生态修复研究评述

草　业　科　学

PRA TACUL TU RAL SCIENCE

87

1/2008

草地

保护

生态修复研究评述

崔爽1,2,周启星1,3

(1.中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室,辽宁沈阳110016;

2.中国科学院研究生院,北京100039;

3.南开大学环境科学与工程学院,天津300071)

摘要:生态修复技术是以生态学的原理和方法为基础,修复与治理污染环境,恢复受损生态系统,实现人类社会可持续发展的有效手段之一。为此综述了生态修复技术的研究与应用进展,指出了生态修复的发展方向,今后应注意综合运用各学科知识,促进生态修复技术的持续发展,为国民经济发展及环境保护服务。

关键词:污染环境;生态修复;生物资源

中图分类号:X17114　　　文献标识码:A　　　文章编号:100120629(2008)0120087205

　随着工农业生产的迅速发展,人类对自然资源需求水平的不断提高,特别是进入21世纪以来,人类对环境污染的方式发生着重大变化,有毒、有害污染物以各种形式不断输入环境,环境污染进一步加剧[1,2]。目前,人们在污染环境的物理修复、化学修复以及生物修复上取得了一定成功。为了更有效地解决人类面临的重大污染问题,研究者进一步提出了生态修复的理念,并对其概念、内涵、原理、产业化途径等方面进行了理论上的探讨和实践上应用的探索,试图以生态学的原理和方法修复与治理污染环境,实现人与自然的和谐发展,从而达到环境的可持续发展[2,3]。

1　生态修复的定义与特点

生态修复是在生态学原理指导下,以生物修复为基础,结合各种物理修复、化学修复以及工程技术措施,通过优化组合,使之达到最佳效果和最低耗费的一种综合的污染环境修复方法[4]。

污染环境的生态修复是根据生态学原理对多种修复方式进行优化综合。其首要特点是严格遵循了循环再生、和谐共存、整体优化、区域分异等生态学原理[5];其次,生态修复主要是通过微生物和植物等的生命活动来完成的,影响生物生活的各种因素也将成为影响生态修复的重要因素,因此,生态修复还具有影响因素多而复杂的特点[6];再次,生态修复的顺利施行,需要物理学、化学、植物学、微生物学、栽培学和环境工程等多学科的参与[2,7],多学科交叉也是生态修复的特点。2　污染环境的生态修复

2.1污染土壤的生态修复　土壤是环境系统的重要组成部分,是人类赖以生存的重要资源。长期以来,大规模的矿产资源开发和电力、石油、交通、水利、建筑等生产建设活动,破坏了大量的土地资源,土壤的复合污染问题也日益严重。现在,人们已经开始合理利用植物、微生物及动物的自然修复能力,注重生物之间的和谐共生关系,进行污染土壤的生态修复。

事实上,植物修复是一类重要的生态修复方式,它主要利用植物本身的提取、吸收和固定作用以及植物根际微生物的分解和转化作用来清除土壤、沉积物、污泥或地表、地下水中的有毒有害污染物[8]。根据机理的不同,污染土壤的植物修复技术有植物提取、植物固定、植物挥发和植物降解等基本形式[2,9]。其中,植物提取修复是目前研究最多且最有发展前景的植物修复方式,特别是通过种植对重金属耐性较强且积累能力较强的超积累植物,利用其根系吸收污染土壤中的重金属并运移至植物的地上部分,收割植物地上部后即可去除土壤中的重金属[2,729]。在生态修复实践

3收稿日期:2006212223

基金项目:国家杰出青年科学基金(20225722);国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418503)

作者简介:崔爽(19782),女,辽宁沈阳人,博士。

E mail:ccshuang@hot mail.com

通讯作者:周启星88

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中,要重视超积累植物的使用,根据不同目的选择相应植物种类。植物固定修复是指利用植物活动来降低污染物的生物有效性,减少污染物质的毒害作用,如植物枝叶分解物、根系分泌物对重金属具有固定作用,腐殖质对金属离子具有螯合作用等。植物挥发修复是指利用植物将一些可挥发性污染物吸收到体内,然后将其转化为气态物质并释放到大气中,它只适用于易挥发性的污染物,如Se和Hg等,应用范围较小,并且将污染物转移到大气中对人类和生物仍有一定的污染风险,因此这种形式的应用仍受很大[6]。植物降解修复是利用植物及其根际微生物的降解作用去除土壤中的有机污染物。据报道[2,4],植物根对中度憎水有机污染物有很高的去除效率,中度憎水有机污染物包括B TX(即苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、氯代溶剂和短链脂肪族化合物等。根系对有机污染物的降解程度取决于污染物的种类、浓度及植物本身特性。一般来说,植物根系对有机污染物的修复,主要是依靠络合和降解等作用。此外,植物根死亡后,向土壤中释放的酶也可以继续发挥分解作用,如脱卤酶、还原酶、过氧化物酶、漆酶和腈水酶等。

2.2污染水体的生态修复　随着城市化和工业化进程的不断加快,水体的功能和作用不断被弱化。目前,我国大部分城市和地区的淡水资源已受到污染物污染,水质恶化,这不仅加重了淡水资源的紧缺,而且给渔业、农业及沿岸居民的健康带来危害,严重制约我国社会与经济持续健康发展[4,5]。我国已经开始通过发展水体污染生态修复技术,强化自然界的自净能力和物质循环规律治理被污染的水体。这是一项清洁环境的低投资、高效益、便于运行、发展潜力较大的技术,许多发达国家如日本、美国等已广泛用于工程实践[4,7,10]。

藻类是水生生态系统食物链的最基础环节,具有很高的生产能力。它们可在生长繁殖过程中从水中吸收和富集某些有机和无机污染物。有些藻类还能向体外分泌胞外物质降解污染物。选取适当的藻类如多穗尾藻、丽藻等与其他净化水体的生物配合使用,能取得较好的净化效果。

微生物在污染水体修复与净化中起着至关重要的作用。它们可以在获取自身生长所需养分的同时,分解水中的有机污染物及其他生物的排泄物及尸体,促进水生生态系统的养分循环。如果水体中污染物的降解菌很少,在现场富集培养降解菌存在一定难度,可以向水环境中引入菌种。投入微生物按来源可分为土著微生物、外来微生物和基因工程菌。目前关于接种有效微生物或基因工程菌,国内外学者对其技术的环境安全性还存在争议。采用生物酶、无毒表面活性剂、营养物质、电子受体或共代谢基质等激活土著微生物的降解活性的技术被广泛认可[11]。通过投加营养物刺激水体微生物发挥修复作用最成功、规模最大的例子是美国Exxon公司和美国环保局联合实施的“阿拉斯加研究计划”,该项目取得非常明显的效果,使得近百公里海岸的环境质量得到明显改善[12,13]。

人工湿地是生态修复污水的重要技术之一,其基本原理是利用湿地水体中的微生物和湿地植物降解、吸收和截流污水中的污染物,从而达到修复污水的目的[16]。水体植物修复的特点是以大型水生植物为主体,利用植物和根区微生物所产生的协同效应净化污水。经过植物的直接吸收、微生物转化、物理吸附和沉降作用除去氮磷、悬浮颗粒以及其他有毒有害物质[15]。常用于水体修复的植物有芦苇Phragmites com m unis、香蒲T y p ha l ati f oli a、喜旱莲子草A lternant hera p hi2 loxeroi des、浮萍L em na mi nor、灯心草M ed ull a J unci和空心菜I pomoea aquatica等。

2.3污染大气的生态修复　利用生态修复技术来治理大气污染是近年来国际上正在加强研究和迅速发展的前沿性课题,它是一种以太阳能为动力净化污染大气的绿色技术[2]。

一些绿色植物对烟尘、粉尘有阻挡、过滤和吸附作用,城市绿地、草坪都可减少大气中粉尘量。林木的减尘作用表现在两方面,林木树冠茂密,能够降低风速,从而使空气中携带的烟尘和粉尘迅速降落;树叶表面多绒毛,能分泌粘性油脂及汁液,吸附大量粉尘,经雨水冲洗后又可恢复滞尘作用[16]。植物种类、种植面积、密度及生长季节等

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　是影响植物除尘效果的主要因素。选择防尘植物

时,叶面积指数大、粗糙多绒毛、能分泌粘性油脂或汁液的植物较为理想。由于空气中病原体多附着在尘埃或飞沫上随气流移动,植物滞尘作用还可减少病原体在空气中的传播,另外植物的某些分泌物也具有杀菌作用[2,16]。

研究表明,一些绿色植物可以吸收大气中的多种污染物,包括SO 2、Cl 2、H F 、重金属、氟化物和某些芳烃等[14]。同时,树木对大气中CO 2和O 2的平衡起到重要作用。此外,植物还有减弱噪音、减少热污染和吸滞放射性物质的作用,但这与植物的种类和林带的宽度、高度、位置及配置方式有密切的关系。

3　生态修复的强化机制及生物技术的应用

对于污染程度较高且不适于生物生存的污染环境来说,生物修复就很难实施,这时就要采用物理或化学修复的方法,若仍达不到修复要求,就要考虑采用生态修复的方法。而在生态修复施行之前,先要将环境条件控制在能够利于生物生长的状态。但一般来说,简单地直接利用修复生物进行生态修复,其修复效率还是很低,这就需要采用一些强化措施,进而形成整套的修复技术[2,17,18]。强化机制分2个方面:一是提高生物本身的修复能力,二是提高环境中污染物可生物利用性,如深层曝气、投入营养物质、施加添加剂等。

近年来,一些新技术特别是生物技术被运用于生态修复,提高了处理效率,使得生态修复的可行性与有效性逐渐加强,降低了处理成本,被越来越多的人所接受和采纳[19]。我国现已开展了超积累植物的筛选、超积累机理及利用超积累植物修复重金属污染的前期研究[15]。我国有广袤的国土、丰富的植物资源、复杂多样的地理地质条件,因而可能蕴藏着大量超积累植物。但是超积累植物通常是野生的,生物量往往很小而且散布于偏僻地区,生长很慢。传统的植物修复技术往往受到植物生物量、生长速度、适应性和对污染物的选择性等因素的制约,表现出一定的局限性[17,20]。Chaney 等建议通过分子生物学技术改进野生超积累植物,建立商业化的实用植物提取技术,将超积累基因转入生物量大且生长迅速的

植物中[21,22]。利用基因工程来培育高产、高效和

可富集多种污染物的超积累植物,已经成为人工诱导植物修复技术的一个新思路。

同时,人们开始在分子水平上研究通过基因工程促进细菌的遗传进化,以满足生物修复工程的需要。其主要手段有:转移质粒构建质粒菌株、基因重组与诱变。基因工程菌在实际应用中存在的问题主要集中在存活、繁殖及降解活性的保持和生态安全性方面,虽然这些问题还没有得到很好的解决,但基因工程菌降解能力强、降解谱广,它的应用前景很乐观[23]。今后,分子生物学将在污染环境的生态修复和应用领域中扮演越来越重要的角色,但在加强转基因生物研究的同时,也要高度重视其生态安全性评价问题[24,25]。

4　生态修复的发展方向

生态修复作为一种新技术显露出诱人的发展前景,但目前无论在技术层面,还是在基础领域中还有很多问题亟待解决。生态修复研究的发展方向及应考虑的主要问题有:1)生态修复最佳生态条件的确定,包括水分、营养物质、处理场地、氧气与电子受体及介质物化因素;2)在全国范围内进行修复生物资源的调查、筛选,主要包括污染物高效降解微生物、超积累植物及污染物降解动物;3)从生态学、生理学、生物化学及分子生物学等不同角度与层次探索修复生物的生长条件与修复机理;4)对修复生物的修复特性基因进行鉴定,并利用转基因技术优化修复生物的性状;5)加强修复强化及相关配套措施的研究;6)深入研究修复生物的回收技术,以防止二次污染的发生;7)积极开发生态修复工程应用技术;8)建立修复安全评价标准,包括建立环境化学、生态毒理学评价检测指标体系;9)维护生物多样性和生态系统健康,修复过程应与种群动态、群落结构优化配置与组建、群落演替控制与恢复等相结合;10)尽量选用乡土物种,以免发生生态入侵。

近年来,我国已把生态建设和环境保护列为必须着重研究和解决的一个重大战略性问题,明确提出要遏制生态恶化,加大环境保护和治理力度,在广大城市和农村进行了全面的改革。同时,积极开展了循环经济和建设节约型社会方面的研

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究工作,实现资源的最大利用和污染物的最少排放。虽然污染环境的生态修复方式和方法有多种,但必须按照自然规律办事,充分发挥生态系统的自我修复能力,同时结合人工措施,实施污染环境的生态修复,做到人与自然和谐相处。将分子生物学、环境工程学、基因工程等理论和方法运用于生态修复技术中,交叉综合地运用各学科的知识,保护环境,使自然资源得到有效利用和再生,从而达到建设和谐社会的目标。

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高寒草地无鼠害示范区建设经济平衡分析

唐川江

(四川省草原工作总站,四川成都610041)

摘要:运用以生物防治为主的综合防治技术和以植被恢复为主的生态控制技术在川西北草原建成58.46万hm2的草原无鼠害示范区,示范区内植被盖度、高度增加,产草量明显提高,草原鼠害基本消除。按照《农业科研成果经济效益计算方法》,对挽回牧草损失、新增总产值、新增纯收益、年经济效益、科研投资年均纯收益率等经济指标进行了计算分析。结果显示:挽回牧草损失178610万kg,新增总产值35722万元,新增纯收益486.34元/hm2,年经济效益5578万元,科研投资年均纯收益率6.62,经济效益显著。

关键词:草原;无鼠害示范区;经济效益

中图分类号:S81216　　　文献标识码:A　　　文章编号:100120629(2008)0120091204

　　四川草原位于青藏高原东南缘,地江、黄河上游和源头,是构建长江、黄河上游生态屏障的主战场,属全国五大牧区之一。近年来,由于超载过牧、自然灾害频繁等因素,草原生态环境恶化,草地退化严重,草原鼠害猖獗,严重影响了全省畜牧业发展和生态环境的可持续治理。为全面治理草原鼠害,四川省于2001年启动了草原无鼠害示范区建设,项目基于生物种间“相生相克”原理,发掘草原害鼠的克生因子,研究对鼠害生物防治和生态控制技术,并集成有关灭鼠的实用技术,对草原鼠害进行综合治理,达到对鼠害生物灾害的持续控制,2005年项目全面完成。现根据《农业科研成果经济效益计算方法》[1],结合实际推广应用情况,计算项目产生的经济效益,评价草原无鼠害示范区建设的投入产出效益,为指导草原鼠害综合治理和草原生态建设提供科学依据。

1　经济效益产生因素

1.1鼠害综合防治　通过采取综合治理措施,有效降低害鼠密度,挽回因鼠害而造成的牧草损

　3　收稿日期:2006212228

作者简介:唐川江(19722),男,四川开江人,畜牧师,硕士,

从事草原保护、草原建设、草原资源与生态监测

工作。E mail:chuanjiangt@163.com

The researching progress and prospect of ecological remediation

CU I Shuang1,2,ZHOU Qi2xing1,3

(1.Key Laboratory of Terrest rial Ecological Process,Instit ute of Applied Ecology,

Chinese Academy of Sciences,Shenyang110016,China;

2.Graduate School of t he Chinese Academy of Sciences,Beijing100039,China;

3.College of Environmental Sciences and Engineering,Nankai U niversity,Tianjin300071,China) Abstract:Based on ecological t heories and met hods,ecological remediation technology is an one of ef2 fective way to remedy contaminated environment and restore t he dest royed ecological systems,which help s to realize t he sustainable develop ment.Great p rogresses have been achieved in current research. In t he f ut ure,more attentions should be paid to employ t he knowledge on ecology,biology and envi2 ronmental science to accelerate t he develop ment of ecological remediation technology,serving for t he economic develop ment and enviro nmental protection.

K ey w ords:contaminated environment;ecological remediation;biological resources