礦山土壤生態修復技術研究

屈向陽

摘要：礦產資源的開發為社會經濟發展做出巨大貢獻的同時也帶來了嚴重的環境問題[1]。相關報告顯示[2]，在大多數礦區，采礦后缺乏科學管理導致地質災害頻發。因此，礦山生態修復技術研究非常重要。生態恢復意味著停止生態系統的破壞，采取措施以適應當地條件和利用生態系統的自我修復功能，將受損的生態系統恢復到預期狀態，或者通過人工干預恢復生態系統，向著環境、經濟和社會效益的綜合良性發展[4]。本文以惠州市仲愷高新區惠環西坑石場修復為例，對礦山生態修復技術展開討論。

關鍵詞：礦山生態環境；修復技術

1.前言

惠州市仲愷高新區惠環西坑石場位于惠州市仲愷高新區150°方向，直距約5km的惠環街道辦西坑日光村鹿古坑附近，開采礦種為建筑用砂巖，礦區面積0.1335km2，開采方式為露天開采（局部負地形凹陷開采），開采深度為+192m至+50m標高。現礦山廢棄邊坡停止采礦活動，經過較長時間的開采，礦區范圍內絕大部分地形已破壞，該治理區裸露面積5.15hm2。礦區地貌類型單一，原始地形坡度較陡，地形地貌條件中等。

2.礦山開采對生態環境的影響

該礦坑屬于露天開采，剝采比較大，開采形成大范圍的挖方高邊坡，采場內地貌發生較大的改變。同時損壞地表植物，降低水土保持功能，使水土流失加劇。造成周邊環境的失衡。采礦活動在空間上造成了含水層位的局部缺失，使之在一定范圍內中斷或不連續，對區內地下水造成一定的疏干，以采坑為中心，地下水位下降，含水層厚度變形，在一定程度上破壞了原有完整的含水層結構。礦山開采對生態環境主要有以下影響。

2.1破壞地表景觀

采礦包括露天采礦和地下采礦：露天采礦主要是基于對受損土地的清除，這大大改變了地表景觀。從地面提取礦物后，上覆的巖石層失去了支撐，巖體的內部應力失去了平衡，導致上覆巖石在工作中發生位移、變形和破壞。新的地貌出現，例如滑坡、裂縫和斜坡。在開采之前，地貌通常被自然植被覆蓋，例如森林和草原，一旦開采，堆積如山的廢物和碎屑，嚴重破壞地表自然景觀。

2.2誘發地質災害

由于地下采礦，開挖土地和斜坡會影響山脈和斜坡的穩定性，通常會導致地面塌陷、開裂，大雨很容易引起山體滑坡。而礦井關閉后，形成了巨大的空洞，數億噸的水涌入地下將導致應力在巖石周圍重新分布，圍巖中薄弱層的機械強度降低。這將容易導致大規模的滑坡，并引發周圍地區的許多地質災害，甚至引起小規模的地震。礦山雨季大雨會導致大部分土壤侵蝕嚴重。采礦作業直接破壞了地表植被，露天礦和地下礦井的地下水排水大大降低了礦區的地下水水位，導致植被退化，礦區形成大面積的裸土，很容易被雨水沖走，增加了土壤的侵蝕強度，再加上風化作用，巖石和土壤容易轉化成巖石碎片，導致土壤更容易被侵蝕，因此，采礦作業通常會導致水土流失加劇。而由于表層土已被去除，下層土壤缺乏有機物、養分和水，容易造成土壤次生鹽漬化。在風雨的影響下，固體廢物中的鹽被沖走并富集在低洼地區。蒸發后，周圍的土壤將鹽漬化。同時地面塌陷會降低土壤水分，土壤中的養分流失，導致許多地方土壤養分缺乏，土壤的承載力降低。

2.3破壞水生態環境

沉降、裂縫和降水導致了礦區儲水結構的變化，自然的水文平衡被破壞：一方面，地下水的水文條件發生了變化，導致地下水系統的枯竭或轉移；另一方面地下水的變化將導致地表徑流變化并耗盡水源或者造成水災和季節性洪災，直接影響了農作物的種植。同時礦山廢水通常很少達到工業廢水排放標準，這必然導致水質污染，嚴重影響水生生物的生存和繁殖，以及人類和動物的生存。

2.4破壞空氣環境

礦山開采對大氣環境有兩個主要影響：第一是采礦過程造成的物理污染，例如煙塵；第二是采礦過程中釋放的有害氣體引起的環境問題，例如溫室效應、酸雨和煙霧的光化學反應，導致礦區小氣候的惡化。

3.礦山生態修復技術

在該項目中存在的地質災害主要是塌落和落石，相應治理措施主要為：采用清理廢石土和清坡；削坡減載、排水、截水、護坡和植被恢復等工程措施。地形地貌景觀治理存在的廢棄邊坡對地形地貌景觀的影響較大，采取的治理措施主要為生態修復措施。生態修復措施包括采取熟土剝離儲存、覆土回填、平整、翻耕、種植植被等。水土環境污染治理措施治理區存在的對水土環境的污染主要是泥沙經處理后可達排放標準。采取的治理措施為截排水和沉淀池沉降排放。目前礦山生態修復主要有以下幾種：

3.1物理修復技術

物理修復技術主要是通過物理手段對采礦造成的生態破壞進行恢復，比如隔離、電動力學、土壤置換和覆蓋等。隔離是指使用不可滲透的材料（例如水泥，頁巖等）將受污染的土壤或水分開，以防止污染物擴散到環境中；電動力學是通過向電極施加電流，使用電滲析、電泳和其他原理轉移污染物。周鳴等[5]通過在陰極儲槽中添加乙二胺四乙酸（EDTA），增加了電流并增強了修復的效果。物理恢復方法由于其操作簡便和不易產生其他不利影響而在礦山修復中被廣泛使用，但也有一定的局限性。比如隔離方法的范圍有限，通常僅在污染非常嚴重的時候使用，且容易造成污染物擴散問題。而土壤置換和覆蓋的方法成本非常高，且易對原生態環境造成影響，而電動方法則較為適用于導電率較好的土壤環境中，但是易受電極和土壤復雜組成的影響。

3.2化學修復技術

化學修復技術主要有兩類：

3.2.1一類是通過溶劑溶解土壤中的重金屬，使重金屬變為液相浸出；3.2.2可以通過添加固化劑抑制污染物進入液相中，從而避免其對生態環境造成影響。常用的溶劑主要有酸性溶液、鹽溶液、表面活性劑[5]。可以通過簡單地浸入水中來溶解土壤中的活潑金屬氧化物。研究表明，重金屬與有機物或無機氧化物的結合可能會在酸浸過程中釋放出來。黃細花等人[6]使用HCl從土壤中浸出Cr，Pb，Zn，Cu，Cd，發現HCl可以達到更好的去除效果。在化學修復過程中，最常用的方法是通過添加改性劑來硬化或鈍化重金屬，從而降低或抑制重金屬引起的污染風險。謝偉強等[7]實驗結果表明，添加硬化劑后，重金屬離子和Ca和P、PO43-和OH-等發生反應，形成穩定絡合物，如Fe-PO4-Ca-Pb-ZnOH。此外，在尾礦中添加淤泥、肥料、稻草和其他有機廢物可以有效提高土壤的肥力并降低污染。化學修復方法適用于孔隙大且污染嚴重的土壤，此外某些化合物會沉積在土壤中，并且很難去除，可能成為新的污染源，因此有必要將其與其他方法結合使用，并對污染物進行長期監測。此外，施肥還適用于污染水平低的地區，通常與其他處理方法結合使用作為輔助方法。

3.3生物修復技術

3.3.1植物修復

植物修復主要通過在廢棄礦山的表層土壤科學的種植適合的植物，以防止水土流失，并利用植被來富集，穩定和過濾根系效果從廢棄礦山中清除污染物，從而實現改善土壤理化性質和生態環境的目的。很多蔡本植物具有富集重金屬和改善土壤環境的作用。比如苜蓿、白三葉草等草藥以及其他豆類植物是常用的生態恢復植物。這是由于豆類植物的共生固氮能力較強，可以顯著提高土壤肥力指數，隨著播種時間的延長可以有效提高土壤的肥力，并富集重金屬。比如，苜蓿根可以有效富銅和鋅，但是，由于草本植物通常較小，生物量不足限制了土壤中重金屬的其應用效果。而且基于草本植物的生態系統抗逆性較差，無法應對極端的氣候。相反，木本植物具有生物量高，抗逆性強，根系發達的優點，已逐漸成為礦山植物恢復環境研究的趨勢。木質的越橘，沙棘等具有很強的固氮能力，可以顯著改善礦區的土壤肥力，且具有較好的重金屬富集能力。此外，銀合歡、桑樹和臭椿已成功用于廢棄礦山的修復，對鎘，鉛和銅的富集有重要影響。

植物修復技術還可以防風防沙，減少水土流失，是目前最好的生態修復方法之一，廣泛用于廢棄礦山的生態恢復，盡管耐性植物的修復效果好，由于大部分植物生長緩慢，因此，修復期也較長，僅適用于表面恢復。另外，重金屬在植物中積累較多時，需要砍伐，但傳統的處置方法（如焚化和熱解）會造成二次污染，仍然存在需要解決的問題，以實現最大限度地利用資源。

該礦區損毀土地在復墾初期比較貧瘠，礦區植被選擇適宜惠城區本土耐干旱、貧瘠、耐寒的當地宜栽植物作為主要的樹種，例如：喬木（馬占相思、楓香）、灌木、野生葛藤、芒草、狗牙根及紫穗槐等，一般春季在3月～4月中旬栽植植物，栽植時適量澆水。樹穴填滿土后，適當踩實，然后在其表面覆蓋5cm～10cm松散的土；散播草籽為部分損毀區域，并適量澆水，最終實現喬、灌、藤、草多效結合的復墾局面。

3.3.2動物恢復

動物修復技術主要是利用蚯蚓、蜘蛛等土層動物改善土壤理化性質的修復方法。這些土層動物不僅具有對惡劣環境良好的抗性，可以適應較為惡劣的環境。而且其自身的活動以及生命代謝可以有效改善土壤的性質，提高土壤的肥力，并通過富集重金屬作用去除土壤中的重金屬含量。除此之外，土層動物的活動還可以有效的疏松土壤，比如蚯蚓的活動可以極大地增加土壤孔隙，并且自身的排泄物可以有效提高土壤的肥力，增加土壤內部的氧含量和水含量。例如，土壤動物在土壤中的生長和遷移以及其他類型的生活和生理代謝可以顯著提高土壤中微生物的活動程度，增加土壤肥力。另外，土壤動物進食和消化土壤中的有機物可以分解并將其轉換為容易被植物利用的有機酸，同時可以降低一些重金屬的毒性，從而提高傳統生物土壤修復的效果和速度。

3.3.3微生物修復

微生物修復技術是指微生物來減少污染物以及提高土壤肥力的方法。例如，硫酸鹽還原菌可用于還原和去除采礦業酸性礦山廢水中的大量硫酸鹽。還與廢水中的重金屬一起沉淀。實驗室實驗結果表明，在pH值為5.00和停留時間為18小時的情況下，還原硫酸鹽細菌對硫酸鹽的回收率可達到46.10%，并銅、鋅、鐵含量下降非常明顯。除此之外，微生物還可以利用有機廢物，同時固定N2，改善了土壤的物理和化學性質。微生物修復技術是自然過程，因此對環境影響很小，并且可以大大降低污染物的濃度。微生物修復技術較為復雜，且時間較長，并具有一定的特異性，因此微生物修復技術的應用仍然有很大局限性。

在礦山環境修復中，一種修復技術往往具有一定的局限性，無法滿足修復需求，多種修復技術結合可以相互補充，以達到最佳修復效果。比如物理化學聯合修復技術可以快速固化，直接消除有毒有害物質，物理化學聯合修復技術成功的關鍵是選擇可以與重金屬混合的物質；微生物化學聯合修復技術通過向土壤中添加表面活性劑以促進污染物從表面活性劑的固相到膠束相的分布，增加疏水性物質在土壤中的溶解度，同時還可以增加膜對微生物的滲透性；植物化學聯合修復技術通過在土壤基質中添加螯合劑來促進植物修復，改善土壤中有害物質的解毒能力；植物微生物聯合修復技術可以協同特定的微生物，比如菌根真菌的生命活動和生理代謝可以將水、酶和其他物質轉移到附近的植物，從而促進植物的生長并和土壤中重金屬的轉化和遷移，從而增加植物對重金屬富集能力。同時應用兩種或更多種修復技術將產生協同效應，將大大克服一種修復技術的局限性，改善資源利用并增強生態修復的效果。因此，環境修復聯合技術無疑將成為未來礦山環境修復研究的主要重點。但是，聯合修復技術的組合是極其復雜的生化過程，比單一回收技術更容易受到環境影響，要求對每種技術都有一定的經驗，增加了操作的復雜性。

4.結語

本礦區土地復墾項目施工建設、施工工藝及土地復墾各個環節要形成一個完整的系統，從而達到土地墾后的土地的利用和一體化經營，形成土地復墾的規模效益和良性循環機制。在復墾治理后的土地，要采取一定量的生物化學措施，生物化學措施主要包括恢復植被與生態維護等工程。本次治理工作范圍，為已形成的開采邊坡及邊坡外側的排土場。經過生態修復后將提高植被的覆蓋率，有利于提升周邊生態環境，對水、空氣和土地資源有明顯改善，同時防止地質災害的發生，環境效益、經濟效益及社會效益顯著。

參考文獻：

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