礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究范文
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篇1
關(guān)鍵詞:礦山 重金屬 生物修復(fù)
礦產(chǎn)資源是人類生產(chǎn)和生活的基本源泉之一,是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ),我國目前95%的能源和80%的原材料是依靠開發(fā)礦產(chǎn)資源來提供的,因此我國經(jīng)濟的發(fā)展離不開礦業(yè),但是礦業(yè)又是個污染相當大的行業(yè)。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,礦山的開采不斷加大,礦山的開采伴隨著很多環(huán)境問題的產(chǎn)生,破壞了自然生態(tài)環(huán)境,其中礦業(yè)廢水中含有大量的重金屬,對環(huán)境污染嚴重,污染水源,對人體健康構(gòu)成威脅。因此必須有效地處理礦山固廢以及廢水。
1、礦山重金屬的來源
金屬礦山開發(fā)的開采、選洗、冶煉都會向環(huán)境中排放重金屬元素,原生硫化物礦床在開采利用過程中,廢棄的硫化物經(jīng)過長期的自然氧化、雨水淋濾而導(dǎo)致重金屬元素大量進入礦區(qū)。硫化礦物的氧化反應(yīng)速率除與反應(yīng)時間、溫度、硫化礦物的含量、種類有關(guān)外,還與外界環(huán)境如氧氣、水、生物活動特別是氧化鐵桿菌等有關(guān)。固體廢物的風(fēng)化可以導(dǎo)致重金屬元素的淋濾釋放,特別是鉛鋅礦、汞鉈礦在開采利用過程中,尾礦廢石中的鉛、鋅、砷、鉈以及伴生組分如鎘、鉻、銅在地表水的沖洗和雨水的淋濾下進入土壤并累積起來。
土壤中重金屬元素的遷移分布行為受到土壤pH值、有機質(zhì)、礦物組成、陽離子代換量等性質(zhì)的制約,如鉈在土壤中的含量與有機質(zhì)含量有明顯的正相關(guān)性,而與土壤中的粘土礦物含量呈負相關(guān)性。通常情況下,表層土壤中含鉈量較高,深層土壤與土壤下伏的基巖中含鉈量低,錳礦物對重金屬元素有著強烈的固定作用,這使得重金屬元素在土壤中的含量明顯高于河流沉積物。
2、重金屬的危害分析
重金屬在土壤一植物系統(tǒng)中遷移直接影響到植物的生理生化和生長發(fā)育,從而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。當土壤被重金屬污染后,重金屬在土壤中累積,當達到一定程度便會對作物產(chǎn)生不良影響,不僅影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì),而且通過食物鏈最終影響人類健康。如鉛能傷害人的神經(jīng)系統(tǒng),特別對幼兒的智力發(fā)育有極其不良的影響;鎘的毒性很大,在人體內(nèi)蓄積會引起泌尿系統(tǒng)功能變化,還會影響骨骼發(fā)育,如1955年發(fā)生在日本神通川地區(qū)的“痛痛病”,就是因為該地區(qū)的土壤一植物系統(tǒng)受到鎘的污染;1953年日本水俁氮肥廠的乙酸乙醛反應(yīng)管排出含有氯化甲基汞的汞渣流入水體,有毒物質(zhì)被魚、蝦、貝類食人后,由食物鏈進人人體,導(dǎo)致了“水俁事件”的發(fā)生。在中國,隨著污灌面積不斷擴大,土壤重金屬的污染問題日趨嚴重,如沈陽、蘭州、桂林、萍鄉(xiāng)等地重金屬污染均較明顯;湖南株洲的冶煉廠和化工廠附近地區(qū)的重金屬汞、鎘、鉛的含量均超標,對人和家禽健康危害很大。土壤重金屬污染對人類健康造成的威脅已引起世界各國科學(xué)工作者的普遍關(guān)注,對其治理成為目前研究的難點和熱點。
3、礦山重金屬污染的生物修復(fù)技術(shù)
生物修復(fù),指一切以利用生物為主體的環(huán)境污染的治理技術(shù)。它包括利用植物、動物和微生物吸收、降解、轉(zhuǎn)化土壤中的污染物,使污染物的濃度降低到可接受的水平,或?qū)⒂卸居泻Φ奈廴疚镛D(zhuǎn)化為無害的物質(zhì),也包括將污染物穩(wěn)定化,以減少其向周邊環(huán)境的擴散。這是一種利用各種天然生物過程而發(fā)展起來的現(xiàn)場處理各種環(huán)境污染的技術(shù),生物修復(fù)的處理費用比較低,而且對環(huán)境的影響也比較小、生物處理的效率相對也比較高。
3.1植物修復(fù)
植物修復(fù)技術(shù)是利用植物提取、吸收、分解、轉(zhuǎn)化或固定土壤、沉積物、污泥或地表、地下水中有毒有害污染物技術(shù)的總稱,也就是將某種特定的植物種植在重金屬污染的土壤上,而該種植物對土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力,將植物收獲并進行妥善處理后即可將該種重金屬移出土體,達到污染治理與生態(tài)修復(fù)的目的。植物提取是目前研究最多并且最有前景的方法。目前發(fā)現(xiàn)的具有超累積能力的植物約400多種。植物提取技術(shù)首先要篩選出超累積植物,植物提取利用植物從土壤中吸收金屬污染物,并在植物地上部分富集對植物體收獲后進行處理,從而降低了土壤中重金屬的含量。
植物修復(fù)技術(shù)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于對土壤重金屬污染的治理,但是在運用的過程中產(chǎn)生了很多的問題,比如植物修復(fù)技術(shù)并不能從根本上消除重金屬污染的問題,而是將重金屬從土壤中吸收或吸附到植物體內(nèi)或根部.然而如何防止富集在植物中的重金屬重新流入到環(huán)境和食物鏈中,怎樣有效的處理植物中的重金屬以及防止產(chǎn)生二次污染等。
3.2微生物修復(fù)
除了植物修復(fù)技術(shù)外,重金屬污染的處理措施還包括有微生物技術(shù)。土壤重金屬污染的微生物修復(fù)是利用微生物的生物活性對重金屬的親和吸附或轉(zhuǎn)化為低毒產(chǎn)物,從而降低重金屬的污染程度。在長期受某種重金屬污染的土壤上,生存著數(shù)量眾多的、能適應(yīng)重金屬污染的環(huán)境并能氧化或還原重金屬的微生物類群。對于某些重金屬污染的土壤,可以利用微生物對重金屬進行固定、移動或轉(zhuǎn)化,改變它們在環(huán)境中的遷移特性和形態(tài),從而進行生物修復(fù)。微生物主要通過生物吸附和富集作用、溶解和沉淀作用、氧化還原作用和菌根真菌與土壤重金屬的生物有效性關(guān)系對土壤中重金屬活性產(chǎn)生影響。
3.3動物修復(fù)
土壤中的某些低等動物(如蚯蚓和鼠類)能吸收土壤中的重金屬,因而能一定程度地降低污染土壤中重金屬的含量。隨著生物技術(shù)和基因工程技術(shù)的發(fā)展,土壤生物修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用將不斷深入并走向成熟,特別是微生物修復(fù)技術(shù)、植物生物修復(fù)技術(shù)的綜合運用將為有毒、難降解、有機物污染土壤的修復(fù)帶來希望。
4、結(jié)論
酸性礦山廢水和尾礦是造成礦山重金屬污染的主要原因,因此,在以后的礦山重金屬污染研究中,測定礦區(qū)有毒、有害重金屬元素的總量及其在不同環(huán)境介質(zhì)中的賦存相態(tài),區(qū)分重金屬元素的來源及其在礦區(qū)的運移途徑;綜合利用重金屬元素污染的評價方法,從環(huán)境地球化學(xué)工程學(xué)的原理和方法出發(fā),加大礦山重金屬元素的污染治理和生態(tài)修復(fù)工作等方面還有很大的發(fā)展空間。
參考文獻:
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[2]楊先偉,張滿滿,王潤沛,陳龍雨.礦山重金屬污染及植物修復(fù)研究進展;2010年第21期
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關(guān)鍵詞 生態(tài)修復(fù);生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化;北京門頭溝國家生態(tài)修復(fù)示范基地
中圖分類號 F062.9;X32 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104(2012)04-0060-07 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.04.012
20世紀80年代以來,生態(tài)退化、環(huán)境污染等問題日趨惡化,成為困擾我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素,引起了有關(guān)政府部門和相關(guān)科學(xué)家的關(guān)注和重視。在此背景下,國家有關(guān)部委及地方政府在“七五”、“八五”期間分別從不同角度進行了有關(guān)生態(tài)恢復(fù)的研究和實踐,開展了“生態(tài)環(huán)境綜合整治與恢復(fù)技術(shù)研究”[1]、“主要類型生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及提高生產(chǎn)力途徑研究”[2]、“亞熱帶退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)研究”[3]、“北方草地主要類型優(yōu)化生態(tài)模式研究”[4-5]和“內(nèi)蒙古典型草原草地退化原因、過程、防治途徑及優(yōu)化模式”[6-7]等課題,對生態(tài)恢復(fù)理論和實踐研究都有所加強。此外,進入“九五”和“十五”時期,我國還先后實施了長江中上游地區(qū)防護林建設(shè)工程[8],水土流失治理工程[9];以及農(nóng)牧交錯區(qū)[10]、風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)[11]、干旱荒漠區(qū)[12]、丘陵山地干熱河谷和濕地[13]等生態(tài)脆弱地區(qū)退化生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建工程;沿海防護林建設(shè)工程[14],等等。這些生態(tài)建設(shè)實踐與工程,尤其是在實踐上已獲成功的一些生態(tài)恢復(fù)技術(shù)和案例,為生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境治理積累了寶貴的經(jīng)驗。但進入21世紀,尤其是最近幾年,我國明顯偏重了生態(tài)修復(fù)的技術(shù)集成和產(chǎn)業(yè)化示范工作,包括民勤沙漠化防治與生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成試驗示范研究[15],鄱陽湖濕地生態(tài)修復(fù)、重建技術(shù)集成研究與示范基地建設(shè)[16],等等。
而門頭溝國家生態(tài)修復(fù)示范基地建設(shè)便是由科技部和北京市科委牽頭組織開展的一項專門針對我國生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化建設(shè)的系統(tǒng)工程[17]。該工程在一期主要完成各種生態(tài)修復(fù)技術(shù)的示范及應(yīng)用研究基礎(chǔ)上,在二期著重開展了生態(tài)修復(fù)技術(shù)的集成及產(chǎn)業(yè)化支撐體系建設(shè)方面的研究??梢?,不論是政府的政策走向,還是社會的現(xiàn)實需求,都要求生態(tài)修復(fù)向技術(shù)集成化和區(qū)域產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,要求擁有不同技術(shù)優(yōu)勢的生態(tài)修復(fù)企業(yè)通過資源、信息和市場的共享,實現(xiàn)對整個生態(tài)修復(fù)行業(yè)的跨越。
1 生態(tài)修復(fù)與生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化
生態(tài)修復(fù)是對區(qū)域受損害自然生態(tài)系統(tǒng)過程和功能的重建,發(fā)展到現(xiàn)在,往往偏重于環(huán)境領(lǐng)域的技術(shù)研究和應(yīng)用示范。部分學(xué)者認為,生態(tài)修復(fù)是在生態(tài)學(xué)原理指導(dǎo)下,以生物修復(fù)為基礎(chǔ),結(jié)合各種物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)以及工程技術(shù)措施,通過優(yōu)化組合,使之達到最佳效果和最低耗費的一種綜合的污染環(huán)境修復(fù)方法,主要包括污染土壤、污染水體、污染大氣修復(fù)三大方面[18-19]。到目前更多的學(xué)者則認為,生態(tài)修復(fù)區(qū)域生態(tài)退化的后果不僅僅是自然生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的破壞,還包括生態(tài)系統(tǒng)為人類生存和發(fā)展提供的物質(zhì)與服務(wù)能力的下降,使區(qū)域經(jīng)濟、社會發(fā)展受阻,它包含了對自然、經(jīng)濟和社會人文3個方面的修復(fù)[20-21]。其目的應(yīng)該在于恢復(fù)“社會―經(jīng)濟―自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)”合理的結(jié)構(gòu)、高效的功能和協(xié)調(diào)的關(guān)系[20]。
隨著傳統(tǒng)生態(tài)修復(fù)在區(qū)域?qū)嵺`過程中產(chǎn)生的“經(jīng)濟瓶頸”,尤其是面臨區(qū)域產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型問題的突顯,生態(tài)修復(fù)的產(chǎn)業(yè)化以及如何轉(zhuǎn)變區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式實現(xiàn)自我修復(fù)已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點[22]。而國內(nèi)一些地區(qū)也展開了相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)及應(yīng)用示范研究。
在基礎(chǔ)研究方面,如吳言忠等以礦區(qū)土地復(fù)墾為例,先分析了土地復(fù)墾組織管理在責任主體、產(chǎn)權(quán)界限、復(fù)墾資金、復(fù)墾機制和生態(tài)功能等方面存在的問題, 并提出土地系統(tǒng)、資金系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和管理系統(tǒng)等土地復(fù)墾產(chǎn)業(yè)化的組織模式,進而分析了土地復(fù)墾產(chǎn)業(yè)化的組織結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程[23];波等通過分析礦區(qū)生態(tài)重建和景觀生態(tài)規(guī)劃, 提出了景觀生態(tài)規(guī)劃的原則, 并分析了礦區(qū)生態(tài)重建景觀結(jié)構(gòu)的模式[24];李萌等從礦區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)分析切入,建立了礦區(qū)產(chǎn)業(yè)替代模型,并對礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)替代的價值轉(zhuǎn)化規(guī)律進行了研究[25];張義豐等對山區(qū)溝域經(jīng)濟發(fā)展及其空間組織模式進行了大量研究,并以北京為例指出,北京溝域經(jīng)濟的發(fā)展一定程度上有助于協(xié)調(diào)好山區(qū)生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系,促進山區(qū)的綜合開發(fā)[26]。
應(yīng)用示范研究方面,如江蘇宜興西南山區(qū)張渚鎮(zhèn)竹園村在廢棄采石場生態(tài)修復(fù)背景下發(fā)展休閑農(nóng)業(yè)園[27];平朔煤礦區(qū)在循環(huán)經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展理念指導(dǎo)下構(gòu)建了以煤為主,電、化、氧化鋁、建材并舉的黑色產(chǎn)業(yè)鏈和圍繞復(fù)墾土地開展生態(tài)重建,種、養(yǎng)、加一體化發(fā)展的綠色生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈[28];等等。
2 門頭溝生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的總體設(shè)計
作為門頭溝國家生態(tài)修復(fù)基地建設(shè)二期項目中“門頭溝生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化能力建設(shè)”的一項重要工作內(nèi)容,本研究擬通過在門頭溝區(qū)內(nèi)的王平鎮(zhèn)規(guī)劃構(gòu)建一個新型的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和典型示范園區(qū),來帶動門頭溝區(qū)新興產(chǎn)業(yè)的孵化和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。
王平鎮(zhèn)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(圖1)由“自然生態(tài)修復(fù)示范產(chǎn)業(yè)、人文生態(tài)修復(fù)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟生態(tài)修復(fù)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)”三大部分組成,三大產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)相互支撐,協(xié)調(diào)發(fā)展。在各類型自然生態(tài)修復(fù)示范基地建設(shè)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)以生態(tài)修復(fù)技術(shù)交易和生態(tài)建設(shè)咨詢?yōu)橹鞯慕?jīng)濟生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè),最終依托本身固有的生態(tài)資源和在已修復(fù)好的景觀上發(fā)展以生態(tài)休閑旅游為主的人文生態(tài)修復(fù)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。其產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本模式為:政府配套服務(wù)、企業(yè)主動修復(fù)、共同開拓市場。而產(chǎn)業(yè)孵化中心與生態(tài)修復(fù)示范區(qū)(帶)的互補作用是推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要動力。
自然生態(tài)修復(fù)示范產(chǎn)業(yè)主要圍繞礦山生態(tài)修復(fù)示范、農(nóng)田生態(tài)保育示范和濕地生態(tài)建設(shè)示范3大體系構(gòu)建。礦山生態(tài)修復(fù)示范以煤礦開采區(qū)和采石場廢棄地的修復(fù)示范為主,農(nóng)田生態(tài)保育示范以山區(qū)緩坡和煤矸石山的修復(fù)示范為主,濕地生態(tài)建設(shè)示范以永定河河道景觀生態(tài)修復(fù)示范為主。通過破壞后的景觀遺存和修復(fù)后的景觀現(xiàn)狀對比分析,集中展示礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù),水保農(nóng)業(yè)、節(jié)水農(nóng)業(yè)和生技農(nóng)業(yè)技術(shù),及濕地生態(tài)修復(fù)技術(shù)的成果。
人文生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)主要圍繞觀光度假、鄉(xiāng)村旅游、健康服務(wù)和人文關(guān)懷4大主導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建。發(fā)展旅游業(yè)是整個門頭溝區(qū)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型后藉以穩(wěn)定區(qū)域經(jīng)濟總量的主要途徑,但不能僅僅局限在傳統(tǒng)的觀光度假旅游產(chǎn)品的開發(fā)上,更應(yīng)該發(fā)揮門頭溝特有的自然景觀、純樸民風(fēng)、和保存完好的古村落及歷史文化遺跡的優(yōu)勢,去滿足北京城市人口親近自然、回歸田園、心靈洗禮、身體保健等方面的需求。
圖1 王平鎮(zhèn)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)體系結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 The industrial framework of ecorestoration for Wangping
經(jīng)濟生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)主要圍繞產(chǎn)品物流、市場交易、技術(shù)培訓(xùn)和建設(shè)咨詢4大引導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建。其關(guān)鍵在培育針對門頭溝區(qū)特點的自然生態(tài)修復(fù)技術(shù)交易市場,和孵化整合各相關(guān)自然生態(tài)修復(fù)技術(shù)及產(chǎn)品、服務(wù)供應(yīng)行業(yè)。生態(tài)產(chǎn)品的物流主要以王平鎮(zhèn)精品農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、各類型生態(tài)修復(fù)技術(shù)產(chǎn)品的展銷為主,通過構(gòu)建產(chǎn)品虛擬信息平臺將其以網(wǎng)絡(luò)的形式集中展示;生態(tài)市場的交易主要以不同生態(tài)修復(fù)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)讓和硬技術(shù)的軟組裝,通過統(tǒng)一的市場交易平臺打包進行開發(fā)與銷售,最終實現(xiàn)生態(tài)修復(fù)的經(jīng)濟產(chǎn)出;生態(tài)技術(shù)的培訓(xùn)主要針對全國乃至世界生態(tài)修復(fù)行業(yè)發(fā)展需求進行專業(yè)人才的培訓(xùn)與學(xué)術(shù)交流;生態(tài)建設(shè)的咨詢則是輔助于生態(tài)市場交易,而滿足各類型客戶對修復(fù)所需產(chǎn)品的選擇與決策。
3 不同類型生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)鏈(網(wǎng))的構(gòu)建
3.1 自然生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)
3.1.1 濕地生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)
首先,生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)孵化中心在吸引濕地生態(tài)修復(fù)類企業(yè)時,根據(jù)對方技術(shù)及資金實力,要求其在濕地生態(tài)修復(fù)示范帶內(nèi)劃定適當面積區(qū)域進行主動修復(fù),包括核心技術(shù)和建設(shè)方案的策劃與提供;而對于工程建設(shè)中的其他預(yù)算投資則由當?shù)卣⑿迯?fù)企業(yè)、及上級主管部門和社會團體等進行多方籌資,充分發(fā)揮當?shù)卣托迯?fù)企業(yè)兩大利益主體在示范帶建設(shè)及市場拓展方面的合力最大化;其次,對已修復(fù)好的示范帶進行包裝和維護,在保證恢復(fù)當?shù)貪竦厣鷳B(tài)景觀及自然凈化功能的同時,為當?shù)鼐用裉峁┬蓍e娛樂的場所,同時作為此類型生態(tài)修復(fù)的成功典范,供專家及國內(nèi)外生態(tài)修復(fù)需求客戶市場進行調(diào)研學(xué)習(xí),最終實現(xiàn)其社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)服務(wù)功能;最后,需要整合該濕地生態(tài)修復(fù)示范帶和孵化中心內(nèi)的各相關(guān)資源,在客戶參觀完示范帶后,再回到孵化中心進行具體項目的相關(guān)咨詢和協(xié)議簽訂(圖2)。
3.1.2 農(nóng)田生態(tài)保育產(chǎn)業(yè)
在生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)孵化中心內(nèi)吸引農(nóng)田生態(tài)保育類企業(yè),并要求其在示范區(qū)內(nèi)選擇適當面積農(nóng)田進行主動修復(fù),完成農(nóng)田物理、化學(xué)及生物環(huán)境的綜合保育,并作為示范成果的展示,納入孵化中心重點技術(shù)服務(wù)咨詢體系中去,利用孵化中心的資源及市場優(yōu)勢在國內(nèi)外進行技術(shù)的推廣和產(chǎn)品及服務(wù)的推銷;在農(nóng)田生態(tài)保育類企業(yè)進行生態(tài)修復(fù)的同時,根據(jù)政府需求及王平鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要求,在各自選擇區(qū)域內(nèi)種植特色農(nóng)林產(chǎn)品,并通過“生態(tài)保育型企業(yè)管理+農(nóng)戶分紅+政府服務(wù)”的機制,利用孵化中心內(nèi)生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品物流服務(wù)中心優(yōu)勢,將生產(chǎn)出來的特色精品農(nóng)果產(chǎn)品推向北京高端消費品市場;示范園區(qū)除了具備以上兩個以生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品銷售和農(nóng)田生態(tài)保育技術(shù)咨詢服務(wù)的經(jīng)濟功能外,還可以通過建設(shè)采摘園等方式與周邊鄉(xiāng)村發(fā)展農(nóng)家樂等旅游產(chǎn)業(yè),以此來擴展其社會服務(wù)功能和增加經(jīng)濟效益(圖2)。
3.1.3 礦山生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)
工業(yè)企業(yè)主體型發(fā)展模式:主要是針對目前王平鎮(zhèn)內(nèi)存在若干大型煤矸石制磚企業(yè)而選定,是作為規(guī)劃初期礦山生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)的一種發(fā)展模式,即煤矸石制磚企業(yè)開采煤矸石山,同時通過與王平鎮(zhèn)政府簽訂合同,按照開采規(guī)模承擔開采區(qū)生態(tài)修復(fù)任務(wù),或交納相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)資金給政府,作為未來地面采空區(qū)生態(tài)修復(fù)提供資金儲備。生態(tài)修復(fù)型企業(yè)主體型發(fā)展模式:該發(fā)展模式是作為同濕地生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式相配套一致的部分統(tǒng)一納入王平生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)主體產(chǎn)業(yè)體系中去,即要求礦山生態(tài)修復(fù)型企業(yè)在入駐生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)孵化中心時,選擇在礦山生態(tài)修復(fù)示范區(qū)內(nèi)劃定適當面積區(qū)域進行主動修復(fù),并發(fā)揮孵化中心功能對已修復(fù)好的示范帶進行一定包裝和維護,作為此類型生態(tài)修復(fù)的成功典范,供專家及國內(nèi)外礦山生態(tài)修復(fù)需求客戶市場進行調(diào)研學(xué)習(xí),最終完成具體項目的相關(guān)咨詢和協(xié)議簽訂。
地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)主導(dǎo)型發(fā)展模式:該產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式主要
圖2 王平鎮(zhèn)濕地、農(nóng)田、礦山等自然生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)圖
Fig.2 The ecoindustrial networks of natural ecorestoration for Wangping
是針對目前該區(qū)域內(nèi)存在大量需修復(fù)礦山及土地而選定的,作為規(guī)劃后期礦山生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)的一種主要發(fā)展模式,即通過吸引房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)在區(qū)位優(yōu)勢及自然條件較好的地塊發(fā)展新興的生態(tài)修復(fù)地產(chǎn)業(yè),首先地產(chǎn)開發(fā)商提供部分資金給土地及礦山生態(tài)修復(fù)企業(yè),在待修復(fù)的地塊進行生態(tài)修復(fù),其次通過項目承包方式聯(lián)合建筑及其他相關(guān)土建企業(yè)在修復(fù)好的地塊進行房地產(chǎn)開發(fā),主要建設(shè)高檔別墅和休閑保健類度假村來實現(xiàn)自然生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)向人文生態(tài)休閑產(chǎn)業(yè)的功能轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)升級。
3.2 經(jīng)濟生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)
經(jīng)濟生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)主要圍繞王平鎮(zhèn)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)孵化中心建設(shè)展開,主要圍繞生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品物流服務(wù)、生態(tài)修復(fù)行業(yè)市場交易、生態(tài)修復(fù)技術(shù)培訓(xùn)和受損生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)咨詢四個方面進行構(gòu)建(圖3)。
3.2.1 生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品物流服務(wù)中心
依托北京城區(qū)內(nèi)各大型超市和龐大的高端消費市場,在孵化中心內(nèi)配置統(tǒng)一的采購、包裝和配送等生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品物流服務(wù)中心。包括京白梨、葡萄、櫻桃、核桃等主要的農(nóng)果產(chǎn)品進行統(tǒng)一采購,按照一村一品和精品農(nóng)業(yè)發(fā)展目標,分階段分任務(wù)擴大規(guī)模,同時制定采購過程中的質(zhì)量控制要求;將采購來的所有農(nóng)果產(chǎn)品進行統(tǒng)一包裝,包裝廠不設(shè)在孵化中心內(nèi),但需要在區(qū)位及地勢條件較優(yōu)越的鄉(xiāng)村進行布設(shè)建廠,并按照服務(wù)中心制定的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量控制要求進行;包裝好的農(nóng)產(chǎn)品主要面向北京市區(qū)內(nèi)的各大型超市和政府采購進行統(tǒng)一配送,此市場定位要求中心與北京市區(qū)大型超市及政府機關(guān)建立起良好的信息溝通和貨物供應(yīng)保障渠道;最重要的就是要提供生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品的檢測和標識服務(wù),從源頭保證配送到相應(yīng)市場上的產(chǎn)品要達到真正生態(tài)產(chǎn)品的要求。
3.2.2 生態(tài)修復(fù)市場交易平臺
依托門頭溝區(qū)生態(tài)修復(fù)已經(jīng)取得的大量成果,建立初步的生態(tài)修復(fù)技術(shù)庫,同時不斷收集與整理擁有其相關(guān)核心技術(shù)的各類型企業(yè)信息,形成一個涵蓋各類型生態(tài)修復(fù)技術(shù)和企業(yè)信息的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng),最終吸引擁有其核心技術(shù)的核心企業(yè)入駐孵化中心;收集與整理國內(nèi)外不同類型的區(qū)域生態(tài)修復(fù)需求信息,同樣建立與技術(shù)信息和企業(yè)信息相配套的市場信息平臺;王平鎮(zhèn)生態(tài)修復(fù)市場交易信息平臺的重要功能就是,在建立好供需市場信息平臺的基礎(chǔ)上,根據(jù)國內(nèi)外不同修復(fù)市場需求進行技術(shù)的組裝和企業(yè)的合作,通過項目的包裝實現(xiàn)成熟生態(tài)修復(fù)技術(shù)的最終產(chǎn)業(yè)化。
3.2.3 生態(tài)修復(fù)技術(shù)培訓(xùn)中心
王平鎮(zhèn)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)孵化中心的另一個重要組成部分就是其生態(tài)修復(fù)技術(shù)培訓(xùn)中心的建設(shè)。不同于以物質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售為主要盈利手段的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)主要是以提供生態(tài)服務(wù)及技術(shù)咨詢?yōu)橹饕绞?,因此,作為服?wù)的重要手段,培訓(xùn)部門的設(shè)立顯得十分重要。包括定期開展國際大型生態(tài)修復(fù)理論及技術(shù)研討會議,吸引全世界生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的專家、學(xué)者、企業(yè)、政府和民眾的目光;定期召集國內(nèi)外著名生態(tài)及生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域?qū)<以谂嘤?xùn)中心開展面向全國范圍各大中小城市領(lǐng)導(dǎo)干部的培訓(xùn),讓生態(tài)觀念及生態(tài)修復(fù)的科學(xué)內(nèi)涵在政府決策者
圖3 王平鎮(zhèn)產(chǎn)品物流、市場交易、技術(shù)培訓(xùn)及咨詢等經(jīng)濟生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)圖
Fig.3 The ecoindustrial networks of economy ecorestoration for Wangping
圖4 王平鎮(zhèn)休閑療養(yǎng)、民俗文化等人文生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)功能體系圖
Fig.4 The ecoindustrial networks of social ecorestoration for Wangping
層面得到普及;向國家人事及其他相關(guān)部門申請成為生態(tài)修復(fù)類工程師及行業(yè)認證的培訓(xùn)機構(gòu),分期舉辦全國生態(tài)修復(fù)技術(shù)培訓(xùn)班,對培訓(xùn)的學(xué)員按綜合考試成績頒發(fā)工程師技術(shù)資格認證證書,對開展生態(tài)修復(fù)的企業(yè)實體頒發(fā)行業(yè)資格認證證書。
3.2.4 生態(tài)修復(fù)及建設(shè)咨詢中心
王平鎮(zhèn)生態(tài)修復(fù)及建設(shè)咨詢中心的建設(shè),是實現(xiàn)其生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的最關(guān)鍵部分,也是生態(tài)修復(fù)市場交易平臺最終打開國內(nèi)國際兩個市場的重要補充。它既充當了市場交易信息平臺中上游技術(shù)供給市場和下游技術(shù)需求市場進行聯(lián)系的紐帶,同時更重要的是他需要通過不同的項目管理承包(PMC)方式對其進行項目的包裝,使生態(tài)修復(fù)項目得到切實有效的實施。具體可根據(jù)市場交易信息平臺提供的國內(nèi)外生態(tài)修復(fù)需求信息,合理選擇擁有代表核心技術(shù)的生態(tài)修復(fù)企業(yè)A作為PMC承包商;以A企業(yè)為核心,組織項目管理及實施體系,針對特定的技術(shù)市場客戶要求,把相關(guān)配套的各生態(tài)修復(fù)技術(shù)提供企業(yè)B、C、D等納入整個項目實施及管理體系;在建設(shè)咨詢中心進行項目承包管理的同時,對已完成的項目進行歸檔信息整理,并對其修復(fù)后的效果和進展情況進行跟蹤服務(wù)和配套指導(dǎo)。3.3 人文生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)
3.3.1 山區(qū)休閑旅游度假產(chǎn)業(yè)
主要圍繞安家莊區(qū)域內(nèi)山體、森林、河流等自然景觀資源,以及村落人文景觀資源的保護與合理開發(fā)展開(圖4)。由于該區(qū)域面積有限,并且作為門頭溝區(qū)山體生態(tài)環(huán)境完全未受到破壞的一個典型區(qū)域,建議吸引一家綜合實力較強的大型旅游企業(yè)入駐,對三個景區(qū)的資源進行整合,并建立合理的土地承包轉(zhuǎn)讓機制,形成“企業(yè)―政府―農(nóng)民”較好的合作機制,形成合力,吸引并留住更多的京區(qū)游客,開發(fā)旅游市場。
3.3.2 鄉(xiāng)村民俗休閑療養(yǎng)產(chǎn)業(yè)
主要圍繞韭園、東西落坡村區(qū)域內(nèi)的鄉(xiāng)村聚落和歷史文化景觀資源的保護與合理開發(fā)展開。其主體市場是為京區(qū)老年人提供療養(yǎng)保健、銀發(fā)夕趣和余熱發(fā)揮等服務(wù)項目,同時兼顧京區(qū)中青年夏日周末居家旅游及背包旅游、探險旅游群體。重點是要突破傳統(tǒng)農(nóng)家樂和鄉(xiāng)村旅游發(fā)展模式,把握住北京市城區(qū)內(nèi)老年人保健、學(xué)習(xí)需求的潛在市場,以銀發(fā)經(jīng)濟為突破口,形成北京地區(qū)知名度較高的銀發(fā)服務(wù)中心之一。
4 生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的意義及面臨的問題
門頭溝國家生態(tài)修復(fù)示范基地建設(shè)近5年的實踐證明,在特定的待修復(fù)區(qū)域范圍內(nèi),生態(tài)修復(fù)技術(shù)往往缺乏穩(wěn)定性、抗干擾性和可持續(xù)性的動態(tài)監(jiān)測與效果評估。前期的生態(tài)修復(fù)科技示范工程只是在一個一個的點上開展,尚未在該區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)集成應(yīng)用與展示;生態(tài)修復(fù)科技資源“飛進來飛出去”和“形象工程”的現(xiàn)象普遍存在,尚未真正扎下根來產(chǎn)生集聚效應(yīng)和經(jīng)濟效益。而我國許多城市正在經(jīng)歷著經(jīng)濟增長方式的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期,尤其是資源枯竭型城市,這種問題更為突出。因此,從生態(tài)修復(fù)的“單點應(yīng)用”以及外部不經(jīng)濟性走向“區(qū)域集中”和拉動區(qū)域經(jīng)濟增長,以及生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化模式的開發(fā)應(yīng)成為待修復(fù)區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和區(qū)域功能定位的重點。
同樣,區(qū)域生態(tài)修復(fù)的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)也是一個系統(tǒng)工程,需要政策、資金、科技、人才、國際合作、社會參與等各方面的保障。只有把這些硬件、軟件和心件有機組合起來,才能真正的把生態(tài)修復(fù)的產(chǎn)業(yè)化推向前進。
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Industrialization Model of the Ecological Restoration
―Case Study of National Ecological Restoration Demonstration Base in Mentougou, Beijing
SHI Yao1 WANG Rusong1 HUANG Jinlou1 SHI Xin2
(1.State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for EcoEnvironmental
Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
2. Forestry Bureau of Suburban District of Changzhi,Changzhi Shanxi 046000,China)
Abstract
篇3
1主要生態(tài)恢復(fù)措施
針對該區(qū)域煤礦開采易形成永久、季節(jié)性積水區(qū)的特點,生態(tài)恢復(fù)遵循“宜耕則耕、宜林則林、宜草則草、宜水則水”的基本原則,充分利用區(qū)域自然生態(tài)修復(fù)能力強的優(yōu)勢,恢復(fù)沉陷區(qū)植被。同時,該區(qū)域多為我國重要產(chǎn)糧區(qū)域,分布大量的基本農(nóng)田,耕地恢復(fù)至關(guān)重要。土地復(fù)墾主要采用挖深墊淺法、疏排法和充填復(fù)墾法等[3]。(1)挖深墊淺法利用開采沉陷形成積水的條件,采用機械或人工方法,將下沉較大區(qū)域挖深,因勢造景或建塘養(yǎng)魚、栽藕、蓄水灌溉等,將挖出的泥土墊高開采下沉較小地區(qū),達適宜標高后,適當平整作為耕地或其他用地,可取得較好的生態(tài)、經(jīng)濟效益。這一措施適用于開采沉陷已基本穩(wěn)定及煤礦城市周邊沉陷區(qū)。例如,淮南某礦始建于1903年,至1983年資源枯竭,已連續(xù)開采80余年,形成大面積沉陷區(qū)。土地復(fù)墾時,采取沿山脈、水脈修復(fù)環(huán)境的方法,宜水則水、因勢造景、返璞歸真,分步推進改善生態(tài)環(huán)境,并充分發(fā)揮生態(tài)自我修復(fù)能力,給大自然一個自我更新的時間、空間。利用5年的時間,將一個破敗不堪的小煤礦遺址建成了濕地生態(tài)旅游區(qū),實現(xiàn)了經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益的三方共贏。
開灤礦區(qū)生態(tài)城建設(shè)也是沉陷區(qū)治理的成功典范,該礦始建于1878年,已連續(xù)開采131a,采煤造成地表沉陷總面積2.08×104hm2,形成大小沉陷積水坑53個、積水總面積達2.0×103hm2,其中,現(xiàn)在的南湖公園原為最大沉陷區(qū),面積約270hm2。1996年開始,當?shù)卣畬Τ料輩^(qū)實施綜合治理,采取填埋廢棄地、大面積植樹造林、治理湖區(qū)等措施,依托濕地公園的良好環(huán)境,建成了集旅游、休閑娛樂、創(chuàng)意文化等于一體的生態(tài)城。(2)疏排法主要針對采煤沉陷造成地表積水而影響耕種時,通過開挖溝渠的方式,采用強排或自排方式排除積水,并將潛水位降至不影響作物正常生長的水位,恢復(fù)土地耕種。該法適用于開采沉陷后,積水深度小的區(qū)域,與挖深墊淺法配合使用,可達到較好的效果。(3)充填復(fù)墾充填法復(fù)墾是我國一種重要的復(fù)墾形式,可充分利用矸石等礦山固體廢物及塘河湖泥沙充填沉陷區(qū),覆土后實現(xiàn)土地復(fù)墾。例如,濟寧某礦區(qū)采用黃河泥沙充填,實施大規(guī)模復(fù)墾,該技術(shù)現(xiàn)已得到“十二五”國家支撐計劃的繼續(xù)支持。
2中部平原或丘陵礦區(qū)
2.1沉陷特征中部平原或丘陵礦區(qū)地勢起伏不大,地下水位埋藏較深,土地利用以旱地為主。煤炭開采沉陷以下沉盆地為主,由于地下水位較深,沉陷盆地中央一般不會出現(xiàn)積水(但雨季可能形成季節(jié)性積水),土地未造成毀滅性損害,仍可耕種;但盆地邊緣區(qū)域,下沉不均勻,出現(xiàn)地表裂縫,形成坡地,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失,作物生長狀況不佳。
2.2主要生態(tài)恢復(fù)措施(1)恢復(fù)原功能該區(qū)域土地復(fù)墾重點為坡面治理,在坡面上沿等高線開溝、筑埂,修成不同形式的臺階。25°以下的坡耕地,一般修筑為水平梯田、隔坡梯田和坡式梯田;在15°至20°區(qū)域,可修筑復(fù)式梯田,平臺部分耕作、斜坡部分恢復(fù)草本植物;對原有地形坡度較大的區(qū)域,可進行坡改梯,恢復(fù)耕作。(2)建筑利用以煤炭工業(yè)為主發(fā)展起來的中小城市居多,如平頂山、邯鄲、邢臺、徐州、鶴壁、焦作、晉城、潞安等,沉陷后地表一般不積水,由于城市周邊均為開采沉陷區(qū),制約了城市的發(fā)展,這些區(qū)域可推廣建筑復(fù)墾,將沉陷區(qū)土地經(jīng)適當處理后作為建筑用地。例如,徐州金山橋開發(fā)區(qū)、平頂山礦區(qū)、峰峰礦區(qū)棚戶區(qū)改造項目,以及平頂山、峰峰礦區(qū)大型煤化工項目工業(yè)建筑群等。
3西北干旱半干旱煤礦區(qū)
3.1沉陷特征該區(qū)域主要為山西、陜西、甘肅等地區(qū),煤炭開采條件好,為我國今后一段時期內(nèi)重要的產(chǎn)煤區(qū)。但生態(tài)環(huán)境脆弱,地形復(fù)雜、地表起伏較大,在地質(zhì)采礦和地形條件的共同作用下,其地表移動向量為指向采空區(qū)的移動向量與沿坡面指向下坡的移動向量的矢量和,移動范圍一般大于平地[4]。沉陷使山頂表土層滑移、溝谷受壓隆起,一般不積水,局部出現(xiàn)裂縫或漏斗沉陷坑,個別區(qū)域引發(fā)山體滑坡、泥石流,導(dǎo)致水土流失加劇,植被損毀,但不會改變區(qū)域總體地形地貌特征[5]。
3.2主要生態(tài)恢復(fù)措施該區(qū)域生態(tài)恢復(fù)側(cè)重于地表裂縫的修復(fù)[6]、沉陷臺階的平整,以恢復(fù)土地原有功能為主。該區(qū)域植被稀疏、生態(tài)脆弱,降雨量小,生態(tài)恢復(fù)較困難,應(yīng)做好植被管護工作。
4西部荒漠草原、戈壁礦區(qū)
4.1沉陷特征主要為內(nèi)蒙古鄂爾多斯礦區(qū)及新疆戈壁礦區(qū),該區(qū)域氣候干燥,水資源缺乏,地表植被不良,水土流失和荒漠化嚴重。由于地表沙石較多,黏性不高,沙石在外力作用下向沉陷盆地移動,使沉陷盆地逐漸成為漏斗狀,盆地中央?yún)^(qū)域面積減小。采煤形成的地表塌陷及地表裂縫,將進一步加劇草場荒漠化或破壞礫幕,風(fēng)蝕作用將加劇水土流失[7]。
4.2主要生態(tài)恢復(fù)措施該區(qū)域生態(tài)環(huán)境極其脆弱,一旦破壞,很難恢復(fù)。應(yīng)本著生態(tài)保護優(yōu)先的原則,盡可能減少對地表的擾動。在荒漠草原區(qū)域,較窄的裂縫,一般經(jīng)風(fēng)沙移動可自然充填[8];對無法自然恢復(fù)的裂縫,采取人工充填的方式,并實時補播適生物種,采取封育措施逐步恢復(fù)。而對戈壁礦區(qū),宜自然恢復(fù)戈壁礫幕,或局部噴灑固結(jié)劑。
5西南巖溶山石煤礦區(qū)
5.1沉陷特征主要位于貴州、云南、廣西等地,開采沉陷后地形、地貌無明顯變化,基本不積水,但地表水平移動較大,可能出現(xiàn)山體滑坡和泥石流,土地損毀、建筑物破壞較嚴重。
5.2主要恢復(fù)措施該區(qū)域治理重點為山坡地的植被恢復(fù)和溝谷階地土地平整,以及采礦引起的次生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。該區(qū)域氣候濕潤,植物易成活,但土源較貧乏,土地復(fù)墾時應(yīng)做好土壤的調(diào)配與管理,及時充填裂縫,加強地表變形、滑坡情況監(jiān)測等。
6存在的主要問題
我國煤礦開采沉陷區(qū)土地復(fù)墾、生態(tài)恢復(fù)重建工作開展較晚,近些年,礦山企業(yè)和相關(guān)科技工作者做了大量的工作,取得了很大的成效,但仍存在如下主要問題:(1)土地復(fù)墾率低。我國煤礦土地沉陷具有點多面廣量大、歷史欠賬嚴重等特點,隨著煤炭行業(yè)的高速發(fā)展,沉陷由分散到集中、由量小到量大、由東南至西北,土地復(fù)墾難度日益加大、投入資金缺口日益增多,成為沉陷區(qū)土地復(fù)墾率低的重要原因之一;其次,我國煤礦大部分為多煤層開采,地表生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)受長期、多次重復(fù)采動影響,往往形成邊恢復(fù)邊影響或剛恢復(fù)又影響的局面;再次,受自然條件等制約,重點產(chǎn)煤區(qū)生態(tài)恢復(fù)難度較大。另外,辦礦體制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,長期以來已形成國有重點礦、國有地方礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體礦、個體礦并存的格局,而不同體制煤礦對土地保護和復(fù)墾理念、責任感差異極大。初步統(tǒng)計,至2010年末,國有重點礦當年復(fù)墾率達40%以上,而地方煤礦尤其是鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦土地復(fù)墾率不超過5%。(2)法制化、規(guī)范化有待完善。有關(guān)生態(tài)恢復(fù)重建的法律法規(guī)、技術(shù)規(guī)范等有待進一步制定和完善。(3)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研究有待加強。從事礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研究的科技人員較少,針對不同礦區(qū)的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)還不夠成熟,需進一步研究、提高。(4)生態(tài)恢復(fù)資金不足。目前,我國大部分礦區(qū)還未建立健全生態(tài)恢復(fù)基金提取制度。盡管山西等省作為試點已實施礦山生態(tài)恢復(fù)資金提取,并設(shè)立了專款專用賬戶,陜西、內(nèi)蒙鄂爾多斯等礦區(qū)也陸續(xù)試行,為礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)提供了政策和資金保障。但由于種種原因落實不到位,生態(tài)基金的提取、使用、管理等環(huán)節(jié)還存在一定問題,資金缺口仍較大、利用也不夠充分。
7對策建議
篇4
2006年環(huán)保部和國土資源部斥資10億元聯(lián)合啟動了“全國首次土壤污染狀況調(diào)查調(diào)查報告”。歷時6年,通過調(diào)查,基本查明了全國土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀、變化趨勢,主要類型污染場地及周邊土壤環(huán)境特征及其風(fēng)險程度,建立了全國各種土地利用類型的土壤樣品庫和調(diào)查數(shù)據(jù)庫。目前,由環(huán)保部牽頭制定的《土壤環(huán)?!笆濉币?guī)劃》已進入國務(wù)院審批程序。
修復(fù)現(xiàn)狀
調(diào)查結(jié)果顯示,目前全國受污染的土壤面積已占耕地面積的1/5左右,總面積超過2000萬公頃。從國內(nèi)土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的趨勢來看,未來土壤修復(fù)的重點領(lǐng)域?qū)⒓性诔鞘形廴就恋亻_發(fā)及污染農(nóng)田兩大板塊。
城市污染土壤修復(fù)主要分歷史遺留和新開發(fā)污染土地兩大領(lǐng)域,治理責任主體單位通過治理工程招標,中標修復(fù)公司通過土壤置換進行異地修復(fù),修復(fù)經(jīng)評估達標后從開發(fā)商獲得收益。這也成為城市土壤修復(fù)的主流運營模式,項目投資收益率一般可達10%-20%。目前,城市污染土地土壤修復(fù)主要集中在上海、北京等一線城市。
目前全國范圍內(nèi)處于實驗室中試階段的土壤修復(fù)技術(shù)儲備時間已逾10年,技術(shù)種類達近百種,除傳統(tǒng)的物理化學(xué)治理方法外,生物治理已漸漸成為未來適應(yīng)國內(nèi)土壤污染治理需求的主流。
土壤修復(fù)市場包括污染場地修復(fù),礦山土地修復(fù)和耕地修復(fù)。由于中國城市化進程加快,以前的化工礦產(chǎn)企業(yè)逐漸從城市中心搬遷至郊區(qū),目前對城市中的污染場地修復(fù)需求最高。由中國環(huán)境修復(fù)網(wǎng)的統(tǒng)計得出,目前全國風(fēng)險場地有42處,其中已修復(fù)13處,待修復(fù)11處,已搬遷16處。全國待搬遷場地約200處。平均一個場地修復(fù)項目的資金規(guī)模在一到兩個億。據(jù)中信建投研報,假設(shè)只考慮已知的污染場地,對待修復(fù)和已搬遷場地的修復(fù)能夠在未來2年內(nèi)完成,對待搬遷場地的修復(fù)能夠在未來3到5年內(nèi)完成,并且平均修復(fù)場地資金為1.5億,則未來兩年我國場地修復(fù)的市場規(guī)模在40億左右,未來3到5年的市場規(guī)模在300億左右。
中國農(nóng)田污染源主要是來自化肥、農(nóng)藥、生活垃圾、農(nóng)村家畜糞便等,城市“毒地”的污染源頭是化工、農(nóng)藥、焦化等類企業(yè)。
換土是目前國內(nèi)最常見的一種土壤修復(fù)技術(shù)。就是一種異位土壤修復(fù)技術(shù),它包括異地填埋和異地水泥窯焚燒等。這種技術(shù)通過大規(guī)模挖土換土,可以在短時間內(nèi)解決表面的污染問題,但是并不徹底。而植物修復(fù)效果徹底、綠色環(huán)保,成本相對較小。但植物修復(fù)所需時間與土壤污染的重金屬濃度直接相關(guān),重金屬超標不高的土壤,3年到5年可見效;如果超標嚴重,修復(fù)的時間則需翻倍。
我國采用異位土壤修復(fù)技術(shù)原因有三。一是我國房地產(chǎn)開發(fā)商普遍面臨開發(fā)周期短的壓力,通常能分配給修復(fù)土壤的時間只有三個月,因此只能動用土方工程將污染土壤挖出。二是目前大部分原位修復(fù)技術(shù)還停留在技術(shù)研發(fā)階段,較少能夠滿足工程應(yīng)用的要求。三是我國相關(guān)法律尚不完善,沒有專門的污染土壤修復(fù)法在約束土壤修復(fù)的后續(xù)污染問題,因此企業(yè)大多會選擇異地填埋焚燒這種造成二次污染但周期較短的方式。
千億市場
就在土壤修復(fù)市場逐漸熱鬧喧囂之時,嗅覺靈敏的產(chǎn)業(yè)資本和金融資本都開始紛紛進軍土壤修復(fù)這個正在快速擴張的新產(chǎn)業(yè),但是由于土壤修復(fù)市場門檻較低,甚至一些簡單的土木轉(zhuǎn)移填埋也可以成為企業(yè)的支撐。土壤環(huán)境修復(fù)產(chǎn)業(yè)同樣又是一個技術(shù)密集型和資金密集型產(chǎn)業(yè),一些缺少技術(shù)實力的企業(yè)僅僅將修復(fù)工程變成土方工程,污染場地的土拉出后,只是進行異地堆積而非處理,造成土壤污染的異地擴散。政府應(yīng)制定明確的技術(shù)標準及市場監(jiān)管系統(tǒng),引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)規(guī)范健康發(fā)展。
隨著近幾年土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,如今已經(jīng)初步形成一條產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈既包括調(diào)查評估、咨詢和修復(fù)工程,也包括第三方檢測等行業(yè)。目前形成了以環(huán)保部門的監(jiān)測機構(gòu)為主、商業(yè)檢測機構(gòu)為輔的市場格局。
一些比較成熟的污水治理企業(yè),也開始延伸自身的產(chǎn)業(yè)鏈條,涉足水體或土壤及地下水修復(fù)領(lǐng)域。因此,它們可能會成為潛在土壤和地下水修復(fù)企業(yè),憑借自身的資本、技術(shù)、人才優(yōu)勢,都正在向土壤及地下水修復(fù)行業(yè)滲透。
最保守的測算,“十二五”期間國內(nèi)土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)也將達到千億規(guī)模的市場,據(jù)知情人士則透露,“十二五”期間,國家用于防治土壤污染的全部財政資金將達數(shù)千億元,其中,僅僅是國家治理重金屬污染的投入就達595億元。
缺乏監(jiān)管
污染土壤修復(fù)作為新興環(huán)保行業(yè),技術(shù)的研發(fā)或應(yīng)用還處在試驗階段,還沒有形成比較成熟的技術(shù),暫時沒有技術(shù)壁壘;而且國家的行業(yè)標準和準入制度也都在制訂過程中,因此,在環(huán)境修復(fù)市場逐漸成熟后,將會有越來越多從事其他環(huán)保產(chǎn)業(yè)的企業(yè)涌入到環(huán)境修復(fù)行業(yè)。
在今年五月末舉辦的2012重金屬污染土壤治理與生態(tài)修復(fù)論壇上,陳同斌研究員指出:國內(nèi)土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初期,理論探索十分活躍,技術(shù)發(fā)展不斷完善,規(guī)范的工程實例和產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗尚少。我國土壤污染修復(fù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略不明確,市場混亂;土壤修復(fù)技術(shù)水平參差不齊,產(chǎn)業(yè)鏈合作亟待解決,這些因素很大程度限制了行業(yè)的發(fā)展。
現(xiàn)在房地產(chǎn)開發(fā)商基本都是將“毒地修復(fù)”流程簡化成兩個程序——挖干凈“毒土”,然后轉(zhuǎn)移至別處,而一些承包修復(fù)場地的企業(yè)也不需要申請資質(zhì),有幾臺挖掘機就可以成立一個土壤修復(fù)公司,“只要能找到工程,就可以盈利”。
發(fā)達國家的環(huán)境修復(fù)產(chǎn)業(yè)起步較早,發(fā)展較快。土壤污染修復(fù)技術(shù)研究起步于上世紀70年代后期。在過去的30多年中,美、日、澳等國紛紛制定了土壤修復(fù)計劃,投巨資用于土壤修復(fù)技術(shù)與設(shè)備的研發(fā),積累了豐富的現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)與工程實踐經(jīng)驗。
美國、日本等國家的土壤修復(fù)產(chǎn)業(yè)可以占到本國環(huán)保產(chǎn)業(yè)市場份額的30%~50%,產(chǎn)業(yè)相當成熟。
而我國土壤修復(fù)市場缺乏一批具有自主研發(fā)能力的大中型修復(fù)企業(yè),尚未構(gòu)成以修復(fù)企業(yè)為主的場地調(diào)查、風(fēng)險評估、修復(fù)設(shè)計、修復(fù)工程、規(guī)劃開發(fā)的良性產(chǎn)業(yè)鏈條,無法形成規(guī)模效應(yīng)。
篇5
論我國應(yīng)對氣候變化與國家能源安全問題的策略
淺談電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行
農(nóng)村環(huán)境污染的法律對策
基于全壽命周期成本(LCC)理念的絕緣子選型
磁力驅(qū)動泵的能量損失研究
博興麻大湖水質(zhì)污染生態(tài)恢復(fù)模式與對策研究
福建省龍永煤田緩傾角斷裂成因探討
煤田地質(zhì)鉆探工程巖芯編錄步驟及有關(guān)注意事項
綜合自動化系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用與實現(xiàn)
抽水蓄能電站發(fā)展的政策瓶頸與建議
福建省永春縣天湖山—上姚煤礦區(qū)推覆構(gòu)造特征及控煤作用
河南濮陽城西王三寨二_1煤層煤質(zhì)特征及礦山開采環(huán)境預(yù)測
斜坡短壁式采煤面在曬口礦的應(yīng)用
石油污染沉積物的原位生物強化修復(fù)實驗研究
格構(gòu)式配電裝置鋼構(gòu)架分析與選型
立式鍋爐環(huán)保節(jié)能與探討
青草山煤礦區(qū)鉆探施工技術(shù)研究
淺析“錨網(wǎng)噴”支護技術(shù)在井巷支護中的應(yīng)用
武陵煤礦通風(fēng)系統(tǒng)改造的實施
我國工業(yè)生態(tài)化建設(shè)的問題與定位探討
染整放流水的透視度與相關(guān)因素及其處理方法
上進氣高濃度電除塵器進口喇叭氣流分布試驗研究
飲用水加氯消毒副產(chǎn)物的研究進展與控制
可再生能源環(huán)境及健康效益貨幣量化測算路徑
煤田巖漿侵入煤層規(guī)律研究
福建省大田縣水井坑井田地層組合特征分析
關(guān)于有機熱載體鍋爐安裝使用中的問題探討
中央空調(diào)冷凝器腐蝕失效分析與對策
基于氣動發(fā)動機技術(shù)的氣動自行車可行性系統(tǒng)研究
一起臥式鍋爐鍋筒鼓包事故的原因分析
發(fā)展太陽能行業(yè)促進低碳經(jīng)濟
可持續(xù)發(fā)展的節(jié)能降耗運作機制實證研究
政府應(yīng)該成為新能源汽車推廣的“引領(lǐng)”者
我國農(nóng)村生活污水排水現(xiàn)狀分析
自來水生產(chǎn)和供應(yīng)項目環(huán)境影響評價相關(guān)問題探討
微電子高科技園區(qū)環(huán)境風(fēng)險及管理對策
冶金礦業(yè)環(huán)境事故可能性大小分級指標
淺談石油化工廢水處理技術(shù)
莆田市空氣中二氧化硫的變化趨勢分析
突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急管理制度的構(gòu)建研究
福建省固體廢物環(huán)境管理的現(xiàn)狀與對策
經(jīng)濟與環(huán)境的雙贏探析
淺談福建礦業(yè)型地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)狀與治理
江西礦產(chǎn)資源開發(fā)與生態(tài)補償機制構(gòu)建
次氧化鋅煙塵中鎘的硫酸浸出動力學(xué)研究
水電站在電力系統(tǒng)中的作用
模糊控制在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制中的應(yīng)用
某高校學(xué)生宿舍CO_2濃度的測試分析
交通警察血鉛水平的初步探討
發(fā)展上杭縣小水電的思考
微生物監(jiān)測技術(shù)在水污染處理中的應(yīng)用
有機熱載體鍋爐尾部高效余熱利用裝置的設(shè)計與實現(xiàn)
空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在我省煤礦的應(yīng)用
氫氣/柴油雙燃料發(fā)動機排放特性研究
華電貴港電廠超臨界鍋爐再熱汽溫長期偏低的分析與對策
開采三角煤的采準巷道布置方式
生物柴油對增壓柴油機排氣溫度和排放的影響
篇6
1.1環(huán)境與生態(tài)
廣義上講,環(huán)境是人以外的一切事物的總和,如現(xiàn)代人居環(huán)境即為廣義的環(huán)境概念;狹義上講,環(huán)境是影響有機體生長、發(fā)展和生存的外界物理條件的總和。生態(tài)系統(tǒng)簡稱生態(tài),是有生命的主體(包括人類)與無生命的客體的總和。研究有機生命體與無機環(huán)境關(guān)系的科學(xué)稱為生態(tài)學(xué),研究生命體以外的無機環(huán)境的科學(xué)稱為環(huán)境學(xué)。生態(tài)修復(fù)的研究與實踐離不開環(huán)境學(xué)和生態(tài)學(xué),而后者尤為重要。
1.2生態(tài)環(huán)境與環(huán)境生態(tài)
生態(tài)包括環(huán)境,“生態(tài)環(huán)境”的說法是不科學(xué)和難以理解的,可以牽強地理解為與生命體最密切相關(guān)的環(huán)境。我國所謂的生態(tài)環(huán)境實際就是生態(tài),準確地講“生態(tài)環(huán)境建設(shè)”應(yīng)為“生態(tài)建設(shè)”[1]。生態(tài)修復(fù)是對生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù),故不能稱為生態(tài)環(huán)境修復(fù)。
環(huán)境雖然是無機的,但完全從無機角度理解環(huán)境是不完整的。特別是自然環(huán)境,本身是生物體或生物群體周圍的整體狀況,只有應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理研究、認識和理解環(huán)境,才能更有效地解決環(huán)境問題,這就是環(huán)境生態(tài)學(xué)。環(huán)境生態(tài)作為概念不易理解,但環(huán)境生態(tài)學(xué)無疑是科學(xué)的,他對生態(tài)修復(fù)理論和技術(shù)的形成起到了直接的推動作用。
1.3干擾與生態(tài)演替
自然界發(fā)生的大大小小的事件,如火災(zāi)、水災(zāi)、泥石流、蟲害、大風(fēng)、人類活動等,改變著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,這些事件稱之為干擾。干擾可分自然干擾和人為干擾。干擾促使某一相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化,舊的環(huán)境和物種破壞了,新的環(huán)境和物種又會產(chǎn)生,并在一定時間內(nèi)維持其相對穩(wěn)定。在沒有嚴重干擾的情況下,自然生態(tài)系統(tǒng)會定向地、有秩序地由一個階段發(fā)展到另一個階段,這稱為生態(tài)內(nèi)因演替。演替的結(jié)果,最終會出現(xiàn)一個相當穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài),這稱為頂極穩(wěn)定狀態(tài)。每一演替階段有其特定生物群落特征,頂極穩(wěn)定狀態(tài)的群落稱為頂極群落。干擾常使生態(tài)系統(tǒng)受損并改變,稱為外因演替。生態(tài)系統(tǒng)正常演替總是從低級向高級發(fā)展,而干擾使演替進程發(fā)生變化,嚴重時,如人類大規(guī)?;顒?則使生態(tài)系統(tǒng)向相反方向演替,這稱為逆序演替。生態(tài)修復(fù)就是使擾生態(tài)系統(tǒng)的逆序演替轉(zhuǎn)向正常演替[2]。
1.4生態(tài)穩(wěn)態(tài)與生態(tài)閾值
生態(tài)系統(tǒng)不是絕對平衡的,而是永恒地發(fā)生著演替,舊的平衡打破了,新的平衡就會產(chǎn)生,當演替到頂極狀態(tài)時,在很長時間內(nèi)將處于相對穩(wěn)定狀態(tài),即穩(wěn)態(tài)。生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡中的穩(wěn)定狀態(tài),稱為生態(tài)穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)生態(tài)有相當強的自我調(diào)控能力,在干擾作用下雖不斷地振蕩和變化,但只是量變;當干擾嚴重并超過其調(diào)控能力時,系統(tǒng)將發(fā)生質(zhì)變、崩潰,而走向逆序演替,甚至不可逆演替。穩(wěn)態(tài)生態(tài)抵抗干擾的自我調(diào)節(jié)能力的限度稱為生態(tài)閾值[2]。只有研究生態(tài)穩(wěn)態(tài)和生態(tài)閾值,才能確定修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的類型、區(qū)域、難易程度、時間周期,并確定合理的修復(fù)指標。
1.5人與自然共生理論
人與自然共生和和諧相處,是人類對“自然改造論”深刻反思后產(chǎn)生的新認識。人是自然生態(tài)系統(tǒng)的組成部分,不是其對立面,脫離生態(tài)規(guī)律的自然改造,損害了自然生態(tài)系統(tǒng),必然損害人自身。人與生物、生物與生物之間存在著互利互惠的共生現(xiàn)象。任何形式的自然改造必須建立在人與自然共生的基礎(chǔ)之上。F.Vester基于共生現(xiàn)象的研究,總結(jié)了人類系統(tǒng)與生物系統(tǒng)之間生物控制的8條規(guī)律。據(jù)此研究,生態(tài)學(xué)家提出了以最小能量輸入和最小物質(zhì)消耗以保證生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力的生態(tài)設(shè)計原則。這也是生態(tài)修復(fù)規(guī)劃設(shè)計的指導(dǎo)思想。
2國外的環(huán)境生態(tài)修復(fù)與生態(tài)恢復(fù)
修復(fù)的本意是對錯誤和缺陷進行糾正的作用或過程,修復(fù)最早從污染環(huán)境治理角度被定義為:借助外界作用力使某個受損的特定對象部分或全部恢復(fù)到原初狀態(tài)的過程。環(huán)境生態(tài)修復(fù)起源于環(huán)境修復(fù),生態(tài)恢復(fù)又受環(huán)境生態(tài)修復(fù)的影響。
2.1環(huán)境修復(fù)與環(huán)境生物修復(fù)
環(huán)境修復(fù)是對被污染的環(huán)境采取措施使污染物濃度降低到未污染前的狀態(tài)。早期的環(huán)境修復(fù)主要采用工程技術(shù)手段,以后采用物理和化學(xué)手段。1972年美國嘗試采用微生物生命代謝活動降解管線泄漏造成的汽油污染,1989年對ExxonVal-dez油輪泄油造成污染的阿拉斯加海海面進行修復(fù)(阿拉斯加研究計劃),從而出現(xiàn)了環(huán)境微生物修復(fù)技術(shù),后來出現(xiàn)了環(huán)境植物修復(fù)技術(shù),最終形成了環(huán)境生物修復(fù)技術(shù)。環(huán)境生物修復(fù)被定義為利用生物生命代謝活動降解被污染環(huán)境的污染物,并使之無毒化和無害化。
2.2環(huán)境生態(tài)修復(fù)
20世紀60年代,美國生態(tài)學(xué)家H.T.Odum提出生態(tài)工程概念,受此啟發(fā),歐洲一些國家嘗試應(yīng)用研究,并形成所謂“生態(tài)工程工藝技術(shù)”,實際屬于清潔生產(chǎn)的范疇。隨著生態(tài)學(xué)與環(huán)境生態(tài)學(xué)的發(fā)展,90年代美、德等國家提出通過生態(tài)系統(tǒng)自組織和自調(diào)節(jié)能力來修復(fù)污染環(huán)境的概念,并通過選擇特殊植物和微生物,人工輔助建造生態(tài)系統(tǒng)來降解污染物,這一技術(shù)被稱為環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,該技術(shù)至今還不成熟,國外的環(huán)境生態(tài)修復(fù)也只是對輕度污染陸地的環(huán)境修復(fù),最典型的事例就是通過濕地自調(diào)節(jié)能力防治污染。這與我國的生態(tài)自我修復(fù)有很大差別。
2.3生態(tài)恢復(fù)
20世紀20年代開始,德、美、英、澳等國家對礦山開采擾動受損土地進行恢復(fù)和利用,逐漸形成土地復(fù)墾技術(shù),包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、建筑、自然復(fù)墾等,實際仍是土壤環(huán)境修復(fù)的范疇。70年代后,受生態(tài)工程學(xué)術(shù)思想的影響,從土壤環(huán)境修復(fù)和生產(chǎn)力恢復(fù)層面上升到了生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)層面,基本內(nèi)涵就是在人為輔助控制下,利用生態(tài)系統(tǒng)演替和自我恢復(fù)能力,使被擾動和損害的生態(tài)系統(tǒng)(土壤、植物和野生動物等)恢復(fù)到接近于它受干擾前的自然狀態(tài),即重建該系統(tǒng)干擾前的結(jié)構(gòu)與功能有關(guān)的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征。1975年,“受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)”國際會議在美國佛吉尼亞工學(xué)院召開,此后英美等國創(chuàng)刊恢復(fù)生態(tài)學(xué)的雜志,生態(tài)恢復(fù)被列為當時最受重視的生態(tài)學(xué)概念之一。
1987年,Jordan發(fā)表《生態(tài)恢復(fù)學(xué)》專著,1993年,Bradsh做更詳盡的研究,生態(tài)恢復(fù)學(xué)成為生態(tài)學(xué)一個分支學(xué)科。在其指導(dǎo)下,生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研究的領(lǐng)域進一步拓寬。目前國外恢復(fù)生態(tài)學(xué)主要研究森林、草地、灌叢、水體等生態(tài)系統(tǒng)在采礦、道路建設(shè)、機場建設(shè)、放牧、采伐、山地災(zāi)害、工業(yè)大氣及重金屬污染等干擾體系的影響下退化和自然恢復(fù)的機制和生態(tài)學(xué)過程,涉及植被、土壤、氣候、微生物、動物等多方面,研究具有積累性好、綜合性和連續(xù)性強的特點。目前多集中在大型礦區(qū)、大型建筑場地、森林采伐跡地、受損濕地等生態(tài)恢復(fù)方面,研究的焦點領(lǐng)域是土壤、野生動植物及其生物多樣性恢復(fù)。這與我國開發(fā)建設(shè)項目水土保持和工礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建比較接近。
摘要:開展生態(tài)修復(fù)研究與實踐,應(yīng)理清環(huán)境、生態(tài)、環(huán)境生態(tài)、生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)建設(shè)、生態(tài)工程等與之相關(guān)的一些概念及科學(xué)內(nèi)涵,避免概念上的混亂。我國的生態(tài)工程與國外的環(huán)境生態(tài)修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)有較大差別,將生態(tài)學(xué)應(yīng)用于農(nóng)林水等生產(chǎn)領(lǐng)域,是我國生態(tài)工程研究與實踐的突出特點。流域生態(tài)修復(fù)是今后生態(tài)修復(fù)的發(fā)展方向,水土保持工程是建設(shè)項目生態(tài)修復(fù)的主體;當前亟待開展生態(tài)修復(fù)機理、生態(tài)修復(fù)潛力、生態(tài)修復(fù)指標體系等方面的研究。
篇7
關(guān)鍵詞:土壤;鎘污染;來源;危害;治理
中圖分類號 X53 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731(2015)24-104-04
Abstract:As the development of industry,soil cadmium pollution have caused more and more concern.In this thesis,the pollution actualities,source,damage and management of soil cadmium pollution were briefly introducted,and the development direction of soil cadmium pollution management was discussed.
Key words:Soil;Cadmium pollution;Source;Damage;Managment
據(jù)2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,我國土壤環(huán)境狀況總體不容樂觀,部分地區(qū)土壤污染較重,耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂。其中,鎘污染物點位超標率達到7.0%,呈現(xiàn)從西北到東南、從東北到西南方向逐漸升高的態(tài)勢,是耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一[1]。鎘是眾所周知的重金屬“五毒”元素之一,具有分解周期長(半衰期超過20a)、移動性大、毒性高、難降解等特點,在生產(chǎn)活動中容易被作物吸收富集,不僅嚴重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì),而且可以通過食物鏈在人體的積累危害人體健康[2],例如,20世紀60年代在日本富山縣神通川流域出現(xiàn)的“骨痛病”事件。針對我國鎘污染現(xiàn)狀,本文將從鎘污染的來源、危害、修復(fù)治理等方面進行了論述,詳細介紹鎘污染這一環(huán)境污染問題,以期為我國農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展和鎘污染土壤的治理提供科學(xué)依據(jù),為后續(xù)研究提供參考。
1 我國土壤鎘污染現(xiàn)狀
我國于20世紀70年代中后期才開展有關(guān)農(nóng)田土壤鎘污染調(diào)查的工作,1980年中國農(nóng)業(yè)環(huán)境報告顯示,我國農(nóng)田土壤中鎘污染面積為9 333hm2,到2003年我國鎘污染耕地面積為1.33×104 hm2,并有11處污灌區(qū)土壤鎘含量達到了生產(chǎn)“鎘米”的程度[3-4]。近年來,隨著我國工業(yè)的發(fā)展,由于化肥、農(nóng)藥的大量施用,工業(yè)廢水和污泥的農(nóng)業(yè)利用,以及重金屬大氣沉降的日益增加,土壤中鎘的含量明顯增加,土壤鎘污染狀況越發(fā)嚴重,目前,我國鎘污染土壤的面積已達2×105km2,占總耕地面積的1/6[5]。
從近年的有關(guān)研究來看,我國各地均存在著不同程度的鎘污染問題。目前,我國土壤鎘污染涉及11個省市的25個地區(qū)。比如,上海螞蟻浜地區(qū)污染土壤鎘的平均含量達21.48mg/kg,廣州郊區(qū)老污灌區(qū)土壤鎘的含量高達228.0mg/kg[6-7]。我國農(nóng)田土壤的鎘污染多數(shù)是由于進行工業(yè)廢水污灌造成的。據(jù)統(tǒng)計,我國工業(yè)每年大約排放300億~400億t未經(jīng)處理的污水,引用工業(yè)廢水污灌農(nóng)田的面積占污灌總面積的45%[8],至20世紀90年代初,我國污灌農(nóng)田中有1.3×104hm2的農(nóng)田遭受不同程度的鎘污染,污染土壤的鎘含量為2.5~23.0mg/kg,重污染區(qū)表層土壤的鎘含量高出底層土壤幾十甚至1 000多倍[9]。在大田作物中,鎘是我國農(nóng)產(chǎn)品主要的重金屬污染物[10]。據(jù)報道,我國污灌區(qū)生產(chǎn)的大米鎘含量嚴重超標,例如,成都東郊污灌區(qū)生產(chǎn)的大米中鎘含量高達1.65mg/kg,超過WHO/FAO標準約7倍[11]。2000年農(nóng)業(yè)部環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)檢測了我國14個省會城市共2 110個樣品,檢測數(shù)據(jù)顯示,蔬菜中鎘等重金屬含量超標率高達23.5%;南京郊區(qū)18個檢測點的青菜葉檢測表明,鎘含量全部超過食品衛(wèi)生標準,最多超過17倍[6]。潘根興研究團隊于對2007年對全國6個地區(qū)(華東、東北、華中、西南、華南和華北)縣級以上市場隨機采購的91個大米樣品檢測后,發(fā)現(xiàn)約有10%左右的市售大米存在重金屬鎘含量超標問題[12]。據(jù)報道,廣西某礦區(qū)生產(chǎn)的稻米中鎘濃度嚴重超標,當?shù)鼐用褚蜷L期食用“鎘米”已經(jīng)出現(xiàn)了“骨痛病”的癥狀,嚴重威脅當?shù)鼐用竦纳眢w健康[3]。以上研究結(jié)果表明,我國土壤受鎘污染的程度已相當嚴重,土壤鎘污染造成水稻、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量下降、產(chǎn)量降低,并且嚴重威脅到當?shù)鼐用竦纳硇慕】?,影響我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
2 土壤鎘污染的來源
土壤中鎘的主要有2種來源,分別為自然界的成土母質(zhì)和人為活動,前者為自然界中巖石和土壤鎘含量的本底值,一般來講世界范圍內(nèi)土壤鎘平均值為0.35mg/kg,我國土壤鎘背景值為0.097mg/kg,遠低于世界均值[13-14]。而后者主要指通過工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動直接或間接地將鎘排放到環(huán)境的人為活動,并且是造成土壤鎘污染的主要途徑,歸納起來污染途徑主要有如下4個方面:
2.1 大氣鎘沉降 電鍍、油漆著色劑、塑料穩(wěn)定劑、電池生產(chǎn)以及光敏元件的制備等工業(yè)廢氣中存在一定量的鎘,它們會和粉塵一起隨風(fēng)擴散到工廠周圍,一般在工業(yè)區(qū)周圍的大氣中鎘的濃度較高[15],較高濃度的鎘可以通過降雨或沉降進入土壤。進入土壤中的鎘,一部分被植物吸收,剩余的部分則在土壤大量積累,而當土壤中鎘累積超過一定范圍時,就造成了土壤的鎘污染[16]。
2.2 施肥不當 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為了獲得高產(chǎn),一般都加大農(nóng)藥化肥的投入,長期施用含有鎘的農(nóng)藥化肥必然導(dǎo)致土壤的鎘污染。據(jù)統(tǒng)計分析,磷肥中含有較多的鎘,氮肥和鉀肥含量較少,因此含鎘磷肥的施用影響最為嚴重。我國磷肥生產(chǎn)所需磷礦石的鎘含量雖然較低,在世界上屬于較低水平,但我國磷礦石含磷量同樣不高,因此需要從國外進口大量的磷肥[4]。據(jù)西方國家估算,全球磷肥平均含鎘量7.0mg/kg,可給全球土壤帶來約6.6×104kg鎘[17]。韓曉日等[18]研究也發(fā)現(xiàn),長期施用磷肥和高量有機肥能夠增加土壤鎘含量。由此可見,長期施用含鎘的化肥會增加土壤的鎘含量,給土壤帶來嚴重的重金屬污染問題。
2.3 污水灌溉 鍍鋅廠以及與塑料穩(wěn)定劑、染料及油漆等生產(chǎn)有關(guān)工廠產(chǎn)生的工業(yè)污水中含有多種重金屬,其中就有大量的鎘,這些廢水如不經(jīng)處理或者處理不達標,廢水中的鎘就會隨著污灌進入土壤,因此,在工礦和城郊區(qū)的污灌農(nóng)田均存在著土壤鎘污染問題。據(jù)統(tǒng)計,目前我國工業(yè)、企業(yè)每年要排放約300億~400億t未經(jīng)處理的污水,利用這些工業(yè)污水進行灌溉造成了嚴重的重金屬污染,污水灌溉已經(jīng)是我國農(nóng)田土壤鎘污染的主要原因[8]。何電源等[19]在1987-1990年間對湖南省的農(nóng)田污染狀況調(diào)查也表明,農(nóng)田土壤鎘污染的主要來源是工礦企業(yè)排放的廢氣和廢水。此外,大量堆積的工業(yè)固體廢棄物和農(nóng)田施用的污泥,也會造成土壤的鎘污染[16]。
2.4 金屬礦山酸性廢水污染 金屬礦山的開采、冶煉以及重金屬尾礦、冶煉廢渣和礦渣堆等,存在著大量的酸性廢水,這些酸性廢水溶出的多種重金屬離子能夠隨著礦山排水和降雨進入水環(huán)境或土壤,可以間接或直接地造成土壤重金屬污染。據(jù)報道,1989年我國有色冶金工業(yè)向環(huán)境中排放重金屬鎘多達88t[20]。
3 土壤鎘污染的危害
鎘是一種具有毒性的重金屬微量元素,是人體、動物和植物的非必需元素,但它在冶金、塑料、電子等行業(yè)非常重要,通常通過“工業(yè)三廢”等途徑進入土壤。土壤中鎘的形態(tài)有水溶態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)、有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)和硅酸態(tài)等,水溶性和交換態(tài)鎘可以被植物吸收,并通過食物鏈進入人體富集,達到一定程度時會引發(fā)各種疾病,嚴重危害植物和人體的健康,且具有長期性、隱蔽性和不可逆性等特點。
3.1 鎘對植物健康的危害 鎘是植物生長的非必需元素,當鎘在植物組織中含量達到1.0mg/kg時,會通過阻礙植物根系生長、抑制水分和養(yǎng)分的吸收等引起一系列生理代謝紊亂,如蛋白質(zhì)、糖和葉綠素的合成受阻,光合強度下降和酶活性改變等,使植物表現(xiàn)出葉色減褪、植物矮化、物候期延遲等癥狀,最終導(dǎo)致作物品質(zhì)下降和減產(chǎn),甚至死亡[6,21-22]。張義賢等[23]研究表明,大麥種子在鎘脅迫下,種子的萌芽率、根生長率均呈下降趨勢,當鎘濃度達到0.01mol/L時,種子萌芽率小于45%,且根不再生長。劉國勝等[24]研究表明,當土壤含有0.43mg/kg可溶態(tài)鎘時,水稻減產(chǎn)10%,當含量為8.1mg/kg時,水稻減產(chǎn)達25%,并且,稻米的氨基酸、支鏈淀粉和直鏈淀粉比例發(fā)生改變,使水稻品質(zhì)變差[4]。
3.2 鎘對人體健康的危害 鎘是人體非必需的微量元素,具有較強的致癌、致畸及致突變作用,對人體會產(chǎn)生較大的危害,鎘一般通過呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)進入人體,在人體內(nèi)半衰期長達20~30a。鎘對人體的毒害分為急性毒害和慢性毒害2種,鎘的急性毒害主要表現(xiàn)為肺損害、胃腸刺激反應(yīng)、全身疲乏、肌肉酸痛和虛脫等;慢性毒害主要表現(xiàn)為對骨骼、肝臟、腎臟、免疫系統(tǒng)、遺傳等的系列損傷,并誘發(fā)多種癌癥[25-27]。例如,20世紀60年生在日本神通川流域的“骨痛病”,原因就是當?shù)鼐用袷秤面k米造成的。因此,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)將其列為具有全球性意義的危險化學(xué)物質(zhì)[28]。
4 土壤鎘污染的治理方法
為了有效利用現(xiàn)有的土地資源,減少鎘等重金屬人體造成的危害,需要采取有效措施治理和恢復(fù)受污染的土壤。目前,有關(guān)鎘污染土壤的治理方法有很多,主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法等。
4.1 物理方法 鎘污染土壤的物理修復(fù)方法主要有排土、客土、深耕翻土等傳統(tǒng)物理方法以及電修復(fù)技術(shù)、洗土法等??屯练ň褪菍⑽廴就寥犁P除,換入未污染的土壤,去表土法就是將污染的表土移去等。傳統(tǒng)的物理修復(fù)方法治理鎘污染效果非常明顯,如吳燕玉等[29]在張士灌區(qū)調(diào)查時發(fā)現(xiàn)去除表層土可使稻米中鎘含量降低50%。然而,這種方法需要耗費大量資金、人力物力,且移除的污染土壤又容易引起二次污染,因此難以在大面積治理上推廣。電修復(fù)技術(shù),是指在土壤外加一個直流電場,土壤重金屬在電解、擴散、電滲、電泳等作用下流向土壤中的某個電極處,并通過工程收集系統(tǒng)收集起來進行處理的治理方法。胡宏韜等[30]研究發(fā)現(xiàn),當試驗電壓為0.5W/cm時,陽極附近土壤中鎘的去除效率達到75.1%;淋濾法和洗土法是運用特定試劑與土壤重金屬離子作用,然后從提取液中回收重金屬,并循環(huán)利用提取液。據(jù)報道,美國曾應(yīng)用淋濾法和洗土法成功地治理了包括鎘在內(nèi)的8種重金屬,治理了2.0×104t污染的土壤,且重金屬得到了回收和利用,而且整個治理過程中沒有產(chǎn)生二次污染[20]。
4.2 化學(xué)方法 化學(xué)法是指通過在土壤中施用化學(xué)制劑、改良劑,增加土壤粘粒和有機質(zhì),改變土壤氧化還原電位和pH值等理化性質(zhì),使土壤鎘發(fā)生氧化還原等作用,降低鎘的生物有效性,以減輕對其它生物的危害[31-32]。目前,磷酸鹽、石灰、硅酸鹽等是化學(xué)法處理鎘污染土壤中常用物質(zhì)。Gworek[33]等在研究中發(fā)現(xiàn)利用沸石等硅鋁酸鹽鈍化土壤重金屬能顯著降低污染土壤中鎘的濃度??傮w而言,化學(xué)方法具有操作簡單、治理效果、費用適中等優(yōu)點,缺點是容易再度活化重金屬。因此,該方法適用于重金屬污染不太嚴重的地區(qū),對污染太嚴重的土壤不適用[4,20]。
4.3 生物方法 生物方法是指通過某些特定微生物、動物或植物的代謝活動,吸附降解土壤污染物質(zhì)、降低土壤重金屬生物活性的治理方法,具有土壤擾動小、原位性、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點,一般分為微生物修復(fù)、動物修復(fù)、植物修復(fù)3種。
4.3.1 微生物修復(fù) 微生物修復(fù)是指利用土壤微生物固定、遷移或轉(zhuǎn)化土壤中的重金屬,從而降低重金屬毒性,主要包括生物富集和生物轉(zhuǎn)化2種作用方式。生物富集作用指微生物的積累和吸附作用;生物轉(zhuǎn)化作用指微生物對重金屬的氧化和還原作用、重金屬的溶解和有機絡(luò)合配位等[34]。例如,吳海江[35]利用分離獲得的菌株對鎘的去除率高達60%,吸附量達54mg/kg;張欣等[36]在模擬鎘輕度污染試驗中通過施入微生物菌劑使菠菜植株鎘含量平均下降14.5%。
4.3.2 動物修復(fù) 動物修復(fù)是指利用土壤中某些低等動物的代謝活動來降低污染土壤中重金屬比例的方法。例如,Ramseier等[37]研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓具有強烈的鎘富集能力,當土壤鎘濃度為3mg/kg時,蚯蚓的鎘富集量可以達到120mg/kg。但由于低等動物生長受環(huán)境等因素的嚴重制約,該項技術(shù)在實際應(yīng)用中受到了一定限制[20,28]。
4.3.3 植物修復(fù) 植物修復(fù)是指利用超富集植物吸附清除土壤鎘污染的原位治理方法,具有實施較簡便、投資較少、破壞小、無二次污染等優(yōu)點,是一種環(huán)境友好型修復(fù)技術(shù)[20,34]。目前,全世界已發(fā)現(xiàn)500多種富集重金屬的植物,其中部分植物對土壤鎘具有強烈的富集作用,表現(xiàn)出對鎘的選擇性吸收,如蕪菁、菠菜、煙草、向日葵等[12]。近幾年來,我國在利用植物修復(fù)鎘污染土壤方面取得了不少成果,例如,蔣先軍等[38]研究發(fā)現(xiàn)印度芥菜、劉威等[39]發(fā)現(xiàn)寶山堇菜等屬于鎘超積累植物,這些發(fā)現(xiàn)都可以應(yīng)用于鎘污染土壤的治理與恢復(fù)工作。
5 展望
2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,我國土壤鎘污染物點位超標率達到7.0%,鎘是我國耕地、林地、草地和未利用地的主要污染物之一,土壤鎘污染日趨嚴重。因此,要積極開展切實有效的管理控制、污染防治綜合治理等,首先,從源頭上控制鎘對土壤的污染,采取清潔生產(chǎn)與資源循環(huán)利用措施,減少甚至避免各類鎘污染物進入土壤環(huán)境;其次,加強鎘污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究,特別是植物修復(fù)技術(shù)和微生物技術(shù);再次,發(fā)展聯(lián)合修復(fù)技術(shù),將生物修復(fù)與物理化學(xué)法、工程措施和農(nóng)藝措施有效結(jié)合起來,開展多學(xué)科聯(lián)合的生態(tài)修復(fù)。只有這樣,才有可能修復(fù)已經(jīng)被鎘等重金屬污染的土地,保護未被污染的土地資源,實現(xiàn)自然與社會的健康、可持續(xù)發(fā)展。
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篇8
關(guān)鍵詞:植物修復(fù);重金屬;土壤;機制;類型
中圖分類號:S154.4;X53 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2014)23-5617-07
重金屬是指比重等于或大于5.0的一類金屬元素,其中包括汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、銅(Cu)等40多種金屬元素[1]。中國受Cd、砷(As)、Pb等重金屬污染的耕地面積近2.0×105 km2,約占總耕地面積的1/5;每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食超過1.0×107 t,被重金屬污染的糧食也多達1.2×107 t,由此造成的經(jīng)濟損失合計至少為200億元[2]。植物在重金屬脅迫下,其根系生長受到影響,細胞膜透性增大,植物抗氧化酶系統(tǒng)和光合系統(tǒng)被破壞,對基因產(chǎn)生毒害等[3-5]。但不少種類植物仍能在高濃度的重金屬離子環(huán)境中生長,完成其生活史,表明在長期進化過程中植物亦相應(yīng)地產(chǎn)生了多種抵抗重金屬毒害的防御機制,以適應(yīng)環(huán)境的變化。那么,如何有效解決土壤重金屬污染給植物帶來的危害,筆者結(jié)合前人對植物修復(fù)土壤重金屬污染機理的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,結(jié)合實際,提出了當前如何利用植物修復(fù)土壤重金屬污染的技術(shù)措施,并對該技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望。
1 植物修復(fù)土壤重金屬污染機制
在大量推廣運用植物修復(fù)重金屬污染土壤之前,必須對其吸收、轉(zhuǎn)運和積累重金屬的生理和生化機制有清楚的認識。目前國內(nèi)外在此方面已有大量研究,已發(fā)展到分子水平。
1.1 限制重金屬離子跨膜吸收機制
植物根部重金屬離子橫向運輸?shù)耐緩街饕獮橘|(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑。重金屬離子進入植物體后的分配依靠跨膜運輸完成,主要包括跨質(zhì)膜轉(zhuǎn)運和跨液泡膜轉(zhuǎn)運兩種方式[6]。從理論上來說,植物通過限制對重金屬的吸收,能有效降低體內(nèi)重金屬濃度,阻止重金屬離子由質(zhì)膜進入胞質(zhì)溶膠是最好的防御機制。Nedelkoska等[7]對天藍遏藍菜與煙草的根部及其細胞壁的Cd水平研究發(fā)現(xiàn),在Cd處理濃度為20 μg/g時,煙草根毛吸收的Cd大多數(shù)在3 d內(nèi)就直接進入共質(zhì)體,而天藍遏藍菜在開始的7~10 d內(nèi)則是幾乎把所有吸收的Cd都貯存在細胞壁中,然后再釋放到共質(zhì)體中向莖葉部運輸。后來研究表明,Cd吸收是一個不需要結(jié)合部位的選擇性過程,即細胞壁中的負電荷使Cd2+在細胞膜外富集起來,從而增加了跨膜梯度,可推動Cd2+進入細胞中[8]。細胞表面(CMS)的電負性形成細胞膜表面電勢ψ0,影響細胞表面離子的濃度,并進一步影響金屬陽離子的植物毒性。主要是通過細胞膜表面電勢而不是離子之間的競爭起作用[9]。另外,細胞膜具有選擇透過質(zhì)膜的特性,它能調(diào)節(jié)和控制細胞內(nèi)外物質(zhì)的交換和運輸,是有機體與外界環(huán)境之間的一個重要界面,因此,質(zhì)膜的透性大小是決定外界重金屬離子能否進入細胞和進入多少的主要因素。植物可通過限制重金屬離子跨膜吸收來降低體內(nèi)重金屬離子的濃度。Ange'lique等[10]研究認為,根細胞膜上可能存在Cd誘導(dǎo)的運輸?shù)鞍?,該蛋白對重金屬的運輸具有很強的選擇性。IRT作為一種質(zhì)膜轉(zhuǎn)運體具有Fe、Cu、Zn和Cd轉(zhuǎn)運活性,在轉(zhuǎn)錄水平上,JRT基因的表達也響應(yīng)Cd脅迫。
1.2 重金屬與植物細胞壁結(jié)合機制
植物對重金屬的排斥作用首先是使重金屬在植物體內(nèi)的運輸受阻。通過對黃瓜、菠菜、互花米草、黑麥草、煙草、皖景天等植物的試驗表明,植物吸收的重金屬離子大部分位于細胞壁,且被局限于細胞壁上,而不能進入細胞質(zhì)影響細胞內(nèi)的代謝活動,這種作用阻止了重金屬離子進入細胞原生質(zhì),而使其免受傷害,使植物對重金屬表現(xiàn)出耐性[11-15]。類似的結(jié)果也在水稻、玉米、小麥等主要農(nóng)作物的試驗中出現(xiàn)。例如,王芳等[16]采用不同的水稻品種,研究了細胞壁組分中Cd的含量,發(fā)現(xiàn)不同品種根部細胞壁組分存在顯著差異,且細胞壁組分中含Cd高的品種非蛋白巰基含量比含Cd低的品種高出1.6倍。襲波音[17]的研究結(jié)果表明,水稻體內(nèi)Cd主要分布在細胞壁上,其次為含核糖體的可溶性成分(以液泡為主),而且根部Cd含量要高于地上部。司江英等[18]認為,細胞壁和細胞溶質(zhì)部分是Cu在玉米細胞內(nèi)分布的主要位點,細胞核、葉綠體及線粒體等細胞器中Cu的含量較低。張戴靜[19]研究了Cu和Cd在小麥幼苗細胞組織的分布,發(fā)現(xiàn)Cu脅迫下,小麥幼苗中Cu主要集中在根的細胞壁中,其次是根的細胞質(zhì),包括線粒體、葉綠體、細胞核等細胞器;Cd處理下,以根的細胞質(zhì)中Cd含量最高,占整個幼苗的41.29%~49.49%,其次為根細胞壁部分,占總含量的17.88%~31.38%,而葉細胞器中含量最低,只占到總量的0.41%~1.76%,且隨外源Cd含量升高比例降低,60 mg/L Cd處理時,葉細胞器Cd比例降至最低。
1.3 重金屬離子的體外螯合和排斥機制
植物對重金屬離子的排斥性還表現(xiàn)在重金屬離子被植物吸收后又被排出體外。植物體內(nèi)存在多種金屬配位體,主要包括有機酸、氨基酸、植酸、植物螯合肽(PCs)和金屬硫蛋白(MTs)[20]。在重金屬脅迫條件下,植物同時分泌某些金屬結(jié)合蛋白和某些特殊的有機酸來螯合重金屬,降低植物周圍環(huán)境中有效態(tài)的重金屬離子含量,避免植物受害[21]。其中,研究較多的是有機酸、氨基酸和糖類等可溶性的有機小分子及高分子,以及不溶性的粘膠類物質(zhì)。例如,楊秀敏等[22]的研究表明,超積累植物可分泌金屬結(jié)合蛋白(類似于金屬硫蛋白或植物螯合肽),作為植物的離子載體,還可能分泌某些化合物,促進土壤中的金屬溶解。Lu等[23]的研究表明,秋茄在低濃度Cd脅迫下分泌有機酸,使秋茄根際周圍的重金屬離子的相對濃度降低,從而影響秋茄對Cd的吸收。Mench等[24]計算出了Cd與分泌物的絡(luò)合穩(wěn)定常數(shù)和最大吸附量,表明Cd可與根分泌物各組分形成配位化合物。植物可通過限制重金屬離子跨膜吸收,降低體內(nèi)重金屬離子的濃度。根的分泌物在金屬耐受性中的作用是有機酸和Al的解毒過程,如蕎麥從根部分泌草酸對Al脅迫的反應(yīng),并在葉中積累非毒性的Al-草酸鹽,從而在內(nèi)部和外部都發(fā)生解毒作用[25-30]。重金屬脅迫誘導(dǎo)下多種金屬可誘導(dǎo)植物體內(nèi)PCs的產(chǎn)生。王超等[31]用Cd處理的2種水生植物的體內(nèi)都合成PCs,且隨著Cd濃度的增加,水浮蓮根系產(chǎn)生明顯毒害效應(yīng),同時根系中的PCs大量合成。
1.4 重金屬離子的區(qū)域化機制
植物根系分泌物以及根系周圍的植物-微生物微系統(tǒng)均能防御重金屬離子進入。進入根系的重金屬離子首先被根部細胞壁及碳水化合物固定而束縛于果膠位點。張旭紅等[32]研究提出細胞壁可以通過“區(qū)隔機制”和“適應(yīng)機制”來減輕重金屬帶來的傷害,認為有些耐性品種細胞內(nèi)的重金屬離子可能被固定地存放在毒害位點,如細胞核、線粒體和較遠的不敏感“自由空間”, 如液泡,從而降低了重金屬在細胞內(nèi)的毒性。李妍[33]的研究表明,在鎘脅迫發(fā)生時,抗氧化酶系統(tǒng)沒有對小麥起到保護作用,而是細胞區(qū)隔化等因素起了主導(dǎo)作用。陳濤濤[34]認為,液泡在植物對抗重金屬、病蟲害和鹽脅迫等過程中起到非常重要的作用,這些功能的發(fā)揮,是依靠液泡內(nèi)載體蛋白的運載能力。在植株層面上,某些超富集重金屬植物不同器官可能存在區(qū)室作用。Singh等[35]研究發(fā)現(xiàn),As超富集植物蜈蚣草能將吸收的As貯存在羽葉中,莖部再將地下部的As轉(zhuǎn)移到羽葉過程中起著重要作用,它能形成一個羽葉吸收As的貯槽,在低As濃度時,主要將As轉(zhuǎn)移到幼葉中,在As濃度較高時,將As轉(zhuǎn)移到老葉中,從而能降低毒害的程度。因此,區(qū)域化可能是一種很有效的解毒途徑。
1.5 抗氧化系統(tǒng)防衛(wèi)機制
自由基含量的增高可能是重金屬脅迫導(dǎo)致植物生長發(fā)育受到傷害的主要原因之一[36]。重金屬脅迫與其他形式的氧化脅迫相似,能導(dǎo)致大量的活性氧自由基產(chǎn)生。同時,這種過氧化脅迫往往能刺激一些植物抗氧化防衛(wèi)能力的提高,且這些物質(zhì)能夠在一定范圍內(nèi)清除這些ROS,以保護細胞免受氧化脅迫的傷害。這些抗氧化物質(zhì)包括主要的細胞氧化還原物質(zhì)如VC、GSH,以及SOD、POD、APX等,在重金屬脅迫時進行響應(yīng),保護植物膜系統(tǒng),清除脅迫所產(chǎn)生的自由基,保護細胞免遭傷害[37]。黃輝等[38]研究認為,重金屬脅迫引起刺苦草抗氧化酶活性增加是植物抵抗氧化脅迫的重要保護機制[39]。研究人員認為菠菜、小白菜、茭白隨著重金屬處理濃度的增加,PAL、SOD、POD、NR活性均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,是因為受到外來重金屬脅迫時,抗氧化物能及時有效地通過SOD清除自由基,保護細胞免受氧化脅迫的危害,當脅迫性加劇遠遠超過正常的歧化能力時,細胞內(nèi)多種功能酶及膜系統(tǒng)遭到破壞,生理代謝紊亂[40-42]。單一的Cd、Pb處理后,大麥幼苗葉片中、油菜根內(nèi)脯氨酸含量增加幅度與重金屬濃度呈正相關(guān),高濃度的Cd、Pb復(fù)合處理后,植株不同部位脯氨酸含量均高于所有單一處理的[43,44]。不同濃度的Cd處理水稻幼苗時,隨著Cd濃度的增加,發(fā)現(xiàn)葉綠素和SOD活性下降,POD活性先上升后下降,細胞膜透性大幅度增大,是因為重金屬毒害可能最終破壞了水稻體內(nèi)的保護酶系統(tǒng)[45]。因此,當重金屬污染超過一定的閾值,保護酶活性不足以清除體內(nèi)自由基時,酶活性則迅速下降,從而產(chǎn)生植物毒害。
1.6 重金屬脅迫下熱激蛋白響應(yīng)機制
熱激蛋白(Heat shock proteins,HSPs)是受熱等因素刺激后而誘導(dǎo)產(chǎn)生的蛋白質(zhì),是一類可以調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)并且保護機體防止細胞損傷的蛋白質(zhì),在機體的應(yīng)激反應(yīng)中具有重要作用的熱休克蛋白。重金屬離子能引起植株產(chǎn)生熱激反應(yīng),產(chǎn)生熱休克蛋白[46-48]。目前已有較多關(guān)于植物響應(yīng)重金屬脅迫提高HSP表達的報道,熱脅迫和重金屬脅迫可以增加小麥中低分子量HSPs(16 220 kDa)的mRNAs水平[49];植物海石竹(Armeria maritima)生長在富含Cu的土壤中時,HSP17可在根中表達[50];對野生番茄進行細胞培養(yǎng)研究發(fā)現(xiàn),一種較大的HSP(HSP70)也能對Cd脅迫作出反應(yīng),抗體定位表明,HSP70存在于細胞核和細胞質(zhì)中,也存在于細胞膜上,說明HSP70可以保護細胞膜不受Cd破壞[51];水稻rHsp90基因在對酵母以及煙草在逆境環(huán)境中的生存發(fā)揮著重要的作用[52]。中國科學(xué)院遺傳發(fā)育生物研究所研究人員發(fā)現(xiàn)擬南芥的bHLH的3個轉(zhuǎn)錄因子參與了植物對Cd脅迫的響應(yīng),由于轉(zhuǎn)錄因子的互作表達,啟動了一些與重金屬區(qū)隔化的基因,將Cd隔化在根部,降低了地上部分的轉(zhuǎn)運。蔣昌華等[53]的試驗表明,重組菌株由于過表達RcHSP70提高了對重金屬脅迫的抗性。因此,在正常的蛋白質(zhì)折疊和組裝過程中HSPs作為分子伴侶,在逆境條件下也可以通過修復(fù)被脅迫傷害的蛋白質(zhì)而發(fā)揮作用。
1.7 植物基因組DNA甲基化變異對重金屬脅迫的響應(yīng)機制
DNA甲基化是一種共價化學(xué)修飾,在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下,將甲基從供體S-腺苷甲硫氨酸轉(zhuǎn)加到胞嘧啶上的一種化學(xué)修飾過程。近年來的研究證明,重金屬污染會對DNA甲基化水平造成影響,并且許多受甲基化變化誘導(dǎo)的基因與這些脅迫反應(yīng)有關(guān)。葛才林等[54]研究認為,重金屬對水稻和小麥葉片蛋白質(zhì)合成的抑制與重金屬引起的水稻和小麥葉片中DNA甲基化水平的提高相關(guān)。重金屬離子脅迫導(dǎo)致植物基因組DNA甲基化水平的上升有利于植物抵抗重金屬脅迫,防止DNA被內(nèi)切酶酶切和多拷貝轉(zhuǎn)座[55]。Cu2+、Hg2+和Cd2+脅迫導(dǎo)致小麥和水稻葉片DNA中5mC比例的升高,Cr可以誘導(dǎo)油菜(Brassica napus)基因組中DNA甲基化水平的上升[56,57]。Cd2+脅迫下的二倍體和四倍體油菜葉片基因組DNA中分別有22.7%和23.3%的CCGG位點發(fā)生了胞嘧啶甲基化,均分別高于二者未經(jīng)Cd處理的對照(20.3%和19.8%)[58]。另外,重金屬處理后,蘿卜、擬南芥、棉花的基因組DNA的甲基化水平呈現(xiàn)出相同的規(guī)律[59-61]。這些研究結(jié)果表明植物DNA甲基化修飾參與了環(huán)境脅迫下的基因表達調(diào)控過程。
2 植物修復(fù)土壤重金屬污染的類型
植物修復(fù)(Phytoremediation)是以植物忍耐、分解或超量積累某種或某些化學(xué)元素為基礎(chǔ),利用植物及其共存微生物體系來吸收、超量積累、降解、固定、揮發(fā)以及富集環(huán)境中的污染物,實現(xiàn)部分或完全修復(fù)土壤污染的一門原位治理技術(shù)[62]。植物去除土壤中重金屬的機理主要是依靠植物萃取作用、根系過濾作用、植物揮發(fā)作用和植物固定化作用[63]。根據(jù)修復(fù)植物在某一方面的修復(fù)功能和特點,將植物修復(fù)分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3種類型。
2.1 植物提取(Phytoextraction)
植物提取修復(fù)是目前研究最多,也最具發(fā)展前景的植物修復(fù)方式之一。由于酸洗可以促進重金屬氧化物或礦物成分溶解[64],孫蓀[65]提出用添加化學(xué)螯合劑來強化植物的提取效果。AM可通過加快植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運,強化植物修復(fù)[66]。通過向土壤中施加螯合劑,如EDTA、DTPA、EGTA、檸檬酸等活化土壤中的重金屬,增加重金屬的生物有效性,提高富集植物對重金屬的積累,促進植物的吸收,可能也是植物修復(fù)發(fā)展的一個新方向。Wang等[67]發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌與植物聯(lián)合培養(yǎng),其不僅能夠減輕重金屬對植物的毒害,還能有效地影響植物對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)化。利用土壤中富集的多種對重金屬具有抗性的細菌和真菌,來影響重金屬的毒性及重金屬的遷移和釋放,通過接種特殊微生物,利用叢枝菌根在重金屬土壤中與植物根系共生的特性,強化植物修復(fù)也是另一重要的研究方向。此外,Lebeau等[68]利用根際微生物通過金屬的氧化還原來改變土壤金屬的生物有效性,或者通過分泌生物表面活性劑、有機酸、氨基酸和酶等來提高根際環(huán)境中重金屬的生物有效性,也取得了一定的進展。
2.2 植物揮發(fā)(Phytovolatilization)
植物揮發(fā)是利用植物根系分泌物使土壤中的有機碳或無機重金屬如汞、硒轉(zhuǎn)化為揮發(fā)形態(tài),進而去除其污染[69]。目前這方面研究最多的是類金屬元素Hg和非金屬元素Se[70,71]。煦涵等[72]的研究認為,用含ACC脫氨酶的PGPR接種有助于減輕脅迫引起的乙烯產(chǎn)生,從而促進在脅迫條件下的植物生長和發(fā)育,進而減輕非生物脅迫對植物的影響,使植物可以更好地抵御重金屬的脅迫[73]。申榮艷等[74]在正常田間持水量的土壤中,加人淀粉和葡萄糖等碳源均一定程度地促進了真菌和細菌數(shù)量的增加,從而促進了土壤中PCBs(多氯聯(lián)苯)和OCPs(有機氯農(nóng)藥)的降解。
2.3 植物穩(wěn)定(Phytostabilization)
植物穩(wěn)定是通過吸收、分解、氧化、固定等過程,降低重金屬的流動性和生物可利用性,防止重金屬的滲漏和轉(zhuǎn)移,減少重金屬對植物的危害,在這一過程中,土壤中重金屬含量并不減少,只是存在形態(tài)發(fā)生了變化。通過大面積種植此類作物,可有效降低廢棄礦場和重金屬污染嚴重地區(qū)重金屬的危害[75]。這種技術(shù)的主要優(yōu)點是通過植物根部對重金屬的積累、吸附、沉淀來實現(xiàn)重金屬的固定,降低重金屬的移動性和生物有效性[76]。由于植物具有龐大的根系,在有坡度的地表,植物可以降低金屬污染顆粒的分散及減少污染物向地表及地下水的轉(zhuǎn)移[77]。植物穩(wěn)定技術(shù)是原位降低重金屬污染的有效途徑[78],也是一種經(jīng)濟、可持續(xù)的重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)。
另外,許超等[79]利用土壤中的微生物、植物、菌根真菌及其相互作用的根際和菌(絲)際環(huán)境來降解土壤中的污染物。這種方法克服了單獨微生物修復(fù)和植物修復(fù)污染土壤的不足,也是未來植物修復(fù)研究的一個方向。除發(fā)展上述幾種植物修復(fù)技術(shù)外,還有一些組合技術(shù),例如,植物-微生物修復(fù)、表面活性劑-植物修復(fù)等,這些技術(shù)都是將土壤淋洗法、生物學(xué)、基因技術(shù)、環(huán)境化學(xué)等與植物提取綜合應(yīng)用。
3 植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用及展望
盡管植物修復(fù)是一種新型的環(huán)保修復(fù)技術(shù),植物修復(fù)土壤重金屬和有機物污染具有明顯的優(yōu)點,但至今仍難以得到廣泛應(yīng)用,其主要原因在于植物修復(fù)重金屬土壤污染的機制研究緩慢、自身技術(shù)的不成熟以及修復(fù)后植株處理難等問題。因此,必須重視土壤質(zhì)量的管理和保護工作,從污染的源頭抓起,控制污染源,在有效地防止土壤污染的同時,還需要對相關(guān)的理論和技術(shù)進行研究,并實現(xiàn)關(guān)鍵性的突破。根據(jù)目前國內(nèi)外對植物修復(fù)技術(shù)研究的現(xiàn)狀,在今后的研究工作中可考慮從以下幾方面進行。
3.1 加快超積累植物的篩選評價
研究認為,不同植物對重金屬富集差異很大,如吊蘭、魚腥草和蜈蚣草對Cd具有極強的富集能力[80,81],蘆葦、白芒、東南景天、蒲公英和蜈蚣草對Pb和Zn有較好的富集能力[82]。不同作物對重金屬的吸收差異較大。一般來說,蔬菜富集重金屬能力較禾谷類強[83],水稻、玉米、高粱、小麥、大豆、豌豆等對重金屬的吸收能力小于蔬菜類[84]。同一作物的不同品種間對重金屬的富集差異顯著[85]。在高Cd處理條件下,水稻Cd高積累品種對Cd有較強的吸收和富集能力[86,87]。類似的研究結(jié)果還表現(xiàn)在煙草[88]、小白菜[89]等作物上。因此,尋找重金屬超積累植物,可通過調(diào)控其生境中的水、光、熱等自然因素和耕作方式、施肥措施等促進修復(fù)植物的生長,提高生物量和修復(fù)效率。
3.2 利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)進行種質(zhì)創(chuàng)新
隨著生命科學(xué)理論和分子生物學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,基因工程技術(shù)被認為是改良植物對重金屬耐性和富集能力的一條有效途徑,并成為強化植物修復(fù)領(lǐng)域最具有潛力的發(fā)展方向之一[90]。研究人員認為,基因工程技術(shù)將金屬螯合劑、金屬硫蛋白(MTs)、植物螯合肽(PCs)和重金屬轉(zhuǎn)運蛋白基因等轉(zhuǎn)入超積累植物,能有效增加植物對金屬的提取,從而提高植物修復(fù)的效率[91]。同時,可利用基因工程技術(shù)將超富集植物富集重金屬特性克隆到生物量較高的植物中去,從而產(chǎn)生符合人們需要的修復(fù)植物;或者加強研究植物富集重金屬機理,從而指導(dǎo)改良大生物量植物。
3.3 采用不同的種植方式
將超積累植物與作物間作,通過超積累植物對土壤重金屬的強吸聚作用來降低作物對重金屬的吸收,同時達到充分利用和修復(fù)污染農(nóng)田的目的。在受Cd污染的土壤上,將印度芥菜與苜蓿進行間作,苜蓿地上部Cd含量較單作降低了2.8%~48.3%[92]。將超富集植物東南景天與玉米、黑麥草、大豆混作后,顯著地降低了玉米和黑麥草對Cd和Zn的吸收能力[93]。湯文光等[94]研究了不同種植模式下稻田土壤重金屬Cd、Pb、Hg、As含量,晚稻植株重金屬的積累與分配,稻米品質(zhì)及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,與對照冬閑-雙季稻相比,黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻和馬鈴薯-雙季稻4種冬種模式對土壤重金屬含量表現(xiàn)出明顯差異,不同栽培模式對不同重金屬含量表現(xiàn)也不同。不同種植模式晚稻植株重金屬含量均為根>莖葉>糙米,冬種模式根重金屬含量均低于對照,且增加了稻米出糙率、整精米率、膠稠度和直鏈淀粉含量,降低了堊白粒率和堊白面積,增加了晚稻產(chǎn)量。因此,合理安排農(nóng)業(yè)種植模式,利用修復(fù)植物物種間相互作用,構(gòu)建一個穩(wěn)定的由喬、灌、草搭配而成的修復(fù)群落,能有效降低土壤中重金屬的含量。
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篇9
關(guān)鍵詞:邊坡生態(tài)環(huán)境生態(tài)防護灌木
在公路、鐵路、水利、礦山等基礎(chǔ)設(shè)施的施工過程中,原地貌植被的破壞不可避免,棄土、棄石、開挖等會給和諧的自然環(huán)境留下大量的邊坡。這些邊坡有的是巖質(zhì)邊坡,有的是土質(zhì)邊坡,或陡或平。根據(jù)恢復(fù)生態(tài)學(xué)原理,在排除環(huán)境干擾的條件下,土質(zhì)邊坡有自我修復(fù)、恢復(fù)的能力,但這是個漫長的過程,隨著環(huán)境的變化有很多不確定性,不能及時達到防護和綠化的效果。巖質(zhì)邊坡因缺乏植被生長的條件,更難于自我恢復(fù)[1]。鑒于此,只有借助人工才能加快其恢復(fù)過程。利用植被穩(wěn)定邊坡、改善生態(tài)環(huán)境在生態(tài)學(xué)上稱為邊坡生態(tài)防護。近10多年來,人們開發(fā)出了多種既能起到良好的邊坡防護作用,又能改善工程環(huán)境、體現(xiàn)自然環(huán)境美的邊坡植物防護新技術(shù)。它不同于以往的工程防護措施,能與傳統(tǒng)的坡面工程防護措施共同形成邊坡工程植物防護體系,以坡面長期穩(wěn)定為目的,以保護當?shù)刈匀恢参锶郝浣Y(jié)構(gòu)、恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)、防止水土流失、減輕管理工作量為宗旨,主要靠植物根系與土壤之間的附著力以及根系之間的相互纏繞來達到加固邊坡的目的。邊坡生態(tài)防護可以涵養(yǎng)水源、減少水土流失,還可以有效地凈化空氣、保護生態(tài)、美化環(huán)境,具有生態(tài)效益[2]。
邊坡生態(tài)防護的主體是植物,目前采用最多的是豆科、禾本科等草本植物[3],對灌木、喬木等木本植物研究較少,實踐中也不太成功,但木本植物在生態(tài)防護中有自己的優(yōu)勢。本文通過分析草本、木本植物在邊坡生態(tài)防護中的作用,著重研究灌木的應(yīng)用前景。
1生態(tài)防護的理論體系
生態(tài)防護的目標之一是使植物存活并正常生長。然而長期以來,人們僅把不良自然條件下樹或草坪的成活作為研究目的,并在栽培方面獲得了很大成功,形成了一系列在不同條件下的施工工藝或技術(shù),如植生帶、土工網(wǎng)、三維網(wǎng)、草袋、保水劑、生根粉等[4]?,F(xiàn)代生態(tài)防護工程則不能僅以植物存活為研究目的。大量的施工實踐證明,邊坡防護施工后,有的看似達到了生態(tài)防護的目的,表面上植被恢復(fù)了,水土流失也得到了一定的控制,但時間一長,由于植物之間的惡性競爭或外界環(huán)境不能滿足植物生態(tài)習(xí)性的要求,致使植物生長勢逐漸減弱,群落開始逆行演替,剛剛恢復(fù)植被覆蓋的土地又會退化為裸地,形成水土流失現(xiàn)象[5]。
為發(fā)揮植物持續(xù)永久的綜合生態(tài)功能,應(yīng)運用生態(tài)學(xué)原理構(gòu)建一個和諧有序、穩(wěn)定的植物群落,這一點非常重要,其關(guān)鍵是護坡植物的選擇。下面研究在不同的邊坡上制定物種配方應(yīng)遵循的原則。
1.1遵從植物生態(tài)習(xí)性,因地制宜
植物的生態(tài)習(xí)性是指植物生長對環(huán)境條件的要求,包括氣候生態(tài)條件、土壤生態(tài)條件、生物生態(tài)條件等。氣候生態(tài)條件(光照、濕度、溫度等)影響植物的生長繁殖,決定植物能否順利越冬、越夏;土壤生態(tài)條件(養(yǎng)分、肥力、結(jié)構(gòu)、pH值、鹽分等)與植物的生長密切相關(guān);生物生態(tài)條件關(guān)系著植物的生長發(fā)育。如果外界環(huán)境不能滿足植物的生態(tài)習(xí)性,植物生長就要受到阻礙甚至發(fā)生退化。因此,在選配植物時應(yīng)綜合考慮環(huán)境條件,因地制宜合理種植。
1.2保持物種多樣性,建立自然群落結(jié)構(gòu)
目前,學(xué)術(shù)界就物種多樣性在生態(tài)系統(tǒng)中的作用提出了很多假設(shè),如冗余種假設(shè)[6]、零假設(shè)、特異反應(yīng)假設(shè)、鉚釘假設(shè)等,對這個問題的看法還沒有完全一致的認識。多數(shù)生態(tài)學(xué)家認為,物種多樣性是群落穩(wěn)定的一個重要尺度,物種多樣性指數(shù)高的群落,物種之間往往形成比較復(fù)雜的關(guān)系,植物鏈或植物網(wǎng)更加趨于復(fù)雜,當面對來自外界環(huán)境的變化或群落內(nèi)部種群的波動時,群落有一個較強的反饋系統(tǒng),可以緩沖干擾。當某一物種發(fā)生病蟲害時,不可能侵染所有的物種,即病蟲害不易傳播。植物的自然群落結(jié)構(gòu)是草、灌、喬三位一體的多層次的復(fù)雜結(jié)構(gòu),物種多樣性指數(shù)高,在一般的情況下抗外界干擾的能力強,即使群落中一種或幾種植物受到病蟲害的危害而死亡,其他的植物也會填補其留下的空白。
1.3遵從生態(tài)位原則,優(yōu)化植物配置
基于物種多樣性的考慮,在利用植物進行邊坡防護時采用的植物種類較多,這就要求擬定一個合理的配方,因自然群落中的物種、種群不是偶然的組合,而是生態(tài)上的協(xié)調(diào)與組合[7]。綠化植物的選配除了要考慮它們的生態(tài)習(xí)性外,實際上還取決于生態(tài)位的配置,這是生態(tài)防護工作關(guān)鍵的一步,它直接關(guān)系到系統(tǒng)生態(tài)功能的發(fā)揮和景觀價值的提高。因此,在選配植物時,應(yīng)充分考慮植物在群落中的生態(tài)位特征,從空間、時間和資源生態(tài)位上的分異來合理選配植物種類,使所選擇植物生態(tài)位盡量錯開,從而避免種間的直接競爭[8]。
1.4遵從互惠共生的原理,協(xié)同植物之間的關(guān)系
在植物生長發(fā)育過程中,根系作為植物和土壤的重要界面,不僅是重要的吸收和代謝器官,而且是重要的分泌器官[9]。它一方面從生長介質(zhì)中攝取養(yǎng)分和水分,另一方面也向生長介質(zhì)中分泌離子和大量的有機物質(zhì)。當一些植物的分泌物對另一些植物的生長發(fā)育有利時,他們互惠共生,相互促進生長,如皂莢與七里香在一起生長時,互相都有促進作用;當一些植物的分泌物對其他植物的生長發(fā)育不利時,就會影響其生長。群落中植物的分泌物對其他植物的生長發(fā)育有很大的影響,在選配植物種時應(yīng)高度重視。
2生態(tài)防護的現(xiàn)狀
目前,在生態(tài)防護中草坪應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)草種對氣候的適應(yīng)性,可將草種分為冷季型草種(早熟禾屬、羊茅屬、黑麥草屬、胡枝子屬、苔草屬、三葉草屬、百脈根屬等)、暖季型草種(狗牙根屬、狼尾草屬、地毯草屬、鈍葉草屬、假儉草屬、馬蹄金屬、畫眉草屬等)、過渡型草種(野牛草屬、結(jié)縷草屬等)。在邊坡防護工程中大都選擇一些根系發(fā)達、固土能力強的草種,如早熟禾、黑麥草、羊茅草、狗牙根、假儉草、鈍葉草、馬蹄金等[10],然后采用合理的施工技術(shù)播種,并精心呵護以保證一定的成活率。早期,種子發(fā)芽率高、出芽整齊,如黑麥草,播種7天后,發(fā)芽率可達90%以上,1個月后,原來的邊坡就披上了綠裝。表面上看,植被恢復(fù)了,水土流失得到了控制,生態(tài)環(huán)境得到了改善,但這種好景不長,短則一年半載,長則2~3年就會發(fā)生衰退現(xiàn)象。如華南地區(qū)引進的多年生黑麥草,不耐高溫、不能越夏,在夏天很快就消失,不能完成世代交替[11],但麥草在初期生長非常旺盛,有競爭優(yōu)勢。為達到四季常青的效果,在護坡工程中還常常采取冷季型草與暖季型草混播的措施,但因暖季型草在冬天枯萎后常阻礙冷季型草的發(fā)芽、繁殖,冷季型草在夏天又阻礙暖季型草的發(fā)芽、繁殖,還是很難達到四季長青的效果。究其原因,我們認為這種生態(tài)防護工程旨在利用人工的方法加快植被恢復(fù)過程,往往違背了自然演替規(guī)律,在選配植物時,大多只考慮單個物種的生態(tài)習(xí)性,欠考慮物種間的競爭關(guān)系,忽略了物種多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能的貢獻。另外,草本植物在水土保持功能上也有一定的缺憾:一是根系較淺,固坡護坡效果較差;二是群落易發(fā)生衰退,二次恢復(fù)很困難;三是管理費用高;四是外來種的大量采用,對生態(tài)安全有很大風(fēng)險。
3灌木在生態(tài)護坡中的作用
我國的邊坡坡度一般為45°,有的甚至達到60°以上,單純用草本植物雖然覆蓋度大、美觀,初期植被均勻整齊,但防護效果不太理想,而栽植喬木又會提高坡面負載,在風(fēng)力作用下極易造成坡面的不穩(wěn)定或坍塌。隨著實踐經(jīng)驗的提高,人們逐漸認識到灌木綠化具有的優(yōu)勢。灌木不僅具有良好的抗旱、保水、保土、防風(fēng)沙、降塵土、抗鹽堿等優(yōu)點,而且生長快、耐貧瘠、對土壤環(huán)境要求不高,和草本植物相比,優(yōu)勢相當明顯:一是灌木類木本植物根系的先端部位能向土壤母質(zhì)內(nèi)部延伸,在吸取其營養(yǎng)的同時固持風(fēng)化土層,增強邊坡的穩(wěn)定性。二是維護管理作業(yè)量小,灌木對水、肥的需求少,適應(yīng)性強。三是對小氣候的改善作用明顯,能緩和陽光的熱輻射,使酷熱的天氣降溫、失燥,給人以舒適的感覺。同時由于灌木的生物量比草本植物大,進行光合作用吸收的二氧化碳多,吸滯煙灰粉塵,稀釋、分解、吸收和固定大氣中的有毒有害物質(zhì)也較多,能更好地凈化空氣。但單一的灌木群落也易產(chǎn)生表土侵蝕,對初期的水土保持不利。因此,在邊坡防護過程中,植物種的選擇以草本植物與灌木配合為宜,二者結(jié)合,可起到快速持久的護坡效果,有利于生態(tài)系統(tǒng)的正向演替。
但采用草本植物種子和灌木種子混合播種時,有時會不盡如人意,常常形成稀樹草原的格局,這是因為草本植物一般發(fā)芽早、成坪快,往往扼殺剛剛發(fā)芽的灌木幼苗。所以在當今的綠化施工過程中,一般先種植生長速度快、成坪快的先鋒草本植物[12],以達到快速恢復(fù)植被,控制早期水土流失的目的,然后因地制宜栽植灌木。
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篇10
關(guān)鍵詞:固化劑;重金屬污染底泥;固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)
中圖分類號 X52 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731(2016)13-0097-05
重金屬是指相對密度在4.5g/cm3以上,或比重大于5的金屬。與有機物不同,重金屬無法被微生物降解,且能夠富集在生物體內(nèi),因此重金屬污染物潛在危害性大。由泥沙、黏土、有機質(zhì)及各種礦物混合形成的底泥,經(jīng)過一系列物理化學(xué)、生物、水體傳輸?shù)茸饔枚练e于水體底部形成。重金屬一旦進入水體,可通過吸附、絡(luò)合、沉淀等作用,富集在河床表層底泥中,其在底泥中的含量可超過上覆水體含量數(shù)個數(shù)量級,成為水體重金屬的儲存庫和歸宿[1]。當環(huán)境條件變化時,部分重金屬可能會通過解吸、溶解、氧化還原等作用,從底泥中釋放,引起水體二次污染[2]。底泥中重金屬的不斷積累不僅對水生生物、沿河居民飲用水和農(nóng)田安全灌溉構(gòu)成嚴重威脅,還可能通過食物鏈危害人體健康。因此,對重金屬污染底泥安全處置顯得尤為必要。
當前國內(nèi)外對于底泥中污染物的修復(fù)方法主要有4種,分別是原位固定、原位處理、異位固定和異位處理[3]。原位固定或處理是指對污染的底泥不進行疏浚而直接采用固化/穩(wěn)定化或者生物降解等手段消除底泥污染的行為;異位固定或處理是指將污染的底泥疏浚后再進行處理,消除污染物對水體的危害的行為。原位處理的效率一般情況下低于異位處理的效率,且工藝過程控制較困難,不能徹底消除其毒性,所以原位處理技術(shù)并未在實際工程中廣泛應(yīng)用[4]。
固化主要是指向土壤或底泥中添加固化劑而形成石塊狀固體,并將污染物轉(zhuǎn)化為不易溶解、遷移能力弱和毒性小的狀態(tài)的過程[5];或投加固化劑使底泥由顆粒狀或者流體狀變?yōu)槟軡M足一定工程特性(如路基填料)的緊密固體,并將重金屬包裹在固化體中,減少重金屬向外界的遷移[6];穩(wěn)定化是指在底泥中投加螯合劑使重金屬由不穩(wěn)定態(tài)(水溶態(tài)、離子交換態(tài))轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定態(tài)(殘渣態(tài)),顯著降低重金屬的生物活性[7]。利用固化/穩(wěn)定化技術(shù)處理重金屬污染底泥,是現(xiàn)階段比較合理的處理方式[8-9]。本文將從當前我國底泥重金屬污染現(xiàn)狀及固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)發(fā)展進行綜述,為底泥重金屬污染綜合治理與修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
1 我國底泥重金屬污染現(xiàn)狀
1.1 底泥重金屬污染物的來源 底泥中重金屬的來源包括自然源和人為源2個方面。自然源中,成土母質(zhì)及成土過程對底泥中重金屬的含量影響較大;而人為源則是底泥中重金屬的最重要來源。重金屬通過各類廢水、土壤沖刷、地表徑流、大氣降塵、大氣降水及農(nóng)藥施用等途徑進入水體后[10],通過復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物和沉積過程在底泥中逐漸富集。
1.1.1 各類廢水 工業(yè)廢水和城市生活污水是造成底泥重金屬污染的重要原因。通常,河流沿岸分布著大大小小的企業(yè),如印染廠、制衣廠、皮革廠等等。一方面,一些未經(jīng)(充分)處理的廢水直接進入水體;另一方面,盡管一些廢水重金屬污染物濃度未超標,但由于廢水排放量巨大,使得水體和底泥吸納了大量污染物,呈現(xiàn)緩慢污染的現(xiàn)象。同時,很多地方的生活污水沒有連接到排污管網(wǎng)而直接排放入水體,當進入水體的污染物數(shù)量超過了水體的自凈能力,導(dǎo)致水體質(zhì)量下降和惡化,進而造成水體和底泥的污染。
1.1.2 固體廢棄物 靠近城鎮(zhèn)的河流周邊經(jīng)常隨意堆放大量的建筑垃圾、生活垃圾,自然降水(尤其是酸雨)和排水使固體廢棄物中所含的重金屬元素以廢棄堆為中心向四周環(huán)境擴散,進入水體,被底泥富集。另外,大型工礦企業(yè)的礦渣場(如馇、鋼渣等)、灰渣場、粉煤灰場等,在雨水和地表徑流的沖刷下,重金屬會通過地表徑流進入附近水體底泥中。
1.1.3 土壤沖刷 2014年國家環(huán)境保護部和國土資源部的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示,我國耕地質(zhì)量堪憂,Cd成為首要污染物(點位超標率7.0%),其含量呈從西北到東南、從東北到西南逐漸增加的趨勢。2015年《中國耕地地球化學(xué)報告》顯示,我國污染或超標耕地約0.076億hm2,主要分布在湘鄂贛皖區(qū)、閩粵瓊區(qū)和西南區(qū)。土壤中的重金屬可通過降雨、地表徑流等方式轉(zhuǎn)移到底泥中。如磷肥中重金屬Cd的含量較高,長期施用磷肥,會造成土壤中重金屬Cd含量增大;規(guī)?;B(yǎng)殖場使用的有機肥料中大都含有重金屬添加劑(如Zn、Cu等),這些有機肥料在農(nóng)田施用時,會導(dǎo)致Zn、Cu等重金屬元素含量增加。
1.1.4 大氣沉降 交通運輸、能源產(chǎn)業(yè)(發(fā)電廠)、冶金和建筑材料生產(chǎn)產(chǎn)生的氣體和粉塵,金屬礦山的開采和冶煉、電鍍等是大氣中重金屬污染物的主要來源。這類污染源中的重金屬基本上是以氣溶膠的形態(tài)進入大氣中,通過干沉降(主要是顆粒物)或濕沉降(主要是雨水)的方式進入水體、土壤,進而沉積到底泥中并最終影響人類健康[11-12]。
1.2 底泥重金屬污染現(xiàn)狀 滑麗萍等[13]通過搜集我國不同區(qū)域湖泊底泥重金屬含量背景值發(fā)現(xiàn),我國湖泊底泥重金屬污染程度不均,臨近工礦企業(yè)及人類經(jīng)濟活動區(qū)的湖泊底泥重金屬污染較重,遠離這些區(qū)域的湖泊則保持比較潔凈的水體環(huán)境。張穎等[14]采用潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分析法對松花江全江段表層沉積物調(diào)查發(fā)現(xiàn),松花江表層沉積物中重金屬Hg和As的空間分布離散性較大,Cd和Pb相對較均勻,整體上松花江重金屬污染處于低度風(fēng)險水平,僅個別斷面處于中度風(fēng)險水平。戴秀麗等[15]通過對太湖沉積物重金屬含量的分析發(fā)現(xiàn),太湖Cu的污染級別高于其他污染金屬,且集中在太湖北部地區(qū);Cr屬輕度污染,但其空間分布較廣且均衡,與周邊污染點源關(guān)系密切。李鳴等[16]通過測定鄱陽湖湖區(qū)、入湖口及出湖口水體及底泥中重金屬含量發(fā)現(xiàn),鄱陽湖水體中重金屬含量較低(遠低于國家標準),但鄱陽湖底泥中重金屬積累較嚴重,Zn、Cu、Pb、Cd的含量均超過背景值。張鑫等[17]對安徽銅陵礦區(qū)水系沉積物中重金屬進行潛在生態(tài)危害評價表明,沉積物中Cu、Pb和Zn的含量變化大,Hg和Cr變化小,除Hg、Cr和Zn外,其他重金屬都為強和極強生態(tài)危害。
2 固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)
底泥重金屬污染按修復(fù)原理可分為物理、化學(xué)、生物及聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。由于目前尚缺乏經(jīng)濟高效的手段將重金屬從底泥中直接去除,因此,通過化學(xué)手段降低重金屬活性,減小污染物向食物鏈的遷移是進行底泥重金屬污染修復(fù)的重要方法。固化/穩(wěn)定化的目的是封閉污染物,最大程度地減少污染物釋放到環(huán)境中,同時提高廢物的物理力學(xué)性質(zhì)。相比于微生物和植物修復(fù)的低效率、長周期以及物理修復(fù)高成本的缺點,固化/穩(wěn)定化技術(shù)具有操作簡單、成本低、效率高等優(yōu)點。
固化劑的選擇是重金屬固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵,固化/穩(wěn)定化所用的惰性材料稱為固化劑[18],常用的固化劑類型為無機固化劑、有機固化劑和復(fù)配固化劑。無機固化劑主要有磷礦石、磷酸氫鈣、羥基磷灰石等磷酸鹽類物質(zhì)以及硅藻土、膨潤土、天然沸石等礦物;有機固化劑主要有草炭、農(nóng)家肥、綠肥等有機肥料[27]。固化材料有水泥、粉煤灰、石灰和石膏粉等。
水泥固化主要產(chǎn)生起膠結(jié)作用的水化硅酸鈣;粉煤灰與水泥混合使用產(chǎn)生水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣;粉煤灰主要起充填作用;石灰固化產(chǎn)生碳酸鈣,具有一定的脫水作用;石膏固化產(chǎn)生鈣礬石,具有充填作用[20],具體如表1。
2.2 磷酸鹽類固化劑 羥基磷灰石和磷酸氫鈣等磷酸鹽類固化劑效果好、性價比較高,磷酸鹽將重金屬元素吸附在其表面或與重金屬發(fā)生反應(yīng)生成沉淀或礦物[19]。陳世寶[21]等為了研究含磷化合物對固化/穩(wěn)定化土壤中有效態(tài)鉛的影響,向重金屬污染的土壤中施加了不同性質(zhì)的含磷化合物,結(jié)果表明,在重金屬污染的土壤中加入羥基磷灰石、磷酸氫鈣和磷礦粉能明顯降低土壤表層的有效態(tài)鉛含量,并且發(fā)現(xiàn)有效態(tài)鉛的含量隨施入的磷含量的增加而顯著降低。
2.3 含鐵類固化劑 一些研究表明,針鐵礦、鐵砂FeSO4、Fe2(SO4)3、FeCl3和石灰對As有良好的固定作用[25-27]。在堿性和氧化條件下,鐵主要以Fe3+存在,水解生成Fe(OH)3。Fe(OH)3既能吸附不穩(wěn)定擴散狀態(tài)的膠體,起到水質(zhì)凈化的作用,又可以利用其自身帶有正電荷的特性,強烈地吸附磷,降低底泥磷的釋放。此外,F(xiàn)e(OH)3還能與磷反應(yīng)生成磷酸鐵以及絡(luò)合物(FeOOH-PO4)的形態(tài)而去除磷[28]。但含鐵類固化劑的處理效果容易受氧化還原電位和pH值的影響,通常都需結(jié)合其他的輔助措施[5]。近年來出現(xiàn)的復(fù)合鐵鹽與高分子聚合鐵鹽,如復(fù)合亞鐵、聚硫酸鐵等被逐漸應(yīng)用于重金屬污染底泥的固化處理中且效果較好[29]。
2.4 鋁鹽類 作為底泥固化/穩(wěn)定化應(yīng)用最早和最廣泛的鋁鹽,主要有硫酸鋁(明礬)、氯化鋁和聚合氯化鋁等,其水解后形成的A1(OH)3絮狀體,既能去除水體中的顆粒物并吸附底泥中溶出的磷[5],又可以吸附水體中的重金屬離子,如鉻、銅、鉛、鋅等[30]。鋁鹽用于底泥鈍化效果較穩(wěn)定,不受氧化還原電位影響,成本低,且有效時間長。如在美國佛蒙特州的Morey lake,投加鋁酸鈉和明礬來控制底泥磷的釋放,5年后該湖上層水體總磷濃度由20~30μg/L下降至10μg/L以下[31]。
2.5 天然礦物類固化劑 海泡石、沸石等天然礦物材料,顆粒小、比表面積大,礦物表面富集負電荷,具有較強的離子交換能力和吸附性。章萍等[32]向蘇州河的污染底泥中加入了膨潤土,結(jié)果表明,鈣基膨潤土對銅、鉛和鋅均具有較大的吸附性能,且溶液pH值升高時,對這3種重金屬的吸附效果增強。
2.6 有機物料 農(nóng)家肥一類的有機質(zhì)用于固化/穩(wěn)定化底泥中的重金屬,作用機理主要是含有的胡敏素和胡敏酸等能夠與底泥中的重金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用,形成難溶物,以此降低重金屬毒性及生物可利用性[19]。華珞[33]等向重金屬污染的土壤中施加了豬廄肥進行固化/穩(wěn)定化研究,結(jié)果顯示,施入豬廄肥可以使土壤中的碳酸鹽態(tài)鋅和有效態(tài)鋅的含量升高,而鐵猛氧化物結(jié)合態(tài)鎘、有效態(tài)鎘及鐵猛氧化物結(jié)合態(tài)鋅的含量降低。Houben等[34]向重金屬污染底泥中施加有機肥后,可交換態(tài)的鉛、鎘和鋅的含量均有大幅度的減少,固化/穩(wěn)定化效果明顯。
2.7 復(fù)配固化劑 底泥和土壤中重金屬污染多為復(fù)合污染,多種重金屬之間有相互作用,且不同固化劑對不同重金屬的固化效果存在差異?,F(xiàn)階段,通常將多種固化劑復(fù)配后再使用,以此達到對多種重金屬污染高效修復(fù)的效果[19]。曾卉[22]等用海泡石、膨潤土、硅藻土、沸石分別與石灰石以不同的質(zhì)量比進行復(fù)配,對重金屬污染的底泥進行固化試驗,結(jié)果表明,石灰石與硅藻土以質(zhì)量比2∶1復(fù)配時固化效果最好。
3 展望
近年來,水體污染治理力度不斷加大,2015年2月《水污染防治行動計劃》的頒布后,與水體水質(zhì)密切相關(guān)的底泥重金屬污染的治理也越來越得到人們的關(guān)注。2016年3月17日,中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要提出開展66.67萬hm2受污染耕地治理修復(fù)和266.67萬hm2受污染耕地風(fēng)險管控,深入推進以湘江流域為重點的重金屬污染綜合治理。這些條例和規(guī)劃綱要的,都有助于我國大氣、土壤和水體環(huán)境質(zhì)量的改善。因此,當前底泥重金屬污染治理重要的是進一步減少進入水體和底泥的污染物,達到“控源”目的,以及針對歷史遺留的重度污染底泥區(qū)進行修復(fù)和治理,減少底泥污染物的總量,實現(xiàn)“減存”目標。
然而,當前能夠?qū)崿F(xiàn)底泥污染物“減存”的方法成本高,操作復(fù)雜,少有推廣應(yīng)用。更多的是采用固化方法,降低污染物的活性,減少污染物對其他生物的毒性,且目前已經(jīng)有一些實際應(yīng)用案例。如1996年長春南湖湖區(qū)內(nèi)用硫酸鋁鈍化底泥,顯著增加了底泥中可溶性磷酸鹽的去除率[35]。2006年,為了解決香港城門河水質(zhì)惡臭問題,特區(qū)政府按照“生化處理為主,疏浚為輔”的原則,疏浚底泥29×104m3,采用投加硝酸鈣原位鈍化方法從根本上治理城門河淤泥,改善了城門河的生態(tài)環(huán)境[36]。
盡管如此,固化方法當前還存在很多不足。首先,對于固化劑材料本身,需要滿足高效、不產(chǎn)生二次污染、低成本且操作便捷;其次,由于底泥性質(zhì)差異大,對于多種重金屬復(fù)合污染,既要考慮到重金屬之間的相互作用,又要考慮到不同固化劑所針對不同重金屬的固化效果的不同(如能夠較好固定Cu、Cd、Pb的堿性固化劑,往往會增加As的活性),將多種固化劑復(fù)配之后使用,以達到高效修復(fù)的效果。
當前已經(jīng)有不少學(xué)者在重金屬底泥固化方面進行了大量的研究,但在實際的底泥固化中,仍存在固化效率不穩(wěn)定、底泥固化速率差異大等現(xiàn)象,尤其是酸雨的作用可能會導(dǎo)致固化后底泥污染物的二次釋放,可能會危害水生生物生存,甚至導(dǎo)致魚類死亡。關(guān)于底泥固化修復(fù)技術(shù)的實施,國內(nèi)還缺少自主生產(chǎn)的機械設(shè)備,如固化劑造粒設(shè)備、機械化投加固化劑設(shè)備等),需要加強研發(fā),降低修復(fù)工程中對施工人員的健康的危害,提高可操作性。
因此,今后的一段時間內(nèi),在固化劑產(chǎn)品的研發(fā)上,要加強復(fù)合固化劑的研發(fā)力度,研發(fā)出高效、綠色、低成本、效果持久的新產(chǎn)品。同時,要加強固化機理的研究,明確固化劑產(chǎn)品的最佳投加環(huán)境條件,加強對固化修復(fù)技術(shù)裝備的研發(fā)投入,降低對國外機械的依賴程度。最后,結(jié)合國內(nèi)底泥重金屬污染形勢(如湖南湘江流域、廣西環(huán)江流域、江西鄱陽湖流域),適當選取部分嚴重污染區(qū),開展重金屬污染底泥的固化修復(fù)示范試點,總結(jié)好的經(jīng)驗,進行更大范圍的推廣示范。
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