土壤環(huán)境學-受損土壤改良與修復

案例教學

受損土壤改良與植被恢復主要內容受損土壤特點受損土壤改良受損土壤修復受損土壤植被恢復主要內容受損土壤特點受損土壤改良受損土壤修復受損土壤植被恢復受損土壤的特點1.土壤物理結構不良，保水、保肥能力差土地平整、采礦作業(yè)等導致土壤壓實、板結，孔隙度降低,容重增大土層擾動，底層土被翻至地表。孔隙很少，通透性極差或由剝離的表土、開采的廢石堆積形成的廢石廢棄地、尾礦廢棄地等受損土壤的特點2.土壤貧瘠，氮、磷、鉀及有機質含量極低

富含有機質的表層土常被剝離、擾動或原有結構被打亂，或覆蓋未熟化土。受損土壤的特點3.土壤酸化或鹽堿化等

工礦企業(yè)酸性或堿性廢水排放導致礦區(qū)廢棄地土壤極端酸性或堿性受損土壤的特點4.存在重金屬等有毒有害污染物質

工礦廢棄地一般存在較高水平的重金屬等污染物質。礦區(qū)尾礦庫、廢石堆場、選礦廢水等含有極高濃度的重金屬。重金屬污染是金屬礦山廢棄地復墾土壤的重要特點。主要內容受損土壤特點受損土壤改良受損土壤修復受損土壤植被恢復受損土壤改良土壤改良、修復的方法、材料非常多，但最終都是要實現(xiàn)三個基本目標：

一是改善土壤基質的物理結構；

二是改善基質的養(yǎng)分狀況；

三是去除基質中的有毒有害物質。受損土壤改良1.土壤培肥改良技術2.化學改良技術3.微生物技術

1.土壤培肥改良技術1)客土覆蓋2)綠肥法3)施用有機改良物質4)施用化學肥料

對土壤團粒結構、孔隙度等理化性狀的改良及土壤有機質、氮、磷、鉀等營養(yǎng)狀況的改善。主要包括：1.土壤培肥改良技術1)客土覆蓋

廢棄地土層較薄或沒有土層的情況下，采用異地熟土覆蓋，改善植物生長基質條件，特別是引進氮素、微生物和土壤種子庫，為植被重建或達到可耕性提供有利條件。該技術的關鍵在于有充足的土源，土源應盡量在當?shù)亟鉀Q。1.土壤培肥改良技術2)綠肥法

綠肥是改良整理復墾土地貧瘠土壤、增加有機質和氮磷鉀等營養(yǎng)元素的有效方法。綠肥多為豆科植物，利用其根瘤菌固氮，其生命力旺盛，在自然條件較差、土壤較貧瘠的土地上都能很好地生長。在復墾第一、二年，種植綠肥作為先鋒植物，壓青腐熟，除釋放大量養(yǎng)分外，還可以轉化成腐殖質，增加土壤有機質含量，其根系腐爛后也有膠結和團聚作用，可以有效改善土壤理化性質。1.土壤培肥改良技術3)施用有機改良物質

有機物料不僅含有作物生長和發(fā)育所必需的各種營養(yǎng)元素，而且可以改良土壤物理性質，增加土壤持水保肥能力。常用的有城市污泥、人畜糞便、有機堆肥、生活垃圾、泥炭類物質等。1.土壤培肥改良技術4)施用化學肥料

合理施用無機化學肥料是提高土壤中礦質營養(yǎng)水平的有效措施。綜合施加氮、磷、鉀肥要比單施某一種肥料好。2.化學改良技術1)酸性土壤：可施用碳酸氫鹽或石灰來調節(jié)酸性，既降低土壤酸堿度，又能促進微生物活性，改善土壤結構；也可施用磷礦粉、粉煤灰等物質，磷礦粉既可提高土壤肥力，又能在較長時間內控制土壤pH值。粉煤灰既可以降低土壤的酸性，又可改善土壤的物理性狀。2)堿性土壤：可采用硫磺、氯化鈣、硫酸亞鐵、石膏和硫酸等酸性物質進行中和改良土壤微生物具有迅速熟化土壤、固定空氣中的氮素、參與養(yǎng)分轉化、改進土壤結構提高植物的抗逆能力等功能。比較典型的例子是根瘤和菌根。3.微生物技術根瘤：固氮細菌與植物根系的共生體?？晌展潭ù髿庵械姆肿討B(tài)氮，即生物固氮。在養(yǎng)分缺乏的貧瘠土壤中更能促進植物生長。3.微生物技術3.微生物技術項目鮮重（g/盆）干重（g/盆）鮮根重（g/盆）根長（cm）株高（cm）接種根瘤菌N0.30N0.15N082.7±54.0103.7±20.857.5±12.024.00±4.230.60±11.215.25±4.68.0±0.712.5±4.07.4±0.119.8±1.820.3±3.219.3±4.219.5±0.722.9±2.717.3±0.4不接種根瘤菌N0.30N0.15N060.1±0.764.0±27.543.7±10.716.60±1.117.2±1115.60±2.56.7±0.49.2±5.03.3±1.416.5±2.116.7±4.09.2±1.618.5±0.716.7±4.515.0±1.0接種根瘤菌對三葉草生長的影響N0、N0.15、N0.30分別表示不施氮素、施氮素0.15g/kg、0.30g/kg。菌根：土壤中的真菌菌絲與高等植物形成的植物—微生物共生聯(lián)合體。

延伸的菌絲體增加根系的吸收面積，促進植物生長，

提高植物抗病等抗逆境能力。菌絲的穿插促進土壤凝聚。3.微生物技術3.微生物技術接種菌根菌對植株侵染率、地上下部及總的植株干重和根莖比的影響（畢銀麗等，2002）處理方式覆土厚度/cm菌根侵染率/%地上部質量/g地下部質量/g總質量/g根/莖對照1002.25c1.10de3.35c0.49802.11c0.85e2.96c0.40502.17c1.06de3.23c0.49接種G.mosseae1039.4a9.01a3.24a12.25a0.36850.7a7.44ab2.78ab10.22ab0.37544.0a3.00c1.70cd4.70c0.57通過向新建植的植物接種微生物：改善植物營養(yǎng)條件、促進植物生長利用植物根際微生物的生命活動，使失去微生物活性的土壤重建和恢復土壤微生物體系，加速整理復墾土地地土壤的基質改良加速生土熟化，提高土壤肥力3.微生物技術目前市場上推廣的EM（EffctiveMicroorganisms）利用技術是將經過篩選出的好氧性和厭氧性微生物加以混合，采用獨特的工藝，發(fā)酵而制成微生物活菌制劑。EM中代表性的微生物有光合細菌、乳酸菌、酵母菌、放線菌、絲狀菌等?？梢约铀偻寥烙袡C物分解，促進土壤團?；?，提高土壤肥力，使有效養(yǎng)分含量明顯增加，大大節(jié)約肥料；控制有害微生物，減少病蟲害等。3.微生物技術主要內容受損土壤特點受損土壤改良受損土壤修復受損土壤植被恢復受損土壤修復1.物理修復2.化學修復3.生物修復4.農藝措施

工礦企業(yè)廢棄地整理復墾區(qū)尤其是金屬礦山廢棄地往往存在重金屬等污染問題。除采取上述各種土壤培肥改良措施外，還要進行土壤修復來處理土壤污染問題，使土壤條件達到植物生長或農畜產品安全標準。主要技術包括：

1.物理修復1）工程措施2）玻璃化修復3）電動力學修復4）電磁法修復主要包括換土、客土、去表土、隔離、深耕翻土等措施。換土、去表土、客土被認為是治本的好方法，但是工程量大，并有污土的處理問題，目前只用于小面積、污染嚴重的地區(qū)。1.物理修復1）工程措施把重金屬重污染區(qū)土壤置于高溫高壓條件下，形成玻璃態(tài)物質，使重金屬固定于其中，達到消除重金屬污染的目的。工程量大、費用高昂，但能從根本上消除土壤的重金屬污染，且見效快，常用于重金屬重污染區(qū)的搶救性修復。1.物理修復2）玻璃化技術通過電流的作用，提高土壤的Eh值并在陰陽兩極附近的土壤溶液中聚集大量的H+和OH-

，調節(jié)土壤的pH值，以利于重金屬離子的去除。1.物理修復3）電動力學修復1.物理修復4）電磁法修復（熱解吸法修復）利用高頻電壓產生電磁波，在電磁波作用下，產生熱能，對土壤進行加熱，使污染物在土壤顆粒內解吸而達到修復的目的。適用于一些受汞或硒等易揮發(fā)性重金屬污染的土壤的修復。是一種操作簡單、經濟可行的方法。2.化學修復1）化學改良劑修復2）螯合劑修復3）表面活性劑修復2.化學修復1）化學改良劑修復向土壤中添加改良劑（抑制劑），與污染物發(fā)生氧化、還原、沉淀、吸附、絡合、抑制、拮抗等化學作用，降低污染物的水溶性、擴散性和生物有效性，從而降低其遷移能力。磷酸鹽、磷灰石、石灰、硅酸鹽、粘土礦物等被認為是處理重金屬污染的常用改良劑。適用于污染不太嚴重的土壤。2.化學修復2）螯合劑修復向土壤中施加重金屬螯合劑，使吸附在土壤固體表面的重金屬解吸到土壤溶液中，提高土壤中重金屬的有效態(tài)，再經淋洗或植物吸收將污染物從土壤中去除。2.化學修復3）表面活性劑修復利用表面活性劑潤濕、增溶、分散、洗滌等特性，改變土壤表面電荷和吸收位能，或從土壤表面把污染物置換出來，以絡合、螯合物的形式存在于土壤溶液中，提高污染物在土壤溶液中的流動性。3.生物修復1）植物修復2）微生物修復3）動物修復3.生物修復1）植物修復植物提取植物揮發(fā)根際過濾植物穩(wěn)定3.生物修復1）植物修復植物提取利用某些對重金屬具有超富集作用的植物——超積累植物，把污染物吸收轉移到地上部，然后收割地上部分進行集中處理，達到降低土壤中重金屬含量的目的。目前已發(fā)現(xiàn)400多種超積累植物。3.生物修復1）植物修復植物提取對于超積累植物的定義一般考慮以下兩個因素:①植物地上部分富集的重金屬應達到一定的量;②植物地上部分的重金屬含量應高于根部。重要的超積累植物主要集中在十字花科。遏藍菜：Zn、Cd龍葵：Cd海州香薷：Cu羽葉鬼針草：Pb井口邊草：As蜈蚣草：As3.生物修復1）植物修復植物揮發(fā)土壤中重金屬通過植物作用產生毒性小的揮發(fā)態(tài)物質。主要是Hg、Se、As。硒在洋麻、牛毛草等植物的作用下轉化為氣態(tài)形式的二甲基硒和二甲基二硒。洋麻可使土壤中約50%的三價硒轉化為甲基硒揮發(fā)從土壤中去除。3.生物修復1）植物修復根際過濾是利用植物根系過濾沉淀重金屬的過程。主要是利用水浮蓮、浮萍、水葫蘆等水生植物的吸附能力，減輕重金屬對水體的污染程度。目前實際應用較多的是人工濕地技術和生物塘工程。3.生物修復1）植物修復植物穩(wěn)定通過植物吸收、分解、氧化還原和沉淀固定等作用，降低重金屬在土壤中的活動性和毒性，防止重金屬的滲濾或擴散。該技術適用于礦區(qū)或者核電站廢棄地的污染修復?？梢酝ㄟ^大面積種植這類植物來降低污染物的擴散和危害，或以這些植物作為礦區(qū)廢棄區(qū)植被恢復的先鋒種。植物穩(wěn)定并沒有從根本上清除污染物，隨著時間的推移或在適當?shù)沫h(huán)境誘發(fā)下，仍有擴散、滲慮的風險。典型案例：As超積累植物蜈蚣草修復礦山污染土壤（陳同斌研究小組）

湖南郴州：世界上第一個砷污染土壤植物修復基地

修復前：湖南郴州蘇仙區(qū)鄧家塘鄉(xiāng)因砷污染導致600多畝稻田棄耕、2人死亡、400多人集體住院，誘發(fā)嚴重糾紛和暴力沖突，曾引起國務院高度重視，中央電視臺《焦點訪談》專門報道。

修復后：在田間種植條件下，蜈蚣草葉片含砷量高達0.8%，有力證明了蜈蚣草在砷污染土壤的治理方面具有極大的應用潛力。

典型案例：As超積累植物蜈蚣草修復礦山污染土壤（陳同斌研究小組）廣西環(huán)江：污染土地的植物修復示范工程

修復前：廣西環(huán)江縣因洪災造成超過5000畝農田土壤被嚴重污染，部分土壤甚至寸草不生，這已成為廣西當前最突出的環(huán)境問題。

修復后：建立污染土地的植物修復示范工程，目前已種植超富集植物進行土壤重金屬污染修復試驗，取得初步成效。3.生物修復2）微生物修復利用土壤中的某些微生物對污染物的吸收、沉淀、氧化、還原等作用，降低污染物的毒性與生物有效性。研究熱點：微生物—植物聯(lián)合修復3.生物修復2）微生物修復植物與專性菌株的聯(lián)合修復土壤中許多細菌具有活化土壤中污染物的能力。植物修復污染土壤過程中向土壤中接種專性菌株，不僅可以提高植物生物量，而且還可以提高土壤中重金屬等污染物的生物可利用性。植物與菌根的聯(lián)合修復VA菌根具有較強的絡合重金屬元素的能力，當土壤中重金屬含量過高時，VA菌根可以顯著提高宿主植物對這些重金屬離子的耐性。3.生物修復3）動物修復

利用土壤中的小型動物對污染物的吸收、富集作用，通過電激、灌水等方法從土壤中驅出這些動物集中處理，從而降低污染土壤中重金屬的含量。4.農藝措施包括改變耕作制度、調整作物品種、施用農家肥、控制土壤水分、控制化肥施用等。改變耕作制度：深翻耕、旱地改水田、進行輪作（調整pH值、Eh值，使之有利于降低重金屬的有效性）等。調整作物品種：不同的作物品種對污染物的吸收積累能力不同，可篩選低積累品種。4.農藝措施施用農家肥：可為污染物提供吸附、絡合劑?？刂仆寥浪郑涸谘退耐寥乐校亟饘僖话阋噪y溶態(tài)的硫化物的形式存在。作物灌漿期，有一個相對的水淹期，可減少重金屬進入果實和籽實中的含量?？刂苹适┯没手械腟O42-、Cl-等可活化土壤中的重金屬Cd等。4.農藝措施該技術在一定程度上可減輕重金屬對農作物的危害，避免重金屬離子進入食物鏈，具有費用低實施方便等優(yōu)點，但周期長、效果不顯著，適于中、輕度污染土壤的治理。主要內容受損土壤特點受損土壤的改良受損土壤的修復受損土壤植被恢復受損土壤植被恢復整理復墾土地植被恢復是指在整理復墾區(qū)因采礦及各種工程建設活動導致植被破壞的土地上，通過人為措施恢復原來的植被群落，或重新建立新的植物群落。其主要作用有：1）利用不同種類的人工植物群落的整體結構，增加植被覆蓋度，減緩地表徑流，攔截泥砂，調蓄土體水分，防止風蝕及粉塵污染。受損土壤的植被恢復2）利用植物的有機殘體和根系的穿透力以及分泌物的物理、化學作用，改變下墊面的物質、能量循環(huán)，促進廢石渣的成土過程。3）利用植物對污染物的富集、耐性、穩(wěn)定等作用，并通過植被覆蓋降低土壤重金屬等污染物的毒性、控制污染物的擴散。4）利用植物群落根系錯落交叉的整體網絡結構，增加固土防沖能力，保障工程建設的順利進行，以及工程建設結束后退化生態(tài)系統(tǒng)的迅速恢復和重建。受損土壤植被恢復恰當?shù)闹脖换謴图夹g是改良土壤、控制污染、恢復土地景觀及生態(tài)功能的有效措施，也是土地整理復墾的最終目標之一。關鍵技術：植物的篩選與引種；植物的布局與配置;3.植物的栽植與管理。1.植物的篩選與引種植被恢復工程大體可通過兩種途徑實現(xiàn)：1）改地適樹適草，即主要通過人為改善立地條件，使其基本適應植物的生物學特性。只要措施得當，可速見成效，常普遍采用。但工礦區(qū)各種限制性因子往往并非一般性措施可以完全克服，許多廢棄地的理化性質，尚并不十分穩(wěn)定，處于一種變動狀態(tài)中，加之受區(qū)域經濟水平的制約，有時立地條件改良并非能獲得理想的結果，使其完全適應植物的生長。2）選樹選草適地或改樹改草適地，即根據(jù)待整理復墾場地的立地條件選擇或引進對各種限制因子較少要求的先鋒植物首先定居，隨著先鋒植物的生長、繁殖、生境逐漸得以改善，同時其它植物種會逐漸侵入，如生長不受限制，最終將演替成頂極群落。

兩種途徑并非互不相容，事實上植被恢復工程往往需將二者結合起來加以應用。根據(jù)礦區(qū)的氣候和土壤條件，植被篩選應著眼于植被品種的近期表現(xiàn)，兼顧其長期優(yōu)勢。一般篩選原則是：

1）速生能力好地上部分生長迅速，枝葉繁茂，能盡早盡快盡可能長的時間覆蓋地面，可阻止風蝕和水蝕。同時，落葉豐富，易于分解，以便形成松軟的枯枝落葉層，提高土壤的保水保肥能力。

2）適應性、抗逆性強對干旱、潮濕、瘠薄、鹽堿、酸害、污染、病蟲害等不良立地因子有較強的忍耐能力；對粉塵污染、燒灼、凍害、風害等不良大氣因子也有一定的抵抗能力。

3）根系發(fā)達能網絡固持土壤；能提高水肥吸收效率。

4）固氮植物優(yōu)先

5）當?shù)氐膬?yōu)良鄉(xiāng)土品種優(yōu)先1.植物的篩選與引種遵循的原理或原則是：生物多樣性原則生態(tài)位與生物互補原則物能循環(huán)與轉化原則物種相互作用原則食物鏈網原則等2.植物的布局與配置以平朔露天礦的植被恢復為例：經歷了純草、純灌、純喬模式；隨機配比的草、灌、喬組合和優(yōu)化配置的草、灌、喬組合模式。經過時間的檢驗，單一品種種植模式易出現(xiàn)病蟲害和種群退化問題；隨機組合的草、灌、喬結構，大多數(shù)由于相互競爭養(yǎng)分與水分或拮抗作用，也出現(xiàn)整體退化現(xiàn)象。只有設計合理、搭配科學的草、灌、喬復合結構，才能形成穩(wěn)定的植被群落結構，完成植被群落正常演替。2.植物的布局與配置經過20多年的復墾實踐，篩選出油松＋刺槐＋檸條，刺槐＋沙棘＋草木樨、沙打旺＋沙棘＋檸條等20余種草、灌、喬組合作為礦區(qū)生態(tài)重建的植被配置模式。這些模式的共同特點是易形成較為穩(wěn)定的植被群落和結構趨于合理的生態(tài)系統(tǒng)。草、灌、喬的組合不求各植物種都能長期共存，只求階段性共生，起到促進物質循環(huán)和養(yǎng)分的傳遞、熟化土壤的作用，逐步過渡到相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。豆科牧草在完成其使命后自行退化消失，為喬灌的生長提供必需的養(yǎng)分。伴隨著野生植物的侵入，逐步形成與自然相適應、種間和諧共存、群落結構穩(wěn)定的人工生態(tài)系統(tǒng)。2.植物的布局與配置3.植物的栽植與管理農林上常規(guī)的栽植與管理技術往往不能滿足整理復墾區(qū)的植被恢復要求，必須采取特殊的種植工程，才能使受破壞的土地盡快恢復其生產力。種植工程復雜程度常與復墾種植的類別有關。根據(jù)立地條件不同，常見種植種類有農業(yè)種植和林草種植。農業(yè)種植包括農作物、蔬菜、果樹等。林草業(yè)種植包括草本(牧草、雜草和花卉等)和木本(喬木、灌木、藤本等)。新整理復墾土地，只有在立地條件通過復墾措施(大多是林草)改善的情況下，才能進行農業(yè)復墾，所以農業(yè)種植和管理技術大體和一般土壤是相一致的。工礦區(qū)新造地在復墾階段大多以林草為主，要求比林業(yè)上綠化有更為復雜的工程技術。3.植物的栽植與管理（一）植物工程類別

植物工程類別和要重建的生態(tài)系統(tǒng)類型有關，如下表所示。重建生態(tài)系統(tǒng)類別生產性生態(tài)系統(tǒng)防護性生態(tài)系統(tǒng)園藝性生態(tài)系統(tǒng)最終方向以農田為主以林草為主以林草、花卉為主適用區(qū)域平地、防風林帶、經濟林坡地、粉塵污染區(qū)、濕地處理區(qū)、公路、鐵路四周附近生活區(qū)、工業(yè)廣場、公園復墾、建筑復墾、公路、鐵路兩側功

能培肥土壤、治理侵蝕，獲得經濟效益涵養(yǎng)水源、保護土地、保健修養(yǎng)、保護動物、凈化大氣、凈化土壤保持風景，保健修養(yǎng)特

點綠肥植物或經濟林森林植物造園植物種子繁殖或育苗繁殖種子繁殖或育苗繁殖苗木或大樹移栽調整植物間的競爭調整植物的競爭抑制植物間的競爭禁止植物侵入植物侵入遷出不限制植物侵入遷出有限制短期成林迅速使樹木、花卉叢生完成綠化工作可靠，且費用少完成綠化工作可靠，且費用少完成綠化工作可靠，但費用較大保護管理完全是人工的，但較粗。保持管理是人工的自然變化保護管理植物精細徹底3.植物的栽植與管理

（二）植被基礎工程植被基礎工程是為了把地基整理完善或使之穩(wěn)定化，以適合植物的生長發(fā)育，它是植被工程的重點，因為植物群落的恢復并長久保持良好狀態(tài)，必須造成一個穩(wěn)定的、適合于植物生長的基礎，否則植物難以生長或者即使一時得以生存，但數(shù)年后可能出現(xiàn)地基崩潰，草木枯損，植物群落也必然衰敗。植被基礎工程一般從三個方面著手：（1）緩和嚴酷的氣象環(huán)境。在植物的發(fā)芽期，幼芽(苗)期，生長受氣象因子(風、雨、日照、溫度和濕度等)影響很大，所以在長成健壯的植物體前，以緩和嚴酷的氣象環(huán)境為目的的基礎工程是必要的。3.植物的栽植與管理（2）適應陡急的邊坡坡度。坡度對植物生長有較大影響，一般樹木類的正常生長坡度應小于30°。如大于30°，生長受到影響，大于45°，生長的持久性就成問題。礦山上所處的地形邊坡坡度35~45°占大多數(shù)，45°以上的急坡也常出現(xiàn)，因此，在植被種植前，必須做成緩坡或進行使植被基盤穩(wěn)定的基礎工程。（3）改善植被基盤。植被基盤為粘性土、砂質土、礫質土、硬質土以及軟巖硬巖廢堆時，其硬度常常妨礙根系伸展，一些基盤雖硬度不高但含氧不足，同樣根系伸展有困難，一些基盤養(yǎng)分缺乏或強酸強堿，也使植物難以生長，因此，必須做些改善植被基盤的基礎工程。3.植物的栽植與管理

（三）植被栽植、保護及管理植被栽植工程設計包括混交方