污染的土地如何做生态修复?
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作者: | 来源: 生态修复网|时间: 2020-07-23|关键词:生态修复

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一、废弃土地的成因和主要类型

(一)废弃土地的成因辨析

废弃土地,又称废弃地,是指因采矿、工业和建设活动挖损、塌陷、压占(生活垃圾和建筑废料压占)、污染及自然灾害毁损等原因而造成的不能被直接利用或严重功能退化的土地。据相关文献,截至目前,我国至少有1000万公顷因生产建设活动和自然灾害损毁的土地尚待复垦,且每年新增废弃地超过25万公顷(夏珺,2006;中华人民共和国环境保护部,2017)。国外文献中的废弃地,主要指棕地,除法国之外,大多数国家仅限于城市区域的空置、废弃、被污染的土地,包括被毁坏的工业用地、旧的商业建筑以及其他产业用地,突出污染的土地。可见,中国废弃地的内涵比国外的棕地概念要广泛很多。废弃地的概念与闲置土地不同,后者是指土地使用者依法取得土地使用权后,未经原批准用地的人民政府同意,超过规定期限未动工开发建设的建设用地。在农村土地闲置主要有两种表现形式:一种是指抛荒,既某块农田已经闲置半年以上而未得到利用;另一种是农村宅基地的空置。废弃地的成因主要包括以下两方面(赵文廷等,2018;张丽芳等,2010):

1)自然成因的废弃地。主要指地质灾害、洪涝、干旱等自然因素所损毁或功能严重退化的土地,包括崩塌型废弃地、滑坡型废弃地、泥石流型废弃地、流水型废弃地、地裂缝型废弃地、地面塌陷型废弃地、地面沉降型废弃地、火山型废弃地、盐渍化型废弃地、洪涝型废弃地、干旱型废弃地、冰川型废弃地、冻害型废弃地、地球化学型废弃地、地球物理型废弃地等。

2)人工成因的废弃地。是指由人类活动(包括生产、生活和各类工程建设)而损毁、抛弃或功能严重退化的土地,按活动结果划分为挖损型废弃地、人工堆积型废弃地、污染型废弃地、建设型废弃地和抛弃型废弃地。后者如农村长期闲置而不再居住的宅基地等。

(二)废弃土地的主要类型

鉴于中国现阶段的土地问题是资源的硬瓶颈约束,加强内涵挖潜是缓解土地资源供需矛盾的重要途径和方式,从这一角度看,废弃地主要有以下4种类型:

1)矿山废弃地。它是指在采矿活动中被破坏、未经治理而无法使用的土地。滞留土地由于受采矿活动的剧烈扰动,不但丧失天然表土肥力,而且还经常有持久而严重的污染问题。矿山开采造成的占用或破坏土地的情况主要有:露天开采挖损土地、尾矿场、废石场(排土场)压占土地,矿山的工业建筑、民用建筑和道路等占用土地。据统计,全国因采矿累计占用土地约586万公顷,破坏土地157万公顷,且每年仍以4万公顷的速度递增(周连碧等,2010)。根据矿山类型不同,矿山废弃地主要有以下类型:①煤矿废弃地。排土场、沉陷区、煤矸石堆放场、开采坑、道路等。②金属矿区废弃地。尾矿库、低品位废弃矿石的堆放场、开采坑等。③非金属矿废弃地。贫瘠废弃场地、道路砖瓦厂等取土后的场地等。

2)污染废弃地。它是指因受到采矿或工业废弃物或农用化学物质等侵蚀、污染而废弃的土地。主要有重金属污染废弃地、有机物污染废弃地和固废物污染废弃地等3种类型,可见本章上一节详述。

3)灾害废弃地。它是指应受自然灾害影响而废弃的土地。主要有:①气象灾害废弃地。如干旱、暴雨、洪涝、台风等造成的废弃地。②地质灾害废弃地。如地震、滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地裂缝等造成的废弃地。③海洋灾害废弃地。如风暴潮、海啸、海浪、海冰、赤潮等造成的废弃地。④生物灾害废弃地。如病害、虫害、草害、鼠害等,森林火灾和草原火灾也属广义的生物灾害。

4)空置废弃地。它是指不动产长期空置而不主动使用的废弃地,主要可以分为城市空置废弃地和乡村空置废弃地。对于大量空置而准备出租的土地,是一种空置地,暂不宜列入空置废弃地,通常也不存在生态修复的问题。由于城镇化的发展、宅基地制度本身的设计和运行缺陷、监管的不到位与传统文化的影响等因素,造成大量的农村宅基地和房屋闲置,并且已经形成相当的规模和比例。这种大量闲置的宅基地和房屋对中国耕地的有效保护粮食安全的实现和农村社会的稳定都造成了一定的危害,是现阶段中国空置废弃地的主要类型。根据中国科学院2013年的估算,全国宅基地总共约有2.7亿亩,而空置的约有1.14亿亩,几乎占到了四成。

在上述主要废弃地的类型中,矿山废弃地的生态修复在本书第三章中已有专门阐述,污染废弃地的生态修复在本书第五章第四节中也有专门阐述,城市中大部分工业废弃地的生态修复也主要属于污染废弃地的生态修复范畴,因此本章下文主要讨论灾害损毁废弃地和农村废弃宅基地的生态修复问题。


二、灾害毁损废弃地的生态修复

(一)灾害毁损废弃地的修复方法

中国是一个自然灾害类型最多和自然灾害频发的国家,主要有气象灾害、海洋灾害、洪水灾害、地质灾害、地震灾害、农作物生物灾害、森林生物灾害、森林火灾等8类。根据国家统计局数据显示:从1978~2016年,平均每年农作物受灾面积达4275万公顷,最低年份为2177万公顷,最高年份达5547万公顷(图5-1)。对于灾害毁损废弃地的生态修复,主要采取工程修复方法。该方法的主要目的是对废弃地的地形、地貌和土壤本底进行恢复,建立有利于植物生长的表层和深耕层,核心是土壤建造。

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图5-1 中国历年农作物受灾面积统计图

灾害毁损废弃地的土壤建造即建造土壤,它是以土壤学、生态学和工程学等学科理论为基础,采取适当的土地整理施工工艺,并应用物理、化学或生态措施,对损毁废弃地建造一个更加适宜的土壤剖面和综合土壤肥力因素,在较短的时间内改善土壤的内部结构和环境质量,恢复并提高土壤的质量水平。土壤建造的目的是快速培肥土壤,消除土壤障碍因素,改善土壤环境质量,提高土壤的生产能力。因此,土壤建造首先必须明确以土壤学原理为基础,包括土壤发生学、土壤形态学、土壤物理学、土壤化学、土壤生物学等理论基础。此外,土壤建造还涉及生态学、地质学、水文学、地貌学、农学、林学、工程学、经济学、管理学、环境学、地球化学、微生物学等相关学科的相关内容。

(二)土壤剖面建造的技术和工艺

1.土壤剖面建造的技术要点

不同土壤具有各自特有的剖面结构和诊断层次,表现出不同的物理性状和化学特性,使土壤具有不同的肥力水平、适宜性和生产力,是土地质量的决定性因素之一。例如有效土层厚度,对于多年生作物来说,最佳土层厚度为150厘米以上,临界厚度约为75厘米;块根类作物的最佳土层厚度为75厘米以上,临界值为50厘米左右;谷类作物要求较低,最佳土层厚度为50厘米以上,临界值为25厘米。

土壤剖面建造,就是指采用合理科学的农地整理工艺和剥离、堆垫、贮存、回填等建造工艺,构造一个适宜土壤剖面发育和植物生长的土壤剖面层次、土壤介质和土壤物理化学环境。它是土壤建造的核心内容,也是最为基础和关键的环节。只有建造一个土壤肥力因素发展的土壤剖面,才有可能以较小的投入在较短的时间内进一步有效地改良土壤,提高土壤质量,达到土壤建造的目的和效果。也只有建造一个适宜的土壤构造、土壤垒结、土壤结构、土壤组成等土壤基础物理环境,才能逐渐形成良好的、适合作物生长的微生物繁殖的水分、养分、通气、热量等土壤肥力特性。因此,土壤剖面建造是构成土壤建造成败与效益高低的关键,也是土壤建造最主要的任务之一。

土壤剖面建造在热力学上是一个不可逆过程。换句话说,当一种土壤剖面建造好以后,若发现其并不适宜农业耕作而需要重新建造土壤剖面时,土壤内部或环境必发生性质变化,这种变化通常是要付出代价的。因此,必须要进行认真的调查研究,按照科学的方法和程序,才能建造良好的土壤剖面。经作者团队的研究认为,土壤剖面建造必须把握好以下技术要点:

1)土壤剖面建造必须综合考虑区域各成土因素对重建土壤发育过程的影响,不仅要求不能有影响植物生长发育的障碍层次,也不能有潜在的能形成障碍因素的层次存在。

2)土壤剖面和地质剖面是密切联系的,地质剖面是土壤剖面的依托。在土地整理过程中,如果土壤剖面和地质剖面均受到扰动,则土壤剖面建造不仅仅是地表土壤层次的建造,还必须涉及地质剖面的重建和地貌景观的重塑,以保持景观的稳定性,防止地质灾害的发生。

3)土壤剖面中的各个层次,如水田土壤中的耕作层、犁底层、心土层和底土层,是一个完整的序列和统一体,有其客观规律性和严格的内在联系性。例如稻田犁底层的适度发育,既有利于稻田托水保肥,又有利于土体内正常的物质更新。在土壤剖面建造过程中,应尽量保持原有良性土壤剖面的有机组合和整体性。

4)复土的厚度必须满足农作物生长所要求具有的土层厚度。若复土场地原为不易透水的土质基层,复土厚度一般为0.5~1.0米;若复土场地原为岩石的基层,复土厚度一般为1.0~1.5米。在我国的南方地区,复土厚度小于1.0米,土层较薄,不易保持水分,抗旱能力很低。种植小麦所需的复土厚度保持1.2米左右比较适宜。

5)为了使新整理的农田获得高产,必须在底土上铺敷足够数量的耕作土壤(熟土)。土地整理过程中,如果能保存原有耕地上70%~80%的耕作土壤,比完全打乱土层没有保住耕作土壤的新整农田,要多收50%以上的粮食。土层不乱,产量不变,土层一乱,产量减半,所以在新整理的土地上加铺0.2米以上的肥沃耕土,是保证灾害毁损废弃地质量的关键所在。

6)新整理的农田,第一次浇灌后有不同程度的下沉现象,所以在计算复土厚度时,应当考虑复土加厚的因素。调查表明,复土厚度在0.2~0.5米的,加厚5%;复土厚度在0.5~1.0米的,加厚10%;复土厚度在1.0米以上的,加厚15%;复土厚度超过1.5米的,应采用水力冲填的方法进行施工。

7)新整理的农田在进行耕种前,还必须对它采取一些技术措施,如整理田面、增施肥料等。施用一部分黑矾后,可以加快生土的熟化,多施用秸秆肥和灰渣肥,能疏松土壤,改善土壤的透水、通风性能。不同的土壤类型应施不同的肥料,如北方在沟地中整理,沟地农田发阴发凉,就多施骡马粪等热性肥料;如在梁地中整理,梁地地性热,就多施猪粪等冷性肥料。

2.土壤剖面建造的工艺流程

在灾害毁损废弃地生态修复的过程中,如何进行土壤剖面建造,以保证土地资源的可持续利用。目前尚未见对建造工艺流程的研究。经对浙江、江苏、福建、山东、安徽等地的调查表明,对于以水田为利用方式的农田修复,其工艺流程如图5-2所示。

1)砌筑施工道路。以便施工机车运行。

2)剥离部分剩余的耕作层土壤,全部加以收集,贮存于整理场地周围。必要时用塑料布遮盖,避免暴雨冲刷而使土壤大量流失。

3)按设计要求平整土地。即根据不同地形坡度,因地制宜地整治成不同规格的耕作地块。

4)田块基层处理。对于填土地块,要用推土机或其他设备进行推平、压实,使其形成具有较好防渗、防漏性能的隔离层。整个基础垫层应有1%~2%的平整坡度。

5)耕层土壤回填。为了能够在最短时间内恢复农田的耕作能力,还必须在整理场地的垫层之上,将原先存放起来的部分耕作土层,全部运送原地进行回填。这一回填耕作土壤的作业,称之为“复土”。当复土厚度0.2米以下时,工作量不大,运来的耕作土壤可以直接回填到垫层上,复土厚度大于0.5米时,运来的土壤可能一部分是熟土,大部分是生土,这时复土工作就要分阶段进行,做到先填生土,后填熟土。如果剩余表土回填后不能满足上述要求,应该采取客土的形式来达到上述复土厚度。

6)整理田面。尤其是采用机械方法复土时,土壤被压得很实。一般地说,疏松土壤的深度,不宜浅于0.45米,只有这样才有利于农作物根系的发育、生长,有助于土壤渗水,减少地面径流。所以整理田面的主要工作是疏松土壤,经过犁地捣碎土块,剔除土壤中的大小石块。有条件时,再覆盖一层腐殖土,并施用一定数量的底肥。就保存和回填耕作土壤而言,各种方法和步骤都基本是一致的。

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图5-2 土壤剖面建造工艺流程图

3.土壤剖面建造的过度渗漏防治

据调查研究,新建造水田适当渗漏(每天1.5~2.0厘米水层)会有利于水稻早发,但渗漏太大,不仅耗水,也很耗肥,应采取适当的防止措施。据南京土壤研究所测定:

新田的耗水量一般要比老田大1倍或1倍以上,第一年新田又比第二年新田大0.5倍左右。新田大量耗水的主要原因是土壤渗漏过多。据初步估计,新田的渗漏量约占总耗水量的70%~80%左右。随着水田的渗漏,早稻期间流失的氮素每亩达1.27~1.95斤,相当于硫酸铵6~9斤;其余磷、钾、钙、镁等养分都有相当量的损失。新田的渗漏情况如图5-3所示。

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图5-3 新整水田渗漏示意图

防治渗漏过多的方法,主要有以下两种途径:

1)边岸与田埂应特别夯实紧固。新整理水田的填方往往因边岸不够坚固,使旁侧渗漏大于垂直渗漏,甚至边岸在泡水后发生塌方,造成大量漏水。为了保证牢固,以黏性红土为材料时,底宽与高度应不少于50厘米与30厘米,沙质土还要再适当增厚。旁侧渗漏在地形坡度大、工程措施艰巨的地段,更为严重,更要认真加以预防。此外,通过铲除田埂基底的老表土,可加固田埂,这也是减少旁侧渗漏的有效措施。

2)带水反复耕耙,任其落干,再灌水耕耖,反复数次,可以加速底塥形成,大大减少垂直渗漏。


三、农村废弃宅基地的生态修复

(一)农村废弃宅基地生态修复的关键技术

农村废弃宅基地生态修复,本质上属于土地复垦的范畴。如果将废弃宅基地复垦为农用地,核心也是土壤建造和培肥改良。但由于农村宅基地复垦后的土壤通常存在瓦片石块多、物理结构破坏严重、土壤板结、通气性差、养分含量低等问题,再加上其利用受到当地自然环境和交通不便等制约,适宜性评价就成为十分关键的技术。在一般意义上,农村废弃宅基地的生态修复,主要关键技术如下:

1)适宜性评价技术。对废弃宅基地进行适宜性评价,目的是通过评价来确定复垦后的土地用途,以便合理安排生态修复措施,做到宜农则农、宜林则林、宜牧则牧、宜游则游。根据中国人多地少的基本国情,在条件允许的情况下应尽可能将废弃宅基地优先复垦为耕地。但对于坡度大于25度不符合复垦耕地条件的以及零散分布于园地、林地、草地中的废弃宅基地优先复垦为园地、林地和草地。确定复垦为耕地的,再根据区位条件、水资源条件和发展潜力,确定复垦为旱地或水田。适宜性评价技术主要有两种:①因素限制法评价技术。它与常规的土地评价原理一样,即根据当地的实际情况和废弃宅基地复垦后不同用途的要求,选择地形、土壤质地、土层厚度、水文条件、地面堆积物、周边环境、经济条件、交通条件等若干因素,并确定相应的指标来衡量复垦后可能达到的程度,以确定其适宜的用途。②关联因素分析法评价技术。它是根据废弃宅基地的自身条件,即废弃地性质、堆积物数量、交通条件、废弃规模等;居民的经济能力;拟采用的复垦方法;复垦后可能达到的状态(包括平整状态、坡度、复土厚度、复土性质等);客观需求(社会经济和生态)的可能性等,进行关联因素的综合分析、评价,最终统筹确定其复垦后的用途。

2)废渣处理技术。农村废弃宅基地在拆除过程中会产生很多废渣废料,若不加以正确处理,可能会增加农村点源污染的风险,也会影响土壤的结构和肥力培育。通常将所产生的建筑废渣分4种方式处理:①进行石坎填膛。这主要是在新修建石坎后,为确保石坎稳定而有效利用废弃石渣做填膛处理。②在工程施工中作为新建生产路的垫层。③采用人工或机械运输废渣至各片块附近田间道进行路面摊铺并进行碾压,达到维修田间道的目的。④剩余少量废渣可选择在周围林地或田块低洼处掩埋。此外,还应特别注意在具体工程实施过程中,路基填筑时应采用进占式推铺方式,首先选择粒级较大的石料铺填在基础上,摆放平稳,靠紧密实,然后将小空隙用小石块或石屑填满,最后压实。粒径适中的填料可直接分层推铺、压实。石坎填膛应注意填膛后石坎的稳定性,应尽量压实,防止垮塌(胡斐南等,2012)。

3)土壤建造技术。废弃宅基地的土壤建造技术,与上文灾害毁损废弃地的土壤剖面建造技术和工艺,并无本质不同。主要是通过采取表层熟化土剥离回填、宅基地地基土翻耕、土墙土捣碎、外部客土等工程措施重新建造耕作层土壤。但由于许多废弃宅基地应长期无人居住,已经杂草丛生,枯草在表层多年积累有效提高了土壤有机质含量,使得表层土壤具有较高的肥力水平。因此对于部分表面没有经硬化、废弃时间较久而形成具有一定肥力表层土壤进行剥离,待平整结束后再将该层熟化土壤覆盖回表层。这样可以充分利用已有土壤资源,提高复垦地质量及促进复垦土壤熟化(常换换等,2017)。

4)培肥改良技术。与一般的农用地相比,废弃宅基地的地基翻耕土和土墙捣碎土等,有机质含量都比较低,土壤结构比较差,土壤微生态破坏也比较严重。因此,农村废弃宅基地生态修复的核心,是要对土壤进行培肥改良。要以有机质输入为主化肥输入为辅促进养分积累,以根系调节为主农艺措施为辅促进结构优化,以自我恢复为主外源添加为辅加速微生态重建。要坚持有机肥施用与PGPR接种相结合、作物收获后秸秆还田与绿肥压青返田相结合、设施运用与设计合理的种植制度相结合,快速提升耕作层肥力(常换换等,2017)。PGPR是指生存在植物根圈范围中,对植物生长有促进或对病原菌有拮抗作用的有益的细菌统称。对于较为贫瘠的土壤,有机肥与PGPR接种相结合,有利于PGPR在土壤及作物根部的定殖扩繁及土著微生物的生长,从而促进有机肥养分的释放。

(二)农村废弃宅基地生态修复的景观再生

在通常情况下,农村废弃宅基地经复垦整治后,区域斑块面积会略有增加,景观多样性也会略有增加。按照景观生态学原理,所有这些增加都会有利于提升物种的多样性。但是,废弃宅基地的复垦整治毕竟是对原有景观结构的干扰,如何将景观视作一个自洽的生态系统,在尊重自然的基础上营造出自然、社会、科学、艺术相和谐的景观,是农村废弃宅基地生态修复需要探索的重要议题。从景观再生的角度看,需要采取以下策略:

1)地形景观的修复再生。废弃宅基地的复垦整治涉及拆迁、客土、培肥以及配套设施工程建设。这些工程建设的实施必然会引起地形景观的变化,如景观斑块和景观廊道的改变等。需要紧密结合当地地形地貌的特点,包括点、线、面、体以及层次、比例、尺度等景观要素,再生景观斑块的联通性,再生地形景观的自我维持能力和美学价值。

2)植被景观的修复再生。农村废弃宅基地的重要特点是土壤贫瘠,养分缺乏,植被单一、缺乏,因此植被景观的修复再生具有特别重要的意义。植被景观的修复再生需要优先考虑以下两个方面:①选取当地优良的乡土植物和先锋植物,迅速长成植物群落,改良土壤结构,改善区域小气候。②选取具有改善土壤结构和增加土壤养分的固氮植物,解决生态修复过程中土壤养分贫瘠的生态限制,同时也有利于提升复垦整治区域的生物多样性。

3)水体景观的修复再生。废弃宅基地原本是村民的长期居住地,景观水体很容易成为村民生活污水、雨水和垃圾的受纳体。由于多数为静止或流动性差的缓流水体,水体的自净能力弱,水体景观经常有不同程度的污染和富营养化。因此,需要采用植物过滤技术和人工湿地技术等,对水体景观进行修复再生。

4)历史景观的修复再生。不少农村废弃宅基地,虽然不具有特别重大的历史文化保护价值,但毕竟是一种乡村演化的集体记忆场所,传递着深厚的历史和文化氛围。要着力对乡村废弃居民点集体记忆要素的保存、提取和再现,利用点、线、面的空间组织形式,对应到历史景观的规划设计上,形成乡村地域独特的记忆印象。


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