重金属矿山废弃地生态恢复新技术的应用

吴启明

（江西铜业集团公司 德兴铜矿，江西 德兴 334200）

1 引言

金属矿山开采为人类社会发展和物质文明进步作出无可替代贡献的同时，又会产生十分复杂而又严重的环境问题。在矿山开采过程中，大量土地因失去利用价值而成为矿业废弃地，如排土场、尾矿、废石场、采矿区和塌陷地等［1］。据统计，全国矿山开采占用和损坏的土地面积已达165.8万hm2。如何在矿业废弃地上建立起稳定、安全、自维持的植被生态系统，不仅是国际生态环境研究领域的热点问题，也是我国当前生态环境保护所面临的紧迫任务，更是实现“绿水青山就是金山银山”绿色发展理念应优先关注的问题之一。

大多有色金属矿业废弃地土壤都含有较高的金属硫化物，而这些金属硫化物被氧化后能够生成硫酸，从而使得土壤酸化，加剧等重金属的溶出迁移，导致植物难以生长。有色金属矿业废弃地生态恢复是一个复杂的问题，是一项系统工程，涉及到生态、地质、土壤、林业、环境保护、毒理、美学、地理等多学科［2］，必须有多方面技术支撑。在生态恢复理论研究的基础上对有色金属矿山的实际情况进行综合研究［3］，寻找适合中国国情的，经济、有效的方式开展矿山生态恢复工程，是实现矿山科学、持续、发展的重要途径。

2 生态恢复技术应用现状

矿业废弃地所引起的环境问题在全世界范围内都广泛存在，尤其在一些矿产资源丰富的国家，这些环境问题尤为突出，各国从很早开始就重视矿业废弃地的治理问题，并进行了一系列相关的研究［4］。澳大利亚是一个重要的矿业大国，在矿业废弃地的生态恢复工作中已经走在了世界前列。该国要求采矿企业在矿山开采前就要进行环境影响评估，并且制定详细的恢复方案，并且实行开采与恢复工作同步进行，尽量减少对环境的影响。虽然国外已经对矿业废弃地的生态恢复相关技术做了很多研究，表土复原是常用的技术，但该技术仅适用于新开采的矿山，而我国历史遗留矿山众多，引入推广存在一定的局限性。

国内目前对看得见的生态破坏问题比较关注，对矿业废弃地污染控制问题缺乏科学理论指导和系统研究，技术形式单一，不能科学进行技术组合，技术模式经济可行性差。常规使用客土植被法、喷播植被法等方式对矿业废弃地进行生态恢复治理。但以上两种方法在实际操作过程中常常会遇到一些问题，导致恢复效果欠佳，恢复后返酸退化现象频发。其中可能的原因如下：

（1）客土植被法是指在矿业废弃地进行客土，类似的还有用城市污泥、生活垃圾等进行覆盖，形成隔离层，避免有毒有害物质影响上层植被。但在实际施工过程中，覆盖层太薄容易返酸，太厚导致施工操作因难；需要从别处采集大量土壤，土源问题难以解决，并且会造成二次环境破坏，在大面积恢复时实际可操作性差。

（2）喷播植被法是在矿业废弃地（主要是边坡）上喷射物理阻隔材料、化学稳定剂使之反应形成坚实外壳，或施加化学物质来络合重金属离子和碱性中和基质，选用粘土、河沙、秸秆粉碎料、珍珠岩等物理阻隔材料与植物种子混合均匀，选用专有设备进行喷洒，在重力作用自然入渗，从而形成稳定的隔水层，达到植物定居的目的。但这种属于硬性隔离，植物根系无法深入，因为植物材料喷播，无法调控种间植物生长关系，生物多样性无法保证，植被系统稳定性差，容易发生退化现象。

对于矿山酸性土壤面积极为广大的中国来说，这些方法缺乏大面积推广应用的可能。因此，只能是在借鉴国际矿山酸性土壤治理经验的基础上，发展适合我国国情、经济有效的治理技术。

3 德兴铜矿废弃地生态恢复新技术研究应用

3.1 德兴铜矿概述

德兴铜矿地处江西省上饶市德兴市境内，是江西铜业股份有限公司的主干矿山，是中国第一大露天铜矿，开采历史悠久，资源储备丰富，目前开采的有铜厂和富家坞两大矿体，为我国有色金属行业规模最大、技术和装备水平最高的样板矿山。“矿山发展，决不透支未来”，德兴铜矿上下已形成高度共识。德兴铜矿积极实施科技兴矿战略，坚持以技术创新和管理创新为动力的德兴铜矿绿色循环经济发展模式，与中山大学紧密合作，积极开展矿山废弃地生态恢复新技术的研究和应用，在国内率先取得了酸性重金属土壤上复绿的巨大成功。

3.2 生态恢复技术总体思路

图1 技术总体思路

重金属矿业废弃地“不覆土，原位基质改良+直接植被”生态恢复治理技术［5］，颠覆了原有技术的模式，用生态学的思想解决矿山环境问题，因地制宜，综合治理。在基本不改变原有的地形与土壤结构，无需覆土，在原位进行基质改良后，直接在矿业废弃地上种植植物和撒播种子，柔性改良土壤结构、土壤理化性质，通过调控微生物群落与控制产酸的微生物类群，重建一个人工或半人工的生态系统，通过植物稳定重金属，降低重金属的迁移性，达到治理矿业废弃地污染的目的，实现源头控制重金属污染，水土流失现象得到根本遏制，最终实现土壤环境的稳定与改善。项目集成七大技术，包括酸化预测控制技术（NAG-pH技术）、土壤重金属毒性控制技术、微生物群落调控技术、先锋植物与野生植物群落演替技术、土壤原位基质改良与熟化控制技术、水土保持与控制技术以及土壤种子库技术。

3.3 生态恢复技术原理

（1）控制产酸的原理。产酸是废弃矿业地含有的金属硫化物在氧气、水和产酸微生物的共同作用下发生的。在添加石灰中和现有酸性的基础上，通过在废弃矿业地表面覆盖专用土壤改良基质形成“耗氧层”，由于改良基质富含各种有机物质，能够通过氧化过程消耗氧气，因而减少废弃矿业地与氧气的接触，在缺乏氧气的情况下，废弃矿业地的产酸过程受到极大地抑制。

（2）控制重金属污染的原理。土壤溶液中的重金属离子毒性由于Ca2+的存在而趋于缓和，这种作用称为离子拮抗。Ca2+的存在能显著地降低植物对重金属的吸收。添加石灰除了具有中和酸性的作用以外，还能够显著降低废弃矿业地的重金属毒性。磷酸盐能够与各类重金属离子形成难溶的磷酸盐沉淀，从而降低重金属毒性，避免对植物生长造成影响。适当添加一些无机肥料尤其是磷肥来降低重金属毒性。

（3）改善营养结构的原理。有机改良基质富含养分，且养分释放缓慢，可供植物较持久的利用；含有大量的有机质，可以螯合部分重金属离子，缓解其毒性；可改善基质的物理结构，提高基质的持水保肥能力。作物的秸秆也被用作废弃地的覆盖物，秸秆还能改善基质的物理结构，有利微生物的生长，固定和保存氮素养分，促进基质中养分的转化。

（4）调控微生物群落的原理。高比例的产酸菌极大地促进了废弃矿业地的酸化，并且容易导致返酸现象的发生。通过添加石灰急剧改变废弃矿业地的pH，由于调节后的pH超出这些产酸菌的生长pH范围，因而产酸菌比例可以得到大幅降低。通过添加的微生物菌剂，引入与培育有益微生物，进一步降低产酸菌比例，发挥有益微生物的作用持续改良土壤。

3.4 生态恢复工程措施

原位整地：依山就势，保持原有地形地貌及边坡的固有稳定性，用最少的扰动确保边坡地形地貌自然态，结合施工道路修建及场地排水沟设置需要，就近挖高填低，平整与回填，合理调配土方。

边坡修整：边坡修整优先采用人工“之”字道路及放射状条沟作业，辅助修坡；因势造形，坡面修整只要能满足人工种植操作需要即可，尽量减少机械施工对坡体的负荷压力。

冲沟处理：“柔性”生态治理为主，“硬性”工程措施为辅［6］，采用生态短袋就近填充坡面的松散土体，40°安息角“品字型”堆叠构筑沟谷两侧生态袋墙，柔性拦截坡面冲刷体，以控制冲沟继续恶化为前提，模拟自然山体、自然沟壑进行修整。

截排水措施：因地制宜，因势利导，解决水力侵蚀问题；以较少的工程措施投入，发挥最大的治水效果；坡顶截水与地表排水进行截流与引流，场地内修筑排水系统将地表水引流出场外，汇集到总清污分流排洪渠。

土壤改良措施：采用物理、化学、生物的方法对土地备耕后的种植条沟、表土与深层土壤进行基质改良，改良深度为20cm，撒施酸碱中和剂、土壤改良复合基质、微生物菌剂等土壤改良物质，实施土壤改良过程前期酸化预测与土壤改良过程中的全过程酸化控制，全过程营造有益微生物生长的适宜环境，切断产酸微生物的生长繁育途径，引入与培育有益微生物，通过有益微生物的作用持续改良土壤。一般而言，对于土壤pH值在2.5～3.5之间的情况，改良材料的用量如下：酸碱中和剂80t/万m2，土壤改良复合基质160t/万m2，微生物菌剂2g/m2，无机肥10t/万m2。

植物品种选择、种植和抚育措施：采取种、播相结合，营养袋苗种植+撒播种子的方法，形成先锋植物、长期定居植物、短期植物、四季植物更替的人工群落系统。实行乔草灌、常绿与落叶植物相结合，快速形成覆盖表层土壤的植物群落。以当地强化的野生植物品种。选择的植物品种包括湿地松、樟树、木荷、大叶女贞、刺槐、盐肤木、紫穗槐、胡枝子、苎麻、狗牙根、大叶草。湿地松、樟树、大叶女贞、刺槐以营养袋苗种植；其他植物以种子撒播。种子播种前进行种子配比，草本植物与乔灌木种子的配比为2∶1；禾本科：豆科：其它科植物的比例为2∶1∶0.1，按比例分层混合，尽量混合均匀。

3.5 生态恢复新技术应用效果及评价

该技术目前在德兴铜矿得到广泛应用，恢复排土场、采坑边坡等矿业废弃地总面积达到18.9万m2。实施的工程项目均取得良好效果，形成了自维持、不退化的植被系统，植被覆盖度均达90%以上，植物种类数目10种以上，且涵盖了乔灌草等三种类型，显著降低了对周边环境的重金属污染，对于稳定边坡、保持水土具有十分明显的作用。

4 结语

重金属矿业废弃地“原位基质改良+直接植被技术”，克服了传统治理方法的不足，并且无需覆土，不会因取土造成二次环境破坏，植被系统稳定不退化，能够显著控制矿山土壤酸化，降低重金属溶出迁移，是一种极具创新性的修复技术。适用于包括排土场、尾矿库、采坑边坡、污染退化土地等在内的矿业废弃地重金属污染修复，从源头控制重金属污染。该方法操作简单、经济有效，可一并解决地质灾害、重金属环境污染、生态恢复三大问题，成本约为传统修复技术的一半，综合成本每平方米单价约90～150元。

该新技术目前已在江西铜业股份有限公司德兴铜矿以及永平铜矿、城门山铜矿的排土场、尾矿库、采坑边坡等几种主要类型矿业废弃地的大面积生态恢复治理工作中得到了良好验证，为矿山酸性土壤治理提供了重要的理论支撑和应用示范。