廢棄礦山生態(tài)修復技術(shù)研究

牛百強，張玉有

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第五地質(zhì)大隊，山東 泰安 271000)

人類社會的快速發(fā)展離不開各種礦產(chǎn)資源的支持，近現(xiàn)代包括中國在內(nèi)的人類開采了大量的礦產(chǎn)資源[1]。不可否認的是，這些礦產(chǎn)資源為人類社會發(fā)展提供了大量的原材料和能源，作出了巨大的貢獻[2]。但是人類也逐漸意識到，在礦產(chǎn)資源開采過程中會對附近的生態(tài)環(huán)境，尤其是地質(zhì)環(huán)境造成非常大的損害[3]。對于一些金屬型礦山，開采時會在附近堆放大量的廢棄土和尾礦，這些廢棄土和尾礦不僅占用了大量的土地資源，還會威脅生態(tài)環(huán)境，比如廢棄土產(chǎn)生的邊坡可能會引發(fā)泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災害，尾礦庫會對土壤產(chǎn)生嚴重的重金屬污染問題[4]。黨的十八大以來，我國越來越重視生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作。在這樣的大背景下，人們越來越重視廢棄礦山的生態(tài)修復問題，全國各地均采取了相關(guān)的措施對其進行修復與治理，在長期的實踐過程中積累了很好的經(jīng)驗，且取得了一定的效果[5]。本文主要以某廢棄礦山為案例，對其生態(tài)修復過程與技術(shù)進行了詳細介紹，以期為其他廢棄礦山治理提供借鑒。

1 廢棄礦山基本情況

本文主要以某縣城的鐵礦山為例進行分析。該縣城已經(jīng)探明有大量的礦產(chǎn)資源并且類型豐富，主要包括煤炭資源、化學原料、鋼鐵原料、有色金屬等。目前已經(jīng)探明的煤炭儲量、鐵礦儲量和銅礦儲量分別達到了5 000萬t、3 000萬t和5 000萬t。由礦產(chǎn)資源含量可以看出，縣城具有非常豐富的礦產(chǎn)資源，但整個礦區(qū)的土壤地質(zhì)相對較為松軟，特別容易出現(xiàn)泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災害問題，水土流失現(xiàn)象較為嚴重。研究鐵礦山經(jīng)過多年的開采，資源已經(jīng)枯竭，現(xiàn)已成為一座廢棄礦山。礦產(chǎn)資源開采時還配套建設(shè)了排土場和尾礦庫，隨著礦山的廢棄，這些場所也隨之變成了廢棄地。鐵礦資源的開采雖然極大地促進了本地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展，但同時也導致附近區(qū)域的生態(tài)環(huán)境急劇惡化，不利于附近居民的身體健康?；诖?，有必要對廢棄礦山基本情況進行分析和研究，在此基礎(chǔ)上提出針對性的生態(tài)修復基礎(chǔ)措施。

2 廢棄礦山土壤理化性質(zhì)研究

2.1 影響生態(tài)修復的關(guān)鍵指標

(1)土壤顆粒組成。土壤顆粒組成會對土壤的養(yǎng)分、有機質(zhì)含量等產(chǎn)生一定的影響[6]。廢棄礦山排土場中堆放的主要是碎石，直徑在10～100 cm內(nèi)，同時包含有一定的泥土。在排土場中4個點進行取樣，分析發(fā)現(xiàn)，取樣土壤中碎石顆粒粒徑超過1 mm的比例分別為83.2%、76.6%、76.3%、80.1%。表明土壤有很大的空隙，儲水能力較差。尾礦庫中主要以砂質(zhì)土為主，取樣檢測發(fā)現(xiàn)粒徑小于1 mm的比例為98.3%。

(2)土壤養(yǎng)分。土壤中的養(yǎng)分決定了土壤種植植物的效果，速效鉀、速效磷、全氮、有機質(zhì)等都是土壤中非常重要的有機養(yǎng)分[7]。對排土場和尾礦庫的土壤養(yǎng)分進行試驗檢測，廢棄礦山土壤主要養(yǎng)分及其含量如圖1所示。圖中P1—P4為排土場中的取樣數(shù)據(jù)，W為尾礦庫中的取樣數(shù)據(jù)?；趫D中所示數(shù)據(jù)、結(jié)合土壤養(yǎng)分分級情況可知，廢棄礦山中的土壤養(yǎng)分比較貧瘠，并不適合植物種植。

圖1 廢棄礦山土壤主要養(yǎng)分及其含量Fig.1 Main nutrients and contents of soilin abandoned mines

(3)土壤酸堿度。土壤的酸堿度會對植物的生長過程產(chǎn)生明顯的影響，對于絕大多數(shù)植物而言，如果土壤的pH值低于3.5或者高于9，就難以生存[8]。對上述5個取樣點的土壤酸堿度進行檢測，發(fā)現(xiàn)其pH值依次為8.63、8.52、8.48、8.53、8.85，都屬于堿性土壤，且尾礦庫中的pH值比排土場要高。對于此類型土壤，施肥時不得使用堿性肥料，而應該使用酸性肥料，以便對土壤的酸堿度進行中和。

(4)土壤重金屬。對5個樣品中的重金屬類型及其含量進行了檢測，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 廢棄礦山土壤重金屬類型及其含量Fig.2 Types and contents of heavy metals in soil of abandoned mines

該廢棄礦山所在地區(qū)的鉛、銅、鋅、鎘重金屬含量背景值分別為21.9、24.1、71.1、0.1 mg/kg。對比圖2中數(shù)據(jù)可知，廢棄礦山排土場中的鉛、銅、鋅、鎘重金屬含量平均值依次為13.54、15.65、12.94、6.97 mg/kg，分別是對應背景值的0.62、0.65、0.18、69.72倍。尾礦庫中鉛、銅、鋅、鎘重金屬含量分別是對應背景值的0.001、0.210、0.150、232.100倍。廢棄礦山的鐵元素含量非常高，原因是該礦山屬于鐵礦。

2.2 廢棄礦山土壤性質(zhì)分析

基于以上分析可以看出，廢棄礦山排土場和尾礦庫中的土壤細粒所占比例較少，土壤間隙較大，難以存儲水分。土壤養(yǎng)分比較貧瘠，有機質(zhì)、有效磷和全氮的含量偏低，并且整體偏堿性，不利于植物的生長。土壤中的鎘元素和鐵元素遠遠超過了該地區(qū)的背景值，存在嚴重的重金屬污染問題。

3 礦山排土場邊坡生態(tài)修復技術(shù)

3.1 生態(tài)修復植物和場地的選擇

在充分考慮廢棄礦山排土場土壤基本屬性以及該地區(qū)氣候條件的基礎(chǔ)上，尊重植物的基本生長規(guī)律，對喬、灌、草不同的植物種類進行搭配[9]。最終選擇的植物包括5種，分別為苦楝、火炬樹、刺槐、紫穗槐、鹽膚木。在整個排土場范圍內(nèi)選取比較典型的場地開展試驗工作，選擇的場地面積約為1 km2，邊坡角度為35°，該場地的土壤性質(zhì)與上文所述性質(zhì)相同。

3.2 具體操作方案

正式施工前對試驗場地進行修整和清潔處理，確保整個場地的平整性，清除松動的大塊巖石，以便后續(xù)的植物播種。在平整的場地面上鋪設(shè)高鍍鋅菱形鐵絲網(wǎng)，鋪設(shè)時自上而下進行，鐵絲網(wǎng)接頭部位要求搭接寬度不得小于100 mm，并且用鋼絲進行牢固捆扎。通過掛網(wǎng)可以使基質(zhì)與土壤基體形成一個整體?；|(zhì)由大量的有機物質(zhì)進行充分攪拌混合而成，其中最主要的物質(zhì)包括腐殖土、鋸末、花生殼、草纖維、營養(yǎng)肥料等，以上有機物質(zhì)必須確保有科學的比例。理論上噴播的基質(zhì)厚度在2～8 cm，考慮到實際操作時基質(zhì)會喪失一定的水分，導致其厚度減小。因此，在實際操作時，厚度可以比設(shè)計厚度高出25%左右。

噴播的植物類型前文已述，對于喬、灌木種子，噴播前需要利用溫水對其進行浸泡1 d處理，對于草本植物，噴播前需要用溫水浸泡種子1～2 h，確保濕潤。將浸泡后的種子與基質(zhì)進行充分混合，然后利用專業(yè)的設(shè)備將其均勻噴播到鐵絲網(wǎng)表面。

3.3 植物的生長情況統(tǒng)計

(1)監(jiān)測內(nèi)容與方法。試驗中噴射的基質(zhì)厚度為8 cm，但由于邊坡坡度較大，基質(zhì)在重力作用下厚度發(fā)生了變化。其中，頂部位置厚度變成7 cm，越往下厚度越大，底部位置厚度為12 cm。自上而下選擇4塊區(qū)域進行分析，分別標記為區(qū)域1—區(qū)域4，每塊區(qū)域的面積為1 m2，4塊區(qū)域的基質(zhì)厚度依次為7、9、10、12 cm。7月初完成噴播工作后，每月對各種植物的冠幅、地徑、高度等指標進行監(jiān)測。

(2)植株發(fā)芽情況。8月和9月不同植物的發(fā)芽情況如圖3所示。由圖3可知，在研究的5種植物類型中，火炬樹、刺槐、紫穗槐的發(fā)芽率相對較好，在噴播后的2個月時間內(nèi)出現(xiàn)了大量的發(fā)芽情況，整體情況良好；苦楝和鹽膚木在噴播后的1個月內(nèi)并沒有出現(xiàn)發(fā)芽的情況，待第2個月才出現(xiàn)發(fā)芽，且數(shù)量并不多。

圖3 8月和9月不同植物的發(fā)芽情況Fig.3 Germination of different plants in August and September

(3)植株的生長情況。由于氣候方面原因，導致紫穗槐在10月份時不再生長。因此，未對其進行監(jiān)測。研究中主要對另外4種植物的生長指標進行了監(jiān)測。10月份時各種植物的生長指標情況見表1。由表中數(shù)據(jù)可知，刺槐的植株高度為5.9～15.9 cm，平均高9.45 cm；火炬樹的植株高度在2.2～5.3 cm，平均高3.55 cm；苦楝的植株高度為2.9～6.6 cm，平均高5.125 cm；鹽膚木的植株高度為10.5～22.9 cm，平均高15.775 cm。

表1 10月份各種植物的生長指標情況Tab.1 Growth indicators of various plants in October

對比各項指標可知，經(jīng)過3個月的生長后，10月份刺槐和鹽膚木的生長速度相對較快，而苦楝和火炬樹的生長速度相對較慢。

對不同區(qū)域的物種生長情況進行對比發(fā)現(xiàn)，隨著種植區(qū)域不斷下移，刺槐的數(shù)量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，但是由于區(qū)域4具有較高的基質(zhì)厚度，所以后期生長速度相對較快。在區(qū)域1和區(qū)域2，火炬樹的生長情況相對較好，在區(qū)域4鹽膚木的生長情況相對更好，苦楝在不同區(qū)域的生長情況差異較小?；诖?，在邊坡的上部分區(qū)域應該種植火炬樹，下部區(qū)域應該選擇種植鹽膚木和刺槐。

3.4 基質(zhì)和土壤理化性質(zhì)情況

(1)物理結(jié)構(gòu)變化情況。對土壤和基質(zhì)中粒徑≤20 mm的顆粒比例進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在正式噴播之前，土壤和基質(zhì)中對應顆粒的比例分別為86.2%和89.5%。經(jīng)過幾個月的植物種植以后，到10月份再次進行試驗檢測時發(fā)現(xiàn)，土壤中4個區(qū)域樣品中小顆粒的比例分別為89.2%、96.4%、88.2%、85.1%，基質(zhì)中4個區(qū)域樣品中小顆粒的比例全部為100%?？梢姡谂磐翀錾戏椒N植植物，可以對土壤中的礦渣起到很好的風化作用，土壤中粒徑不超過20 mm的顆粒比例有了一定程度的提高，基質(zhì)中粒徑不超過20 mm的顆粒比例則達到了100%。由于本次只開展了3個月時間的試驗，如果時間足夠長，則土壤中小顆粒的比例將會進一步提高，從而增加土壤的蓄水能力，慢慢能夠適應植物的生長。

(2)養(yǎng)分變化情況。10月份4個區(qū)域土壤中有機質(zhì)和速效磷的養(yǎng)分情況如圖4所示。由圖4可知，土壤中的有機質(zhì)含量與原始數(shù)據(jù)相比較有了一定程度提升，而速效磷的含量則出現(xiàn)了一定程度的降低，說明通過植物種植能夠提升土壤中的有機質(zhì)含量，但是會降低速效磷的含量。

圖4 10月份4個區(qū)域的土壤養(yǎng)分情況Fig.4 Soil nutrient situation in four regions in October

(3)重金屬含量情況。10月份4個區(qū)域重金屬含量情況如圖5所示。由圖5中數(shù)據(jù)可知，進行3個月時間的植物種植后，排土場中的重金屬含量均出現(xiàn)了不同程度的降低，尤其是鐵元素的含量降低幅度最大。說明選擇的植物對重金屬具有一定的富集作用，對鐵元素的富集作用最為明顯。

圖5 10月份4個區(qū)域重金屬含量情況Fig.5 Heavy metal content in four regions in October

基于以上分析可知，通過在排土場邊坡上進行掛網(wǎng)噴播，加速了土壤中大顆粒礦渣的風化速度，小顆粒物質(zhì)所占比例有了一定程度的提高，土壤中典型的營養(yǎng)成分也有了大幅度提高，重金屬污染問題得到了明顯的改善，有效改善了廢棄礦山土壤的各項理化性質(zhì)，生態(tài)問題得到很好的改善，說明利用該技術(shù)對廢棄礦山進行生態(tài)修復是可行的。

4 尾礦庫重金屬污染植物修復技術(shù)

4.1 試驗方法

已有的研究表明，通過植物種植可以對土壤中的重金屬元素進行有效的吸收[10]。為了獲得最優(yōu)的植物類型，在草本植物、灌木和喬木中分別選擇不同的物種進行盆栽試驗，盆栽中使用的土壤全部來自尾礦庫。草本植物主要有蜈蚣草、狼尾草、狗牙根、雞冠花、紫花苜蓿、高羊茅；灌木類型主要有檸條、紫穗槐、胡頹子、胡枝子、銀合歡；喬木類型中只有刺槐。

使用的盆栽直徑和高度均為15 cm，所有植株的種子經(jīng)特殊處理后在盆栽中進行種植，整個種植期間施加相同的肥料。種子放入盆栽后，先在室內(nèi)放置5 d，然后全部移到室外進行種植，整個過程持續(xù)4個月時間。試驗期間部分植物長勢不好，不參與統(tǒng)計計算，分別在第2月和第4月檢測長勢較好植物對重金屬的富集濃度情況。

4.2 結(jié)果分析

第2個月和第4個月不同植物對重金屬的富集濃度基本情況如圖6和圖7所示。由圖6、圖7中數(shù)據(jù)可以看出，本研究中選擇的植物對尾礦庫土壤中的重金屬元素均有一定的富集作用，但不同植物對不同重金屬的富集濃度具有一定差異。

圖6 第2個月不同植物對重金屬的富集濃度Fig.6 Enrichment concentration of heavy metalsin different plants in the second month

圖7 第4個月不同植物對重金屬的富集濃度Fig.7 Concentration of heavy metals in different plants in the fourth month

對于鎘元素而言，狼尾草、高羊茅、紫花苜蓿、蜈蚣草、銀合歡、紫穗槐6種植物均有不同程度的富集作用，并且后三者比前三者的富集作用更加顯著。將第4個月植物中的重金屬元素含量與本地區(qū)相同植物中對應的重金屬元素含量進行對比發(fā)現(xiàn)，蜈蚣草、銀合歡、紫穗槐3種植物中鎘元素的含量分別為背景值的85.5、52.8、140.4倍，狼尾草、高羊茅、紫花苜蓿3種植物中鎘元素的含量分別是背景值的19.2、24.1和28.1倍。

對于鐵元素，蜈蚣草、雞冠花、狼尾草、狗牙根、高羊茅、紫花苜蓿、銀合歡都對鐵元素具有不同程度的富集效果，其中前2種植物對鐵元素的富集作用最為顯著。實踐數(shù)據(jù)表明，隨著時間的延長，紫穗槐內(nèi)部包含的鐵元素含量出現(xiàn)了逐漸降低的趨勢，說明該植物對鐵元素不存在富集效果。

5 結(jié)論

本文主要以某廢棄礦山為對象，對其生態(tài)修復技術(shù)進行了詳細的研究，得出結(jié)論。

(1)廢棄礦山的排土場和尾礦庫中的土壤顆粒直徑相對較大，難以蓄水，各種養(yǎng)分的含量相對較低，pH值整體上呈堿性，土壤中的鎘元素和鐵元素含量相對較高，遠超過了本地區(qū)的背景值，存在重金屬污染問題。

(2)基于掛網(wǎng)種植技術(shù)對廢棄礦山排土場進行生態(tài)修復，發(fā)現(xiàn)取得了一定的效果。土壤中小粒徑物質(zhì)含量有了一定程度的提升，有機質(zhì)含量得到了有效改善，土壤中的重金屬含量與原始數(shù)據(jù)相比較有了降低。說明掛網(wǎng)種植技術(shù)能顯著改善排土場的生態(tài)環(huán)境。

(3)結(jié)合實際情況選擇不同類型植物對廢棄礦山尾礦庫的重金屬污染問題進行植物修復，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同植物對不同的重金屬元素具有很好的富集效果。蜈蚣草、銀合歡、紫穗槐3種植物對鎘元素的富集作用最顯著，蜈蚣草、雞冠花對鐵元素的富集作用最顯著。