礦山廢棄地生態恢復與可持續發展研究

廖正家

(廣東省大寶山礦業有限公司，廣東 韶關 512000)

1 項目概述

新山片區歷史遺留礦山生態恢復治理工程(一期)的地理位置，位于大寶山礦露天采礦場東南側、白石坳南部，行政上歸屬于曲江區沙溪鎮與翁源縣鐵龍鎮管轄，其紅線范圍面積為191974.54 m2(投影面積)。由于大范圍的露天開采和不規范的民采，對地表造成了強烈的擾動和破壞，使得大寶山礦區山體破碎、植被毀壞殆盡，造成了嚴重的土壤侵蝕問題。非法民采礦窿亂挖亂采排放的廢土、石和低品級的礦石，使外排廢水污染因子的數量和濃度大大增加，極大縮短了攔泥庫的服務年限。暴雨期水土流失十分嚴重。酸性廢水在排土場等多處產生并沿溝道泄流至李屋攔泥庫，造成下游土壤環境質量受到嚴重影響。

2 大寶山礦區新山片區廢棄地現狀

新山片區民采和民選產生的大量廢土、廢石、邊坡礦和鉛鋅尾礦都排入了當時李屋攔泥庫庫區范圍內，含重金屬超標的酸性廢水長年外排下游李屋溪匯入礬洞水，并對下游橫石水水質產生了較大的影響。通過對新山片區區域現場進行詳細地實地勘察，治理區域內邊坡以人工挖方邊坡與自然山坡為主，場地內兩處因挖方形成的高陡邊坡地形陡峻但已相對穩定，無明顯泥石流現象；該治理區域的地下水資源破壞、地形地貌景觀破壞、土地資源壓占、現狀地質災害等礦山地質環境問題突出，還潛在發生泥石流地質災害的可能。治理區地形地貌為峰谷地貌，地形陡峻，尖棱狀山脊和V字形沖溝相間，山坡坡度15°～45°，局部60°～80°。礦山經歷長期開采后，地表植被已基本破壞，原始地形地貌破壞較嚴重。現場原貌如圖1～4所示。

3 大寶山新山片區礦業廢棄地基質質地評價

礦山廢棄地植被恢復，要依據其立地特征，有針對性地改善土壤營養成分，給植物提供必需的營養物質，才能做到恢復植被和生態環境改善。新山片區廢棄地土壤環境質量評價，通過要以區域土壤背景值為參考來評價礦區廢棄地養分成分含量。

圖1 尖棱狀山脊現狀

圖2 挖方形成的高陡邊坡

圖3 挖方形成的平臺

圖4 挖方形成的松方

依據取樣樣品最大可能代表實際土壤情況的原則，采集深度為0～20 cm，共采集5個混合樣品，每個樣品由3～5個子樣品混合而成，采樣量為1 kg左右。土壤樣品采集完成后，立即運回實驗室，于干燥通風處風干，剔除石頭和植物殘體，分別過20目和100目篩，貯存在干燥通風處用以后續的理化分析。

采用玻璃電極測定土壤懸濁液中的pH值；NAG-pH的值利用過氧化氫的氧化進行測定的。重金屬用微波消解法、離子體發射光譜法進行測定，結果如表1。

表1 新山片區廢棄地原始土壤理化數據結果

從表1中數據分析，可以看出，大寶山礦新山片區一期項目區域的土壤表現為較強酸性，高酸化潛力，同時重金屬含量如鉛、鋅、銅、砷均較高，初始土壤條件十分惡劣，遠遠不能滿足植物生長定居所需的基本條件。因此，必須經過一定的基質改良措施和合適的植物物種選擇才有可能在項目區域內建立起比較良好、合理的植被系統，從而改善整個項目區域的生態環境質量，為新山片區后期大面積的生態恢復工作提供有效指導。

4 新山片區廢棄地生態恢復與可持續技術方法研究

4.1 廢棄地生態恢復整體技術方案選擇

本文采用國際領先的“原位基質改良+直接植被”生態恢復技術體系，提出用生態學的思想解決新山片歷史遺留礦山環境問題。該技術不改變礦業廢棄地的地形與土壤結構，無需客土，柔性改良土壤結構，通過調控微生物群落與控制產酸的微生物類群，重建一個人工或半人工的生態系統。通過植物穩定重金屬，降低重金屬的遷移性，達到環境污染治理的目標，實現源頭控制重金屬污染，最終形成自然良性循環的生態系統。

4.2 技術原理簡介

4.2.1 控制酸化的原理

重金屬礦業廢棄地的酸化是一個普遍的現象，因為有色金屬礦大都含有一定量的黃鐵礦，廢棄物露天棄置后能迅速產酸。極端酸性不僅對植物有直接的作用，導致植物不能萌發，影響植物的營養吸收，同時也會加劇重金屬溶出，導致嚴重的環境問題。

對于礦業廢棄地酸化問題，常用的方法是投放堿性材料，其中石灰由于價格低廉，中和效果良好，在礦山生態修復的土壤改良中得到廣泛的應用。這種方式能夠有效地解決礦業廢棄地的現有酸性，但如果不及時采取其他有效措施控制產酸，廢棄地含有的金屬硫化物會繼續酸化，導致最終石灰效果失效，出現返酸現象。

考慮到礦業廢棄地產酸是廢棄地含有的金屬硫化物在氧氣、水和產酸微生物的共同作用下發生的。因此，在添加石灰中和現有酸性的基礎上，進一步通過在礦業廢棄地表面覆蓋專用土壤改良基質形成“耗氧層”，由于改良基質富含各種有機物質，能夠通過氧化過程消耗氧氣，因而減少礦業廢棄地與氧氣的接觸，在缺乏氧氣的情況下，礦業廢棄地的產酸過程受到極大地抑制。同時，對土壤產酸微生物群落進行調控，降低產酸微生物在群落中的豐度，增加有益微生物的比例，實現在源頭解決廢棄地的未來產酸問題。

通過以上措施，現有的酸性和未來的產酸問題都得到了有效解決，從而保證了該技術長期有效的酸化控制效果。

4.2.2 植被恢復的原理

植被系統穩定性如何實現是廢棄地生態恢復中一個重要問題。過往有很多項目雖然成功地在極端條件下重建了植被系統，但往往在第二年就發生退化并最終失敗，這是沒有解決好植被系統穩定性的典型案例。

過往很多項目植被系統退化的原因，其中很重要的一點就是物種過于單一，在遇到一些對這單一物種不利的條件，例如病蟲害、不良天氣等，該物種就會大面積死亡并導致整個系統的退化。而具有生物多樣性的植被系統，某一物種的死亡并不會導致整個系統的退化，因為其他植物物種會頂替該物種的地位和功能，從而保證了系統的穩定性。并且，生物多樣性也有利于群落的演替，使得整個植被群落從原生裸地逐漸向高層次不斷發展，從而逐步恢復到該區域的原始原貌。綜上，必須避免物種單一，實現生物多樣性，從而保證重建的植被系統的穩定性。

遵循這一原理，基于對植物重金屬耐性機制與耐性物種選擇和原生演替的研究成果，根據礦業廢棄地的生境情況，充分考慮到生物多樣性，提出了植物配置以草本為主，灌木次之，小喬木為輔為原則，并按照不同植物地上地下部分的分層布局，充分利用多層次空間生態位，盡量避免兩個植物物種間直接相互競爭，使有限的光、氣、熱、水、肥等資源得到合理利用，同時又可產生為動物、低等生物生存和生活的適宜生態位，最大限度地減少資源浪費，增加生物產量，從而保證整個植被系統的穩定性(表2)。

表2 大寶山礦區植物種類匯總

4.2.3 防治重金屬污染的原理

土壤中重金屬可分為可利用態、潛在可利用態以及不可利用態3種類型。土壤有效態重金屬主要是指可利用態的重金屬。礦業廢棄地造成的重金屬污染主要是以含重金屬的地表水形式排放遷移，而地表水中重金屬主要是來自土壤有效態重金屬，兩者存在很高的相關性。雨水在流經土壤時會將土壤中的有效態重金屬溶出，這是地表水中重金屬的主要來源。

通過前面的多項措施控制酸化，提高廢棄地土壤pH值，能夠有效地降低重金屬溶出，從源頭降低對周邊造成污染的重金屬總量。此外，根據以上原理添加的石灰以及其他改良材料，也能夠通過拮抗、螯合作用等降低重金屬的毒性。最后，通過上面原理建立的穩定存在的植被系統實現長期有效地降低重金屬污染。植物穩定主要是指通過耐性植物根系分泌物質來積累和沉淀根際圈重金屬，使其失去生物有效性，以減少污染物質的毒害作用。但更重要的是利用植物在污染土壤上的生長來減少污染土壤的風蝕和水蝕，防止重金屬向下淋移而污染地下水或向四周擴散進一步污染周圍環境。通過前期研究，已選出數10種適宜在金屬礦山生長的重金屬耐性植物。此外，植物還能通過根際微生物、重金屬的酸-堿反應、氧化-還原反應、絡合-解離反應、吸附-解吸反應等行為，使重金屬的形態發生變化，促進重金屬從溶解態向固定態或低毒形態轉化，從而進一步降低重金屬污染。

4.3 礦山廢棄地治理效果

礦山廢棄地治理效果見圖5、6。

圖5 大寶山廢棄礦區生態恢復項目實施一年后對比

圖6 廣東大寶山礦中東部排土場生態治理二年后對比

5 結論

廣東省大寶山礦新山片區歷史遺留礦山生態恢復治理工程，整體采用國際領先水平的“原位基質改良+直接植被”技術方案。區域土壤和地表水污染情況均得到有效治理，在植被恢復效果方面，項目區域現已被綠色覆蓋，初步形成多種植物匹配互長的生長態勢，有效地防止了水土流失，顯著提升了新山片區生態環境質量，對于韶關市建設國家山水林田湖草試點城市和土壤污染綜合防治先行區均具有十分積極的促進作用，對于保障下游北江清遠段及佛山段飲用水源保護區的水質安全具有重要意義。