矿山废弃地生态环境修复技术

刘 如

（凤阳县科学技术局，安徽 滁州 239000）

矿产资源的开采利用为社会经济的繁荣发展提供了非常重要的物质条件，对工业和建筑行业等相关产业的快速变革起到了极大的促进与推动作用。实践中，开采利用矿产资源为人类和社会创造巨大经济利益和社会效益的同时，也产生了许多生态环境问题[1]。矿山开采会引起地质灾害，如泥石流、滑坡和坍塌等，矿山废弃地中的重金属侵蚀会在耕地和农田土壤中富集，造成农作物产量和质量问题[2]；部分尾矿和废石堆场中的污染物随着雨水淋溶和地表径流污染江河湖泊和地下水，造成居民饮用水安全问题[3]。因此，探究矿山废弃地生态修复技术对于改善和提高矿区生态环境质量，促进经济社会的可持续发展具有实践意义。

目前初步形成规模化的修复模式[4-5]。矿山废弃地遗留的生态环境问题备受关注，矿区生态修复技术相关理论和研究工作蓬勃发展，引起了全社会对矿山废弃地生态修复的高度重视。本文以废弃地生态修复为研究背景，综述了矿山开采引起的一系列问题，重点介绍了矿山生态修复技术，包括物理生态修复技术、化学生态修复技术、植物生态修复技术、微生物生态修复技术和联合生态修复技术在实际生态修复与治理中存在的优缺点，为矿山废弃地的生态修复提供参考。

1 矿山开采环境问题

1.1 地质

矿层作为地质结构自然形成过程中的主要组成部分，对地质的稳定性起着关键性作用。矿山开采活动通常会破坏山坡的原始土体结构，对山体周边的地层结构造成破坏进而影响地层结构的稳定性。在本来就容易出现地表塌陷的区域，机械外力的作用会造成地层结构更加不稳定。除此之外，开采技术不成熟、规划不合理等也会影响地层的稳定性，加速形成塌陷坑，同时造成山体滑坡、泥石流等地质灾害[6]。

1.2 水体

采矿活动会损坏山体的土体结构从而造成矿区塌陷、裂缝等问题，改变了矿山开采地区的储水和排水功能，造成地下水位下降，水资源紧缺，影响人类饮用水和农耕用水。另外，矿山开采遗留的堆积尾矿含有污染物，经过雨水淋溶、地表径流产生的废水，一般达不到工业废水排放标准，影响水生生物的生存繁衍与人畜生命健康[7]。

1.3 土壤

在金属矿山开采过程中，尾矿渣遭受雨水淋溶过程中流失的重金属元素是矿山区和周边地区土壤中重金属的污染源之一。在这种开矿采矿等人类活动和地表径流等自然活动的双重作用下，镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）等重金属会进入土壤环境中，超出土壤的自净能力，导致土壤生态环境质量下降。土壤环境中的重金属污染物具有隐蔽性和不可降解等特性使其难以从土壤环境中彻底去除。

1.4 生物多样性

矿山开采活动易造成水资源、土壤资源污染和匮乏，破坏生态环境的稳定性，使矿区及周边环境不利于植物生长发育，进而降低了矿区植被的物种多样性[8]。严家平等[4]研究矿区废弃地植物生长情况发现粉煤灰场地仅生长一些芦苇，煤矸石场地生长少量灌木，煤泥水沉积区一片荒芜。动物、植物和微生物的生长繁衍需要稳定的环境，开采活动导致动植物赖以生存的环境遭到破坏，影响了生物多样性和种群多样性。

2 矿山生态修复技术

2.1 物理生态修复技术

物理生态修复技术是指利用物理原理修复矿山废弃地的技术。包括隔离法和电动力学法，前者指利用水泥和石板等防渗材料把污染物与自然环境分开，将污染物隔绝起来，阻止污染物进一步扩散的技术；后者是将电极插入受污染土壤中，利用电渗析和电泳等原理使污染物迁移的方法，此方法尤其适用于多种重金属同时污染的土壤环境中。周鸣等[9]在外源重金属Cu、Pb 和Cd 污染土壤的电动力学装置中添加EDTA，结果表明电动力学修复改变了土壤环境中的重金属形态，对重金属的去除率达到95.1%。

物理修复技术因其操作简单、效果立竿见影的优点被广泛用于矿山废弃地修复，但由于工程量大、耗费资源的局限性难以大面积推广。

2.2 化学生态修复技术

化学生态修复技术是指利用化学原理改变土壤中重金属形态或降低重金属的迁移性的技术。通过添加各种外源化学物质，与土壤中的重金属发生化学反应，从而降低重金属在土壤中的水溶性、迁移性和生物有效性。朱佳文等[10]以铅锌尾矿为研究对象，通过添加5 种不同的原位钝化剂发现油菜秸秆和磷酸一铵能不同程度地降低尾矿中Pb、Cd 和Zn的生物有效性及迁移能力。许超等[11]研究EDTA 和柠檬酸对重金属形态和生物有效性的影响，发现EDTA 和柠檬酸均能降低土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 的生物有效性。

化学修复法见效快，受自然环境因素影响小。但无法将重金属从土壤环境中转移，因此存在二次污染的风险。

2.3 植物生态修复技术

植物修复技术涉及面广、综合性强，是金属矿山生态修复领域的重要技术。超富集植物通过络合机制、细胞壁结合机制和区域化隔离机制等对某种重金属或几种重金属产生抗性，并在生长过程中富集矿山废弃地中的污染物质。目前已经发现的超富集植物达400多种，例如，蜈蚣草表现为砷（As）的超富集植物，黑麦草表现为铀（U）、Cd 和Zn 的超富集植物，龙葵和印度荠菜表现为Cd、Pb和Zn的超富集植物，东南景天表现出为Cd、Cu 和Pb 的超富集植物[12-13]。植物修复不仅对矿区污染物有很好的提取效果，还对矿区及周边地区生态系统功能的恢复有重要的作用。焦作市石灰岩矿经过10年的植物修复从矿石废弃地恢复并重建为绿色生态公园[14]。

矿山植物生态修复技术治理效果显著，投入成本低，修复过程不易造成二次污染，而且植被形成后能防风固沙和减少水土流失，是目前矿山修复应用前景最好的原位修复技术，可大面积应用于矿山废弃地的生态和景观修复。但是植物修复技术存在生长周期长、修复效率低以及选择性吸收重金属等局限性。

2.4 微生物生态修复技术

微生物修复技术是指利用土著微生物或人工驯化的微生物，通过氧化还原、吸附、沉淀、甲基化和去甲基来降低土壤中有毒、有害污染物质的活性并改善土壤理化性质的修复技术。溶磷细菌能将土壤中难溶态磷元素转化为可溶态磷，提高土壤肥力，促进植物生长。乔志伟等[15]研究发现3 种溶磷细菌Rahnellasp. W3、Burkholderiasp. W4 和Fluorescent pseudomonasW7，单独及组合处理下均能提高矿区周边农田土壤中有效磷含量，且组合菌优于单株菌株的溶磷效果。

微生物修复技术具有广阔的应用前景和发展潜力，可直接应用在矿山废弃地进行原地修复，但是矿山地理环境恶劣，对微生物的生长发育有较大的影响。

2.5 联合生态修复技术

由于矿山生态实际环境情况复杂多样，单一的修复技术无法满足复杂的修复类别，研究多种修复组合方式符合当前的治理需求。常见的组合方式有物理—化学联合修复技术、化学强化植物修复技术和微生物强化植物修复技术等多种复合修复方式。其中微生物协同超富集植物的修复方式是重金属污染土壤原位修复的重要方式之一。植物根系能通过调控根系分泌物（糖类、有机酸、氨基酸和脂肪酸等）的种类和数量为微生物提供优良的生存环境，进而影响根际微生物的种群结构和生物多样性，相应地，根际微生物通过分泌有机磷、铁载体、IAA和ACC脱氨酶等促生物质改变根际土壤化学特性，进而影响植物的生长发育过程[16-17]。微生物强化植物修复重金属污染土壤表现在两个方面：一是植物根际促生菌的调节作用；二是植物内生菌的定殖作用。根际促生菌通过分泌大量低分子有机酸（包括甲酸、乙酸和丙酸等），改善植物根际生态环境的酸碱度，增加重金属有效态含量和生物可利用性，提高植物对重金属的富集能力[18]。王元昌等[19]研究发现，4种根际促生菌对亚麻（Linum usitatissimumL.）的株高和根长均有不同程度的促进作用，其中GY16菌株对亚麻的促进效果最显著，与未接种根际促生菌处理相比，接种根际促生菌的亚麻根部组织对Cd和As的富集量显著增加。焦郑同等[20]在种植黑麦草的土壤中接种耐Pb植物根际促生菌的试验中发现，接种樊庆生红球菌可有效促进黑麦草对Pb的吸收，地上部和地下部Pb含量分别增加了30.25%和2.2%。植物内生菌不仅对重金属的耐性和抗性强，而且可以提高植物对重金属的抗逆性和胁迫性，增强对重金属的吸收和转移能力，并与植物形成互惠共存、互利共生的协作关系[21]。邓平香等[22]从东南景天根际筛选分离的内生菌荧光假单胞菌R1 分泌的苹果酸、琥珀酸和乙酸等有机酸，能够加速ZnO和CdO溶解，促进东南景天的生长发育，并促进地上部组织吸收Zn和Cd。

3 结语

矿山开采引起了一系列环境问题，包括地质灾害、水体污染、土壤污染和生物多样性降低等。矿山生态修复技术逐渐引起关注，包括物理生态修复技术、化学生态修复技术、植物生态修复技术、矿山微生物生态修复技术和联合生态修复技术在实际生态修复与治理中的应用。其中，植物修复是应用前景较好的修复技术之一。但采用单一的修复技术无法高效地治理矿山废弃地，微生物联合植物修复技术是一种环境友好、安全高效的原位修复技术。一方面微生物与植物之间相互作用、协同共生，形成稳定的生态圈，加速矿山植被绿化进程，另一方面微生物通过耐重金属和促生作用，提高植物富集重金属污染物的能力。

矿山废弃地生态修复是一个长期的动态过程,在治理环境问题的同时也要重视生态系统的重建与恢复，保证矿山生态系统的稳定性。今后的研究会将环境治理、生态修复、景观设计同时纳入矿山废弃地的修复与重建工作中。