矿山废弃地植被恢复技术研究

刘英琴

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

矿山废弃地植被恢复技术研究

刘英琴

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

矿山废弃地的物理结构不良、重金属含量过高、极端pH值等众多危害环境的极端理化性质特点,使得其对环境的危害持久而严重。文章针对矿山废弃地植被恢复技术中的基质改良和植物物种选择两方面进行了分析,探讨了基质改良的基本方法及其原理,物种选择原则、方法及耐性植物筛选策略。

矿山废弃地;环境危害;植被恢复;基质改良;物种选择

环境与发展,是当前国际社会普遍关注的重大问题。矿业作为中国的重要基础产业,为国民经济发展提供了95%的一次能源,80%以上的工业原材料和70%以上的农业生产资料。然而,采矿活动及其废弃物的排放不仅破坏和占用大量的土地资源、加剧我国土地资源的短缺,也带来了一系列影响深远的环境问题。据“‘十五’国土资源生态建设和环境保护规划”报道,中国采矿活动破坏的土地面积已达400×104hm2,平均每年增加近2×104hm2,但矿山废弃地复垦率不到12%。因此,以植被恢复为第一步和关键环节的矿山废弃地生态恢复与重建,已成为我国当前所面临的紧迫任务之一。

1 矿山废弃地类型及危害

1.1 矿山废弃地类型

矿山废弃地是指在采矿活动中被破坏、未经治理而无法使用的土地[1]。根据矿山废弃地的来源可划分为三种类型:(1)由剥离表土、开采的岩石碎块和低品位矿石堆积而成的废石堆废弃地;(2)随着矿物开采而形成的大量的采空区和塌陷区,即采矿坑废弃地;(3)开采出来的矿石经各种分选方法分选出精矿后的剩余物排放堆积形成的尾矿废弃地。

1.2 对生态环境的危害

由于矿山废弃地具有物理结构不良、持水保肥能力差、极端贫瘠或养分不平衡、重金属含量过高、极端pH值、干旱或生理干旱严重等众多危害环境的极端理化性质特点,尤其是重金属含量过高,对生态环境将造成持久而不可逆的危害。

其危害主要表现在以下六个方面:

1.矿山开采占用并破坏大量土地。破坏的土地主要有露天采矿场、排土场、尾矿场、塌陷区及其他矿山地质灾害破坏的土地面积。一般而言,露天采矿所占用的土地面积约相当于采矿场面积的5倍以上。我国现有国营矿山企业8 000多个,个体矿山达到23万多个。数量庞大的矿山开发使得大量土地因被占用而废弃,原有利用方式所取得的效益也随之下降或丧失。

2.露天开采必须砍伐植物和剥离表土,因而地表植被往往荡然无存,取而代之的是大片的裸地;地下开采常导致地表沉陷、裂缝,影响土地耕作和植被正常生长,从而引发地貌和景观生态的改变。

3.矿山废弃物中含有大量具有酸性、碱性、毒性或重金属成分的物质,这些物质可通过径流和大气扩散,污染水、大气、土壤及生物环境,其影响的区域远远超过了矿区的范围。

4.矿山废弃地受到剧烈扰动,其地表植被荡然无存,基质持水能力下降;地表裸露,温度变化大,蒸发加强,从而改变了水源的补给关系,破坏了矿区水资源的动态平衡。

5.探矿、采矿引起的地表与地下的扰动对生物群落造成极大的危害,且许多是不可逆的,严重摧毁了动植物和微生物的生存环境。

6.地表植被的破坏、水系的紊乱以及采空区的形成会加剧水土流失,带来极具破坏力的灾害,如泥石流和山洪暴发,更严重可能会加速荒漠化。

2 矿山废弃地的植被恢复技术

矿山废弃地属于退化生态系统,需要以人工手段改善土壤条件和植物种类,促进植被在短时期内得以恢复。

2.1 基质改良

矿山废弃地植被恢复的关键问题就是基质改良,只有土壤的性状得到修复,植被恢复才能得以进行。矿山废弃地的土壤一般都极端贫瘠、有害元素含量居多,具有较差的保水保肥能力和较差的物理性状,这些性质都为矿山废弃地的植被恢复造成了一定的难度,自然演替过程一般需要100年左右的时间才能获得满意的植被覆盖[2]。因此,有必要通过人工手段对矿山废弃地的土壤进行修复。

2.1.1 物理修复

矿山废弃地的土壤结构一般会比平常的土壤紧致,植被修复前应该对矿区土壤进行处理。主要方法是用工具翻动或者深耕土壤,然后才可以采用剥离、粉碎、压实、固定、灌溉等基本技术进行基质修复。实际操作中还包括梯田种植、排流水道和稳定塘设施等[3]。如果土壤污染严重,最好的方法就是客土法或换土法。客土法的关键是寻找土源和确定覆盖的厚度与方式。为解决土源问题,有些国家或企业要求在采矿工程动工之前,先把表层(30 cm)及亚表层(30～60 cm)土壤取走,并加以保存,待工程结束后再把它们放回原处[4]。如果矿区污染严重、并易于扩散,且污染物可在一段时间后分解,可以使用隔离法。常用的有振动束泥浆墙、平板墙、薄膜墙、化学泥浆幕、地下冷冻、喷射泥浆等[5]。另外还可以利用电解法,在污染土壤中通入直流电,使重金属在电解、电迁移、电渗和电泳等的作用下被移走。

2.1.2 化学修复

在废弃地表面施用化学物质,固定表层尾矿。采用沉淀法、有机质法、抑制剂法等改良措施,向污染土壤投加改良剂,增加土壤有机质、阳离子代换量和粘粒含量,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、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用,以降低重金属的生物有效性。无机添加剂可改善土壤特性,包括采石废弃物、粉碎的垃圾、煤灰、石灰、石膏肥料、氯化钙和硫酸等。在有毒的尾矿废弃物上覆盖一层如煤渣、钢渣等惰性材料,可防止有毒金属向表土层迁移,起到化学稳定修复作用。

生活污泥、垃圾或熟堆肥等有机物可作为土壤添加剂,如果应用于矿山废弃地,可改善废弃地的营养状态,提高土壤肥力,从而改变土壤的生物学性状。试验证实在尾矿中混入30～60 mm底泥或60～90 mm的垃圾均可显著促进植物在尾矿中的生长[6]。

2.1.3 生物修复

生物修复是一种利用微生物、植物和动物将土壤、地下水中的危险污染物降解、吸收或富集的生物工程技术系统。物理修复和化学修复的优点是快速,但是所需投入较大,而且不能改变原有的丑陋景观。而生物修复具有投入较少,治理后不仅能够有效阻止对周围环境的污染,且能美化环境,改变小气候、水文等条件,还可产生一定的经济效益。目前生物修复主要技术方法有:原位生物修复技术、异位生物修复技术和原位-异位联合生物修复技术。依据参与修复的生物类型,可分为植物修复、微生物修复、菌根生物修复、菌根根际生物修复、动物修复。

1.植物修复。包括水的植物修复与土壤的植物修复两类。可用根际过滤技术、水力泵技术、废物填埋淋洗技术、人工湿地构建技术、植物固化技术、植物蒸发技术、根际生物降解的植物诱导技术等对植物进行修复。土壤的植物修复多为原位生物修复,其机理主要有植物吸收和植物固定作用。据文献[7]报导,蕨类植物对镉的富集能力很强,杨柳科能大量富集镉,十字花科的芸苔能富集铅,芥子草能富集铅、锡、锌、铜等。目前我国大约共有44种非豆科固氮树种,包括沙棘、杨梅、马桑植物等对矿山废弃地的基质改良有帮助[4]。

2.微生物修复。从污染土壤中筛选出能降解污染物的细菌、放线菌、固氮菌、酵母和酶菌,在实验室通过对其进行驯化、修饰等,提高其生物降解能力,然后制成菌剂,再用于污染土壤的修复。然而适宜的细菌或真菌剂竞争不过土著的微生物群,从而导致目标微生物或其代谢活性的丧失,故实践效果并不理想。

3.菌根生物修复。菌根是土壤中的真菌菌丝与高等植物营养根系形成的一种联合体。20世纪末,研究人员利用菌根能有效降解和转移环境污染物的特点,将其应用到生物修复中。如VA菌根外生菌丝尽管重量只占根重1%～5%,却能帮助植物从土壤中吸收矿质营养和水分,从而促进植物生长,提高植物的耐盐、耐旱性,不但能修复土壤,也能改善土壤质量、提高植物抗病力和作物产量等[8]。目前,菌根生物修复技术已经引起了国内外科研人员广泛关注,并运用于污染土壤的治理方面。

4.菌根根际生物修复。菌根根际包括菌根的根(即真菌菌丝表面),也包括从菌根发出侵染周围土壤的外延菌丝的菌丝表面。从某种意义上说,菌根根际生物修复是上述三种修复技术的综合。由于其存活时间长、对污染物的耐受程度高、应用方法简便、二次污染小等众多优点,故是今后生物修复技术发展的主方向。

5.动物修复。土壤中的某些低等动物(如蚯蚓和鼠类)能吸收土壤中的重金属。如在重金属污染的土壤中放养蚯蚓,待其富集重金属后,采用电激、灌水等方法驱出蚯蚓集中处理,能一定程度地降低污染土壤中重金属的含量。此方法只有待植被恢复取得阶段性进展后,方才有实施的可能和效果。

2.2 植被恢复中的物种选择

矿山及其周围是一个非常特殊的生态环境,构成所谓孤立的生态学“岛屿”。岛屿上的植物群落明显不同于正常生态环境中的植物群落。

2.2.1 物种选择原则

矿山废弃地常具有极端生态条件,在对其植被恢复中的物种选择应遵循以下原则:(1)生长速度快、适应性强、抗逆性好;(2)选用固氮树种或当地优良的乡土树种和先锋树种,也可引进外来速生树种; (3)抗旱、耐湿、抗污染、抗风沙、耐瘠薄、抗病虫害以及具有较高经济价值的树种[9]。

2.2.2 物种选择方法

物种选择主要有两种方法:(1)以先锋物种为主,迅速固土、蓄水,然后逐年补植其他抗性树种,以造成生境的多样性,稳定生态系统;(2)引入外来物种,稳固地表,改善土壤环境以有利于土壤其它生物的进入。

2.2.3 耐性植物筛选

尾矿废弃地由于是选矿排弃物,质地细,主要成分是石英岩碎屑物,在选择物种时选择能适应重金属毒害的抗性植物。禾本科与茄科植物对铅锌矿渣生境具较强的忍耐能力;盐肤木和杜虹花能将重金属聚集到叶,然后通过叶的脱落,使有害重金属离开植物,减少植物重金属负荷,对重金属尾矿废弃地的植被恢复有一定的作用[10]。

矿渣废弃地中细粒的物质少,无灌溉条件,选择能适应重金属毒害并且能够生长在碱性土壤上的抗性植物,如刺槐、沙枣、杨树等乔木树种,胡枝子、山杏等灌木树种。如栾树对Mn抗性强,生长速度快,属于落叶树种,可在一定程度增强土壤肥力,属于优良的碱性土壤适生植物,是含Mn量高矿渣废弃地植被恢复的首选植物。

采石坑废弃地由于有沙泥的积聚及植物繁殖体的入侵,其地上植被以草本植物为主,在边坡上有少许灌木,可适当引入一些乔灌木种类,无论是种子或是种植幼苗,都会有助于加快该废弃地的群落演替和自然植被的恢复[11]。

引入外来物种时,应对外来引入的物种要加强管理,切勿引发外来物种泛滥,以免给当地生态带来破坏。从长远的角度看,乡土物种在矿山废弃地的植被恢复中具有其它不可替代的优势,故最终植被恢复应该是乡土物种,这符合保护生物学的原理。

3 总 结

我国矿山废弃地的植被恢复基本处于研究论证阶段,笔者认为我国矿山废弃地的植被恢复应着重考虑以下几点:

1.基质改良以生物修复为主,以物理和化学修复为辅,同时加大加快新技术的应用。

2.物种选择中,应注意结合当地自然条件,筛选种植乡土物种为主,同时兼顾经济效益。

3.从源头上解决矿山废弃地问题,把生态恢复作为矿业生产的一部分,提倡清洁生产,积极开展废弃物的有效利用,使矿业废料作为一种新型资源,变废为宝。

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[11]束文圣,张志权,蓝崇钰.中国矿业废弃地的复垦对策研究(Ⅰ)[J].生态科学,2000,19(2):24-25.

Investigation into Vegetation Recovery in Mine Spoils

LIU Ying-qin

(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

It is an enduringly serious harm to environment due to poor soil,high heavy metal,extremely pH values in mine spoils.In this paper,the vegetation recovery strategies in mine spoils were discussed from substrate amendment and vegetation selection.The basic methods and principles for substrate amendment and vegetation selection in mine spoils were studied.The screening strategies for tolerant species were also investigated in this study.

mine spoils;environmental hazard;vegetation recovery;substrate amendment;vegetation selection

Q143

A

1003-5540(2010)04-0050-04

刘英琴(1983-),女,助理工程师,主要从事环境影响评价技术工作。

2010-05-25