微生物在露天礦高陡坡面生態修復中的應用與展望

摘要：露天礦高陡坡面的開采活動導致了嚴重的生態破壞，諸如土壤退化、重金屬污染及水土流失等問題顯著增加了生態修復的難度。綜述了露天礦高陡坡面生態修復面臨的關鍵挑戰，系統分析了微生物在土壤改良、重金屬污染控制及與植物協同作用中的機制。微生物通過分解有機質、形成團粒結構、固定和轉化重金屬，顯著改善土壤結構，增強保水能力，并降低重金屬的遷移性和生態毒性。同時，微生物與植物共生的協同作用顯著提升了植被恢復的成功率，促進了生態系統的重建。結合典型案例分析，說明微生物修復技術在無客土條件下展現出卓越的修復效果，特別是在重金屬污染嚴重的區域。提出未來的發展方向應聚焦于菌種篩選優化、修復策略調整及技術標準化的建立，以推動微生物修復技術在礦區生態修復中的廣泛應用。

關鍵詞：微生物修復；露天礦；高陡坡面；土壤改良；重金屬污染；生態恢復

中圖分類號：TD167""""""""" 文章編號：1001-1277（2024）12-0013-07

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20241203

引 言

露天礦高陡坡面的開采活動通常伴隨著大規模的地表擾動，導致嚴重的生態破壞［1］。這些坡面在礦石開采過程中被剝離，土壤流失和植被破壞成為常態［2-3］。隨之而來的水土流失、土壤退化及重金屬污染，使得局部生態系統失去自我調節和恢復能力［4］。這些環境問題不僅局限于礦區內部，還會影響周邊區域的土壤質量和水資源，導致水系污染、土地荒漠化和生物多樣性減少［5-7］。隨著時間推移，生態破壞對區域氣候調節、碳吸收等生態服務功能也產生了深遠影響，迫切需要生態修復措施來應對這一挑戰［8］。

露天礦高陡坡面生態修復面臨復雜且多重的技術和資源挑戰。首先，由于大部分表土層在開采過程中已經流失，土壤嚴重貧瘠，缺乏必要的養分和有機質，植物很難在這樣的環境中定植［9］。陡峭的地形進一步加劇了土壤結構的脆弱性，導致水土流失加速［10］。其次，露天礦區普遍存在的重金屬污染，不僅破壞了土壤的生態功能，還阻礙了微生物和植物的正常生長，傳統的物理和化學修復手段難以同時應對這些復雜的生態問題［8，11-12］。此外，極端氣候條件，如頻繁的干旱和暴雨，更為生態修復增加了難度［13］。因此，土壤貧瘠、地形復雜、污染嚴重與氣候極端等多重因素的疊加，顯著增加了露天礦高陡坡面生態修復的難度和成本。

在應對這些復雜問題時，微生物修復技術展現出了獨特的優勢。微生物通過分解土壤中的有機物質，恢復土壤養分的循環，進而改善土壤結構，增強其保水性和肥力［9］。此外，微生物還能通過生物吸附和代謝反應，將重金屬固定或轉化為無毒或低毒形態，顯著降低其生態毒性，為植物恢復創造了更安全的生長環境［14］。這種技術不僅能在無客土條件下獨立應用，還能與植物修復技術相結合，形成微生物-植物協同作用，進一步加速植被恢復和生態系統重建［15］。與傳統的工程修復手段相比，微生物修復技術具有成本低、操作簡便、環境友好的優點，并且可以長期維持生態系統的穩定［16］。本文詳細探討了微生物修復技術在土壤改良、重金屬污染控制和植被恢復中的作用機制，并結合國內外典型修復案例，展示其在露天礦高陡坡面生態修復中的應用效果。同時，分析了微生物修復技術在不同生態條件下的適應性和推廣潛力，為未來生態修復工作提供理論基礎和實踐參考。

1 露天礦高陡坡面生態修復面臨的關鍵挑戰

露天礦高陡坡面生態修復工作極為復雜且充滿挑戰［17-18］。這主要是由于其生態環境的脆弱性和惡劣的地理條件，使得這些坡面在開采后通常面臨顯著的生態退化問題。開采活動導致土壤貧瘠、重金屬污染、水土流失等生態問題相互交織，極大地增加了修復工作的難度［19］。此外，極端氣候條件的頻繁干擾進一步加劇了生態系統的恢復難度［20］。為此，本文詳細分析了露天礦高陡坡面生態修復中面臨的六大關鍵挑戰，以期為生態修復技術的應用與優化提供理論參考和實踐依據。

1.1 土壤退化

露天礦高陡坡面的開采導致表土層的嚴重流失，破壞了土壤的物理結構和團粒結構，使得土壤松散且營養缺乏［10］。土壤有機質含量顯著降低，導致肥力不足，植物難以獲取生長所需的養分，無法實現自然定植與恢復。這種土壤退化的惡性循環進一步降低了生態系統自我修復能力，尤其是在坡面條件下，土壤易被侵蝕，修復難度不斷增加［21］。因此，土壤改良的核心任務是增加有機質、穩定土壤結構，并提高其保水和供肥能力，從而為后續的植物恢復創造有利條件。

1.2 重金屬污染

重金屬污染是露天礦高陡坡面生態修復中的主要障礙之一，礦石開采和加工過程中釋放的重金屬元素（如鉛、鋅、鎘）通過地表徑流或土壤滲透積累，對土壤和水體造成長期的生態毒性［22］。這些重金屬難以自然降解，不僅抑制植物的正常生長，還破壞了土壤中的微生物群落結構，進一步阻礙了生態系統的恢復。此外，重金屬通過食物鏈傳遞，對更高營養級生物，包括人類，產生了潛在威脅。因此，控制重金屬污染是礦區生態修復的核心任務之一，需通過微生物固定、植物萃取及土壤改良等措施降低重金屬的遷移性和生物有效性。

1.3 水土流失

露天礦高陡坡面因坡度陡峭、植被破壞導致水土流失嚴重，雨水沖刷下，大量土壤顆粒被帶走，使得土壤貧瘠并造成下游區域淤積和水體污染［1］。水土流失的直接后果是土壤進一步退化，土壤養分大量流失，植被恢復變得更加困難。嚴重的水土流失也會影響礦區的地形穩定性，增加修復難度，同時還會帶來重金屬污染的遷移問題，使污染擴展到礦區外的更大范圍［23］。因此，防止水土流失是高陡坡面生態修復的優先任務之一，可以通過工程措施（如坡面加固）與生物措施（如植被覆蓋）相結合，達到穩定坡面、減少水土流失的目的。

1.4 極端氣候

極端氣候條件，如干旱、高溫和暴雨，對露天礦高陡坡面的生態修復工作產生了顯著影響。干旱和高溫會降低土壤水分含量，抑制植物和微生物的生長和繁殖，而暴雨則加劇了水土流失和重金屬污染的遷移，破壞了土壤的生態平衡［24］。這些極端氣候條件的頻繁發生，使得修復工作復雜化，不僅影響了植物的生長，也對微生物的代謝活動造成了抑制［25］。因此，針對極端氣候的適應性修復措施，如耐旱植物和耐高溫微生物的使用，是礦區生態恢復的重要策略。

1.5 植物定植困難

植物定植是露天礦高陡坡面生態修復的關鍵環節，但由于土壤貧瘠、重金屬污染和水土流失的共同作用，植物成活率極低［26］。貧瘠土壤無法提供足夠的養分，重金屬毒性抑制根系發育，而水土流失使幼苗根系難以穩固扎根［27］。這些問題疊加，導致植被恢復進展緩慢且成效不佳。提高植物定植成功率需要結合多種手段，如增加土壤有機質、降低重金屬毒性、選擇抗逆性植物，并結合工程措施減少水土流失。

1.6 微生物生態系統失衡

露天礦高陡坡面微生物生態系統通常表現出多樣性降低、群落數量減少及生態功能受損等特點（如圖1 所示）。重金屬污染和土壤貧瘠導致微生物種類和數量大幅減少，削弱了土壤中養分的分解與循環，影響了土壤改良及植物生長［28］。此外，微生物減少使得重金屬污染難以通過自然途徑得到有效固定和轉化，進一步加劇了生態失衡。因此，恢復微生物群落的多樣性和數量是礦區生態修復的重要內容，可以通過引入外源微生物和菌根共生技術有效促進土壤微生物生態系統的恢復。

2 微生物在露天礦高陡坡面生態修復中的作用機制

鑒于上述生態修復的挑戰，微生物因其在土壤改良和污染控制中的獨特作用，成為應對這些困難的重要解決方案。微生物作為生態系統的重要組成部分，通過其獨特的生物化學功能在土壤改良、重金屬污染控制及與植物的協同作用中發揮了重要作用［29-30］。微生物能夠分解有機質、促進養分循環，并通過復雜的生物地球化學過程固定或轉化重金屬，同時與植物形成互利共生體系，提高植物對不良環境的適應能力［31］。本文深入探討微生物在這些方面的具體作用機制，以揭示其在露天礦高陡坡面生態修復中的多重效應與潛力。

2.1 微生物對土壤改良的作用機制

微生物在土壤改良過程中扮演著關鍵角色，其主要通過分解有機質、恢復土壤養分循環、促進土壤結構穩定化等一系列機制發揮作用［32-33］。首先，微生物具備強大的有機物分解能力，通過分解動植物殘體、枯枝落葉及其他土壤中沉積的有機質，將其轉化為植物可吸收的養分（如氮、磷、鉀等）。這一過程不僅能夠顯著提高土壤肥力，還為植物生長提供了必要的養分支持。其次，在露天礦高陡坡面，由于土壤流失和礦產開采造成的營養物質匱乏，微生物的這一功能顯得尤為重要［1］。貧瘠土壤中的微生物能夠通過持續分解有機質，補充土壤中的養分，幫助恢復其自然生產力。

除了養分供應，微生物還通過分泌多糖類物質等胞外聚合物，幫助土壤顆粒聚集形成團粒結構［34］。團粒結構是土壤改良的核心要素之一，能夠有效改善土壤的通氣性、保水性和抗侵蝕能力。團粒結構的形成使得土壤的孔隙結構更為穩定，這對于露天礦高陡坡面的水土保持至關重要［35］。此外，微生物的代謝活動還能夠通過改善土壤的物理性質，如增加土壤的滲透性、抗壓能力，使土壤具備更強的結構穩定性，減少水土流失的風險。這些過程共同作用，為植物提供了更加適宜的生長環境，從而有助于實現土壤和植被的自然修復。

2.2 微生物在重金屬污染控制中的作用機制

礦區開采過程中釋放的重金屬元素（如鉛、鎘、鋅等）通過滲流和地表徑流，嚴重污染了土壤和水體（如圖2所示）。微生物可通過一系列生物地球化學過程，有效固定、轉化或降解這些重金屬，減少其對生態環境的毒性［36］。首先，微生物能夠通過生物吸附、絡合及生物沉淀等機制將重金屬離子固定在土壤顆粒表面，減少其遷移性和生物有效性。例如：某些細菌和真菌能夠通過細胞壁上的功能團吸附重金屬離子，從而降低其生態毒性。其次，微生物能夠通過氧化還原反應將有毒重金屬轉化為更穩定、低毒或無毒的化合物。例如：硫酸鹽還原菌能夠將溶解態的金屬離子還原為金屬硫化物，通過沉淀的方式將其固定在土壤中，顯著減少了金屬離子的遷移性［37］。這一過程不僅減少了土壤和水體中的重金屬污染，還為植物創造了更安全的生長環境。此外，微生物的代謝活動，還可以生成各種有機酸和多肽，這些物質能夠進一步促進土壤中微生物的繁殖與群落恢復，增強土壤的生態自我修復能力［38］。這種動態的生態平衡恢復機制，使得微生物不僅能控制重金屬毒性，還能為整個土壤生態系統的健康提供保障。

2.3 微生物與植物協同作用機制

微生物與植物的協同作用是露天礦高陡坡面生態恢復的核心策略之一［39-41］。微生物不僅通過改善土壤環境促進植物生長，而且還能夠通過與植物根系的共生關系，增強植物對惡劣環境的適應能力。首先，根際微生物通過分解土壤中的有機質，持續為植物提供所需的營養物質（如氮、磷、鉀等），這在貧瘠的礦區土壤中尤為重要。微生物能夠通過代謝活動釋放養分，幫助植物在貧瘠、干旱和重金屬污染嚴重的環境中扎根并順利生長。其次，微生物通過與植物根系形成共生關系，如菌根共生，可以顯著增強植物的養分吸收能力，尤其是在資源匱乏的環境下。菌根共生網絡通過擴大植物根系的吸收范圍，使植物能夠更高效地獲取土壤中的水分和養分，從而提高植物對逆境的耐受性。此外，某些微生物還能夠通過分泌有機酸或合成特定的酶類，幫助植物吸收并固定土壤中的重金屬，減少重金屬對植物的毒害作用。這種協同效應，不僅有助于植物在污染嚴重的坡面土壤中定植，還加速了整個生態系統的恢復過程。

通過微生物與植物協同作用機制，露天礦高陡坡面的生態恢復能夠實現更為穩定和持續的效果。微生物在土壤改良、養分供給、重金屬毒性緩解等方面與植物相互促進，共同應對惡劣的礦區環境，從而為整個生態系統的重建奠定了堅實基礎。

3 微生物修復技術在露天礦高陡坡面修復中的應用與推廣

微生物修復技術在露天礦高陡坡面生態修復中展現出了巨大的應用潛力，尤其是在無客土條件下，其在土壤改良、重金屬污染控制及植被恢復方面的優勢得到了廣泛關注。通過分析國內外典型修復案例，探討微生物修復技術的應用效果，并討論該技術在不同條件下的適應性及面臨的挑戰。

3.1 國內外露天礦高陡坡面微生物修復工程案例

典型露天礦高陡坡面微生物修復工程應用案例如表1所示。從表1可以看出：國內外在該領域的研究展現出明顯的區域差異。國外傾向于在無客土條件下，利用多種微生物群落實現低成本、高效能和可持續性的修復方案［42-46］。這些國家積累了豐富的技術推廣經驗，重視微生物多功能性的應用。相比之下，國內盡管起步較晚，但近年來在各大礦區積極推進微生物修復技術試驗和應用，尤其關注土壤質量提升和污染物控制，研究體系也在逐步完善中［39-41，47-50］。

此外，在實際應用中，根據礦區的具體環境特征進行微生物修復技術調整和優化。例如：在加拿大不列顛哥倫比亞煤礦，廣泛應用了降解菌與微生物生物膜聯合修復技術，有效提升了土壤持水能力和坡面穩定性，同時緩解了煤礦廢棄物造成的污染問題［46］。而在巴西米納斯吉拉斯州鐵礦區，微生物生物膜技術用于控制土壤酸性和重金屬污染，通過增強土壤微生物多樣性，改善了土壤結構并實現了污染物的穩定化［45］。國內案例同樣展現了微生物修復技術的靈活性和適應性。例如：在中國安太堡露天煤礦，利用硫氧化細菌和金屬還原菌來處理重金屬污染并改善土壤肥力，有效控制了坡面土壤退化問題［49］。此外，中國青藏高原高山采礦區通過引入變形菌和厚壁菌群落，增加了土壤微生物多樣性，使得土壤在高海拔和極端氣候條件下得到顯著改善［48］。這些案例表明，微生物修復技術在不同地質和氣候條件下具有高度的適應性，能夠有效應對復雜的礦區生態修復挑戰。

通過分析這些典型案例可以發現，微生物修復技術在無客土條件下應用展現了顯著成效，尤其在控制重金屬污染、改善土壤肥力及支持植被恢復方面。這些修復技術通過微生物群落的生物化學特性，有效解決了礦區生態修復的多重挑戰，為未來的廣泛應用提供了實踐依據。總結國內外技術的應用差異和成效，微生物修復在全球礦區生態恢復中具備極大潛力，豐富了該領域的科學知識，并為未來研究與實踐奠定了堅實基礎。

3.2 微生物修復技術在露天礦高陡坡面生態修復中的適應性分析

微生物修復技術因其靈活性和多功能性，在高陡坡面的修復中表現出一定的適應性。不同微生物在不同環境條件下表現出較強的生物功能，如在貧瘠土壤中的有機質分解、重金屬污染環境中的毒性緩解等。微生物的適應性體現在其對土壤條件、重金屬污染環境及與植物共生等多種生態因素的適應能力。

在土壤條件方面的適應性：露天礦高陡坡面普遍存在土壤貧瘠的問題，微生物能夠在此類貧瘠環境中存活，并通過分解有限的有機質維持代謝活動。特定的微生物菌種，如固氮菌，能夠在缺乏氮源的情況下，通過固定大氣中的氮為土壤補充養分。這種特性顯著增強了微生物在營養匱乏礦區土壤中的適應能力。

在重金屬污染環境中的適應性：微生物在重金屬污染土壤修復中發揮著重要作用，尤其是某些特定菌種能夠通過生物吸附、絡合和沉淀等機制固定重金屬，防止其向周圍環境擴散。此外，耐金屬菌種還能夠通過代謝將重金屬離子轉化為無毒或低毒形態，從而顯著降低其生態毒性。這使得微生物修復技術在重金屬污染的露天礦區表現出較強的修復適應性。

在與植物共生方面的適應性：微生物與植物根系形成共生關系，顯著提高了植物在惡劣環境中的生存能力。通過菌根共生系統，植物能夠更有效地吸收水分和養分，從而增強其對不良環境的耐受性。這種共生機制不僅增強了微生物的修復效果，還能夠在植物修復技術中發揮協同作用，特別是在缺乏土壤改良物質的露天礦區環境中。

3.3 微生物修復技術在露天礦高陡坡面生態修復中的應用潛力

微生物修復技術在露天礦高陡坡面的應用潛力廣闊，尤其在礦區生態環境受損嚴重的情況下，其獨特的生物修復機制展現了顯著優勢。通過微生物的自然代謝過程，修復技術能夠有效改善土壤結構，促進有機質分解和養分循環，為植物生長創造更適宜的條件。與傳統的工程手段相比，微生物修復具有低成本、環境友好、可持續等優點，尤其適用于生態脆弱的礦區。此外，菌種培育和工業化生產的推進為該技術的廣泛應用奠定了基礎，提升了其在大規模礦區生態修復中應用的可行性。

微生物修復技術的靈活性和多功能性進一步擴大了其應用潛力。它不僅可以獨立發揮修復作用，還能夠與其他修復方法協同使用。例如：微生物與植物修復技術結合，通過微生物改善土壤環境并幫助植物根系扎根，能顯著提高植被的定植率和生長速度。在污染較為嚴重的礦區，微生物的重金屬吸附、固定及轉化能力，為生態系統的重建提供了一個更為安全的環境，提升了整體修復效率。此外，微生物修復技術還可以根據不同礦區的地質和氣候條件進行調整和優化，進一步增強了技術的適應性。

微生物修復的推廣還依賴于技術標準化流程的建立和完善的監測體系。通過統一的操作流程和效果評估標準，可以提高不同礦區之間的技術可復制性，確保修復工作的質量和穩定性。同時，生態監測體系能夠實時評估修復效果，根據監測結果動態調整修復策略，保障技術的長期效果。這些因素使得微生物修復技術在礦區大規模應用中具備廣泛的潛力，并逐漸成為露天礦高陡坡面修復的核心手段。

4 結論與展望

1）通過對露天礦高陡坡面生態修復的主要挑戰及微生物修復技術的深入分析，探討了微生物在土壤改良、重金屬污染控制及與植物協同作用等方面的作用機制。露天礦開采引發的土壤退化、重金屬污染、水土流失及極端氣候的影響，顯著加大了生態系統的修復難度。微生物因其在貧瘠土壤中的有機質分解和重金屬毒性緩解等功能，展現出極大的修復潛力。在土壤改良過程中，微生物通過分解有機質、形成團粒結構和增強土壤保水能力，為植物生長提供了更加穩定的環境。在重金屬污染控制方面，微生物不僅能夠吸附和固定重金屬，還可通過代謝將重金屬轉化為無毒或低毒形態，顯著降低其遷移性和生態毒性。與此同時，微生物與植物之間的協同機制大大提高了植被恢復的成功率，為露天礦生態修復的穩定性提供了保障。

2）微生物修復技術的推廣和應用，尤其是在無客土條件下，能夠有效應對露天礦高陡坡面生態修復中的多重挑戰。通過與植物修復技術的結合，微生物修復技術不僅降低了修復成本，還加快了生態系統的自然重建進程。微生物修復技術在不同礦區條件下均表現出較強的適應性，尤其是在重金屬污染嚴重的區域，其修復效果顯著。因此，微生物修復技術在露天礦高陡坡面生態修復中的應用潛力廣闊，具有重要的實踐價值。

3）盡管微生物修復技術在露天礦高陡坡面的生態修復中展現出巨大潛力，但仍有許多關鍵問題需要解決和優化。首先，針對不同礦區的地質、氣候及污染狀況，如何優化微生物菌種的篩選和修復策略仍然是技術發展的重點。為提升微生物修復的適應性和效果，亟須開發能應對極端氣候和高污染環境的耐受性菌種。此外，菌種的規模化生產和供應鏈管理是確保微生物修復技術大規模應用的關鍵環節。未來，微生物修復技術與其他生態修復方法的結合將進一步提升修復效果，特別是與植物修復、工程修復技術的協同作用，將為礦區生態重建提供更全面的解決方案。同時，在修復過程中建立標準化流程和生態監測體系，對于確保修復工作的長期穩定性和可持續性至關重要。通過有效的監測和反饋機制，及時調整修復策略，不僅可以提高技術效率，還能確保修復效果的持續性。綜上所述，微生物修復技術在露天礦高陡坡面生態修復中具有廣泛的應用前景，未來研究與應用的重點將集中于技術的優化、推廣及與其他修復方法的整合，為礦區生態修復提供更具實效性和可持續性的解決方案。

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Application and prospects of microorganisms in ecological

restoration of high and steep slopes in open-pit mines

Abstract：Mining activities on high and steep slopes of open-pit mines have led to severe ecological damage，including soil degradation，heavy metal pollution，and water and soil erosion，making ecological restoration highly challenging.This paper reviews the critical challenges in restoring high and steep slopes and systematically analyzes the mechanisms by which microorganisms improve soil，control heavy metal pollution，and interact synergistically with plants.Microorganisms enhance soil structure，and water retention，and reduce heavy metal mobility and toxicity by decomposing organic matter，forming aggregates，and immobilizing and transforming heavy metals.Their symbiotic relationship with plants significantly increases vegetation recovery success rates and accelerates ecosystem reconstruction.Case studies highlight the superior restoration outcomes of microbial technologies without topsoil，particularly in areas heavily polluted by heavy metals.Future development directions should focus on strain screening optimization，restoration strategy adjustment，and standardized methodologies establishment to promote the broad application of microbial technologies in mine ecological restoration.

Keywords：microbial restoration;open-pit mine;high and steep slope;soil improvement;heavy metal pollution;ecological restoration