金属矿山尾矿库生态恢复实验

熊衍良

(江西铜业股份有限公司城门山铜矿)

金属矿山尾矿库生态恢复实验

熊衍良

(江西铜业股份有限公司城门山铜矿)

从生态文明、科学发展观出发，为找出经济合理的尾矿库生态恢复的方法，以城门山铜矿凤爪沟尾矿库为例进行了生态恢复实验研究。对实验区域进行了分区，对每个区块采取不同的生态恢复措施并进行对比，最后通过实验前后的土壤生态分析对比，认证了该实验方案的可行性，通过各区块的实验效果对比找出了最适合尾矿库生态恢复的具体措施，达到了保护环境、生态复绿的目的。

尾矿库 生态恢复 土壤改良 种植模式

随着经济的发展，对矿产品需求的大幅度增加，矿业开发规模随之加大，产生的选矿尾矿数量将不断增加，而大量堆存的尾矿，给生态、环境及经济等造成了很大的难题。由于尾矿颗粒粗细不一、黏聚力低，极易水土流失且尾矿营养物质极低，保水保肥能力差，存在不同程度的污染物，难以恢复植被的生长介质。在一般环境条件下，库区既使场地闲置多年，也寸草不生[1-2]。同时金属矿山尾矿库生态修复面临着金属和其他污染物含量高、酸碱性强且变化大、植物营养物质含量低、固体废物表面不稳定等几大难题，国内外很多学者投入其研究，但均未得到很好的尾矿库生态恢复治理效果[3-5]。因此，以城门山铜矿凤爪沟尾矿库为例进行生态恢复实验研究，以期找到合适的金属矿山尾矿库生态恢复的具体措施，达到生态复绿的目标。

1 金属矿山尾矿库生态修复面临的困难

(1)金属和其他污染物含量高。通常矿山固体废物中含有大量的铜、铅、锌、镉等重金属元素。当这些金属元素微量存在时，可作为土壤中的营养物质促进植物生长；但当这些元素超量共同存在时，由于毒性的协同作用，对植物生长危害较大。

(2)酸碱性强且变化大。多数植物适宜生长在中性土壤中，当固体废物中的pH值为7～8.5时，则呈强碱性，可使多数植物枯萎，当pH值小于4时，固体废物则呈强酸性，对植物生长有强烈的抑制作用。这不仅是因为酸本身的危害，而且在酸性环境中，重金属离子更易变化而发生毒害作用。

(3)植物营养物质含量低。植物正常生长需要多种元素，其中氮、磷、钾等元素不能低于正常含量，否则植物就不能正常生长。矿山固体废物中一般都缺少土壤构造和有机物，不能保存这些养分，堆放时间越长，固体废物表面层中有机物的含量就越高，对植物生长也就越有利。而新近排放的尾矿表面，有机物的含量非常低，极不利于植物的生长。

(4)固体废物表面不稳定。由于矿山固体废物固结性能不好，很容易受到风、水和空气的侵蚀，尤其尾矿受侵蚀以后，其表面出现蚀沟、裂缝、导致覆盖在尾矿和废石上的表土层破裂，由于重力作用，可能使表土层出现蠕动，使表土层稳定性降低和移动，而这种表土层的不稳定性及位移，均会严重破坏植物的正常生长。

目前，国内大部分金属矿山尾矿库均采取传统的生态恢复方式，即在对尾砂面进行平整后覆30～60 cm厚度不等的黏土再进行植被，但该生态恢复方式存在以下问题：①覆土需要大量的土源，而且土源的开采极易造成二次生态破坏；②尾矿库特别是湿排的尾矿库，沉降固结相对缓慢，给项目实施带来较大的难度，而且覆土作业机械设备难于行走，往往会增加投资成本；③对于铜矿、硫铁矿、铅锌矿等矿山尾矿库，由于尾砂呈强酸性，覆土过薄，容易产生返酸现象，导致已种植植物枯萎甚至退化的现象。

基于以上背景，该实验研究在城门山铜矿凤爪沟尾矿库采取不覆土，直接在尾砂面上进行改良的方式进行生态恢复，以探索尾矿库砂面不覆土生态恢复的可行性。

2 实验研究

2.1 凤爪沟尾矿库基本情况

城门山铜矿凤爪沟尾矿库2011年停止使用，尾矿库库内尾砂干燥固结，表面龟裂，具有一定的地基承载力，尾矿库库区大部分已干枯，雨季时库中局部会积水，无任何植物生长。经初步取样分析，该尾矿库原始pH值均表现为强酸性，大部分取样区原始pH值低于3，表明该区域已发生明显酸化现象；NAG-pH实验结果的平均值为1.94，低于原始pH值，表明该区域的土壤存在很强的酸化能力；另外，土壤中重金属含量较高，对植物生长有害。该尾矿库生态恢复的条件比较恶劣，相比国内其他尾矿库，其酸度、土壤结构都更差。

为此，通过与中国瑞林工程技术有限公司、中山大学合作，在凤爪沟尾矿库库西南侧选取一块区域作为实验区。在取样分析和小型室内模拟试验的基础上，选用以生物修复技术为主，采用专用的土壤改良基质及其他物理、化学等土壤修复技术措施改良本底尾砂土，对库区土壤进行综合治理，采用土壤种子库、固氮等草本植物建立人工草地群落系统，逐步实现生态系统的自然演替，达到保持水土、控制污染，实现生态复绿的目标，探究适合金属矿山尾矿库的合理土壤改良模式和植物搭配种植模式。

2.2 实验方案及具体措施

在库区典型区域选择长100 m，宽40 m的面积作为试验区，模拟闭库后的排水沟设置沟垄；实验区内部再分隔为10小块对比区，试验中进行离散性对比。植物配置采用灌草苔搭配，实现生态的长期稳定性。具体实验区区块划分见图1，实施工艺流程见图2。

实验的具体措施为：

(1)配置土壤改良基质、快速熟化专用肥料和土壤改良修复剂，采用人工合成基质(生物炭)与原位基质改良相结合；采用根际土壤处理调控技术与合理耕作相结合；培育微生物—植物生态修复系统，加速土壤熟化以改良土壤，强化土壤自净作用、加速自然循环。

图1 凤爪沟尾矿库生态实验区区块划分平面图

图2 实施工艺流程

(2)建立库区土地复垦先锋植物种子资源库，重点开发生态恢复先锋植物优化组合模式，通过本底调查、模拟实验、现场小区实验筛选适宜植物品种及最优品种的组合模式。

2.3 实验效果分析

该生态恢复实验项目于2014年1月6日开始，2014年1月25日基本完成了实验项目的施工工作，同时转为施工后的抚育工作，至2014年6月底，实验项目已取得了比较好的效果。

2.3.1 土壤改良效果分析

通过测量实验前后土壤酸化指标(主要测量pH值、EC、EH、NAG、等土壤酸化指标)和重金属元素指标(铜为测量的土壤重金属元素指标)，进行试验对比分析，实验前后土壤酸化指标见表1。

表1 实验前后土壤酸化指标

注：表中数据均为均值±标准差。

由表2可知，实验后尾矿pH值均值为7.9，比起修复之前的2.56已明显改善，基本可以让植物生长；EC值均值为0.95 ms/cm，修复前为 2.34 ms/cm，修复后尾矿里游离的盐离子明显减少，即某些有毒离子含量有很大程度的降低；EH值均值为280 mv，修复前为595 mv，说明强氧化环境得到了一定程度的还原，阻止了尾矿的进一步酸化，而且为植物和微生物的生长提供了一个良好的环境，协同修复尾矿酸化和重金属的毒性；尾矿有效铜的含量由50 mg/kg降低到14 mg/kg，重金属得到了固定，且其毒性大大降低，将不再影响植物的生长。具体恢复效果见图3～图4。

经对生态恢复实验区进行植物调查，初步确认实验区植物品种有26种，分别为草本、豆科、灌木等；实验区植物的生长体现出了排斥性、互补性、共生性几大特点。通过对植物生物量的统计以及物种多样性的计算，该实验区植物群落已经发展到了草本群落的较高水平。至2014年6月底，实验区已被绿色覆盖，各类植物长势旺盛，郁郁葱葱，小区气候条件明显改善，多种土壤小动物、昆虫及鸟类已回迁，生态系统已良性循环发展，达到了保持水土、控制污染的效果，生态环境得到了明显改善。

图3 实验区恢复前面貌

图4 实验区恢复后面貌

2.3.2 分区对比分析

该实验采取不覆土就地改良工艺，共划分了10个对比区块，各区块改良工艺与植被配置工艺均有不同，从各区块的植物长势来看，存有一定的差异，但总体看各区块的改良工艺是成功的，确保了植被恢复的效果。对改良后的尾砂成分分析，需要进一步长期跟踪监测，筛选出可供推广最优品种的组合模式及各品种的混植密度为20%铺地黍+10%苎麻+40%土壤种子库资源+20%豆科植物+10%(高羊茅+狗牙根+百喜草)。该实验共筛选出8个优势品种，即：鬼针草、田菁、酸模叶蓼、茵陈蒿、铺地黍、苎麻、百喜草、苍耳，观察和总结这些品种的生长特性，可作为强酸性尾砂采取改良不覆土工艺的植被恢复品种，从目前的情况来看，植被覆盖率和固土效果均比较好，可以作为下一步实施的指导。

3 结 语

城门山铜矿凤爪沟尾矿库的生态恢复实验研究表明，通过在强酸环境下的尾砂面采取就地改良的方式，不覆土直接植被是可行的，合理的土壤改良模式和植物搭配种植模式得到了验证，为下一步大面积推广奠定了基础。通过分区实验对比，筛选出了可供推广最优品种的组合模式及各品种的混植密度，为20%铺地黍+10%苎麻+40%土壤种子库资源+20%豆科植物+10%(高羊茅+狗牙根+百喜草)。实验共筛选出8个优势品种，为鬼针草、田菁、酸模叶蓼、茵陈蒿、铺地黍、苎麻、百喜草、苍耳，可作为强酸性尾砂采取改良不覆土工艺的植被恢复品种。

[1] 门永生，柴建设.我国尾矿库安全现状及事故防治措施[J].中国安全生产科学技术,2009，5(1):48-52.

[2] 田文旗,谢旭阳.我国尾矿库现状及安全对策的建议[J].中国矿山工程，2009，38(6):42-49.

[3] 秦建桥，夏北成，胡 萌，等.广东大宝山矿区尾矿库植被演替分析[J].农业环境科学学报，2009，28(10):2085-2091.

[4] 王少华，杨 劼，刘苏明，等.铜陵狮子山杨山冲尾矿库重金属元素释放的环境效应[J].高校地质学报，2011，17(1):93-100.

[5] 余光辉，张 勇，张 卓.李振国有色金属矿尾矿库和废石场土壤安全评价及复垦措施——以郴州市宜章长城岭铅锌多金属矿为例[J].水土保持通报，2010(3):233-236.

2015-02-16)

熊衍良(1974—)，男，副总工程师，工程师，332100 江西省九江县。