基于棕地復興的植物生態修復技術研究實踐
——以商丘市包河為例

高雪曦

(上海市園林設計研究總院有限公司 ，上海 200031)

1 引言

“棕地”概念由美國于20世紀90年代率先提出，美國環境保護署將棕地定義為“擁有開發潛力，但由于土地有毒、有害，或存在風險的物質、污染物而面臨開發障礙的已開發地塊”[1～4]。美國對棕地的定義特指工業及商業地塊，這種理解方法獲得了世界上許多國家的認同。加拿大政府將棕地定義為因過去行為導致環境污染，但仍有再開發或其他經濟可能性的廢棄、閑置或未利用商業、工業地塊(尤指城市區域的)。英國的棕地概念與美國大致相同，認為棕地是廢棄的工業用地。但在英國城鄉規劃中，棕地的概念擁有更為復雜的理解，棕地和已開發土地之間存在顯著的差異。其中，已開發土地表示用于住宅建設的土地，不包括農用建筑、廢礦、在建項目和爛尾樓等。盡管不同國家對于棕地的定義各有偏重，但依然可以總結出棕地的主要特征：

(1)土地閑置。棕地多為工廠、商業或工礦建筑廢棄后的土地，處于閑置狀態。因此從經濟社會維度上看，棕地是對土地資源的浪費。

(2)土地受污染。受工業化學品、廢礦、建筑垃圾、生活垃圾等影響，棕地的土壤遭到物理、化學和生物層面的污染與破壞。從生態角度看，棕地的存在反映了土地被破壞的事實。

從全球范圍來看，棕地大多分布于城市或城鎮工業區，如廢棄工廠、廢舊商業建筑，以及因冶煉而被污染的地塊之上。城市的舊居民區中也存在零星的棕地地塊，如干洗店、加油站等，這些生活配套會產生高濃度污染物，對土地造成破壞。碳氫化合物、生活垃圾、溶劑、農藥、殺蟲藥、重金屬等都會導致綠地變為棕地。從美國及歐洲國家的情況來看，較早開始工業化進程的國家面臨的棕地問題更加嚴峻，棕地地塊數量多、面積大、分布廣，成為國家和地區發展的硬傷，世界各地政府和民眾都不得不直面棕地生態修復和再開發的難題。美國20%的不動產轉讓是棕地區域，在2010年這些土地價值約2萬億美元[5]。據數據統計目前全球16%的陸地面積土壤受到了污染[5]。中國目前已面臨嚴重的土壤污染和破壞問題，具有“棕地”屬性的場地目前普遍存在受越來越多的關注。

針對棕地的修復技術是昂貴的，而且能源消耗巨大，這阻礙了棕地的污染治理，在這些正在接受監督部門審查的修復方法中，植物生態修復技術既能單獨使用，又可與其他工程方法(清除污染土壤、封蓋污染土壤、機械抽水和處理地下羽流)聯合使用，與傳統修復工程方法相比，植物生態修復的成本效益是一個顯著的特點，據《植物生態修復技術》一書的研究報告統計植物生態修復技術的清理費用平均僅占傳統清理方法的3%。

20世紀70年代，一些研究機構開始對金屬和植物之間的關系進行系統的研究和分類，發現一些生長在礦物富集土壤的植物可以富集金屬。同期，人們還發現了一個植物生態修復的新領域——嘗試利用微生物去修復環境中的可降解污染物，研究表明，植物生態修復某些污染物的速度更快程度更高，比單一的微生物系統對污染的治理更徹底，20世紀80年代國內外先后將植物生態修復商業化，20世紀90年代的書籍和文獻中，開始對植物生態修復技術進行定義。植物生態技術是一項獨特的技術，它使用精心挑選的植物配植技術結合景觀重構棕地的形像風貌，利用植物的本身特色通過設計組織修復棕地的整體環境包括土壤、水環境、動植物環境等，促使棕地能夠達到環保指標的使用標準。

2 理論解析

2.1 植物生態技術的定義

植物生態修復技術是運用特定的植物或植物群組去降解和/或清除受污染場地的特定污染物，修復、容納或阻止在土壤、沉積物、地下水中的污染物，并/或為之增加養分、孔隙度和有機物的技術[5]。植物應用于生態修復技術可用來進行土壤修復、地下水修復、雨洪和廢水清理，還可通過植物與生物積累或降解空氣中的污染物，或使其危害性減小等方面來緩解大氣污染。

植物生態修復技術與植物修復不同，植物修復就是運用一種特定的植物或植物族群去降解或清除受污染場地的特定污染物。而植物生態修復技術還包括周圍土壤或植物根系結構處的污染物的固定、基于植物方法的預先措施等技術，以便在污染發生前就能治理污染源。植物修復通常聚焦于凈化土壤和地下水的山地種植，植物生態修復技術則包括所有的以植物為基礎的污染修復和預防系統，包括人工濕地、生物沼澤、屋頂綠化、墻體綠化和垃圾填埋區種植。從更廣的視角來看，公園、社區花園和綠道、河岸緩沖帶和植被綠化過濾帶往往屬于植物生態修復技術領域。

2.2 植物生態修復技術的應用策略

植物生態修復技術針對河道和綠道的修復策略包含2個方面，分別是污染源控制和有機維護景觀組織[20～23]。

(1)污染源控制。幾乎每條河道都會作為當地工業/道路/溢流管，以及非法排放的化學品和廢品，還有一般大氣排放等排出污染物的通道。清除進入廊道的點狀污染源和非點狀污染源，將污染物從當地水道中分離，是一項很重要的改進。

(2)有機維護景觀組織。有機維護景觀組織是將降解覆蓋層、多機制緩沖區、雨水過濾層、表面徑流濕地、漂浮濕地等綜合運用并通過設計手法進行布局從而建立具有清除污染能力的濱水公園體系。降解覆蓋層是將厚須根系統的多年生植物沿著場地邊緣使用，用來捕獲并去除多余的養分和農藥，防止其轉移進入雨水和地下水中；多機制緩沖區可以防止植被污染擴散；雨水過濾層是線性的過濾帶，可以將無機污染物固定在場地中，將有機污染物降解；表面徑流濕地經過合理的設計，無機污染物被固定在場地和土壤環境介質中，而有機污染物則可被降解，氮元素可以被轉換為氣態重新回到大氣中，而磷元素可以被固定在土壤中；漂浮濕地可以提取和降解滲透到水體中的污染物，無機污染物可被漂浮濕地的根系和介質所捕獲和固定。

2.3 植物生態修復技術的應用范圍

植物生態修復技術的應用主要表現在5個方面，包含與設計實踐的結合、生產生物質、碳封存、植物檢測器、植物辨析法等。其中與設計實踐的結合，表現在不局限于單一品種的種植，可以考慮植物組合以兼顧治理毒素、創造美感和充當功能性成分，目標是增強應用植物生態修復技術的意識，創造生產性的景觀，其種植不僅有審美功能，還能改善環境和人類的健康狀況；碳封存，隨著二氧化碳不斷加速排放正威脅著地球環境，2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上宣布，中國力爭 2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取 2060年前實現碳中和目標。選用碳匯功能優勢樹種來促進降碳也成為生態環境修復的方式之一[6，7]，楊樹(PopulusL.)是速生樹種，也是植物生態修復的骨干樹種，它能在短時間內封存大量的二氧化碳，除了楊樹還有很多其他樹種均可有效提升固碳能力，商丘包河針對提升固碳能力樹種做了具體的篩選。

3 如何運用植物生態修復技術-以商丘為例

3.1 項目概況及設計布局

商丘包河是一個兩側綠地寬度在30～150 m的濱河綠地，總面積約76 hm2。基地內主要分布著農田、人工魚塘、棄置地。另外周邊生活廢水直接排入河道，檢測的主要污染物是有機物、氨氮、磷酸鹽、動植物油、農藥(典型來源殺蟲劑、除草劑、殺菌劑)。

包河貫徹植物生態修復策略，首先政府將源頭污染取消，已存在的污染物質為可降解的有機物、氨氮、磷酸鹽、動植物油、農藥等，設計將降解覆蓋、多重基質緩沖區、雨水過濾器、地表徑流人工濕地、地下碎石濕地、漂浮濕地等方式綜合運用，從而建立約15 hm2的濕地區域，通過陸地降解覆蓋43 hm2+多重基質緩沖區18 hm2+濕地15 hm2的有機結合建立污染物質梯級降解機制，將污染物逐級剔除。

3.2 生態修復技術植物選擇

經過綜合布局后，要針對基地具體污染物選擇植物，本文列出的植物品種為工作中常見的物種，且更適合在河南商丘等同緯度生長的，具體如下：

(1)農藥。農藥污染的典型來源一般是殺蟲劑、除草劑、殺菌劑，溶劑易融于水，很容易滲入地表水和地下水，它們一旦進入水中便會產生嚴重危害，因為當處在缺氧(厭氧)水環境中時，其分解過程會更加緩慢，它們會污染飲用水并被人體吸收，而它們中的許多種類是已知的致癌物質[16，17]。

種植系統通常可通過根際降解作用促進這些農藥污染的降解。由于這些污染物常常會進入水體、河岸緩沖區、雨洪過濾區，故而常常應用人工濕地截留水體，降解農藥污染。經《植物生態修復技術》一書研究存在于土壤和水中的農藥通過植物降解一般在0～3年即可將農藥降解到安全閾值。

植物修復有機污染物的因素主要看根系是否能同時在孔隙度高土壤營造的有氧環境中，和水淹與隔絕氧氣的地下水層這樣的無氧環境中生存，喜濕深根植物有部分根系與水直接接觸，而且往往是直根系種類，其根系在水淹(無氧)和干旱(有氧)條件下均能繁茂生長，因此是降解有機污染物的先鋒物種，經《植物生態修復技術》一書研究證明以下植物且適合生活在河南商丘地帶用于降解土壤和水體中農藥污染是有效的(表1)。

(2)無機物氨、氮，磷酸鹽。無機污染物不能被植物修復系統降解。因為無機污染物是元素周期表上的元素，是最小化學單元。然而無機污染物的構成是可以改變的，可以固化在場地中，或進入并儲存在植物組織中，植物可以幫助改變元素的構成方式，例如從固體變成氣體或從氧化狀態變成其他不同狀態，以降低環境風險。此外，在有限的情況下，一些植物可以提取無機污染物。之后這些植物可以被砍伐和收割，以將污染物從場地內去除。常見的污染物氮(包括各種形式的氮素如銨、硝態氮、亞硝酸鹽)、磷(包括磷酸鹽)、鉀。其中的氮、磷是植物營養元素。但是過量營養素滲入河渠造成藻類大量繁殖，進而消耗河渠水體中氧氣(富營養化)。通常情況下，氮對海水系統的危害作用最大，而磷則對淡水系統有危害。由此產生的缺氧“死區”使水生生物死亡。此外，飲用水中過量的氮會導致“藍嬰綜合征”。氮以離子化形態滲入地表水或地下水時會給環境造成污染，而氮以氣體形式存在固著在土壤中或與有機體結合形成有機氮素時則不會產生上述問題，另外植物根系和土壤中的反硝化細菌還可以將這些污染物形式的氮氣，將其造成的污染從土壤和水中去除。磷和氮不同，最好的修復磷污染方式是將其截留和穩定在場地內，大多數處理磷污染的植物修復系統，均以從水中濾除磷并將其穩定在周圍的土壤微目標，當受污染的水流經植物修復系統時，沉積物形式的磷可以被沉積塘和前池通過沉淀作用物理清除。之后必須將沉淀物挖出并從現場運走。當溶解形式的磷接觸到土壤并被其吸收時，就可以從水中清除，流出的便是清潔的水[16，17]。

所有的植物都利用氮素，且支持反硝化細菌，故任何一種植物均可以提供某種形式的土壤和水體中氮的修復，但能夠提供最快修復的方法往往是一個系統，其中包括的植物品種具有極高的生長率/蒸散率和產生大量生物量的植物品種，去除率可以達到80%以上[8，9]。

經實驗研究證明以下植物且適合生活在河南商丘地帶用于有效去除氮的樹種有楊樹、松樹、法國梧桐樹、榆樹、柳樹、楸樹、遼東冷杉、云杉、紅皮云杉、中山杉、水杉、紫薇、紫葉李、竹類等。而對于土壤和水體中磷的修復，需要具有密集、龐大根系以及速生的特性，香蒲、水蔥、燈芯草、浮萍是目前實驗成果最優勢的幾個品種。

(3)二氧化碳。相關學術研究，大型水生植物含碳率范圍在26.34%～52.65%，與其他類型植物比較，大型水生植物的含碳率最低，水生植物的固碳能力不如陸生植物好，這可能與光強及碳源有關，陸生植物獲得的光照較強，而水生植物部分或全部沉沒于水中，獲得的光照相對較弱；另外，植物光合作用時所需CO2的供應情況不同，生活在空氣中的植物比生活在水中的植物更易獲得CO2[10]。植物個體上，研究內容主要集中在不同植物個體碳匯能力的評估上。

國內外學者通過對多種造林植物種類的研究，根據生物量確定法[12，13]識別了不同氣候情景下碳匯潛力最大的城市喬灌木物種[11]。植物個體碳匯研究表明，喬木和落葉植物大于灌木和常綠植物，速生植物大于慢生植物，彩葉植物大于常綠植物，部分鄉土植物相比外來植物具有更強的碳匯能力，年齡相對較低的植物碳匯能力高于相對高齡的樹木[14]。由此可見，不同的植物物種碳匯能力存在明顯差別。在單株樹木碳匯能力相同和合理設計種植密度的前提下，喬木種植密度越大，則公園綠地碳匯能力也會越強。

表1 農藥污染治理植物降解技術和/或水利控制植物名錄

筆者對商丘41種骨干樹種(5種基調樹種)喬灌木數據對比固碳能力數據進行研究，41種植物整株固碳量從高到低依次是固碳能力大于20g/(m2·d)為強的有14種[14，15]：廣玉蘭(MagnoliagrandifloraL.)、海桐(Pittosporumtobira(Thunb.) Ait.)、石楠(PhotiniaserrulataLindl.)、枸骨(Ilexcornuta)、紫薇(Lagerstroemiaindica L.)、大葉黃楊(BuxusmegistophyllaLevl.)、桂花(Osmanthusfragrans)、法桐(少球品種)(PlatanusorientalisLinn)、枇杷(Eriobotryajaponica(Thunb.) Lindl.)、紫葉李(PrunuscerasiferaEhrhar f. atropurpurea (Jacq.) Rehd.)、白蠟(Fraxinusamericana)、楸樹(Catalpabungei)、苦楝(MeliaazedarachL.)、法國冬青(Viburnumodoratissinum)；固碳能力介于20～10 g/(m2·d)較強的有19種：櫸樹(Zelkova)、黃山欒樹(Koel-reuteriaintegrifoliola)、海棠(Malushalliana(Voss.) Koehne.)、楓樹(AcermonoMaxim)、樸樹(Celtissinensis)、烏桕(Sapiumsebiferum(L.) Roxb.)、蠟梅(Chimonanthuspraecox)、美人梅(Prunus×blireanacv.Meiren)、榆葉梅(Amygdalustriloba)、碧桃(PrunuspersicaBatsch. var. duplex Rehd.)、銀杏(GinkgobilobaL.)、柳樹(Salixbabylonica)、大葉女貞(LigustrunlucidumAit)、櫻花(Oricntalcherry)、重陽木(Bischofiapolycarpa)、丁香(Syzygiumaromaticum)、木槿(HibiscussyriacusLinn.)、國槐(SophorajaponicaLinn.)、紫荊(Cercischinensis)；固碳能力小于10 g/(m2·d)為弱的有8種：梅花(ArmeniacamumeSieb.)、雪松(Cedrusdeodara(Roxb.) G. Don)、白皮松(PinusbungeanaZucc.)、千頭椿(Ailanthusaltissima‘Qiantou’)、薔薇(Rosaceae)、月季(RosachinensisJacq.)、石榴(Punicagranatum)、棕櫚(Trachycarpusfortunei)(表2)。

表2 單位葉面積植物的日固碳放氧能力分級

對11種常見大型水生植物固碳能力的研究，發現在污染較大的水環境中固碳能力較強的物種為睡蓮，其次為大薸。11種大型水生植物除水鱉等4種植物外，多數大型水生植物莖葉含碳率為葉>莖。含碳率的范圍為20.31%～52.65%，其中各部位含碳率均值最高的植物為花葉蘆竹。葉比莖的含碳率變化幅度更大，其固碳能力更好。除睡蓮等3種植物外，多數大型水生植物莖葉碳含量為莖>葉。碳含量范圍為204.25～403.23 g/kg，其中碳含量最高的植物為美人蕉。葉比莖的碳含量增減趨勢大，葉比莖的固碳能力好。碳增量大小分別為睡蓮>大薸>狐尾藻>美人蕉>再力花>澤瀉>水鱉>香菇草>梭魚草>花葉蘆竹>水竹。固碳能力最強的為睡蓮，其次為大薸，固碳能力最弱的為水竹。從生活類型分析，浮水植物的固碳增匯能力最好，漂浮植物次之，挺水植物最差。

2.3 商丘包河植物具體應用布局

根據以上的數據研究包河濕地森林公園上選取可以兼顧生態修復、雨水管理和提升固碳等的植物，如具有強和較強固碳能力的法國梧桐、苦楝、櫸樹、楓樹、樸樹、烏桕、銀杏、柳樹、國槐、櫻花建立2 km法桐生態科普線、1.5 km櫻花浪漫線、5 km櫸樹沁心怡人健行線、1.2 km苦楝追溯文化線、5 km楓樹杉林野趣觀自然線5條濱水特色綠道，通過水陸共建，遵循：同一科植物量≤植物總量的30%、同一科植物量≤植物總量的30%、同一屬植物量≤植物總量的20%、同一種植物量≤植物總量10%、常綠落葉比4∶6、鄉土植物占比≥80%、彩化喬木數量≥總喬木數量70%、珍貴樹種≥總植物量10%的科學性配比原則進而形成四季變化的森林風貌。

其中杉林花雨景點(圖1、2)利用現狀魚塘模擬自然肌理形成蜿蜒濕地環境，引包河水流經內部濕地增加流量過程，建立陸地降解覆蓋區+多重基質緩沖區+濕地等多維度的生物群落環境，在流經區域中種植金魚草、鳶尾、美人蕉、花葉菖蒲、石菖蒲、再力花、浮萍、狐尾藻等既改善水質又具有很強固碳能力的水生植物于水域和河漫灘中，同時滿足景點“花”的要求；喬木種植選用具有降解有機污染物的先鋒物種中山杉、落羽杉、苦楝(兼具強大的固碳能力)、柳樹(兼具較強的固碳能力)以及具有較強固碳能力的烏桕、碧桃、國槐、櫻花作為主干樹種，另外香樟樹是較能融入城市自然環境的樹種，有較強的涵養水源，保土防風和凈化環境的能力，作為常綠樹種在全區范圍內也廣泛使用，中山杉和落羽杉主要布局于各個島嶼和河漫灘上同時搭配碧桃和櫻花，從而營造此處“杉林花雨”的景色。

圖1 杉林花雨景點

圖2 杉林花雨景點

3 植物生態修復技術的適用性總結

確定作用于特定場地以植物為基礎的修復系統，必須首先研究化學成分和現存以及潛在的現場污染物濃度。特定的項目現場條件，如污染物的濃度和組成、水文條件、土壤性質和氣候因素，將極大地影響潛在植物修復系統的選擇。針對污染物有有機污染物和無機污染物，不同污染物濃度和不同場地的特定地理因素，在現場的實際去除時間將有很大不同，植物的系統去除殘留在土壤和地下水中污染物最有前途的應用是：氮、揮發性有機化合物包括綠化溶劑、石油產品和一些農藥，商丘包河的植物修復技術就是關于此項的實踐。

關于種植方式，根據《植物生態修復技術》一書總結有18種左右，18項種植方式可以根據需要進行組合搭配使用以發揮綜合能力。商丘包河選用其中的六項種植方式，分別是降解覆蓋、多重基質緩沖區、雨水過濾器、地表徑流人工濕地、地下碎石濕地、漂浮濕地等均屬于降解植物種植方式中的模式：

多重基質緩沖區是沿河岸和水體混合種植的河岸緩沖區的生態修復，這種模式不僅對污染物的提取和清除有效，還可以為野生生物和生態系統提供較完整的生存環境。除了應用于河岸濱水區以外，還可應用于公路道旁、鐵路、工業區、農業用地的廊道緩沖區。

雨水過濾器也被稱為生物洼地、植被洼地、植被過濾帶、雨水花園和滯留池，典型應用于道旁、停車場和農用地，大多數雨水過濾器植物的選擇是基于其生存特性、可耐受進入系統的水浸泡的能力，耐旱時段和缺乏維護時的總體生長情況，這里可以根據不同的需求進行植物選擇，如降解與清除、穩定、提取等。地表徑流人工濕地典型用于市政和工業廢水、垃圾填埋場滲濾液等是通過植物根際、種植基質和開放水域來過濾水體，這種高度模擬了自然濕地生態系統。

地下碎石濕地是受污染的水通過泵緩慢地流過地下碎石床而被過濾凈化，在碎石床中水體以垂直或水平流動的方式經由植物根際和土壤介質過濾，在此一些有機污染物和氮素可以被完全降解和清除，其他無機污染物可以被濾出并固定在基質中。這種方式嘗嘗結合地表徑流人工濕地一起運用。

4 結論與討論

植物生態修復技術研究和應用包括由美國和國際機構及行業開展的實驗室試驗、田間試驗和小規模的現場試驗。植物生態修復技術的發展獲得了各界的幫助，來自于不同的領域，包括那些專注于可持續發展、城市綠化、社區都市農業的規劃師和工程師們。植物的根將污染物以物理方式固著在原地，并釋放可進一步將污染物與土壤微粒結合的根系分泌物，以防止污染物向外滲透，這種方式常用于被生物不可利用的污染物廣泛污染的、植被再覆蓋為當務之急的場地，如前采礦基地、前石油開采基地、油漆房屋的含鉛漆殘留物等。選用的植物要耐受場地污染物，再配合土壤改良劑，就可以滿足進一步將毒素固著在土壤介質中，促進植物的生長，如無花果可以有效排出銅、鉛、鋅，樹形倒掛金鐘可以排出砷，黃花月見草可以排出銅，針對水中的氮元素具有有效降解能力的植物有竹族、油菜、向日葵、楊樹、柳屬、高粱、玉米等；針對氯化溶劑、石油、硒、氚等可以選用高蒸散率和生長迅速的植物來揮發和降解污染物。隨著污染場地再利用的日益普遍，及其頗具爭議的再開發持續向前推進，利用植物凈化場地土壤這種更為經濟和環保的方法顯示出了比較除污染土壤等傳統做法更強大的吸引力。因此需要一個更加專業的植物生態修復技術團隊，在與環保部門的共同努力下避免過度吹噓導致無法實現，同時又要適當建立檢測以準確顯示影響和成果，從而推進這項科學技術走向長遠發展。