礦山土壤生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

屈向陽

摘要：礦產(chǎn)資源的開發(fā)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。相關(guān)報(bào)告顯示[2]，在大多數(shù)礦區(qū)，采礦后缺乏科學(xué)管理導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。因此，礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究非常重要。生態(tài)恢復(fù)意味著停止生態(tài)系統(tǒng)的破壞，采取措施以適應(yīng)當(dāng)?shù)貤l件和利用生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)功能，將受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到預(yù)期狀態(tài)，或者通過人工干預(yù)恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)，向著環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的綜合良性發(fā)展[4]。本文以惠州市仲愷高新區(qū)惠環(huán)西坑石場(chǎng)修復(fù)為例，對(duì)礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)展開討論。

關(guān)鍵詞：礦山生態(tài)環(huán)境；修復(fù)技術(shù)

1.前言

惠州市仲愷高新區(qū)惠環(huán)西坑石場(chǎng)位于惠州市仲愷高新區(qū)150°方向，直距約5km的惠環(huán)街道辦西坑日光村鹿古坑附近，開采礦種為建筑用砂巖，礦區(qū)面積0.1335km2，開采方式為露天開采（局部負(fù)地形凹陷開采），開采深度為+192m至+50m標(biāo)高?，F(xiàn)礦山廢棄邊坡停止采礦活動(dòng)，經(jīng)過較長時(shí)間的開采，礦區(qū)范圍內(nèi)絕大部分地形已破壞，該治理區(qū)裸露面積5.15hm2。礦區(qū)地貌類型單一，原始地形坡度較陡，地形地貌條件中等。

2.礦山開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

該礦坑屬于露天開采，剝采比較大，開采形成大范圍的挖方高邊坡，采場(chǎng)內(nèi)地貌發(fā)生較大的改變。同時(shí)損壞地表植物，降低水土保持功能，使水土流失加劇。造成周邊環(huán)境的失衡。采礦活動(dòng)在空間上造成了含水層位的局部缺失，使之在一定范圍內(nèi)中斷或不連續(xù)，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水造成一定的疏干，以采坑為中心，地下水位下降，含水層厚度變形，在一定程度上破壞了原有完整的含水層結(jié)構(gòu)。礦山開采對(duì)生態(tài)環(huán)境主要有以下影響。

2.1破壞地表景觀

采礦包括露天采礦和地下采礦：露天采礦主要是基于對(duì)受損土地的清除，這大大改變了地表景觀。從地面提取礦物后，上覆的巖石層失去了支撐，巖體的內(nèi)部應(yīng)力失去了平衡，導(dǎo)致上覆巖石在工作中發(fā)生位移、變形和破壞。新的地貌出現(xiàn)，例如滑坡、裂縫和斜坡。在開采之前，地貌通常被自然植被覆蓋，例如森林和草原，一旦開采，堆積如山的廢物和碎屑，嚴(yán)重破壞地表自然景觀。

2.2誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

由于地下采礦，開挖土地和斜坡會(huì)影響山脈和斜坡的穩(wěn)定性，通常會(huì)導(dǎo)致地面塌陷、開裂，大雨很容易引起山體滑坡。而礦井關(guān)閉后，形成了巨大的空洞，數(shù)億噸的水涌入地下將導(dǎo)致應(yīng)力在巖石周圍重新分布，圍巖中薄弱層的機(jī)械強(qiáng)度降低。這將容易導(dǎo)致大規(guī)模的滑坡，并引發(fā)周圍地區(qū)的許多地質(zhì)災(zāi)害，甚至引起小規(guī)模的地震。礦山雨季大雨會(huì)導(dǎo)致大部分土壤侵蝕嚴(yán)重。采礦作業(yè)直接破壞了地表植被，露天礦和地下礦井的地下水排水大大降低了礦區(qū)的地下水水位，導(dǎo)致植被退化，礦區(qū)形成大面積的裸土，很容易被雨水沖走，增加了土壤的侵蝕強(qiáng)度，再加上風(fēng)化作用，巖石和土壤容易轉(zhuǎn)化成巖石碎片，導(dǎo)致土壤更容易被侵蝕，因此，采礦作業(yè)通常會(huì)導(dǎo)致水土流失加劇。而由于表層土已被去除，下層土壤缺乏有機(jī)物、養(yǎng)分和水，容易造成土壤次生鹽漬化。在風(fēng)雨的影響下，固體廢物中的鹽被沖走并富集在低洼地區(qū)。蒸發(fā)后，周圍的土壤將鹽漬化。同時(shí)地面塌陷會(huì)降低土壤水分，土壤中的養(yǎng)分流失，導(dǎo)致許多地方土壤養(yǎng)分缺乏，土壤的承載力降低。

2.3破壞水生態(tài)環(huán)境

沉降、裂縫和降水導(dǎo)致了礦區(qū)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的變化，自然的水文平衡被破壞：一方面，地下水的水文條件發(fā)生了變化，導(dǎo)致地下水系統(tǒng)的枯竭或轉(zhuǎn)移；另一方面地下水的變化將導(dǎo)致地表徑流變化并耗盡水源或者造成水災(zāi)和季節(jié)性洪災(zāi)，直接影響了農(nóng)作物的種植。同時(shí)礦山廢水通常很少達(dá)到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，這必然導(dǎo)致水質(zhì)污染，嚴(yán)重影響水生生物的生存和繁殖，以及人類和動(dòng)物的生存。

2.4破壞空氣環(huán)境

礦山開采對(duì)大氣環(huán)境有兩個(gè)主要影響：第一是采礦過程造成的物理污染，例如煙塵；第二是采礦過程中釋放的有害氣體引起的環(huán)境問題，例如溫室效應(yīng)、酸雨和煙霧的光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致礦區(qū)小氣候的惡化。

3.礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)

在該項(xiàng)目中存在的地質(zhì)災(zāi)害主要是塌落和落石，相應(yīng)治理措施主要為：采用清理廢石土和清坡；削坡減載、排水、截水、護(hù)坡和植被恢復(fù)等工程措施。地形地貌景觀治理存在的廢棄邊坡對(duì)地形地貌景觀的影響較大，采取的治理措施主要為生態(tài)修復(fù)措施。生態(tài)修復(fù)措施包括采取熟土剝離儲(chǔ)存、覆土回填、平整、翻耕、種植植被等。水土環(huán)境污染治理措施治理區(qū)存在的對(duì)水土環(huán)境的污染主要是泥沙經(jīng)處理后可達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)。采取的治理措施為截排水和沉淀池沉降排放。目前礦山生態(tài)修復(fù)主要有以下幾種：

3.1物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)主要是通過物理手段對(duì)采礦造成的生態(tài)破壞進(jìn)行恢復(fù)，比如隔離、電動(dòng)力學(xué)、土壤置換和覆蓋等。隔離是指使用不可滲透的材料（例如水泥，頁巖等）將受污染的土壤或水分開，以防止污染物擴(kuò)散到環(huán)境中；電動(dòng)力學(xué)是通過向電極施加電流，使用電滲析、電泳和其他原理轉(zhuǎn)移污染物。周鳴等[5]通過在陰極儲(chǔ)槽中添加乙二胺四乙酸（EDTA），增加了電流并增強(qiáng)了修復(fù)的效果。物理恢復(fù)方法由于其操作簡(jiǎn)便和不易產(chǎn)生其他不利影響而在礦山修復(fù)中被廣泛使用，但也有一定的局限性。比如隔離方法的范圍有限，通常僅在污染非常嚴(yán)重的時(shí)候使用，且容易造成污染物擴(kuò)散問題。而土壤置換和覆蓋的方法成本非常高，且易對(duì)原生態(tài)環(huán)境造成影響，而電動(dòng)方法則較為適用于導(dǎo)電率較好的土壤環(huán)境中，但是易受電極和土壤復(fù)雜組成的影響。

3.2化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要有兩類：

3.2.1一類是通過溶劑溶解土壤中的重金屬，使重金屬變?yōu)橐合嘟觯?.2.2可以通過添加固化劑抑制污染物進(jìn)入液相中，從而避免其對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響。常用的溶劑主要有酸性溶液、鹽溶液、表面活性劑[5]?？梢酝ㄟ^簡(jiǎn)單地浸入水中來溶解土壤中的活潑金屬氧化物。研究表明，重金屬與有機(jī)物或無機(jī)氧化物的結(jié)合可能會(huì)在酸浸過程中釋放出來。黃細(xì)花等人[6]使用HCl從土壤中浸出Cr，Pb，Zn，Cu，Cd，發(fā)現(xiàn)HCl可以達(dá)到更好的去除效果。在化學(xué)修復(fù)過程中，最常用的方法是通過添加改性劑來硬化或鈍化重金屬，從而降低或抑制重金屬引起的污染風(fēng)險(xiǎn)。謝偉強(qiáng)等[7]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加硬化劑后，重金屬離子和Ca和P、PO43-和OH-等發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定絡(luò)合物，如Fe-PO4-Ca-Pb-ZnOH。此外，在尾礦中添加淤泥、肥料、稻草和其他有機(jī)廢物可以有效提高土壤的肥力并降低污染?；瘜W(xué)修復(fù)方法適用于孔隙大且污染嚴(yán)重的土壤，此外某些化合物會(huì)沉積在土壤中，并且很難去除，可能成為新的污染源，因此有必要將其與其他方法結(jié)合使用，并對(duì)污染物進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)。此外，施肥還適用于污染水平低的地區(qū)，通常與其他處理方法結(jié)合使用作為輔助方法。

3.3生物修復(fù)技術(shù)

3.3.1植物修復(fù)

植物修復(fù)主要通過在廢棄礦山的表層土壤科學(xué)的種植適合的植物，以防止水土流失，并利用植被來富集，穩(wěn)定和過濾根系效果從廢棄礦山中清除污染物，從而實(shí)現(xiàn)改善土壤理化性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的目的。很多蔡本植物具有富集重金屬和改善土壤環(huán)境的作用。比如苜蓿、白三葉草等草藥以及其他豆類植物是常用的生態(tài)恢復(fù)植物。這是由于豆類植物的共生固氮能力較強(qiáng)，可以顯著提高土壤肥力指數(shù)，隨著播種時(shí)間的延長可以有效提高土壤的肥力，并富集重金屬。比如，苜蓿根可以有效富銅和鋅，但是，由于草本植物通常較小，生物量不足限制了土壤中重金屬的其應(yīng)用效果。而且基于草本植物的生態(tài)系統(tǒng)抗逆性較差，無法應(yīng)對(duì)極端的氣候。相反，木本植物具有生物量高，抗逆性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為礦山植物恢復(fù)環(huán)境研究的趨勢(shì)。木質(zhì)的越橘，沙棘等具有很強(qiáng)的固氮能力，可以顯著改善礦區(qū)的土壤肥力，且具有較好的重金屬富集能力。此外，銀合歡、桑樹和臭椿已成功用于廢棄礦山的修復(fù)，對(duì)鎘，鉛和銅的富集有重要影響。

植物修復(fù)技術(shù)還可以防風(fēng)防沙，減少水土流失，是目前最好的生態(tài)修復(fù)方法之一，廣泛用于廢棄礦山的生態(tài)恢復(fù)，盡管耐性植物的修復(fù)效果好，由于大部分植物生長緩慢，因此，修復(fù)期也較長，僅適用于表面恢復(fù)。另外，重金屬在植物中積累較多時(shí)，需要砍伐，但傳統(tǒng)的處置方法（如焚化和熱解）會(huì)造成二次污染，仍然存在需要解決的問題，以實(shí)現(xiàn)最大限度地利用資源。

該礦區(qū)損毀土地在復(fù)墾初期比較貧瘠，礦區(qū)植被選擇適宜惠城區(qū)本土耐干旱、貧瘠、耐寒的當(dāng)?shù)匾嗽灾参镒鳛橹饕臉浞N，例如：?jiǎn)棠荆R占相思、楓香）、灌木、野生葛藤、芒草、狗牙根及紫穗槐等，一般春季在3月～4月中旬栽植植物，栽植時(shí)適量澆水。樹穴填滿土后，適當(dāng)踩實(shí)，然后在其表面覆蓋5cm～10cm松散的土；散播草籽為部分損毀區(qū)域，并適量澆水，最終實(shí)現(xiàn)喬、灌、藤、草多效結(jié)合的復(fù)墾局面。

3.3.2動(dòng)物恢復(fù)

動(dòng)物修復(fù)技術(shù)主要是利用蚯蚓、蜘蛛等土層動(dòng)物改善土壤理化性質(zhì)的修復(fù)方法。這些土層動(dòng)物不僅具有對(duì)惡劣環(huán)境良好的抗性，可以適應(yīng)較為惡劣的環(huán)境。而且其自身的活動(dòng)以及生命代謝可以有效改善土壤的性質(zhì)，提高土壤的肥力，并通過富集重金屬作用去除土壤中的重金屬含量。除此之外，土層動(dòng)物的活動(dòng)還可以有效的疏松土壤，比如蚯蚓的活動(dòng)可以極大地增加土壤孔隙，并且自身的排泄物可以有效提高土壤的肥力，增加土壤內(nèi)部的氧含量和水含量。例如，土壤動(dòng)物在土壤中的生長和遷移以及其他類型的生活和生理代謝可以顯著提高土壤中微生物的活動(dòng)程度，增加土壤肥力。另外，土壤動(dòng)物進(jìn)食和消化土壤中的有機(jī)物可以分解并將其轉(zhuǎn)換為容易被植物利用的有機(jī)酸，同時(shí)可以降低一些重金屬的毒性，從而提高傳統(tǒng)生物土壤修復(fù)的效果和速度。

3.3.3微生物修復(fù)

微生物修復(fù)技術(shù)是指微生物來減少污染物以及提高土壤肥力的方法。例如，硫酸鹽還原菌可用于還原和去除采礦業(yè)酸性礦山廢水中的大量硫酸鹽。還與廢水中的重金屬一起沉淀。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在pH值為5.00和停留時(shí)間為18小時(shí)的情況下，還原硫酸鹽細(xì)菌對(duì)硫酸鹽的回收率可達(dá)到46.10%，并銅、鋅、鐵含量下降非常明顯。除此之外，微生物還可以利用有機(jī)廢物，同時(shí)固定N2，改善了土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。微生物修復(fù)技術(shù)是自然過程，因此對(duì)環(huán)境影響很小，并且可以大大降低污染物的濃度。微生物修復(fù)技術(shù)較為復(fù)雜，且時(shí)間較長，并具有一定的特異性，因此微生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用仍然有很大局限性。

在礦山環(huán)境修復(fù)中，一種修復(fù)技術(shù)往往具有一定的局限性，無法滿足修復(fù)需求，多種修復(fù)技術(shù)結(jié)合可以相互補(bǔ)充，以達(dá)到最佳修復(fù)效果。比如物理化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)可以快速固化，直接消除有毒有害物質(zhì)，物理化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)成功的關(guān)鍵是選擇可以與重金屬混合的物質(zhì)；微生物化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)通過向土壤中添加表面活性劑以促進(jìn)污染物從表面活性劑的固相到膠束相的分布，增加疏水性物質(zhì)在土壤中的溶解度，同時(shí)還可以增加膜對(duì)微生物的滲透性；植物化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)通過在土壤基質(zhì)中添加螯合劑來促進(jìn)植物修復(fù)，改善土壤中有害物質(zhì)的解毒能力；植物微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)可以協(xié)同特定的微生物，比如菌根真菌的生命活動(dòng)和生理代謝可以將水、酶和其他物質(zhì)轉(zhuǎn)移到附近的植物，從而促進(jìn)植物的生長并和土壤中重金屬的轉(zhuǎn)化和遷移，從而增加植物對(duì)重金屬富集能力。同時(shí)應(yīng)用兩種或更多種修復(fù)技術(shù)將產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，將大大克服一種修復(fù)技術(shù)的局限性，改善資源利用并增強(qiáng)生態(tài)修復(fù)的效果。因此，環(huán)境修復(fù)聯(lián)合技術(shù)無疑將成為未來礦山環(huán)境修復(fù)研究的主要重點(diǎn)。但是，聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的組合是極其復(fù)雜的生化過程，比單一回收技術(shù)更容易受到環(huán)境影響，要求對(duì)每種技術(shù)都有一定的經(jīng)驗(yàn)，增加了操作的復(fù)雜性。

4.結(jié)語

本礦區(qū)土地復(fù)墾項(xiàng)目施工建設(shè)、施工工藝及土地復(fù)墾各個(gè)環(huán)節(jié)要形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，從而達(dá)到土地墾后的土地的利用和一體化經(jīng)營，形成土地復(fù)墾的規(guī)模效益和良性循環(huán)機(jī)制。在復(fù)墾治理后的土地，要采取一定量的生物化學(xué)措施，生物化學(xué)措施主要包括恢復(fù)植被與生態(tài)維護(hù)等工程。本次治理工作范圍，為已形成的開采邊坡及邊坡外側(cè)的排土場(chǎng)。經(jīng)過生態(tài)修復(fù)后將提高植被的覆蓋率，有利于提升周邊生態(tài)環(huán)境，對(duì)水、空氣和土地資源有明顯改善，同時(shí)防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益顯著。

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