第2章 土壤修复的基本概念与一般原理

第二章土壤修复的基本概念与一般原理
第一节土壤修复的概念
一、土壤修复
Remediation,原意为“治疗”“修缮”。

土壤修复（Soil remediation）就是采用一定的技术手段，依据土壤生态系统理论，对各种污染土壤治理和定向培育的过程。

近年来,世界各国开始重视污染土壤的治理技术的研究,欧美国家先后投入大量的人力物力进行被污染土壤的修复和治理,污染土壤的修复技术研究成为当前环境保护工程科学和技术研究的一个新热点。

土壤石油污染修复的案例
石油是一种含有多种烃类（正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂环烃）及少量其他有机物（硫化物、氮化物、环烷酸类等）的复杂混合物。

有的石油样品可含２００～３００种烃类,分子量从１６至１０００左右,其物理状态包括气体、挥发性液体、高沸点液体以及固体。

石油污染泛指原油和石油初加工产品（包括汽油、煤油、柴油、重油、润滑油等）及各类油的分解产物所引起的污染。

石油对土壤的污染主要是在勘探、开采、运输以及储存过程中引起的,油田周围大面积的土壤一般都受到严重的污染,石油对土壤的污染多集中在２０ｃｍ左右的表层。

石油类物质进入土壤,可引起土壤理化性质的变化,如堵塞了土壤孔隙,改变土壤有机质的组成和结构,引起土壤有机质的碳氮比（Ｃ／Ｎ）和碳磷比（Ｃ／Ｐ）的变化;引起土壤微生物群落、微生物区系的变化。

石油污染对作物生长发育的不利影响主要表现为:发芽出苗率降低,生育期限推迟,贪青晚熟,结实率下降,抗倒伏、抗病虫害的能力降低等。

土壤的石油污染直接导致粮食的减产,而且通过食用生长于农业土地上的植物及其产品影响人类的健康。

石油类在作物体及果实部分主要残留毒害成分是多环芳烃类。

石油中的芳香烃类物质对人及动物的毒性极大,尤其是双环和三环为代表的多环芳烃毒性更大。

多环芳烃类物质可通过呼吸、皮肤接触、饮食摄入等方式进入人和动物体内,影响其肝、肾等器官的正常功能,甚至引起癌变。

石油类物质还通过地下水的污染以及污染的转移构成对人类生存环境多个层面上的不良胁迫。

万吨,占地面积１８１．７万ｍ２,年产石油污染土壤近１０万吨,累计堆放量近５０万吨。

以上数据只是对国有石油企业的污染物排放调查统计,若考虑油田地区的相关地方企业排污量以及突发事故
造成的污染和泄漏,情况将更加严重。

因此,随着石油开采和使用量的增加,大量的石油及其加工品进入环境,不可避免地对环境造成了污染,给生物和人类带来危害。

目前,石油污染问题已成为世界各国普遍关注的问题。

现有的石油污染土壤处理方式包括物理处理、化学处理和生物处理（生物修复）等。

物理处理有焚烧法、隔离法、换土法。

化学处理有萃取法、化学氧化和土壤洗涤法。

生物修复有微生物修复、植物修复等。

二、土壤修复的基本原则
1 、高效性
在一定时间内，通过相应的投入，达到期望的修复目的。

2 、无污染性
土壤修复不能造成而二次污染或污染物的转移。

3 、不可逆性
修复过程不能出现反复。

第二节退化土壤的植被重建
一、植被重建的含义
1 植被重建
重建（reconstruction），再造含义。

植被重建，依据生态学波动和演替原理，恢复原来的植被，属于恢复生态学范畴。

重建是属于演替还是波动，其划分的依据是根据持续时间的长短而定。

有学者认为，重建未必是要恢复原来植被类型或景观。

2 基本概念
(1)植被(vegetation)
即:“植物的覆盖”,它指的是地球表面活的植物覆盖,包括自然植被或野生植被、人工植被或人工群落、栽培植被或庄稼植被。

(2)植被生态学:
是关于植被与其环境相互间关系的学科,其学科范围涉及气候学、土壤学、植物学、种群学、区系学,也涉及到数学、物理、化学、地史、地理以及社会科学
等。

(3)植被恢复生态学:
恢复(restoration)是一个概括术语,它包括改造(reclamation),修复(rehabilitation),挽救(redemption)、更新(renewal)以及再植等含义。

植被恢复生态学是研究植被恢复与重建技术和方法、生态过程与机理的学科,它是植被生态学的一个分支学科。

(4)退化生态系统:在干扰的作用下,生态系统的结构和功能发生位移(displacement),其结果打破了原有生态系统的平衡状态,使系统的结构和功能发生变化和障碍,形成破坏性波动或恶性循环。

二、植被重建的理论基础
1重建目标
在地表由热量、降水、土壤和地形等因素组合的特定地段,生活着与环境因素相适应的一个植物群体。

通常所谓的森林带、草原带、荒漠带等等,指的是在不加人为干扰的情况下,由显性的自然因子组合决定的本地区最适宜的、稳定的、优势的植物群体,也称为顶极群落。

顶极群落规定了一个地区在保持自然界自身运动的条件下所能建设的最高等级的植被类型。

顶级群落规定了一个地区最高等级的显域植被类型,它是通过长期的演替才可达到的。

如果一个地区的原生或次生的植被类型被破坏,它的恢复须从比顶极群落低的类型开始。

例如从裸地发展到草地,再到灌木林地,进一步到乔木林地。

即使要将干草原从裸地恢复到它的原貌,也须经过从裸地到杂草群落再到杂类草群落,最后到禾草草原的演替过程。

因为杂草适应环境的能力最强,耐旱、耐脊薄,能在艰苦的环境中生活下来。

群落演变的每一步都为后续群落类型的生活积累了养分、改善了环境。

植物群落由低级向高级逐步适应环境而演变到顶极群落的过程称为植被演替规律。

2 多样性
多样性能否有利于生态系统稳定的重要衡量标准，是看其形成的调控生态系统的反馈机制的性质。

负反馈机制能提高生态系统内稳定的程度。

而正反馈机制破坏生态系统的内稳定状态。

西北地区植被形成的生态系统反馈机制的主要内容是对水的调蓄功能。

3植被生态系统的自我恢复和循环
植被破坏后,难以恢复的一个重要原因是没有自身下种的功能;人工植被也因没有良好的循环能力逐渐衰落,这是长期植树种草难以大面积显效的重要原因之一。

生态系统以土壤为支撑、生物为主体建立起一个水、土、大气、生物等共同参与的物流、能流循环体系。

绿色植物通过光能合成土壤中的无机物、有机物、水、气等使自身生长壮大;再经枯荣交替形成覆盖于土壤上的枯枝落叶层,并在水、气、热和微生物的共同作用下形成腐殖质层,他们共同构成“海绵层”;“海绵层”不断分解有机物质和蓄积降水补给土壤,不但增加土壤养分,而且在土壤成分变化的同时改善土壤结构,增强土壤的渗水能力,提高土地生产力,为植物的生长奠定更厚实的基础。

生态系统的物质循环是一个不断改善生存环境,同时也是自身结构更趋稳定的有序化过程,也正是通过这一循环过程,才能使生态系统的种种功能得以完善和正常发挥。

人工植被生态系统的循环大都断于“海绵层”。

4植被类型的空间分异
通过热量自赤道向两极的逐渐减少,以及降水由沿海向陆地内部的逐渐下降形成了地带性(纬度地带性和经度地带性)。

地形变异往往打破地带性,形成非地带性。

植被生境就是由地带性和非地带性规定的,因此植被的空间分异严格遵循上述规律。

地形的巨大差异形成等高沿伸垂直更替的垂直带,通常称为垂直地带性规律。

三、植被重建示例
1采矿废弃堆场植被重建
利用污水、污泥使矿山废石场复苏。

硬煤产品和矾土加工产生的废石场如何能安全和经济地复垦,因为废物场是形成有毒滤出物、气体、灰尘的根源,而且眼睛也不少受刺激,如果不适当处理,它仍将是一个严重的环境问题。

处理这些废物场的一个方法是用足够厚的天然土壤层覆盖它们,天然土壤肥沃,可以起屏障作用,减少滤出物渗透到地下水中。

土壤的厚度要足以让植物在废物场上扎根生长。

设想中的人工土壤(ＡＴＳ)有两种成分:ａ无机部分,它代表人工土壤的母质;ｂ有机部分,主要由来自废水净化工厂的污水、污泥组成。

混合物的无机部分
主要由工业残渣如:灰、废岩石和建筑碎渣组成。

2 黄土高原植被重建
黄土高原的植被特征由于黄土高原原生植被已不复存在,代之天然次生植被与人工植被,再加上人为活动破坏作用,诱发了严重的水土流失,致使森林植物条件恶化,现有植被在某种程度上已不能客观地反映出植被地带性实质。

黄土高原的植被重建始于50年代,60年代和70年代曾开展规模宏大的植树造林;80年代和90年代,该地区的植被恢复重建再次成为改善生态环境的主要措施, 由于黄土高原地形破碎,生态条件其及复杂多样,植被恢复与重建中,出现许多新的问题,其中水分亏缺,树草种单一,人工建造植被保存率低等表现为主要矛盾。

该地区植被重建中需要研究和探讨的问题主要有以下几个方面:
(1)黄土高原极度退化生态区植物先锋种的选择与研究。

(2)黄土高原呈岛屿状存在的天然次生林生态系统中以水分养分为中心的物流关系、植物种间他感效应、植物种生态位等基础研究。

(3)人工模拟天然植被结构区域定位试验研究。

(4)逆境条件下的人工植被建造技术试验研究。

3红壤侵蚀区植被修复
红壤是我国长江流域以南各种红色或黄色酸性土壤的总称,面积2.18亿ｈｍ2,占全国土地面积的22.7%,是我国重要的土壤资源和多种农林产品的主产区。

多年来,由于自然与人为因素的干扰,红壤地区已成为我国水土流失范围最广、程度较高的地区,严重程度仅次于黄土高原,环境日趋恶化,是我国治理土壤侵蚀和水土流失的重点区域之一。

红壤侵蚀区指土壤侵蚀强烈、水土流失严重和生态退化趋势明显的红壤分布区。

植被恢复的领域主要有:
(1)群落优势种与红壤侵蚀区退化阶段关系的研究。

揭示红壤侵蚀区退化阶段与其群落优势种的内在联系,根据现存植物群落优势种确定红壤侵蚀区植被退化阶段,或者根据其退化阶段确定植被恢复群落的优势种,掌握该优势种的生物学特性和对环境的适应性及生态位关系,由此构建植被恢复群落的优化结构。

(2)红壤侵蚀区退化阶段与土壤特征关系的研究。

了解红壤地区主要土壤类型以土壤水分和养分为主要特征的退化规律,从而根据红壤侵蚀区的土壤特征确定其植被退化阶段。

(3)胁迫因素及其控制方法的研究。

胁迫因素是制约植被恢复群落发生发展的关键因素。

揭示各阶段的胁迫因素及其控制方法,有利于探求适应于不同土壤类型,不同侵蚀程度地区植被恢复方法。

(4)乡土种的筛选与应用研究。

筛选优良的乡土种类,既能充分挖掘红壤地区丰富的植物资源,又有利于建立适合地方自然条件和经济发展特点的植被恢复模式。

第三节污染土壤修复典型方法和原理
一、换土法：
用新鲜未受污染的土壤替换或部分替换原污染土壤，以稀释原污染物浓度，增加土壤环境容量。

二、土壤化学修复技术
主要是通过化学添加剂清除和降低土壤中的污染物的方法。

针对土壤中污染物的特点，选用合适的化学清除剂和合适的方法，利用化学清除剂的物理化学性质及土壤对污染物、化学清除剂的吸附作用等，清除污染物或降低污染物的浓度至安全标准范围，且所施化学药剂不对土壤环境系统造成二次污染。

针对化学修复农药残留污染土壤，化学添加剂通过改变土壤的结构及农药的吸附、吸收、迁移、淋溶、挥发、扩散和降解，改变农药在土壤中的残留累积。

表面活性剂、天然生物表面活性剂、有机溶剂等都是常用的污染土壤的清洗剂。

三、土壤生物修复技术
综合运用现代生物技术,使土壤中的有害污染物得以去除,土壤质量得以提高或改善的过程,既包括微生物修复,也包括植物、动物和酶等修复方法。

生物修复与其它的污染土壤的处理技术相比,具有成本低、无二次污染及处理效果好等优点,能达到对污染土壤永久清洁修复的目的。

在这方面,有关微生物对土壤中有机污染
物降解的研究较多。

研究表明,植物修复与微生物修复相比,有时更适应于污染土壤的现场修复。

1 按修复的生物划分：
原位修复：包括微生物修复,也包括植物、动物和酶等修复方法。

2 按修复的空间划分
2.1 原位修复：不移动受污染土壤,通过直接加营养物、供氧或使受污染地下水与降解菌充分接触，加快污染物分解饿技术。

美国犹他州对航空发动机油污染的土壤，通过竖井抽风。

2.2 异位修复技术: 将受污染土壤、沉积物移离原地，或在原地翻动土壤使之与降解菌接种物、营养物及支撑材料混合，集中起来进行生物降解。

又包括耕作法、堆肥法、生物浆床反应法和厌氧处理法。

四、电修复热修复。