冶金礦山生態修復技術的進程范文

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摘要：冶金礦山廢棄地是對礦產資源進行開發利用時在地球表面留下的“疤痕”。近年來，冶金礦山廢棄地的生態修復工作受到越來越多的重視。闡述了冶金礦山廢棄地生態修復的必要性及國內外現狀；詳細介紹了國內外鐵礦廢棄地常用的土壤改良技術、植被恢復技術、邊坡治理技術，以及再利用模式；同時指出了加緊開展廢棄礦山的生態修復工作，應當成為今后我國環境治理的重點。

關鍵詞：冶金礦山；廢棄地；生態修復；土壤改良；邊坡治理

冶金礦山行業涉及面廣、產業關聯度大，是國家經濟建設的重要基礎。但在礦山的開采過程中，會不可避免地挖掘和破壞山體、毀壞林地和耕地、擠壓動植物的生存空間，造成嚴重的水土流失和生態系統退化，形成大片的裸露山體和廢棄礦場；在資源的加工過程中，會副產大量的固體廢棄物，如廢石、尾渣等，它們堆棄占用土地，破壞耕地，釋放有毒物質，并向周圍環境遷移擴散，通過食物鏈在動植物體內和人體中富集，威脅礦區生物的多樣性和礦區居民的正常生產生活，制約區域經濟的可持續發展［1-6］。隨著礦產資源的日益貧化，這些問題日趨嚴重，因此，對礦山廢棄地進行生態修復，恢復其原有功能，已經刻不容緩。

1冶金礦山廢棄地的生態現狀

冶金礦山廢棄地指在礦山開采過程中因被污染、占用或破壞，以致暫時失去利用價值的土地［7］。根據其成因，礦山廢棄地可分為五類：（1）排巖場。由被剝離的表土、被剝采的廢石以及缺乏深加工價值的低品位礦巖堆棄而成，堆積體結構松散、不穩定，自然條件下很難風化粉碎，表層植被生長困難；（2）尾礦庫。由礦石經洗選加工后產生的尾渣泵送堆積而成［8］。尾渣粒徑小、質地松散、表層干燥、保水能力差，尾渣會持續向外界釋放有毒物質，尾渣毒性很強，植被難以存活［1-2］；（3）露天采坑。露天開采埋層較淺的礦床所形成的凹坑，通常直徑較大、挖掘較深，表層巖石風化嚴重，植被立地條件差，難以形成植被覆蓋［9］；（4）塌陷區。礦區地下大量開采后，地質條件不穩定，地面塌陷所形成的塊狀、帶狀凹陷區域，塌陷區地表破碎、難以復墾，塌陷坑四周封閉，坑內常年積水［10-11］；（5）壓占地。為開發礦山所修建的輔助設施，如建筑物、公路等，它們會占用大量土地，在礦山停采后，這些區域被水泥、砌石、磚瓦等覆蓋，難以復墾。我國在20世紀50年代就開始了礦山廢棄地的生態修復工作，但受限于當時的觀念和技術水平，這項工作一直處于零星、小規模狀態，并未完全發展起來。針對礦區嚴重破壞的情況，國家相繼出臺了多項舉措，一方面規范和引導礦區土地復墾工作［12］，同時明確礦企在礦山修復工作中的責任，增強了企業的責任意識，政企聯合，加快了我國礦山廢棄地生態修復的工作進展［13］，截止2016年底，我國已累計投入修復資金近千億元，累計修復土地上百公頃，資助研發、推廣了近200項先進治理技術，生態修復工作取得顯著進步［14］。然而，我國礦區污染面積大，污染程度深，而多數礦企習慣了“先污染后治理”的生產模式，歷史欠賬多，使得環境治理資金需求量巨大。在當前持續低迷的礦業形勢下，礦區土地的修復費用主要由政府財政撥款提供，資金缺口很大［15］。截止2016年底，我國礦山廢棄地的修復率仍不足30%，與其他礦業發達國家50%~70%的平均修復率相距甚遠，廢棄土地修復工作不容樂觀［13］。國外礦山的生態修復工作可追溯到19世紀末，到20世紀中期已經開始了系統化、規模化的治理工作，并在法律法規、管理方式和修復技術等方面獲得了大量的成功經驗。澳大利亞實行礦產開發、土壤改良與生態恢復相結合的“三位一體”管理模式，促進了礦區土地復墾和生態修復工作的進展［12］；美國的礦山土地復墾工作始于20世紀30年代，現已形成了健全的法律體系和完善的管理制度，廢棄土地復墾率高達85%，其首創的復墾保證金制度已被許多國家學習采用［16］。德國在礦區土地復墾方面投入了大量的人力和財力，目前德國廢棄土地的復墾率已經超過90%[13]。相比較而言，我國礦山廢棄地的生態修復工作任重而道遠。

2冶金礦山的生態修復技術

礦山廢棄地地表大多坑洼不平、浮石凸起，鐵礦等金屬礦廢棄地地表還散落有許多硬度大、難以破碎的低品位礦石。在進行土地復墾前，應首先利用推土機、壓路機等大型設備對其地表進行平整處理，使區域附近地表性質盡量均一化，減小土壤改良和植被恢復的阻力，為后續復墾工作創造有利條件。礦山廢棄地土壤重金屬污染嚴重，氮、磷、鉀等營養元素嚴重缺失，土壤結構性差，在不進行人工干涉的情況下，礦區植被很難恢復。因此，修復礦區污染土壤是礦區植被恢復和生態重建的前提。

2.1物理修復技術

土壤的物理修復技術包括表土轉移和客土回填兩種。表土轉移指在礦山開采前將區域內表層土壤收集保存，待閉礦后再重新覆蓋的方法［17］，在這個過程中，雖然地表植被被完全破壞，但土壤中的營養元素和種子庫得以很好保存，能夠加快植被的恢復速度［18］，表土轉移法僅適用于新開礦山和新建尾渣場，在西歐國家的鐵礦露采場應用較為廣泛。客土回填指直接將區域內原有表土全部移除，回填適于植被生長的耕植土，在表面形成0.1~1.0m厚的覆蓋層，以達到土壤改良的目的，Mago-ba等［19-20］在大量實驗后發現，覆土厚度與植被覆蓋率的增量成正相關關系，當覆土厚度為30cm時，區域內植被的覆蓋率能提高近70%。該法效果明顯，但需要外借耕值土，費用昂貴。湖北黃梅馬尾山鐵礦通過經濟技術比較后采用了表層客土全覆蓋、喬灌草間植的方式進行植被恢復，對防治水土流失和改善區域環境起到了很好的效果。

2.2化學修復技術

礦山廢棄地普遍酸堿化過度，土壤pH值嚴重偏離正常范圍，不適于植被生長，必須添加酸堿調節劑進行基質改良。對于酸化土地，可以施用石灰、碳酸氫鹽等進行基質改良［22］，劉珊珊等［23］探究了用石灰調節南京紫金山銅礦堆浸場pH值的可行性，發現在浸場表層持續噴撒石灰一段時間后，能夠顯著提高基質表層的pH值，但由于渣堆厚度較深、下層尾渣酸化嚴重，因此對渣堆深處的pH值沒有明顯調節效果，這對于鐵尾礦庫表層基質的改良可起到一定的借鑒作用。對于堿化土地，可以投入石膏、碳酸氫鹽、硫酸亞鐵等來中和基質的堿性［24］。Na+含量過高容易導致土壤板結，石膏中的Ca2+能夠有效地替換Na+，降低土壤堿性，疏松土壤，改善水分、空氣和有機質的流通條件。當土壤酸堿度過高或失調時間過長時，宜采用“少量多次”的方法施加調節劑，這樣既能保證藥劑的持續效力，增強調節效果，又能節省藥劑。重金屬處理是土壤修復的關鍵，利用化學物質（包括鈣酸鹽、含磷材料、鐵氧化物、鐵鹽、ED-TA、α-淀粉酶、腐殖酸等）的吸附沉淀、氧化還原、催化還原、絡合等作用，可以在一定程度上達到重金屬離子固定的目的，顯著減弱重金屬離子的遷移能力［25-31］。鐵礦廢棄地中存在的重金屬主要有銅、鎘、鉛、鋅等，Ca2+對這些重金屬離子有明顯的拮抗作用，可以有效緩解其毒性，向廢棄土地中噴撒藥劑可阻礙農作物對它們的吸收，保證農產品安全［32］。EDTA通過螯合作用可以固定多種重金屬離子，且對土壤中的微生物群落幾乎不產生影響，是目前廣泛應用的鐵礦廢棄地重金屬淋洗劑［33］。黃凱［34］將有機肥和泥炭的混合試劑經過特殊工藝處理后，用于修復鉛鋅礦尾礦庫污染土壤。Wu等［35］利用黏土、生物炭成功研制出一種具有網狀結構的新型納米復合材料，能促使有毒的Cr6+轉化成無毒的Cr3+，大大簡化了土壤的修復步驟，提高了修復效率。另外，利用城市污泥較強的黏性、持水性和保水性，將其用于土壤改良，既能夠提高土壤肥力，改善土壤的團粒結構，又能以廢治廢，促進城市固體廢棄物的資源化再利用［36-37］。另外，從城市污泥中提取出的一些菌株還能對Cr6+起到還原作用，可有效去除其中90%的Cr6+，實現鉻渣堆六價鉻的高效治理［38-39］。

2.3生物修復技術

生物修復技術指利用酶、菌類及土壤動物等的新陳代謝作用來降低土壤中有毒、有害物質的濃度，從而達到土壤修復目的的一種技術。趙永紅等［40］認為，植物與降解菌的協同作用，可顯著增加土壤中降解菌的數量，提高降解菌的活性，改善植被的根際微環境，促進植被對養分和水分的吸收，促進植被的立地生長，加快土壤環境的改善速度。Denny等［41］研究發現，在土壤中接種菌根，菌根分泌物能夠增強土壤中重金屬離子的遷移能力，增強植被的抗性，促進植物對重金屬離子的吸收，加快土壤的凈化速度。Boyer等［42］研究了土壤動物蚯蚓對土壤中重金屬的凈化作用，發現蚯蚓既能夠吞食土壤中的重金屬，又能夠疏松板結土壤，增加土壤孔隙度，改善土壤的物理結構。徐池［43］對用不同馴化濃度/時間篩選出的赤子愛勝蚯的生理指標進行了系統比較，通過急性毒性試驗和彗星試驗確定了該種類蚯蚓的耐性最佳馴化條件，用該最佳條件篩選出的赤子愛勝蚯對重金屬有強提取作用，利用蚯蚓的吞食作用來改善重金屬污染土壤具有廣闊的應用前景。

2.4植被恢復技術

鐵礦廢棄地土地貧瘠、鹽堿化嚴重、重金屬毒害作用強，經過一系列的修復措施，如表土轉移、化學試劑投放等，在一定程度上修復被破壞的土壤，通過人工種植能較快實現礦區的植被覆蓋，最終建立起新的生態平衡［44］。禾草植物和豆科植物經常都被用作礦山廢棄地生態修復過程中的先鋒植物，它們生長迅速，抗旱性強，耐貧瘠能力強，且豆科植物具有固氮能力，能夠產生易于植被吸收、且緩釋性能良好的有機氮，這對于貧瘠土壤的修復改良至關重要［45］。楊卓等［46］對禾草植物高羊茅和黑麥草的重金屬耐受性進行了研究，發現這兩種植物抗逆性很強，可在重金屬污染土壤中迅速生長，能夠起到防止土壤侵蝕的作用。Chen等［47］發現，香根草具有對Cd2+的強富集作用，即使在Cd2+含量極低的土壤中，葉片中所吸收的Cd2+濃度也可達218gC/hm，是鐵礦廢棄地中Cd的理想治理植物。此外，高山甘薯、海州香薷、酸模等對Cu有較強的富集作用，高山漆菇草、東南景天羽葉鬼針草等對Pb也有富集作用［48-52］。多季收割重金屬富集植物，土壤中重金屬離子濃度降低，這時可種植一些生物量更大的植物（如灌木、喬木等）來完善區域的生物群落，增強礦區的保水、保肥能力和抗逆性［53］。對于收割獲得的重金屬富集植物體，可采取焚燒法、高溫分解法、生物解吸法、植物冶金法、液相萃取法等進行處理［54-55］，其中焚燒法和高溫分解法能夠顯著減少植物殘體的體積和重量，是目前最為行之有效的重金屬富集植物體處置技術［56-57］。

3冶金礦山的邊坡治理技術

鐵礦廢棄地環境惡劣，露天采坑等區域表土幾乎被完全剝離，土地結構破壞嚴重，水分和養分流失嚴重，滑坡時有發生；排巖場、尾礦庫的堆積結構松散，顆粒易流動，且堆場往往勢能較高，是潛在的人造泥石流發生源［11］。鑒于這些特征，除對礦區采取必要的生態修復手段外，還必須輔以邊坡治理等措施，以疏通地表徑流，減少基質流失，增強邊坡穩定性，降低滑坡和潰壩風險。

3.1客土噴播技術

客土噴播技術是一項新型的巖質邊坡綠化技術，主要利用機械攪拌設備將客土、種子、緩釋肥、粘結劑、保水劑、穩定劑等充分混勻，在待修復坡面上錨桿掛網，然后利用泵和壓縮空氣機將基材垂直噴附到坡壁上，形成具有一定厚度的噴附層［58］。噴附層結構良好，含有植物生長所需的各種營養物質，其中的保水劑為高分子樹脂材料，具有很強的儲水保水能力，可吸收超過自身重量數百倍的水分，且高壓下水分不脫除［59］。在種子的出苗和生長過程中，噴附層能夠持續供水供肥，確保植物的正常生長，實現邊坡的快速綠化。為豐富邊坡生物群落，客土噴播技術通常采取草罐混植的搭配方式進行植被培育，同時選用根系發達、抗逆性強的植物種子，充分利用植物根系對土壤的加筋和錨固作用，力求達到最佳護坡效果［60］。

3.2植被混凝土技術

植被混凝土技術綜合了土壤學、環境生態學、巖土力學、園藝學等多學科知識，系統考慮了邊坡角度、裸巖性質、氣候特征、綠化要求等條件，采用特定的混凝土配方和種子配方，將植生土、膠結劑、綠化劑、有機質、腐殖質、肥料、保水劑、草種等基礎材料混勻，然后澆灌于坡壁以起到邊坡防護與綠化的作用［61］。植被混凝土所用的膠結劑為普通硅酸鹽水泥，將其與特制的綠化劑配合使用，能夠在巖坡表面形成具有大量細密孔隙的植被生長基質，該生長基質既能像普通混凝土那樣穩固邊坡，又因為它獨特的多孔結構，可以加快水分和養分的運輸速率，營養物質供應順暢，植被生長迅速，對裸巖邊坡的治理效果良好［62］。

3.3生態灌漿技術

像排巖場這種類型的礦山廢棄區域，它們的地表特征明顯，堆渣呈塊狀、塊間空隙大，幾乎不存在植被生長土壤，可借鑒工程灌漿技術來對它們的邊坡進行治理。將基質材料、黏土和水等按照特定的配比攪拌制漿，然后由上而下對渣堆邊坡灌漿，漿體填充表面空隙，并逐漸在渣堆表層形成一層富含養分的植被生長基質，該基質層具有一定硬度和抗侵蝕能力，既防滲護坡，又適于植被生長，能夠為后續的植被恢復工作奠定良好基礎［11］。

3.4生態植被毯和袋技術

生態植被毯是以稻草、麥秸、玉米桿等為骨架，負載壤土、保水劑、有機質、植物種子等制備出的一種裸露邊坡高效水土保持材料[63]。植被毯適用于坡度較緩的裸露邊坡，能夠有效減少地表徑流和降水對坡面的沖刷，減少水土流失，其中含有的壤土和營養物質可以有效促進區域植被的立地生長，植被毯生產成本低、修復效果好，目前應用十分廣泛［64］。生態植被袋技術是一項新型的柔性護坡技術，袋體為無紡布袋，以聚丙乙烯為原料制備而成，通常會在制作過程中添加抗老化劑，以延長植被袋的使用壽命。在進行植被袋的護坡施工時，將耐性較強的草木種子通過木漿紙附著在袋體內側，然后向袋內裝入干燥、疏松的細粒壤土，為促進植被生長，還會適量摻入緩釋肥和保水劑，當袋內壤土達到密度要求后，停止裝土，用專用縫紉機封口，然后堆壘護坡［65］。在工程實踐中，由鋼材、水泥等筑造的護坡擋墻屬于硬質結構，常因局部沉降或受力不均勻而破裂；由植被袋構筑的護坡系統屬于柔性結構，可在一定范圍內維持結構體的穩定。生態植被袋既能夠穩固邊坡，減少水土流失，又能為植被的生長提供載體，增強邊坡的觀賞性，是一種有效的生態護坡技術。

4冶金礦山的功能化再開發

在礦山生態功能基本恢復后，可根據礦區自身屬性的不同，選擇恰當的發展模式進行資源的再開發利用。常見的礦山廢棄地生態開發模式有三種：單一復綠模式、農業復墾模式、景觀再造模式。再利用模式的選擇，依廢棄地的規模、環境、交通等因素的不同而不同，不同的再利用模式能夠產生不同的綜合效益［66］。

4.1單一復綠模式

主要適用于地理位置不佳、復墾后可獲得的耕地資源有限，基本無景觀開發價值的礦山廢棄地，可引入水生植物，如蘆葦、金魚藻等，將其培育成人工濕地，增加塌陷區的生態穩定性；而對于一些采深較大、面積較廣的露天采坑，可對其邊坡和底部進行加固防滲處理，以開發成小型湖泊；特別是對于一些破壞十分嚴重的礦區，經人工輔助手段后即使能夠在它的地表形成植被覆蓋，它的生態功能也仍有可能十分脆弱，稍加干擾就會引起植被的大片枯萎、死亡，使礦區再次朝廢棄土地的方向逆轉，這時可通過法規條例，將其設定為自然保護區，加強監管措施，杜絕人為擾動，為礦區生態正常恢復創造有利條件。

4.2農業復墾模式

主要針對經適當修復后可被重新賦予生產力的廢棄土地，如馬鋼姑山礦的多層次立體土地復墾模式是國內鐵礦廢棄地農業復墾的典型，該礦排巖場是依托礦區原有露天采坑形成的多平臺堆積場，根據生態系統的多物種配置和多層次配置原則，設計出了可進行農、林、牧、漁綜合開發的立體復墾結構［67］，將中心積水采坑設計成魚塘，進行水產養殖；對水塘淺水區底層土壤施以必要改良措施，進行水稻種植，同時在水稻中放養鴨、鵝等家禽；對排巖場堆積平臺，則種植上防風林、生態林、經濟林等，同時林間修建小道，供市民休閑之用；排巖場斜坡坡度大、渣粒多、水土流失嚴重，可喬、灌、草間植，增加斜坡植被覆蓋率，減少降水對斜坡的侵蝕，增加排巖場的生物多樣性，提高生態位的利用率。

4.3景觀再造模式

對于一些具有旅游開發潛力的礦山廢棄地，可以將其作為景觀資源加以二次開發，為城市的可持續性發展，特別是老工業城市的產業轉型提供新的著力點。德國政府綜合魯爾區當時所面臨的社會、環境、資源等各方面的問題，制定出了符合自身情況的長遠規劃方案，確保了區域環境治理方法與區域經濟發展政策的連續性，設計人員對魯爾區的鐵礦采坑、橋梁隧道以及其它礦區建筑物進行了構思精妙的景觀改造，將舊礦區成功開發成了新的旅游資源［68］。遼寧撫順是我國重要的煤炭和鐵礦基地，大規模的礦床開采作業使得當地地質災害頻發，礦區百姓深受其害，撫順市在對礦區環境進行全面調查后，以國家“振興東北老工業基地”政策為契機，將原有廢棄礦坑、采坑塌陷地成功打造成了特色旅游景區，既緩解工礦企業與當地居民的矛盾，也促進了區域經濟的轉型升級［69］。湖北黃石國家礦山公園是我國第一家國家礦山公園，是鐵礦遺址開發的典型代表，這種開發模式既有助于保留采址的原有風貌，展現礦區曾經的輝煌成績，又能夠啟迪和教育后人，增強游客的環保意識，對其它礦山廢棄地的開發利用具有重要借鑒作用［66］。

5結語

礦山廢棄地是區域內空氣污染、水污染、水土流失的主要發生源，嚴重影響當地的自然環境和地貌景觀，嚴重威脅礦區居民的生命財產安全。在耕地資源日益緊缺的今天，礦山廢棄地的修復工作對于生態環境保護、經濟可持續性發展、人地和諧共處和糧食供應安全具有重要意義。在我國，抓緊學習國外礦山先進治理理念，借鑒國外先進技術，加大我國礦山治理技術的研發力度，加大治理資金的投入力度，明確政府、企業和個人的責任，加快我國礦山廢棄地的生態修復速度，應當成為今后環境治理工作的重中之重。

作者：楊華明；李建文 單位：中南大學資源生物學院礦物材料及其應用湖南省重點實驗室