廣西某錳礦區(qū)生態(tài)環(huán)境調(diào)查及修復(fù)治理研究

林 婧，農(nóng)澤喜，陸昱含，郭尚其，黃 偉

( 1.廣西交通設(shè)計集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004；3.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科教結(jié)合科技創(chuàng)新基地，廣西 桂林 541006；4.中華人民共和國工業(yè)和信息化部，北京 100804 )

0 引言

廣西地區(qū)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，其中錳礦的開采規(guī)模與強(qiáng)度位居全國首位[1-5]。由于錳礦主要以露天開采為主，開采活動引發(fā)了諸多的生態(tài)環(huán)境問題和社會問題[6-8]。采礦造成土地的廢棄和生態(tài)系統(tǒng)的破壞，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。

目前我國關(guān)于礦區(qū)廢棄地的復(fù)墾和復(fù)綠研究較多，針對錳礦區(qū)生態(tài)環(huán)境相關(guān)的問題也開展了一定程度的研究[6-13]，但針對廣西錳礦區(qū)開展系統(tǒng)性的生態(tài)修復(fù)治理研究仍然較少。通過對廣西某錳礦區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的調(diào)查、分析，針對存在的問題，采取綜合的治理修復(fù)措施，恢復(fù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境，同時產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)效益。

1 礦山概況

某錳礦區(qū)位于廣西境內(nèi)，地處南亞熱帶向中亞熱帶過渡地帶，礦區(qū)面積20多平方千米，為堆積型露天錳礦，礦床均位于波狀起伏的山嶺上，含錳礦黏土覆蓋厚度為10～50 m，礦石成分較單一。礦區(qū)開采方式為露天開采，選礦則采用水洗工藝。礦區(qū)歷經(jīng)幾十年的采、選礦工業(yè)活動，地表及地表植被遭到了嚴(yán)重破壞，原有的土地利用方式、地形地貌、自然景觀已徹底改變，形成了廢棄的荒山荒坡及大量的廢棄礦坑、廢石堆、尾礦庫等，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

2 礦區(qū)修復(fù)前生態(tài)環(huán)境

2.1 地形地貌

研究的錳礦區(qū)所在區(qū)域?yàn)閹r溶地貌，屬于巖溶峰林谷地，礦區(qū)地勢西北高而東南低，谷地地面高程一般為100～150 m，山峰最高點(diǎn)高程200 m。山勢較陡峭，下緩上陡。礦區(qū)內(nèi)地形地貌發(fā)了改變，形成了以露天礦坑、尾砂廢石堆場、挖損地表等組成的較特殊的錳礦山景觀。圖1為礦區(qū)治理前狀況。

圖1 礦區(qū)治理前狀況

2.2 土壤及土地利用

2.2.1 土壤

礦區(qū)分布較多的土壤類型有砂頁巖母質(zhì)紅壤、砂泥巖紅砂土、礫質(zhì)紅壤、潛育性水稻土、母質(zhì)紅壤、礫質(zhì)紅壤等，土壤普遍呈酸性，pH值為5.5～6.3。①紅壤：成土母巖為第三紀(jì)砂頁巖，具有色紅、酸性、質(zhì)黏等特點(diǎn)，多種植玉米、甘蔗等農(nóng)作物，厚度為1.0～50.0 m，分布于大部分區(qū)域中。②砂土：成土母質(zhì)主要有砂巖、粉砂巖、泥巖及頁巖風(fēng)化物，顏色變動于紅、紅棕、橙色之間，呈酸性，厚度為0.7～20.0 m，分布于大部分區(qū)域內(nèi)。③水稻土：分布于平緩地內(nèi)，為主要耕作型土壤，成土母巖為第四紀(jì)紅土，主要為潛育性水稻土，生產(chǎn)條件和生產(chǎn)性能一般，產(chǎn)量較低，厚度約為0.5 m，沿溝谷分布在寬谷緩丘地帶。

2.2.2 土地利用

該錳礦區(qū)主要包括采區(qū)、洗礦場、排土場和尾礦堆場，土地類型為礦產(chǎn)用地、林地、耕地、裸地、坑塘等。經(jīng)過近40年開采，已在礦區(qū)內(nèi)形成大小不等的采坑60余個、排土場16個及尾礦庫9個。表1所示為礦區(qū)土地類型及面積。

表1 礦區(qū)土地類型及面積匯總

2.3 區(qū)域植被現(xiàn)狀

礦區(qū)所在區(qū)域植物區(qū)系屬南亞亞熱帶常綠闊葉林地帶，由于氣候干燥、土地貧瘠及礦業(yè)開發(fā)等原因，生態(tài)環(huán)境已被嚴(yán)重破壞，原生常綠闊葉林已不存在，區(qū)域內(nèi)植被多數(shù)為有林地、草坡和旱地作物。主要喬木灌木有小葉桉、馬尾松、杉木、桃金娘、三叉苦等，自然草本植物主要以野古草、畫眉草、四脈金茅、鐵芒萁、黃茅草等為主。區(qū)域主要農(nóng)作物有水稻、玉米、紅薯、黃豆、甘蔗、木薯、茶葉等。

2.4 動物資源分布

礦區(qū)及周邊的土地已被長期開發(fā)利用，植被均為反復(fù)利用后的次生類型。從植被類型和生境條件看，未發(fā)現(xiàn)大型獸類的隱蔽地、棲息地，因此可以排除區(qū)內(nèi)有大型野生動物，一些野生動物可能已遷徙異地，遠(yuǎn)離人為活動區(qū)。區(qū)內(nèi)主要為小型動物，尤其齒類動物較多，常見的有蛇類、麻雀、黃胸鼠、小家鼠、黃毛鼠、褐家鼠等。

2.5 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化原因分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)已嚴(yán)重退化，主要由以下幾個因素造成：

1)地表挖損和壓占。該錳礦為淋濾堆積型礦床，主要賦存于地表土層中，開采過程主要采用露天成片式開采，導(dǎo)致礦區(qū)地表形態(tài)嚴(yán)重改變，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是礦區(qū)地表土層剝離，植被破壞，礦區(qū)表土形態(tài)嚴(yán)重改變；二是采選過程產(chǎn)生的大量廢土、廢石、尾礦壓占大量的土地。研究區(qū)域被廢土、廢石、尾礦壓占的土地高達(dá)15 km2。

2)土地質(zhì)量下降及土壤污染。由于侵占、擾動，導(dǎo)致土地質(zhì)量下降，土壤的承載力降低，土壤呈松散狀，透水性強(qiáng)，土壤中水、肥不易保存。由表2可知，有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等含量低，土壤肥力差，而重金屬鎘的含量較值高，超過了GB15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》中的篩選值，部分超過了風(fēng)險管制值，屬于重度重金屬污染。

表2 土壤肥力元素及重金屬含量

3)地質(zhì)環(huán)境破壞嚴(yán)重。礦區(qū)巖溶塌陷較發(fā)育，其采用的露天式開采使礦區(qū)地表原有的植被結(jié)構(gòu)遭到破壞，隨著開采面積、深度的增加，礦區(qū)土層結(jié)構(gòu)變得更加疏松，降雨天氣更會增加塌陷、沉降的發(fā)生。同時開采及邊坡開挖還造成礦區(qū)600多處大小不等的坡角在40°～60°的不穩(wěn)定山體、邊坡，因此在雨季常導(dǎo)致崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生。

4)水土流失及植被破壞。礦區(qū)水土流失嚴(yán)重，露天開采導(dǎo)致大量植被結(jié)構(gòu)遭受破壞，表土裸露，降雨天氣會造成大范圍的水土流失。同時，水土流失又導(dǎo)致土壤中的有機(jī)質(zhì)含量降低，進(jìn)一步加劇了礦區(qū)土地的退化和荒漠化。

3 礦山生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)方案

依據(jù)礦山生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及現(xiàn)有生態(tài)治理經(jīng)驗(yàn)，提出工程治理措施、植物恢復(fù)措施等綜合運(yùn)用的礦山生態(tài)治理方案，利用礦區(qū)廢棄土地，恢復(fù)礦區(qū)地表植被，抑制礦區(qū)水土流失，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。

3.1 工程措施

1)削高填低，開發(fā)農(nóng)林用地。研究區(qū)域內(nèi)由于露天開采形成的礦坑多，礦坑無規(guī)則且深淺不一?；诘V區(qū)土層總體較厚的特點(diǎn)，礦區(qū)場地整治可根據(jù)場地的坡度采取平地和梯田化的復(fù)墾模式。15°以下的坡地或平地采用挖高墊低的方式，將高處土就地就近回填到礦坑內(nèi)，使其達(dá)到耕種平整度要求后進(jìn)行耕種；地表坡度大于15°時，可分層放坡，修坡成梯田形式，可進(jìn)行林業(yè)種植，恢復(fù)地表植被。

2)整治深大礦坑，修建小型蓄水塘。礦區(qū)內(nèi)存在部分深度較深、面積較大的礦坑，在對其進(jìn)行進(jìn)一步評估后，可將坑底地質(zhì)條件好、黏土層厚、滲透系數(shù)低的礦坑修建為小型蓄水塘，用以存貯雨水作為生態(tài)用水。為減少開挖填方對礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境的破壞，采用挖深填淺的方法整治，將從礦坑深部取出土，填平其周邊的淺坑洼地使之為耕地或林地。

3)修建截排水設(shè)施，減少水土流失。在礦區(qū)內(nèi)修建較完善的截洪和排水系統(tǒng)，并對尾礦壩、檔墻等進(jìn)行加固，降低其安全隱患。一方面，在尾礦庫四周修建截排水溝，導(dǎo)排尾礦庫周邊的匯水，可避免匯水沖刷尾礦庫；另一方面，為減少降雨對礦區(qū)的不利影響，對礦區(qū)的排洪系統(tǒng)進(jìn)行修葺和維護(hù)，盡可能通過人為干擾將降水以面流或匯入地表溪流的形式排走。

3.2 植物措施

進(jìn)行礦山生態(tài)恢復(fù)治理，最重要的任務(wù)是在采取工程措施的同時進(jìn)行土地復(fù)墾和植被恢復(fù)。土地復(fù)墾可增加土地的有效利用，植被恢復(fù)可使地表穩(wěn)定，防止水土流失，保土保水，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和肥力。植物措施主要分為以下兩種。

1)食用作物。有研究表明，在錳礦山復(fù)墾土地中種植生產(chǎn)的食用農(nóng)作物，其重金屬含量通常超過相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，如甘蔗莖、茶葉和花生中Pb、Cr和Cd超標(biāo)嚴(yán)重，不宜作為食用作物，否則將對人體健康造成嚴(yán)重威脅，因此錳礦山土地修復(fù)以種植食用農(nóng)作物種為目標(biāo)時，須選擇對重金屬低累積的農(nóng)作物品種，并先做好種植試驗(yàn)和質(zhì)量風(fēng)險評估，確定糧食的質(zhì)量安全后方可大量種植，同時還應(yīng)做好連續(xù)監(jiān)測。

2)植被植物。林業(yè)利用對土壤的質(zhì)量及重金屬含量要求不高，種植經(jīng)濟(jì)林木是礦山生態(tài)恢復(fù)和增加地方經(jīng)濟(jì)收入比較有效的手段，且錳礦區(qū)土層普遍較厚，適宜用于林業(yè)種植。開展林業(yè)種植，一方面可以改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，另一方面還可以帶來不錯的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)礦區(qū)試種的結(jié)果，目前推薦速生桉和黑木相思兩種經(jīng)濟(jì)林木，對于以復(fù)綠為目標(biāo)的地塊治理，則選擇本土植物如榕樹、桂花樹以及香根草、結(jié)縷草等。

3.3 方案確定

綜合考慮治理區(qū)的地質(zhì)、降雨、邊坡高度、生態(tài)環(huán)境、施工等因素的影響，以安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則為指導(dǎo)，選擇該區(qū)域適宜的地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)重建措施。地質(zhì)環(huán)境治理主要是因地適宜地采用削坡、場地平整等治理技術(shù)措施，生態(tài)環(huán)境重建主要是根據(jù)礦區(qū)氣候、氣象條件、土壤條件等，選擇合適的樹(草)種進(jìn)行種植復(fù)綠，相關(guān)樹(草)種的生物學(xué)特征見表3。

表3 相關(guān)樹(草)種的生物學(xué)特征

4 示范區(qū)修復(fù)實(shí)施

4.1 示范區(qū)修復(fù)目標(biāo)

采用工程及植物措施綜合治理的手段，通過對治理區(qū)的泥漿池、尾礦堆、廢棄礦坑及其周邊等區(qū)域進(jìn)行治理，改善區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境，使?jié)撛诘牡刭|(zhì)災(zāi)害隱患得到有效的控制或消除、治理生態(tài)環(huán)境得到顯著優(yōu)化。

4.2 示范區(qū)實(shí)施主要內(nèi)容

根據(jù)確定的修復(fù)方案，示范工程開展了地質(zhì)環(huán)境治理和生態(tài)環(huán)境重建兩方面的工作。首先將尾礦坑、洗礦池中尾礦和礦砂清除并晾干坑底，然后用廢石和附近取土進(jìn)行高挖低填，將場地整平，部分低洼地段填方邊坡地段坡腳設(shè)置護(hù)腳墻，防止地表水浸泡邊坡坡腳造成失穩(wěn)。選取狗牙根、黑麥草、香根草、結(jié)縷草等綠化用草和小葉榕、桂花樹等本土樹種用于工業(yè)用地和生活用地區(qū)域的生態(tài)恢復(fù)和綠化；速生桉、杉樹、黑木相思等則作為礦區(qū)廢棄地塊的經(jīng)濟(jì)林木種植。

4.3 治理效果

治理后效果見圖2，礦區(qū)的地面和生態(tài)恢復(fù)均取得了良好的效果，區(qū)域生態(tài)環(huán)境得到了較大的改善。由圖2可見，礦區(qū)內(nèi)采礦區(qū)及礦坑治理后地面坡度平緩，林木茂盛；廢石堆場治理后林木郁郁蔥蔥，恢復(fù)了往日的生態(tài)面貌；工業(yè)區(qū)和生活區(qū)在平整后主要種植園林觀賞植物，提亮了園區(qū)的景觀綠化，整個礦區(qū)治理效果顯著。

圖2 治理后效果

5 結(jié)論

1)錳礦開采對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境造成了破壞，生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。其中地表土層破壞、水土流失、地質(zhì)環(huán)境問題是造成其生態(tài)系統(tǒng)退化的主要因素，土層擾動帶來的土壤重金屬超標(biāo)、土地質(zhì)量下降是次要因素。

2)錳礦區(qū)宜采用以地質(zhì)環(huán)境治理為主的工程措施+植樹造林為主的植物措施進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。

3)錳礦區(qū)土地修復(fù)為以種植食用農(nóng)作物種為目標(biāo)時，必須選擇對重金屬低累積的農(nóng)作物品種，若土壤未經(jīng)過特別修復(fù)則不宜種植重金屬高積累的農(nóng)作物。

4)當(dāng)錳礦區(qū)具備林業(yè)開發(fā)的有利條件時，可種植速生桉、黑木相思等經(jīng)濟(jì)林木，快速恢復(fù)礦山植被，恢復(fù)礦區(qū)生態(tài)。