礦山廢棄地生態修復技術研究

梁天昌 歐莉莎 張朝玉

(貴州雛陽生態環保科技有限公司，貴陽 550001)

礦產資源是我國經濟和社會發展的物質基礎。據統計，我國生產資料取自礦產資源的能源、工業原料、農業比重分別是90%、80%、70%以上。我國消耗的礦物原料的速率約為每年50億噸以上，依靠開發的礦產資源來支撐我國GDP中70%的國民經濟的運轉。開發礦產資源活動特別是金屬礦山對國民經濟發展起到巨大的推動作用，但同時也產生了一系列生態環境問題，主要表現為地表水和地下水污染、開采排放的有害氣體及粉塵污染、土地污染及破壞、導致地面塌陷等次生地質災害、破壞植被及土壤微生物原生環境等。據統計，在我國113 108座礦山中，因采礦形成的采空區面積大約為134.9萬hm2，占礦區總面積的26%；采礦過程占用和破壞的土地面積達到238.3萬hm2，占礦區面積的47%，采礦引發的礦山次生地質災害累計有12 366起，造成直接經濟損失166.3億元[1]。此外，礦山開采過程中產生的尾礦、廢石和廢渣直接堆積于地表經風化淋濾等地球化學作用后使其中有毒有害物質進入環境中，導致環境質量下降，這些有毒有害物質通過食物鏈進入人體，危害人類健康。因此，礦山廢棄地的生態修復迫在眉睫。

1 礦山廢棄地及其類型

礦山廢棄地是指在采礦或采石過程中被破壞的、未經一定處理而無法使用的土地，在礦山開采的過程中形成的露天采礦場、塌陷區、排土場以及尾礦庫等無經濟價值的土地均統稱為礦山廢棄地[2]。根據礦山廢棄地來源不同可分為3種類型：一是剝離表土，開采的廢石及低品位礦石堆積形成的廢石堆廢棄地；二是隨著礦物開采形成的大量的采空區域及塌陷區，即開采坑廢棄地；三是利用各種分選方法分選出精礦物后的剩余物排放形成的尾礦廢棄地[3-4]。其中，土壤基質物理結構、持水、保肥能力差，N、P、K及有機質等養分含量極低使土壤極端貧瘠是導致礦山廢棄地形成的主要環境脅迫因子[5]。金屬礦山廢棄地生態修復存在諸多問題，礦山開采后土壤生態環境變化較大，空間形態落差大，土壤基質的物理結構不良，肥力和團粒結構降低，限制生物生長活動的污染物質，如重金屬含量過高、含硫物質被氧化生成酸性氧化物形成酸性廢水或土壤鹽堿化等；破壞原有地表土壤后，金屬礦山廢棄地礦物質易被降雨和地表徑流沖刷和風蝕，污染物易于進入溶液中隨徑流擴散到其他地區，或者入滲地下水，以及隨揚塵擴散；金屬礦山廢棄地表層缺乏植物覆蓋，易吸收熱輻射，溫度過高引起干旱和水土流失等。

2 礦山廢棄地生態修復研究現狀

2.1 國外研究現狀

世界上許多工業發達國家經濟發展迅速，故相應的環境治理方面發展得也較早。礦區生態修復最早開始于美國和德國，經過四十年左右的發展，礦山廢棄地土地復墾和生態恢復逐漸成為環境科學研究的熱點領域，其中歷史較久、規模較大、成效較好的有德國、澳大利亞、美國、英國等[6]。關于礦區生態修復，國外一些發達國家較早就開始重視坡壁綠化，并開創了一系列的綠化工程技術，如客土噴播法、厚層基材噴射綠化法、生態多孔混凝土綠化法、植生卷鋪蓋法、種子噴播法等[7]。在20世紀末期，國外對塌陷區環境影響、礦山塌陷區植被恢復、礦山固廢的綜合利用、廢棄地復墾、土壤中重金屬的去除等方面就已經開展了研究，21世紀以來，包括礦山廢棄地生物多樣性的研究、礦山開采過程對環境的影響機理、土壤重金屬的植物富集，土地復墾、監測和評價過程中3S技術的應用以及礦區水體修復等領域備受學者關注。

2.2 國內研究現狀

我國礦山廢棄地生態修復工作開始于20世紀50年代末60年代初。據統計，我國每年開采礦石總量達到93億t，我國礦業廢棄地面積廣、種類復雜，目前有80%以上的礦業廢棄地尚未得到修復[8]；20世紀80年代初，我國礦山廢棄地的生態修復率不到1%，到20世紀80年代末期，生態修復率僅為2%，到目前，生態修復率仍不到12%，遠低于發達國家65%的修復率[9]。

1988年頒布的《土地復墾規定》和1989年頒發的《中華人民共和國環境保護法》，標志著礦區生態修復走上了法制化的軌道，生態修復速度和質量有了較大的提高，并取得了一定的成績，截至1995年，我國礦區廢棄地恢復面積已經達到了5.3×105hm2，但其修復狀態仍不理想[10]。20世紀90年代以來，我國對礦山廢棄地復墾和重金屬污染植被修復方面的研究投入越來越大。進入21世紀以來，主要是進行以礦山生態系統健康與環境安全為目標的生態修復。

國內針對礦山裸露邊坡修復進行的技術研究有植被混凝土技術、PMS基材噴附技術、裸露邊坡植被恢復技術、VRT礦山植被恢復技術組合創新研究等[7]。此外，國內學者關于礦山廢棄地基質改良技術、礦山廢棄地重金屬超富集植物篩選、植物重建模式等方面也開展了大量研究，并取得了較好的成果。如在重金屬富集方面，目前國際上報道的超富集植物已有400多種，其中具有我國自主知識產權的超積累植物也時有報道，雖然數量較少，但也有典型例子，如Zn的超富集植物東南景天、Mn超富集植物商陸、Cd超富集植物油菜和寶山堇菜以及As超積累植物蜈蚣草等[11]。

3 礦山廢棄地生態修復技術

針對礦山廢棄地特別是金屬類的生態修復主要存在的問題，目前，治理土壤重金屬污染主要有以下三種途徑：一是改變重金屬離子在土壤中的存在形態，降低其在環境中的遷移性和生物可利用性；二是利用生物或工程技術方法從土壤中去除重金屬；三是改變種植方案，避免重金屬通過食物鏈影響生物和人體健康。常見的礦山廢棄地生態修復技術有表土覆蓋法、物理化學基質改良法、生物改良法，以及利用城市固體廢棄物按比例混合而成的人工基質改良法、聯合修復等。

3.1 表土覆蓋技術

表土覆蓋技術指的是在地表受到擾動破壞前將表層15-20 cm和亞層20-40 cm厚的土壤取走保存，待工程結束后再回填到原處。這部分表層和亞層土壤結構良好，具有較高含量的養分和水分，還包含許多微生物以及植物種子等，是實現快速生態修復較好的資源。一般認為，為了避免植物根系穿透表土層而扎進有毒的礦土中影響正常生長，覆土應越厚越好。但Holmes和Richardson研究則表明[12]，覆土并非越厚越好，當覆蓋的表土厚度為10 cm時，植物的蓋度可從20%上升到75%；覆蓋土層厚度達到30 cm時，植物蓋度可上升到90%，這兩種深度的表土對提高植物密度方面的差異并不明顯，甚至在播種18個月后，淺表土(10 cm)上的植物密度反而比深表土(30 cm)的高。回填表土是一種常用且最為有效的措施，其修復效果雖然較好，但仍然存在較大的局限性。一方面在于土壤采集、堆放、再次覆土過程工程量大；其次，我國大多數礦區分布在山區，這些地方土源較少，甚至無土可采，一些礦山企業甚至花費巨資進行異地熟土覆蓋[13]，但這并不能解決長期問題，而且還會導致大面積水土流失、石漠化加劇等。對于缺乏土源的礦山，可以考慮利用谷殼、秸稈、稻草等農作物粉碎、發酵后作為土壤替代物進行基質改良，不僅可以改善基質結構，還有利于增加養分含量。

3.2 物理化學基質改良技術

礦山廢棄地修復過程中，物理化學基質改良技術也較為常用。大多數金屬礦山廢棄地如煤矸石堆場、銅尾礦廢棄地等存在酸污染、重金屬污染問題，也有赤泥堆場堿性廢棄地產生的堿性廢渣、廢水等。這些高濃度重金屬和極端酸堿污染區域可通過投加改良劑經絮凝、沉淀、中和等作用達到修復目的。在礦山廢棄地表面施用化學物質固定表層尾礦有毒有害物質，選用沉淀法、有機質法、抑制劑法等改良措施，根據實際情況向污染土壤投加改良劑，增加其中的有機質、陽離子交換量和粘粒含量，以及改變pH和電導等性質，使土壤中的重金屬發生氧化、還原、吸附、沉淀等作用，降低重金屬活性，從而使生物能在廢渣或污染土壤上存活。當廢棄地的pH值過低時，可向土壤中施加碳酸氫鹽和石灰，使pH升高；當廢棄地土壤pH值過高時，撒施FeSO4、硫磺、石膏等物質，使pH下降。周航等[14]以湖南郴州柿竹園鉛鋅礦區一塊重金屬污染的菜園土地做試驗，研究發現碳酸鈣能有效降低土壤中交換態重金屬Pb、Cd、Zn含量。朱佳文等[15]在對湘西花垣鉛鋅尾礦砂中鎘、鉛、鋅施用石灰和磷酸一銨等鈍化劑后，發現該鈍化劑能明顯影響鎘、鉛、鋅的移動性和生物有效性，具有一定的固化效果。也有研究表明，向土壤中添加不同形式的含磷改良劑，能有效地將土壤中非殘渣態的鉛轉化成為殘渣態鉛，從而降低土壤中鉛的移動性和生物有效性[16]。該技術的優點是能很快抑制有毒有害物質的釋放和遷移，但是該技術的應用要求施工條件比較苛刻，施工水平也較高，實施不當容易造成二次污染，改良后的長效性也有待考證。

3.3 城市固體廢棄物人工基質改良技術

城市固體廢棄物、糞便等富含氮、磷、有機質，可有效改善礦山廢棄地基質的營養狀況；其次是它們含有大量的有機質可以通過螯合作用固定部分重金屬離子，降低其毒性；再次，這類改良物質與廢棄地基質本身就是一類固體廢棄物，這種以廢治廢的做法具有很好的綜合效益，可作為礦山廢棄地基質改良材料[17]。城市污泥及其堆肥產品也是一種良好的有機肥料和土壤改良劑。一方面，其含有很高的有機質和氮磷養分，能快速提高礦山廢棄地的有機質的含量和土壤結構性能。另一方面，城市污泥的粘性、持水性和保水性等物理性質良好，能在很大程度上彌補采礦廢棄場地土壤抗蝕性、抗沖性、透水性差等缺點，從而改善其水土保持能力。

吳志強等[18]利用城市污泥、粉煤灰等對黔西北鉛鋅礦區污染土壤進行修復試驗，結果表明：污泥施用可顯著提高礦渣中氮、磷的含量，其肥效遠遠優于普通的氮、磷、鉀肥。適當比例粉煤灰鈍化的污泥不但能改善礦渣的極端貧瘠條件，顯著促進玉米的生長，還能降低重金屬的毒害作用。彭禧柱等[19]通過野外田間試驗，在鉛鋅尾礦中添加酒糟、中藥渣、蘑菇渣3種工業有機廢物作為改良劑，結果表明：添加該工業有機廢物處理后尾礦中有效態Cu、Pb、Zn、Cd含量均有所降低，有機質、銨態氮、有效磷含量以及土壤脫氫酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性均有明顯的提升；向鉛鋅礦廢渣中添加酒糟、中藥渣、蘑菇渣3種工業有機廢棄物促進了植物種子萌發和種苗生長，其中植被蓋度分別達到了84%、79%和86%。綜合分析表明，將城市固體廢棄物作為改良劑用于尾礦廢棄地的生態恢復，降低了尾礦治理修復的成本，同時還可以實現工業廢棄物的資源化利用，從而達到“以廢治廢”“變廢為寶”的雙贏目的。

3.4 生物改良技術

生物改良技術是基質改良中常用的方法。生物修復是指運用微生物或植物的生命代謝活動，將土壤環境中的危害性污染物降解成二氧化碳和水或其他無公害物質的工程技術。土壤的物理改良和化學改良成本高、易引起二次污染，且在景觀方面的改善作用較小。而生物修復投資小，兼具降解、吸收或富集受污染土壤和水體中污染物質的能力，能夠同時改變大氣、水體和土壤的環境質量，可有效減輕污染對人體健康的危害，并且還具有一定的經濟優勢[20]，生物改良技術應用前景將會越來越廣。

3.4.1 植物修復技術

植物修復是利用植被原位處理污染土壤和沉積物的方法，植物在生態系統中起到不可或缺的作用，在礦山土壤改良中不僅能夠固定或修復重金屬污染土壤，還能改善土壤理化性質，提高土壤肥力等。植物對土壤改良的原理大致可歸納為：通過植物的吸收、揮發、降解、穩定等作用，從而降低土壤環境中的污染物。

我國許多學者對植物修復方面做了大量研究，下面主要綜述幾種改良礦山廢棄地優選植物及效果。

(1)超富集植物。超富集植物是指從土壤中超量富集重金屬并能將其轉移到地上部，對重金屬的吸收量超過一般植物100倍以上的植物，積累Cd在100 μg/g，積累Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量一般在1000 μg/g，積累Mn、Zn含量一般在10 mg/g(干重)以上，且不影響正常生理活動的植物。如查紅平等[21]運用砷超富集植物蜈蚣草將土壤中的砷吸收并轉運到植物的地上組織中，發現其地上部分砷含量達到植物干重的2.3%，從而降低土壤中砷的含量，達到土壤修復的效果。近幾年來關于砷超富集植物又有了新發現，如粉葉蕨、大葉井口邊草、長葉甘草蕨，以及狹眼鳳尾蕨和琉球鳳尾蕨等均能夠富集砷，這些砷超富集植物中除了粉葉蕨外都屬于鳳尾蕨[22]。束文勝等[23]對已廢棄3000余年的湖北銅綠山古冶煉渣堆進行了植被和土壤調查，發現鴨跖草可富集大量Cu，其地上部分和根部的Cu2+質量分數分別達到1 034 mg/kg和1 224 mg/kg，故超富集植物鴨跖草可用于銅污染土壤的植物修復。盡管至今已發現很多重金屬超富集植物，但大都是針對單一重金屬的超富集植物，而實際環境中土壤一般包含兩種或兩種以上重金屬的復合污染，故篩選出多金屬耐性植物以修復多金屬復合污染廢棄地仍有待進一步研究。

(2)先鋒植物。先鋒植物是指在某種惡劣環境下仍能正常生長的植物。因礦山廢棄地土壤物理結構差，植被生長條件極端，故在植被恢復過程中對植被的選擇是至關重要的，應本著生長快、適應性強、抗逆性好的原則篩選植物，以達到最好的修復效果[24]。要根據廢棄地污染物的性質選擇適宜的先鋒植物。在高濃度重金屬廢棄地中，可種植抗重金屬較強的植物。朱佳文等[25]通過分析湖南湘西花垣鉛鋅尾礦庫定居的五節芒、辣蓼和截葉鐵掃帚3種先鋒植物發現，先鋒植物可以提高土壤含水率、土壤有機質含量，從而提高土壤肥力。并且發現先鋒植物在廢棄地的生長可以促進殘留態Pb、Zn、Cd向弱結合態轉化，從而改變Pb、Zn、Cd的形態分布，影響Pb、Zn、Cd在土壤中的生物有效性。

(3)綠肥。綠肥是一種養分完全的生物肥源，它多數是豆科植物，也有禾本科、十字花科等非豆科植物，它是一種良好的天然綠色土壤改良劑，對改良土壤環境也有很大作用。豆科植物可以將空氣中的氮通過根瘤固定下來，從而增加土壤中氮含量，故目前豆科植物的運用較為廣泛。許麗等[26]研究表明，對于煤矸石廢棄地的植物復墾，選用豆科植物不僅能快速地適應土壤條件，還能有效改善土壤肥力。不同的科屬綠肥間具有不同的養分作用，因此，根據具體情況實行綠肥混播，能更好地改善土壤理化性質。

(4)植物輔助。為了植物可以在不良的土壤環境下正常生長，可以采取一些輔助措施以提高植物修復效率的方法[27]：①可以在土壤中施加有機化合物，阻擋重金屬離子的沉淀，增強重金屬活性，加快植物對各種重金屬元素的吸收；②可以添加螯合劑來促進植物修復，螯合劑可以與金屬離子形成可溶性的絡合物，從而提高植物修復的效率，但螯合劑本身是一種難分解物質，使用時需注意，以防引發二次污染；③利用植物激素促進植物生長、調劑植物的生理代謝過程，可用來解決目前超富集植物植株矮小的問題；④針對有機污染，可以添加生物碳和黑炭等吸附劑來加速清除干凈土壤中有機污染物；⑤將基因工程和現代分子生物技術結合到植物修復技術中，鑒定和克隆抵抗重金屬的植物基因，并通過轉基因技術創造一批新的植物品種，提高超富集植物的提取能力和生物產量。

3.4.2 土壤動物改良

土壤動物在改善土壤物理結構、增加土壤肥力和分解枯枝落葉層促進營養元素在土壤中循環等方面有很大的作用。土壤動物在生態系統中擔任著消費者和分解者的角色。如蚯蚓是世界上最有益的土壤動物之一，是土壤中的主要動物類群，土壤動物生物總量中蚯蚓的生物量占60%以上[28]，在維持土壤生態系統功能中起著不可替代的作用。蚯蚓活動可疏松板結的土壤，加快植物枯枝落葉的降解和有機物質的分解、礦化，提高土壤中速效鈣、速效磷等的含量，增強土壤中硝化細菌的活動，改善土壤的化學成分和物理結構，也可以吸收土壤中的重金屬。因此，近年來蚯蚓在環境污染及修復中的應用越來越受人們重視。吳國英等[29]通過室內接種法得出的研究結果表明，赤子愛勝蚓對豬糞中的Zn和Cu具有一定的吸收能力，對應的富集系數分別為0.73和0.43。這些都表明蚯蚓對重金屬均有較強的富集能力。因此，在礦山廢棄地生態恢復中引入一些有益的土壤動物，能使生態系統功能的重建更快完善。

3.4.3 微生物改良

生態恢復不僅包含土壤和植被的恢復，還需要土壤微生物實現分解者的功能。微生物改良是指利用微生物的各種代謝活動從而減少土壤中的污染物或使污染物完全無害化，從而降低土壤的污染程度。微生物在促進植物營養吸收、改善土壤結構和降低重金屬毒性等方面也具有很大的作用。相關研究[10]表明，豆科植物能在污染土壤生長并進行有效的固氮作用，使土壤中的氮含量大幅度提高，特別是一些有根瘤和莖瘤的一年生豆科植物，能耐受有毒金屬和低營養水平，是理想的先鋒植物。趙永紅等[30]認為植物與固氮菌、菌根真菌或專性、非專性降解菌群協同作用，增加對污染物的吸收和降解，是一個很有價值的研究方向。

3.5 聯合修復技術

由于礦山廢棄地成因復雜，污染物質種類多樣，所以采用單一的技術修復礦山廢棄地無法起到明顯的效果。 綜合考慮礦山廢棄地污染物的形成機制以及生態環境現狀， 采用多種生態修復技術聯合治理， 實現快速精準的修復目的。廣東省某稀土礦區采取土壤有機質與植物修復聯合治理礦山廢棄地，修復前后對比發現，經過聯合修復后的土壤中有機質的含量遠遠超過未經治理的污染土壤，并且提高了土壤的保水能力，增加了土壤生物多樣性， 經過聯合修復后的廢棄地基本達到了耕作要求[31]。將熟石灰、沸石、凹凸棒土、有機肥與待測土壤按照一定比例充分混合均勻進行改良土壤， 將處理過的土壤放入生態袋內并種植植物做成生態邊坡，治理水土流失效果明顯，使邊坡穩定性增強，有利于形成生態防護林[32]。

4 結語

隨著我國礦山廢棄地生態修復技術逐步推廣實施，很多技術都得到了更新完善。表土覆蓋修復技術雖然工程應用較為廣泛和成熟，但局限性較大，工程實施成本高，施工不當易造成水土流失、石漠化加劇等；利用物理化學改良劑進行基質改良雖然效果明顯、周期短，但仍存在成本高、操作繁瑣、易造成二次污染等缺點；生物修復法中的植物修復技術是一種綠色修復技術，在植物修復過程中，具有成本低、不破壞土壤和河流生態環境，不引起二次污染等特點，可能最終效果很好，但是在實施過程中也會面臨一些問題：首先，植物修復的周期長，效率和速率不高，導致資源耗費嚴重。在植物修復過程中還會受到氣候、地質條件、溫度、土壤類型等因素的影響；聯合修復技術是結合礦山廢棄實際情況，因地制宜提出的一種綜合性技術措施，針對性較強，生態修復效果明顯，但是前期可行性研究工作量大，施工過程工序多，學科交叉應用范圍廣。礦山廢棄地生態修復應結合礦山開采過程中對生態環境的破壞程度以及礦山廢棄地的類型和特點，開展相應的工程措施，以恢復生態學理論作為指導，以依靠自然、模擬自然、人工促進為生態修復原則，這樣才能使得恢復后的生態系統結構合理、功能完善，避免出現生態恢復后又退化的現象。因此，生態修復技術的綜合利用，揚長避短，是實現礦山廢棄地生態修復的有效途徑，可實現環境、土壤和生態的綜合修復。