粵東蓮花山礦區(qū)鎢礦山生態(tài)修復(fù)研究與實(shí)踐

杜瑛娜， 林廣清2， 謝鍵泓， 林煊塏

(1. 廣東中大新華水環(huán)境工程研究院， 東莞523000； 2. 汕頭市生態(tài)環(huán)境澄海監(jiān)測(cè)站， 汕頭 515000)

礦山生態(tài)修復(fù)是踐行“兩山”理論的重要抓手，也是降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率、建設(shè)生態(tài)文明的重要措施[1]。我國(guó)礦山生態(tài)修復(fù)起步于20世紀(jì)50年代，主要開(kāi)展零散的造田植樹(shù)活動(dòng)[2]。《土地復(fù)墾條例》和《礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)規(guī)定》的出臺(tái)，標(biāo)志著我國(guó)礦山生態(tài)修復(fù)進(jìn)入規(guī)范化管理階段[3]。目前，我國(guó)礦山生態(tài)修復(fù)已由簡(jiǎn)單復(fù)綠轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅厣鷳B(tài)修復(fù)模式[4]，如李國(guó)政研究了礦山生態(tài)修復(fù)與多產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的3.0模式[5]。國(guó)外礦山修復(fù)走在前列的包括美國(guó)、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)家[6]，注重將礦山修復(fù)為原來(lái)的用地狀態(tài)[7]。澳大利亞將大部分礦山恢復(fù)為以桉樹(shù)為主的生態(tài)系統(tǒng)[8]，或?qū)⑵湫迯?fù)為農(nóng)業(yè)、休閑和建筑用地[9]，如HOWIESON等[10]成功將圣誕島上部分礦山修復(fù)為農(nóng)田。然而，僅采用單一技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)[11]，也難以將其完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，需根據(jù)礦山類型及狀態(tài)，綜合考慮修復(fù)時(shí)間、成本、目標(biāo)等因素以選擇合適的修復(fù)模式[12]。本文以粵東蓮花山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)一期工程為例進(jìn)行研究，旨在驗(yàn)證其修復(fù)模式的可行性和有效性，為鎢礦山生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及主要環(huán)境問(wèn)題

粵東蓮花山鎢礦系屬地下開(kāi)采的中型礦山，位于潮澄饒三縣(區(qū))交界處，面積約2.122 km2，屬粵東蓮花山脈，地形為低山丘陵。礦區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫達(dá)21.2 ℃，年平均降雨量為1 512.7 mm。蓮花山鎢礦始建于1956年，1991年因資源枯竭閉礦。蓮花山礦區(qū)地勢(shì)南高北低，地表徑流通道有山前、山后2條，山前水集中在礦區(qū)原精選尾礦庫(kù)——山前庫(kù)區(qū)，下游流入澄海市鹽鴻地界，通過(guò)7 km長(zhǎng)的排污溝排入大海，以三君橋斷面(W1)作為地表水常規(guī)監(jiān)控?cái)嗝妫簧胶髱?kù)區(qū)包括1～5號(hào)庫(kù)以及廢礦石堆攔石壩和錐形山，山后水集中在4號(hào)庫(kù)區(qū)，流入下游饒平縣錢東鎮(zhèn)經(jīng)徑南村地界延續(xù)至潮安縣鐵鋪鎮(zhèn)地界，流經(jīng)樟厝堤水庫(kù)、白石嶺水庫(kù)和崗山水庫(kù)，最后流入韓江，以4號(hào)壩底滲流、排水涵洞匯合點(diǎn)下游10 m處作為跨界監(jiān)控點(diǎn)(W2)。研究區(qū)域位置如圖1所示。

圖1 蓮花山礦區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

2010年，蓮花山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)一期工程被列入有色金屬資源枯竭礦山尾礦庫(kù)閉庫(kù)安全治理工程項(xiàng)目，2016年完成尾礦庫(kù)消庫(kù)手續(xù)，不再列為尾礦庫(kù)管理[13]，安全方面的隱患已經(jīng)消除，但環(huán)境污染問(wèn)題沒(méi)有得到全面治理，存在較多環(huán)保遺留問(wèn)題。主要體現(xiàn)為：山體大面積裸露，缺乏表層土及植物必需的養(yǎng)分元素，同時(shí)Cu、Cd、Pb、Ni、As等重金屬含量較高，尤其是作為鎢礦特征重金屬因子As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)893.17 mg/kg[14]，比As的礦區(qū)背景值(167 mg/kg)高出4.3倍，植被難以生長(zhǎng)，需要進(jìn)行基質(zhì)改良才能恢復(fù)植被；另外，礦區(qū)雨污分流不徹底，雨水浸泡產(chǎn)生的含重金屬滲流直接超標(biāo)排放影響了周圍水體環(huán)境，山前地表水三君橋斷面(W1)As超標(biāo)倍數(shù)為1.33倍，山后排水跨界監(jiān)控點(diǎn)(W2)Cu、Cd、As等主要重金屬指標(biāo)均超標(biāo)，超標(biāo)倍數(shù)分別高達(dá)6.14、48.60、33.56倍(表1)。

表1 修復(fù)前礦區(qū)地表水及表層土中金屬元素監(jiān)測(cè)結(jié)果 Table1 The metal monitoring results of surface water and surface soil in the mining area before restoration

1.2 環(huán)境質(zhì)量效果評(píng)估方法

1.2.1 樣品采集 樣品采集包括3項(xiàng)共18個(gè)，具體布設(shè)見(jiàn)圖2，包括：(1)生態(tài)復(fù)綠區(qū)域布設(shè)14個(gè)土壤表層采樣點(diǎn)(T1～T14);(2)在山前、山后2套重金屬?gòu)U水治理設(shè)施出水口各設(shè)置1個(gè)水污染物排放情況監(jiān)測(cè)點(diǎn)(D1～D2);(3)在山前地表水常規(guī)監(jiān)測(cè)斷面(三君橋斷面)、山后排水跨界監(jiān)控點(diǎn)(4號(hào)壩底滲流、排水涵洞匯合點(diǎn)下游10 m處)各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(W1～W2)。樣品采集與樣品檢測(cè)工作委托具有中國(guó)計(jì)量認(rèn)證(CMA)資質(zhì)的公司進(jìn)行監(jiān)測(cè)并出具報(bào)告，土壤樣品的采集及測(cè)定按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)的要求實(shí)施，平行樣采集比例為10%，相對(duì)偏差低于7.3%，均小于允許的相對(duì)偏差；地表水和水污染物排放樣品的采集按照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)要求進(jìn)行，地表水和水污染物排放平行樣采集比例分別為12.5%、11.3%，相對(duì)偏差低于9.0%，均小于允許的相對(duì)偏差。

圖2 樣品采集布點(diǎn)圖

1.2.2 評(píng)價(jià)方法 選取鎢礦山的特征重金屬指標(biāo)As、Cd、Pb、Cu、Ni，與該項(xiàng)重金屬污染物評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，評(píng)價(jià)其是否達(dá)標(biāo)；將礦區(qū)環(huán)境質(zhì)量作為一個(gè)整體，與當(dāng)?shù)乇尘爸祷蚺c歷史資料進(jìn)行比較，從而評(píng)價(jià)該礦區(qū)生態(tài)修復(fù)一期工程實(shí)施后的環(huán)境質(zhì)量改善情況。

1.3 生態(tài)復(fù)綠效果評(píng)估方法

1.3.1 樣方設(shè)置及群落調(diào)查 在蓮花山礦區(qū)4個(gè)生態(tài)復(fù)綠區(qū)域設(shè)置5個(gè)樣方，并在礦區(qū)外設(shè)置1個(gè)參照樣方，每個(gè)樣方調(diào)查面積為10 m×10 m，共設(shè)置6個(gè)樣方。 采用樣點(diǎn)記錄法進(jìn)行群落調(diào)查，記錄所有植物種類、數(shù)量及蓋度等各項(xiàng)指標(biāo)。調(diào)查內(nèi)容包括群落組成、總蓋度、物種數(shù)、群落結(jié)構(gòu)等。植被群落分類采用《中國(guó)植被》的分類原則和方法進(jìn)行。

1.3.2 植被生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法 綠色植物的生物量和凈生產(chǎn)量是生態(tài)系統(tǒng)物流和能流的基礎(chǔ)，是生態(tài)系統(tǒng)的重要特征和本質(zhì)標(biāo)志，物種量是環(huán)境植被組成的基礎(chǔ)。植被是綜合反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，但目前尚無(wú)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本調(diào)查中，采用植物群落的生物量、凈生產(chǎn)量、物種量作為生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的基本參數(shù)[15]。

根據(jù)目前對(duì)地帶性植被南亞熱帶常綠闊葉林的研究，其生物量的最大值約400 t/hm2，凈生產(chǎn)量的最大值約25 t/(hm2·a)，最大物種量(1 000 m2內(nèi)的物種數(shù)，全文同)約100種[16]，以此值作為最高一級(jí)生物量、凈生產(chǎn)量、物種量以及標(biāo)定生物量、標(biāo)定凈生產(chǎn)量、標(biāo)定物種量，并將它們各分為6級(jí)(見(jiàn)表2)，每一級(jí)評(píng)價(jià)參數(shù)與標(biāo)定評(píng)價(jià)參數(shù)的比值為標(biāo)定相對(duì)參數(shù)值。將標(biāo)定相對(duì)生物量、標(biāo)定相對(duì)凈生產(chǎn)量、標(biāo)定相對(duì)物種量相加得到生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)，該指數(shù)在很大程度上反映了環(huán)境生態(tài)質(zhì)量的變化[17]。

Ba=Bi/Bmax，

(1)

其中，Ba為標(biāo)定相對(duì)生物量，Bi為生物量(t/hm2)，Bmax為標(biāo)定生物量(t/hm2)，取400 t/hm2。

Pa=Pi/Pmax，

(2)

其中，Pa為標(biāo)定相對(duì)凈生產(chǎn)量，Pi為凈生產(chǎn)量(t/(hm-2·a-1))，Pmax為標(biāo)定凈生產(chǎn)量(t/(hm-2·a-1))，取25 t/(hm2·a)。

Sa=Si/Smax，

(3)

其中，Sa為標(biāo)定物種量，Si為物種量，Smax為每千平方米的標(biāo)定物種量，取100種。

表2 南亞熱帶各級(jí)植被的生物量、凈生產(chǎn)量、物種量及其標(biāo)定量的分級(jí)表標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果與效果評(píng)估

2.1.1 表層土壤主要重金屬污染情況 蓮花山礦區(qū)一期工程實(shí)施前后表層土壤主要重金屬指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，As作為鎢礦最重要的重金屬特征指標(biāo)，經(jīng)過(guò)一期工程實(shí)施后，表層土中As的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為206.86 mg/kg，比修復(fù)前削減了76.8%，但14個(gè)測(cè)點(diǎn)中仍有8個(gè)測(cè)點(diǎn)超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)57.1%，尤其是T1、T4和T7點(diǎn)表層覆土中As質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯超標(biāo)，分別處在1號(hào)庫(kù)、5號(hào)庫(kù)和錐形山。蓮花山礦區(qū)一期工程覆土主要來(lái)自蓮花山附近饒平縣轄區(qū)臺(tái)地，修復(fù)過(guò)程未對(duì)覆土土壤主要重金屬指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，T1、T4和T7點(diǎn)相比As的礦區(qū)背景值(167 mg/kg)分別高出3.9、1.6、6.3倍，其原因可能是由于修復(fù)植被尚處在幼苗階段，修復(fù)面上覆土受到雨水沖刷現(xiàn)象明顯。雨水沖刷將少部分覆土層下的受覆蓋物翻動(dòng)到表層，導(dǎo)致修復(fù)面低洼處局部表層覆土As質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯超標(biāo)。隨著復(fù)綠植被的生長(zhǎng)，對(duì)土壤固著能力的增加，這種修復(fù)面覆土被雨水沖刷的現(xiàn)象將會(huì)消失。而Cu、Cd、Pb、Ni等4種重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一期工程實(shí)施前后均能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，修復(fù)后4種重金屬的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為76.36、0.27、137.77、3.64 mg/kg，比修復(fù)前分別削減了61.4%、95.7%、72.2%、82.8%。表層土壤As、Cu、Cd、Pb、Ni等5種重金屬指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果(表3)表明：在礦區(qū)1號(hào)庫(kù)、5號(hào)庫(kù)、錐形山、攔石壩4個(gè)區(qū)域采取的工程措施及生態(tài)復(fù)綠措施有效控制了廢石堆和尾礦砂中重金屬的淋溶沖刷，并且未見(jiàn)明顯的污染輸入問(wèn)題，修復(fù)效果明顯?？梢?jiàn)該修復(fù)方案有效，但礦區(qū)As的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)問(wèn)題并非僅僅一期工程就能解決，還有賴于下一階段工程的持續(xù)努力。

2.1.2 水污染物排放及地表水影響 山前、山后2套重金屬?gòu)U水治理設(shè)施出水口監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表4。2020年1月監(jiān)測(cè)值表明，山前重金屬?gòu)U水治理設(shè)施出水口Cu、Ni、Pb等3項(xiàng)重金屬指標(biāo)均未被檢出，Cd、As的平均質(zhì)量濃度分別為0.007 5、0.2 mg/L，均能達(dá)到廣東省《水污染物排放限值》(DB44/26—2001)第二時(shí)段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；山后重金屬?gòu)U水治理設(shè)施出水口Cu、Cd、Pb、Ni、As等5項(xiàng)重金屬指標(biāo)均未被檢出，而廢水處理設(shè)施2019年臺(tái)賬也表明As、Cu這2項(xiàng)重金屬指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)?？梢?jiàn)采用“前段氧化+石灰中和沉淀”、“石灰中和+混凝沉淀”的主體工藝處理礦區(qū)重金屬?gòu)U水可行。

山前、山后地表水監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果(表5)表明：在修復(fù)前山前地表水三君橋斷面5種重金屬指標(biāo)中，As的質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)，平均值為1.164 mg/L，比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)0.1 mg/L高出10.6倍，一期工程實(shí)施后，As的平均質(zhì)量濃度為0.609 mg/L，比修復(fù)前削減47.7%，但仍是評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的6倍。而Cu、Cd、Pb、Ni等4種重金屬指標(biāo)修復(fù)前后均能達(dá)標(biāo)，修復(fù)后比修復(fù)前分別削減84.1%、86.4%、89.4%、90.0%，可見(jiàn)一期修復(fù)工程在阻滯礦區(qū)重金屬的淋溶流失中起到了較為明顯的效果。

在山后監(jiān)測(cè)點(diǎn)4號(hào)壩底滲流、排水涵洞匯合點(diǎn)下游10 m處，修復(fù)前5項(xiàng)重金屬指標(biāo)中有3項(xiàng)超標(biāo)，為Cu、Cd、As，超標(biāo)倍數(shù)分別為6.1、48.6、33.6倍，而一期工程修復(fù)后，Cu、Cd、Pb、Ni、As等5種重金屬指標(biāo)均能達(dá)標(biāo)，尤其是As未被檢出，相對(duì)于修復(fù)前削減了98.8%以上，修復(fù)效果顯著，跨界污染得到非常有效的阻隔。

在一期工程實(shí)施的11個(gè)子工程中，僅有蓮花山鎢礦專線排污清淤工程、山前庫(kù)壩頂硬底化工程、山前庫(kù)區(qū)重金屬?gòu)U水治理工程這3項(xiàng)子工程位于山前，其余8項(xiàng)子工程均位于山后。以上監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，山后地表水修復(fù)效果明顯優(yōu)于山前。因此，山前三君橋斷面中As超標(biāo)問(wèn)題應(yīng)引起重視，山前庫(kù)治理應(yīng)作為下一階段的修復(fù)重點(diǎn)。

表3 蓮花山礦區(qū)一期工程實(shí)施前后表層土壤中主要重金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表4 山前、山后2套重金屬?gòu)U水治理設(shè)施出水口中重金屬的質(zhì)量濃度

表5 山前、山后監(jiān)控點(diǎn)地表水中重金屬質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果 Table 5 The monitoring results of surface water at monitoring points in front and back of the mountain mg/L

2.2 植被復(fù)綠效果評(píng)估

2.2.1 樣方主要植物群落及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù) 經(jīng)調(diào)查，6個(gè)樣方的植物群落分別為馬尾松-皇竹草群落、尾葉桉+馬尾松+馬占相思-皇竹草群落、樟+馬尾松+馬占相思-皇竹草群落、秋楓-灰莉-五節(jié)芒群落、尾葉桉-五節(jié)芒群落和尾葉桉群落等。在6個(gè)群落中，有5個(gè)群落的灌木層/草本層不成層，2個(gè)群落無(wú)藤本植物。6個(gè)樣方主要植物群落的生物量、凈生產(chǎn)量范圍分別為7.2～28.0、3.1～7.1 t/(hm2·a)，每千平方米物種量為6～14種，標(biāo)定相對(duì)生物量、標(biāo)定相對(duì)凈生產(chǎn)量、標(biāo)定相對(duì)物種量以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)范圍分別為0.018～0.070、0.124～0.284、0.06～0.14、0.212～0.444，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)均為Vb級(jí)(表6)。

表6 一期工程修復(fù)后植被恢復(fù)區(qū)樣方調(diào)查結(jié)果Table 6 The survey results of vegetation restoration area after the first-phase ecological restoration project

2.2.2 生態(tài)復(fù)綠效果評(píng)估 一期修復(fù)工程實(shí)施后，蓮花山礦區(qū)4個(gè)生態(tài)復(fù)綠工程區(qū)域5個(gè)樣方全部存活每千平方米擁有3～5種植物形成的植被群落，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)均為Vb級(jí)，錐形山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)最低(0.212)，是礦區(qū)外參照樣方的47.7%；5號(hào)庫(kù)復(fù)綠效果最佳(0.350)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)達(dá)到參照樣方的78.8%。

總體上，粵東蓮花山礦區(qū)環(huán)境整治工程植被修復(fù)效果顯著，下一階段工程需要持續(xù)精心撫育本次工程修復(fù)成活的植被，及時(shí)補(bǔ)種錐形山廢石植被修復(fù)面約占12.5%的修復(fù)植物未成活的裸露面，以期增加修復(fù)面上植物群落的凈生產(chǎn)量，強(qiáng)化其固化修復(fù)面土壤的功效。

3 結(jié)論

粵東蓮花山礦區(qū)生態(tài)修復(fù)一期工程實(shí)施后有效改善了礦區(qū)的景觀；控制了礦區(qū)雨水、礦坑涌水和尾礦庫(kù)滲出水對(duì)礦區(qū)廢石及尾礦砂的淋溶；遏制了礦區(qū)酸性含重金屬?gòu)U水對(duì)下游水環(huán)境質(zhì)量造成的影響，跨界污染問(wèn)題得以解決，修復(fù)環(huán)境效益明顯，可見(jiàn)采用“工程措施加生態(tài)復(fù)綠”的生態(tài)修復(fù)模式對(duì)鎢礦山進(jìn)行生態(tài)修復(fù)是可行的，可為其他鎢礦山初期生態(tài)修復(fù)提供借鑒與參考。

礦山生態(tài)修復(fù)是恢復(fù)綠水青山、建設(shè)金山銀山的過(guò)程，也是持續(xù)推進(jìn)的過(guò)程，下一階段通過(guò)尋求更有價(jià)值的修復(fù)模式盤活礦區(qū)周邊用地，是緩解城鎮(zhèn)建設(shè)用地緊張局面和提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值重要舉措，而生態(tài)修復(fù)資源再利用帶來(lái)的土地供應(yīng)的增加與增值，也將反哺下一輪生態(tài)修復(fù)工程，成為持續(xù)生態(tài)修復(fù)的源動(dòng)力。