大寶山礦山歷史遺留生態恢復成效及治理經驗分析

陳 濤

(廣東省大寶山礦業有限公司，廣東 韶關 512127)

1 引言

礦山開采為我國經濟社會發展提供了大量工農業原材料，但同時也不可避免地帶來了一系列伴生問題。據統計，全國礦山開采占用損毀土地已達300多萬hm2，且每年都在以3～4萬hm2的速度增加[1]。礦山能夠通過廢渣、粉塵和廢水等多種介質將重金屬污染輸入到周邊區域環境中，導致水體污染、農田土壤重金屬超標等系列嚴重問題，使得周邊居民的身體健康受到影響[2～4]。礦山作為環境重金屬污染源頭防控的重點環節，必須及時開展有效治理[5]。此外，礦山開采引發的問題還包括土地占用、生態環境破壞、水土流失、景觀碎裂化等[6,7]。在礦山類別方面，我國采礦歷史悠久，各類歷史遺留礦山占礦山待治理面積的比重較大，達到60%以上[8]，其中大部分屬于無主礦山，亟需采取有效措施。基于經濟環保的優勢特點，生態恢復成為目前治理礦山環境問題的主要模式，其又分為間接植被(包括客土或覆膜隔離植被等方式)和直接植被2種技術方式。間接植被存在取土困難、運土成本高、二次環境破壞等缺陷，使得直接植被越來越成為優選的方式[9]。過往研究人員圍繞礦山生態恢復過程中的邊坡整治、土壤改良、固廢應用、植物品種的選擇和效益評價等多個方面展開了工作[10～14]，促進了相關治理技術的發展。在技術應用上，姚志龍等[15]在襄陽真武山歷史遺留采石場裸露山體坡面采用掛網、坡頂種植懸垂植物、坡腳種植攀援植物對坡面進行綠化，施工后坡面復綠效果好，綠化率高；周航彬等[16]在金華市廢棄石料礦針對不同類型區域，分別采用緩坡種植、客土噴播、藤蔓植物種植、水生植物種植等方式，綠化覆蓋率由30%上升至90%以上，營造了良好的生態環境。但總體而言，大多數相關研究仍處于室內試驗或野外小試階段，并且受礦山土壤本底的極端理化條件帶來的難度，目前對于歷史遺留礦山成功治理工程案例的報道仍較少，特別是缺乏金屬礦山類型以及直接植被治理方式的工程案例報道。

近年來，國家密集發布了多項政策文件，均提出要加快推動礦山治理工作，總結礦山治理成功案例經驗可以有效地提供借鑒和參考。近期，廣東省大寶山礦業有限公司在新山片區成功實施了歷史遺留礦山生態恢復工程(一期)項目，通過采用基于微生物群落調控的“原位基質改良+直接植被技術”，實現了重金屬酸性礦山土壤上直接植被治理，并經歷了4年的效果驗證。綜合上述背景，以大寶山礦新山片區一期項目為例，通過分析相關的治理思路和實施成效并總結相關的經驗模式，以期為國內同類型歷史遺留礦山的生態恢復工作提供經驗借鑒。

2 大寶山礦新山片區概況及治理的重難點

2.1 新山片區概況

新山片區歷史遺留礦山區域位于大寶山礦區露天采場的南東側，總面積約90 hm2，1980年以前為林地，不在大寶山礦的礦權范圍。從1984年開始，當地民采盜采活動興起并逐漸發展為對礦產資源的大肆掠奪，歷史上新山片區出現的非法礦窿達119條、選礦廠8個、洗礦點20多個，對礦區生態環境及下游水環境造成了嚴重破壞[17]。據統計，從1984～2005年，僅新山片區排入到李屋攔泥庫中的各種固體廢棄物就達900萬t以上，每年產生的含重金屬廢水約為170.6萬t。2005年后，各級政府對民采盜采行為進行了嚴厲打擊；2015年后，大寶山礦將新山片區礦權整合，并以國企擔當的責任感主動承擔了該區域的環境整治工作。

新山片區歷史遺留礦山主要由廢棄的溝道、民采露采場和排土場組成，歷史上長期的民采盜采使得該區域地形地貌景觀已遭到破壞，水土流失問題非常突出，成為威脅大寶山礦及周邊區域生態環境問題的最主要風險來源，嚴重影響到礦區安全生產、周邊居民健康和下游農作物質量[18,19]。

2.2 治理的重難點分析

新山片區嚴峻的生態環境風險使得治理工作迫在眉睫，但由于歷史遺留的各項問題和該區域本底土壤的極端性質，導致生態恢復治理技術難度極大，主要表現在以下幾個方面，相關指標數據見表1。

2.2.1 極端酸性和重金屬問題

新山片區土壤含有大量低價的金屬硫化物，在氧氣、水和鐵硫氧化微生物的作用下長期氧化產酸，導致大部分區域土壤pH值降低至3.0以下，初步調查結果平均值為2.65，EC值高達1810 μS/cm，呈極端酸性，并進一步造成土壤中的原本穩定的重金屬大量溶出。同時，初步調查結果也顯示該區域的重金屬含量很高，其中總鉛、總鋅、總銅分別為5480 mg/kg、824 mg/kg和704 mg/kg。極端酸性與重金屬毒性會導致植物種子難以萌發，嚴重影響植物的生長定居并造成植被退化問題，使得區域裸露。土壤中高比例的鐵硫氧化微生物導致治理后的區域極易發生返酸問題，影響植被系統的長期穩定性。張世文等[20]對大寶山礦區的研究結果也表明，長期的礦業開采活動造成了區域土壤酸化和重金屬富集等問題，開采區域相比其他區域生態修復優先級最高，其治理首要重點包括降低pH值和重金屬有效態含量、提高植被覆蓋度等。陳家棟等[21]對該礦區的調查結果同樣顯示，大部分區域土壤的重金屬含量都高于國家三級標準，其中露采區的Cu、Cd、Zn、Cr含量最高。

2.2.2 酸性礦山廢水污染問題

過往民采和民選產生的廢土、廢石和尾礦大多在地表進行就地堆放，未進行有效的防護措施，一遇雨天，產生的民窿廢水、尾礦水和沖刷的廢土等在攔泥壩前形成了酸性水庫。暴雨時，雨水混合大量酸性、重金屬泥漿水排入下游李屋溪，對下游礬洞水、橫石水水質造成了極大的影響，下游地區農田也受到嚴重污染[22]。據初步調查結果，外排的酸性廢水pH值低至3.01，鉛、鋅、銅含量則分別達到0.82 mg/L、142 mg/L和21 mg/L，遠超標準限值。吳永貴等[23]的研究結果表明，大寶山礦民采攔泥庫溢出的酸性廢水使得下游河水毒性增強，并顯著破壞了水生生物的生存環境，致使下游水生態系統遭受嚴重破壞，影響范圍甚至到達下游50 km處。許超等[24]在大寶山下游酸性礦山廢水污灌區采集的21個水稻土樣品分析結果顯示：稻田土壤pH值呈酸性，主要為Cd和Cu為主的多金屬復合污染，有效態含量較高，會對農作物安全造成影響。

2.2.3 土壤侵蝕和地形地貌破壞問題

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，使得新山片區山體破碎、植被毀壞殆盡，造成了比較嚴重的土壤侵蝕與土壤環境問題[25]。勘察結果表明，土壤平均侵蝕模數達到2462 t/(km2·a)，邊坡穩定性系數為1.125，低于安全系數1.35，存在一定的滑坡風險。此外，新山片區原始地形地貌在長期無序民采活動中破壞較嚴重，地表形變范圍大，程度較嚴重；地面塌陷、滑坡和泥石流等地質災害潛在風險突出。區域內以中低山丘陵地貌為主，中度、強度和極強度侵蝕以大斑塊狀鑲嵌在其中，劇烈侵蝕和極強度侵蝕區主要集中在區域內中低山地的工礦用地，絕大多數為礦山開采區及排土場等堆積區。

2.2.4 水土流失嚴重問題

區域內原始的清污分流工程、防洪工程措施不完善，在控制水土流失的作用方面甚微，周圍山體匯水面積大，造成水土流失問題極為突出。由于排土場未設置任何防護措施以及長期無序民采的掠奪性開采，造成外圍西部、西南部水土保持狀況很差。從表1結果可以看出，地表侵蝕造成的水土流失相當嚴重，為重度流失區，水土流失面積合計占總面積的52.9%，對地質環境造成了嚴重影響[5]。大量廢水、泥沙流入下游的攔泥庫和尾礦庫，造成庫容迅速減少，李屋攔泥庫的實際使用壽命甚至比設計使用時間減少了近40年[17]。

表1 新山片區治理重難點的相關指標數據

綜上，新山片區歷史遺留民采區采礦場、排土場等占地面積廣，對土壤、水質環境質量影響大，地形地貌景觀破壞問題嚴重，礦區及外圍存在大量水土流失，土地資源壓占、地質災害等礦山地質環境問題突出，植物在現有條件下難以生長，生態環境條件惡劣，治理技術難度極大。

3 大寶山礦新山片區治理思路及成效

3.1 治理思路

大寶山礦新山片區歷史遺留礦山區域面積大，治理難度高，采取何種有效可行的植被重建措施，是該區域重金屬酸性土壤污染治理的關鍵和亟待解決的問題[26]。針對上述問題，廣東省大寶山礦業有限公司進行科學部署，分多期工程實施對新山片區范圍進行生態恢復治理，其中新山片區(一期)項目治理面積為25萬m2。

在治理思路方面，如前所述，有直接植被和間接植被兩種方式可以選擇。向慧昌等[27]通過分析大寶山礦區生態影響并識別生態恢復限制性因素，認為土壤是制約廢棄地生態恢復的關鍵因素，提出“客土覆蓋+土壤改良+植被恢復”的間接植被方案，并進行了小試，取得較好的效果。但在實際實施中，因項目治理面積大，難以尋找到足夠數量的土源，并且還會對取土點造成環境破壞，運輸費用造成的成本提高也是需要考慮的問題。綜合考慮比選下，該項目最終采用直接植被的治理思路，針對新山礦區治理的重難點問題，在打擊非法民采民選、封堵民采盜采礦窿基礎上，緊緊圍繞“控源截污+植被恢復”的方針開展源頭治理，主要治理技術路線見圖1。相關工作包括：①新建民窿廢水收集工程收集酸性廢水納入污水處理廠管網；②新建清污分流工程，建設截排水溝，合理排洪與分流，減少鐵龍新山片區周邊山體清水流入李屋攔泥庫，從源頭上減少廢水產生量；③對歷史遺留礦山實施生態恢復治理工程，采用基于微生物群落調控的“原位基質改良+直接植被技術”重建該區域植被系統，并實現該區域生態環境的整體改善。項目整體實施時間為2018年4～10月份。

圖1 大寶山礦新山片區歷史遺留礦山治理技術路線

“原位基質改良+直接植被技術”是直接植被方式，不改變礦業廢棄地的地形與土壤結構，無需覆土，在原位進行基質改良后，直接在礦業廢棄地上種植植物和撒播種子，柔性改良土壤結構、土壤理化性質，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，達到治理礦業廢棄地污染的目的，實現源頭控制重金屬污染[9]。在原位基質改良方面，基于廢棄物酸化機制與控制原理、廢棄地的基質改良等關鍵理論與技術問題的長期研究成果，通過調控微生物群落以及合理的改良材料添加，逐漸滲透到下層并改善下層的理化性質，使得下層條件逐漸得到提升，最終促使下層土壤的理化性質向正常土壤發展。在植被重建方面，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，充分考慮到生物多樣性，植物配置以草本為主，灌木次之，小喬木為輔的原則，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，保證整個植被系統的穩定性。在改良材料用量方面，具體為：石灰10 kg/m2，土壤改良基質15 kg/m2，土壤改良調節劑5 g/m2，抑酸微生物菌劑4 g/m2，無機肥1 kg/m2；在植物材料方面，具體為：喬灌草結合，營養袋苗的密度為2株/m2，種子用量為50 g/m2。

通過采用該直接植被技術，實施成本相比覆土植被等間接方式降低了40%左右，有效確保資金投入的效果產出，避免了取土覆土造成的二次環境破壞、影響坡面穩定性等各類問題，并且自維持、不退化，顯著降低了后期維護成本。

3.2 治理成效分析

項目實施后，新山一期項目區域土壤和地表水污染情況均得到有效治理，具體檢測結果見表2。可以看出，修復后土壤pH值顯著升高，由原始的2.60上升至中性以上，土壤潛在產酸能力明顯下降，NAG-pH由2.62上升至4.63，從強產酸水平變為基本不產酸；同時，有效鉛、有效鋅、有效銅含量相比原始土壤均顯著降低，明顯減少了鉛、鋅、銅等重金屬元素的溶出。以上治理效果主要來源于石灰、抑酸微生物菌劑等改良材料與植物固化的共同作用[28]。相比新山原始水樣，新山一期項目區域修復后的地表水樣pH值顯著升高，從2.69上升至6.12，重金屬含量顯著降低，其中鉛、鋅、銅、鎘的降低比例均達到90%以上，渾濁度數值明顯下降。通過新山片區歷史遺留礦山生態恢復一期工程及配套廢水處理設施，新山片區隨外溢水進入橫石水的含重金屬污泥每年削減約6萬t，橫石水水質得到有效改善，目前已從治理前的Ⅴ類水體穩定上升為Ⅲ類水體。

表2 新山一期項目修復前后土壤和水樣重金屬檢測數據結果

項目區域現已被植被覆蓋，形成多種植物匹配互長的生長態勢，已記錄的植物品種達到32種，涵蓋喬木、灌木、草本等，整體覆蓋度高達97%。這說明以喬灌草結合的多樣性配置模式進行植被恢復是最佳的方式，能夠顯著提升恢復效果，這與周鵬飛等[29]在該礦山的研究結果是一致的。項目實施至今已有4年，目前已從最初的草本群落演替為喬灌群落，優勢植物包括馬尾松(Pinusmassoniana)、苧麻(Boehmerianivea)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、大葉女貞(Ligustrumcompactum)、狗牙根(Cynodondactylon)等，并且未發生任何返酸退化問題，自維持、不退化的植被系統已初步成型，現場已觀察到鳥類回遷，區域生態環境質量顯著得到改善。以上優勢植物的結果可以為后期的同類型項目植物選種和配置提供有效的參考借鑒。項目實施顯著促進了新山片區歷史遺留礦山的減排增匯，促使其由“碳源”向“碳匯”轉變。

通過新山片區一期工程項目的實施，該區域向下游李屋攔泥庫流失的土壤量顯著降低，水土流失問題得到有效控制，成功經受了2019年、2020年連續創紀錄暴雨的考驗。目前，大寶山礦已完成新山片區的全面整治工作，整個新山民采區預計每年將減少周邊8 km2匯水面積，約500萬m3干凈水進入，地表徑流pH值上升至5以上，并通過李屋攔泥庫的排洪隧洞外排下游水體，水土流失情況基本消失，從而完全切斷其對李屋攔泥庫的影響。

4 大寶山礦新山片區治理模式

4.1 NAG試驗法快速預測土壤酸化

過去礦山生態恢復常根據土壤的現有酸性來計算土壤改良材料用量，并未考慮到其內部金屬硫化物后續氧化所帶來的潛在產酸，這會導致土壤改良措施在剛添加的一段時間內有效，但隨著潛在產酸的不斷釋放，改良的作用將不明顯，并出現返酸現象。本項目通過采用NAG-pH酸化快速預測技術，能夠在短時間內大規模地評估土壤的潛在產酸量，從而精準有效地計算改良材料的添加量，確保土壤改良效果的長期有效，為后期植被系統實現自維持、不退化奠定堅實的基礎[30]。

4.2 “控源截污+生態恢復”開展源頭治理

在控源截污方面，從源頭民采區的封堵礦窿、修建截水溝、土地平整、加高攔泥壩，到受納李屋攔泥庫的清污分流、排洪隧洞、清淤騰庫容，最后到下游應急壩攔截突發風險、污水處理廠徹底解決庫內廢水等，逐步解決礦山源頭的每個高風險點。在生態恢復方面，采用“原位基質改良+直接植被技術”不僅可以避免挖損周邊山體、保持項目區域的原本穩定性，并且可以一勞永逸地解決修復后土壤再返酸的問題；以生態學的思維開展生態恢復工作，最終可以實現項目區域形成與周圍環境相協調的自然生態景觀。

4.3 協同開展工作，開展長效評估

新山片區歷史遺留礦山治理工作涉及范圍廣、技術難度大。為了有效開展相關工作，大寶山礦與市環保局、科研院所等共建了“廣東省大寶山及周邊地區土壤環境污染修復聯合平臺”，形成了“環保部門為主導、大寶山礦為主體、科研院所為支撐、第三方單位長期評估”的工作推進方式。此外，資金問題也是困擾歷史遺留礦山治理的首要問題。在省市各級政府的努力下，大寶山礦積極爭取，申請到了中央重金屬專項、中央土壤污染防治專項、山水林田湖草專項、省級污染防治專項等資金，為新山片區歷史遺留礦山的源頭治理工作提供了重要的資金支持。最后，通過與科研院所合作開展相關研究，對項目實施效果進行長效評估，為后續項目提供技術和數據支撐。

5 結語

歷史遺留礦山的環境治理工作需求迫切，意義重大。大寶山礦新山片區歷史遺留礦山生態恢復工程(一期)項目通過采用“原位基質改良+直接植被技術”，取得了顯著的治理成效，并總結形成了一套歷史遺留金屬礦山的直接植被治理經驗模式。在后續的工作中，還將繼續加強對新山一期項目治理效果的跟蹤調查，不斷總結相關技術經驗，并拓展礦山碳匯的研究工作。該項目在實施和管理過程中的經驗模式能夠為同類歷史遺留礦山生態恢復治理項目提供參考，并助力我國礦山生態環境修復和雙碳工作。