隨著城市化進(jìn)程的加快,城市環(huán)境正經(jīng)歷著巨大的考驗(yàn)。交通工具排放的廢氣、工礦企業(yè)的污染、居民的生活垃圾,都成為了城市環(huán)境惡化的直接或間接的原因。尤其是城市土壤,遭到不可逆轉(zhuǎn)的生態(tài)破壞，因此如何有效地修復(fù)和利用被污染土壤是城市建設(shè)中不可回避的現(xiàn)實(shí)問題。

2 城市土壤污染現(xiàn)狀

2.1 城市土壤污染的主要成分

土壤污染物降低了土壤的可利用性,當(dāng)土壤中的有毒污染物濃度超過一定界限,就會(huì)造成植物的死亡或生命的強(qiáng)度降低。20世紀(jì)中期以來,人們開始對城市土壤的污染物來源、主要成分等進(jìn)行研究。土壤污染物包括了有機(jī)污染物和無機(jī)污染物,無機(jī)污染物的主要種類是重金屬、硝酸鹽類、磷酸鹽類、酸、堿、鹽類、鹵化物等。

交通污染對城市的表層土壤,尤其是干道兩側(cè)土壤的有機(jī)污染和重金屬污染是顯著的。Fe、Co兩種元素的含量主要受成土母質(zhì)的影響,而無論公園還是道路兩側(cè),土壤中鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鉻(Cr)的量除了受到交通污染的影響外,還受城市工業(yè)粉塵等其它污染的影響。

2.2 重金屬污染研究進(jìn)展

重金屬是指比重在4.0～5.0以上約45種金屬元素,如Cu、Pb、Zn、Hg、Cd等。由于As和Se的毒性和某些性質(zhì)與重金屬相似,所以將As、Se也列入重金屬范圍內(nèi)。城市中的交通、工礦業(yè)、燃煤、生活垃圾等一系列因素構(gòu)成了城市土壤污染物的主要來源,就無機(jī)污染物的重金屬而言,主要集中于Cu、Pb、Zn、Hg、Cd等。

城市土壤鉛污染的成因,可以分為兩部分,一部分來源于成土母質(zhì),另一部分則為外源的人為輸入。成土母質(zhì)是城市土壤中鉛含量的重要來源,是決定城市土壤中鉛含量與分布特征的重要因素之一。通常條件下,自然土壤(受人為活動(dòng)影響較小的土壤) 中鉛的濃度較低,外源人為輸入才是城市土壤鉛污染的主要成因。Pb污染主要來自汽車廢氣、冶煉、制造及使用鉛制品的工礦企業(yè)。汽車使用的含鉛汽油中常加入四乙基鉛作為防爆劑,在汽油燃燒中四乙基鉛絕大部分分解成無機(jī)鉛鹽及鉛的氧化物,隨汽車尾氣排出。城市的交通污染因此也成為城市表層土壤中鉛污染的主要來源。汽車尾氣中的Pb在距離道路邊緣320m附近的地方還能夠在表層土壤中被檢測到,相關(guān)數(shù)據(jù)顯示Pb在表層土壤中的含量高于Cd,并且Pb與Hg在城市表層土壤中含量具有一定的相關(guān)性。從重金屬在土壤中的賦存形態(tài)來看,有研究發(fā)現(xiàn),南京市城市表層土壤Pb以殘?jiān)鼞B(tài)和鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)為主,各形態(tài)所占比例為殘?jiān)鼞B(tài)>鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)>有機(jī)結(jié)合態(tài)>碳酸鹽結(jié)合態(tài)>交換態(tài)。鉛是有害元素,人體鉛中毒可以引起多種癥狀,主要累及造血系統(tǒng)、消化道,晚期則累及神經(jīng)系統(tǒng),以致腦受到損害,即使低濃度吸收,對兒童智力也有潛在的不良影響。

鎘(Cd2+)是一種生物毒性極強(qiáng)的重金屬元素,在自然界中以化合物的形式存在。主要礦物為硫鎘礦(CdS),與鋅礦、鉛鋅礦、銅鉛鋅礦共生。土壤中鎘的來源主要有兩個(gè)方面:一是來源于土壤的母質(zhì),而鎘在石灰?guī)r中的含量最高,在河湖沖擊物中次之,其他的母質(zhì)中居中,而且質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大;二是人為污染導(dǎo)致環(huán)境中Cd的富集,如有色金屬礦產(chǎn)開發(fā)和冶煉排出的廢氣、廢水和廢渣;煤和石油燃燒排出的煙氣也是Cd污染源之一。此外,含Cd肥料、殺蟲劑、塑料、電池等都可能引起Cd污染。鎘非人體的必需元素,其對人體健康的危害主要來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所造成的環(huán)境污染。鎘對腎、肺、肝、睪丸、腦、骨骼及血液系統(tǒng)均可產(chǎn)生毒性,被美國毒物管理委員會(huì)(ATSDR)列為第6位危害人體健康的有毒物質(zhì)。20世紀(jì)60年代初期,日本富山神通川流域發(fā)生了“骨痛病”公害事件,其患病原因就是由于當(dāng)?shù)鼐用耖L期食用了含Cd廢水污染土壤所生產(chǎn)的“鎘米”所致。Cd是植物生長的非必需元素,環(huán)境中Cd含量過高會(huì)影響植物的生長發(fā)育,對植物產(chǎn)生毒害作用。在許多植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn),Cd影響植物對大量元素K、P吸收和利用,如干擾冰花(Mesembry anthemum crystallinum)對K吸收和利用。Cd等重金屬降低了椰子(Cocos nucifera)葉P含量,也會(huì)引起植物對Zn、Mn、Cu和Fe等礦質(zhì)微量元素吸收的紊亂。

重金屬污染的嚴(yán)重性及重金屬在土壤中的環(huán)境行為并不完全取決于其總量,而是取決于其化學(xué)形態(tài),而且,在不同土壤條件下,其毒性有一定差別。在對城市土壤飽和離心液的研究發(fā)現(xiàn),59%以上的溶解態(tài)Cd是以自由離子形式存在,溶解態(tài)的Pb則主要以有機(jī)結(jié)合態(tài)的形式存在。此外,有研究表明,重金屬污染脅迫下,植物體內(nèi)的保護(hù)酶(如SOD、POD、CAT)的活性可能表現(xiàn)為低濃度水平下的上升和高濃度水平的抑制現(xiàn)象,同時(shí)也會(huì)影響可溶性蛋白、糖及脯氨酸的含量,導(dǎo)致膜脂過氧化物(MDA)的累積。

3 植物在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

1983年美國科學(xué)家Chaney首次提出了植物修復(fù)技術(shù)的概念。 廣義的植物修復(fù)技術(shù)包括利用植物修復(fù)重金屬污染土壤，利用植物凈化水體和空氣，利用植物清除放射性核素和利用植物及其根際微生物共存體系凈化環(huán)境中有機(jī)污染物等。通常所說的植物修復(fù)是指將某種特定植物種植在重金屬污染的土壤上,而該種植物對土壤中污染元素具有特殊的吸收富集能力,將植物收獲并進(jìn)行妥善處理后即可將該種金屬移出土體,達(dá)到污染治理與生態(tài)修復(fù)的目的。

對于重金屬污染的土壤,現(xiàn)行的修復(fù)技術(shù)有氣提法、生物修復(fù)法、淋洗法、客土法等,但這些技術(shù)容易造成二次污染、破壞自然生境,而且成本也較高。通過綠色植物對重金屬的富集來進(jìn)行污染土壤的修復(fù)理論上是可行的,利用積聚、絡(luò)合、揮發(fā)、降解、去除、轉(zhuǎn)化或者固定等機(jī)制來處理污染物,相對于常規(guī)微生物修復(fù),除了可以通過植物過程固定積聚污染物,阻止污染物隨水流和風(fēng)塵而擴(kuò)散外,植物本身作為天然自養(yǎng)系統(tǒng),也能夠向根際微生物提供營養(yǎng),保證微生物生長和一定的微生物群落,從而能夠進(jìn)一步使污染物脫毒。歐美等一些國家通過柳樹短輪伐矮林化栽培模式修復(fù)Cd等重金屬污染,生物質(zhì)用作生物能源,把可再生能源生產(chǎn)和植物修復(fù)結(jié)合起來,取得顯著的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

植物修復(fù)是植物、土壤和根際微生物相互作用的綜合效果,涉及土壤化學(xué)、植物生理生態(tài)學(xué)、土壤微生物學(xué)和植物化學(xué)等多學(xué)科研究領(lǐng)域。對于重金屬污染土壤和水體的植物修復(fù)技術(shù)主要包括了植物固定、植物提取、植物揮發(fā)和植物過濾4種類型。植物提取是植物修復(fù)的主要途徑,利用超積累植物將土壤中的有毒金屬提取出來,轉(zhuǎn)移并富集到植物地上可收割部位,從而減少土壤中污染物的量,另一方面,改善植物礦質(zhì)營養(yǎng)狀況也可以促進(jìn)植物對重金屬的忍耐和吸收,提高植物修復(fù)效率。超富集植物是指那些能夠超量富集重金屬的植物,也稱超積累植物,通常是一些古老的物種,在長期環(huán)境脅迫下誘導(dǎo)、馴化的一種適應(yīng)變突體,生長緩慢,生物量小。同時(shí)超富集植物具備以下3個(gè)特征:植物地上部分(莖和葉)重金屬含量是普通植物在同一生長條件下的100倍;植物地上部分重金屬含量大于根部該種重金屬含量;植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的受害癥狀且地上部富集系數(shù)(Bioaccumulation factor),即植物體內(nèi)某種元素含量/土壤中該種元素濃度)大于1。從已報(bào)道的修復(fù)植物來看,大部分采取野外采樣法,即到重金屬污染較為嚴(yán)重的礦區(qū)及周圍地區(qū)采集仍能正常生長的植物(耐性較強(qiáng)的植物),并分析其各部位的重金屬含量,涉及藻類植物、蕨類植物、裸子植物和被子植物,既有草本植物,也有木本植物。

植物修復(fù)技術(shù)也有一定的局限性,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:超積累植物的生長速度緩慢和生物量小;土壤中重金屬的生物有效性低,重金屬一旦進(jìn)入土壤,將通過沉淀、老化、專性吸附等物理、化學(xué)過程成為難溶態(tài),而溶解態(tài)和易溶態(tài)才是植物吸收的主要形態(tài)，因此,重金屬的生物有效性往往是植物修復(fù)效率的限值因素;植物修復(fù)具有專一性,一種植物往往只作用于1種或2種特定的重金屬元素,對土壤中其他濃度較高的重金屬則表現(xiàn)出中毒癥狀;植物修復(fù)具有耗時(shí)長和修復(fù)范圍有限的缺點(diǎn)。

Pb具有較高的負(fù)電性,被認(rèn)為是弱Lewis酸,易與土壤中的有機(jī)質(zhì)和鐵錳氧化物等形成共價(jià)鍵,不易被植物吸收,加入到土壤中的螯合物與Pb結(jié)合后阻止了Pb的沉淀和吸附,從而提高了Pb的可提取性,但隨之帶來的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題也不容忽視。在以野胡蘿卜(Daucus carota)和野生高粱(Sorghum bicolor)為試驗(yàn)材料,對Cd污染土壤的植物修復(fù)研究表明,不同植物對重金屬的耐受能力是不同的,受Cd毒害的程度也是不同的。此外,土壤中Cd有效性與土壤pH有密切關(guān)系,隨著土壤pH的降低,植物體內(nèi)的Cd含量也會(huì)增加。在盆栽試驗(yàn)Cd污染土壤的研究中認(rèn)為,低水平Cd處理對油菜的株高、干質(zhì)量、葉綠素含量等有輕微的促進(jìn)作用,而高水平Cd則表現(xiàn)出抑制作用。

4 結(jié)語

土壤是人類賴以生存、發(fā)展的主要自然資源之一,是生態(tài)環(huán)境的主要組成部分。土壤具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及戰(zhàn)略意義。然而這些年來隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展、農(nóng)業(yè)化進(jìn)程的加快、化學(xué)制品在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的集約使用,對土壤的開發(fā)強(qiáng)度越來越大,向土壤排放污染物也越來越嚴(yán)重。當(dāng)前,我國的耕地、工礦區(qū)、城市都存在較嚴(yán)重的土壤污染問題。土壤污染不但直接導(dǎo)致農(nóng)作物的污染減產(chǎn),而且降低了生物品質(zhì),危害人畜健康。土壤中的污染物還會(huì)在水力和風(fēng)力的作用下分別進(jìn)入大氣和水體惡化人類的生存環(huán)境,引發(fā)其他生態(tài)環(huán)境問題。因此,防治土壤污染,保護(hù)有限的土地資源,確保土地安全已成為當(dāng)務(wù)之急。