生物修复技术在矸石山复垦中的应用

孙朋成 黄占斌 马宁

摘要：矸石山成份复杂，环境和灾害风险极大，导致了严重的环境和社会问题，对矸石山进行综合整治已经刻不容缓。生物技术费效比高，且无二次污染，在矸石山复垦中备受关注。本文探讨了生物修复技术在矸石山复垦中的应用研究动态，矸石山复垦的限制因子、生物修复的概念与机理、生物修复技术特点与分类、存在的问题与展望。

关键词：矸石山土壤复垦生物修复

煤矸石是我国煤矿区最主要的固体废弃物，占据大量土地［1］。统计显示，我国煤矸石山约有1，500座，占地面积超过1.33万hm2，每年新增占地300—400hm2［2］。矸石山不但污染环境，而且容易诱发地质灾害［3］，对居民财产与生命安全构成极大威胁。重建和恢复退化生态系统，是矸石山复垦的关键［4］。矸石山植被立地条件较差［5］，运用生物技术治理矸石山，不仅费用低，而且具有可观的经济，社会和生态效益。本文对生物修复技术在矸石山复垦中的应用研究动态，矸石山复垦的限制因子，矸石山生物修复的概念与机理、技术特点与分类、存在的问题与展望等进行了探讨。

1.矸石山复垦的限制因子

矸石山风化层熟化程度是复垦成功与否的关键。其限制因子包括风化层厚度，表层风化物的水分状况、养分状况、盐分、pH、温度、重金属含量等［6］。风化层厚度是影响表层矸石风化物质地、孔隙、水分等的决定性因素。风化层薄、孔隙多、持水性差，水分往往是矸石山植物生长的主要限制因子。风化层养分缺乏，N、P、K和有机质含量极低是复垦失败的重要原因。风化层往往呈碱性，局部呈酸性，不利于植物的生存。风化层含盐量极高，在局部半干旱地区水溶性总盐量达到1.2g/kg以上，极大限制了植物的生存。矸石山温度极高，夏日局部可达50度以上，灼伤植物根系，导致植物死亡。土壤重金属含量较高，使很多植物无法存活。另外，风化层土壤动物和微生物极少，无法完成土壤熟化的自然演替过程。

2.矸石山生物修复的概念与机理

概念：利用矸石山土壤中原有的或引入的功能生物体，包括植物、动物和微生物，单独地或联合地吸收、降解或转化土壤中的污染物，使污染物的浓度降低到可接受的水平或将污染物转化成无害物质，并恢复土壤功能的过程或技术。

机理：利用植物、动物和微生物等修复技术转移、吸收、降解或转化矸石山场地中的污染物，或阻断污染物对受体的暴露途径，使污染物稳定化、低毒化或无害化，使污染物对暴露人群的健康风险控制在可接受水平，从而恢复污染矸石山土壤使用功能，保证开发利用的安全性。

3.矸石生物修复技术特点与分类

特点：矸石山生物修复可现场进行，减少了人体直接接触污染物的机会；常以原位方式进行，对污染位点的干扰或破坏达到最小；可永久性地消除污染物，无二次污染隐患；降解过程迅速，费用低，只是传统物理、化学修复费用的30％—50％；可与其他处理技术结合使用，处理复合污染。

分类：按照处理地点可分为原位生物修复和异位生物修复。按照应用生物种类分为植物、动物和微生物修复。植物修复技术应用较为广泛，包括植物提取，植物挥发，植物过滤和植物钝化。根据污染物种类，分为有机污染、重金属污染和放射性污染修复技术。

4.生物修复技术在矸石山复垦中的应用研究动态

赵广东等［7］发现植物措施配合生物肥料，菌剂和保水剂能明显提高煤矸石山肥力。魏忠义等［8］发现林灌种植改善了矸石山保水特性和表层风化物的酸度，提高了表层风化深度和风化物颗粒组成。王丽艳等［9］证实种植植被可使矸石山土壤容重，土壤持水量和孔隙度明显改善。胡振琪［10］认为采取适当的配土和配肥技术可以极大提高矸石山绿化植物成活率。冯凤玲等［11］研究发现蚯蚓能提高植物生物量和土壤重金属生物有效性。李建华［12］研究表明双接种VA菌根真菌和根瘤菌能显著提高三叶草的根瘤数量、鲜重和固氮酶的活性。

RobertR.D.等［13］研究认为至少积累750kg/hm2的包括煤矸石在内的煤矿废弃物，才能保证在上面正常生长的植物不依赖外部氮源供给。Heribert［14］研究发现土壤熟化的关键是快速改善和增加土壤的生物活性。PeterS.［15］研究表明向紫砂页岩土壤中添加氮磷钾肥料和秸秆还田，可以极大增加土壤肥力，提高土壤的熟化速度。

5.问题与展望

问题：单独使用生物方法，效率较低，交叉学科技术引入较少；能修复多种污染物或适合多种污染环境的土壤改良材料或生物研究不足；植物根系与根际矿物质及其他污染物的作用机制不明确；异域引入复垦先锋植物，可能对当地生态环境带来灾难；经济效益不明显，社会资金倾斜度不高。

展望：增强学科交叉技术发展与运用；加强微生物、植物、动物联合修复技术在矸石山生态复垦中的应用研究；加快矸石山土壤改良生理生化及分子生物学机制研究；加快目标植物筛选和相关数据库的建立；发展适合大规模应用的低成本的矸石山生物修复技术；加强矸石山生态复垦环境安全性评价研究。

参考文献

[1]许丽等，煤矸石废弃地复垦研究进展，中国水土保持学报，2005（9）：117—122

[2]芮素生.煤炭工业和可持续发展与环境，煤炭工业出版社，1994

[3]彭德福.我国土地复垦与生态重建的回顾与展望，中国土地科学，2000（1）：13—15

[4]李贵宝，尹澄清等.城市污泥对退化森林生态系统土壤的人工熟化研究，应用生态学报，2002，13（2）：159—162

[5]高建钰等，煤矸石山立地条件与林业复垦研究，山西林业科技，1999，3（1）：18—21，45

[6]魏忠义，王秋兵.大型煤矸石山植被重建的土壤限制因子分析.水土保持研究，2009，16（1）：179—182

[7]赵广东，王兵等.煤矸石山废弃地不同植物复垦措施及其对土壤化学性质的影响.中国水保持学报，2005，3（2）：65—69

[8]魏忠义，胡振琪等，煤矸石山植被绿化措施对煤矸石风化物理化特性的影响，安徽农业科学，2007，35（36）：11929—11930，12033王志亚等，煤矸石复垦工程中绿肥牧草对矸石风化层生态环境影响，土壤学报，1996，33（3）：317—321

[9]王艳丽，韩有志等.不同植被恢复模式下煤矸石山复垦土壤性质及煤矸石风化物的变化特征，生态学报，2011，31（21）：6429—6441

[10]胡振琪.半干旱地区煤矸石山绿化技术研究，煤炭学报，1995，20（3）：322—324

[11]冯凤玲，成杰民等.蚯蚓在植物修复重金属污染土壤中的应用前景，土壤通报，2006，37（4）：809—814

[12]李建华，郜春花等.菌剂与肥料配施对矿区复垦土壤白三叶草生长的影响，中国生态农业学报，2011，19（2）：280—284

[13]RobertR.D.etal.EcosystemdevelopmentonnaturallycolonizedChinaclaywaste，vegetationchangesandoverallaccumulationoforganicmatterandnutrients，JournalofEcology，1981，69∶153—161

[14]Heribert.Developmentsinsoilmicrobiologysincethemid1960s，Geoderma，2001，100（3—4）：389—402

[15]PeterS.etal.Effectsofslurryacidificationwithsulphuricacidcombinedwithaerationonthetumoverandplantavailabilityofnitrogen，AgricultureEcosystemandEnvironment，2009，131∶240—240