礦山廢棄地生態(tài)恢復與可持續(xù)發(fā)展研究

廖正家

(廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關 512000)

1 項目概述

新山片區(qū)歷史遺留礦山生態(tài)恢復治理工程(一期)的地理位置，位于大寶山礦露天采礦場東南側、白石坳南部，行政上歸屬于曲江區(qū)沙溪鎮(zhèn)與翁源縣鐵龍鎮(zhèn)管轄，其紅線范圍面積為191974.54 m2(投影面積)。由于大范圍的露天開采和不規(guī)范的民采，對地表造成了強烈的擾動和破壞，使得大寶山礦區(qū)山體破碎、植被毀壞殆盡，造成了嚴重的土壤侵蝕問題。非法民采礦窿亂挖亂采排放的廢土、石和低品級的礦石，使外排廢水污染因子的數(shù)量和濃度大大增加，極大縮短了攔泥庫的服務年限。暴雨期水土流失十分嚴重。酸性廢水在排土場等多處產(chǎn)生并沿溝道泄流至李屋攔泥庫，造成下游土壤環(huán)境質量受到嚴重影響。

2 大寶山礦區(qū)新山片區(qū)廢棄地現(xiàn)狀

新山片區(qū)民采和民選產(chǎn)生的大量廢土、廢石、邊坡礦和鉛鋅尾礦都排入了當時李屋攔泥庫庫區(qū)范圍內，含重金屬超標的酸性廢水長年外排下游李屋溪匯入礬洞水，并對下游橫石水水質產(chǎn)生了較大的影響。通過對新山片區(qū)區(qū)域現(xiàn)場進行詳細地實地勘察，治理區(qū)域內邊坡以人工挖方邊坡與自然山坡為主，場地內兩處因挖方形成的高陡邊坡地形陡峻但已相對穩(wěn)定，無明顯泥石流現(xiàn)象；該治理區(qū)域的地下水資源破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源壓占、現(xiàn)狀地質災害等礦山地質環(huán)境問題突出，還潛在發(fā)生泥石流地質災害的可能。治理區(qū)地形地貌為峰谷地貌，地形陡峻，尖棱狀山脊和V字形沖溝相間，山坡坡度15°～45°，局部60°～80°。礦山經(jīng)歷長期開采后，地表植被已基本破壞，原始地形地貌破壞較嚴重?，F(xiàn)場原貌如圖1～4所示。

3 大寶山新山片區(qū)礦業(yè)廢棄地基質質地評價

礦山廢棄地植被恢復，要依據(jù)其立地特征，有針對性地改善土壤營養(yǎng)成分，給植物提供必需的營養(yǎng)物質，才能做到恢復植被和生態(tài)環(huán)境改善。新山片區(qū)廢棄地土壤環(huán)境質量評價，通過要以區(qū)域土壤背景值為參考來評價礦區(qū)廢棄地養(yǎng)分成分含量。

圖1 尖棱狀山脊現(xiàn)狀

圖2 挖方形成的高陡邊坡

圖3 挖方形成的平臺

圖4 挖方形成的松方

依據(jù)取樣樣品最大可能代表實際土壤情況的原則，采集深度為0～20 cm，共采集5個混合樣品，每個樣品由3～5個子樣品混合而成，采樣量為1 kg左右。土壤樣品采集完成后，立即運回實驗室，于干燥通風處風干，剔除石頭和植物殘體，分別過20目和100目篩，貯存在干燥通風處用以后續(xù)的理化分析。

采用玻璃電極測定土壤懸濁液中的pH值；NAG-pH的值利用過氧化氫的氧化進行測定的。重金屬用微波消解法、離子體發(fā)射光譜法進行測定，結果如表1。

表1 新山片區(qū)廢棄地原始土壤理化數(shù)據(jù)結果

從表1中數(shù)據(jù)分析，可以看出，大寶山礦新山片區(qū)一期項目區(qū)域的土壤表現(xiàn)為較強酸性，高酸化潛力，同時重金屬含量如鉛、鋅、銅、砷均較高，初始土壤條件十分惡劣，遠遠不能滿足植物生長定居所需的基本條件。因此，必須經(jīng)過一定的基質改良措施和合適的植物物種選擇才有可能在項目區(qū)域內建立起比較良好、合理的植被系統(tǒng)，從而改善整個項目區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量，為新山片區(qū)后期大面積的生態(tài)恢復工作提供有效指導。

4 新山片區(qū)廢棄地生態(tài)恢復與可持續(xù)技術方法研究

4.1 廢棄地生態(tài)恢復整體技術方案選擇

本文采用國際領先的“原位基質改良+直接植被”生態(tài)恢復技術體系，提出用生態(tài)學的思想解決新山片歷史遺留礦山環(huán)境問題。該技術不改變礦業(yè)廢棄地的地形與土壤結構，無需客土，柔性改良土壤結構，通過調控微生物群落與控制產(chǎn)酸的微生物類群，重建一個人工或半人工的生態(tài)系統(tǒng)。通過植物穩(wěn)定重金屬，降低重金屬的遷移性，達到環(huán)境污染治理的目標，實現(xiàn)源頭控制重金屬污染，最終形成自然良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

4.2 技術原理簡介

4.2.1 控制酸化的原理

重金屬礦業(yè)廢棄地的酸化是一個普遍的現(xiàn)象，因為有色金屬礦大都含有一定量的黃鐵礦，廢棄物露天棄置后能迅速產(chǎn)酸。極端酸性不僅對植物有直接的作用，導致植物不能萌發(fā)，影響植物的營養(yǎng)吸收，同時也會加劇重金屬溶出，導致嚴重的環(huán)境問題。

對于礦業(yè)廢棄地酸化問題，常用的方法是投放堿性材料，其中石灰由于價格低廉，中和效果良好，在礦山生態(tài)修復的土壤改良中得到廣泛的應用。這種方式能夠有效地解決礦業(yè)廢棄地的現(xiàn)有酸性，但如果不及時采取其他有效措施控制產(chǎn)酸，廢棄地含有的金屬硫化物會繼續(xù)酸化，導致最終石灰效果失效，出現(xiàn)返酸現(xiàn)象。

考慮到礦業(yè)廢棄地產(chǎn)酸是廢棄地含有的金屬硫化物在氧氣、水和產(chǎn)酸微生物的共同作用下發(fā)生的。因此，在添加石灰中和現(xiàn)有酸性的基礎上，進一步通過在礦業(yè)廢棄地表面覆蓋專用土壤改良基質形成“耗氧層”，由于改良基質富含各種有機物質，能夠通過氧化過程消耗氧氣，因而減少礦業(yè)廢棄地與氧氣的接觸，在缺乏氧氣的情況下，礦業(yè)廢棄地的產(chǎn)酸過程受到極大地抑制。同時，對土壤產(chǎn)酸微生物群落進行調控，降低產(chǎn)酸微生物在群落中的豐度，增加有益微生物的比例，實現(xiàn)在源頭解決廢棄地的未來產(chǎn)酸問題。

通過以上措施，現(xiàn)有的酸性和未來的產(chǎn)酸問題都得到了有效解決，從而保證了該技術長期有效的酸化控制效果。

4.2.2 植被恢復的原理

植被系統(tǒng)穩(wěn)定性如何實現(xiàn)是廢棄地生態(tài)恢復中一個重要問題。過往有很多項目雖然成功地在極端條件下重建了植被系統(tǒng)，但往往在第二年就發(fā)生退化并最終失敗，這是沒有解決好植被系統(tǒng)穩(wěn)定性的典型案例。

過往很多項目植被系統(tǒng)退化的原因，其中很重要的一點就是物種過于單一，在遇到一些對這單一物種不利的條件，例如病蟲害、不良天氣等，該物種就會大面積死亡并導致整個系統(tǒng)的退化。而具有生物多樣性的植被系統(tǒng)，某一物種的死亡并不會導致整個系統(tǒng)的退化，因為其他植物物種會頂替該物種的地位和功能，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并且，生物多樣性也有利于群落的演替，使得整個植被群落從原生裸地逐漸向高層次不斷發(fā)展，從而逐步恢復到該區(qū)域的原始原貌。綜上，必須避免物種單一，實現(xiàn)生物多樣性，從而保證重建的植被系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

遵循這一原理，基于對植物重金屬耐性機制與耐性物種選擇和原生演替的研究成果，根據(jù)礦業(yè)廢棄地的生境情況，充分考慮到生物多樣性，提出了植物配置以草本為主，灌木次之，小喬木為輔為原則，并按照不同植物地上地下部分的分層布局，充分利用多層次空間生態(tài)位，盡量避免兩個植物物種間直接相互競爭，使有限的光、氣、熱、水、肥等資源得到合理利用，同時又可產(chǎn)生為動物、低等生物生存和生活的適宜生態(tài)位，最大限度地減少資源浪費，增加生物產(chǎn)量，從而保證整個植被系統(tǒng)的穩(wěn)定性(表2)。

表2 大寶山礦區(qū)植物種類匯總

4.2.3 防治重金屬污染的原理

土壤中重金屬可分為可利用態(tài)、潛在可利用態(tài)以及不可利用態(tài)3種類型。土壤有效態(tài)重金屬主要是指可利用態(tài)的重金屬。礦業(yè)廢棄地造成的重金屬污染主要是以含重金屬的地表水形式排放遷移，而地表水中重金屬主要是來自土壤有效態(tài)重金屬，兩者存在很高的相關性。雨水在流經(jīng)土壤時會將土壤中的有效態(tài)重金屬溶出，這是地表水中重金屬的主要來源。

通過前面的多項措施控制酸化，提高廢棄地土壤pH值，能夠有效地降低重金屬溶出，從源頭降低對周邊造成污染的重金屬總量。此外，根據(jù)以上原理添加的石灰以及其他改良材料，也能夠通過拮抗、螯合作用等降低重金屬的毒性。最后，通過上面原理建立的穩(wěn)定存在的植被系統(tǒng)實現(xiàn)長期有效地降低重金屬污染。植物穩(wěn)定主要是指通過耐性植物根系分泌物質來積累和沉淀根際圈重金屬，使其失去生物有效性，以減少污染物質的毒害作用。但更重要的是利用植物在污染土壤上的生長來減少污染土壤的風蝕和水蝕，防止重金屬向下淋移而污染地下水或向四周擴散進一步污染周圍環(huán)境。通過前期研究，已選出數(shù)10種適宜在金屬礦山生長的重金屬耐性植物。此外，植物還能通過根際微生物、重金屬的酸-堿反應、氧化-還原反應、絡合-解離反應、吸附-解吸反應等行為，使重金屬的形態(tài)發(fā)生變化，促進重金屬從溶解態(tài)向固定態(tài)或低毒形態(tài)轉化，從而進一步降低重金屬污染。

4.3 礦山廢棄地治理效果

礦山廢棄地治理效果見圖5、6。

圖5 大寶山廢棄礦區(qū)生態(tài)恢復項目實施一年后對比

圖6 廣東大寶山礦中東部排土場生態(tài)治理二年后對比

5 結論

廣東省大寶山礦新山片區(qū)歷史遺留礦山生態(tài)恢復治理工程，整體采用國際領先水平的“原位基質改良+直接植被”技術方案。區(qū)域土壤和地表水污染情況均得到有效治理，在植被恢復效果方面，項目區(qū)域現(xiàn)已被綠色覆蓋，初步形成多種植物匹配互長的生長態(tài)勢，有效地防止了水土流失，顯著提升了新山片區(qū)生態(tài)環(huán)境質量，對于韶關市建設國家山水林田湖草試點城市和土壤污染綜合防治先行區(qū)均具有十分積極的促進作用，對于保障下游北江清遠段及佛山段飲用水源保護區(qū)的水質安全具有重要意義。