石人嶂钨矿尾矿库生态修复实践及效果研究

摘要：采用直接植被技术对石人嶂钨矿尾矿库进行了生态修复。研究结果表明：（1）生态修复对重金属污染控制效果显著，修复尾矿砷的有效态系数相比原始尾矿下降了38%，外排水的锌、铜、镉、砷含量均在执行标準值范围以内，与原水相比均降低了90%以上;（2）修复尾矿的营养条件得到明显改善，有机质和全氮含量显著提升;（3）修复区域植被恢复效果良好，覆盖度高达94%，植物种类达14种。本研究可为国内同类型矿业废弃地的生态修复工作提供参考。

关键词：钨尾矿;重金属污染;生态修复

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）04-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.115

Abstract：Ecological restoration of the Shirenzhang tungsten mine tailings pond was carried out using direct vegetation technology. As the results indicate.（1） Significant control effect on heavy metal pollution were achieved after ecological restoration， with the effective state coefficient of arsenic in the reclaimed tailings decreasing by 38% compared with the original tailings. The content of zinc， copper， cadmium， and arsenic in the discharged water conformed to the national standard， which had been reduced by more than 90% compared with the raw water.（2） The nutritional conditions of reclaimed tailings were obviously improved， and the organic matter and total nitrogen contents increased significantly.（3） The vegetation recovery effect was notable， with a coverage of 94% and fourteen plant species. This study may offer some references for the ecological restoration of tungsten mine tailings in China.

Key words：Tungsten mine tailings;Heavy metal pollution;Ecological restoration

尾矿库是由选矿过程中产生的废渣堆存形成的典型矿业废弃地[1]。随着国民经济和现代工业化生产的不断发展，采矿活动呈上升趋势，由此产生的尾矿废渣也在不断增加，不仅占用了大量土地，同时也造成了土壤和水体的重金属污染[2]。尾矿库内尾砂干燥，呈砂粒状，团粒大小不一，营养贫瘠，不利于保水保肥，不利于植物生长，造成生态系统极度退化，给生态环境和经济都带来了严重影响[3]。其中，钨尾矿库是一类特殊的尾矿废弃地。钨尾矿的产率和堆存量巨大，其粒度细、泥化严重，镉、砷含量高，潜在危害严重[4]。据统计，我国每年排放的钨尾矿量在40万t以上，选矿中尾矿的产率多达95%，堆存量已经高达1000多万吨，由此带来的土地占用和环境污染均十分严重[5]。因此，钨尾矿库的生态修复是矿山可持续发展的重点难点问题。

近年来，国家对矿区生态修复工作高度重视。2013年，环境保护部颁发了《矿山生态环境保护与恢复治理技术规范（试行）》，规范了矿产资源开发过程中的生态环境保护与治理工作[6～7]。一大批科研工作者先后对矿区生态修复进行了系统的理论研究，并且在实验室或者不同的野外中试试验中取得了良好的修复效果[8～11]。叶鑫等对紫金山金铜矿实施了一系列生态保护与植被恢复措施，矿区生态环境得到有效改善[12]。陈波采用“原位基质改良+直接植被”的模式在德兴铜矿排土场的生态修复中也获得了初步成功[13]。本研究对韶关石人嶂钨矿尾矿库进行了生态修复，并对生态修复前后尾矿和外排水的理化指标变化进行了监测分析，同时对修复后的植被情况进行了调查，以期为国内同类矿业废弃地的生态修复工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

研究地点位于广东省北部韶关市始兴县石人嶂钨矿尾矿库区（24°49′28″N，114°07′21″E）。该区域属于亚热带季风气候，光照充足，雨量充沛，年平均气温19.6 ℃，年平均降雨量为1 514～1 682mm。石人嶂钨矿于1953年成立，1966年建成投产，2014年开始实施尾矿库闭库工程。该尾矿库位于强烈切割的中低山区，为一山谷型尾矿库，库区沟谷蜿延曲折，地形坡度大，在暴雨诱发下，容易产生坝体崩塌，导致泥石流。由于早期选矿产生的废水、尾砂全部排入石人嶂尾矿库，造成库区渗排水砷含量较高，对周边生态环境造成了污染。

1.2 生态修复工程实施及样品采集

2017年10月采用直接植被技术对已退役的石人嶂钨矿尾矿库Ⅰ、Ⅱ区进行生态修复，治理总面积为33 335 m2。主要步骤包括：（1）修筑排水沟：设置外围排水土沟，用于减少外部雨水进入场地内，项目区域内排水沟结合实际建设，形成人行便道兼具排水功能;（2）尾矿备耕：采用人工开垄，同时翻松表层0～20cm尾矿;（3）尾矿改良：采用原位基质改良方法，对翻松的表层尾矿进行改良，改良材料用量如下：石灰4kg·m-2，土壤有机改良基质8 kg·m-2，微生物菌剂0.2kg·m-2，磷肥0.1 kg·m-2，改良完成后平衡1周;（4）植物种植：种植刺槐、小叶女贞营养袋苗（按1株·m-2的密度交替种植），混播狗牙根、百喜草、宽叶雀稗、黑麦草、斑茅、木豆、猪屎豆、田菁、胡枝子、盐肤木、合欢、苎麻等植物种子，用量为50 g·m-2，覆盖稻草以辅助植物种子萌发;（5）后期养护：主要包括浇水、补种、补加改良剂等措施，养护周期为3个月，之后不再进行任何养护。

尾矿样品采集分两次进行。第一次是修复前（2017年10月），经实地考察评估后，在显著异质性的代表性地段取得样品，共采集3个原始尾矿样品，分别编号：原始尾矿-1，原始尾矿-2，原始尾矿-3。第二次是修复1年后（2018年11月），采集了3个修复后的尾矿样品，分别编号：修复尾矿-1，修复尾矿-2，修复尾矿-3。以上每个样品均由3～5个子样品混合而成，采集深度为0～20 cm，采样量为1 kg左右。尾矿样品采集完成后，立即运回实验室，于干燥通风处风干，剔除石头和植物残体，分别过20目和100目筛，贮存在干燥通风处用于后续的理化分析。

此外，第二次采集尾矿样品时，同时分别在未修复尾矿库区域的排水渠和修复后项目区域的新建排水沟采集了水样，采样量为1L，并分别标记为：原水和修复水。

1.3 理化指标分析

1.3.1 尾矿理化指标分析

尾矿样品分析的理化指标包括pH、总铅、总锌、总铜、总镉、总砷、有效镉、有效砷、有机质、全氮等。

（1）pH：依据《土壤环境监测技术规范》（HJ/T66-2004），采用玻璃电极进行测定。（2）重金属总量：总铅、总镉的测定参考《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》（GB/T 17141-1997）;总锌、总铜的测定参考《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》（GB/T 17138-1997）;总砷的测定参考《土壤质量 总汞、总砷、总铅的测定 原子荧光法》（GB/T 22105.1-2008）。（3）有效镉参考《土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法》（GB/T 23739-2009）的方法进行浸提和测定，有效砷采用原子荧光法进行测定。（4）有机质的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法，全氮的测定采用凯氏定氮法。

1.3.2 水样理化指标分析

水样分析的理化指标包括pH、铅、锌、铜、镉、砷等。

（1）pH：依据《水质 pH值的测定 玻璃电极法》（GB6920-1986），采用玻璃电极测定水样pH值。（2）铅、锌、铜、镉、砷：依据《水质 65种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》（HJ700-2014），样品消解后使用ICP-MS测定含量。

1.4 植被盖度及种类调查

于2018年11月进行了植被调查。植被盖度采用目测法。植物种类调查是在项目区域设置前中后三个区块，各区块随机设置3个10 m × 10 m样方，对样方内所有占一定优势的植物进行调查并记录，同时拍摄每种植物的照片并制作标本，对照《中国植物科属检索表》最终确定植物种类名称，最后对所有样方的调查情况进行汇总，统计区域内总的植物种类数目。

2 结果与讨论

2.1 尾矿重金属污染控制效果分析

对生态修复前后的尾矿样品进行了采集和理化分析，结果见表1。可以看出，石人嶂尾矿库原始尾矿的pH均值为6.28，表现为弱酸性，对植物生长影响较小，但尾矿通常含有一定量的金属硫化物，这些金属硫化物在氧化和水的作用下能够氧化产酸，影响植物生长并导致重金属溶出造成环境污染[14]。修复工程实施后，采集的修复尾矿pH均值由修复前的6.28上升至7.59，从弱酸性变为弱碱性。在重金属总量方面，原始尾矿的总铅含量均值为224 mg·kg-1，总锌含量为94.6 mg·kg-1，总铜含量为204 mg·kg-1，总镉含量为4.27 mg·kg-1，总砷（砷为类金属）含量为4310 mg·kg-1。在重金属有效态含量上，原始尾矿的有效镉含量为0.39 mg·kg-1，有效砷含量为14.6 mg·kg-1。对比《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》第一类用地风险管制值，可以看出，原始尾矿总砷含量超标严重，达到风险管制值的35.9倍，可能会对环境和植物生长产生严重影响，总铅、总铜、总镉含量则在风险管制值范围以内。修复工程实施后，虽然采集的修复尾矿总砷含量仍超出风险管制值，但重金属总量相比修复前均有所降低，其中总砷含量降低37%。控制尾矿重金属的溶出对降低尾矿库造成的污染具有重要意义。相关研究表明，石灰不仅能够调节尾矿的酸碱度，同时还能有效地降低重金属的有效态含量[15]。此外，本研究添加的有机改良基质、微生物菌剂、磷肥以及建立的植被也均具有降低重金屬溶出的作用[16-17]。从有效态重金属的数据上看，生态修复后的尾矿有效砷含量均值为5.7 mg·kg-1。考虑到前后测定的尾矿重金属总量有一定差异，这里使用重金属有效态系数来比较修复前后重金属的溶出能力。尾矿中污染最高的砷有效态系数从0.34%下降至0.21%，降低了38%。以上结果表明，生态修复显著降低了尾矿中砷等重金属元素的溶出，有效地控制了尾矿的重金属污染。吴启明等在德兴铜矿的实践也发现，在铜矿废弃地施用石灰和有机改良基质，能够显著抑制产酸和重金属溶出，取得良好的污染治理效果[18]。

#风险管制值参考《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》第一类用地标准。“—”表示标准中未有该项目。

*括号里的数字为重金属的有效性系数，即有效态含量占总量的比例。

同时，对尾矿库原始未修复区域和修复后项目区域的水样进行了采集和检测分析（表2）。结果显示，原水的pH值为3.57，低于《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）的pH值6～9标准范围，偏酸性;铅含量低于0.05 mg·L-1，锌含量为4.23 mg·L-1，铜含量为0.74mg·L-1，镉含量为0.15 mg·L-1，砷含量为4.31 mg·L-1。与执行标准值相比，原水锌、铜、镉、砷含量均超标，分别是执行标准值的2.1倍、1.5倍、1.5倍和8.6倍，砷超标最为严重。与此相比，修复区域采集的修复水pH为7.90，pH满足6～9范围的质量标准，为弱碱性水;铅含量低于0.05 mg·L-1，锌含量为0.08 mg·L-1，铜含量为0.02 mg·L-1，镉含量低于0.003 mg·L-1，砷含量为0.39 mg·L-1，均在执行标准值范围以内。与原水相比，修复水的pH值明显升高，重金属污染物含量显著降低，其中锌含量相比降低98%，铜含量相比降低97%，镉含量相比降低98%（修复水以0.003 mg/L计算），砷含量相比降低91%，重金属污染物排放得到有效控制，这与尾矿重金属的检测结果相一致。

2.2 尾矿营养条件改善效果分析

在尾矿的营养条件方面，主要分析了有机质和全氮两项指标（表1）。可以发现，尾矿样品的有机质含量均值仅有1.26 g·kg-1，属于甚缺乏水平。有机质的匮乏，大大减弱了有机质对于尾矿、植物的改善促进作用，导致植物难以生长。全氮也属于甚缺乏水平，其均值仅有0.10 g·kg-1。氮元素是植物生长发育所必需的大量元素之一，尾矿中氮元素的缺乏，必然会影响植物的定居生长，造成植物难以存活或者出现营养缺乏的各种病症。

生态修复实施后，采集的修复尾矿样品有机质含量均值为7.42 g·kg-1，全氮含量为0.48 g·kg-1，尽管仍然较低，但总体来看相比修复前分别增加了489%和380%。随着植物枯枝落叶的不断累积，腐殖质层不断增加，以及猪屎豆、胡枝子等豆科植物的固氮作用，修复区域的营养元素含量仍有较大的上升空间。杨修等在德兴铜矿的研究也表明，通过土壤改良并引进具有固氮作用的豆科作物与绿肥作物，显著提高了土壤的营养条件[19]。

2.3 植被恢复效果分析

尾矿库生态修复后，取得了良好的植被恢复效果（图1）。调查结果表明，项目区域已初步形成多种植物匹配互长的生长态势，生物多样性高，已记录的植物种类达到14种，包括斑茅、臭椿、刺槐、胡枝子、小叶女贞、猪屎豆、泡桐、合欢、狗牙根、宽叶雀稗、盐肤木、苎麻、龙葵、老鹤草等，涵盖低矮小乔木、灌木、草本等，植被的整体覆盖度高达94%。项目区域目前已度过草本为主的早期植被恢复阶段，初步形成以苎麻、刺槐、盐肤木、小叶女贞等乔灌木为主要品种的灌木群落阶段。植物多样性对于植被系统的稳定性具有重要意义，并能显著提高植被系统修复重金属污染的效率[20]。随着后期植物的生长和不断演替，项目区域植物种类数目还会不断增加，区域的植物群落结构也会越来越接近周边区域原生态群落，最终带动整个尾矿库与周边生态环境质量显著改善。

3 结论

石人嶂钨矿尾矿砷含量超标严重，对周边生态环境造成严重影响。本研究采用直接植被技术对该尾矿库进行了生态修复。研究结果表明：（1）生态修复对重金属污染控制效果显著，修复区域尾矿砷的有效态系数相比原始尾矿下降了38%，外排水的锌、铜、镉、砷含量均在执行标准值范围以内，与原水相比均降低了90%以上;（2）修复区域尾矿的营养条件得到明显改善，有机质和全氮含量显著提升;（3）修復区域植被恢复效果良好，覆盖度高达94%，植物种类达14种。本研究可为国内同类型矿业废弃地的生态修复工作提供参考，并为我国矿山生态环境的管理提供技术支撑和实践依据。

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收稿日期：2020-02-01

基金项目：广东省重点领域研发计划资助（2019B110207001）;广东省科技创新战略专项（韶财教[2018]145号）;广东省乡村振兴战略专项（韶财教[2019]162号）

作者简介：杨涛涛（1990-），男，汉族，博士，研究方向为重金属矿山生态修复，目前已主持相关省级课题2项，发表SCI论文2篇，获得省科技进步一等奖1项。