重金屬礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)的應(yīng)用

吳啟明

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334200）

1 引言

金屬礦山開(kāi)采為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展和物質(zhì)文明進(jìn)步作出無(wú)可替代貢獻(xiàn)的同時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生十分復(fù)雜而又嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。在礦山開(kāi)采過(guò)程中，大量土地因失去利用價(jià)值而成為礦業(yè)廢棄地，如排土場(chǎng)、尾礦、廢石場(chǎng)、采礦區(qū)和塌陷地等［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)礦山開(kāi)采占用和損壞的土地面積已達(dá)165.8萬(wàn)hm2。如何在礦業(yè)廢棄地上建立起穩(wěn)定、安全、自維持的植被生態(tài)系統(tǒng)，不僅是國(guó)際生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是我國(guó)當(dāng)前生態(tài)環(huán)境保護(hù)所面臨的緊迫任務(wù)，更是實(shí)現(xiàn)“綠水青山就是金山銀山”綠色發(fā)展理念應(yīng)優(yōu)先關(guān)注的問(wèn)題之一。

大多有色金屬礦業(yè)廢棄地土壤都含有較高的金屬硫化物，而這些金屬硫化物被氧化后能夠生成硫酸，從而使得土壤酸化，加劇等重金屬的溶出遷移，導(dǎo)致植物難以生長(zhǎng)。有色金屬礦業(yè)廢棄地生態(tài)恢復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及到生態(tài)、地質(zhì)、土壤、林業(yè)、環(huán)境保護(hù)、毒理、美學(xué)、地理等多學(xué)科［2］，必須有多方面技術(shù)支撐。在生態(tài)恢復(fù)理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)有色金屬礦山的實(shí)際情況進(jìn)行綜合研究［3］，尋找適合中國(guó)國(guó)情的，經(jīng)濟(jì)、有效的方式開(kāi)展礦山生態(tài)恢復(fù)工程，是實(shí)現(xiàn)礦山科學(xué)、持續(xù)、發(fā)展的重要途徑。

2 生態(tài)恢復(fù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

礦業(yè)廢棄地所引起的環(huán)境問(wèn)題在全世界范圍內(nèi)都廣泛存在，尤其在一些礦產(chǎn)資源豐富的國(guó)家，這些環(huán)境問(wèn)題尤為突出，各國(guó)從很早開(kāi)始就重視礦業(yè)廢棄地的治理問(wèn)題，并進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究［4］。澳大利亞是一個(gè)重要的礦業(yè)大國(guó)，在礦業(yè)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)工作中已經(jīng)走在了世界前列。該國(guó)要求采礦企業(yè)在礦山開(kāi)采前就要進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，并且制定詳細(xì)的恢復(fù)方案，并且實(shí)行開(kāi)采與恢復(fù)工作同步進(jìn)行，盡量減少對(duì)環(huán)境的影響。雖然國(guó)外已經(jīng)對(duì)礦業(yè)廢棄地的生態(tài)恢復(fù)相關(guān)技術(shù)做了很多研究，表土復(fù)原是常用的技術(shù)，但該技術(shù)僅適用于新開(kāi)采的礦山，而我國(guó)歷史遺留礦山眾多，引入推廣存在一定的局限性。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)看得見(jiàn)的生態(tài)破壞問(wèn)題比較關(guān)注，對(duì)礦業(yè)廢棄地污染控制問(wèn)題缺乏科學(xué)理論指導(dǎo)和系統(tǒng)研究，技術(shù)形式單一，不能科學(xué)進(jìn)行技術(shù)組合，技術(shù)模式經(jīng)濟(jì)可行性差。常規(guī)使用客土植被法、噴播植被法等方式對(duì)礦業(yè)廢棄地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)治理。但以上兩種方法在實(shí)際操作過(guò)程中常常會(huì)遇到一些問(wèn)題，導(dǎo)致恢復(fù)效果欠佳，恢復(fù)后返酸退化現(xiàn)象頻發(fā)。其中可能的原因如下：

（1）客土植被法是指在礦業(yè)廢棄地進(jìn)行客土，類(lèi)似的還有用城市污泥、生活垃圾等進(jìn)行覆蓋，形成隔離層，避免有毒有害物質(zhì)影響上層植被。但在實(shí)際施工過(guò)程中，覆蓋層太薄容易返酸，太厚導(dǎo)致施工操作因難；需要從別處采集大量土壤，土源問(wèn)題難以解決，并且會(huì)造成二次環(huán)境破壞，在大面積恢復(fù)時(shí)實(shí)際可操作性差。

（2）噴播植被法是在礦業(yè)廢棄地（主要是邊坡）上噴射物理阻隔材料、化學(xué)穩(wěn)定劑使之反應(yīng)形成堅(jiān)實(shí)外殼，或施加化學(xué)物質(zhì)來(lái)絡(luò)合重金屬離子和堿性中和基質(zhì)，選用粘土、河沙、秸稈粉碎料、珍珠巖等物理阻隔材料與植物種子混合均勻，選用專(zhuān)有設(shè)備進(jìn)行噴灑，在重力作用自然入滲，從而形成穩(wěn)定的隔水層，達(dá)到植物定居的目的。但這種屬于硬性隔離，植物根系無(wú)法深入，因?yàn)橹参锊牧蠂姴?，無(wú)法調(diào)控種間植物生長(zhǎng)關(guān)系，生物多樣性無(wú)法保證，植被系統(tǒng)穩(wěn)定性差，容易發(fā)生退化現(xiàn)象。

對(duì)于礦山酸性土壤面積極為廣大的中國(guó)來(lái)說(shuō)，這些方法缺乏大面積推廣應(yīng)用的可能。因此，只能是在借鑒國(guó)際礦山酸性土壤治理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情、經(jīng)濟(jì)有效的治理技術(shù)。

3 德興銅礦廢棄地生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)研究應(yīng)用

3.1 德興銅礦概述

德興銅礦地處江西省上饒市德興市境內(nèi)，是江西銅業(yè)股份有限公司的主干礦山，是中國(guó)第一大露天銅礦，開(kāi)采歷史悠久，資源儲(chǔ)備豐富，目前開(kāi)采的有銅廠和富家塢兩大礦體，為我國(guó)有色金屬行業(yè)規(guī)模最大、技術(shù)和裝備水平最高的樣板礦山?！暗V山發(fā)展，決不透支未來(lái)”，德興銅礦上下已形成高度共識(shí)。德興銅礦積極實(shí)施科技興礦戰(zhàn)略，堅(jiān)持以技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新為動(dòng)力的德興銅礦綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，與中山大學(xué)緊密合作，積極開(kāi)展礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)的研究和應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)率先取得了酸性重金屬土壤上復(fù)綠的巨大成功。

3.2 生態(tài)恢復(fù)技術(shù)總體思路

圖1 技術(shù)總體思路

重金屬礦業(yè)廢棄地“不覆土，原位基質(zhì)改良+直接植被”生態(tài)恢復(fù)治理技術(shù)［5］，顛覆了原有技術(shù)的模式，用生態(tài)學(xué)的思想解決礦山環(huán)境問(wèn)題，因地制宜，綜合治理。在基本不改變?cè)械牡匦闻c土壤結(jié)構(gòu)，無(wú)需覆土，在原位進(jìn)行基質(zhì)改良后，直接在礦業(yè)廢棄地上種植植物和撒播種子，柔性改良土壤結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)，通過(guò)調(diào)控微生物群落與控制產(chǎn)酸的微生物類(lèi)群，重建一個(gè)人工或半人工的生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)植物穩(wěn)定重金屬，降低重金屬的遷移性，達(dá)到治理礦業(yè)廢棄地污染的目的，實(shí)現(xiàn)源頭控制重金屬污染，水土流失現(xiàn)象得到根本遏制，最終實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境的穩(wěn)定與改善。項(xiàng)目集成七大技術(shù)，包括酸化預(yù)測(cè)控制技術(shù)（NAG-pH技術(shù)）、土壤重金屬毒性控制技術(shù)、微生物群落調(diào)控技術(shù)、先鋒植物與野生植物群落演替技術(shù)、土壤原位基質(zhì)改良與熟化控制技術(shù)、水土保持與控制技術(shù)以及土壤種子庫(kù)技術(shù)。

3.3 生態(tài)恢復(fù)技術(shù)原理

（1）控制產(chǎn)酸的原理。產(chǎn)酸是廢棄礦業(yè)地含有的金屬硫化物在氧氣、水和產(chǎn)酸微生物的共同作用下發(fā)生的。在添加石灰中和現(xiàn)有酸性的基礎(chǔ)上，通過(guò)在廢棄礦業(yè)地表面覆蓋專(zhuān)用土壤改良基質(zhì)形成“耗氧層”，由于改良基質(zhì)富含各種有機(jī)物質(zhì)，能夠通過(guò)氧化過(guò)程消耗氧氣，因而減少?gòu)U棄礦業(yè)地與氧氣的接觸，在缺乏氧氣的情況下，廢棄礦業(yè)地的產(chǎn)酸過(guò)程受到極大地抑制。

（2）控制重金屬污染的原理。土壤溶液中的重金屬離子毒性由于Ca2+的存在而趨于緩和，這種作用稱(chēng)為離子拮抗。Ca2+的存在能顯著地降低植物對(duì)重金屬的吸收。添加石灰除了具有中和酸性的作用以外，還能夠顯著降低廢棄礦業(yè)地的重金屬毒性。磷酸鹽能夠與各類(lèi)重金屬離子形成難溶的磷酸鹽沉淀，從而降低重金屬毒性，避免對(duì)植物生長(zhǎng)造成影響。適當(dāng)添加一些無(wú)機(jī)肥料尤其是磷肥來(lái)降低重金屬毒性。

（3）改善營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)的原理。有機(jī)改良基質(zhì)富含養(yǎng)分，且養(yǎng)分釋放緩慢，可供植物較持久的利用；含有大量的有機(jī)質(zhì)，可以螯合部分重金屬離子，緩解其毒性；可改善基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，提高基質(zhì)的持水保肥能力。作物的秸稈也被用作廢棄地的覆蓋物，秸稈還能改善基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)，有利微生物的生長(zhǎng)，固定和保存氮素養(yǎng)分，促進(jìn)基質(zhì)中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。

（4）調(diào)控微生物群落的原理。高比例的產(chǎn)酸菌極大地促進(jìn)了廢棄礦業(yè)地的酸化，并且容易導(dǎo)致返酸現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)添加石灰急劇改變廢棄礦業(yè)地的pH，由于調(diào)節(jié)后的pH超出這些產(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)pH范圍，因而產(chǎn)酸菌比例可以得到大幅降低。通過(guò)添加的微生物菌劑，引入與培育有益微生物，進(jìn)一步降低產(chǎn)酸菌比例，發(fā)揮有益微生物的作用持續(xù)改良土壤。

3.4 生態(tài)恢復(fù)工程措施

原位整地：依山就勢(shì)，保持原有地形地貌及邊坡的固有穩(wěn)定性，用最少的擾動(dòng)確保邊坡地形地貌自然態(tài)，結(jié)合施工道路修建及場(chǎng)地排水溝設(shè)置需要，就近挖高填低，平整與回填，合理調(diào)配土方。

邊坡修整：邊坡修整優(yōu)先采用人工“之”字道路及放射狀條溝作業(yè)，輔助修坡；因勢(shì)造形，坡面修整只要能滿(mǎn)足人工種植操作需要即可，盡量減少機(jī)械施工對(duì)坡體的負(fù)荷壓力。

沖溝處理：“柔性”生態(tài)治理為主，“硬性”工程措施為輔［6］，采用生態(tài)短袋就近填充坡面的松散土體，40°安息角“品字型”堆疊構(gòu)筑溝谷兩側(cè)生態(tài)袋墻，柔性攔截坡面沖刷體，以控制沖溝繼續(xù)惡化為前提，模擬自然山體、自然溝壑進(jìn)行修整。

截排水措施：因地制宜，因勢(shì)利導(dǎo)，解決水力侵蝕問(wèn)題；以較少的工程措施投入，發(fā)揮最大的治水效果；坡頂截水與地表排水進(jìn)行截流與引流，場(chǎng)地內(nèi)修筑排水系統(tǒng)將地表水引流出場(chǎng)外，匯集到總清污分流排洪渠。

土壤改良措施：采用物理、化學(xué)、生物的方法對(duì)土地備耕后的種植條溝、表土與深層土壤進(jìn)行基質(zhì)改良，改良深度為20cm，撒施酸堿中和劑、土壤改良復(fù)合基質(zhì)、微生物菌劑等土壤改良物質(zhì)，實(shí)施土壤改良過(guò)程前期酸化預(yù)測(cè)與土壤改良過(guò)程中的全過(guò)程酸化控制，全過(guò)程營(yíng)造有益微生物生長(zhǎng)的適宜環(huán)境，切斷產(chǎn)酸微生物的生長(zhǎng)繁育途徑，引入與培育有益微生物，通過(guò)有益微生物的作用持續(xù)改良土壤。一般而言，對(duì)于土壤pH值在2.5～3.5之間的情況，改良材料的用量如下：酸堿中和劑80t/萬(wàn)m2，土壤改良復(fù)合基質(zhì)160t/萬(wàn)m2，微生物菌劑2g/m2，無(wú)機(jī)肥10t/萬(wàn)m2。

植物品種選擇、種植和撫育措施：采取種、播相結(jié)合，營(yíng)養(yǎng)袋苗種植+撒播種子的方法，形成先鋒植物、長(zhǎng)期定居植物、短期植物、四季植物更替的人工群落系統(tǒng)。實(shí)行喬草灌、常綠與落葉植物相結(jié)合，快速形成覆蓋表層土壤的植物群落。以當(dāng)?shù)貜?qiáng)化的野生植物品種。選擇的植物品種包括濕地松、樟樹(shù)、木荷、大葉女貞、刺槐、鹽膚木、紫穗槐、胡枝子、苧麻、狗牙根、大葉草。濕地松、樟樹(shù)、大葉女貞、刺槐以營(yíng)養(yǎng)袋苗種植；其他植物以種子撒播。種子播種前進(jìn)行種子配比，草本植物與喬灌木種子的配比為2∶1；禾本科：豆科：其它科植物的比例為2∶1∶0.1，按比例分層混合，盡量混合均勻。

3.5 生態(tài)恢復(fù)新技術(shù)應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

該技術(shù)目前在德興銅礦得到廣泛應(yīng)用，恢復(fù)排土場(chǎng)、采坑邊坡等礦業(yè)廢棄地總面積達(dá)到18.9萬(wàn)m2。實(shí)施的工程項(xiàng)目均取得良好效果，形成了自維持、不退化的植被系統(tǒng)，植被覆蓋度均達(dá)90%以上，植物種類(lèi)數(shù)目10種以上，且涵蓋了喬灌草等三種類(lèi)型，顯著降低了對(duì)周邊環(huán)境的重金屬污染，對(duì)于穩(wěn)定邊坡、保持水土具有十分明顯的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

重金屬礦業(yè)廢棄地“原位基質(zhì)改良+直接植被技術(shù)”，克服了傳統(tǒng)治理方法的不足，并且無(wú)需覆土，不會(huì)因取土造成二次環(huán)境破壞，植被系統(tǒng)穩(wěn)定不退化，能夠顯著控制礦山土壤酸化，降低重金屬溶出遷移，是一種極具創(chuàng)新性的修復(fù)技術(shù)。適用于包括排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)、采坑邊坡、污染退化土地等在內(nèi)的礦業(yè)廢棄地重金屬污染修復(fù)，從源頭控制重金屬污染。該方法操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效，可一并解決地質(zhì)災(zāi)害、重金屬環(huán)境污染、生態(tài)恢復(fù)三大問(wèn)題，成本約為傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的一半，綜合成本每平方米單價(jià)約90～150元。

該新技術(shù)目前已在江西銅業(yè)股份有限公司德興銅礦以及永平銅礦、城門(mén)山銅礦的排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)、采坑邊坡等幾種主要類(lèi)型礦業(yè)廢棄地的大面積生態(tài)恢復(fù)治理工作中得到了良好驗(yàn)證，為礦山酸性土壤治理提供了重要的理論支撐和應(yīng)用示范。