礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中土壤基質(zhì)改良技術(shù)研究綜述

胡曉蕭+李小英

摘要 近年來，礦山廢棄地開發(fā)利用造成的土壤復(fù)墾問題和礦山整體環(huán)境問題成為科學(xué)研究的熱點。本文針對我國礦山廢棄地土壤存在的復(fù)墾問題，重點分析目前我國礦山廢棄地現(xiàn)狀，簡要綜述國內(nèi)外土壤基質(zhì)改良的技術(shù)方法，介紹現(xiàn)行礦山土壤復(fù)墾物理、化學(xué)和生物等改良技術(shù)方法，特別是土壤基質(zhì)改良技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用與發(fā)展，為我國礦山生態(tài)修復(fù)與土地資源利用提供參考。

關(guān)鍵詞 生態(tài)修復(fù)；基質(zhì)改良；礦山廢棄地

中圖分類號 TD88 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）01-0184-03

Review on Improvement of Soil Matrix in Ecological Restoration of Abandoned Mines

HU Xiao-xiao LI Xiao-ying

（Southwest Forestry University，Ecology and Soil-water Conservation Institute，Kunming Yunnan 650000）

Abstract The soil reclamation problem and the whole environmental problem of mine had become the hot spots in recent years. In the light of soil reclamation problems of abandoned mines in China，this paper mainly analyzed the current status of abandoned mines in China，briefly introduced the technical methods to improve the soil matrix at home and abroad，and the current mine soil reclamation methods including physical，chemical and biological and other methods，especially the application and development of soil matrix improved technology in the ecological restoration of mines，so as to provide the reference for China′s mine ecological restoration and land resource utilization.

Key words ecological restoration；matrix improvement；abandoned mine

1 研究背景

目前，礦山開采活動是影響土地利用方式、改變土地形態(tài)以及人為破壞陸生生態(tài)系統(tǒng)的最大規(guī)模人類活動[1]。相關(guān)報道顯示，目前全球的礦山廢棄地約為670萬hm2，其中荒廢地和露天采礦破壞的土地約占50%[2]。據(jù)統(tǒng)計，我國70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，80%以上的工業(yè)原料以及95%以上的能源均來源于礦產(chǎn)資源[3]；現(xiàn)有國營礦山逾8 000個，其他小礦山達23萬個，因采礦業(yè)而破壞的土地面積為140萬～200萬hm2，并以每年4萬hm2的速度遞增[4]，且土地的復(fù)墾率僅為13.3%，與西方發(fā)達國家75%的復(fù)墾率差距較大，其中侵占農(nóng)田和林地等土壤問題尤為突出[5]。采礦活動中所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境破壞首當(dāng)其沖的是土壤退化，導(dǎo)致土壤環(huán)境因子發(fā)生改變，如土壤理化性質(zhì)遭到破壞、微環(huán)境改變、結(jié)構(gòu)變異、養(yǎng)分流失、保水保肥功能喪失、抵抗有毒有害物質(zhì)能力降低等。

礦山資源的開采利用造成的破損、壓占、塌陷等土地破壞問題約占整體土地總量的30%[6]，極大地浪費了有限的土地資源。一般情況下，礦山開采超過了其自身以及生態(tài)系統(tǒng)的承受閾值，若通過礦山自然演替恢復(fù)植被則需100～1 000年，若廢棄地上沒有表土，恢復(fù)植被則需逾1 000年[7]。因此，開展人工恢復(fù)礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)和土壤復(fù)墾工作成為必要的手段，采用人工恢復(fù)措施可使得恢復(fù)周期大大縮減。

土地復(fù)墾終極目標(biāo)是恢復(fù)土壤的生態(tài)環(huán)境、生產(chǎn)力和經(jīng)濟價值，是恢復(fù)生態(tài)重建的基礎(chǔ)。土壤是植物生長的基質(zhì)，基質(zhì)的改良是礦山廢棄地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的主要問題。土壤基質(zhì)改良技術(shù)措施有很多種方法[8]，主要是圍繞以下幾個方面展開：改良土壤的物理結(jié)構(gòu)、剔除有毒有害物質(zhì)、改善基質(zhì)保水保肥能力、提供適合植物生長的環(huán)境。本文通過介紹壤基質(zhì)改良技術(shù)措施，著重闡述礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)過程中的基質(zhì)改良技術(shù)，以期為礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)提供參考。

2 國內(nèi)外礦山復(fù)墾概況

2.1 國外礦山復(fù)墾概況

德國和美國最早于20世紀20年代開展廢棄礦山土地恢復(fù)工作[9]，主要包括沉陷區(qū)植被恢復(fù)、廢棄地復(fù)墾技術(shù)、固廢物利用、重金屬去除等。德國的萊茵露天煤礦和魯爾井工煤礦通過農(nóng)業(yè)復(fù)墾進行土地恢復(fù)，將采坑回填并于其上方覆蓋1.0 m厚的剝離的黏土，通過施肥和種植作物以改良土壤，恢復(fù)土壤的生產(chǎn)力，改善環(huán)境[10]，截至2000年，德國已復(fù)墾62%因煤礦開采而破壞的土地[11]。美國于20世紀30年代先后制定關(guān)于露天開采以及礦區(qū)土地復(fù)墾工作法規(guī)，邊開采邊開展復(fù)墾工作，使得復(fù)墾率達到85%，遠高于我國的12%[12]。尤其是在利用電廠粉煤灰改良土壤、矸石山植樹等方面，積累了大量經(jīng)驗[13]。1951年，英國規(guī)定礦山企業(yè)開礦時應(yīng)統(tǒng)籌考慮開采后礦山的復(fù)墾和管理工作，明確要求按照相關(guān)復(fù)墾標(biāo)準進行復(fù)墾，對已經(jīng)污染的土地開展復(fù)墾工作使其成為農(nóng)林用地[14]。阿克頓海爾煤礦將煤矸石移植鄰近的礦坑中以進行復(fù)墾；巴特威爾露天礦采取邊開采邊回填的方式，以完成覆土造田。近年來，英國將遙感和計算機信息技術(shù)運用于礦區(qū)土壤基質(zhì)改良工作中，如Bakr等[15]將GIS用于埃及土地復(fù)墾工作中，以反映復(fù)墾區(qū)土壤變化。以采礦業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的澳大利亞，在防止地表侵蝕和穩(wěn)定地表技術(shù)、處置擾動土方面位于世界前列，其采用效用—效率優(yōu)化原則來設(shè)計生態(tài)修復(fù)方案并通過先進的設(shè)備觀測生態(tài)恢復(fù)過程，不僅注重土地的恢復(fù)，還考慮到動物棲息地的恢復(fù)，目前已經(jīng)形成高科技指導(dǎo)、多專業(yè)聯(lián)合、綜合修復(fù)等技術(shù)手段[16-18]。法國將修復(fù)后的煤礦建設(shè)為比賽、娛樂等場所，實現(xiàn)了土地的再利用。La Martinie煤礦所創(chuàng)建了土地復(fù)墾“腳壩”技術(shù)，對土地復(fù)墾和生態(tài)修復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。

2.2 國內(nèi)礦山復(fù)墾概況

20世紀50年代末期至60年代初期，我國開始開展礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)工作和土地退化研究，當(dāng)時我國礦山廢棄地復(fù)墾率<1%[19]。20世紀50—80年代，我國開始重視并開展礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)工作，相繼頒布《土地復(fù)墾規(guī)定》和《中華人民共和國環(huán)境保護法》，80年代末期復(fù)墾率提高至12%[20]。1999年生效的《中華人民共和國土地管理法》進一步加大耕地保護，實行土地管理制度、耕地補償制度以及農(nóng)田保護制度。土地復(fù)墾工作有序展開，復(fù)墾率直線上升[21]。2011年，我國頒布實施《土地復(fù)墾條例》，使土地復(fù)墾工作更加有序、科學(xué)。目前，我國礦山廢棄地復(fù)墾的主要方法有直接復(fù)墾、改善陽離子交換能力、改善土壤物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)、增強土壤肥力等[22]，如利用豆科植物改善有毒金屬和貧瘠土壤、利用蚯蚓改善土壤理化性狀等[23]。國土資源部提出2015年我國礦區(qū)恢復(fù)率達30%[24]，2020年達到綠色礦山標(biāo)準的目標(biāo)，我國礦區(qū)生態(tài)修復(fù)進入快速發(fā)展時期。

3 土壤基質(zhì)改良技術(shù)

3.1 物理改良技術(shù)

目前常用且有效的土壤基質(zhì)物理改良措施為表土回填技術(shù)，在采礦前先將0～30 cm和30～60 cm的土壤剝離并加以存放，等回填的時候再運回使用，為植被恢復(fù)提供具有結(jié)構(gòu)良好、高養(yǎng)分、高水分、較多微生物與微小動物群落的高質(zhì)量土壤[24]。卞正富等[25]在開灤礦區(qū)進行礦山土復(fù)墾利用試驗，發(fā)現(xiàn)條帶式覆土或全面覆土能較好地控制矸石酸性，穴植覆土則無法取得控制效果。Barth等[26]研究發(fā)現(xiàn)，較厚的回填土層可以有效避免根系伸入有毒的礦土，當(dāng)填土厚度超過一定范圍時，增加填土厚度的修復(fù)效果增強不顯著。Holmes等[27]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回填10 cm表土?xí)r，植物蓋度可達50%；當(dāng)回填30 cm表土?xí)r，植物蓋度可達70%。Redente等[28]研究發(fā)現(xiàn)，回填15 cm表土即可取得較好的恢復(fù)效果。因此，建議煤礦地回填表土厚度為10～15 cm，具體厚度可根據(jù)種植的植物類型進行調(diào)整。對于缺乏土地資源的地區(qū)而言，可利用農(nóng)田廢棄物如秸稈、枯枝落葉、凋落物等來代替土壤進行基質(zhì)改良，農(nóng)廢物帶來了有效的氮素、微生物為礦區(qū)植被的重建生長創(chuàng)立有利條件。于君寶等[29]研究發(fā)現(xiàn)，矸石回填覆土初期，土壤中營養(yǎng)元素含量增長較快，重金屬含量逐漸減少，覆土中重金屬主要來源于外界輸入，施肥后表層土壤重金屬和營養(yǎng)元素含量高于底層。矸石回填覆土能有效改良土壤，但因其費用較高而具有一定的局限性。

3.2 化學(xué)改良技術(shù)

3.2.1 添加營養(yǎng)物質(zhì)提高土壤肥力技術(shù)。大部分礦山廢棄地土壤中缺乏氮、磷、鉀等植物生長營養(yǎng)物質(zhì)，因而需要通過添加肥料或種植豆科植物來提高土壤肥力。張鴻齡等[30]研究表明，配合施用石灰80 t/hm2與有機肥100 t/hm2可有效降低土壤電導(dǎo)率和酸度。Sheoran等[31]研究表明，木屑能夠提高灌木、非禾本植物的存活率；種植豆科植物需要輔助施加磷肥、調(diào)節(jié)酸堿度等措施以提高氮肥的利用率。

3.2.2 施加含Ca2+化合物緩解重金屬毒性技術(shù)。施用CaCO3或CaSO4時，溶液中Ca2+的離子拮抗作用可以有效降低重金屬離子的毒性，減少植物對重金屬的吸收。黃 凱等[32]利用試驗方法在鉛鋅礦的尾砂中加入有機肥、泥炭，觀測到土壤基質(zhì)改良劑的加入使重金屬的有效性降低，穩(wěn)定性增加，從而達到降低重金屬危害的目的。Davis等[33]研究發(fā)現(xiàn)，石灰石能夠有效提高土壤的pH值，降低植物鋅濃度，提高作物產(chǎn)量。周 航等[34]研究發(fā)現(xiàn)CaCO3能有效降低土壤中交換態(tài)重金屬鉛、鎘、鋅含量。

3.2.3 調(diào)節(jié)土壤pH值技術(shù)。當(dāng)土壤酸性較高時，可少量多次施用碳酸氫鹽與石灰，以減少土壤酸性；當(dāng)土壤呈堿性時，可施用硫酸、硫酸氫鹽等物質(zhì)來改善土壤環(huán)境。胡宏偉等[35]研究發(fā)現(xiàn)，施用石灰石可提高尾礦pH值、降低電導(dǎo)率，有效防止下層尾礦的酸化，有助于植物生長。王志宏等[36]研究研發(fā)，CaSO4·H2O可將土壤中的鈉離子置換為鈣離子，以降低土壤鹽堿化程度，提高土壤水的滲透能力，以改善土壤基質(zhì)。

3.3 生物改良技術(shù)

3.3.1 土壤動物改良技術(shù)。土壤動物是食物鏈的基礎(chǔ)，是生態(tài)系統(tǒng)中的初級消費者和分解者。在礦區(qū)廢棄地復(fù)墾過程中加入有益的土壤動物，可完善重建的系統(tǒng)功能、加快生態(tài)恢復(fù)進程。戈 峰等[37]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓對銅礦中銅元素的富集能力很強，尾砂土和復(fù)墾土中加入蚯蚓和蚯蚓糞可有效提高植物的生物量。Boyer等[38]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓能有效改良廢棄地土壤的理化性質(zhì)、富集重金屬，以實現(xiàn)礦山廢棄地土地復(fù)墾和生態(tài)恢復(fù)。

3.3.2 植物改良技術(shù)?？屯粱蛘吒餐量赡軒硗寥赖亩挝廴荆N植先鋒植物以吸收土壤基質(zhì)中污染元素能夠達到改良土壤的目的。植物修復(fù)主要利用植物對重金屬的吸收作用，將重金屬轉(zhuǎn)移至地上部分（含根莖），收割后進行集中處理，以降低土壤中重金屬含量。王 新等[39]在重金屬污染條件下展開紫花苜蓿（Medicago sativa）田間小區(qū)試驗，重點分析了重金屬污染物對紫花苜蓿生長的影響、紫花苜蓿對重金屬污染土壤的修復(fù)能力以及植物體內(nèi)重金屬吸收特性。結(jié)果表明，低濃度的重金屬對紫花苜蓿的生長具有良好的促進作用，并且對鎘污染的土壤具有一定的修復(fù)能力。李 影等[40]采用野外調(diào)查和溫室營養(yǎng)液砂培相結(jié)合的方法，研究生長在銅尾礦附近的蕨類植物對銅的吸收累積作用，研究結(jié)果還表明，蜈蚣草（Ciliaris）和節(jié)節(jié)草（Equisetum ramosissimum）對銅也有較強的累積功能，可以作為先鋒植物來修復(fù)銅礦污染過的土壤。楊肖娥等[41]在浙江某一鉛鋅尾礦區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，東南景天（Sedum alfredii Hance）對鉛具有富集能力。劉 威等[42]研究發(fā)現(xiàn)，寶山堇菜（Viola baoshanensis）是一種鎘超富集植物，通常情況下，寶山堇菜地上部分含量為1 168 mg/kg。

3.3.3 微生物改良技術(shù)。利用微生物的生命代謝活動以減少土壤環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度并使其無害化，重新建立和恢復(fù)土壤微生物體系，增加土壤活性，加快土壤改良進程，縮短復(fù)墾周期。趙永紅等[43]研究發(fā)現(xiàn)，植物與固氮菌、菌根真菌協(xié)同作用可增加對污染物的吸收和降解，具有較大的科研價值。王紅新等[44]以唐山馬蘭莊鐵礦尾礦作基質(zhì)接種VA等菌根，結(jié)果顯示，接種VA菌根真菌使得菌根植株上從尾礦中吸收鉀素增加。

3.4 工農(nóng)業(yè)固體廢棄物土壤基質(zhì)改良技術(shù)

工農(nóng)業(yè)廢棄物基質(zhì)研究的范圍擴展到珍珠巖、沸石、泡沫塑料等無機原料以及污泥、泥炭、椰子殼、垃圾、木屑、枯枝落葉、稻殼、秸稈等。利用工農(nóng)業(yè)廢棄物制作土壤基質(zhì)，使農(nóng)業(yè)廢棄物資源化，有利于環(huán)境保護和發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)。Li[45]研究表明，使用污泥等固體廢棄物作為土壤基質(zhì)改良劑用于礦山廢棄地修復(fù)時，污泥的施用量與廢棄地中有機質(zhì)含量、理化性質(zhì)成正相關(guān)變化，污泥的施用量越大，廢棄地中有機質(zhì)含量積累越多，土壤理化性質(zhì)變化越明顯。羅秀光等[46]利用大豆培肥后的鋁土礦尾礦用于采礦區(qū)復(fù)墾，經(jīng)過1年的培肥熟化后種植農(nóng)作物，其產(chǎn)量不低于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的產(chǎn)量水平，有效解決礦區(qū)復(fù)墾土源不足的難題。因為污泥中含有病原微生物、微量重金屬和寄生蟲卵通過各種途徑傳播危害土壤，所以在使用過程中應(yīng)該合理控制年限和數(shù)量防治土壤基質(zhì)的二次污染。程五良[47]選擇萬壽菊（Tagetes erecta）、高羊茅（Festuca elata）、百日草（Zinnia elegans）和黑麥草（lolium perenne）4種植物進行污泥混配土壤盆栽試驗，結(jié)果表明，4種植物在污泥混配土壤中生長較好；當(dāng)污泥施加比例控制為5%～20%時，莖長、生物量、生長狀況均明顯好于施化肥的植物。陳同斌[48]發(fā)明了草皮土壤基質(zhì)的制備方法，主要利用垃圾、污泥、農(nóng)作物秸稈、養(yǎng)殖業(yè)廢棄物等為主要原料，通過堆肥處理，補充鉀肥、蛭石后與土壤進行混合，同時調(diào)節(jié)基質(zhì)中的C∶N為10～35∶1，以開發(fā)草皮土壤基質(zhì)改良劑。

4 展望

根據(jù)礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)研究區(qū)域性強的特點，針對不同區(qū)域、不同類型礦山廢棄地土壤退化的類型、退化程度與退化原因，因地制宜、就地取材地開展礦山廢棄地基質(zhì)改良工作，以小流域為單元對區(qū)域進行綜合整治。針對具體的礦區(qū)實際調(diào)查生態(tài)環(huán)境狀況，發(fā)掘潛在的環(huán)境問題，采用物理、化學(xué)、生物等其他改良措施綜合整治并結(jié)合3S技術(shù)手段有效開展礦山廢棄地土壤基質(zhì)改良工作。此外，2種或多種土壤基質(zhì)改良劑混配、土壤基質(zhì)改良劑與肥料等同時施用等技術(shù)相結(jié)合，可以很好地彌補單組分改良的局限性，并對改良礦區(qū)貧瘠土壤、改善植物生長微環(huán)境、提高經(jīng)濟作物產(chǎn)量等均有較大的促進作用。筆者認為今后的研究將多集中于將礦山固體廢棄物搭配多組分基質(zhì)改良劑應(yīng)用于不同類型礦山廢棄地土壤生態(tài)修復(fù)，同時也是礦山固體廢棄物資源化、生態(tài)化以及解決礦山生態(tài)環(huán)境問題的有效途徑。

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