石人嶂鎢礦尾礦庫生態(tài)修復(fù)實踐及效果研究

摘要：采用直接植被技術(shù)對石人嶂鎢礦尾礦庫進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)。研究結(jié)果表明：（1）生態(tài)修復(fù)對重金屬污染控制效果顯著，修復(fù)尾礦砷的有效態(tài)系數(shù)相比原始尾礦下降了38%，外排水的鋅、銅、鎘、砷含量均在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值范圍以內(nèi)，與原水相比均降低了90%以上;（2）修復(fù)尾礦的營養(yǎng)條件得到明顯改善，有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著提升;（3）修復(fù)區(qū)域植被恢復(fù)效果良好，覆蓋度高達(dá)94%，植物種類達(dá)14種。本研究可為國內(nèi)同類型礦業(yè)廢棄地的生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：鎢尾礦;重金屬污染;生態(tài)修復(fù)

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）04-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.115

Abstract：Ecological restoration of the Shirenzhang tungsten mine tailings pond was carried out using direct vegetation technology. As the results indicate.（1） Significant control effect on heavy metal pollution were achieved after ecological restoration， with the effective state coefficient of arsenic in the reclaimed tailings decreasing by 38% compared with the original tailings. The content of zinc， copper， cadmium， and arsenic in the discharged water conformed to the national standard， which had been reduced by more than 90% compared with the raw water.（2） The nutritional conditions of reclaimed tailings were obviously improved， and the organic matter and total nitrogen contents increased significantly.（3） The vegetation recovery effect was notable， with a coverage of 94% and fourteen plant species. This study may offer some references for the ecological restoration of tungsten mine tailings in China.

Key words：Tungsten mine tailings;Heavy metal pollution;Ecological restoration

尾礦庫是由選礦過程中產(chǎn)生的廢渣堆存形成的典型礦業(yè)廢棄地[1]。隨著國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的不斷發(fā)展，采礦活動呈上升趨勢，由此產(chǎn)生的尾礦廢渣也在不斷增加，不僅占用了大量土地，同時也造成了土壤和水體的重金屬污染[2]。尾礦庫內(nèi)尾砂干燥，呈砂粒狀，團(tuán)粒大小不一，營養(yǎng)貧瘠，不利于保水保肥，不利于植物生長，造成生態(tài)系統(tǒng)極度退化，給生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)都帶來了嚴(yán)重影響[3]。其中，鎢尾礦庫是一類特殊的尾礦廢棄地。鎢尾礦的產(chǎn)率和堆存量巨大，其粒度細(xì)、泥化嚴(yán)重，鎘、砷含量高，潛在危害嚴(yán)重[4]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年排放的鎢尾礦量在40萬t以上，選礦中尾礦的產(chǎn)率多達(dá)95%，堆存量已經(jīng)高達(dá)1000多萬噸，由此帶來的土地占用和環(huán)境污染均十分嚴(yán)重[5]。因此，鎢尾礦庫的生態(tài)修復(fù)是礦山可持續(xù)發(fā)展的重點難點問題。

近年來，國家對礦區(qū)生態(tài)修復(fù)工作高度重視。2013年，環(huán)境保護(hù)部頒發(fā)了《礦山生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)治理技術(shù)規(guī)范（試行）》，規(guī)范了礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理工作[6～7]。一大批科研工作者先后對礦區(qū)生態(tài)修復(fù)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，并且在實驗室或者不同的野外中試試驗中取得了良好的修復(fù)效果[8～11]。葉鑫等對紫金山金銅礦實施了一系列生態(tài)保護(hù)與植被恢復(fù)措施，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境得到有效改善[12]。陳波采用“原位基質(zhì)改良+直接植被”的模式在德興銅礦排土場的生態(tài)修復(fù)中也獲得了初步成功[13]。本研究對韶關(guān)石人嶂鎢礦尾礦庫進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)，并對生態(tài)修復(fù)前后尾礦和外排水的理化指標(biāo)變化進(jìn)行了監(jiān)測分析，同時對修復(fù)后的植被情況進(jìn)行了調(diào)查，以期為國內(nèi)同類礦業(yè)廢棄地的生態(tài)修復(fù)工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

研究地點位于廣東省北部韶關(guān)市始興縣石人嶂鎢礦尾礦庫區(qū)（24°49′28″N，114°07′21″E）。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫19.6 ℃，年平均降雨量為1 514～1 682mm。石人嶂鎢礦于1953年成立，1966年建成投產(chǎn)，2014年開始實施尾礦庫閉庫工程。該尾礦庫位于強(qiáng)烈切割的中低山區(qū)，為一山谷型尾礦庫，庫區(qū)溝谷蜿延曲折，地形坡度大，在暴雨誘發(fā)下，容易產(chǎn)生壩體崩塌，導(dǎo)致泥石流。由于早期選礦產(chǎn)生的廢水、尾砂全部排入石人嶂尾礦庫，造成庫區(qū)滲排水砷含量較高，對周邊生態(tài)環(huán)境造成了污染。

1.2 生態(tài)修復(fù)工程實施及樣品采集

2017年10月采用直接植被技術(shù)對已退役的石人嶂鎢礦尾礦庫Ⅰ、Ⅱ區(qū)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，治理總面積為33 335 m2。主要步驟包括：（1）修筑排水溝：設(shè)置外圍排水土溝，用于減少外部雨水進(jìn)入場地內(nèi)，項目區(qū)域內(nèi)排水溝結(jié)合實際建設(shè)，形成人行便道兼具排水功能;（2）尾礦備耕：采用人工開壟，同時翻松表層0～20cm尾礦;（3）尾礦改良：采用原位基質(zhì)改良方法，對翻松的表層尾礦進(jìn)行改良，改良材料用量如下：石灰4kg·m-2，土壤有機(jī)改良基質(zhì)8 kg·m-2，微生物菌劑0.2kg·m-2，磷肥0.1 kg·m-2，改良完成后平衡1周;（4）植物種植：種植刺槐、小葉女貞營養(yǎng)袋苗（按1株·m-2的密度交替種植），混播狗牙根、百喜草、寬葉雀稗、黑麥草、斑茅、木豆、豬屎豆、田菁、胡枝子、鹽膚木、合歡、苧麻等植物種子，用量為50 g·m-2，覆蓋稻草以輔助植物種子萌發(fā);（5）后期養(yǎng)護(hù)：主要包括澆水、補(bǔ)種、補(bǔ)加改良劑等措施，養(yǎng)護(hù)周期為3個月，之后不再進(jìn)行任何養(yǎng)護(hù)。

尾礦樣品采集分兩次進(jìn)行。第一次是修復(fù)前（2017年10月），經(jīng)實地考察評估后，在顯著異質(zhì)性的代表性地段取得樣品，共采集3個原始尾礦樣品，分別編號：原始尾礦-1，原始尾礦-2，原始尾礦-3。第二次是修復(fù)1年后（2018年11月），采集了3個修復(fù)后的尾礦樣品，分別編號：修復(fù)尾礦-1，修復(fù)尾礦-2，修復(fù)尾礦-3。以上每個樣品均由3～5個子樣品混合而成，采集深度為0～20 cm，采樣量為1 kg左右。尾礦樣品采集完成后，立即運回實驗室，于干燥通風(fēng)處風(fēng)干，剔除石頭和植物殘體，分別過20目和100目篩，貯存在干燥通風(fēng)處用于后續(xù)的理化分析。

此外，第二次采集尾礦樣品時，同時分別在未修復(fù)尾礦庫區(qū)域的排水渠和修復(fù)后項目區(qū)域的新建排水溝采集了水樣，采樣量為1L，并分別標(biāo)記為：原水和修復(fù)水。

1.3 理化指標(biāo)分析

1.3.1 尾礦理化指標(biāo)分析

尾礦樣品分析的理化指標(biāo)包括pH、總鉛、總鋅、總銅、總鎘、總砷、有效鎘、有效砷、有機(jī)質(zhì)、全氮等。

（1）pH：依據(jù)《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T66-2004），采用玻璃電極進(jìn)行測定。（2）重金屬總量：總鉛、總鎘的測定參考《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141-1997）;總鋅、總銅的測定參考《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T 17138-1997）;總砷的測定參考《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法》（GB/T 22105.1-2008）。（3）有效鎘參考《土壤質(zhì)量 有效態(tài)鉛和鎘的測定 原子吸收法》（GB/T 23739-2009）的方法進(jìn)行浸提和測定，有效砷采用原子熒光法進(jìn)行測定。（4）有機(jī)質(zhì)的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，全氮的測定采用凱氏定氮法。

1.3.2 水樣理化指標(biāo)分析

水樣分析的理化指標(biāo)包括pH、鉛、鋅、銅、鎘、砷等。

（1）pH：依據(jù)《水質(zhì) pH值的測定 玻璃電極法》（GB6920-1986），采用玻璃電極測定水樣pH值。（2）鉛、鋅、銅、鎘、砷：依據(jù)《水質(zhì) 65種元素的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ700-2014），樣品消解后使用ICP-MS測定含量。

1.4 植被蓋度及種類調(diào)查

于2018年11月進(jìn)行了植被調(diào)查。植被蓋度采用目測法。植物種類調(diào)查是在項目區(qū)域設(shè)置前中后三個區(qū)塊，各區(qū)塊隨機(jī)設(shè)置3個10 m × 10 m樣方，對樣方內(nèi)所有占一定優(yōu)勢的植物進(jìn)行調(diào)查并記錄，同時拍攝每種植物的照片并制作標(biāo)本，對照《中國植物科屬檢索表》最終確定植物種類名稱，最后對所有樣方的調(diào)查情況進(jìn)行匯總，統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)總的植物種類數(shù)目。

2 結(jié)果與討論

2.1 尾礦重金屬污染控制效果分析

對生態(tài)修復(fù)前后的尾礦樣品進(jìn)行了采集和理化分析，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，石人嶂尾礦庫原始尾礦的pH均值為6.28，表現(xiàn)為弱酸性，對植物生長影響較小，但尾礦通常含有一定量的金屬硫化物，這些金屬硫化物在氧化和水的作用下能夠氧化產(chǎn)酸，影響植物生長并導(dǎo)致重金屬溶出造成環(huán)境污染[14]。修復(fù)工程實施后，采集的修復(fù)尾礦pH均值由修復(fù)前的6.28上升至7.59，從弱酸性變?yōu)槿鯄A性。在重金屬總量方面，原始尾礦的總鉛含量均值為224 mg·kg-1，總鋅含量為94.6 mg·kg-1，總銅含量為204 mg·kg-1，總鎘含量為4.27 mg·kg-1，總砷（砷為類金屬）含量為4310 mg·kg-1。在重金屬有效態(tài)含量上，原始尾礦的有效鎘含量為0.39 mg·kg-1，有效砷含量為14.6 mg·kg-1。對比《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》第一類用地風(fēng)險管制值，可以看出，原始尾礦總砷含量超標(biāo)嚴(yán)重，達(dá)到風(fēng)險管制值的35.9倍，可能會對環(huán)境和植物生長產(chǎn)生嚴(yán)重影響，總鉛、總銅、總鎘含量則在風(fēng)險管制值范圍以內(nèi)。修復(fù)工程實施后，雖然采集的修復(fù)尾礦總砷含量仍超出風(fēng)險管制值，但重金屬總量相比修復(fù)前均有所降低，其中總砷含量降低37%?？刂莆驳V重金屬的溶出對降低尾礦庫造成的污染具有重要意義。相關(guān)研究表明，石灰不僅能夠調(diào)節(jié)尾礦的酸堿度，同時還能有效地降低重金屬的有效態(tài)含量[15]。此外，本研究添加的有機(jī)改良基質(zhì)、微生物菌劑、磷肥以及建立的植被也均具有降低重金屬溶出的作用[16-17]。從有效態(tài)重金屬的數(shù)據(jù)上看，生態(tài)修復(fù)后的尾礦有效砷含量均值為5.7 mg·kg-1?？紤]到前后測定的尾礦重金屬總量有一定差異，這里使用重金屬有效態(tài)系數(shù)來比較修復(fù)前后重金屬的溶出能力。尾礦中污染最高的砷有效態(tài)系數(shù)從0.34%下降至0.21%，降低了38%。以上結(jié)果表明，生態(tài)修復(fù)顯著降低了尾礦中砷等重金屬元素的溶出，有效地控制了尾礦的重金屬污染。吳啟明等在德興銅礦的實踐也發(fā)現(xiàn)，在銅礦廢棄地施用石灰和有機(jī)改良基質(zhì)，能夠顯著抑制產(chǎn)酸和重金屬溶出，取得良好的污染治理效果[18]。

#風(fēng)險管制值參考《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》第一類用地標(biāo)準(zhǔn)?！啊北硎緲?biāo)準(zhǔn)中未有該項目。

*括號里的數(shù)字為重金屬的有效性系數(shù)，即有效態(tài)含量占總量的比例。

同時，對尾礦庫原始未修復(fù)區(qū)域和修復(fù)后項目區(qū)域的水樣進(jìn)行了采集和檢測分析（表2）。結(jié)果顯示，原水的pH值為3.57，低于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）的pH值6～9標(biāo)準(zhǔn)范圍，偏酸性;鉛含量低于0.05 mg·L-1，鋅含量為4.23 mg·L-1，銅含量為0.74mg·L-1，鎘含量為0.15 mg·L-1，砷含量為4.31 mg·L-1。與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值相比，原水鋅、銅、鎘、砷含量均超標(biāo)，分別是執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值的2.1倍、1.5倍、1.5倍和8.6倍，砷超標(biāo)最為嚴(yán)重。與此相比，修復(fù)區(qū)域采集的修復(fù)水pH為7.90，pH滿足6～9范圍的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為弱堿性水;鉛含量低于0.05 mg·L-1，鋅含量為0.08 mg·L-1，銅含量為0.02 mg·L-1，鎘含量低于0.003 mg·L-1，砷含量為0.39 mg·L-1，均在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值范圍以內(nèi)。與原水相比，修復(fù)水的pH值明顯升高，重金屬污染物含量顯著降低，其中鋅含量相比降低98%，銅含量相比降低97%，鎘含量相比降低98%（修復(fù)水以0.003 mg/L計算），砷含量相比降低91%，重金屬污染物排放得到有效控制，這與尾礦重金屬的檢測結(jié)果相一致。

2.2 尾礦營養(yǎng)條件改善效果分析

在尾礦的營養(yǎng)條件方面，主要分析了有機(jī)質(zhì)和全氮兩項指標(biāo)（表1）?？梢园l(fā)現(xiàn)，尾礦樣品的有機(jī)質(zhì)含量均值僅有1.26 g·kg-1，屬于甚缺乏水平。有機(jī)質(zhì)的匱乏，大大減弱了有機(jī)質(zhì)對于尾礦、植物的改善促進(jìn)作用，導(dǎo)致植物難以生長。全氮也屬于甚缺乏水平，其均值僅有0.10 g·kg-1。氮元素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，尾礦中氮元素的缺乏，必然會影響植物的定居生長，造成植物難以存活或者出現(xiàn)營養(yǎng)缺乏的各種病癥。

生態(tài)修復(fù)實施后，采集的修復(fù)尾礦樣品有機(jī)質(zhì)含量均值為7.42 g·kg-1，全氮含量為0.48 g·kg-1，盡管仍然較低，但總體來看相比修復(fù)前分別增加了489%和380%。隨著植物枯枝落葉的不斷累積，腐殖質(zhì)層不斷增加，以及豬屎豆、胡枝子等豆科植物的固氮作用，修復(fù)區(qū)域的營養(yǎng)元素含量仍有較大的上升空間。楊修等在德興銅礦的研究也表明，通過土壤改良并引進(jìn)具有固氮作用的豆科作物與綠肥作物，顯著提高了土壤的營養(yǎng)條件[19]。

2.3 植被恢復(fù)效果分析

尾礦庫生態(tài)修復(fù)后，取得了良好的植被恢復(fù)效果（圖1）。調(diào)查結(jié)果表明，項目區(qū)域已初步形成多種植物匹配互長的生長態(tài)勢，生物多樣性高，已記錄的植物種類達(dá)到14種，包括斑茅、臭椿、刺槐、胡枝子、小葉女貞、豬屎豆、泡桐、合歡、狗牙根、寬葉雀稗、鹽膚木、苧麻、龍葵、老鶴草等，涵蓋低矮小喬木、灌木、草本等，植被的整體覆蓋度高達(dá)94%。項目區(qū)域目前已度過草本為主的早期植被恢復(fù)階段，初步形成以苧麻、刺槐、鹽膚木、小葉女貞等喬灌木為主要品種的灌木群落階段。植物多樣性對于植被系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義，并能顯著提高植被系統(tǒng)修復(fù)重金屬污染的效率[20]。隨著后期植物的生長和不斷演替，項目區(qū)域植物種類數(shù)目還會不斷增加，區(qū)域的植物群落結(jié)構(gòu)也會越來越接近周邊區(qū)域原生態(tài)群落，最終帶動整個尾礦庫與周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著改善。

3 結(jié)論

石人嶂鎢礦尾礦砷含量超標(biāo)嚴(yán)重，對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。本研究采用直接植被技術(shù)對該尾礦庫進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)。研究結(jié)果表明：（1）生態(tài)修復(fù)對重金屬污染控制效果顯著，修復(fù)區(qū)域尾礦砷的有效態(tài)系數(shù)相比原始尾礦下降了38%，外排水的鋅、銅、鎘、砷含量均在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)值范圍以內(nèi)，與原水相比均降低了90%以上;（2）修復(fù)區(qū)域尾礦的營養(yǎng)條件得到明顯改善，有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著提升;（3）修復(fù)區(qū)域植被恢復(fù)效果良好，覆蓋度高達(dá)94%，植物種類達(dá)14種。本研究可為國內(nèi)同類型礦業(yè)廢棄地的生態(tài)修復(fù)工作提供參考，并為我國礦山生態(tài)環(huán)境的管理提供技術(shù)支撐和實踐依據(jù)。

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收稿日期：2020-02-01

基金項目：廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃資助（2019B110207001）;廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項（韶財教[2018]145號）;廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項（韶財教[2019]162號）

作者簡介：楊濤濤（1990-），男，漢族，博士，研究方向為重金屬礦山生態(tài)修復(fù)，目前已主持相關(guān)省級課題2項，發(fā)表SCI論文2篇，獲得省科技進(jìn)步一等獎1項。