滨海城镇生活垃圾填埋场植被重建生态技术研究

郑思俊 张浪 薛建辉 张庆费   2016-11-24 22:17:47

郑思俊 / ZHENG Si-jun

张浪 / ZHANG Lang

薛建辉 / XUE Jian-hui

张庆费* / ZHANG Qing-fei

摘 要:填埋是国内外城市垃圾处理的主流方式,但具有二次污染、土地浪费等局限性。选择以上海为代表的典型滨海城镇垃圾填埋场作为研究对象,通过生境监测、植被调查和模拟试验,分析滨海城镇垃圾填埋场的生境特征和植被特征,并总结滨海城镇垃圾填埋场的植被发育过程,辨析影响滨海城镇垃圾填埋场植物生长和植被发育的限制因子,并通过模拟试验和应用研发形成针对性的植被生态重建技术途径,以期为解决垃圾填埋植被恢复和景观绿化的局限性提供思路。

关 键 词:风景园林;垃圾填埋;生境特征;植被特征;限制因子

文章编号:1000-6664(2016)08-0025-06

中图分类号:TU 986

文献标志码:A

收稿日期:2016-01-05;

修回日期:2016-05-04

基金项目:国家科技支撑计划项目“城镇垃圾填埋场绿化关键技术研究”(编号2008BAJ10B04)资助

Abstract: Nowadays, landfill was widely applied in China and abroad as a solid waste treatment, but also had the limitations of secondary pollution and waste of land resources. With landfill sites in coastal areas of Shanghai as the study object, based on the data from habitat monitoring, vegetation investigation and simulation experiment, the characteristic of habitat and vegetation in solid waste landfill of coastal towns was summarized, and the development process of the vegetation in solid waste landfill of coastal towns was concluded, and the limiting factor of plant growth and vegetation development in solid waste landfill of coastal urban was analyzed. Finally, through simulation experiment and practical application, the technical methods for vegetation ecological restoration on landfill site of solid waste landfill in coastal towns were concluded with the purpose of solving the limitations of solid waste landfill vegetation restoration.

Key words: landscape architecture; landfill; habitat characteristics; vegetation characteristics; limiting factor

随着城市化过程的不断拓展与加速,全球人口和资源消耗快速向城市化地区集中,随之而来的城市环境维持已成为全球共同面临的突出问题,由于土地资源消耗和二次污染等原因,城市居民生活垃圾处理已经成为包括中国在内的大部分国家面临的紧迫环境问题。垃圾处理方式包括填埋、深井灌注、海洋倾倒和垃圾焚烧等多种方法,深井灌注和海洋倾倒方法易污染地下水环境和海洋生态环境,已基本不采用。垃圾焚烧法由于可以大量减少垃圾体积,在国土面积较小而经济发达的国家(如日本、德国)被用于发电,但焚烧的残余物仍须进行填埋处理,并且由于垃圾焚烧可能产生具有“世纪之毒”之称的二噁英,这一方式也受到了很大限制。目前,英国约80%的垃圾以及法国约50%的工业废物都采用填埋法处置,日本则建有1 500座垃圾填埋场[1]。从全球来看,世界各国近95%的城市固体废弃物仍以填埋方式处理[2-3]。垃圾填埋将是今后较长时期内世界各国主要的垃圾处理方式。

垃圾卫生填埋(sanitary landfill)是指通过工程手段将垃圾压实减容并使用土地填埋,以降低整个过程对公共卫生安全及环境污染的影响[4]。由于垃圾的卫生填埋需要较大的资金投入和严格的技术程序,目前,我国大部分的垃圾填埋场并没有达到垃圾卫生填埋标准。大部分城市都有非卫生填埋(unsanitary landfill)的垃圾填埋场,其多数分布在城市郊区,且对环境存在着潜在的污染和危害。随着我国城市化的推进,城市逐渐扩大的趋势比较明显,垃圾填埋处理本身的局限性也逐渐显现:如填埋处理不但占用大量土地资源、破坏场地景观,还对周边土壤、大气等生态环境产生较大负面影响,甚至影响人们的生产生活。许多已达到库容的垃圾填埋场,对其进行生态恢复,不但可以降低污染、实现土地资源的可持续利用,还能为居民提供全新优良的景观和游憩空间[5]。在城市化发展迅速和城市土地资源相对紧缺的地区,尤其需要解决封场垃圾填埋场的再利用问题。因此,研究如何对已封场的填埋场进行植被重建和景观恢复,开发利用垃圾填埋场的土地资源,对我国城市的生态建设具有重要意义。

1 研究区域概况

选择滨海城镇的典型代表上海作为研究区域,以滩涂型垃圾填埋场为主要研究对象,选择上海市域内11个垃圾填埋场作为调查对象,其中老港属于较规范的卫生填埋场,其他均为非卫生填埋场,所研究垃圾填埋场的最终覆土土壤层的主要来源为建筑工地和地铁盾构所产生的深层土,以及小部分的滩涂吹填土(图1)。目前,上海市垃圾日均处理量已超过1万t,而2013年夏季垃圾日均处理量更是历史性地逼近2万t。大量固体垃圾主要以市郊填埋方式进行处理,然而由于场地和技术的限制,上海早期垃圾填埋形成了大量存在二次污染风险的非卫生填埋场,形成“垃圾围城”的局面。

2 滨海垃圾填埋场封场植被重建存在的问题

在垃圾填埋场这种特殊生境条件下进行植被生态重建研究,首先需要对生境条件进行长期监测和分析。如自1975年以来,美国科研人员对限制植物在填埋场生长的因素进行了研究,这些因素包括:填埋场有害气体(如CH4、CO2)对植物根系的毒害作用,较低的土壤O2含量,比较薄的土壤覆盖,比较低的营养含量,较低的土壤持水力和土壤湿度,较高的土壤温度和紧实度,较差的土壤结构及植物对环境的敏感性等[6]。Helen等对英国11个已经封场的垃圾填埋场进行了实验研究,认为封场最初3年中限制植物生长的环境因子主要是土壤厚度、土壤紧实度和较低的土壤O2含量等[7]。结合以往国内外相关研究,并根据上海滨海垃圾填埋场生境研究结果,可将影响垃圾填埋场植被重建的因素归结为土壤、填埋气、水分条件、填埋点特征、维护问题和其他因子六大方面(图2),而其中土壤条件是垃圾填埋场植物生长和植被重建的核心因子[7]。卫生填埋对于最终覆土层土壤来源和质量并没有具体标准规定,上海地区主要使用建筑客土、盾构土或滩涂吹填土进行最终覆盖。因而,垃圾填埋场土壤一般为通气孔隙较少、容重较大且紧实度高的黏土,且这种特性将在封场后长时间保持,导致垃圾填埋场土壤可能存在紧实度高、通气性差、保水性差和有效养分含量低等制约问题。

3 滨海垃圾填埋场封场生境特征分析

垃圾填埋场达到设计容量封场后,形成大面积封场场地,一般经过30~50cm覆土处理,但由于填埋方式不同,导致覆土厚度、来源以及所填埋垃圾类型存在较大差异,并受滨海自然气候条件和土壤条件影响,结合垃圾腐解过程中的污染物释放,最终形成滨海垃圾填埋场封场的特殊生境。

3.1 小气候特征

目前,上海市主要采取垃圾填埋方式,垃圾填埋量大、占地面积广,且形成大型山体状堆体。由于垃圾填埋场一般选址于沿海岸的滩涂地,封场后的大面积区域往往形成特别的小气候特征,即太阳辐射强度高、风速大且剧烈、阵风频繁、土壤温度高且含水量低、近地小气候极端值高且短期波动更为剧烈,这些特点在极端高温期的夏季更为明显(表2)。

3.2 土壤特征

垃圾填埋场最终覆土土壤容重大且非毛管孔隙比例极低,仅为林地土壤的1/10左右,可见其土壤紧实、通气性较差;此外,由于土壤的主要成分深层土存在一定程度盐害,土壤的EC和pH值显著高于林地土壤;封场土壤有机质含量和全N含量极低,仅为林地土壤的1/3左右(表3)。

3.3 污染物特征

在垃圾运输、填埋等过程中不可避免存在一定程度的二次污染,如垃圾车运输、装卸扬尘和作业区臭气等,产生空气、水体和土壤等污染情况。而土壤作为最终受体,存在不同程度的重金属和有机物污染,这也是制约封场植被重建的重要因素。上海垃圾填埋场土壤As、Cd和Zn的污染较严重且具有普遍性,均超过了《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)中3级污染标准;而其他重金属含量仅在个别垃圾填埋场超标(表4)。

4 滨海垃圾填埋场植被特征

垃圾填埋场达到设计容量封场后形成不同高度的垃圾堆体,并进行最终覆土和简单绿化。由于最终覆土层的存在,使得堆体本身具有植物侵入、定植等的植被演替过程,逐步形成人工起源植物和自然侵入植物共同组成的半自然植被类型,但由于其生境条件的特殊性以及缺少种源,其自然植被特征及形成过程不同于一般裸地的自然演替过程。通过分析滨海垃圾填埋场植物和植被特征,将对于植被重建的植物选择和配置具有借鉴意义。

4.1 植物特征

在上海市11个垃圾填埋场的植被调查中,共调查到植物种类189种,隶属于77科,165属。结果表明,人工植被植物种类明显多于自然植被,人工植被物种组成较为丰富,乔、灌木比例相差不大。自然植被中乔灌木种类较少,主要以构树、朴树、苦楝、桑树等为主(表5)。

根据上海次生植被的分类体系[8],将调查垃圾填埋场植被划分为5种群落类型,其中常绿阔叶林有香樟群落、女贞群落;常绿针叶林有雪松群落;针阔混交林有湿地松、女贞群落;落叶阔叶林有构树群落、重阳木群落等;常绿落叶阔叶混交林有香樟、无患子群落,女贞、臭椿群落以及泡桐、广玉兰群落等。根据主要群落类型垂直结构分析[9-10],分布较典型的落叶阔叶林群落和常绿落叶阔叶混交林群落个体高度级一般呈L型增长分布,有较多的幼苗更新个体,如构树群落、香樟群落,香樟、无患子群落,女贞、臭椿群落等。

4.2 植被发育过程

群落植物多样性变化反映了垃圾填埋场植被的发育过程。因而,可通过针对不同封场年限填埋场典型群落植物多样性进行分析,初步探讨垃圾填埋场自然植被的恢复过程。

通过上海市不同区域和不同封场年限垃圾填埋场植物种类丰富度和植物群落调查,结果表明在较低人为干扰强度下,垃圾填埋场植物呈现类似于次生演替的动态变化。在这种特殊生境条件下,植被的动态变化呈现与当地自然演替相似的特征,但也会产生一些特殊的变化规律。垃圾填埋场植被主要发育过程如下:封场早期加拿大一枝黄花、葎草、禾本科等恶性杂草或侵入性极强的杂草占据主要优势,而后豆科和蔷薇科植物逐渐侵入,且将长期保持以草本植物群落为优势的植被类型,该群落往往比一般废弃地保持时间更长。之后构树、朴树、桑树、刺槐等乔木植物幼苗出现,并逐渐形成以速生先锋落叶植物为优势的乔木群落,且在个别邻近绿地或林地种源的填埋场,也会出现女贞、香樟等常绿阔叶植物更新苗,并逐渐成为伴生种,此后在没有人工干预的情况下,将保持落叶阔叶林的植被类型。该演变过程由于封场土壤情况和周边种源的不同,持续时间差异较大,但普遍逐渐出现了以构树占绝对优势的乔木群落。

4.3 植被重建限制因子分析

通过主成分因子分析,确定垃圾填埋场土壤理化性质和污染特性对植物生长影响的主导性。从数据分析可知,土壤多个因子间存在显著或极显著的相关关系,可见变量之间直接的相关性较强。主成分数以特征值>1为条件进行筛选。从相关系数进一步分析得出初始主因子(表6),3个因子的累积贡献率达94.967%。主因子1代表有机质、水解性N、全N、含水量、总孔隙度、全P,贡献率为76.619%;主因子2贡献率为10.52%,代表有As、Hg等污染物因子。2个因子累计贡献率达87.137%,可解释最终变量。

根据植物生长数据和土壤数据的回归分析和主因子分析,得出滨海城镇滩涂型垃圾填埋场植物生长和植被重建的主要限制因子为土壤有机质、N和水分以及与水分养分有效性相关的孔隙特性。此外,个别超标的土壤重金属也会对植物生长产生影响。因而,在研发滨海垃圾填埋场植被重建的关键技术过程中,应侧重考虑主要限制因子的技术解决途径。

5 滨海垃圾填埋场封场植被生态重建方式

针对滨海垃圾填埋场的小气候特征(高温强风)和关键限制因子(土壤养分和土壤水分)以及植物侵入特点(草本植物为主,木本主要为先锋落叶树种),本文通过模拟种植实验研发了封场覆土预制技术和抗性植物筛选技术,并结合垃圾填埋场封场场地类型判定,探讨适宜的植被重建技术。

5.1 场地分类、判定及植被重建方式

开展植被重建的垃圾填埋场其封场应符合CJJ 112-2007的规定,封场必须有完整的封场覆盖系统,最终覆盖的土质材料厚度不小于0.3m。判定封场场地类型依据包括封场年限、封场堆体沉降、填埋气标准(CH4)以及封场覆土厚度等因素(表7)。

5.2 不同植被重建方式下的土壤要求

封场土壤应满足不同植被重建方式下的植物生长需求,封场土壤不符合土壤理化性质要求的应进行改良(表8)。

5.3 植被重建的植物选择

5.3.1 植物选择原则

选择综合抗性强,包括抗旱、耐盐、抗风、耐贫瘠以及耐受复合污染的植物,宜选用容器苗。选择低成本、易管护、生长快的植物,尤其是地带性植物和适生植物,但不宜用深根性植物。

5.3.2 植物配置原则

垃圾填埋场封场堆体植被重建应以恢复低维护、近自然植被为基础,植物群落结构以灌草结构为主,乔草结构为辅。兼顾不同生活型植物的配比,多树种混交,适当增加常绿树种比例。

上述植被重建研究成果已形成上海市地方标准,具体见DB31/T 918-2015《城镇生活垃圾填埋场植被生态重建技术要求》。

5.4 植被重建案例介绍

5.4.1 概况

根据填埋场生境特征、植被特征、关键限制因子和植被生态重建方法等研究成果,选择老港垃圾填埋场内25号堆体西侧地块,于2013年开展了滨海垃圾填埋场植被生态重建,面积为5 000m2。

5.4.2 技术方法

1)封场最终覆土预制技术。采用餐厨垃圾堆肥和树枝落叶堆肥混合,与原30cm深度封场深层土进行现场混配作为封场最终覆土(图3),显著增加25堆体西侧地块最终覆土层有机质、总N和总P,降低容重和pH值,有利于后期植物种植和自然植物侵入。

2)抗性植物筛选和配置技术。

结合老港垃圾填埋场生境特征监测数据和植被调查数据,利用隶属函数法对植物进行适生、抗逆、吸污能力的综合评价,最终筛选出20余种适用于老港垃圾填埋场的植物,如女贞、落羽杉、龙柏、朴树、伞房决明、木芙蓉、蚊母等。采用参数包括存活率、高生长率、冠(篷)径生长率、叶绿素相对含量、失水速率、脯氨酸含量、丙二醛含量及含硫量等。同时,根据25号地块垃圾填埋场封场年限,模拟滨海垃圾填埋场半自然群落结构,采用以灌-草结构为主、乔木植物镶嵌式分布的配置方式(图4)。

5.4.3 重建效果

老港垃圾填埋场25号堆体西侧地块植被重建景观主要为乔木植物群落景观(图5-1),经过2年时间,已形成灌木层盖度80%~90%、乔木层郁闭度60%~70%的复层植物群落景观,同时草本层植物种类也达到38种,自然侵入植物达到32种,其中木本植物达到5种(图5-2);而25号堆体东侧未采用植被生态重建技术(仅采用常规造林方式),乔木层郁闭度仅为40%~50%,且存在植株死亡形成林窗退化为禾本科和菊科为优势的草本植物群落,草本层植物种类为25种,其中木本植物仅有2种。

城市特殊生境植被重建属于植被恢复范畴,但不同于传统自然植被恢复,是在人类聚集区域内的有限空间中,对完全人为活动造就的环境(如垃圾填埋场地、工业迹地、围垦滩涂等)进行接近自然、回归自然的人工恢复与重建,它对于维持城市人居环境具有重要意义,也是城市化区域保留部分生物栖息地的重要措施。随着人们对于生态型城市内涵的深入理解和广泛实践,城市特殊生境植被重建将受到更大关注,但涉及城市特殊生境植被重建的研究仍需要加强。

注:文中图片均由作者拍摄或绘制。

参考文献:

[1] 甘师俊,王如松.中小城镇可持续发展先进适用技术指南[M].北京:中国科学技术出版社,1996.

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[9] 宋永昌.植被生态学[M].上海:华东师范大学出版社,2001.

[10] 林明锐,张庆费,郑思俊,等.上海城市化地区孤岛状山体残存植被特征研究[J].生态学杂志,2009,28(7):1245-1252. (编辑/刘欣雅)

作者简介:

郑思俊/1982年生/男/浙江苍南人/高级工程师,上海市园林科学规划研究院规划研究所副所长/研究方向为城市森林和绿地生态(上海 200232)

张 浪/1966年生/男/安徽合肥人/博士/上海市园林科学规划研究院院长,教授/国家住房和城乡建设部风景园林专家委员会委员/上海市风景园林学会副理事长/上海城市困难立地绿化工程研究中心主任/研究方向为城市绿地系统规划与生态技术系统布局/本刊编委(上海 200232)

薛建辉/1962年生/男/江苏启东人/南京林业大学副校长、教授、博士生导师/研究方向为森林生态、林业生态工程、生物多样性保护等(南京 210037)

张庆费/1966年生/男/浙江泰顺人/博士/上海辰山植物园教授级高级工程师/研究方向为植物群落与生态修复(上海 201602)

通信作者(Author for correspondence) E-mail: qfzhang@126.com

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