礦山廢棄地生態環境修復技術

劉 如

（鳳陽縣科學技術局，安徽 滁州 239000）

礦產資源的開采利用為社會經濟的繁榮發展提供了非常重要的物質條件，對工業和建筑行業等相關產業的快速變革起到了極大的促進與推動作用。實踐中，開采利用礦產資源為人類和社會創造巨大經濟利益和社會效益的同時，也產生了許多生態環境問題[1]。礦山開采會引起地質災害，如泥石流、滑坡和坍塌等，礦山廢棄地中的重金屬侵蝕會在耕地和農田土壤中富集，造成農作物產量和質量問題[2]；部分尾礦和廢石堆場中的污染物隨著雨水淋溶和地表徑流污染江河湖泊和地下水，造成居民飲用水安全問題[3]。因此，探究礦山廢棄地生態修復技術對于改善和提高礦區生態環境質量，促進經濟社會的可持續發展具有實踐意義。

目前初步形成規模化的修復模式[4-5]。礦山廢棄地遺留的生態環境問題備受關注，礦區生態修復技術相關理論和研究工作蓬勃發展，引起了全社會對礦山廢棄地生態修復的高度重視。本文以廢棄地生態修復為研究背景，綜述了礦山開采引起的一系列問題，重點介紹了礦山生態修復技術，包括物理生態修復技術、化學生態修復技術、植物生態修復技術、微生物生態修復技術和聯合生態修復技術在實際生態修復與治理中存在的優缺點，為礦山廢棄地的生態修復提供參考。

1 礦山開采環境問題

1.1 地質

礦層作為地質結構自然形成過程中的主要組成部分，對地質的穩定性起著關鍵性作用。礦山開采活動通常會破壞山坡的原始土體結構，對山體周邊的地層結構造成破壞進而影響地層結構的穩定性。在本來就容易出現地表塌陷的區域，機械外力的作用會造成地層結構更加不穩定。除此之外，開采技術不成熟、規劃不合理等也會影響地層的穩定性，加速形成塌陷坑，同時造成山體滑坡、泥石流等地質災害[6]。

1.2 水體

采礦活動會損壞山體的土體結構從而造成礦區塌陷、裂縫等問題，改變了礦山開采地區的儲水和排水功能，造成地下水位下降，水資源緊缺，影響人類飲用水和農耕用水。另外，礦山開采遺留的堆積尾礦含有污染物，經過雨水淋溶、地表徑流產生的廢水，一般達不到工業廢水排放標準，影響水生生物的生存繁衍與人畜生命健康[7]。

1.3 土壤

在金屬礦山開采過程中，尾礦渣遭受雨水淋溶過程中流失的重金屬元素是礦山區和周邊地區土壤中重金屬的污染源之一。在這種開礦采礦等人類活動和地表徑流等自然活動的雙重作用下，鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）和鋅（Zn）等重金屬會進入土壤環境中，超出土壤的自凈能力，導致土壤生態環境質量下降。土壤環境中的重金屬污染物具有隱蔽性和不可降解等特性使其難以從土壤環境中徹底去除。

1.4 生物多樣性

礦山開采活動易造成水資源、土壤資源污染和匱乏，破壞生態環境的穩定性，使礦區及周邊環境不利于植物生長發育，進而降低了礦區植被的物種多樣性[8]。嚴家平等[4]研究礦區廢棄地植物生長情況發現粉煤灰場地僅生長一些蘆葦，煤矸石場地生長少量灌木，煤泥水沉積區一片荒蕪。動物、植物和微生物的生長繁衍需要穩定的環境，開采活動導致動植物賴以生存的環境遭到破壞，影響了生物多樣性和種群多樣性。

2 礦山生態修復技術

2.1 物理生態修復技術

物理生態修復技術是指利用物理原理修復礦山廢棄地的技術。包括隔離法和電動力學法，前者指利用水泥和石板等防滲材料把污染物與自然環境分開，將污染物隔絕起來，阻止污染物進一步擴散的技術；后者是將電極插入受污染土壤中，利用電滲析和電泳等原理使污染物遷移的方法，此方法尤其適用于多種重金屬同時污染的土壤環境中。周鳴等[9]在外源重金屬Cu、Pb 和Cd 污染土壤的電動力學裝置中添加EDTA，結果表明電動力學修復改變了土壤環境中的重金屬形態，對重金屬的去除率達到95.1%。

物理修復技術因其操作簡單、效果立竿見影的優點被廣泛用于礦山廢棄地修復，但由于工程量大、耗費資源的局限性難以大面積推廣。

2.2 化學生態修復技術

化學生態修復技術是指利用化學原理改變土壤中重金屬形態或降低重金屬的遷移性的技術。通過添加各種外源化學物質，與土壤中的重金屬發生化學反應，從而降低重金屬在土壤中的水溶性、遷移性和生物有效性。朱佳文等[10]以鉛鋅尾礦為研究對象，通過添加5 種不同的原位鈍化劑發現油菜秸稈和磷酸一銨能不同程度地降低尾礦中Pb、Cd 和Zn的生物有效性及遷移能力。許超等[11]研究EDTA 和檸檬酸對重金屬形態和生物有效性的影響，發現EDTA 和檸檬酸均能降低土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 的生物有效性。

化學修復法見效快，受自然環境因素影響小。但無法將重金屬從土壤環境中轉移，因此存在二次污染的風險。

2.3 植物生態修復技術

植物修復技術涉及面廣、綜合性強，是金屬礦山生態修復領域的重要技術。超富集植物通過絡合機制、細胞壁結合機制和區域化隔離機制等對某種重金屬或幾種重金屬產生抗性，并在生長過程中富集礦山廢棄地中的污染物質。目前已經發現的超富集植物達400多種，例如，蜈蚣草表現為砷（As）的超富集植物，黑麥草表現為鈾（U）、Cd 和Zn 的超富集植物，龍葵和印度薺菜表現為Cd、Pb和Zn的超富集植物，東南景天表現出為Cd、Cu 和Pb 的超富集植物[12-13]。植物修復不僅對礦區污染物有很好的提取效果，還對礦區及周邊地區生態系統功能的恢復有重要的作用。焦作市石灰巖礦經過10年的植物修復從礦石廢棄地恢復并重建為綠色生態公園[14]。

礦山植物生態修復技術治理效果顯著，投入成本低，修復過程不易造成二次污染，而且植被形成后能防風固沙和減少水土流失，是目前礦山修復應用前景最好的原位修復技術，可大面積應用于礦山廢棄地的生態和景觀修復。但是植物修復技術存在生長周期長、修復效率低以及選擇性吸收重金屬等局限性。

2.4 微生物生態修復技術

微生物修復技術是指利用土著微生物或人工馴化的微生物，通過氧化還原、吸附、沉淀、甲基化和去甲基來降低土壤中有毒、有害污染物質的活性并改善土壤理化性質的修復技術。溶磷細菌能將土壤中難溶態磷元素轉化為可溶態磷，提高土壤肥力，促進植物生長。喬志偉等[15]研究發現3 種溶磷細菌Rahnellasp. W3、Burkholderiasp. W4 和Fluorescent pseudomonasW7，單獨及組合處理下均能提高礦區周邊農田土壤中有效磷含量，且組合菌優于單株菌株的溶磷效果。

微生物修復技術具有廣闊的應用前景和發展潛力，可直接應用在礦山廢棄地進行原地修復，但是礦山地理環境惡劣，對微生物的生長發育有較大的影響。

2.5 聯合生態修復技術

由于礦山生態實際環境情況復雜多樣，單一的修復技術無法滿足復雜的修復類別，研究多種修復組合方式符合當前的治理需求。常見的組合方式有物理—化學聯合修復技術、化學強化植物修復技術和微生物強化植物修復技術等多種復合修復方式。其中微生物協同超富集植物的修復方式是重金屬污染土壤原位修復的重要方式之一。植物根系能通過調控根系分泌物（糖類、有機酸、氨基酸和脂肪酸等）的種類和數量為微生物提供優良的生存環境，進而影響根際微生物的種群結構和生物多樣性，相應地，根際微生物通過分泌有機磷、鐵載體、IAA和ACC脫氨酶等促生物質改變根際土壤化學特性，進而影響植物的生長發育過程[16-17]。微生物強化植物修復重金屬污染土壤表現在兩個方面：一是植物根際促生菌的調節作用；二是植物內生菌的定殖作用。根際促生菌通過分泌大量低分子有機酸（包括甲酸、乙酸和丙酸等），改善植物根際生態環境的酸堿度，增加重金屬有效態含量和生物可利用性，提高植物對重金屬的富集能力[18]。王元昌等[19]研究發現，4種根際促生菌對亞麻（Linum usitatissimumL.）的株高和根長均有不同程度的促進作用，其中GY16菌株對亞麻的促進效果最顯著，與未接種根際促生菌處理相比，接種根際促生菌的亞麻根部組織對Cd和As的富集量顯著增加。焦鄭同等[20]在種植黑麥草的土壤中接種耐Pb植物根際促生菌的試驗中發現，接種樊慶生紅球菌可有效促進黑麥草對Pb的吸收，地上部和地下部Pb含量分別增加了30.25%和2.2%。植物內生菌不僅對重金屬的耐性和抗性強，而且可以提高植物對重金屬的抗逆性和脅迫性，增強對重金屬的吸收和轉移能力，并與植物形成互惠共存、互利共生的協作關系[21]。鄧平香等[22]從東南景天根際篩選分離的內生菌熒光假單胞菌R1 分泌的蘋果酸、琥珀酸和乙酸等有機酸，能夠加速ZnO和CdO溶解，促進東南景天的生長發育，并促進地上部組織吸收Zn和Cd。

3 結語

礦山開采引起了一系列環境問題，包括地質災害、水體污染、土壤污染和生物多樣性降低等。礦山生態修復技術逐漸引起關注，包括物理生態修復技術、化學生態修復技術、植物生態修復技術、礦山微生物生態修復技術和聯合生態修復技術在實際生態修復與治理中的應用。其中，植物修復是應用前景較好的修復技術之一。但采用單一的修復技術無法高效地治理礦山廢棄地，微生物聯合植物修復技術是一種環境友好、安全高效的原位修復技術。一方面微生物與植物之間相互作用、協同共生，形成穩定的生態圈，加速礦山植被綠化進程，另一方面微生物通過耐重金屬和促生作用，提高植物富集重金屬污染物的能力。

礦山廢棄地生態修復是一個長期的動態過程,在治理環境問題的同時也要重視生態系統的重建與恢復，保證礦山生態系統的穩定性。今后的研究會將環境治理、生態修復、景觀設計同時納入礦山廢棄地的修復與重建工作中。