碳中和視角下露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)優(yōu)化

田占良

(河北省地礦局 國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081)

隨著國土空間開發(fā)和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，露天廢棄礦山這一歷史遺留問題已經(jīng)逐漸成為較嚴(yán)重的生態(tài)問題[1-3]。為充分挖掘廢棄礦山的潛在利用價(jià)值，廢棄礦山的生態(tài)修復(fù)與改造利用作為一種積極的舉措受到人們的關(guān)注[4-6]。因此，如何確保露天廢棄礦山在修復(fù)過程中的有效性，達(dá)到碳中和目標(biāo)，降低污染與能耗，滿足露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)的可持續(xù)性成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)。鑒于露天廢棄礦山治理與修復(fù)的重要性，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了較多的案例研究，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)[7-9]。如，覃茂剛等[10]以海南某露天廢棄礦山的治理為案例，闡述了臺(tái)階式降坡卸荷的方法，并在設(shè)置防護(hù)網(wǎng)與警示標(biāo)志的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)立魚塘、植樹種草等舉措，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的綜合治理。郭黨生[11]依托北京密云區(qū)某廢棄礦山修復(fù)工程，提出了基于不同邊坡類型采取針對性綠化措施的“立體綠化模式”，有效治理了該礦山存在的土地資源破壞、地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重等生態(tài)環(huán)境問題。聞彩煥等[12]針對傳統(tǒng)礦山修復(fù)時(shí)全站儀或GPS-RTK測量存在的弊端，提出了基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的礦山生態(tài)修復(fù)開展方法，闡述了其在方案設(shè)計(jì)、施工管理等階段的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，認(rèn)為無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在礦山治理的安全性、效率以及信息化方面具有顯著優(yōu)勢。

“碳中和”中的“碳”即為二氧化碳，主要指人們在工農(nóng)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸過程中所排放的溫室氣體；“中和”意為正負(fù)相抵，主要通過植物對溫室氣體的吸收來實(shí)現(xiàn)[13]。對于露天廢棄礦山而言，相關(guān)的治理報(bào)道大多側(cè)重于治理手段的改善以及局部的生態(tài)環(huán)境營造，而基于碳中和視角下的露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)方法則鮮有報(bào)道。為此，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，從“碳中和”角度出發(fā)，通過有效運(yùn)用基質(zhì)改良、植物修復(fù)、自然修復(fù)、微生物修復(fù)以及輔助修復(fù)等優(yōu)化技術(shù)，達(dá)到露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)的目的，并實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。

1 廢棄礦山生態(tài)修復(fù)的價(jià)值

(1)改善生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建生態(tài)文明。這些年在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中，礦山開采成為其發(fā)展的基礎(chǔ)與保障，很多露天礦山在失去開采價(jià)值后便被廢棄，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成極大破壞。所以在碳中和視角下，利用生態(tài)修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)露天廢棄礦山的綠色生態(tài)治理，能夠改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，構(gòu)建生態(tài)文明。

(2)實(shí)現(xiàn)綠水青山，合理開發(fā)旅游資源。露天廢棄礦山在修復(fù)過程中，利用生態(tài)修復(fù)技術(shù)，讓遭到破壞的環(huán)境逐漸得到改善，并開始變綠。讓滿目瘡痍的露天礦山變綠，通過旅游資源的合理開發(fā)，能增加當(dāng)?shù)厝罕姷氖杖搿?/p>

(3)推進(jìn)綠色生產(chǎn)，提升節(jié)能減排和固碳增匯能力。露天礦山生態(tài)修復(fù)過程中碳達(dá)峰、碳中和是十分重要的組成部分，不僅可以體現(xiàn)低碳轉(zhuǎn)型理念，還能在生態(tài)修復(fù)過程中探索低碳土地利用與開發(fā)模式。將低碳綠色生產(chǎn)生活、低碳節(jié)能產(chǎn)業(yè)用地轉(zhuǎn)型等理念與方法融入到礦山修復(fù)中，能極大改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，合理利用土地，利用綜合治理，推進(jìn)綠色生產(chǎn)，提升節(jié)能減排和固碳增匯能力。

2 露天廢棄礦山存在的問題

目前，露天廢棄礦山存在的問題主要表現(xiàn)為：①土地占用量大，破壞嚴(yán)重。露天礦山活動(dòng)過程中需要修建廠房、公路等基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量廢棄物，占用大量土地的同時(shí)也會(huì)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大破壞，如圖1(a)所示；②地質(zhì)災(zāi)害較多。廢棄礦山雖然沒有開采活動(dòng)，但是依然會(huì)受到各種地質(zhì)災(zāi)害的影響，如滑坡、泥石流、地下采空區(qū)、局部塌陷等，對礦山附近的城市及村莊形成威脅，如圖1(b)所示；③環(huán)境污染。礦山在活動(dòng)過程中形成大量廢水、廢氣、廢渣等，這些廢物并未經(jīng)過合理處理就隨意排放到河流、大氣及土壤中，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大影響；④水土流失與荒漠化。露天礦山的開采會(huì)將周圍的植物全部砍伐完，造成嚴(yán)重的水土流失問題，水土流失繼續(xù)發(fā)展，就會(huì)形成荒漠化。

圖1 廢棄礦山存在的危害Fig.1 Hazards of abandoned mines

3 廢棄礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的優(yōu)化

目前露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的研究相對較多，在國內(nèi)外都有大量案例，比如日本國營明石海峽公園、法國Biville采石場等都是利用先進(jìn)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦山的綠色發(fā)展，以此達(dá)到碳中和目標(biāo)。下面就對露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)的優(yōu)化進(jìn)行介紹。

3.1 生態(tài)恢復(fù)技術(shù)

3.1.1 基質(zhì)改良技術(shù)

(1)物理改良。露天廢棄礦山生態(tài)恢復(fù)過程中，需合理使用基質(zhì)改良技術(shù)，其中物理改良是十分重要的組成部分。由于廢棄礦山基質(zhì)結(jié)構(gòu)性差，且土壤失去養(yǎng)分，有重金屬毒性，到最后生態(tài)修復(fù)難度較高。包括表土回填(圖2)、客土法等是比較常見的物理改良方法，如果是金屬礦山，土層會(huì)被重金屬污染，且由于土層過薄，沒有土壤層產(chǎn)生，所以基質(zhì)改良中客土法的應(yīng)用價(jià)值較高。按照基質(zhì)成分及物理性質(zhì)等，對覆土厚度進(jìn)行確定，恢復(fù)土地為農(nóng)業(yè)與林業(yè)兩類，前者覆土厚度需達(dá)到50～100 cm，后者則需達(dá)到10～30 cm。Holmesetal在研究中指出，當(dāng)覆土厚度分別為10、30 cm時(shí)植物的蓋度能提高50%與70%。在具體應(yīng)用中，要考慮土壤來源以及運(yùn)費(fèi)，且避免對其他區(qū)域的植被造成破壞。一般情況下，基質(zhì)改良過程中的土壤可以使用秸稈等發(fā)酵后代替使用，提升土壤養(yǎng)分。

圖2 廢棄礦山表土回填Fig.2 Backfilling site of waste mine topsoil

(2)化學(xué)改良。酸堿化問題在露天廢棄礦山中比較常見，在對這類土壤進(jìn)行改良過程中可以使用硫酸亞鐵、石膏、碳酸氫鹽等。土壤堿化程度可以通過石膏的應(yīng)用得到有效減輕，土壤中水的滲透能力也能有效增強(qiáng)，土壤基質(zhì)會(huì)得到極大改善。將碳酸氫鹽和石灰投入到基質(zhì)中，能有效中和酸性廢棄地。通過少量多次的方法將碳酸氫鹽或石灰投入到酸性較高或產(chǎn)酸較持久的廢棄地中，也能對土層進(jìn)行有效改善。露天廢棄礦山缺少各類植物生長所需的氮、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，所以在改良過程中，可以將化肥、生活垃圾等加入到土層中。如可以將糞肥和石灰施加到鉛鋅尾礦庫，對尾砂的改良效果較高，一般情況下糞肥與石灰的用量分別為37.80、2.00 t/hm2。同時(shí)也可以使用城市污泥(圖3)，不僅可以對露天廢棄礦山土壤進(jìn)行改良，還能確保土壤具有良好肥力。由于城市污泥屬于固體廢棄物，整體成本較低，且能實(shí)現(xiàn)廢物資源的有效利用，但是要在污泥使用前進(jìn)行檢測，避免發(fā)生二次污染。

圖3 城市污泥Fig.3 Municipal sludge

(3)生物改良。在土壤結(jié)構(gòu)改良過程可以引進(jìn)蚯蚓，增加土壤保水保肥能力。對于重金屬鉛、銅等蚯蚓的富集作用較強(qiáng)，對于重金屬土壤蚯蚓有良好的凈化能力。也可以在廢棄改良期間應(yīng)用菌根、酶等微生物，增加土壤微生物菌群的活性，根際周圍的微生物環(huán)境能得到有效改善。某廢棄礦山在物理、化學(xué)以及微生物等綜合改良措施前后的情況如圖4所示。

圖4 某廢棄礦山在基質(zhì)改良前后的對比Fig.4 Comparison of an abandoned mine before and after matrix improvement

3.1.2 植物修復(fù)技術(shù)

碳中和作為一種綠色環(huán)保理念與形式，在生態(tài)修復(fù)過程中要利用好植物修復(fù)技術(shù)，提升碳匯儲(chǔ)量，滿足我國生態(tài)文明建設(shè)需求。露天廢棄礦山生態(tài)修復(fù)過程中，植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。在廢棄礦山的土層上逐漸建立起適宜、穩(wěn)定的植物群落，能有效改善土壤及周圍生態(tài)環(huán)境，達(dá)到碳中和的目標(biāo)。碳中和的實(shí)現(xiàn)要求在生態(tài)修復(fù)過程中，減少或者無污染，降低能耗，減少CO2的排放，如圖5所示。

圖5 某廢棄礦山的植物修復(fù)前后Fig.5 Before and after phytoremediation of an abandoned mine

植物修復(fù)技術(shù)的要點(diǎn)是選擇適宜的物種，尤其是在露天廢棄礦山上，植物的營養(yǎng)元素均來源于重金屬土層，所以只有保證物種選擇的科學(xué)性，才能逐漸改善礦山生態(tài)環(huán)境。植物物種以重金屬耐性植物、富集或超富集植物為主，常見的有高山甘薯、酸模羽葉鬼針草等。選擇何種植物，可以根據(jù)圖6結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。

圖6 植物選擇Fig.6 Plant selection

同時(shí)，也可以選擇楊柳植物進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，常見的有北京楊、加拿大楊、旱柳等。以旱柳為例，對于銅的富集能力較強(qiáng)，且在對銅礦尾砂的修復(fù)過程中，約在220 d時(shí)，根系中銅的含量可以達(dá)到1 650.00 mg/kg左右，而且植株生長良好，毒害作用并不顯著。對于露天廢棄礦山修復(fù)，通過超富集植物的選擇與應(yīng)用，能起到良好的生態(tài)修復(fù)與土層改良效果，在植物生長過程中植物體的重金屬含量較高，所以一定要做好這些植物的處理，避免對環(huán)境產(chǎn)生二次污染。

3.2 自然恢復(fù)技術(shù)

自然恢復(fù)技術(shù)應(yīng)用最為著名的為法國Biville采石場生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目，由于采石場在廢棄之后遺留下很多問題，導(dǎo)致這里生態(tài)環(huán)境惡劣，不適宜動(dòng)植物及人類生存與居住。但是通過自然恢復(fù)技術(shù)的有效應(yīng)用，能對生態(tài)退化嚴(yán)重的采石場進(jìn)行有效改善。

在修復(fù)過程中還與旅游業(yè)緊密結(jié)合，讓采石場成為重要的旅游景點(diǎn)。采石場在自然恢復(fù)技術(shù)的應(yīng)用后，效果如圖7所示。

圖7 Biville采石場恢復(fù)效果Fig.7 Recovery of Biville quarry

Biville采石場在廢棄之后形成了一道直線形裂縫，其寬度與長度均為450 m，邊坡十分貧瘠，坡角達(dá)到40°，落差20～40 m。在生態(tài)修復(fù)過程中，將其設(shè)計(jì)為休閑區(qū)，改善之后還具備湖泊。石料開采過程遺留的痕跡并沒有被刻意隱藏，而是將其作為一種歷史與痕跡被保留下來，這樣就可以更好地進(jìn)行自然恢復(fù)。為了讓采石場恢復(fù)到自然狀態(tài)，修復(fù)過程中引入適宜植被。在谷底通過引導(dǎo)水流的設(shè)施和設(shè)備，能形成一個(gè)湖泊。為了開發(fā)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)，不僅在湖邊建設(shè)了休閑區(qū)，還在坑壁修建了階梯，便于游客進(jìn)入谷底。

3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

碳中和與生態(tài)修復(fù)的最終目的是一致的，為改善露天廢棄礦山生態(tài)環(huán)境，降低修復(fù)過程中對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的污染，可以合理應(yīng)用微生物修復(fù)技術(shù)。土壤環(huán)境可以通過根際微生物的活動(dòng)進(jìn)行改良，植物的生長發(fā)育過程中也能通過該技術(shù)的應(yīng)用，對植物營養(yǎng)條件進(jìn)行改善，確保植物的健康生長。叢枝菌根在鐵礦尾砂基質(zhì)中的接種，能有效提升植株對磷的吸收；在鋅、鎘污染的土壤中接種菌根(苜蓿)，可發(fā)現(xiàn)苜蓿體內(nèi)由根系向地上部分轉(zhuǎn)移的重金屬增加，其原理如圖8所示。在生態(tài)修復(fù)期微生物修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，要對微生物群落進(jìn)行合理篩選，通過在礦山定居植物根系微生物的培養(yǎng)和繁殖，并將其運(yùn)用到修復(fù)過程中，不僅可以確保微生物具備良好的適應(yīng)性，還能有效改善土壤結(jié)構(gòu)。

圖8 微生物作用下植物吸收重金屬的原理Fig.8 Principle of plant absorption of heavy metals under the action of microorganisms

3.4 輔助修復(fù)技術(shù)

雖然礦山生態(tài)恢復(fù)過程中采取的方法為自然恢復(fù)，有效提升生態(tài)系統(tǒng)固碳能力，但是也要在實(shí)際運(yùn)用過程中合理引入輔助修復(fù)技術(shù)。輔助修復(fù)技術(shù)比較常見的有截排水措施、邊坡穩(wěn)定技術(shù)等，通過與生態(tài)修復(fù)技術(shù)的有效結(jié)合，達(dá)到生態(tài)修復(fù)的效果，具體如圖9所示。

圖9 廢棄礦山治理中的輔助修復(fù)措施Fig.9 Auxiliary restoration measures inabandoned mine treatment

(1)邊坡穩(wěn)定技術(shù)。礦山在廢棄之后，一般都會(huì)形成高陡邊坡，對礦山的安全性與穩(wěn)定性形成極大影響，所以可以使用邊坡穩(wěn)定技術(shù)確保坡面的穩(wěn)定。穩(wěn)定邊坡時(shí)所使用的方法有掛網(wǎng)加錨桿固定、削坡卸載等。

(2)截排水措施。為了有效排出坡面降水，減少水土流失的出現(xiàn)，要將截排水溝設(shè)置在坡頂、坡面，這樣可以避免對坡面基質(zhì)產(chǎn)生沖刷，影響前期的生態(tài)修復(fù)工作。通過截排水措施的有效應(yīng)用，坡面基質(zhì)能實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定，且能有效避免滑坡等危險(xiǎn)因素的產(chǎn)生。

(3)覆蓋措施。在邊坡修復(fù)過程中可以使用植物種子，播種后需及時(shí)覆蓋，覆蓋材料為草簾、無紡布等，這樣能避免雨水對種子及基質(zhì)進(jìn)行沖刷或者受到大風(fēng)吹蝕，而且還有良好的保溫作用，使種子生長的速度加快。

3.5 礦區(qū)植被重建要點(diǎn)

減排增匯是促進(jìn)碳中和過程中的重要手段，在對露天廢棄礦山進(jìn)行治理的過程中，要緊緊圍繞“綠水青山就是金山銀山”的理念開展各項(xiàng)工作，在尊重自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)上，增強(qiáng)自然生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能。礦區(qū)植被重建是碳中和背景下露天廢棄礦山修復(fù)工作的重點(diǎn)，要通過綜合手段提升節(jié)能減排和固碳增匯能力。礦區(qū)植被重建需要遵循以下要點(diǎn)。

(1)CBS植被混凝土技術(shù)噴漿型。將立體塑料網(wǎng)或者平面鐵絲等架立在大坡度巖面上，并進(jìn)行錨固，然后將混合材料(土壤、肥料、疏松材料等)使用壓力噴混機(jī)噴涂在巖面上的網(wǎng)架內(nèi)，等第1層固化之后開始噴涂第2層，最后將含草籽的混合料噴涂在最上面。噴涂一定要分層進(jìn)行，且要確保上一層牢固后開始下一層噴涂。

(2)營造臺(tái)階型。營造臺(tái)階式可以在礦山坡度大、坡面致密穩(wěn)定，對邊坡覆土種植不易和投入較大的區(qū)域的使用，臺(tái)階的高度為10～20 m，寬1～2 m，設(shè)置種植槽臺(tái)階上，槽高需控制在60 cm以上。需注意種植槽內(nèi)排水溝的合理設(shè)置，同時(shí)要將種植土回填到槽內(nèi)。

4 結(jié)語

碳中和作為一種新型環(huán)保形式，在實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)與發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。露天廢棄礦山的綠色治理是當(dāng)下最為棘手的問題之一，“碳中和”提供了新的思路與方法，利用生態(tài)修復(fù)技術(shù)，恢復(fù)礦山自然生態(tài)，改善礦山生態(tài)環(huán)境。“碳中和”與我國綠色發(fā)展目標(biāo)相一致，所以需針對露天廢棄礦山實(shí)際情況，選擇合適的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，在恢復(fù)礦山生態(tài)過程中緊密結(jié)合旅游業(yè)，讓礦山繼續(xù)發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益。