礦山廢棄地生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)

劉 如

（鳳陽縣科學(xué)技術(shù)局，安徽 滁州 239000）

礦產(chǎn)資源的開采利用為社會經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展提供了非常重要的物質(zhì)條件，對工業(yè)和建筑行業(yè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速變革起到了極大的促進(jìn)與推動作用。實(shí)踐中，開采利用礦產(chǎn)資源為人類和社會創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)利益和社會效益的同時(shí)，也產(chǎn)生了許多生態(tài)環(huán)境問題[1]。礦山開采會引起地質(zhì)災(zāi)害，如泥石流、滑坡和坍塌等，礦山廢棄地中的重金屬侵蝕會在耕地和農(nóng)田土壤中富集，造成農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量問題[2]；部分尾礦和廢石堆場中的污染物隨著雨水淋溶和地表徑流污染江河湖泊和地下水，造成居民飲用水安全問題[3]。因此，探究礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)技術(shù)對于改善和提高礦區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展具有實(shí)踐意義。

目前初步形成規(guī)?；男迯?fù)模式[4-5]。礦山廢棄地遺留的生態(tài)環(huán)境問題備受關(guān)注，礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)相關(guān)理論和研究工作蓬勃發(fā)展，引起了全社會對礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)的高度重視。本文以廢棄地生態(tài)修復(fù)為研究背景，綜述了礦山開采引起的一系列問題，重點(diǎn)介紹了礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)，包括物理生態(tài)修復(fù)技術(shù)、化學(xué)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)、微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)和聯(lián)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)在實(shí)際生態(tài)修復(fù)與治理中存在的優(yōu)缺點(diǎn)，為礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 礦山開采環(huán)境問題

1.1 地質(zhì)

礦層作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)自然形成過程中的主要組成部分，對地質(zhì)的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵性作用。礦山開采活動通常會破壞山坡的原始土體結(jié)構(gòu)，對山體周邊的地層結(jié)構(gòu)造成破壞進(jìn)而影響地層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在本來就容易出現(xiàn)地表塌陷的區(qū)域，機(jī)械外力的作用會造成地層結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定。除此之外，開采技術(shù)不成熟、規(guī)劃不合理等也會影響地層的穩(wěn)定性，加速形成塌陷坑，同時(shí)造成山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害[6]。

1.2 水體

采礦活動會損壞山體的土體結(jié)構(gòu)從而造成礦區(qū)塌陷、裂縫等問題，改變了礦山開采地區(qū)的儲水和排水功能，造成地下水位下降，水資源緊缺，影響人類飲用水和農(nóng)耕用水。另外，礦山開采遺留的堆積尾礦含有污染物，經(jīng)過雨水淋溶、地表徑流產(chǎn)生的廢水，一般達(dá)不到工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，影響水生生物的生存繁衍與人畜生命健康[7]。

1.3 土壤

在金屬礦山開采過程中，尾礦渣遭受雨水淋溶過程中流失的重金屬元素是礦山區(qū)和周邊地區(qū)土壤中重金屬的污染源之一。在這種開礦采礦等人類活動和地表徑流等自然活動的雙重作用下，鎘（Cd）、銅（Cu）、鉛（Pb）和鋅（Zn）等重金屬會進(jìn)入土壤環(huán)境中，超出土壤的自凈能力，導(dǎo)致土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。土壤環(huán)境中的重金屬污染物具有隱蔽性和不可降解等特性使其難以從土壤環(huán)境中徹底去除。

1.4 生物多樣性

礦山開采活動易造成水資源、土壤資源污染和匱乏，破壞生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性，使礦區(qū)及周邊環(huán)境不利于植物生長發(fā)育，進(jìn)而降低了礦區(qū)植被的物種多樣性[8]。嚴(yán)家平等[4]研究礦區(qū)廢棄地植物生長情況發(fā)現(xiàn)粉煤灰場地僅生長一些蘆葦，煤矸石場地生長少量灌木，煤泥水沉積區(qū)一片荒蕪。動物、植物和微生物的生長繁衍需要穩(wěn)定的環(huán)境，開采活動導(dǎo)致動植物賴以生存的環(huán)境遭到破壞，影響了生物多樣性和種群多樣性。

2 礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)

2.1 物理生態(tài)修復(fù)技術(shù)

物理生態(tài)修復(fù)技術(shù)是指利用物理原理修復(fù)礦山廢棄地的技術(shù)。包括隔離法和電動力學(xué)法，前者指利用水泥和石板等防滲材料把污染物與自然環(huán)境分開，將污染物隔絕起來，阻止污染物進(jìn)一步擴(kuò)散的技術(shù)；后者是將電極插入受污染土壤中，利用電滲析和電泳等原理使污染物遷移的方法，此方法尤其適用于多種重金屬同時(shí)污染的土壤環(huán)境中。周鳴等[9]在外源重金屬Cu、Pb 和Cd 污染土壤的電動力學(xué)裝置中添加EDTA，結(jié)果表明電動力學(xué)修復(fù)改變了土壤環(huán)境中的重金屬形態(tài)，對重金屬的去除率達(dá)到95.1%。

物理修復(fù)技術(shù)因其操作簡單、效果立竿見影的優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于礦山廢棄地修復(fù)，但由于工程量大、耗費(fèi)資源的局限性難以大面積推廣。

2.2 化學(xué)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)生態(tài)修復(fù)技術(shù)是指利用化學(xué)原理改變土壤中重金屬形態(tài)或降低重金屬的遷移性的技術(shù)。通過添加各種外源化學(xué)物質(zhì)，與土壤中的重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而降低重金屬在土壤中的水溶性、遷移性和生物有效性。朱佳文等[10]以鉛鋅尾礦為研究對象，通過添加5 種不同的原位鈍化劑發(fā)現(xiàn)油菜秸稈和磷酸一銨能不同程度地降低尾礦中Pb、Cd 和Zn的生物有效性及遷移能力。許超等[11]研究EDTA 和檸檬酸對重金屬形態(tài)和生物有效性的影響，發(fā)現(xiàn)EDTA 和檸檬酸均能降低土壤中Cd、Pb、Cu 和Zn 的生物有效性。

化學(xué)修復(fù)法見效快，受自然環(huán)境因素影響小。但無法將重金屬從土壤環(huán)境中轉(zhuǎn)移，因此存在二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)

植物修復(fù)技術(shù)涉及面廣、綜合性強(qiáng)，是金屬礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)。超富集植物通過絡(luò)合機(jī)制、細(xì)胞壁結(jié)合機(jī)制和區(qū)域化隔離機(jī)制等對某種重金屬或幾種重金屬產(chǎn)生抗性，并在生長過程中富集礦山廢棄地中的污染物質(zhì)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的超富集植物達(dá)400多種，例如，蜈蚣草表現(xiàn)為砷（As）的超富集植物，黑麥草表現(xiàn)為鈾（U）、Cd 和Zn 的超富集植物，龍葵和印度薺菜表現(xiàn)為Cd、Pb和Zn的超富集植物，東南景天表現(xiàn)出為Cd、Cu 和Pb 的超富集植物[12-13]。植物修復(fù)不僅對礦區(qū)污染物有很好的提取效果，還對礦區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)有重要的作用。焦作市石灰?guī)r礦經(jīng)過10年的植物修復(fù)從礦石廢棄地恢復(fù)并重建為綠色生態(tài)公園[14]。

礦山植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)治理效果顯著，投入成本低，修復(fù)過程不易造成二次污染，而且植被形成后能防風(fēng)固沙和減少水土流失，是目前礦山修復(fù)應(yīng)用前景最好的原位修復(fù)技術(shù)，可大面積應(yīng)用于礦山廢棄地的生態(tài)和景觀修復(fù)。但是植物修復(fù)技術(shù)存在生長周期長、修復(fù)效率低以及選擇性吸收重金屬等局限性。

2.4 微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是指利用土著微生物或人工馴化的微生物，通過氧化還原、吸附、沉淀、甲基化和去甲基來降低土壤中有毒、有害污染物質(zhì)的活性并改善土壤理化性質(zhì)的修復(fù)技術(shù)。溶磷細(xì)菌能將土壤中難溶態(tài)磷元素轉(zhuǎn)化為可溶態(tài)磷，提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長。喬志偉等[15]研究發(fā)現(xiàn)3 種溶磷細(xì)菌Rahnellasp. W3、Burkholderiasp. W4 和Fluorescent pseudomonasW7，單獨(dú)及組合處理下均能提高礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中有效磷含量，且組合菌優(yōu)于單株菌株的溶磷效果。

微生物修復(fù)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ芍苯討?yīng)用在礦山廢棄地進(jìn)行原地修復(fù)，但是礦山地理環(huán)境惡劣，對微生物的生長發(fā)育有較大的影響。

2.5 聯(lián)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)

由于礦山生態(tài)實(shí)際環(huán)境情況復(fù)雜多樣，單一的修復(fù)技術(shù)無法滿足復(fù)雜的修復(fù)類別，研究多種修復(fù)組合方式符合當(dāng)前的治理需求。常見的組合方式有物理—化學(xué)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)、化學(xué)強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)和微生物強(qiáng)化植物修復(fù)技術(shù)等多種復(fù)合修復(fù)方式。其中微生物協(xié)同超富集植物的修復(fù)方式是重金屬污染土壤原位修復(fù)的重要方式之一。植物根系能通過調(diào)控根系分泌物（糖類、有機(jī)酸、氨基酸和脂肪酸等）的種類和數(shù)量為微生物提供優(yōu)良的生存環(huán)境，進(jìn)而影響根際微生物的種群結(jié)構(gòu)和生物多樣性，相應(yīng)地，根際微生物通過分泌有機(jī)磷、鐵載體、IAA和ACC脫氨酶等促生物質(zhì)改變根際土壤化學(xué)特性，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育過程[16-17]。微生物強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是植物根際促生菌的調(diào)節(jié)作用；二是植物內(nèi)生菌的定殖作用。根際促生菌通過分泌大量低分子有機(jī)酸（包括甲酸、乙酸和丙酸等），改善植物根際生態(tài)環(huán)境的酸堿度，增加重金屬有效態(tài)含量和生物可利用性，提高植物對重金屬的富集能力[18]。王元昌等[19]研究發(fā)現(xiàn)，4種根際促生菌對亞麻（Linum usitatissimumL.）的株高和根長均有不同程度的促進(jìn)作用，其中GY16菌株對亞麻的促進(jìn)效果最顯著，與未接種根際促生菌處理相比，接種根際促生菌的亞麻根部組織對Cd和As的富集量顯著增加。焦鄭同等[20]在種植黑麥草的土壤中接種耐Pb植物根際促生菌的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，接種樊慶生紅球菌可有效促進(jìn)黑麥草對Pb的吸收，地上部和地下部Pb含量分別增加了30.25%和2.2%。植物內(nèi)生菌不僅對重金屬的耐性和抗性強(qiáng)，而且可以提高植物對重金屬的抗逆性和脅迫性，增強(qiáng)對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移能力，并與植物形成互惠共存、互利共生的協(xié)作關(guān)系[21]。鄧平香等[22]從東南景天根際篩選分離的內(nèi)生菌熒光假單胞菌R1 分泌的蘋果酸、琥珀酸和乙酸等有機(jī)酸，能夠加速ZnO和CdO溶解，促進(jìn)東南景天的生長發(fā)育，并促進(jìn)地上部組織吸收Zn和Cd。

3 結(jié)語

礦山開采引起了一系列環(huán)境問題，包括地質(zhì)災(zāi)害、水體污染、土壤污染和生物多樣性降低等。礦山生態(tài)修復(fù)技術(shù)逐漸引起關(guān)注，包括物理生態(tài)修復(fù)技術(shù)、化學(xué)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、植物生態(tài)修復(fù)技術(shù)、礦山微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)和聯(lián)合生態(tài)修復(fù)技術(shù)在實(shí)際生態(tài)修復(fù)與治理中的應(yīng)用。其中，植物修復(fù)是應(yīng)用前景較好的修復(fù)技術(shù)之一。但采用單一的修復(fù)技術(shù)無法高效地治理礦山廢棄地，微生物聯(lián)合植物修復(fù)技術(shù)是一種環(huán)境友好、安全高效的原位修復(fù)技術(shù)。一方面微生物與植物之間相互作用、協(xié)同共生，形成穩(wěn)定的生態(tài)圈，加速礦山植被綠化進(jìn)程，另一方面微生物通過耐重金屬和促生作用，提高植物富集重金屬污染物的能力。

礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)是一個(gè)長期的動態(tài)過程,在治理環(huán)境問題的同時(shí)也要重視生態(tài)系統(tǒng)的重建與恢復(fù)，保證礦山生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。今后的研究會將環(huán)境治理、生態(tài)修復(fù)、景觀設(shè)計(jì)同時(shí)納入礦山廢棄地的修復(fù)與重建工作中。