城市重金屬污染地塊修復的景觀植物配置策略研究進展*

周 銳 崔慧靈 段桂蘭# 朱永官,3

(1.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院城市環境研究所，福建 廈門 361021)

金屬開采冶煉、工業發電、農業活動、廢物處理、交通運輸等人為活動會產生大量重金屬污染[1]。但隨著產業結構的調整，一些污染企業退出城市核心區，留下的重金屬污染場地存在較大的環境和健康風險，急需修復才能進一步開發改造。

植物修復技術是一類成本低廉、無二次污染的可就地進行的重金屬污染地塊修復技術[2]，適用于污染面積大的地塊[3]。近年來的研究發現，部分景觀植物能修復重金屬污染地塊[4]45-52。由于景觀植物富集的重金屬不會進入食物鏈，還可賦予污染地塊一定的景觀價值[5]，因此研究景觀植物的修復效果對于提高城市環境質量、調節城市生態系統服務功能都具有重要意義。正因如此，利用景觀植物修復城市重金屬污染地塊也就成為了近年的關注熱點[6]。所以，有必要總結景觀植物對重金屬的耐受性和修復效率的研究進展，探討景觀植物的配置策略。

本研究篩選出了可用于城市重金屬污染地塊修復的景觀植物，圍繞生物因素和非生物因素分析景觀植物的配置策略，為城市重金屬污染地塊的綠色修復和可持續發展提供參考。

1 可用于城市重金屬污染地塊修復的景觀植物篩選

植物修復技術的基礎是篩選超累積植物。超累積植物是指能在被重金屬污染的地塊上良好生長，并且有發現其地上部重金屬濃度與地下部的比值大于1，植株與土壤重金屬濃度的比值也大于1[7]。目前，雖然已發現的超累積植物有700余種[8]，但超累積植物應用仍存在一些局限性。首先，超累積植物多數是草本植物或灌木，生物量有限[9]4-152；其次，超累積植物通常只能富集少數幾種重金屬[10]；最后，在污染地塊進行修復，還需考慮氣候條件、生長周期等，異地引種難度較大[11]。要想在景觀植物中篩選可用于城市重金屬污染地塊修復的超累積植物難度更大。因此，本研究在前人研究的基礎上，篩選出了針對不同重金屬的超累積景觀植物(見表1)，以供進一步推動景觀植物作為重金屬污染地塊超累積植物的研究。

表1 針對不同重金屬的超累積景觀植物Table 1 Ornamental enrichment plants for different heavy metals

有些未達到超累積標準的景觀植物對重金屬也有強大的耐受和解毒能力，可正常生長在重金屬污染地塊中，該類景觀植物可用于與超累積植物進行配置以實現城市重金屬污染地塊的修復與美化。這類景觀植物主要包括花卉草本植物羽衣甘藍(Brassicaoleracea)、鳶尾(Iristectorum)、牽牛(Pharbitisnil)、黃蜀葵(Abelmoschusmanihot)、紫羅蘭(Matthiolaincana)等，灌木六月雪(Serissajaponica)、海桐(Pittosporumtobira)等，喬木旱柳(Salixmatsudana)、白榆(Ulmuspumila)、銀合歡(Leucaenaleucocephala)等[9]160-510。

另有一些重金屬累積能力更弱一點的景觀植物憑借其根莖葉系統發達、生物量高等優勢也可用于配合配置策略，被認為是潛在替代植物[4]44。近年，大量潛在替代植物被發現，包括禾本科的毛竹(Phyllostachyspraecox)、黃條金剛竹(Pleioblastuskongosanensis)、闊葉箬竹(Indocalamuslatifolius)、菲白竹(Sasafortunei)等[26-27]。

此外，隨著有機物與重金屬復合污染問題的凸顯，對于具有修復復合污染地塊的植物越來越受到重視。景觀植物中，孔雀菊是重金屬Cd的超累積植物，在Cd與苯并芘復合污染的土壤中也長勢良好，且依然保持對Cd的超富集能力，而且苯并芘在其體內也能顯著富集[28]。金絲垂柳(Salixaureopendula)對鎘-芘復合污染具有良好的適應性[29]。

2 重金屬污染地塊修復的景觀植物配置策略

在重金屬污染地塊進行景觀植物配置時，應充分考慮污染地塊的生物因素和非生物因素，以保障修復效果與景觀效果。首先，應綜合喬、灌、草搭配的空間優勢，在滿足景觀需求的同時，植物多樣性的增加有利于增強受損生態系統的抵抗力和恢復力，從而提高修復效率[30]2109；其次，應遵循植物的生物學特性、生態學原理；第三，根據具體的污染地塊現狀，因地制宜選擇景觀植物[31]。下面詳細論述重金屬污染地塊進行景觀植物配置過程中主要考慮的策略。

2.1 生物因素

2.1.1 植物的適應性原則

景觀植物配置首先應考慮植物對自然環境的適應性，其次要考慮植物對污染脅迫的適應性[32]，也就是植物在經歷污染脅迫后對環境適應性的變化。生長在鉛鋅尾礦上的曼陀羅(Daturastramonium)與未經歷污染的對照種群相比對鹽害的適應能力變差[33]。生長在富含鉛鋅重金屬礦區土壤上的三色堇(Violatricolor)，其生殖性狀對重金屬會表現得更加敏感[34]。已有研究表明，土壤貧瘠、水土流失、土地荒漠化、放射性污染和土壤鹽堿化等都會影響植物的生長[35-37]，所以在植被配置過程中應充分考慮植物對自然環境和污染脅迫的綜合適應性。

2.1.2 植物的多樣性和生態位原則

土壤生態系統的穩定性包括抵抗力和恢復力兩方面。植物多樣性是影響穩定性的重要因素[38-39]。研究表明，植物多樣性的增加能促進植物群落生物量增加，有助于提高植物對重金屬污染地塊的修復效率[30]2112。蜈蚣草(Pterisvittata)分別與桑樹(Morusalba)和構樹共同種植對As的吸收量比蜈蚣草單獨種植顯著提高，并且還可提高蜈蚣草的光合作用強度和對As的抗性[40]。同樣地，蜈蚣草和蓖麻混種能提高As、Cd污染地塊的修復效果[41]；高羊茅(Festucaarundinacea)和鷹嘴豆(Cicerarietinum)混種能提高Cd污染地塊修復效果[42]。植物多樣性的增加能夠促進群落生產力的提高，從而有利于受損生態系統功能的恢復。

景觀植物配置還應該考慮植物的生態位原則。生態位是指某一種群在一個完整的生態系統中所占據的時間和空間上的位置，及該種群與其他種群發生的相互作用和功能關系。在多種植物共同修復時，應注意利用互利共生原理，使一個物種能從另一物種中獲得生存利益，使生態位相互錯開，有利于提高生態系統的穩定性[43]。如果選用生態位相互重疊的植物，種群間的相互作用會使植物在資源獲取和生存空間上產生競爭或他感抑制作用。此外，應盡可能選用本地物種，因為本地物種對當地自然環境具有較強的適應性，在長期與環境和其他物種的相互適應過程中建立了良好的生態位關系，可避免出現植物競爭、病蟲害等負面影響。

2.2 非生物因素

2.2.1 污染重金屬種類

根據大量調查，不同重金屬污染地塊周邊的優勢景觀植物總結見表2。根據污染地塊的目標重金屬污染物，可針對性地選擇修復植物。此外，配置時還應從空間上根據景觀植物的高度、品種、葉色、花色進行搭配，使喬木、灌木、草本植物形成多層次景觀，在時間上應考慮植物的季相搭配。

表2 不同重金屬污染地塊周邊優勢景觀植物總結Table 2 Summary of dominant ornamental plants around contaminated sites with different heavy metals

2.2.2 土壤物理性質

土壤團聚體是土壤的基本單元，是衡量土壤結構、質量、穩定性的重要指標[65]。在我國的城市表層土壤中，重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的含量隨土壤團聚體粒徑的減小而增加，可見小粒徑土壤重金屬污染更嚴重[66]。植物修復可促進土壤小團聚體向大團聚體轉化，從而使團聚體穩定性得到改善，相應地提高修復效率[67-68]。

土壤水分除了供給植物生理生化所需外，還能調節土壤氧化還原電位和土壤酸堿度，從而影響重金屬的生物有效性及植物對重金屬的吸收利用效率[69]。需要指出的是，在我國北方干旱地區的污染地塊，降雨稀少、土壤瘠薄、土壤鹽堿化等因素可能制約植物修復的進程，對植物進行配置時需要考慮這些制約因素。經實踐證明，菊科、禾本科、怪柳科、麻黃科植物具有抗旱、耐鹽堿性[70]，可在景觀植物配置時使用。

2.2.3 土壤化學性質

土壤酸化能夠提高Cd、Pb等重金屬的遷移性及生物有效性[71]。植物配置應考慮植物對不同土壤pH的適應性及對重金屬的吸收效率。有研究表明，菊芋和蜈蚣草可以分別在輕度和重度酸性土壤中存活，并對重金屬有較好的富集作用[72-73]。

鹽生植物對鹽分和重金屬的耐受性有著共同的生理調控機制，使其能夠在重金屬污染環境中存活[74]。部分土壤中的鹽分還是土壤重金屬離子從植物根部向莖部轉移的關鍵啟動子，所以鹽生植物從鹽堿地中提取鹽分的同時可以積累大量的重金屬[75]。經過大量探究發現，禾本科大米草屬(Spartina)、黎科濱藜屬(Atriplex)能夠富集污染地塊的多種重金屬[76]。因此，進行景觀植物配置時應考慮鹽生植物的適應性(鹽生植物分為泌鹽鹽生植物、聚鹽鹽生植物和避鹽鹽生植物)[77]。此外，鹽生植物在修復污染地塊時，還應注意植物根系環境對修復效果的影響，包括根系分泌物、根際微生物群落組成等。

2.2.4 土壤肥力

土壤有機質是評價土壤肥力的重要指標，其含量和組成對土壤重金屬的生物有效性、化學行為及環境效應有重要影響[78]。研究證明，有機質的施加能提高土壤肥力，促進植物在污染土壤中的生長，提高植物的修復效率[79]。

氮、磷等營養元素不僅能夠促進植物的生長發育，提高生物量，而且對增強植物防御能力、減輕重金屬毒害能發揮重要作用[80]。由于重金屬污染地塊的土壤長期受毒害脅迫，易造成營養元素貧乏，因此施加外源肥料有利于植物生長。氮肥可調節龍葵抗氧化系統和葉片氮同化過程，提高其對Cd的吸收量，增強對Cd的抗性[81]。磷肥能增強蜈蚣草對As的修復能力[82]，提高李氏禾(Leersiahexandra)植株生物量及對Cu、Cr的累積量[83]。種植牧草可有效改善土壤肥力。牧草具有生長快速、生物量大、抗逆性強等特點，除作景觀草坪外，累積高濃度重金屬的牧草還可用作生物質能源來實現資源的循環利用，避免二次污染[84]。目前，國內外修復重金屬污染地塊的代表性牧草有紫花苜蓿、多花黑麥草(Loliummultiflorum)、香根草(Vetiveriazizanioides)、百喜草(Paspalumnotatum)、高羊茅等[85]。

3 未來研究展望

(1) 景觀植物富集土壤重金屬的植物生理學、分子生物學機制有待開展研究，為修復與美化城市重金屬污染地塊提供理論指導。(2)除了在污染地塊周邊調查正常生長的優勢植物進行景觀植物的篩選外，還可通過室內盆栽、田間試驗進行景觀植物篩選，以拓寬景觀植物篩選的渠道。(3)通過強化措施提高景觀植物對土壤重金屬的富集能力和耐受性，如添加生物炭、螯合劑、肥料，接種促進植物生長、提高植物抗性的微生物菌劑等。(4)富集重金屬后的景觀植物生物質處理，應選擇合適的無害化和資源化方法，避免造成二次污染。