重金屬礦山廢棄地生態恢復新技術的應用

吳啟明

（江西銅業集團公司 德興銅礦，江西 德興 334200）

1 引言

金屬礦山開采為人類社會發展和物質文明進步作出無可替代貢獻的同時，又會產生十分復雜而又嚴重的環境問題。在礦山開采過程中，大量土地因失去利用價值而成為礦業廢棄地，如排土場、尾礦、廢石場、采礦區和塌陷地等［1］。據統計，全國礦山開采占用和損壞的土地面積已達165.8萬hm2。如何在礦業廢棄地上建立起穩定、安全、自維持的植被生態系統，不僅是國際生態環境研究領域的熱點問題，也是我國當前生態環境保護所面臨的緊迫任務，更是實現“綠水青山就是金山銀山”綠色發展理念應優先關注的問題之一。

大多有色金屬礦業廢棄地土壤都含有較高的金屬硫化物，而這些金屬硫化物被氧化后能夠生成硫酸，從而使得土壤酸化，加劇等重金屬的溶出遷移，導致植物難以生長。有色金屬礦業廢棄地生態恢復是一個復雜的問題，是一項系統工程，涉及到生態、地質、土壤、林業、環境保護、毒理、美學、地理等多學科［2］，必須有多方面技術支撐。在生態恢復理論研究的基礎上對有色金屬礦山的實際情況進行綜合研究［3］，尋找適合中國國情的，經濟、有效的方式開展礦山生態恢復工程，是實現礦山科學、持續、發展的重要途徑。

2 生態恢復技術應用現狀

礦業廢棄地所引起的環境問題在全世界范圍內都廣泛存在，尤其在一些礦產資源豐富的國家，這些環境問題尤為突出，各國從很早開始就重視礦業廢棄地的治理問題，并進行了一系列相關的研究［4］。澳大利亞是一個重要的礦業大國，在礦業廢棄地的生態恢復工作中已經走在了世界前列。該國要求采礦企業在礦山開采前就要進行環境影響評估，并且制定詳細的恢復方案，并且實行開采與恢復工作同步進行，盡量減少對環境的影響。雖然國外已經對礦業廢棄地的生態恢復相關技術做了很多研究，表土復原是常用的技術，但該技術僅適用于新開采的礦山，而我國歷史遺留礦山眾多，引入推廣存在一定的局限性。

國內目前對看得見的生態破壞問題比較關注，對礦業廢棄地污染控制問題缺乏科學理論指導和系統研究，技術形式單一，不能科學進行技術組合，技術模式經濟可行性差。常規使用客土植被法、噴播植被法等方式對礦業廢棄地進行生態恢復治理。但以上兩種方法在實際操作過程中常常會遇到一些問題，導致恢復效果欠佳，恢復后返酸退化現象頻發。其中可能的原因如下：

（1）客土植被法是指在礦業廢棄地進行客土，類似的還有用城市污泥、生活垃圾等進行覆蓋，形成隔離層，避免有毒有害物質影響上層植被。但在實際施工過程中，覆蓋層太薄容易返酸，太厚導致施工操作因難；需要從別處采集大量土壤，土源問題難以解決，并且會造成二次環境破壞，在大面積恢復時實際可操作性差。

（2）噴播植被法是在礦業廢棄地（主要是邊坡）上噴射物理阻隔材料、化學穩定劑使之反應形成堅實外殼，或施加化學物質來絡合重金屬離子和堿性中和基質，選用粘土、河沙、秸稈粉碎料、珍珠巖等物理阻隔材料與植物種子混合均勻，選用專有設備進行噴灑，在重力作用自然入滲，從而形成穩定的隔水層，達到植物定居的目的。但這種屬于硬性隔離，植物根系無法深入，因為植物材料噴播，無法調控種間植物生長關系，生物多樣性無法保證，植被系統穩定性差，容易發生退化現象。

對于礦山酸性土壤面積極為廣大的中國來說，這些方法缺乏大面積推廣應用的可能。因此，只能是在借鑒國際礦山酸性土壤治理經驗的基礎上，發展適合我國國情、經濟有效的治理技術。

3 德興銅礦廢棄地生態恢復新技術研究應用

3.1 德興銅礦概述

德興銅礦地處江西省上饒市德興市境內，是江西銅業股份有限公司的主干礦山，是中國第一大露天銅礦，開采歷史悠久，資源儲備豐富，目前開采的有銅廠和富家塢兩大礦體，為我國有色金屬行業規模最大、技術和裝備水平最高的樣板礦山?！暗V山發展，決不透支未來”，德興銅礦上下已形成高度共識。德興銅礦積極實施科技興礦戰略，堅持以技術創新和管理創新為動力的德興銅礦綠色循環經濟發展模式，與中山大學緊密合作，積極開展礦山廢棄地生態恢復新技術的研究和應用，在國內率先取得了酸性重金屬土壤上復綠的巨大成功。

3.2 生態恢復技術總體思路

圖1 技術總體思路

重金屬礦業廢棄地“不覆土，原位基質改良+直接植被”生態恢復治理技術［5］，顛覆了原有技術的模式，用生態學的思想解決礦山環境問題，因地制宜，綜合治理。在基本不改變原有的地形與土壤結構，無需覆土，在原位進行基質改良后，直接在礦業廢棄地上種植植物和撒播種子，柔性改良土壤結構、土壤理化性質，通過調控微生物群落與控制產酸的微生物類群，重建一個人工或半人工的生態系統，通過植物穩定重金屬，降低重金屬的遷移性，達到治理礦業廢棄地污染的目的，實現源頭控制重金屬污染，水土流失現象得到根本遏制，最終實現土壤環境的穩定與改善。項目集成七大技術，包括酸化預測控制技術（NAG-pH技術）、土壤重金屬毒性控制技術、微生物群落調控技術、先鋒植物與野生植物群落演替技術、土壤原位基質改良與熟化控制技術、水土保持與控制技術以及土壤種子庫技術。

3.3 生態恢復技術原理

（1）控制產酸的原理。產酸是廢棄礦業地含有的金屬硫化物在氧氣、水和產酸微生物的共同作用下發生的。在添加石灰中和現有酸性的基礎上，通過在廢棄礦業地表面覆蓋專用土壤改良基質形成“耗氧層”，由于改良基質富含各種有機物質，能夠通過氧化過程消耗氧氣，因而減少廢棄礦業地與氧氣的接觸，在缺乏氧氣的情況下，廢棄礦業地的產酸過程受到極大地抑制。

（2）控制重金屬污染的原理。土壤溶液中的重金屬離子毒性由于Ca2+的存在而趨于緩和，這種作用稱為離子拮抗。Ca2+的存在能顯著地降低植物對重金屬的吸收。添加石灰除了具有中和酸性的作用以外，還能夠顯著降低廢棄礦業地的重金屬毒性。磷酸鹽能夠與各類重金屬離子形成難溶的磷酸鹽沉淀，從而降低重金屬毒性，避免對植物生長造成影響。適當添加一些無機肥料尤其是磷肥來降低重金屬毒性。

（3）改善營養結構的原理。有機改良基質富含養分，且養分釋放緩慢，可供植物較持久的利用；含有大量的有機質，可以螯合部分重金屬離子，緩解其毒性；可改善基質的物理結構，提高基質的持水保肥能力。作物的秸稈也被用作廢棄地的覆蓋物，秸稈還能改善基質的物理結構，有利微生物的生長，固定和保存氮素養分，促進基質中養分的轉化。

（4）調控微生物群落的原理。高比例的產酸菌極大地促進了廢棄礦業地的酸化，并且容易導致返酸現象的發生。通過添加石灰急劇改變廢棄礦業地的pH，由于調節后的pH超出這些產酸菌的生長pH范圍，因而產酸菌比例可以得到大幅降低。通過添加的微生物菌劑，引入與培育有益微生物，進一步降低產酸菌比例，發揮有益微生物的作用持續改良土壤。

3.4 生態恢復工程措施

原位整地：依山就勢，保持原有地形地貌及邊坡的固有穩定性，用最少的擾動確保邊坡地形地貌自然態，結合施工道路修建及場地排水溝設置需要，就近挖高填低，平整與回填，合理調配土方。

邊坡修整：邊坡修整優先采用人工“之”字道路及放射狀條溝作業，輔助修坡；因勢造形，坡面修整只要能滿足人工種植操作需要即可，盡量減少機械施工對坡體的負荷壓力。

沖溝處理：“柔性”生態治理為主，“硬性”工程措施為輔［6］，采用生態短袋就近填充坡面的松散土體，40°安息角“品字型”堆疊構筑溝谷兩側生態袋墻，柔性攔截坡面沖刷體，以控制沖溝繼續惡化為前提，模擬自然山體、自然溝壑進行修整。

截排水措施：因地制宜，因勢利導，解決水力侵蝕問題；以較少的工程措施投入，發揮最大的治水效果；坡頂截水與地表排水進行截流與引流，場地內修筑排水系統將地表水引流出場外，匯集到總清污分流排洪渠。

土壤改良措施：采用物理、化學、生物的方法對土地備耕后的種植條溝、表土與深層土壤進行基質改良，改良深度為20cm，撒施酸堿中和劑、土壤改良復合基質、微生物菌劑等土壤改良物質，實施土壤改良過程前期酸化預測與土壤改良過程中的全過程酸化控制，全過程營造有益微生物生長的適宜環境，切斷產酸微生物的生長繁育途徑，引入與培育有益微生物，通過有益微生物的作用持續改良土壤。一般而言，對于土壤pH值在2.5～3.5之間的情況，改良材料的用量如下：酸堿中和劑80t/萬m2，土壤改良復合基質160t/萬m2，微生物菌劑2g/m2，無機肥10t/萬m2。

植物品種選擇、種植和撫育措施：采取種、播相結合，營養袋苗種植+撒播種子的方法，形成先鋒植物、長期定居植物、短期植物、四季植物更替的人工群落系統。實行喬草灌、常綠與落葉植物相結合，快速形成覆蓋表層土壤的植物群落。以當地強化的野生植物品種。選擇的植物品種包括濕地松、樟樹、木荷、大葉女貞、刺槐、鹽膚木、紫穗槐、胡枝子、苧麻、狗牙根、大葉草。濕地松、樟樹、大葉女貞、刺槐以營養袋苗種植；其他植物以種子撒播。種子播種前進行種子配比，草本植物與喬灌木種子的配比為2∶1；禾本科：豆科：其它科植物的比例為2∶1∶0.1，按比例分層混合，盡量混合均勻。

3.5 生態恢復新技術應用效果及評價

該技術目前在德興銅礦得到廣泛應用，恢復排土場、采坑邊坡等礦業廢棄地總面積達到18.9萬m2。實施的工程項目均取得良好效果，形成了自維持、不退化的植被系統，植被覆蓋度均達90%以上，植物種類數目10種以上，且涵蓋了喬灌草等三種類型，顯著降低了對周邊環境的重金屬污染，對于穩定邊坡、保持水土具有十分明顯的作用。

4 結語

重金屬礦業廢棄地“原位基質改良+直接植被技術”，克服了傳統治理方法的不足，并且無需覆土，不會因取土造成二次環境破壞，植被系統穩定不退化，能夠顯著控制礦山土壤酸化，降低重金屬溶出遷移，是一種極具創新性的修復技術。適用于包括排土場、尾礦庫、采坑邊坡、污染退化土地等在內的礦業廢棄地重金屬污染修復，從源頭控制重金屬污染。該方法操作簡單、經濟有效，可一并解決地質災害、重金屬環境污染、生態恢復三大問題，成本約為傳統修復技術的一半，綜合成本每平方米單價約90～150元。

該新技術目前已在江西銅業股份有限公司德興銅礦以及永平銅礦、城門山銅礦的排土場、尾礦庫、采坑邊坡等幾種主要類型礦業廢棄地的大面積生態恢復治理工作中得到了良好驗證，為礦山酸性土壤治理提供了重要的理論支撐和應用示范。