碳中和視角下露天廢棄礦山生態修復技術優化

田占良

(河北省地礦局 國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

隨著國土空間開發和城市化進程的不斷推進，露天廢棄礦山這一歷史遺留問題已經逐漸成為較嚴重的生態問題[1-3]。為充分挖掘廢棄礦山的潛在利用價值，廢棄礦山的生態修復與改造利用作為一種積極的舉措受到人們的關注[4-6]。因此，如何確保露天廢棄礦山在修復過程中的有效性，達到碳中和目標，降低污染與能耗，滿足露天廢棄礦山生態修復的可持續性成為當下研究的重點。鑒于露天廢棄礦山治理與修復的重要性，相關學者進行了較多的案例研究，并積累了大量的經驗[7-9]。如，覃茂剛等[10]以海南某露天廢棄礦山的治理為案例，闡述了臺階式降坡卸荷的方法，并在設置防護網與警示標志的基礎上，結合設立魚塘、植樹種草等舉措，實現生態環境的綜合治理。郭黨生[11]依托北京密云區某廢棄礦山修復工程，提出了基于不同邊坡類型采取針對性綠化措施的“立體綠化模式”，有效治理了該礦山存在的土地資源破壞、地質災害嚴重等生態環境問題。聞彩煥等[12]針對傳統礦山修復時全站儀或GPS-RTK測量存在的弊端，提出了基于無人機傾斜攝影測量技術的礦山生態修復開展方法，闡述了其在方案設計、施工管理等階段的技術優點，認為無人機傾斜攝影測量技術在礦山治理的安全性、效率以及信息化方面具有顯著優勢。

“碳中和”中的“碳”即為二氧化碳，主要指人們在工農生產和交通運輸過程中所排放的溫室氣體；“中和”意為正負相抵，主要通過植物對溫室氣體的吸收來實現[13]。對于露天廢棄礦山而言，相關的治理報道大多側重于治理手段的改善以及局部的生態環境營造，而基于碳中和視角下的露天廢棄礦山生態修復方法則鮮有報道。為此，本文在已有研究成果的基礎上，從“碳中和”角度出發，通過有效運用基質改良、植物修復、自然修復、微生物修復以及輔助修復等優化技術，達到露天廢棄礦山生態修復的目的，并實現碳中和的目標。

1 廢棄礦山生態修復的價值

(1)改善生態環境，構建生態文明。這些年在我國社會經濟快速發展過程中，礦山開采成為其發展的基礎與保障，很多露天礦山在失去開采價值后便被廢棄，對當地生態環境造成極大破壞。所以在碳中和視角下，利用生態修復技術，實現露天廢棄礦山的綠色生態治理，能夠改善當地生態環境，構建生態文明。

(2)實現綠水青山，合理開發旅游資源。露天廢棄礦山在修復過程中，利用生態修復技術，讓遭到破壞的環境逐漸得到改善，并開始變綠。讓滿目瘡痍的露天礦山變綠，通過旅游資源的合理開發，能增加當地群眾的收入。

(3)推進綠色生產，提升節能減排和固碳增匯能力。露天礦山生態修復過程中碳達峰、碳中和是十分重要的組成部分，不僅可以體現低碳轉型理念，還能在生態修復過程中探索低碳土地利用與開發模式。將低碳綠色生產生活、低碳節能產業用地轉型等理念與方法融入到礦山修復中，能極大改善當地生態環境，合理利用土地，利用綜合治理，推進綠色生產，提升節能減排和固碳增匯能力。

2 露天廢棄礦山存在的問題

目前，露天廢棄礦山存在的問題主要表現為：①土地占用量大，破壞嚴重。露天礦山活動過程中需要修建廠房、公路等基礎設施，同時也會產生大量廢棄物，占用大量土地的同時也會對生態環境產生極大破壞，如圖1(a)所示；②地質災害較多。廢棄礦山雖然沒有開采活動，但是依然會受到各種地質災害的影響，如滑坡、泥石流、地下采空區、局部塌陷等，對礦山附近的城市及村莊形成威脅，如圖1(b)所示；③環境污染。礦山在活動過程中形成大量廢水、廢氣、廢渣等，這些廢物并未經過合理處理就隨意排放到河流、大氣及土壤中，對當地生態環境產生極大影響；④水土流失與荒漠化。露天礦山的開采會將周圍的植物全部砍伐完，造成嚴重的水土流失問題，水土流失繼續發展，就會形成荒漠化。

圖1 廢棄礦山存在的危害Fig.1 Hazards of abandoned mines

3 廢棄礦山生態修復技術的優化

目前露天廢棄礦山生態修復技術的研究相對較多，在國內外都有大量案例，比如日本國營明石海峽公園、法國Biville采石場等都是利用先進的生態修復技術，實現礦山的綠色發展，以此達到碳中和目標。下面就對露天廢棄礦山生態修復技術的優化進行介紹。

3.1 生態恢復技術

3.1.1 基質改良技術

(1)物理改良。露天廢棄礦山生態恢復過程中，需合理使用基質改良技術，其中物理改良是十分重要的組成部分。由于廢棄礦山基質結構性差，且土壤失去養分，有重金屬毒性，到最后生態修復難度較高。包括表土回填(圖2)、客土法等是比較常見的物理改良方法，如果是金屬礦山，土層會被重金屬污染，且由于土層過薄，沒有土壤層產生，所以基質改良中客土法的應用價值較高。按照基質成分及物理性質等，對覆土厚度進行確定，恢復土地為農業與林業兩類，前者覆土厚度需達到50～100 cm，后者則需達到10～30 cm。Holmesetal在研究中指出，當覆土厚度分別為10、30 cm時植物的蓋度能提高50%與70%。在具體應用中，要考慮土壤來源以及運費，且避免對其他區域的植被造成破壞。一般情況下，基質改良過程中的土壤可以使用秸稈等發酵后代替使用，提升土壤養分。

圖2 廢棄礦山表土回填Fig.2 Backfilling site of waste mine topsoil

(2)化學改良。酸堿化問題在露天廢棄礦山中比較常見，在對這類土壤進行改良過程中可以使用硫酸亞鐵、石膏、碳酸氫鹽等。土壤堿化程度可以通過石膏的應用得到有效減輕，土壤中水的滲透能力也能有效增強，土壤基質會得到極大改善。將碳酸氫鹽和石灰投入到基質中，能有效中和酸性廢棄地。通過少量多次的方法將碳酸氫鹽或石灰投入到酸性較高或產酸較持久的廢棄地中，也能對土層進行有效改善。露天廢棄礦山缺少各類植物生長所需的氮、鉀等營養物質，所以在改良過程中，可以將化肥、生活垃圾等加入到土層中。如可以將糞肥和石灰施加到鉛鋅尾礦庫，對尾砂的改良效果較高，一般情況下糞肥與石灰的用量分別為37.80、2.00 t/hm2。同時也可以使用城市污泥(圖3)，不僅可以對露天廢棄礦山土壤進行改良，還能確保土壤具有良好肥力。由于城市污泥屬于固體廢棄物，整體成本較低，且能實現廢物資源的有效利用，但是要在污泥使用前進行檢測，避免發生二次污染。

圖3 城市污泥Fig.3 Municipal sludge

(3)生物改良。在土壤結構改良過程可以引進蚯蚓，增加土壤保水保肥能力。對于重金屬鉛、銅等蚯蚓的富集作用較強，對于重金屬土壤蚯蚓有良好的凈化能力。也可以在廢棄改良期間應用菌根、酶等微生物，增加土壤微生物菌群的活性，根際周圍的微生物環境能得到有效改善。某廢棄礦山在物理、化學以及微生物等綜合改良措施前后的情況如圖4所示。

圖4 某廢棄礦山在基質改良前后的對比Fig.4 Comparison of an abandoned mine before and after matrix improvement

3.1.2 植物修復技術

碳中和作為一種綠色環保理念與形式，在生態修復過程中要利用好植物修復技術，提升碳匯儲量，滿足我國生態文明建設需求。露天廢棄礦山生態修復過程中，植物修復技術應用前景廣闊。在廢棄礦山的土層上逐漸建立起適宜、穩定的植物群落，能有效改善土壤及周圍生態環境，達到碳中和的目標。碳中和的實現要求在生態修復過程中，減少或者無污染，降低能耗，減少CO2的排放，如圖5所示。

圖5 某廢棄礦山的植物修復前后Fig.5 Before and after phytoremediation of an abandoned mine

植物修復技術的要點是選擇適宜的物種，尤其是在露天廢棄礦山上，植物的營養元素均來源于重金屬土層，所以只有保證物種選擇的科學性，才能逐漸改善礦山生態環境。植物物種以重金屬耐性植物、富集或超富集植物為主，常見的有高山甘薯、酸模羽葉鬼針草等。選擇何種植物，可以根據圖6結構進行確定。

圖6 植物選擇Fig.6 Plant selection

同時，也可以選擇楊柳植物進行生態修復，常見的有北京楊、加拿大楊、旱柳等。以旱柳為例，對于銅的富集能力較強，且在對銅礦尾砂的修復過程中，約在220 d時，根系中銅的含量可以達到1 650.00 mg/kg左右，而且植株生長良好，毒害作用并不顯著。對于露天廢棄礦山修復，通過超富集植物的選擇與應用，能起到良好的生態修復與土層改良效果，在植物生長過程中植物體的重金屬含量較高，所以一定要做好這些植物的處理，避免對環境產生二次污染。

3.2 自然恢復技術

自然恢復技術應用最為著名的為法國Biville采石場生態修復項目，由于采石場在廢棄之后遺留下很多問題，導致這里生態環境惡劣，不適宜動植物及人類生存與居住。但是通過自然恢復技術的有效應用，能對生態退化嚴重的采石場進行有效改善。

在修復過程中還與旅游業緊密結合，讓采石場成為重要的旅游景點。采石場在自然恢復技術的應用后，效果如圖7所示。

圖7 Biville采石場恢復效果Fig.7 Recovery of Biville quarry

Biville采石場在廢棄之后形成了一道直線形裂縫，其寬度與長度均為450 m，邊坡十分貧瘠，坡角達到40°，落差20～40 m。在生態修復過程中，將其設計為休閑區，改善之后還具備湖泊。石料開采過程遺留的痕跡并沒有被刻意隱藏，而是將其作為一種歷史與痕跡被保留下來，這樣就可以更好地進行自然恢復。為了讓采石場恢復到自然狀態，修復過程中引入適宜植被。在谷底通過引導水流的設施和設備，能形成一個湖泊。為了開發當地旅游業，不僅在湖邊建設了休閑區，還在坑壁修建了階梯，便于游客進入谷底。

3.3 微生物修復技術

碳中和與生態修復的最終目的是一致的，為改善露天廢棄礦山生態環境，降低修復過程中對生態環境產生的污染，可以合理應用微生物修復技術。土壤環境可以通過根際微生物的活動進行改良，植物的生長發育過程中也能通過該技術的應用，對植物營養條件進行改善，確保植物的健康生長。叢枝菌根在鐵礦尾砂基質中的接種，能有效提升植株對磷的吸收；在鋅、鎘污染的土壤中接種菌根(苜蓿)，可發現苜蓿體內由根系向地上部分轉移的重金屬增加，其原理如圖8所示。在生態修復期微生物修復技術的應用，要對微生物群落進行合理篩選，通過在礦山定居植物根系微生物的培養和繁殖，并將其運用到修復過程中，不僅可以確保微生物具備良好的適應性，還能有效改善土壤結構。

圖8 微生物作用下植物吸收重金屬的原理Fig.8 Principle of plant absorption of heavy metals under the action of microorganisms

3.4 輔助修復技術

雖然礦山生態恢復過程中采取的方法為自然恢復，有效提升生態系統固碳能力，但是也要在實際運用過程中合理引入輔助修復技術。輔助修復技術比較常見的有截排水措施、邊坡穩定技術等，通過與生態修復技術的有效結合，達到生態修復的效果，具體如圖9所示。

圖9 廢棄礦山治理中的輔助修復措施Fig.9 Auxiliary restoration measures inabandoned mine treatment

(1)邊坡穩定技術。礦山在廢棄之后，一般都會形成高陡邊坡，對礦山的安全性與穩定性形成極大影響，所以可以使用邊坡穩定技術確保坡面的穩定。穩定邊坡時所使用的方法有掛網加錨桿固定、削坡卸載等。

(2)截排水措施。為了有效排出坡面降水，減少水土流失的出現，要將截排水溝設置在坡頂、坡面，這樣可以避免對坡面基質產生沖刷，影響前期的生態修復工作。通過截排水措施的有效應用，坡面基質能實現長期穩定，且能有效避免滑坡等危險因素的產生。

(3)覆蓋措施。在邊坡修復過程中可以使用植物種子，播種后需及時覆蓋，覆蓋材料為草簾、無紡布等，這樣能避免雨水對種子及基質進行沖刷或者受到大風吹蝕，而且還有良好的保溫作用，使種子生長的速度加快。

3.5 礦區植被重建要點

減排增匯是促進碳中和過程中的重要手段，在對露天廢棄礦山進行治理的過程中，要緊緊圍繞“綠水青山就是金山銀山”的理念開展各項工作，在尊重自然與社會經濟發展規律基礎上，增強自然生態系統碳匯功能。礦區植被重建是碳中和背景下露天廢棄礦山修復工作的重點，要通過綜合手段提升節能減排和固碳增匯能力。礦區植被重建需要遵循以下要點。

(1)CBS植被混凝土技術噴漿型。將立體塑料網或者平面鐵絲等架立在大坡度巖面上，并進行錨固，然后將混合材料(土壤、肥料、疏松材料等)使用壓力噴混機噴涂在巖面上的網架內，等第1層固化之后開始噴涂第2層，最后將含草籽的混合料噴涂在最上面。噴涂一定要分層進行，且要確保上一層牢固后開始下一層噴涂。

(2)營造臺階型。營造臺階式可以在礦山坡度大、坡面致密穩定，對邊坡覆土種植不易和投入較大的區域的使用，臺階的高度為10～20 m，寬1～2 m，設置種植槽臺階上，槽高需控制在60 cm以上。需注意種植槽內排水溝的合理設置，同時要將種植土回填到槽內。

4 結語

碳中和作為一種新型環保形式，在實現綠色生產與發展中發揮著重要作用。露天廢棄礦山的綠色治理是當下最為棘手的問題之一，“碳中和”提供了新的思路與方法，利用生態修復技術，恢復礦山自然生態，改善礦山生態環境?！疤贾泻汀迸c我國綠色發展目標相一致，所以需針對露天廢棄礦山實際情況，選擇合適的生態修復技術，在恢復礦山生態過程中緊密結合旅游業，讓礦山繼續發揮其經濟效益。