金屬礦山尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

熊衍良

(江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦)

金屬礦山尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)

熊衍良

(江西銅業(yè)股份有限公司城門山銅礦)

從生態(tài)文明、科學(xué)發(fā)展觀出發(fā)，為找出經(jīng)濟(jì)合理的尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)的方法，以城門山銅礦鳳爪溝尾礦庫(kù)為例進(jìn)行了生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行了分區(qū)，對(duì)每個(gè)區(qū)塊采取不同的生態(tài)恢復(fù)措施并進(jìn)行對(duì)比，最后通過實(shí)驗(yàn)前后的土壤生態(tài)分析對(duì)比，認(rèn)證了該實(shí)驗(yàn)方案的可行性，通過各區(qū)塊的實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比找出了最適合尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)的具體措施，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境、生態(tài)復(fù)綠的目的。

尾礦庫(kù) 生態(tài)恢復(fù) 土壤改良 種植模式

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)品需求的大幅度增加，礦業(yè)開發(fā)規(guī)模隨之加大，產(chǎn)生的選礦尾礦數(shù)量將不斷增加，而大量堆存的尾礦，給生態(tài)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)等造成了很大的難題。由于尾礦顆粒粗細(xì)不一、黏聚力低，極易水土流失且尾礦營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)極低，保水保肥能力差，存在不同程度的污染物，難以恢復(fù)植被的生長(zhǎng)介質(zhì)。在一般環(huán)境條件下，庫(kù)區(qū)既使場(chǎng)地閑置多年，也寸草不生[1-2]。同時(shí)金屬礦山尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)面臨著金屬和其他污染物含量高、酸堿性強(qiáng)且變化大、植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量低、固體廢物表面不穩(wěn)定等幾大難題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者投入其研究，但均未得到很好的尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)治理效果[3-5]。因此，以城門山銅礦鳳爪溝尾礦庫(kù)為例進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，以期找到合適的金屬礦山尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)的具體措施，達(dá)到生態(tài)復(fù)綠的目標(biāo)。

1 金屬礦山尾礦庫(kù)生態(tài)修復(fù)面臨的困難

(1)金屬和其他污染物含量高。通常礦山固體廢物中含有大量的銅、鉛、鋅、鎘等重金屬元素。當(dāng)這些金屬元素微量存在時(shí)，可作為土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)；但當(dāng)這些元素超量共同存在時(shí)，由于毒性的協(xié)同作用，對(duì)植物生長(zhǎng)危害較大。

(2)酸堿性強(qiáng)且變化大。多數(shù)植物適宜生長(zhǎng)在中性土壤中，當(dāng)固體廢物中的pH值為7～8.5時(shí)，則呈強(qiáng)堿性，可使多數(shù)植物枯萎，當(dāng)pH值小于4時(shí)，固體廢物則呈強(qiáng)酸性，對(duì)植物生長(zhǎng)有強(qiáng)烈的抑制作用。這不僅是因?yàn)樗岜旧淼奈：?，而且在酸性環(huán)境中，重金屬離子更易變化而發(fā)生毒害作用。

(3)植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量低。植物正常生長(zhǎng)需要多種元素，其中氮、磷、鉀等元素不能低于正常含量，否則植物就不能正常生長(zhǎng)。礦山固體廢物中一般都缺少土壤構(gòu)造和有機(jī)物，不能保存這些養(yǎng)分，堆放時(shí)間越長(zhǎng)，固體廢物表面層中有機(jī)物的含量就越高，對(duì)植物生長(zhǎng)也就越有利。而新近排放的尾礦表面，有機(jī)物的含量非常低，極不利于植物的生長(zhǎng)。

(4)固體廢物表面不穩(wěn)定。由于礦山固體廢物固結(jié)性能不好，很容易受到風(fēng)、水和空氣的侵蝕，尤其尾礦受侵蝕以后，其表面出現(xiàn)蝕溝、裂縫、導(dǎo)致覆蓋在尾礦和廢石上的表土層破裂，由于重力作用，可能使表土層出現(xiàn)蠕動(dòng)，使表土層穩(wěn)定性降低和移動(dòng)，而這種表土層的不穩(wěn)定性及位移，均會(huì)嚴(yán)重破壞植物的正常生長(zhǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)大部分金屬礦山尾礦庫(kù)均采取傳統(tǒng)的生態(tài)恢復(fù)方式，即在對(duì)尾砂面進(jìn)行平整后覆30～60 cm厚度不等的黏土再進(jìn)行植被，但該生態(tài)恢復(fù)方式存在以下問題：①覆土需要大量的土源，而且土源的開采極易造成二次生態(tài)破壞；②尾礦庫(kù)特別是濕排的尾礦庫(kù)，沉降固結(jié)相對(duì)緩慢，給項(xiàng)目實(shí)施帶來較大的難度，而且覆土作業(yè)機(jī)械設(shè)備難于行走，往往會(huì)增加投資成本；③對(duì)于銅礦、硫鐵礦、鉛鋅礦等礦山尾礦庫(kù)，由于尾砂呈強(qiáng)酸性，覆土過薄，容易產(chǎn)生返酸現(xiàn)象，導(dǎo)致已種植植物枯萎甚至退化的現(xiàn)象。

基于以上背景，該實(shí)驗(yàn)研究在城門山銅礦鳳爪溝尾礦庫(kù)采取不覆土，直接在尾砂面上進(jìn)行改良的方式進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，以探索尾礦庫(kù)砂面不覆土生態(tài)恢復(fù)的可行性。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 鳳爪溝尾礦庫(kù)基本情況

城門山銅礦鳳爪溝尾礦庫(kù)2011年停止使用，尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)尾砂干燥固結(jié)，表面龜裂，具有一定的地基承載力，尾礦庫(kù)庫(kù)區(qū)大部分已干枯，雨季時(shí)庫(kù)中局部會(huì)積水，無任何植物生長(zhǎng)。經(jīng)初步取樣分析，該尾礦庫(kù)原始pH值均表現(xiàn)為強(qiáng)酸性，大部分取樣區(qū)原始pH值低于3，表明該區(qū)域已發(fā)生明顯酸化現(xiàn)象；NAG-pH實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值為1.94，低于原始pH值，表明該區(qū)域的土壤存在很強(qiáng)的酸化能力；另外，土壤中重金屬含量較高，對(duì)植物生長(zhǎng)有害。該尾礦庫(kù)生態(tài)恢復(fù)的條件比較惡劣，相比國(guó)內(nèi)其他尾礦庫(kù)，其酸度、土壤結(jié)構(gòu)都更差。

為此，通過與中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司、中山大學(xué)合作，在鳳爪溝尾礦庫(kù)庫(kù)西南側(cè)選取一塊區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)。在取樣分析和小型室內(nèi)模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用以生物修復(fù)技術(shù)為主，采用專用的土壤改良基質(zhì)及其他物理、化學(xué)等土壤修復(fù)技術(shù)措施改良本底尾砂土，對(duì)庫(kù)區(qū)土壤進(jìn)行綜合治理，采用土壤種子庫(kù)、固氮等草本植物建立人工草地群落系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的自然演替，達(dá)到保持水土、控制污染，實(shí)現(xiàn)生態(tài)復(fù)綠的目標(biāo)，探究適合金屬礦山尾礦庫(kù)的合理土壤改良模式和植物搭配種植模式。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案及具體措施

在庫(kù)區(qū)典型區(qū)域選擇長(zhǎng)100 m，寬40 m的面積作為試驗(yàn)區(qū)，模擬閉庫(kù)后的排水溝設(shè)置溝壟；實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)部再分隔為10小塊對(duì)比區(qū)，試驗(yàn)中進(jìn)行離散性對(duì)比。植物配置采用灌草苔搭配，實(shí)現(xiàn)生態(tài)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。具體實(shí)驗(yàn)區(qū)區(qū)塊劃分見圖1，實(shí)施工藝流程見圖2。

實(shí)驗(yàn)的具體措施為：

(1)配置土壤改良基質(zhì)、快速熟化專用肥料和土壤改良修復(fù)劑，采用人工合成基質(zhì)(生物炭)與原位基質(zhì)改良相結(jié)合；采用根際土壤處理調(diào)控技術(shù)與合理耕作相結(jié)合；培育微生物—植物生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，加速土壤熟化以改良土壤，強(qiáng)化土壤自凈作用、加速自然循環(huán)。

圖1 鳳爪溝尾礦庫(kù)生態(tài)實(shí)驗(yàn)區(qū)區(qū)塊劃分平面圖

圖2 實(shí)施工藝流程

(2)建立庫(kù)區(qū)土地復(fù)墾先鋒植物種子資源庫(kù)，重點(diǎn)開發(fā)生態(tài)恢復(fù)先鋒植物優(yōu)化組合模式，通過本底調(diào)查、模擬實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)小區(qū)實(shí)驗(yàn)篩選適宜植物品種及最優(yōu)品種的組合模式。

2.3 實(shí)驗(yàn)效果分析

該生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2014年1月6日開始，2014年1月25日基本完成了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的施工工作，同時(shí)轉(zhuǎn)為施工后的撫育工作，至2014年6月底，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已取得了比較好的效果。

2.3.1 土壤改良效果分析

通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后土壤酸化指標(biāo)(主要測(cè)量pH值、EC、EH、NAG、等土壤酸化指標(biāo))和重金屬元素指標(biāo)(銅為測(cè)量的土壤重金屬元素指標(biāo))，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)前后土壤酸化指標(biāo)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)前后土壤酸化指標(biāo)

注：表中數(shù)據(jù)均為均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

由表2可知，實(shí)驗(yàn)后尾礦pH值均值為7.9，比起修復(fù)之前的2.56已明顯改善，基本可以讓植物生長(zhǎng)；EC值均值為0.95 ms/cm，修復(fù)前為 2.34 ms/cm，修復(fù)后尾礦里游離的鹽離子明顯減少，即某些有毒離子含量有很大程度的降低；EH值均值為280 mv，修復(fù)前為595 mv，說明強(qiáng)氧化環(huán)境得到了一定程度的還原，阻止了尾礦的進(jìn)一步酸化，而且為植物和微生物的生長(zhǎng)提供了一個(gè)良好的環(huán)境，協(xié)同修復(fù)尾礦酸化和重金屬的毒性；尾礦有效銅的含量由50 mg/kg降低到14 mg/kg，重金屬得到了固定，且其毒性大大降低，將不再影響植物的生長(zhǎng)。具體恢復(fù)效果見圖3～圖4。

經(jīng)對(duì)生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行植物調(diào)查，初步確認(rèn)實(shí)驗(yàn)區(qū)植物品種有26種，分別為草本、豆科、灌木等；實(shí)驗(yàn)區(qū)植物的生長(zhǎng)體現(xiàn)出了排斥性、互補(bǔ)性、共生性幾大特點(diǎn)。通過對(duì)植物生物量的統(tǒng)計(jì)以及物種多樣性的計(jì)算，該實(shí)驗(yàn)區(qū)植物群落已經(jīng)發(fā)展到了草本群落的較高水平。至2014年6月底，實(shí)驗(yàn)區(qū)已被綠色覆蓋，各類植物長(zhǎng)勢(shì)旺盛，郁郁蔥蔥，小區(qū)氣候條件明顯改善，多種土壤小動(dòng)物、昆蟲及鳥類已回遷，生態(tài)系統(tǒng)已良性循環(huán)發(fā)展，達(dá)到了保持水土、控制污染的效果，生態(tài)環(huán)境得到了明顯改善。

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)恢復(fù)前面貌

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)恢復(fù)后面貌

2.3.2 分區(qū)對(duì)比分析

該實(shí)驗(yàn)采取不覆土就地改良工藝，共劃分了10個(gè)對(duì)比區(qū)塊，各區(qū)塊改良工藝與植被配置工藝均有不同，從各區(qū)塊的植物長(zhǎng)勢(shì)來看，存有一定的差異，但總體看各區(qū)塊的改良工藝是成功的，確保了植被恢復(fù)的效果。對(duì)改良后的尾砂成分分析，需要進(jìn)一步長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，篩選出可供推廣最優(yōu)品種的組合模式及各品種的混植密度為20%鋪地黍+10%苧麻+40%土壤種子庫(kù)資源+20%豆科植物+10%(高羊茅+狗牙根+百喜草)。該實(shí)驗(yàn)共篩選出8個(gè)優(yōu)勢(shì)品種，即：鬼針草、田菁、酸模葉蓼、茵陳蒿、鋪地黍、苧麻、百喜草、蒼耳，觀察和總結(jié)這些品種的生長(zhǎng)特性，可作為強(qiáng)酸性尾砂采取改良不覆土工藝的植被恢復(fù)品種，從目前的情況來看，植被覆蓋率和固土效果均比較好，可以作為下一步實(shí)施的指導(dǎo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

城門山銅礦鳳爪溝尾礦庫(kù)的生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)研究表明，通過在強(qiáng)酸環(huán)境下的尾砂面采取就地改良的方式，不覆土直接植被是可行的，合理的土壤改良模式和植物搭配種植模式得到了驗(yàn)證，為下一步大面積推廣奠定了基礎(chǔ)。通過分區(qū)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，篩選出了可供推廣最優(yōu)品種的組合模式及各品種的混植密度，為20%鋪地黍+10%苧麻+40%土壤種子庫(kù)資源+20%豆科植物+10%(高羊茅+狗牙根+百喜草)。實(shí)驗(yàn)共篩選出8個(gè)優(yōu)勢(shì)品種，為鬼針草、田菁、酸模葉蓼、茵陳蒿、鋪地黍、苧麻、百喜草、蒼耳，可作為強(qiáng)酸性尾砂采取改良不覆土工藝的植被恢復(fù)品種。

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2015-02-16)

熊衍良(1974—)，男，副總工程師，工程師，332100 江西省九江縣。