礦山生態(tài)恢復(fù)原理與技術(shù)

孟 猛，宗美娟

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255049；2.淄博職業(yè)學(xué)院，山東 淄博 255049)

生態(tài)恢復(fù)，根據(jù)國(guó)際生態(tài)學(xué)會(huì)提出的定義是：幫助研究生態(tài)整合性的恢復(fù)和管理過(guò)程的科學(xué)，生態(tài)整合性包括生物多樣性、生態(tài)過(guò)程和結(jié)構(gòu)、區(qū)域及歷史情況、可持續(xù)的社會(huì)實(shí)踐等廣泛的范圍。

從生態(tài)學(xué)角度看，礦山是由資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題幾乎與礦業(yè)開(kāi)發(fā)相伴而生，特別是隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，多年無(wú)序的礦山開(kāi)采，已對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并使其生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重偏離自然狀態(tài)。

1 生態(tài)恢復(fù)的原理

礦山生態(tài)恢復(fù)的生態(tài)學(xué)原理是生態(tài)演替理論，即生態(tài)系統(tǒng)由一種類(lèi)型轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類(lèi)型的有順序的變化過(guò)程。其核心原理是整體性原理、協(xié)調(diào)與平衡原理、自生原理和循環(huán)再生原理等。按照生態(tài)演替理論，礦山植被恢復(fù)過(guò)程是從先鋒植物的引入開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一系列演替階段，最終達(dá)到中生性的頂極群落。在自然狀態(tài)下，生態(tài)自然恢復(fù)是比較漫長(zhǎng)的自然演替過(guò)程。而人工生態(tài)恢復(fù)，則借人工調(diào)控植被組成及輔助一些管理措施等，使生態(tài)環(huán)境迅速得以改善，從而加速生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程。

在具體的恢復(fù)過(guò)程中，應(yīng)用了許多生態(tài)學(xué)理論，包括：限制性因子原理、熱力學(xué)定律、種群密度制約及分布格局原理、生態(tài)適應(yīng)性理論、生態(tài)位原理、演替理論、植物入侵理論、生物多樣性原理、綴塊-廊道-基底理論等等。通過(guò)這些生態(tài)學(xué)理論的應(yīng)用，從而去除干擾，恢復(fù)極度退化的生態(tài)環(huán)境，提高退化土地上的生產(chǎn)力，對(duì)現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行合理利用和保護(hù)，維持其服務(wù)功能。

2 礦山生態(tài)恢復(fù)的具體措施

根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，礦山生態(tài)恢復(fù)主要是通過(guò)排除干擾、加速生物組分的變化，從而加速生態(tài)演替過(guò)程，使退化的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到某種理想的狀態(tài)。具體措施包括：

2.1 土壤基質(zhì)的改良

礦山生態(tài)恢復(fù)的最重要的限制因子之一，是土壤的重金屬毒性和養(yǎng)分不足，而N素的極端不足又是養(yǎng)分不足中的核心問(wèn)題。這就使土壤基質(zhì)的改良成為礦山生態(tài)恢復(fù)的首要條件。

生物改良主要是利用植物、土壤微生物和土壤動(dòng)物來(lái)改善土壤的理化性質(zhì)。

利用植物可以穩(wěn)定或提取礦山土壤中的重金屬、清除土壤基質(zhì)里面的有機(jī)污染物等。植物穩(wěn)定，即利用植物根際的一些特殊物質(zhì)，使土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為相對(duì)無(wú)害的物質(zhì)。植物提取是目前研究最多并且最有發(fā)展前景的一種方法，主要是利用超積累植物對(duì)重金屬的吸收作用，改善土壤理化性質(zhì)，把重金屬由地下轉(zhuǎn)移到地上部分(含根莖)，隨后收割地上部分集中焚燒、堆肥處理或進(jìn)行金屬冶煉。植物所具有的富集重金屬的能力，通常是來(lái)自于長(zhǎng)期適應(yīng)這類(lèi)環(huán)境和自然演替的結(jié)果。近年來(lái)的研究還發(fā)現(xiàn)，有一些所謂“超富集植物”，這些植物不但對(duì)重金屬環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，而且體內(nèi)所富集的重金屬濃度是通常植物的幾十倍乃至上百倍。利用這些植物來(lái)修復(fù)重金屬污染地，經(jīng)幾次收割之后，土壤中的重金屬含量顯著減少。

土壤動(dòng)物是指其生活中有一段時(shí)間在土壤中度過(guò)，而且對(duì)土壤有一定影響的動(dòng)物，主要包括原生動(dòng)物、線形動(dòng)物和環(huán)節(jié)動(dòng)物等。土壤動(dòng)物是土壤物質(zhì)循環(huán)的動(dòng)力。大量的土壤動(dòng)物能夠通過(guò)食物鏈形成食物網(wǎng)，參與土壤氮、碳、磷和硫等植物營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)，是有機(jī)物代謝及污染物降解的驅(qū)動(dòng)力，也可以改良土壤的物理結(jié)構(gòu)，提高土壤的通氣保肥能力。有些土壤動(dòng)物有很強(qiáng)的富集重金屬的能力，可降低土壤的毒性。如研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對(duì)銅礦中的銅元素富集能力很強(qiáng)，可達(dá)體內(nèi)組織的82.5～1218.4 mg/kg。因此，可以將蚯蚓接種投入尾礦廢棄地，讓其在礦山廢棄地中富集一定數(shù)量的有害元素，然后采用化學(xué)方法將蚯蚓取出，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚瑢⒂卸疚镔|(zhì)去除，以達(dá)到有毒物質(zhì)去除的目的。

2.2 植被品種篩選

按照生態(tài)恢復(fù)的規(guī)劃，對(duì)植被品種進(jìn)行的選擇工作，是礦山生態(tài)恢復(fù)成敗的關(guān)鍵因素之一。礦山生態(tài)恢復(fù)地與附近農(nóng)田和綠地相比，環(huán)境因子變化很大，其土層薄、土質(zhì)差、微生物活性差，面對(duì)這樣差的種植條件，又必須迅速實(shí)現(xiàn)植被的高覆蓋度尤為困難，這就更顯得植被品種篩選的重要性了。

根據(jù)礦山的自然環(huán)境、氣候和土壤條件，植被篩選應(yīng)著眼于植被品種的近期表現(xiàn)，兼顧其長(zhǎng)期優(yōu)勢(shì)。首先廣泛進(jìn)行適宜的植被品種資源調(diào)查，選擇可行性好的品種，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行抗逆性能篩選，中選者參加田間小區(qū)模擬試臉，表現(xiàn)最好的進(jìn)入生態(tài)恢復(fù)工業(yè)試驗(yàn)。一般篩選的原則是：生長(zhǎng)迅速，抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性好，根系發(fā)達(dá)；播種栽植較容易，種子發(fā)芽力強(qiáng)；優(yōu)先選擇固氮植物；當(dāng)?shù)貎?yōu)良的鄉(xiāng)土品種優(yōu)于外來(lái)速生品種；先鋒植物應(yīng)落葉豐富，易于分解，以使較快形成松軟的枯枝落葉層，提高土壤的保水保肥能力；樹(shù)種選擇應(yīng)突出生態(tài)功能，弱化經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

我國(guó)各礦山生態(tài)恢復(fù)的適宜植被差異較大，但一年生豆科植物、一年生和兩年生禾本科往往是首選物種，因?yàn)檫@2類(lèi)植物大多有頑強(qiáng)的生命力和耐瘠能力，生長(zhǎng)迅速。豆科植物能生長(zhǎng)于污染土壤并進(jìn)行有效的固氮作用，使土壤中氮的積累大幅度提高。特別是一些具有莖瘤和根瘤的一年生豆科植物，生長(zhǎng)速率快，能耐受有毒金屬和低的營(yíng)養(yǎng)水平， 有豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，可為后茬作物提供各種有效養(yǎng)分，改善土壤理化性狀，并能加快矸石風(fēng)化速度。因而是理想的先鋒植物，可加速人工生境的生態(tài)演替。豆科植物是植物界中最大的類(lèi)群之一，為第三大科，約有600屬18000種，這為篩選培育出適合不同地區(qū)，不同類(lèi)型礦山生態(tài)恢復(fù)所需的耐性植物種，提供了優(yōu)越的條件。在禾本科植物中，狗牙根的應(yīng)用時(shí)間最早、最廣泛，而香根草和百喜草對(duì)酸、貧瘠和重金屬都有很強(qiáng)的抗性，也非常適合用于礦山的生態(tài)恢復(fù)。

禾草與豆科的草本植物大多只不過(guò)是恢復(fù)過(guò)程的先鋒種。根據(jù)生態(tài)學(xué)原理，物種多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。將喬、灌、草、藤多層配置結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行多植被間種、套種、混種，這樣的效果肯定要比單一種或少數(shù)幾個(gè)種的效果好，因?yàn)榍罢吣転檫m應(yīng)環(huán)境變化提供比后者大得多的生存機(jī)會(huì)，并能產(chǎn)生穩(wěn)定得多的生態(tài)系統(tǒng)。因而，礦山生態(tài)恢復(fù)時(shí)除選擇禾本科與豆科植物外，還應(yīng)將其他種類(lèi)的植物(包括茄科植物與刺槐、沙棘、檸條等喬灌木)結(jié)合起來(lái)種植，以便形成一個(gè)多物種的生態(tài)系統(tǒng)。同時(shí)，還可從生物工程角度選擇優(yōu)良品種，即通過(guò)轉(zhuǎn)基因、遺傳突變等方式培育出適合在礦地這一惡劣環(huán)境中生長(zhǎng)且具有良好恢復(fù)效果的新品種。

3 結(jié) 語(yǔ)

礦山要想完全或基本恢復(fù)到開(kāi)發(fā)前的原有狀態(tài)，特別是生物多樣性要達(dá)到原有水平是相當(dāng)困難的，或需要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。很多礦山的基質(zhì)已經(jīng)被嚴(yán)重破壞或污染，即使采取了各種改良措施，也不可能使其形成能適合原有植被或生態(tài)系統(tǒng)生存的生境，從而不可避免地減緩恢復(fù)速度，或者形成新的植被或生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型。其中以恢復(fù)成草地(牧場(chǎng))、森林或農(nóng)田的情形最多，因?yàn)檫@些相對(duì)最容易也最廉價(jià)。

生態(tài)恢復(fù)應(yīng)與采礦活動(dòng)同步進(jìn)行，根據(jù)礦山不同開(kāi)采時(shí)期的技術(shù)特點(diǎn)和自然環(huán)境等因素，及時(shí)做出相應(yīng)的生態(tài)恢復(fù)方案，盡量避免或減少對(duì)環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)采礦與生態(tài)恢復(fù)的一體化。從而促進(jìn)礦業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變，從源頭有效治理礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

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