矿山土壤生态修复技术研究

程爱民

摘要：我是矿产资源大国，矿产资源也是我国社会经济发展重要的能源类型之一，是我国工业等相关产业的发展基础。但在矿山的开发过程中，对开发地的生态环境带来了严重的破坏，如对地表植被造成了破坏，在开发过程中对原有地貌的严重破坏、开发中污染源以及废弃材料处理不当对自然环境水体、大气以及土壤造成的污染与破坏。上述现象对生态环境造成了严重的破坏，严重影响了周边居民的生活环境以及生产活动，因此加强对矿山废弃地的生态环境恢复工作迫在眉睫。

关键词：矿山土壤;生态修复;研究

受我国建国初期的特殊国情决定，我国在废弃矿山的修复研究上起步较晚，与发达国家相比研究进程较短，在治理经验以及治理技术方面都相对不足。但近年来我国逐渐重视矿山废弃地的修复技术研究，对矿山废弃地生态修复技术的研究的投资力度逐步加大，也逐渐成为业内的研究热点，矿山生态修复的相关理论以及技术研究工作迅速发展，并取得了多项研究成果。

目前，在我国矿山废弃地生态修复已经成为生态修复业内重要的论题之一，并基于生态系统退化与机理等相关的技术理论为基础，建立了以恢复矿山开发生产中破坏的生态系统为主要目标的技术体系，通过相应的技术手段，最大限度的对受到破坏的生态系统进行还原以及重新构建，降低矿山废弃地对人类生存、生活、发展可能产生的影响。

目前我国在矿山废弃地生态恢复技术研究主要有四个研究方向，分别是生态修复理论、修复技术、修复生态效益、修复质量评价等四个方面。

1 矿山废弃地生态修复理论研究

矿山废弃地生态修复属于恢复生态学的范畴之内，是一门综合性极强的学科，技术涵盖范围较广，涉及到群落演替理论、景观生态学、生物多样性理论、限制性因子理论等多个理论技术体系。近年来虽然我国在矿山废弃地的生态修复领域取得了巨大的进展，但目前技术体系仍不够完善，其中在景观生态学理论中最为欠缺。

1.1 植被演替理论在矿山废弃地生态修复中的应用

对原有环境中地表植物的恢复与还原是一切生态系统恢复和重建的前提。因此对地表植被的恢复以及重建也是業内的研究焦点问题之一。

地表植被的恢复与重建需要经历三个过程，在矿山废弃地植物群落恢复的前期阶段，具有极强环境适应能力的豆科、菊科草本植物会成为先锋型植物，在植物群落恢复的中期阶段，大量的灌木和乔本植物群落逐步出现，植物群落的多样性有了明显的改善，在植物群落恢复的受气阶段，植物覆盖率不断增加，草本性植物的多样性以及覆盖面积要远远超过灌木以及乔木的群落。另外，大量研究都表明矿山废弃地自然恢复植被物种多样性高于人工恢复植被，从长远来看自然恢复效果要优于人工恢复，但矿山废弃地自然恢复过程十分漫长，因此矿山废弃地生态修复要考虑长期的潜在价值和深远的修复目标，深入研究矿山废弃地植被结构特征及其演替方式，结合成熟的人工修复技术，更好的进行矿山废弃地生态修复。

1.2 限制性因子理论在矿山废弃地生态修复中的应用

限制性因子是生态学的核心理论，在一定的范畴内可以认为，所有生物的生长与恢复与其所处环境中所有限制性因子的有直接的关系。在矿山废弃地中，对生物生长恢复存在直接影响的限制性因子种类极多，如废弃地中存在的废物污染性、土壤条件、光照条件、水分条件等等，均会对生物的生长与恢复产生不同程度的影响。在上述影响因素中，影响最大的是土壤条件。伴随矿山的常年开发，会逐步改变土壤的条件，导致土壤深度发生改变，土壤中有机物含量增加、土壤含水量变小，有害元素增加等等，导致在生态修复过程中，土壤成为了地表植被恢复重要的限制性因子。

2 矿山废弃生态修复技术

矿山废弃生态修复技术应以生态技术理论为基础，基于目标修复场地的实际情况，制定相应的生态恢复手段，并制定严格的恢复顺序，最终达成对废弃地的重建以及资源的继续利用。在整个恢复过程中，最为重要的环节是对废弃地自然条件的精准评估和适宜性评价，根据评估结果，采用边坡稳固、土壤置换、土壤种子库、植物物种选配等具体的修复手段，实现矿山废弃地的生态修复与重建。

2.1 立地条件类型划分与评价

如前文所述，在矿山废弃地的生态修复工作中，最为重要的也是先驱环节就是对废弃地进行精准的定位与评估，针对矿山废弃地的实际情况制定生态修复的具体计划。在矿山废弃地的评估方面，我国目前沿用的方法以及标准尚未统一，从自然、社会、经济三个角度将废弃矿山分为4类14个亚类，并详细划分出6个等级。有些学者则从矿山的坡度、土壤厚度以及基础条件、土壤风化风度，生态恢复的综合工程量、恢复方式、恢复所需技术等角度将废弃矿山划分为6个大类别以及25个立地类型，并根据不同的立地类型提出了不同的生态修复方案。虽然业界学者对矿山废弃地的评估方式和标准各不相同。但评估的目的均是为了充分考量废弃地实际情况，让恢复计划更为客观合理。

2.2 边坡固定以及工程绿化技术

边坡固定技术和工程绿化技术是矿山废弃地常用的工程手段之一，我国数十年来逐步引进了种子喷薄法、纤维绿化法、客土喷播法等多项工程技术，也自主研发了生态植被毯铺植、vrt矿山植被恢复技术等自主知识产权的工程绿化技术。

2.3 土壤改良技术

根据前文所述，土壤是矿山废弃地修复中最为重要的限制性因子之一，因此对土壤条件进行改良也是矿山废弃地生态恢复工作的重点以及难点。土壤改良的方法较多，但从技术类别角度可以分为物理改良法、化学改良法、生物改良法三种类型。

其中，物理改良法是出现最早的土壤改良技术，采用排土、换土、客土等具体的施工方法，实现对土壤条件的改良。物理改良技术一般不单独应用，通常作为化学改良以及生物改良的预处理技术，在使用其他改良技术前，通过物理改良法改变土壤密度以及土壤结构，如果土层过薄或土壤中污染物成份严重超标，客土法收效最为明显。

化学改良法是根据实际的土壤条件，以及土壤中有机物含量和污染元素种类，向土壤中加入相应的材料以及化学试剂，实现改良土壤条件的目的。目前常用的添加剂有堆肥、粪肥、木屑、无毒有机污泥等等，可以增加土壤肥力，降解土壤中有害元素。城市污泥获取难度低，同时污泥中含有大量的营养元素以及有机物质，并具备适当的粘性以及持水性，可以有效的提高土壤的肥力。石灰和碳酸钙类添加剂适用于酸度较高的废弃地土壤改良中，通过酸碱中和的作用，可以有效降低土壤酸性，减少土壤中重金属离子的含量。

生物改良是目前最为高新的土壤改良技术，通过在土壤中加入土壤动物以及微生物，利用其生命活动以及特定的代谢产物，来实现对土壤条件的改良。目前常用的生物改良动植物有豆科植物、杨梅、沙棘、蜈蚣草、蚯蚓等等。近年来利用植物来提取和降低矿山废弃地土壤中的重金属为土壤改良提供了新途径，大量实践表明Pb、Cd、Cr、Mn、As、Zn、Cu、Hg等重金属的超富集植物30多种，其中鸭跖草可以大量富集Cu，蜈蚣草可以大量富集As，东南景天、鬼针草和酸模可以大量富集铅，商陆可以大量富集Mn，此外通过现代生物技术，克隆耐重金属污染的基因，从而用于改良和培育矿山废弃地重金属富集的植物种类。

2.4 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p H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。

2.5 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復植物。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。

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，从而达到土地垦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。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。

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