礦山廢棄地生態修復中土壤基質改良技術研究綜述

胡曉蕭+李小英

摘要 近年來，礦山廢棄地開發利用造成的土壤復墾問題和礦山整體環境問題成為科學研究的熱點。本文針對我國礦山廢棄地土壤存在的復墾問題，重點分析目前我國礦山廢棄地現狀，簡要綜述國內外土壤基質改良的技術方法，介紹現行礦山土壤復墾物理、化學和生物等改良技術方法，特別是土壤基質改良技術在礦山生態修復中的應用與發展，為我國礦山生態修復與土地資源利用提供參考。

關鍵詞 生態修復；基質改良；礦山廢棄地

中圖分類號 TD88 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）01-0184-03

Review on Improvement of Soil Matrix in Ecological Restoration of Abandoned Mines

HU Xiao-xiao LI Xiao-ying

（Southwest Forestry University，Ecology and Soil-water Conservation Institute，Kunming Yunnan 650000）

Abstract The soil reclamation problem and the whole environmental problem of mine had become the hot spots in recent years. In the light of soil reclamation problems of abandoned mines in China，this paper mainly analyzed the current status of abandoned mines in China，briefly introduced the technical methods to improve the soil matrix at home and abroad，and the current mine soil reclamation methods including physical，chemical and biological and other methods，especially the application and development of soil matrix improved technology in the ecological restoration of mines，so as to provide the reference for China′s mine ecological restoration and land resource utilization.

Key words ecological restoration；matrix improvement；abandoned mine

1 研究背景

目前，礦山開采活動是影響土地利用方式、改變土地形態以及人為破壞陸生生態系統的最大規模人類活動[1]。相關報道顯示，目前全球的礦山廢棄地約為670萬hm2，其中荒廢地和露天采礦破壞的土地約占50%[2]。據統計，我國70%以上的農業生產資料，80%以上的工業原料以及95%以上的能源均來源于礦產資源[3]；現有國營礦山逾8 000個，其他小礦山達23萬個，因采礦業而破壞的土地面積為140萬～200萬hm2，并以每年4萬hm2的速度遞增[4]，且土地的復墾率僅為13.3%，與西方發達國家75%的復墾率差距較大，其中侵占農田和林地等土壤問題尤為突出[5]。采礦活動中所產生的生態環境破壞首當其沖的是土壤退化，導致土壤環境因子發生改變，如土壤理化性質遭到破壞、微環境改變、結構變異、養分流失、保水保肥功能喪失、抵抗有毒有害物質能力降低等。

礦山資源的開采利用造成的破損、壓占、塌陷等土地破壞問題約占整體土地總量的30%[6]，極大地浪費了有限的土地資源。一般情況下，礦山開采超過了其自身以及生態系統的承受閾值，若通過礦山自然演替恢復植被則需100～1 000年，若廢棄地上沒有表土，恢復植被則需逾1 000年[7]。因此，開展人工恢復礦山廢棄地生態修復和土壤復墾工作成為必要的手段，采用人工恢復措施可使得恢復周期大大縮減。

土地復墾終極目標是恢復土壤的生態環境、生產力和經濟價值，是恢復生態重建的基礎。土壤是植物生長的基質，基質的改良是礦山廢棄地生態系統恢復的主要問題。土壤基質改良技術措施有很多種方法[8]，主要是圍繞以下幾個方面展開：改良土壤的物理結構、剔除有毒有害物質、改善基質保水保肥能力、提供適合植物生長的環境。本文通過介紹壤基質改良技術措施，著重闡述礦山廢棄地生態修復過程中的基質改良技術，以期為礦山廢棄地生態修復提供參考。

2 國內外礦山復墾概況

2.1 國外礦山復墾概況

德國和美國最早于20世紀20年代開展廢棄礦山土地恢復工作[9]，主要包括沉陷區植被恢復、廢棄地復墾技術、固廢物利用、重金屬去除等。德國的萊茵露天煤礦和魯爾井工煤礦通過農業復墾進行土地恢復，將采坑回填并于其上方覆蓋1.0 m厚的剝離的黏土，通過施肥和種植作物以改良土壤，恢復土壤的生產力，改善環境[10]，截至2000年，德國已復墾62%因煤礦開采而破壞的土地[11]。美國于20世紀30年代先后制定關于露天開采以及礦區土地復墾工作法規，邊開采邊開展復墾工作，使得復墾率達到85%，遠高于我國的12%[12]。尤其是在利用電廠粉煤灰改良土壤、矸石山植樹等方面，積累了大量經驗[13]。1951年，英國規定礦山企業開礦時應統籌考慮開采后礦山的復墾和管理工作，明確要求按照相關復墾標準進行復墾，對已經污染的土地開展復墾工作使其成為農林用地[14]。阿克頓海爾煤礦將煤矸石移植鄰近的礦坑中以進行復墾；巴特威爾露天礦采取邊開采邊回填的方式，以完成覆土造田。近年來，英國將遙感和計算機信息技術運用于礦區土壤基質改良工作中，如Bakr等[15]將GIS用于埃及土地復墾工作中，以反映復墾區土壤變化。以采礦業為支柱產業的澳大利亞，在防止地表侵蝕和穩定地表技術、處置擾動土方面位于世界前列，其采用效用—效率優化原則來設計生態修復方案并通過先進的設備觀測生態恢復過程，不僅注重土地的恢復，還考慮到動物棲息地的恢復，目前已經形成高科技指導、多專業聯合、綜合修復等技術手段[16-18]。法國將修復后的煤礦建設為比賽、娛樂等場所，實現了土地的再利用。La Martinie煤礦所創建了土地復墾“腳壩”技術，對土地復墾和生態修復具有重要的指導意義。

2.2 國內礦山復墾概況

20世紀50年代末期至60年代初期，我國開始開展礦山廢棄地生態修復工作和土地退化研究，當時我國礦山廢棄地復墾率<1%[19]。20世紀50—80年代，我國開始重視并開展礦山廢棄地生態修復工作，相繼頒布《土地復墾規定》和《中華人民共和國環境保護法》，80年代末期復墾率提高至12%[20]。1999年生效的《中華人民共和國土地管理法》進一步加大耕地保護，實行土地管理制度、耕地補償制度以及農田保護制度。土地復墾工作有序展開，復墾率直線上升[21]。2011年，我國頒布實施《土地復墾條例》，使土地復墾工作更加有序、科學。目前，我國礦山廢棄地復墾的主要方法有直接復墾、改善陽離子交換能力、改善土壤物理結構和化學性質、增強土壤肥力等[22]，如利用豆科植物改善有毒金屬和貧瘠土壤、利用蚯蚓改善土壤理化性狀等[23]。國土資源部提出2015年我國礦區恢復率達30%[24]，2020年達到綠色礦山標準的目標，我國礦區生態修復進入快速發展時期。

3 土壤基質改良技術

3.1 物理改良技術

目前常用且有效的土壤基質物理改良措施為表土回填技術，在采礦前先將0～30 cm和30～60 cm的土壤剝離并加以存放，等回填的時候再運回使用，為植被恢復提供具有結構良好、高養分、高水分、較多微生物與微小動物群落的高質量土壤[24]。卞正富等[25]在開灤礦區進行礦山土復墾利用試驗，發現條帶式覆土或全面覆土能較好地控制矸石酸性，穴植覆土則無法取得控制效果。Barth等[26]研究發現，較厚的回填土層可以有效避免根系伸入有毒的礦土，當填土厚度超過一定范圍時，增加填土厚度的修復效果增強不顯著。Holmes等[27]研究發現，當回填10 cm表土時，植物蓋度可達50%；當回填30 cm表土時，植物蓋度可達70%。Redente等[28]研究發現，回填15 cm表土即可取得較好的恢復效果。因此，建議煤礦地回填表土厚度為10～15 cm，具體厚度可根據種植的植物類型進行調整。對于缺乏土地資源的地區而言，可利用農田廢棄物如秸稈、枯枝落葉、凋落物等來代替土壤進行基質改良，農廢物帶來了有效的氮素、微生物為礦區植被的重建生長創立有利條件。于君寶等[29]研究發現，矸石回填覆土初期，土壤中營養元素含量增長較快，重金屬含量逐漸減少，覆土中重金屬主要來源于外界輸入，施肥后表層土壤重金屬和營養元素含量高于底層。矸石回填覆土能有效改良土壤，但因其費用較高而具有一定的局限性。

3.2 化學改良技術

3.2.1 添加營養物質提高土壤肥力技術。大部分礦山廢棄地土壤中缺乏氮、磷、鉀等植物生長營養物質，因而需要通過添加肥料或種植豆科植物來提高土壤肥力。張鴻齡等[30]研究表明，配合施用石灰80 t/hm2與有機肥100 t/hm2可有效降低土壤電導率和酸度。Sheoran等[31]研究表明，木屑能夠提高灌木、非禾本植物的存活率；種植豆科植物需要輔助施加磷肥、調節酸堿度等措施以提高氮肥的利用率。

3.2.2 施加含Ca2+化合物緩解重金屬毒性技術。施用CaCO3或CaSO4時，溶液中Ca2+的離子拮抗作用可以有效降低重金屬離子的毒性，減少植物對重金屬的吸收。黃 凱等[32]利用試驗方法在鉛鋅礦的尾砂中加入有機肥、泥炭，觀測到土壤基質改良劑的加入使重金屬的有效性降低，穩定性增加，從而達到降低重金屬危害的目的。Davis等[33]研究發現，石灰石能夠有效提高土壤的pH值，降低植物鋅濃度，提高作物產量。周 航等[34]研究發現CaCO3能有效降低土壤中交換態重金屬鉛、鎘、鋅含量。

3.2.3 調節土壤pH值技術。當土壤酸性較高時，可少量多次施用碳酸氫鹽與石灰，以減少土壤酸性；當土壤呈堿性時，可施用硫酸、硫酸氫鹽等物質來改善土壤環境。胡宏偉等[35]研究發現，施用石灰石可提高尾礦pH值、降低電導率，有效防止下層尾礦的酸化，有助于植物生長。王志宏等[36]研究研發，CaSO4·H2O可將土壤中的鈉離子置換為鈣離子，以降低土壤鹽堿化程度，提高土壤水的滲透能力，以改善土壤基質。

3.3 生物改良技術

3.3.1 土壤動物改良技術。土壤動物是食物鏈的基礎，是生態系統中的初級消費者和分解者。在礦區廢棄地復墾過程中加入有益的土壤動物，可完善重建的系統功能、加快生態恢復進程。戈 峰等[37]研究發現，蚯蚓對銅礦中銅元素的富集能力很強，尾砂土和復墾土中加入蚯蚓和蚯蚓糞可有效提高植物的生物量。Boyer等[38]研究發現，蚯蚓能有效改良廢棄地土壤的理化性質、富集重金屬，以實現礦山廢棄地土地復墾和生態恢復。

3.3.2 植物改良技術。客土或者覆土可能帶來土壤的二次污染，種植先鋒植物以吸收土壤基質中污染元素能夠達到改良土壤的目的。植物修復主要利用植物對重金屬的吸收作用，將重金屬轉移至地上部分（含根莖），收割后進行集中處理，以降低土壤中重金屬含量。王 新等[39]在重金屬污染條件下展開紫花苜蓿（Medicago sativa）田間小區試驗，重點分析了重金屬污染物對紫花苜蓿生長的影響、紫花苜蓿對重金屬污染土壤的修復能力以及植物體內重金屬吸收特性。結果表明，低濃度的重金屬對紫花苜蓿的生長具有良好的促進作用，并且對鎘污染的土壤具有一定的修復能力。李 影等[40]采用野外調查和溫室營養液砂培相結合的方法，研究生長在銅尾礦附近的蕨類植物對銅的吸收累積作用，研究結果還表明，蜈蚣草（Ciliaris）和節節草（Equisetum ramosissimum）對銅也有較強的累積功能，可以作為先鋒植物來修復銅礦污染過的土壤。楊肖娥等[41]在浙江某一鉛鋅尾礦區研究發現，東南景天（Sedum alfredii Hance）對鉛具有富集能力。劉 威等[42]研究發現，寶山堇菜（Viola baoshanensis）是一種鎘超富集植物，通常情況下，寶山堇菜地上部分含量為1 168 mg/kg。

3.3.3 微生物改良技術。利用微生物的生命代謝活動以減少土壤環境中有毒有害物質的濃度并使其無害化，重新建立和恢復土壤微生物體系，增加土壤活性，加快土壤改良進程，縮短復墾周期。趙永紅等[43]研究發現，植物與固氮菌、菌根真菌協同作用可增加對污染物的吸收和降解，具有較大的科研價值。王紅新等[44]以唐山馬蘭莊鐵礦尾礦作基質接種VA等菌根，結果顯示，接種VA菌根真菌使得菌根植株上從尾礦中吸收鉀素增加。

3.4 工農業固體廢棄物土壤基質改良技術

工農業廢棄物基質研究的范圍擴展到珍珠巖、沸石、泡沫塑料等無機原料以及污泥、泥炭、椰子殼、垃圾、木屑、枯枝落葉、稻殼、秸稈等。利用工農業廢棄物制作土壤基質，使農業廢棄物資源化，有利于環境保護和發展設施農業。Li[45]研究表明，使用污泥等固體廢棄物作為土壤基質改良劑用于礦山廢棄地修復時，污泥的施用量與廢棄地中有機質含量、理化性質成正相關變化，污泥的施用量越大，廢棄地中有機質含量積累越多，土壤理化性質變化越明顯。羅秀光等[46]利用大豆培肥后的鋁土礦尾礦用于采礦區復墾，經過1年的培肥熟化后種植農作物，其產量不低于當地農作物的產量水平，有效解決礦區復墾土源不足的難題。因為污泥中含有病原微生物、微量重金屬和寄生蟲卵通過各種途徑傳播危害土壤，所以在使用過程中應該合理控制年限和數量防治土壤基質的二次污染。程五良[47]選擇萬壽菊（Tagetes erecta）、高羊茅（Festuca elata）、百日草（Zinnia elegans）和黑麥草（lolium perenne）4種植物進行污泥混配土壤盆栽試驗，結果表明，4種植物在污泥混配土壤中生長較好；當污泥施加比例控制為5%～20%時，莖長、生物量、生長狀況均明顯好于施化肥的植物。陳同斌[48]發明了草皮土壤基質的制備方法，主要利用垃圾、污泥、農作物秸稈、養殖業廢棄物等為主要原料，通過堆肥處理，補充鉀肥、蛭石后與土壤進行混合，同時調節基質中的C∶N為10～35∶1，以開發草皮土壤基質改良劑。

4 展望

根據礦山廢棄地生態恢復研究區域性強的特點，針對不同區域、不同類型礦山廢棄地土壤退化的類型、退化程度與退化原因，因地制宜、就地取材地開展礦山廢棄地基質改良工作，以小流域為單元對區域進行綜合整治。針對具體的礦區實際調查生態環境狀況，發掘潛在的環境問題，采用物理、化學、生物等其他改良措施綜合整治并結合3S技術手段有效開展礦山廢棄地土壤基質改良工作。此外，2種或多種土壤基質改良劑混配、土壤基質改良劑與肥料等同時施用等技術相結合，可以很好地彌補單組分改良的局限性，并對改良礦區貧瘠土壤、改善植物生長微環境、提高經濟作物產量等均有較大的促進作用。筆者認為今后的研究將多集中于將礦山固體廢棄物搭配多組分基質改良劑應用于不同類型礦山廢棄地土壤生態修復，同時也是礦山固體廢棄物資源化、生態化以及解決礦山生態環境問題的有效途徑。

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