生物修復技術在矸石山復墾中的應用

孫朋成 黃占斌 馬寧

摘要：矸石山成份復雜，環境和災害風險極大，導致了嚴重的環境和社會問題，對矸石山進行綜合整治已經刻不容緩。生物技術費效比高，且無二次污染，在矸石山復墾中備受關注。本文探討了生物修復技術在矸石山復墾中的應用研究動態，矸石山復墾的限制因子、生物修復的概念與機理、生物修復技術特點與分類、存在的問題與展望。

關鍵詞：矸石山土壤復墾生物修復

煤矸石是我國煤礦區最主要的固體廢棄物，占據大量土地［1］。統計顯示，我國煤矸石山約有1，500座，占地面積超過1.33萬hm2，每年新增占地300—400hm2［2］。矸石山不但污染環境，而且容易誘發地質災害［3］，對居民財產與生命安全構成極大威脅。重建和恢復退化生態系統，是矸石山復墾的關鍵［4］。矸石山植被立地條件較差［5］，運用生物技術治理矸石山，不僅費用低，而且具有可觀的經濟，社會和生態效益。本文對生物修復技術在矸石山復墾中的應用研究動態，矸石山復墾的限制因子，矸石山生物修復的概念與機理、技術特點與分類、存在的問題與展望等進行了探討。

1.矸石山復墾的限制因子

矸石山風化層熟化程度是復墾成功與否的關鍵。其限制因子包括風化層厚度，表層風化物的水分狀況、養分狀況、鹽分、pH、溫度、重金屬含量等［6］。風化層厚度是影響表層矸石風化物質地、孔隙、水分等的決定性因素。風化層薄、孔隙多、持水性差，水分往往是矸石山植物生長的主要限制因子。風化層養分缺乏，N、P、K和有機質含量極低是復墾失敗的重要原因。風化層往往呈堿性，局部呈酸性，不利于植物的生存。風化層含鹽量極高，在局部半干旱地區水溶性總鹽量達到1.2g/kg以上，極大限制了植物的生存。矸石山溫度極高，夏日局部可達50度以上，灼傷植物根系，導致植物死亡。土壤重金屬含量較高，使很多植物無法存活。另外，風化層土壤動物和微生物極少，無法完成土壤熟化的自然演替過程。

2.矸石山生物修復的概念與機理

概念：利用矸石山土壤中原有的或引入的功能生物體，包括植物、動物和微生物，單獨地或聯合地吸收、降解或轉化土壤中的污染物，使污染物的濃度降低到可接受的水平或將污染物轉化成無害物質，并恢復土壤功能的過程或技術。

機理：利用植物、動物和微生物等修復技術轉移、吸收、降解或轉化矸石山場地中的污染物，或阻斷污染物對受體的暴露途徑，使污染物穩定化、低毒化或無害化，使污染物對暴露人群的健康風險控制在可接受水平，從而恢復污染矸石山土壤使用功能，保證開發利用的安全性。

3.矸石生物修復技術特點與分類

特點：矸石山生物修復可現場進行，減少了人體直接接觸污染物的機會；常以原位方式進行，對污染位點的干擾或破壞達到最小；可永久性地消除污染物，無二次污染隱患；降解過程迅速，費用低，只是傳統物理、化學修復費用的30％—50％；可與其他處理技術結合使用，處理復合污染。

分類：按照處理地點可分為原位生物修復和異位生物修復。按照應用生物種類分為植物、動物和微生物修復。植物修復技術應用較為廣泛，包括植物提取，植物揮發，植物過濾和植物鈍化。根據污染物種類，分為有機污染、重金屬污染和放射性污染修復技術。

4.生物修復技術在矸石山復墾中的應用研究動態

趙廣東等［7］發現植物措施配合生物肥料，菌劑和保水劑能明顯提高煤矸石山肥力。魏忠義等［8］發現林灌種植改善了矸石山保水特性和表層風化物的酸度，提高了表層風化深度和風化物顆粒組成。王麗艷等［9］證實種植植被可使矸石山土壤容重，土壤持水量和孔隙度明顯改善。胡振琪［10］認為采取適當的配土和配肥技術可以極大提高矸石山綠化植物成活率。馮鳳玲等［11］研究發現蚯蚓能提高植物生物量和土壤重金屬生物有效性。李建華［12］研究表明雙接種VA菌根真菌和根瘤菌能顯著提高三葉草的根瘤數量、鮮重和固氮酶的活性。

RobertR.D.等［13］研究認為至少積累750kg/hm2的包括煤矸石在內的煤礦廢棄物，才能保證在上面正常生長的植物不依賴外部氮源供給。Heribert［14］研究發現土壤熟化的關鍵是快速改善和增加土壤的生物活性。PeterS.［15］研究表明向紫砂頁巖土壤中添加氮磷鉀肥料和秸稈還田，可以極大增加土壤肥力，提高土壤的熟化速度。

5.問題與展望

問題：單獨使用生物方法，效率較低，交叉學科技術引入較少；能修復多種污染物或適合多種污染環境的土壤改良材料或生物研究不足；植物根系與根際礦物質及其他污染物的作用機制不明確；異域引入復墾先鋒植物，可能對當地生態環境帶來災難；經濟效益不明顯，社會資金傾斜度不高。

展望：增強學科交叉技術發展與運用；加強微生物、植物、動物聯合修復技術在矸石山生態復墾中的應用研究；加快矸石山土壤改良生理生化及分子生物學機制研究；加快目標植物篩選和相關數據庫的建立；發展適合大規模應用的低成本的矸石山生物修復技術；加強矸石山生態復墾環境安全性評價研究。

參考文獻

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[2]芮素生.煤炭工業和可持續發展與環境，煤炭工業出版社，1994

[3]彭德福.我國土地復墾與生態重建的回顧與展望，中國土地科學，2000（1）：13—15

[4]李貴寶，尹澄清等.城市污泥對退化森林生態系統土壤的人工熟化研究，應用生態學報，2002，13（2）：159—162

[5]高建鈺等，煤矸石山立地條件與林業復墾研究，山西林業科技，1999，3（1）：18—21，45

[6]魏忠義，王秋兵.大型煤矸石山植被重建的土壤限制因子分析.水土保持研究，2009，16（1）：179—182

[7]趙廣東，王兵等.煤矸石山廢棄地不同植物復墾措施及其對土壤化學性質的影響.中國水保持學報，2005，3（2）：65—69

[8]魏忠義，胡振琪等，煤矸石山植被綠化措施對煤矸石風化物理化特性的影響，安徽農業科學，2007，35（36）：11929—11930，12033王志亞等，煤矸石復墾工程中綠肥牧草對矸石風化層生態環境影響，土壤學報，1996，33（3）：317—321

[9]王艷麗，韓有志等.不同植被恢復模式下煤矸石山復墾土壤性質及煤矸石風化物的變化特征，生態學報，2011，31（21）：6429—6441

[10]胡振琪.半干旱地區煤矸石山綠化技術研究，煤炭學報，1995，20（3）：322—324

[11]馮鳳玲，成杰民等.蚯蚓在植物修復重金屬污染土壤中的應用前景，土壤通報，2006，37（4）：809—814

[12]李建華，郜春花等.菌劑與肥料配施對礦區復墾土壤白三葉草生長的影響，中國生態農業學報，2011，19（2）：280—284

[13]RobertR.D.etal.EcosystemdevelopmentonnaturallycolonizedChinaclaywaste，vegetationchangesandoverallaccumulationoforganicmatterandnutrients，JournalofEcology，1981，69∶153—161

[14]Heribert.Developmentsinsoilmicrobiologysincethemid1960s，Geoderma，2001，100（3—4）：389—402

[15]PeterS.etal.Effectsofslurryacidificationwithsulphuricacidcombinedwithaerationonthetumoverandplantavailabilityofnitrogen，AgricultureEcosystemandEnvironment，2009，131∶240—240