礦山廢棄地植被恢復技術研究

劉英琴

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

礦山廢棄地植被恢復技術研究

劉英琴

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

礦山廢棄地的物理結構不良、重金屬含量過高、極端pH值等眾多危害環境的極端理化性質特點,使得其對環境的危害持久而嚴重。文章針對礦山廢棄地植被恢復技術中的基質改良和植物物種選擇兩方面進行了分析,探討了基質改良的基本方法及其原理,物種選擇原則、方法及耐性植物篩選策略。

礦山廢棄地;環境危害;植被恢復;基質改良;物種選擇

環境與發展,是當前國際社會普遍關注的重大問題。礦業作為中國的重要基礎產業,為國民經濟發展提供了95%的一次能源,80%以上的工業原材料和70%以上的農業生產資料。然而,采礦活動及其廢棄物的排放不僅破壞和占用大量的土地資源、加劇我國土地資源的短缺,也帶來了一系列影響深遠的環境問題。據“‘十五’國土資源生態建設和環境保護規劃”報道,中國采礦活動破壞的土地面積已達400×104hm2,平均每年增加近2×104hm2,但礦山廢棄地復墾率不到12%。因此,以植被恢復為第一步和關鍵環節的礦山廢棄地生態恢復與重建,已成為我國當前所面臨的緊迫任務之一。

1 礦山廢棄地類型及危害

1.1 礦山廢棄地類型

礦山廢棄地是指在采礦活動中被破壞、未經治理而無法使用的土地[1]。根據礦山廢棄地的來源可劃分為三種類型:(1)由剝離表土、開采的巖石碎塊和低品位礦石堆積而成的廢石堆廢棄地;(2)隨著礦物開采而形成的大量的采空區和塌陷區,即采礦坑廢棄地;(3)開采出來的礦石經各種分選方法分選出精礦后的剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地。

1.2 對生態環境的危害

由于礦山廢棄地具有物理結構不良、持水保肥能力差、極端貧瘠或養分不平衡、重金屬含量過高、極端pH值、干旱或生理干旱嚴重等眾多危害環境的極端理化性質特點,尤其是重金屬含量過高,對生態環境將造成持久而不可逆的危害。

其危害主要表現在以下六個方面:

1.礦山開采占用并破壞大量土地。破壞的土地主要有露天采礦場、排土場、尾礦場、塌陷區及其他礦山地質災害破壞的土地面積。一般而言,露天采礦所占用的土地面積約相當于采礦場面積的5倍以上。我國現有國營礦山企業8 000多個,個體礦山達到23萬多個。數量龐大的礦山開發使得大量土地因被占用而廢棄,原有利用方式所取得的效益也隨之下降或喪失。

2.露天開采必須砍伐植物和剝離表土,因而地表植被往往蕩然無存,取而代之的是大片的裸地;地下開采常導致地表沉陷、裂縫,影響土地耕作和植被正常生長,從而引發地貌和景觀生態的改變。

3.礦山廢棄物中含有大量具有酸性、堿性、毒性或重金屬成分的物質,這些物質可通過徑流和大氣擴散,污染水、大氣、土壤及生物環境,其影響的區域遠遠超過了礦區的范圍。

4.礦山廢棄地受到劇烈擾動,其地表植被蕩然無存,基質持水能力下降;地表裸露,溫度變化大,蒸發加強,從而改變了水源的補給關系,破壞了礦區水資源的動態平衡。

5.探礦、采礦引起的地表與地下的擾動對生物群落造成極大的危害,且許多是不可逆的,嚴重摧毀了動植物和微生物的生存環境。

6.地表植被的破壞、水系的紊亂以及采空區的形成會加劇水土流失,帶來極具破壞力的災害,如泥石流和山洪暴發,更嚴重可能會加速荒漠化。

2 礦山廢棄地的植被恢復技術

礦山廢棄地屬于退化生態系統,需要以人工手段改善土壤條件和植物種類,促進植被在短時期內得以恢復。

2.1 基質改良

礦山廢棄地植被恢復的關鍵問題就是基質改良,只有土壤的性狀得到修復,植被恢復才能得以進行。礦山廢棄地的土壤一般都極端貧瘠、有害元素含量居多,具有較差的保水保肥能力和較差的物理性狀,這些性質都為礦山廢棄地的植被恢復造成了一定的難度,自然演替過程一般需要100年左右的時間才能獲得滿意的植被覆蓋[2]。因此,有必要通過人工手段對礦山廢棄地的土壤進行修復。

2.1.1 物理修復

礦山廢棄地的土壤結構一般會比平常的土壤緊致,植被修復前應該對礦區土壤進行處理。主要方法是用工具翻動或者深耕土壤,然后才可以采用剝離、粉碎、壓實、固定、灌溉等基本技術進行基質修復。實際操作中還包括梯田種植、排流水道和穩定塘設施等[3]。如果土壤污染嚴重,最好的方法就是客土法或換土法。客土法的關鍵是尋找土源和確定覆蓋的厚度與方式。為解決土源問題,有些國家或企業要求在采礦工程動工之前,先把表層(30 cm)及亞表層(30～60 cm)土壤取走,并加以保存,待工程結束后再把它們放回原處[4]。如果礦區污染嚴重、并易于擴散,且污染物可在一段時間后分解,可以使用隔離法。常用的有振動束泥漿墻、平板墻、薄膜墻、化學泥漿幕、地下冷凍、噴射泥漿等[5]。另外還可以利用電解法,在污染土壤中通入直流電,使重金屬在電解、電遷移、電滲和電泳等的作用下被移走。

2.1.2 化學修復

在廢棄地表面施用化學物質,固定表層尾礦。采用沉淀法、有機質法、抑制劑法等改良措施,向污染土壤投加改良劑,增加土壤有機質、陽離子代換量和粘粒含量,以及改變pH和電導等性質,使土壤中的重金屬發生氧化、還原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用,以降低重金屬的生物有效性。無機添加劑可改善土壤特性,包括采石廢棄物、粉碎的垃圾、煤灰、石灰、石膏肥料、氯化鈣和硫酸等。在有毒的尾礦廢棄物上覆蓋一層如煤渣、鋼渣等惰性材料,可防止有毒金屬向表土層遷移,起到化學穩定修復作用。

生活污泥、垃圾或熟堆肥等有機物可作為土壤添加劑,如果應用于礦山廢棄地,可改善廢棄地的營養狀態,提高土壤肥力,從而改變土壤的生物學性狀。試驗證實在尾礦中混入30～60 mm底泥或60～90 mm的垃圾均可顯著促進植物在尾礦中的生長[6]。

2.1.3 生物修復

生物修復是一種利用微生物、植物和動物將土壤、地下水中的危險污染物降解、吸收或富集的生物工程技術系統。物理修復和化學修復的優點是快速,但是所需投入較大,而且不能改變原有的丑陋景觀。而生物修復具有投入較少,治理后不僅能夠有效阻止對周圍環境的污染,且能美化環境,改變小氣候、水文等條件,還可產生一定的經濟效益。目前生物修復主要技術方法有:原位生物修復技術、異位生物修復技術和原位-異位聯合生物修復技術。依據參與修復的生物類型,可分為植物修復、微生物修復、菌根生物修復、菌根根際生物修復、動物修復。

1.植物修復。包括水的植物修復與土壤的植物修復兩類。可用根際過濾技術、水力泵技術、廢物填埋淋洗技術、人工濕地構建技術、植物固化技術、植物蒸發技術、根際生物降解的植物誘導技術等對植物進行修復。土壤的植物修復多為原位生物修復,其機理主要有植物吸收和植物固定作用。據文獻[7]報導,蕨類植物對鎘的富集能力很強,楊柳科能大量富集鎘,十字花科的蕓苔能富集鉛,芥子草能富集鉛、錫、鋅、銅等。目前我國大約共有44種非豆科固氮樹種,包括沙棘、楊梅、馬桑植物等對礦山廢棄地的基質改良有幫助[4]。

2.微生物修復。從污染土壤中篩選出能降解污染物的細菌、放線菌、固氮菌、酵母和酶菌,在實驗室通過對其進行馴化、修飾等,提高其生物降解能力,然后制成菌劑,再用于污染土壤的修復。然而適宜的細菌或真菌劑競爭不過土著的微生物群,從而導致目標微生物或其代謝活性的喪失,故實踐效果并不理想。

3.菌根生物修復。菌根是土壤中的真菌菌絲與高等植物營養根系形成的一種聯合體。20世紀末,研究人員利用菌根能有效降解和轉移環境污染物的特點,將其應用到生物修復中。如VA菌根外生菌絲盡管重量只占根重1%～5%,卻能幫助植物從土壤中吸收礦質營養和水分,從而促進植物生長,提高植物的耐鹽、耐旱性,不但能修復土壤,也能改善土壤質量、提高植物抗病力和作物產量等[8]。目前,菌根生物修復技術已經引起了國內外科研人員廣泛關注,并運用于污染土壤的治理方面。

4.菌根根際生物修復。菌根根際包括菌根的根(即真菌菌絲表面),也包括從菌根發出侵染周圍土壤的外延菌絲的菌絲表面。從某種意義上說,菌根根際生物修復是上述三種修復技術的綜合。由于其存活時間長、對污染物的耐受程度高、應用方法簡便、二次污染小等眾多優點,故是今后生物修復技術發展的主方向。

5.動物修復。土壤中的某些低等動物(如蚯蚓和鼠類)能吸收土壤中的重金屬。如在重金屬污染的土壤中放養蚯蚓,待其富集重金屬后,采用電激、灌水等方法驅出蚯蚓集中處理,能一定程度地降低污染土壤中重金屬的含量。此方法只有待植被恢復取得階段性進展后,方才有實施的可能和效果。

2.2 植被恢復中的物種選擇

礦山及其周圍是一個非常特殊的生態環境,構成所謂孤立的生態學“島嶼”。島嶼上的植物群落明顯不同于正常生態環境中的植物群落。

2.2.1 物種選擇原則

礦山廢棄地常具有極端生態條件,在對其植被恢復中的物種選擇應遵循以下原則:(1)生長速度快、適應性強、抗逆性好;(2)選用固氮樹種或當地優良的鄉土樹種和先鋒樹種,也可引進外來速生樹種; (3)抗旱、耐濕、抗污染、抗風沙、耐瘠薄、抗病蟲害以及具有較高經濟價值的樹種[9]。

2.2.2 物種選擇方法

物種選擇主要有兩種方法:(1)以先鋒物種為主,迅速固土、蓄水,然后逐年補植其他抗性樹種,以造成生境的多樣性,穩定生態系統;(2)引入外來物種,穩固地表,改善土壤環境以有利于土壤其它生物的進入。

2.2.3 耐性植物篩選

尾礦廢棄地由于是選礦排棄物,質地細,主要成分是石英巖碎屑物,在選擇物種時選擇能適應重金屬毒害的抗性植物。禾本科與茄科植物對鉛鋅礦渣生境具較強的忍耐能力;鹽膚木和杜虹花能將重金屬聚集到葉,然后通過葉的脫落,使有害重金屬離開植物,減少植物重金屬負荷,對重金屬尾礦廢棄地的植被恢復有一定的作用[10]。

礦渣廢棄地中細粒的物質少,無灌溉條件,選擇能適應重金屬毒害并且能夠生長在堿性土壤上的抗性植物,如刺槐、沙棗、楊樹等喬木樹種,胡枝子、山杏等灌木樹種。如欒樹對Mn抗性強,生長速度快,屬于落葉樹種,可在一定程度增強土壤肥力,屬于優良的堿性土壤適生植物,是含Mn量高礦渣廢棄地植被恢復的首選植物。

采石坑廢棄地由于有沙泥的積聚及植物繁殖體的入侵,其地上植被以草本植物為主,在邊坡上有少許灌木,可適當引入一些喬灌木種類,無論是種子或是種植幼苗,都會有助于加快該廢棄地的群落演替和自然植被的恢復[11]。

引入外來物種時,應對外來引入的物種要加強管理,切勿引發外來物種泛濫,以免給當地生態帶來破壞。從長遠的角度看,鄉土物種在礦山廢棄地的植被恢復中具有其它不可替代的優勢,故最終植被恢復應該是鄉土物種,這符合保護生物學的原理。

3 總 結

我國礦山廢棄地的植被恢復基本處于研究論證階段,筆者認為我國礦山廢棄地的植被恢復應著重考慮以下幾點:

1.基質改良以生物修復為主,以物理和化學修復為輔,同時加大加快新技術的應用。

2.物種選擇中,應注意結合當地自然條件,篩選種植鄉土物種為主,同時兼顧經濟效益。

3.從源頭上解決礦山廢棄地問題,把生態恢復作為礦業生產的一部分,提倡清潔生產,積極開展廢棄物的有效利用,使礦業廢料作為一種新型資源,變廢為寶。

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Investigation into Vegetation Recovery in Mine Spoils

LIU Ying-qin

(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

It is an enduringly serious harm to environment due to poor soil,high heavy metal,extremely pH values in mine spoils.In this paper,the vegetation recovery strategies in mine spoils were discussed from substrate amendment and vegetation selection.The basic methods and principles for substrate amendment and vegetation selection in mine spoils were studied.The screening strategies for tolerant species were also investigated in this study.

mine spoils;environmental hazard;vegetation recovery;substrate amendment;vegetation selection

Q143

A

1003-5540(2010)04-0050-04

劉英琴(1983-),女,助理工程師,主要從事環境影響評價技術工作。

2010-05-25