周 銳 崔慧靈 段桂蘭# 朱永官,3

(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門(mén) 361021)

金屬開(kāi)采冶煉、工業(yè)發(fā)電、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、廢物處理、交通運(yùn)輸?shù)热藶榛顒?dòng)會(huì)產(chǎn)生大量重金屬污染[1]。但隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，一些污染企業(yè)退出城市核心區(qū)，留下的重金屬污染場(chǎng)地存在較大的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，急需修復(fù)才能進(jìn)一步開(kāi)發(fā)改造。

植物修復(fù)技術(shù)是一類(lèi)成本低廉、無(wú)二次污染的可就地進(jìn)行的重金屬污染地塊修復(fù)技術(shù)[2]，適用于污染面積大的地塊[3]。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，部分景觀植物能修復(fù)重金屬污染地塊[4]45-52。由于景觀植物富集的重金屬不會(huì)進(jìn)入食物鏈，還可賦予污染地塊一定的景觀價(jià)值[5]，因此研究景觀植物的修復(fù)效果對(duì)于提高城市環(huán)境質(zhì)量、調(diào)節(jié)城市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能都具有重要意義。正因如此，利用景觀植物修復(fù)城市重金屬污染地塊也就成為了近年的關(guān)注熱點(diǎn)[6]。所以，有必要總結(jié)景觀植物對(duì)重金屬的耐受性和修復(fù)效率的研究進(jìn)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(fù)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(fù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 可用于城市重金屬污染地塊修復(fù)的景觀植物篩選

植物修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)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(zhǎng)，并且有發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的超累積植物有700余種[8]，但超累積植物應(yīng)用仍存在一些局限性。首先，超累積植物多數(shù)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(shù)幾種重金屬[10]；最后，在污染地塊進(jìn)行修復(fù)，還需考慮氣候條件、生長(zhǎng)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(fù)的超累積植物難度更大。因此，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，篩選出了針對(duì)不同重金屬的超累積景觀植物(見(jiàn)表1)，以供進(jìn)一步推動(dòng)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(duì)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(dá)到超累積標(biāo)準(zhǔn)的景觀植物對(duì)重金屬也有強(qiáng)大的耐受和解毒能力，可正常生長(zhǎng)在重金屬污染地塊中，該類(lèi)景觀植物可用于與超累積植物進(jìn)行配置以實(shí)現(xiàn)城市重金屬污染地塊的修復(fù)與美化。這類(lèi)景觀植物主要包括花卉草本植物羽衣甘藍(lán)(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(diǎn)的景觀植物憑借其根莖葉系統(tǒng)發(fā)達(dá)、生物量高等優(yōu)勢(shì)也可用于配合配置策略，被認(rèn)為是潛在替代植物[4]44。近年，大量潛在替代植物被發(fā)現(xiàn)，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(jī)物與重金屬?gòu)?fù)合污染問(wèn)題的凸顯，對(duì)于具有修復(fù)復(fù)合污染地塊的植物越來(lái)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(fù)合污染的土壤中也長(zhǎng)勢(shì)良好，且依然保持對(duì)Cd的超富集能力，而且苯并芘在其體內(nèi)也能顯著富集[28]。金絲垂柳(Salixaureopendula)對(duì)鎘-芘復(fù)合污染具有良好的適應(yīng)性[29]。

2 重金屬污染地塊修復(fù)的景觀植物配置策略

在重金屬污染地塊進(jìn)行景觀植物配置時(shí)，應(yīng)充分考慮污染地塊的生物因素和非生物因素，以保障修復(fù)效果與景觀效果。首先，應(yīng)綜合喬、灌、草搭配的空間優(yōu)勢(shì)，在滿(mǎn)足景觀需求的同時(shí)，植物多樣性的增加有利于增強(qiáng)受損生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和恢復(fù)力，從而提高修復(fù)效率[30]2109；其次，應(yīng)遵循植物的生物學(xué)特性、生態(tài)學(xué)原理；第三，根據(jù)具體的污染地塊現(xiàn)狀，因地制宜選擇景觀植物[31]。下面詳細(xì)論述重金屬污染地塊進(jìn)行景觀植物配置過(guò)程中主要考慮的策略。

2.1 生物因素

2.1.1 植物的適應(yīng)性原則

景觀植物配置首先應(yīng)考慮植物對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性，其次要考慮植物對(duì)污染脅迫的適應(yīng)性[32]，也就是植物在經(jīng)歷污染脅迫后對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的變化。生長(zhǎng)在鉛鋅尾礦上的曼陀羅(Daturastramonium)與未經(jīng)歷污染的對(duì)照種群相比對(duì)鹽害的適應(yīng)能力變差[33]。生長(zhǎng)在富含鉛鋅重金屬礦區(qū)土壤上的三色堇(Violatricolor)，其生殖性狀對(duì)重金屬會(huì)表現(xiàn)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(huì)影響植物的生長(zhǎng)[35-37]，所以在植被配置過(guò)程中應(yīng)充分考慮植物對(duì)自然環(huán)境和污染脅迫的綜合適應(yīng)性。

2.1.2 植物的多樣性和生態(tài)位原則

土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性包括抵抗力和恢復(fù)力兩方面。植物多樣性是影響穩(wěn)定性的重要因素[38-39]。研究表明，植物多樣性的增加能促進(jìn)植物群落生物量增加，有助于提高植物對(duì)重金屬污染地塊的修復(fù)效率[30]2112。蜈蚣草(Pterisvittata)分別與桑樹(shù)(Morusalba)和構(gòu)樹(shù)共同種植對(duì)As的吸收量比蜈蚣草單獨(dú)種植顯著提高，并且還可提高蜈蚣草的光合作用強(qiáng)度和對(duì)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(fù)效果[41]；高羊茅(Festucaarundinacea)和鷹嘴豆(Cicerarietinum)混種能提高Cd污染地塊修復(fù)效果[42]。植物多樣性的增加能夠促進(jìn)群落生產(chǎn)力的提高，從而有利于受損生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)。

景觀植物配置還應(yīng)該考慮植物的生態(tài)位原則。生態(tài)位是指某一種群在一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)中所占據(jù)的時(shí)間和空間上的位置，及該種群與其他種群發(fā)生的相互作用和功能關(guān)系。在多種植物共同修復(fù)時(shí)，應(yīng)注意利用互利共生原理，使一個(gè)物種能從另一物種中獲得生存利益，使生態(tài)位相互錯(cuò)開(kāi)，有利于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[43]。如果選用生態(tài)位相互重疊的植物，種群間的相互作用會(huì)使植物在資源獲取和生存空間上產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)或他感抑制作用。此外，應(yīng)盡可能選用本地物種，因?yàn)楸镜匚锓N對(duì)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在長(zhǎng)期與環(huán)境和其他物種的相互適應(yīng)過(guò)程中建立了良好的生態(tài)位關(guān)系，可避免出現(xiàn)植物競(jìng)爭(zhēng)、病蟲(chóng)害等負(fù)面影響。

2.2 非生物因素

2.2.1 污染重金屬種類(lèi)

根據(jù)大量調(diào)查，不同重金屬污染地塊周邊的優(yōu)勢(shì)景觀植物總結(jié)見(jiàn)表2。根據(jù)污染地塊的目標(biāo)重金屬污染物，可針對(duì)性地選擇修復(fù)植物。此外，配置時(shí)還應(yīng)從空間上根據(jù)景觀植物的高度、品種、葉色、花色進(jìn)行搭配，使喬木、灌木、草本植物形成多層次景觀，在時(shí)間上應(yīng)考慮植物的季相搭配。

表2 不同重金屬污染地塊周邊優(yōu)勢(shì)景觀植物總結(jié)Table 2 Summary of dominant ornamental plants around contaminated sites with different heavy metals

2.2.2 土壤物理性質(zhì)

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本單元，是衡量土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[65]。在我國(guó)的城市表層土壤中，重金屬Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的含量隨土壤團(tuán)聚體粒徑的減小而增加，可見(jiàn)小粒徑土壤重金屬污染更嚴(yán)重[66]。植物修復(fù)可促進(jìn)土壤小團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，從而使團(tuán)聚體穩(wěn)定性得到改善，相應(yīng)地提高修復(fù)效率[67-68]。

土壤水分除了供給植物生理生化所需外，還能調(diào)節(jié)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(duì)重金屬的吸收利用效率[69]。需要指出的是，在我國(guó)北方干旱地區(qū)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(fù)的進(jìn)程，對(duì)植物進(jìn)行配置時(shí)需要考慮這些制約因素。經(jīng)實(shí)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(shí)使用。

2.2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)

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(yīng)考慮植物對(duì)不同土壤pH的適應(yīng)性及對(duì)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(duì)重金屬有較好的富集作用[72-73]。

鹽生植物對(duì)鹽分和重金屬的耐受性有著共同的生理調(diào)控機(jī)制，使其能夠在重金屬污染環(huán)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(zhuǎn)移的關(guān)鍵啟動(dòng)子，所以鹽生植物從鹽堿地中提取鹽分的同時(shí)可以積累大量的重金屬[75]。經(jīng)過(guò)大量探究發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行景觀植物配置時(shí)應(yīng)考慮鹽生植物的適應(yīng)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(fù)污染地塊時(shí)，還應(yīng)注意植物根系環(huán)境對(duì)修復(fù)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(jī)質(zhì)是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量和組成對(duì)土壤重金屬的生物有效性、化學(xué)行為及環(huán)境效應(yīng)有重要影響[78]。研究證明，有機(jī)質(zhì)的施加能提高土壤肥力，促進(jìn)植物在污染土壤中的生長(zhǎng)，提高植物的修復(fù)效率[79]。

氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素不僅能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高生物量，而且對(duì)增強(qiáng)植物防御能力、減輕重金屬毒害能發(fā)揮重要作用[80]。由于重金屬污染地塊的土壤長(zhǎng)期受毒害脅迫，易造成營(yíng)養(yǎng)元素貧乏，因此施加外源肥料有利于植物生長(zhǎng)。氮肥可調(diào)節(jié)龍葵抗氧化系統(tǒng)和葉片氮同化過(guò)程，提高其對(duì)Cd的吸收量，增強(qiáng)對(duì)Cd的抗性[81]。磷肥能增強(qiáng)蜈蚣草對(duì)As的修復(fù)能力[82]，提高李氏禾(Leersiahexandra)植株生物量及對(duì)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(zhǎng)快速、生物量大、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(zhì)能源來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，避免二次污染[84]。目前，國(guó)內(nèi)外修復(fù)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(lái)研究展望

(1) 景觀植物富集土壤重金屬的植物生理學(xué)、分子生物學(xué)機(jī)制有待開(kāi)展研究，為修復(fù)與美化城市重金屬污染地塊提供理論指導(dǎo)。(2)除了在污染地塊周邊調(diào)查正常生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)植物進(jìn)行景觀植物的篩選外，還可通過(guò)室內(nèi)盆栽、田間試驗(yàn)進(jìn)行景觀植物篩選，以拓寬景觀植物篩選的渠道。(3)通過(guò)強(qiáng)化措施提高景觀植物對(duì)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(jìn)植物生長(zhǎng)、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(zhì)處理，應(yīng)選擇合適的無(wú)害化和資源化方法，避免造成二次污染。