矿山土壤生态修复技术研究

屈向阳

摘要：矿产资源的开发为社会经济发展做出巨大贡献的同时也带来了严重的环境问题[1]。相关报告显示[2]，在大多数矿区，采矿后缺乏科学管理导致地质灾害频发。因此，矿山生态修复技术研究非常重要。生态恢复意味着停止生态系统的破坏，采取措施以适应当地条件和利用生态系统的自我修复功能，将受损的生态系统恢复到预期状态，或者通过人工干预恢复生态系统，向着环境、经济和社会效益的综合良性发展[4]。本文以惠州市仲恺高新区惠环西坑石场修复为例，对矿山生态修复技术展开讨论。

关键词：矿山生态环境；修复技术

1.前言

惠州市仲恺高新区惠环西坑石场位于惠州市仲恺高新区150°方向，直距约5km的惠环街道办西坑日光村鹿古坑附近，开采矿种为建筑用砂岩，矿区面积0.1335km2，开采方式为露天开采（局部负地形凹陷开采），开采深度为+192m至+50m标高。现矿山废弃边坡停止采矿活动，经过较长时间的开采，矿区范围内绝大部分地形已破坏，该治理区裸露面积5.15hm2。矿区地貌类型单一，原始地形坡度较陡，地形地貌条件中等。

2.矿山开采对生态环境的影响

该矿坑属于露天开采，剥采比较大，开采形成大范围的挖方高边坡，采场内地貌发生较大的改变。同时损坏地表植物，降低水土保持功能，使水土流失加剧。造成周边环境的失衡。采矿活动在空间上造成了含水层位的局部缺失，使之在一定范围内中断或不连续，对区内地下水造成一定的疏干，以采坑为中心，地下水位下降，含水层厚度变形，在一定程度上破坏了原有完整的含水层结构。矿山开采对生态环境主要有以下影响。

2.1破坏地表景观

采矿包括露天采矿和地下采矿：露天采矿主要是基于对受损土地的清除，这大大改变了地表景观。从地面提取矿物后，上覆的岩石层失去了支撑，岩体的内部应力失去了平衡，导致上覆岩石在工作中发生位移、变形和破坏。新的地貌出现，例如滑坡、裂缝和斜坡。在开采之前，地貌通常被自然植被覆盖，例如森林和草原，一旦开采，堆积如山的废物和碎屑，严重破坏地表自然景观。

2.2诱发地质灾害

由于地下采矿，开挖土地和斜坡会影响山脉和斜坡的稳定性，通常会导致地面塌陷、开裂，大雨很容易引起山体滑坡。而矿井关闭后，形成了巨大的空洞，数亿吨的水涌入地下将导致应力在岩石周围重新分布，围岩中薄弱层的机械强度降低。这将容易导致大规模的滑坡，并引发周围地区的许多地质灾害，甚至引起小规模的地震。矿山雨季大雨会导致大部分土壤侵蚀严重。采矿作业直接破坏了地表植被，露天矿和地下矿井的地下水排水大大降低了矿区的地下水水位，导致植被退化，矿区形成大面积的裸土，很容易被雨水冲走，增加了土壤的侵蝕强度，再加上风化作用，岩石和土壤容易转化成岩石碎片，导致土壤更容易被侵蚀，因此，采矿作业通常会导致水土流失加剧。而由于表层土已被去除，下层土壤缺乏有机物、养分和水，容易造成土壤次生盐渍化。在风雨的影响下，固体废物中的盐被冲走并富集在低洼地区。蒸发后，周围的土壤将盐渍化。同时地面塌陷会降低土壤水分，土壤中的养分流失，导致许多地方土壤养分缺乏，土壤的承载力降低。

2.3破坏水生态环境

沉降、裂缝和降水导致了矿区储水结构的变化，自然的水文平衡被破坏：一方面，地下水的水文条件发生了变化，导致地下水系统的枯竭或转移；另一方面地下水的变化将导致地表径流变化并耗尽水源或者造成水灾和季节性洪灾，直接影响了农作物的种植。同时矿山废水通常很少达到工业废水排放标准，这必然导致水质污染，严重影响水生生物的生存和繁殖，以及人类和动物的生存。

2.4破坏空气环境

矿山开采对大气环境有两个主要影响：第一是采矿过程造成的物理污染，例如烟尘；第二是采矿过程中释放的有害气体引起的环境问题，例如温室效应、酸雨和烟雾的光化学反应，导致矿区小气候的恶化。

3.矿山生态修复技术

在该项目中存在的地质灾害主要是塌落和落石，相应治理措施主要为：采用清理废石土和清坡；削坡减载、排水、截水、护坡和植被恢复等工程措施。地形地貌景观治理存在的废弃边坡对地形地貌景观的影响较大，采取的治理措施主要为生态修复措施。生态修复措施包括采取熟土剥离储存、覆土回填、平整、翻耕、种植植被等。水土环境污染治理措施治理区存在的对水土环境的污染主要是泥沙经处理后可达排放标准。采取的治理措施为截排水和沉淀池沉降排放。目前矿山生态修复主要有以下几种：

3.1物理修复技术

物理修复技术主要是通过物理手段对采矿造成的生态破坏进行恢复，比如隔离、电动力学、土壤置换和覆盖等。隔离是指使用不可渗透的材料（例如水泥，页岩等）将受污染的土壤或水分开，以防止污染物扩散到环境中；电动力学是通过向电极施加电流，使用电渗析、电泳和其他原理转移污染物。周鸣等[5]通过在阴极储槽中添加乙二胺四乙酸（EDTA），增加了电流并增强了修复的效果。物理恢复方法由于其操作简便和不易产生其他不利影响而在矿山修复中被广泛使用，但也有一定的局限性。比如隔离方法的范围有限，通常仅在污染非常严重的时候使用，且容易造成污染物扩散问题。而土壤置换和覆盖的方法成本非常高，且易对原生态环境造成影响，而电动方法则较为适用于导电率较好的土壤环境中，但是易受电极和土壤复杂组成的影响。

3.2化学修复技术

化学修复技术主要有两类：

3.2.1一类是通过溶剂溶解土壤中的重金属，使重金属变为液相浸出；3.2.2可以通过添加固化剂抑制污染物进入液相中，从而避免其对生态环境造成影响。常用的溶剂主要有酸性溶液、盐溶液、表面活性剂[5]。可以通过简单地浸入水中来溶解土壤中的活泼金属氧化物。研究表明，重金属与有机物或无机氧化物的结合可能会在酸浸过程中释放出来。黄细花等人[6]使用HCl从土壤中浸出Cr，Pb，Zn，Cu，Cd，发现HCl可以达到更好的去除效果。在化学修复过程中，最常用的方法是通过添加改性剂来硬化或钝化重金属，从而降低或抑制重金属引起的污染风险。谢伟强等[7]实验结果表明，添加硬化剂后，重金属离子和Ca和P、PO43-和OH-等发生反应，形成稳定络合物，如Fe-PO4-Ca-Pb-ZnOH。此外，在尾矿中添加淤泥、肥料、稻草和其他有机废物可以有效提高土壤的肥力并降低污染。化学修复方法适用于孔隙大且污染严重的土壤，此外某些化合物会沉积在土壤中，并且很难去除，可能成为新的污染源，因此有必要将其与其他方法结合使用，并对污染物进行长期监测。此外，施肥还适用于污染水平低的地区，通常与其他处理方法结合使用作为辅助方法。

3.3生物修复技术

3.3.1植物修复

植物修复主要通过在废弃矿山的表层土壤科学的种植适合的植物，以防止水土流失，并利用植被来富集，稳定和过滤根系效果从废弃矿山中清除污染物，从而实现改善土壤理化性质和生态环境的目的。很多蔡本植物具有富集重金属和改善土壤环境的作用。比如苜蓿、白三叶草等草药以及其他豆类植物是常用的生态恢复植物。这是由于豆类植物的共生固氮能力较强，可以显著提高土壤肥力指数，随着播种时间的延长可以有效提高土壤的肥力，并富集重金属。比如，苜蓿根可以有效富铜和锌，但是，由于草本植物通常较小，生物量不足限制了土壤中重金属的其应用效果。而且基于草本植物的生态系统抗逆性较差，无法应对极端的气候。相反，木本植物具有生物量高，抗逆性强，根系发达的优点，已逐渐成为矿山植物恢复环境研究的趋势。木质的越橘，沙棘等具有很强的固氮能力，可以显著改善矿区的土壤肥力，且具有较好的重金属富集能力。此外，银合欢、桑树和臭椿已成功用于废弃矿山的修复，对镉，铅和铜的富集有重要影响。

植物修复技术还可以防风防沙，减少水土流失，是目前最好的生态修复方法之一，广泛用于废弃矿山的生态恢复，尽管耐性植物的修复效果好，由于大部分植物生长缓慢，因此，修复期也较长，仅适用于表面恢复。另外，重金属在植物中积累较多时，需要砍伐，但传统的处置方法（如焚化和热解）会造成二次污染，仍然存在需要解决的问题，以实现最大限度地利用资源。

该矿区损毁土地在复垦初期比较贫瘠，矿区植被选择适宜惠城区本土耐干旱、贫瘠、耐寒的当地宜栽植物作为主要的树种，例如：乔木（马占相思、枫香）、灌木、野生葛藤、芒草、狗牙根及紫穗槐等，一般春季在3月～4月中旬栽植植物，栽植时适量浇水。树穴填满土后，适当踩实，然后在其表面覆盖5cm～10cm松散的土；散播草籽为部分损毁区域，并适量浇水，最终实现乔、灌、藤、草多效结合的复垦局面。

3.3.2动物恢复

动物修复技术主要是利用蚯蚓、蜘蛛等土层动物改善土壤理化性质的修复方法。这些土层动物不仅具有对恶劣环境良好的抗性，可以适应较为恶劣的环境。而且其自身的活动以及生命代谢可以有效改善土壤的性质，提高土壤的肥力，并通过富集重金属作用去除土壤中的重金属含量。除此之外，土层动物的活动还可以有效的疏松土壤，比如蚯蚓的活动可以极大地增加土壤孔隙，并且自身的排泄物可以有效提高土壤的肥力，增加土壤内部的氧含量和水含量。例如，土壤动物在土壤中的生长和迁移以及其他类型的生活和生理代谢可以显著提高土壤中微生物的活动程度，增加土壤肥力。另外，土壤动物进食和消化土壤中的有机物可以分解并将其转换为容易被植物利用的有机酸，同时可以降低一些重金属的毒性，从而提高传统生物土壤修复的效果和速度。

3.3.3微生物修复

微生物修复技术是指微生物来减少污染物以及提高土壤肥力的方法。例如，硫酸盐还原菌可用于还原和去除采矿业酸性矿山废水中的大量硫酸盐。还与废水中的重金属一起沉淀。实验室实验结果表明，在pH值为5.00和停留时间为18小时的情况下，还原硫酸盐细菌对硫酸盐的回收率可达到46.10%，并铜、锌、铁含量下降非常明显。除此之外，微生物还可以利用有机废物，同时固定N2，改善了土壤的物理和化学性质。微生物修复技术是自然过程，因此对环境影响很小，并且可以大大降低污染物的浓度。微生物修复技术较为复杂，且时间较长，并具有一定的特异性，因此微生物修复技术的应用仍然有很大局限性。

在矿山环境修复中，一种修复技术往往具有一定的局限性，无法满足修复需求，多种修复技术结合可以相互补充，以达到最佳修复效果。比如物理化学联合修复技术可以快速固化，直接消除有毒有害物质，物理化学联合修复技术成功的关键是选择可以与重金属混合的物质；微生物化学联合修复技术通过向土壤中添加表面活性剂以促进污染物从表面活性剂的固相到胶束相的分布，增加疏水性物质在土壤中的溶解度，同时还可以增加膜对微生物的渗透性；植物化学联合修复技术通过在土壤基质中添加螯合剂来促进植物修复，改善土壤中有害物质的解毒能力；植物微生物联合修复技术可以协同特定的微生物，比如菌根真菌的生命活动和生理代谢可以将水、酶和其他物质转移到附近的植物，从而促进植物的生长并和土壤中重金属的转化和迁移，从而增加植物对重金属富集能力。同时应用两种或更多种修复技术将产生协同效应，将大大克服一种修复技术的局限性，改善资源利用并增强生态修复的效果。因此，环境修复联合技术无疑将成为未来矿山环境修复研究的主要重点。但是，联合修复技术的组合是极其复杂的生化过程，比单一回收技术更容易受到环境影响，要求对每种技术都有一定的经验，增加了操作的复杂性。

4.结语

本矿区土地复垦项目施工建设、施工工艺及土地复垦各个环节要形成一个完整的系统，从而达到土地墾后的土地的利用和一体化经营，形成土地复垦的规模效益和良性循环机制。在复垦治理后的土地，要采取一定量的生物化学措施，生物化学措施主要包括恢复植被与生态维护等工程。本次治理工作范围，为已形成的开采边坡及边坡外侧的排土场。经过生态修复后将提高植被的覆盖率，有利于提升周边生态环境，对水、空气和土地资源有明显改善，同时防止地质灾害的发生，环境效益、经济效益及社会效益显著。

参考文献：

[1]谢计平.矿山废弃地分析及生态.矿山生态修复技术研究进展[J].环境保护与循环经济， 2017（6）： 41-45.

[2]王欣若.土壤污染修复方法研究进展[J].科技经济导刊， 2020， 28（16）： 94-95.

[3]周文亮，白俞，等；矿山生态环境修复方法探究[J].世界有色金属， 2019（21）： 220-221.

[4]王成龙，王颖，孔令东，等；浅议我国矿山生态系统修复[J].采矿技术， 2020， 20（3）： 90-92.

[5]周鸣，汤红妍，朱书法，等； EDTA强化电动力学修复重金属复合污染土壤[J].环境工程学报， 2014， 8（3）： 1197-1202.

[6]黄细花，卫泽斌，郭晓方，等；套种和化学淋洗联合技术修复重金属污染土壤[J].环境科学， 2010， 31（12）： 3067-3074.