。

④因地制宜原則。自然生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性導(dǎo)致了地理空間上的高度多樣性(Bergenetal.,2001)。而生態(tài)修復(fù)作為一個客觀存在的生態(tài)工程工藝實體,與所處地域的自然環(huán)境和污染特征密切聯(lián)系，因而污染土壤生態(tài)修復(fù)必須根據(jù)時空變化和不同的環(huán)境條件產(chǎn)生不同的生態(tài)修復(fù)工藝,表現(xiàn)出不同的工藝組合、工藝參數(shù)與調(diào)控方法(李培軍等,2006)。

⑤安全性原則。工程實施中采用的修復(fù)生物及輔助措施不對人體健康造成威脅,不向土壤引入病原微生物或有毒害物質(zhì)；修復(fù)過程和結(jié)果中土壤本身的生態(tài)安全性；修復(fù)工程環(huán)境效應(yīng)的安全性,即修復(fù)工程的措施應(yīng)實現(xiàn)對地上植物、地下水、空氣等無有毒害二次污染物的產(chǎn)生。

2 污染土壤生態(tài)修復(fù)方法的優(yōu)化組合

污染土壤生態(tài)修復(fù)中,如何實現(xiàn)物理、化學(xué)、生物方法的優(yōu)化組合,是目前污染土壤生態(tài)修復(fù)研究的熱點和難點。鄒德勛等(2007)針對PAHs污染土壤,認(rèn)為“多種修復(fù)措施相結(jié)合的聯(lián)合生物修復(fù)工程技術(shù)”就是綜合運用各種物理、化學(xué)、生物手段,直接或間接提高污染土壤中PAHs的微生物降解效率和植物吸收代謝效率,形成一個具有生物活性、自我調(diào)節(jié)功能完整的修復(fù)系統(tǒng),通過利用該系統(tǒng)及其輔助管理措施,實施對PAHs污染土壤場地修復(fù)的工程技術(shù)。殷培杰和李培軍(2007)認(rèn)為,各種修復(fù)方法之間的優(yōu)化組合應(yīng)是一種“耦合(couple)”。耦合在生態(tài)學(xué)中常用來表示各系統(tǒng)之間、各系統(tǒng)的子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)組分和環(huán)境要素之間相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)的動態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制。

可見,污染土壤生態(tài)修復(fù)方法的優(yōu)化組合就是通過各修復(fù)方法與其他輔助性措施之間的組合或聯(lián)合,克服各修復(fù)方法單獨作用的缺陷,提高修復(fù)效率,形成一個符合生態(tài)學(xué)原理,生物之間、生物與物理、化學(xué)等因素之間和諧共存、相互促進(jìn),物質(zhì)流、能量流、信息流良性循環(huán)和動態(tài)平衡的污染修復(fù)系統(tǒng),達(dá)到激活土壤生態(tài)系統(tǒng)自凈功能的目的,實現(xiàn)對污染土壤的低成本、高效率修復(fù)。

然而,并非物理、化學(xué)、植物、動物、微生物等各修復(fù)方法之間的任意組合都能實現(xiàn)對污染土壤的有效修復(fù)。修復(fù)方法的組合應(yīng)依據(jù)一定的原則,采用正確的組合方式,選擇合適的組合位點等,才能有效實現(xiàn)對污染土壤的修復(fù)。污染土壤生態(tài)修復(fù)方法優(yōu)化組合的原則應(yīng)為：1)符合生態(tài)學(xué)原理,各組合要素之間存在協(xié)同作用,互相促進(jìn),組合作用的效果優(yōu)于各要素單獨作用的效果；2)外源因素凈化功能和土壤生態(tài)系統(tǒng)自凈功能的有機(jī)結(jié)合；3)安全性。

目前,相關(guān)研究中修復(fù)方法組合的位點主要有同步組合和階段組合2種方式,殷培杰和李培軍(2007)稱之為同時耦合和階段耦合。

同步組合的研究,Marques等(2008)研究了有機(jī)改良劑(manure and compost)對接種叢枝菌根真菌(Glomus claroideumandGlomus intraradices)的龍葵(Solanum nigrum )對Pb積累作用的影響。與對照相比,改良劑的同步使用提高了植物的生物量,植物體內(nèi)積累的污染物降低到未使用改良劑時的80%和40%,同時土壤中Pb清除率達(dá)到70%—80%。Jacques等(2008)發(fā)現(xiàn)篩選自PAHs污染土壤中的細(xì)菌和真菌組成的微生物聯(lián)合體(five bacteria:Mycobacterium fortuitum,Bacillus cereus,Microbac-teriumsp.,Gordonia polyisoprenivorans,Microbacteriaceae bacterium, naphthalene-utilizing bacterium, and a fungus identified asFusarium oxysporum)同步作用70d后,土壤中蒽(anthracene)、菲(phenanthrene)、芘(pyrene)的降解率達(dá)到99%、99%和96%。微生物聯(lián)合體對3種PAHs污染物平均礦化率在70 d內(nèi)達(dá)到78%,微生物聯(lián)合體的作用效果遠(yuǎn)大于各個微生物菌落的單獨作用。

階段組合的研究,如Derudi等(2007)從實驗室尺度研究了土壤泥漿反應(yīng)器(soil slurry phase se-quencing batch reactor, SS-SBR)和化學(xué)臭氧化措施的組合,對PAHs和苯酚(phenols)污染土壤的修復(fù)效果。先期采用SS-SBR處理6—9周后,能有效清除土壤中除5環(huán)PAHs外的PAHs和苯酚混合物高達(dá)95%以上,并促進(jìn)能適應(yīng)于反應(yīng)器環(huán)境的降解微生物的生長及活性的提高。后期投加化學(xué)臭氧化物,實現(xiàn)了包括5環(huán)PAHs在內(nèi)的幾乎全部污染物的降解。Goi等(2006)研究發(fā)現(xiàn),化學(xué)措施(Fenton-like andOzonation)和土著微生物的生物修復(fù)措施的組合作用,比各自單獨作用的修復(fù)效果更為明顯。采用Fenton-like技術(shù)先期處理,再采用土著微生物后期處理,是頁巖石油污染土壤最為有效的修復(fù)技術(shù)。Ehlers和Rose(2006)研究了厭氧和好氧菌聯(lián)合的生物過程對氯酚(chlorinated phenol)污染土壤及地下水的修復(fù)效果,發(fā)現(xiàn)厭氧階段2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-trichlorophenol)被轉(zhuǎn)換為低分子代謝產(chǎn)物;好氧階段,通過白腐真菌的固定作用,好養(yǎng)菌(Phanerochaete chrysosporiBKMF-1767,Trametes versicolor,Lentinula edodes)實現(xiàn)了對2,4-二氯苯酚(2,4-dichlorophenol), 4-氯酚苯酚(4-chlorophenol)的生物降解,厭氧和好氧生物過程的階段組合方式可使99%以上的化合物被清除。

目前報道的污染土壤修復(fù)方法的組合方式多種多樣,但表現(xiàn)出以植物和微生物為中心,輔助其他措施組合的特點。已有文獻(xiàn)對修復(fù)方法的組合方式做了探討,如周啟星等(2007)認(rèn)為生態(tài)修復(fù)的聯(lián)合方式有兩種,一是以植物為主體的植物-物理或化學(xué)修復(fù)、植物-物理-化學(xué)修復(fù)、植物-微生物修復(fù)、植物-微生物-物理或化學(xué)修復(fù);二是以微生物為主體的微生物-物理或化學(xué)修復(fù)、微生物-物理-化學(xué)修復(fù)。莊緒亮(2007)討論了物理與化學(xué)聯(lián)合,物理、化學(xué)與生物(微生物)聯(lián)合、植物與微生物聯(lián)合的3種組合方式。鄒德勛等(2007)將PAHs污染土壤修復(fù)的組合方式總結(jié)為物理化學(xué)強(qiáng)化措施、多類型的PAHs降解微生物組合、植物-微生物組合、接種其他功能微生物幾種方式。這些探討主要集中在植物、微生物、物理和化學(xué)措施組合的討論上,未對包括動物修復(fù)措施在內(nèi)的組合修復(fù)方法進(jìn)行討論。

目前國內(nèi)外所報道的包括動物措施的污染土壤生態(tài)修復(fù)方法的組合方式有：1)動物-物理和/或化學(xué)組合。Hickman和Reid(2008)發(fā)現(xiàn)與單獨作用相比,蚯蚓(Dendrobaena veneta)和混合肥聯(lián)合作用84d后,土壤土著微生物代謝活性最高,土壤中EPH(extractable petroleum hydrocarbons)和∑PAHs消失量顯著提高。2)植物-動物組合。王丹丹等(2008)研究發(fā)現(xiàn)接種環(huán)毛蚯蚓(Pheretimasp.)后,印度芥菜(Brassica juncea)和黑麥草(L.multiflo-rum)中Zn的總累積量較無蚯蚓對照分別提高了57.8%—131.6%、51.4%—150.5%。3)植物-動物-物理和/或化學(xué)組合。王丹丹等(2007)研究發(fā)現(xiàn),與不加蚯蚓和秸稈的對照組相比,接種威廉腔環(huán)蚯蚓(Metaphire guillelmi)、表施秸稈,同時加入蚯蚓和秸稈,分別使黑麥草(L.multiflorum )地上部Cu富集系數(shù)提高了31.22%—121.07%、2.12%—61.28%、25.56%—132.64%。4)動物-微生物組合。如Luepromchai等(2002)對蚯蚓(Pheretima ha-wayana)和細(xì)菌(Ralstonia eutrophusandRhodococcussp.ACS)組合對PCBs的降解效率的研究發(fā)現(xiàn)，9周后二者聯(lián)合作用下土壤表層9 cm厚土壤中PCBs清除率達(dá)到50%,而二者單獨作用下僅對3 cm土壤表層產(chǎn)生作用。5)植物-動物-微生物組合。成杰民等(2005)發(fā)現(xiàn),在灰化土(Aquods)上接種蚯蚓(Pheretimasp.)、菌根(Inoculum Endorize-Mix2),種植黑麥草(L. multiflorum)的組合方式,可以提高菌根的浸染率,促進(jìn)黑麥草對Cd的吸收和Cd從植物的根部向地上部分轉(zhuǎn)移的效率,從而提高Cd污染土壤的修復(fù)效率。

3 污染土壤生態(tài)修復(fù)方法的應(yīng)用

由于污染土壤生態(tài)修復(fù)影響因素較多,在實際的應(yīng)用中并不容易。實際的修復(fù)案例中,通常先采用物理、化學(xué)、工程等措施,改良基礎(chǔ)環(huán)境條件,再進(jìn)行以植物、微生物為中心的生物修復(fù)。

美國Edenspace Systems公司是一家從事污染土壤和水體修復(fù)工作的公司。1998年該公司對位于美國康涅狄格州(Connecticut)的錫姆斯伯里地區(qū)(Simsbury),一塊面積約0.95hm2的Pb污染土壤進(jìn)行了植物修復(fù)(USEPA，2000)。該地的Pb污染是Ensign-Bickford公司的空場燃燒和爆炸導(dǎo)致。調(diào)查發(fā)現(xiàn)平均總Pb濃度635mg·kg-1,個別地點Pb濃度高達(dá)1000—4000 mg·kg-1。該地土壤為粉沙壤土, pH6.5—7.5。每年4—10月生長季節(jié),土壤含水量飽和。Edenspace Systems公司采取的措施主要是: 1)增施氮、磷、鉀肥提高土壤肥力,采用白云石石灰調(diào)節(jié)土壤pH；2)石灰和肥料施加深度為15—20cm,建立噴灌灌溉系統(tǒng)使土壤保持濕潤；3)種植印度芥菜(Brassica juncea)和朝陽花(Helianthusanuus)；4)通過噴灌系統(tǒng)增施葉肥。6個月后發(fā)現(xiàn),土壤中總Pb濃度下降到478mg·kg-1。在芥菜和朝陽花干重中Pb的平均積累量達(dá)到1000mg·kg-1。

Edenspace Systems公司選取的修復(fù)方法是以植物提取為中心,以施肥、施加石灰以及建立噴灌系統(tǒng)等措施為輔助。整個方法實現(xiàn)了植物、物理、工程等措施的有機(jī)結(jié)合。從修復(fù)過程而言,首先是調(diào)查了解土壤基本性質(zhì)和污染情況;其次是通過施肥、施加石灰以及建立噴灌系統(tǒng)等農(nóng)藝、物理、工程等措施改善基礎(chǔ)環(huán)境;再次是采用芥菜和朝陽花進(jìn)行植物提取修復(fù),并在修復(fù)過程中通過灌溉系統(tǒng)噴施葉肥,為植物生長提供營養(yǎng)物質(zhì),增加植物生物量的同時也促進(jìn)了植物的修復(fù)效率。最終實現(xiàn)了對Pb污染土壤的成功修復(fù),提高了土壤的服務(wù)功能。

2004—2008年,佛羅里達(dá)環(huán)保部門(Florida Departmentof Environmental Protection,FDEP)對佛羅里達(dá)杰克遜維爾(Jacksonville, Florida)地區(qū)海濱土壤和地下水進(jìn)行了修復(fù)(USEPA,2010)。1950—1990年,該區(qū)開辦的洗衣廠的生產(chǎn)活動,導(dǎo)致該區(qū)土壤和地下水被VOCs(volatile organic compounds)嚴(yán)重污染。調(diào)查發(fā)現(xiàn),主要的污染物質(zhì)為PCE(tet-rachlorethene)、TCE ( trichloroethene)、cis-1, 2-DCE(cis-1,2-dichloroethene)和Vinyl Chloride。該區(qū)域曾進(jìn)行單一的化學(xué)氧化修復(fù)的初步試驗,但未取得成功。2004年,基于初步試驗的經(jīng)驗, FDEP將修復(fù)方法調(diào)整為物理、化學(xué)、原位微生物聯(lián)合的修復(fù)方式(土壤蒸汽浸提、添加營養(yǎng)物質(zhì)和土著微生物聯(lián)合)。修復(fù)效果的評價標(biāo)準(zhǔn)以佛羅里達(dá)州立標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)。修復(fù)過程為,2004年10月完成土壤挖掘(soil excavation),2007年2月—2009年3月進(jìn)行土壤蒸汽浸提(soil vapor extraction,SVE), 2008年1—7月添加營養(yǎng)物質(zhì)(potassium lactate and denaturedethanol)。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),從2007年2—9月SVE措施共清除VOCs污染物約為2.1kg。2008年7—9月在SVE系統(tǒng)出入口未檢測到VOCs后關(guān)掉系統(tǒng)。添加營養(yǎng)物質(zhì)后, PCE和PCE的降解產(chǎn)物受到明顯影響。2008年7月測量發(fā)現(xiàn)PCE和TCE濃度雖然沒有達(dá)到佛羅里達(dá)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但其濃度顯著降低。

從污染土壤生態(tài)修復(fù)的角度來看,由于污染較為嚴(yán)重,FDEP部門重點采用物理化學(xué)措施,先期改良土壤基礎(chǔ)環(huán)境,清除大量土壤污染物后,再提供營養(yǎng)物質(zhì)以增加土著微生物的降解效果。各措施間組合的方式屬于階段組合。在實際的修復(fù)過程中,基于土壤污染調(diào)查、當(dāng)?shù)夭块T標(biāo)準(zhǔn)以及初步試驗的經(jīng)驗,調(diào)整修復(fù)方式,由單一修復(fù)改為聯(lián)合修復(fù),最終顯著性降低了土壤中污染物含量。該方法偏重于物理、化學(xué)方法,成本較高。據(jù)統(tǒng)計,該方法總成本高達(dá)815120美元。

張坤等(2008)在2006—2007年開展了面積7000m2的陳舊型油鹽污染土壤生物修復(fù)場地試驗。該場地污染主要是石油管線泄漏、廢棄井、井臺落地油等導(dǎo)致。調(diào)查發(fā)現(xiàn),污染土壤中石油烴含量為0.5%—1.0%,土壤全鹽含量平均為4.4g·kg-1,為正常耕地的4—6倍。他們采用了微生物和物理化學(xué)措施組合的修復(fù)方法。具體措施為：1)通過機(jī)械翻耕措施在淺層和深層土壤間構(gòu)建疏松麥秸層,施加硫酸鈣GaSO4后用地下水和自然降水沖洗淺層鹽離子進(jìn)行洗鹽。2)向土壤中增施氮肥和磷肥。3)接種真菌C·echinulata和細(xì)菌E·cloacae,定期機(jī)械翻耕土壤增加土壤的通透性。4)種植小麥。監(jiān)測發(fā)現(xiàn),洗鹽措施能有效清除土壤中的鹽離子,接種外源微生物后土壤中總石油烴去除率達(dá)到67%。土壤各項理化指標(biāo)達(dá)到或接近正常耕地的水平,小麥產(chǎn)量和品質(zhì)也顯著性恢復(fù)。

該案例針對場地土壤中存在較嚴(yán)重的油鹽復(fù)合污染的情況,以外源微生物為中心,以增施麥稈、GaSO4、沖洗鹽離子、翻耕、施肥等物理和農(nóng)業(yè)措施為輔助,取得了非常好的修復(fù)效果。從修復(fù)過程來看,先通過施加麥稈、GaSO4和洗鹽等措施,達(dá)到改善土壤基礎(chǔ)環(huán)境的目的。增施肥料即改善了土壤性質(zhì),也為外源微生物提高了營養(yǎng)物質(zhì)。然后以外源微生物降解為主來實現(xiàn)對土壤中總石油烴的生物降解,最終達(dá)到修復(fù)的目的。該方法各措施之間有機(jī)結(jié)合、互相促進(jìn),如麥秸轉(zhuǎn)化產(chǎn)物既能吸附重金屬離子還能為外源石油烴降解微生物提供碳源等。對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的分析證明,該方法成功的恢復(fù)了土壤的服務(wù)功能,實現(xiàn)了污染土壤的再利用。

總之,從以上修復(fù)案例可以看出,污染土壤修復(fù)中表現(xiàn)出的流程為本底調(diào)查→改善基礎(chǔ)環(huán)境→生物修復(fù)→效果評價。

4　結(jié)論和展望

污染土壤生態(tài)修復(fù)的觀點實質(zhì)是一種系統(tǒng)的方法論觀點,是對污染土壤生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)的系統(tǒng)工程方法。其著眼點不是具體的修復(fù)方法,而是現(xiàn)有的各種污染土壤修復(fù)方法及環(huán)境因子間的優(yōu)化組合,以達(dá)到最大限度激活土壤生態(tài)系統(tǒng)自凈功能的目的。這也是目前污染土壤生態(tài)修復(fù)研究的關(guān)鍵點。污染土壤生態(tài)修復(fù)的優(yōu)化組合方式表現(xiàn)出以植物和微生物為中心,其他措施為輔助的特點。組合可分為同步組合和階段組合兩種方式。根據(jù)相關(guān)研究,本文初步提出優(yōu)化組合應(yīng)依據(jù)的3個原則。通過對污染土壤生態(tài)修復(fù)實際應(yīng)用案例的討論發(fā)現(xiàn),污染土壤的修復(fù)常先采用各種物理、化學(xué)和工程措施等,改善基礎(chǔ)環(huán)境后,才進(jìn)行生物修復(fù)。

縱觀目前關(guān)于污染土壤生態(tài)修復(fù)的相關(guān)研究可見,雖然各方法或措施間的優(yōu)化組合是目前污染土壤生態(tài)修復(fù)研究的重點,但相關(guān)研究主要是對各種修復(fù)方法組合方式的嘗試,而對于優(yōu)化組合方式中各要素間的作用機(jī)理等內(nèi)容還在摸索中,這方面的研究應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。此外國內(nèi)污染土壤生態(tài)修復(fù)的實際應(yīng)用案例較國外明顯要少。中國土壤污染現(xiàn)象又比較嚴(yán)重,如全國受POPs污染的農(nóng)田達(dá)3.6×107hm2,受重金屬污染的農(nóng)業(yè)土地約為2.5×107hm2(李培軍等,2006a),因而加強(qiáng)對污染土壤生態(tài)修復(fù)的研究,促進(jìn)研究從室內(nèi)尺度到室外尺度、從科學(xué)研究到推廣應(yīng)用的轉(zhuǎn)化等也是污染土壤生態(tài)修復(fù)必然要面臨的問題。

總之,污染土壤生態(tài)修復(fù)能實現(xiàn)對土壤復(fù)合污染的統(tǒng)籌修復(fù),彌補(bǔ)了現(xiàn)有各種污染土壤修復(fù)方法的不足,有望成為污染土壤修復(fù)研究的發(fā)展趨勢,因而加強(qiáng)對污染土壤生態(tài)修復(fù)的相關(guān)研究,進(jìn)一步充實、完善污染生態(tài)修復(fù)的理論內(nèi)容,建立起污染生態(tài)修復(fù)的理論框架,應(yīng)是目前的首要任務(wù)。