矿山废弃地生态修复技术研究

梁天昌 欧莉莎 张朝玉

(贵州雏阳生态环保科技有限公司，贵阳 550001)

矿产资源是我国经济和社会发展的物质基础。据统计，我国生产资料取自矿产资源的能源、工业原料、农业比重分别是90%、80%、70%以上。我国消耗的矿物原料的速率约为每年50亿吨以上，依靠开发的矿产资源来支撑我国GDP中70%的国民经济的运转。开发矿产资源活动特别是金属矿山对国民经济发展起到巨大的推动作用，但同时也产生了一系列生态环境问题，主要表现为地表水和地下水污染、开采排放的有害气体及粉尘污染、土地污染及破坏、导致地面塌陷等次生地质灾害、破坏植被及土壤微生物原生环境等。据统计，在我国113 108座矿山中，因采矿形成的采空区面积大约为134.9万hm2，占矿区总面积的26%；采矿过程占用和破坏的土地面积达到238.3万hm2，占矿区面积的47%，采矿引发的矿山次生地质灾害累计有12 366起，造成直接经济损失166.3亿元[1]。此外，矿山开采过程中产生的尾矿、废石和废渣直接堆积于地表经风化淋滤等地球化学作用后使其中有毒有害物质进入环境中，导致环境质量下降，这些有毒有害物质通过食物链进入人体，危害人类健康。因此，矿山废弃地的生态修复迫在眉睫。

1 矿山废弃地及其类型

矿山废弃地是指在采矿或采石过程中被破坏的、未经一定处理而无法使用的土地，在矿山开采的过程中形成的露天采矿场、塌陷区、排土场以及尾矿库等无经济价值的土地均统称为矿山废弃地[2]。根据矿山废弃地来源不同可分为3种类型：一是剥离表土，开采的废石及低品位矿石堆积形成的废石堆废弃地；二是随着矿物开采形成的大量的采空区域及塌陷区，即开采坑废弃地；三是利用各种分选方法分选出精矿物后的剩余物排放形成的尾矿废弃地[3-4]。其中，土壤基质物理结构、持水、保肥能力差，N、P、K及有机质等养分含量极低使土壤极端贫瘠是导致矿山废弃地形成的主要环境胁迫因子[5]。金属矿山废弃地生态修复存在诸多问题，矿山开采后土壤生态环境变化较大，空间形态落差大，土壤基质的物理结构不良，肥力和团粒结构降低，限制生物生长活动的污染物质，如重金属含量过高、含硫物质被氧化生成酸性氧化物形成酸性废水或土壤盐碱化等；破坏原有地表土壤后，金属矿山废弃地矿物质易被降雨和地表径流冲刷和风蚀，污染物易于进入溶液中随径流扩散到其他地区，或者入渗地下水，以及随扬尘扩散；金属矿山废弃地表层缺乏植物覆盖，易吸收热辐射，温度过高引起干旱和水土流失等。

2 矿山废弃地生态修复研究现状

2.1 国外研究现状

世界上许多工业发达国家经济发展迅速，故相应的环境治理方面发展得也较早。矿区生态修复最早开始于美国和德国，经过四十年左右的发展，矿山废弃地土地复垦和生态恢复逐渐成为环境科学研究的热点领域，其中历史较久、规模较大、成效较好的有德国、澳大利亚、美国、英国等[6]。关于矿区生态修复，国外一些发达国家较早就开始重视坡壁绿化，并开创了一系列的绿化工程技术，如客土喷播法、厚层基材喷射绿化法、生态多孔混凝土绿化法、植生卷铺盖法、种子喷播法等[7]。在20世纪末期，国外对塌陷区环境影响、矿山塌陷区植被恢复、矿山固废的综合利用、废弃地复垦、土壤中重金属的去除等方面就已经开展了研究，21世纪以来，包括矿山废弃地生物多样性的研究、矿山开采过程对环境的影响机理、土壤重金属的植物富集，土地复垦、监测和评价过程中3S技术的应用以及矿区水体修复等领域备受学者关注。

2.2 国内研究现状

我国矿山废弃地生态修复工作开始于20世纪50年代末60年代初。据统计，我国每年开采矿石总量达到93亿t，我国矿业废弃地面积广、种类复杂，目前有80%以上的矿业废弃地尚未得到修复[8]；20世纪80年代初，我国矿山废弃地的生态修复率不到1%，到20世纪80年代末期，生态修复率仅为2%，到目前，生态修复率仍不到12%，远低于发达国家65%的修复率[9]。

1988年颁布的《土地复垦规定》和1989年颁发的《中华人民共和国环境保护法》，标志着矿区生态修复走上了法制化的轨道，生态修复速度和质量有了较大的提高，并取得了一定的成绩，截至1995年，我国矿区废弃地恢复面积已经达到了5.3×105hm2，但其修复状态仍不理想[10]。20世纪90年代以来，我国对矿山废弃地复垦和重金属污染植被修复方面的研究投入越来越大。进入21世纪以来，主要是进行以矿山生态系统健康与环境安全为目标的生态修复。

国内针对矿山裸露边坡修复进行的技术研究有植被混凝土技术、PMS基材喷附技术、裸露边坡植被恢复技术、VRT矿山植被恢复技术组合创新研究等[7]。此外，国内学者关于矿山废弃地基质改良技术、矿山废弃地重金属超富集植物筛选、植物重建模式等方面也开展了大量研究，并取得了较好的成果。如在重金属富集方面，目前国际上报道的超富集植物已有400多种，其中具有我国自主知识产权的超积累植物也时有报道，虽然数量较少，但也有典型例子，如Zn的超富集植物东南景天、Mn超富集植物商陆、Cd超富集植物油菜和宝山堇菜以及As超积累植物蜈蚣草等[11]。

3 矿山废弃地生态修复技术

针对矿山废弃地特别是金属类的生态修复主要存在的问题，目前，治理土壤重金属污染主要有以下三种途径：一是改变重金属离子在土壤中的存在形态，降低其在环境中的迁移性和生物可利用性；二是利用生物或工程技术方法从土壤中去除重金属；三是改变种植方案，避免重金属通过食物链影响生物和人体健康。常见的矿山废弃地生态修复技术有表土覆盖法、物理化学基质改良法、生物改良法，以及利用城市固体废弃物按比例混合而成的人工基质改良法、联合修复等。

3.1 表土覆盖技术

表土覆盖技术指的是在地表受到扰动破坏前将表层15-20 cm和亚层20-40 cm厚的土壤取走保存，待工程结束后再回填到原处。这部分表层和亚层土壤结构良好，具有较高含量的养分和水分，还包含许多微生物以及植物种子等，是实现快速生态修复较好的资源。一般认为，为了避免植物根系穿透表土层而扎进有毒的矿土中影响正常生长，覆土应越厚越好。但Holmes和Richardson研究则表明[12]，覆土并非越厚越好，当覆盖的表土厚度为10 cm时，植物的盖度可从20%上升到75%；覆盖土层厚度达到30 cm时，植物盖度可上升到90%，这两种深度的表土对提高植物密度方面的差异并不明显，甚至在播种18个月后，浅表土(10 cm)上的植物密度反而比深表土(30 cm)的高。回填表土是一种常用且最为有效的措施，其修复效果虽然较好，但仍然存在较大的局限性。一方面在于土壤采集、堆放、再次覆土过程工程量大；其次，我国大多数矿区分布在山区，这些地方土源较少，甚至无土可采，一些矿山企业甚至花费巨资进行异地熟土覆盖[13]，但这并不能解决长期问题，而且还会导致大面积水土流失、石漠化加剧等。对于缺乏土源的矿山，可以考虑利用谷壳、秸秆、稻草等农作物粉碎、发酵后作为土壤替代物进行基质改良，不仅可以改善基质结构，还有利于增加养分含量。

3.2 物理化学基质改良技术

矿山废弃地修复过程中，物理化学基质改良技术也较为常用。大多数金属矿山废弃地如煤矸石堆场、铜尾矿废弃地等存在酸污染、重金属污染问题，也有赤泥堆场碱性废弃地产生的碱性废渣、废水等。这些高浓度重金属和极端酸碱污染区域可通过投加改良剂经絮凝、沉淀、中和等作用达到修复目的。在矿山废弃地表面施用化学物质固定表层尾矿有毒有害物质，选用沉淀法、有机质法、抑制剂法等改良措施，根据实际情况向污染土壤投加改良剂，增加其中的有机质、阳离子交换量和粘粒含量，以及改变pH和电导等性质，使土壤中的重金属发生氧化、还原、吸附、沉淀等作用，降低重金属活性，从而使生物能在废渣或污染土壤上存活。当废弃地的pH值过低时，可向土壤中施加碳酸氢盐和石灰，使pH升高；当废弃地土壤pH值过高时，撒施FeSO4、硫磺、石膏等物质，使pH下降。周航等[14]以湖南郴州柿竹园铅锌矿区一块重金属污染的菜园土地做试验，研究发现碳酸钙能有效降低土壤中交换态重金属Pb、Cd、Zn含量。朱佳文等[15]在对湘西花垣铅锌尾矿砂中镉、铅、锌施用石灰和磷酸一铵等钝化剂后，发现该钝化剂能明显影响镉、铅、锌的移动性和生物有效性，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剂，能有效地将土壤中非残渣态的铅转化成为残渣态铅，从而降低土壤中铅的移动性和生物有效性[16]。该技术的优点是能很快抑制有毒有害物质的释放和迁移，但是该技术的应用要求施工条件比较苛刻，施工水平也较高，实施不当容易造成二次污染，改良后的长效性也有待考证。

3.3 城市固体废弃物人工基质改良技术

城市固体废弃物、粪便等富含氮、磷、有机质，可有效改善矿山废弃地基质的营养状况；其次是它们含有大量的有机质可以通过螯合作用固定部分重金属离子，降低其毒性；再次，这类改良物质与废弃地基质本身就是一类固体废弃物，这种以废治废的做法具有很好的综合效益，可作为矿山废弃地基质改良材料[17]。城市污泥及其堆肥产品也是一种良好的有机肥料和土壤改良剂。一方面，其含有很高的有机质和氮磷养分，能快速提高矿山废弃地的有机质的含量和土壤结构性能。另一方面，城市污泥的粘性、持水性和保水性等物理性质良好，能在很大程度上弥补采矿废弃场地土壤抗蚀性、抗冲性、透水性差等缺点，从而改善其水土保持能力。

吴志强等[18]利用城市污泥、粉煤灰等对黔西北铅锌矿区污染土壤进行修复试验，结果表明：污泥施用可显著提高矿渣中氮、磷的含量，其肥效远远优于普通的氮、磷、钾肥。适当比例粉煤灰钝化的污泥不但能改善矿渣的极端贫瘠条件，显著促进玉米的生长，还能降低重金属的毒害作用。彭禧柱等[19]通过野外田间试验，在铅锌尾矿中添加酒糟、中药渣、蘑菇渣3种工业有机废物作为改良剂，结果表明：添加该工业有机废物处理后尾矿中有效态Cu、Pb、Zn、Cd含量均有所降低，有机质、铵态氮、有效磷含量以及土壤脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶和磷酸酶活性均有明显的提升；向铅锌矿废渣中添加酒糟、中药渣、蘑菇渣3种工业有机废弃物促进了植物种子萌发和种苗生长，其中植被盖度分别达到了84%、79%和86%。综合分析表明，将城市固体废弃物作为改良剂用于尾矿废弃地的生态恢复，降低了尾矿治理修复的成本，同时还可以实现工业废弃物的资源化利用，从而达到“以废治废”“变废为宝”的双赢目的。

3.4 生物改良技术

生物改良技术是基质改良中常用的方法。生物修复是指运用微生物或植物的生命代谢活动，将土壤环境中的危害性污染物降解成二氧化碳和水或其他无公害物质的工程技术。土壤的物理改良和化学改良成本高、易引起二次污染，且在景观方面的改善作用较小。而生物修复投资小，兼具降解、吸收或富集受污染土壤和水体中污染物质的能力，能够同时改变大气、水体和土壤的环境质量，可有效减轻污染对人体健康的危害，并且还具有一定的经济优势[20]，生物改良技术应用前景将会越来越广。

3.4.1 植物修复技术

植物修复是利用植被原位处理污染土壤和沉积物的方法，植物在生态系统中起到不可或缺的作用，在矿山土壤改良中不仅能够固定或修复重金属污染土壤，还能改善土壤理化性质，提高土壤肥力等。植物对土壤改良的原理大致可归纳为：通过植物的吸收、挥发、降解、稳定等作用，从而降低土壤环境中的污染物。

我国许多学者对植物修复方面做了大量研究，下面主要综述几种改良矿山废弃地优选植物及效果。

(1)超富集植物。超富集植物是指从土壤中超量富集重金属并能将其转移到地上部，对重金属的吸收量超过一般植物100倍以上的植物，积累Cd在100 μg/g，积累Cr、Co、Ni、Cu、Pb含量一般在1000 μg/g，积累Mn、Zn含量一般在10 mg/g(干重)以上，且不影响正常生理活动的植物。如查红平等[21]运用砷超富集植物蜈蚣草将土壤中的砷吸收并转运到植物的地上组织中，发现其地上部分砷含量达到植物干重的2.3%，从而降低土壤中砷的含量，达到土壤修复的效果。近几年来关于砷超富集植物又有了新发现，如粉叶蕨、大叶井口边草、长叶甘草蕨，以及狭眼凤尾蕨和琉球凤尾蕨等均能够富集砷，这些砷超富集植物中除了粉叶蕨外都属于凤尾蕨[22]。束文胜等[23]对已废弃3000余年的湖北铜绿山古冶炼渣堆进行了植被和土壤调查，发现鸭跖草可富集大量Cu，其地上部分和根部的Cu2+质量分数分别达到1 034 mg/kg和1 224 mg/kg，故超富集植物鸭跖草可用于铜污染土壤的植物修复。尽管至今已发现很多重金属超富集植物，但大都是针对单一重金属的超富集植物，而实际环境中土壤一般包含两种或两种以上重金属的复合污染，故筛选出多金属耐性植物以修复多金属复合污染废弃地仍有待进一步研究。

(2)先锋植物。先锋植物是指在某种恶劣环境下仍能正常生长的植物。因矿山废弃地土壤物理结构差，植被生长条件极端，故在植被恢复过程中对植被的选择是至关重要的，应本着生长快、适应性强、抗逆性好的原则筛选植物，以达到最好的修复效果[24]。要根据废弃地污染物的性质选择适宜的先锋植物。在高浓度重金属废弃地中，可种植抗重金属较强的植物。朱佳文等[25]通过分析湖南湘西花垣铅锌尾矿库定居的五节芒、辣蓼和截叶铁扫帚3种先锋植物发现，先锋植物可以提高土壤含水率、土壤有机质含量，从而提高土壤肥力。并且发现先锋植物在废弃地的生长可以促进残留态Pb、Zn、Cd向弱结合态转化，从而改变Pb、Zn、Cd的形态分布，影响Pb、Zn、Cd在土壤中的生物有效性。

(3)绿肥。绿肥是一种养分完全的生物肥源，它多数是豆科植物，也有禾本科、十字花科等非豆科植物，它是一种良好的天然绿色土壤改良剂，对改良土壤环境也有很大作用。豆科植物可以将空气中的氮通过根瘤固定下来，从而增加土壤中氮含量，故目前豆科植物的运用较为广泛。许丽等[26]研究表明，对于煤矸石废弃地的植物复垦，选用豆科植物不仅能快速地适应土壤条件，还能有效改善土壤肥力。不同的科属绿肥间具有不同的养分作用，因此，根据具体情况实行绿肥混播，能更好地改善土壤理化性质。

(4)植物辅助。为了植物可以在不良的土壤环境下正常生长，可以采取一些辅助措施以提高植物修复效率的方法[27]：①可以在土壤中施加有机化合物，阻挡重金属离子的沉淀，增强重金属活性，加快植物对各种重金属元素的吸收；②可以添加螯合剂来促进植物修复，螯合剂可以与金属离子形成可溶性的络合物，从而提高植物修复的效率，但螯合剂本身是一种难分解物质，使用时需注意，以防引发二次污染；③利用植物激素促进植物生长、调剂植物的生理代谢过程，可用来解决目前超富集植物植株矮小的问题；④针对有机污染，可以添加生物碳和黑炭等吸附剂来加速清除干净土壤中有机污染物；⑤将基因工程和现代分子生物技术结合到植物修复技术中，鉴定和克隆抵抗重金属的植物基因，并通过转基因技术创造一批新的植物品种，提高超富集植物的提取能力和生物产量。

3.4.2 土壤动物改良

土壤动物在改善土壤物理结构、增加土壤肥力和分解枯枝落叶层促进营养元素在土壤中循环等方面有很大的作用。土壤动物在生态系统中担任着消费者和分解者的角色。如蚯蚓是世界上最有益的土壤动物之一，是土壤中的主要动物类群，土壤动物生物总量中蚯蚓的生物量占60%以上[28]，在维持土壤生态系统功能中起着不可替代的作用。蚯蚓活动可疏松板结的土壤，加快植物枯枝落叶的降解和有机物质的分解、矿化，提高土壤中速效钙、速效磷等的含量，增强土壤中硝化细菌的活动，改善土壤的化学成分和物理结构，也可以吸收土壤中的重金属。因此，近年来蚯蚓在环境污染及修复中的应用越来越受人们重视。吴国英等[29]通过室内接种法得出的研究结果表明，赤子爱胜蚓对猪粪中的Zn和Cu具有一定的吸收能力，对应的富集系数分别为0.73和0.43。这些都表明蚯蚓对重金属均有较强的富集能力。因此，在矿山废弃地生态恢复中引入一些有益的土壤动物，能使生态系统功能的重建更快完善。

3.4.3 微生物改良

生态恢复不仅包含土壤和植被的恢复，还需要土壤微生物实现分解者的功能。微生物改良是指利用微生物的各种代谢活动从而减少土壤中的污染物或使污染物完全无害化，从而降低土壤的污染程度。微生物在促进植物营养吸收、改善土壤结构和降低重金属毒性等方面也具有很大的作用。相关研究[10]表明，豆科植物能在污染土壤生长并进行有效的固氮作用，使土壤中的氮含量大幅度提高，特别是一些有根瘤和茎瘤的一年生豆科植物，能耐受有毒金属和低营养水平，是理想的先锋植物。赵永红等[30]认为植物与固氮菌、菌根真菌或专性、非专性降解菌群协同作用，增加对污染物的吸收和降解，是一个很有价值的研究方向。

3.5 联合修复技术

由于矿山废弃地成因复杂，污染物质种类多样，所以采用单一的技术修复矿山废弃地无法起到明显的效果。 综合考虑矿山废弃地污染物的形成机制以及生态环境现状， 采用多种生态修复技术联合治理， 实现快速精准的修复目的。广东省某稀土矿区采取土壤有机质与植物修复联合治理矿山废弃地，修复前后对比发现，经过联合修复后的土壤中有机质的含量远远超过未经治理的污染土壤，并且提高了土壤的保水能力，增加了土壤生物多样性， 经过联合修复后的废弃地基本达到了耕作要求[31]。将熟石灰、沸石、凹凸棒土、有机肥与待测土壤按照一定比例充分混合均匀进行改良土壤， 将处理过的土壤放入生态袋内并种植植物做成生态边坡，治理水土流失效果明显，使边坡稳定性增强，有利于形成生态防护林[32]。

4 结语

随着我国矿山废弃地生态修复技术逐步推广实施，很多技术都得到了更新完善。表土覆盖修复技术虽然工程应用较为广泛和成熟，但局限性较大，工程实施成本高，施工不当易造成水土流失、石漠化加剧等；利用物理化学改良剂进行基质改良虽然效果明显、周期短，但仍存在成本高、操作繁琐、易造成二次污染等缺点；生物修复法中的植物修复技术是一种绿色修复技术，在植物修复过程中，具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境，不引起二次污染等特点，可能最终效果很好，但是在实施过程中也会面临一些问题：首先，植物修复的周期长，效率和速率不高，导致资源耗费严重。在植物修复过程中还会受到气候、地质条件、温度、土壤类型等因素的影响；联合修复技术是结合矿山废弃实际情况，因地制宜提出的一种综合性技术措施，针对性较强，生态修复效果明显，但是前期可行性研究工作量大，施工过程工序多，学科交叉应用范围广。矿山废弃地生态修复应结合矿山开采过程中对生态环境的破坏程度以及矿山废弃地的类型和特点，开展相应的工程措施，以恢复生态学理论作为指导，以依靠自然、模拟自然、人工促进为生态修复原则，这样才能使得恢复后的生态系统结构合理、功能完善，避免出现生态恢复后又退化的现象。因此，生态修复技术的综合利用，扬长避短，是实现矿山废弃地生态修复的有效途径，可实现环境、土壤和生态的综合修复。