采矿区土壤环境污染及其修复研究

刘桂建，袁自娇，周春财，孙浩，徐仲雨

(中国科学技术大学地球和空间科学学院， 安徽 合肥 230026)

采矿区土壤环境污染及其修复研究

刘桂建，袁自娇，周春财，孙浩，徐仲雨

(中国科学技术大学地球和空间科学学院， 安徽 合肥 230026)

矿产资源的开发利用在给人类带来巨大财富和生活便利的同时，也产生了生态破坏和环境污染的不良后果。随着矿产资源开发的持续进行，一些矿区土壤污染现象日益凸显，进而威胁到农产品的安全及人类身体的健康。通过总结我国矿产资源开发利用现状及其对环境造成的影响，阐明了采矿区土壤污染防治的迫切性，并对不同环境修复技术进行归纳，提出了矿区土壤污染防治“三步走”的设想。

矿产资源开发；采矿区；土壤污染；环境修复；污染防治

0 引言

矿产资源是国家经济建设和社会发展的重要物质基础，在很大程度上决定着社会生产力的发展水平和社会变迁。“十二五”期间，我国石油、煤炭等资源查明储量增长明显，一次能源、有色金属资源等供应能力显著提升。在工业化、城镇化和农业现代化加快推进和全面建设小康社会的关键时期，矿产资源消费亦在加速[1]。矿产资源的开发利用是一柄“双刃剑”，其在保障经济快速增长和社会迅速发展的同时，限于当前的管理水平和开发技术水平，也产生了一系列环境问题[2]。采矿区作为承载矿产资源综合开发活动的场地，矿产资源开发利用过程中产生的废水、废气以及采后遗留的废渣、废弃地等对采矿区造成的环境污染和生态破坏日渐显现，其中，矿区土壤环境污染尤为突出[3]。

作为陆地生态系统的重要组成部分，土壤是人类社会生产和生活中不可缺少的物质基础，是人类农业生产的重要基地。土壤受到污染后不仅会通过水体传递、大气环流等途径对采矿区及周边环境造成危害[4]，还会经食物链传递对食品安全以及人体健康构成严重威胁[5-6]。

面对采矿区土壤污染的严峻形势，探明采矿区土壤污染现状并对其生态功能进行恢复已然成为亟待解决的热点问题。

1 矿产资源开发利用及其环境影响

1.1 我国矿产资源开发利用现状

我国幅员辽阔，地质条件复杂，拥有独天得厚的矿产资源。截至2015年底，我国共发现172种矿产资源，包括石油、天然气、煤炭等能源矿产12种，铁、铜、金等金属矿产59种，非金属矿产95种，以及地下水、矿泉水等水气矿产6种，已探明资源储量的高达162种[1]。由此可见，我国矿产资源总量丰富、矿种较全，并在“十二五”期间首次探获页岩气地质储量，进一步丰富了矿产种类[1]。我国已成为世界上为数不多的矿产资源大国，这为国家经济建设和社会发展提供了重要物质保障。然而，我国矿产资源人均探明储量相对较低，部分矿产储量严重不足；优劣矿并存、整体质量欠佳；中小型矿多、大型矿少；贫矿多、富矿少，共生伴生矿多、单一矿少。此外，我国矿产资源的地区分布极不均衡，总体来说北富南贫、西多东少，资源开发利用难度较大[1，7]。面对复杂多变的国内外矿产资源形势，我国于“十二五”期间制定发布了煤炭、石油、天然气、铜矿等27种矿产的“三率”(开采回采率、选矿回收率、综合利用率)指标，初步形成了主要矿种的资源节约和综合利用评价指标体系[1]。

1.2 采矿对环境的影响

矿产资源的开发利用对于促进我国经济社会发展具有重要作用。在我国矿产资源的需求与经济规模的增长同步。随着矿产开发的持续进行，矿产资源形势愈发严峻，后备矿产资源储量已渐渐满足不了日益增长的矿产资源需求，供需矛盾日渐显现[7-8]。部分企业非法开采、或重采轻治等不合理的开采行为频发，矿产资源尤其是煤炭的长期大量开采带来了众多环境问题。

1.2.1 生态破坏

在经济利益的驱动下，部分矿井忽视环境生态保护，无秩序且不规范地进行开采活动。随着开采规模和强度的加大，地面出现塌陷区，且随着开采的持续，塌陷面积、塌陷深度不断扩大，可能引发滑坡、崩塌等地质灾害问题[9]。例如，位于陕北毛乌素沙漠边缘地的神府矿区，采空区所引发的地表塌陷、房屋开裂等问题日趋严重，给当地人民群众生活带来极大困扰[10]。矿山开采也会产生大量固体废弃物，占用农田，破坏地表植被和生态平衡。此外，矿产开发过程还会改变原生态的水文地质条件，诱发水文地质灾害，还可能改变地下水的径流和排泄条件，造成地下水水位下降、水文环境恶化等[11-12]。

1.2.2 环境污染

除了生态环境破坏，矿产开发还会造成环境污染，主要表现为大气污染、水污染及土壤污染等。采矿过程产生的粉尘、废气，例如煤炭开采过程中产生的瓦斯、煤炭自燃产生的CO、SO2等进入大气，会造成大气污染，进而危害矿区及周边地区人民的身体健康[13]；伴随着干湿沉降，这些粉尘、有害气体到达地表，进一步污染矿区及周边地区的地表水、地下水、土壤、农作物和植被等。矿产开发产生的大量固体废弃物，通常堆放于地表上、暴露在空气中，如果处理不当，伴随着风蚀吹扬、雨水冲刷、淋洗等自然作用，和未经处理的废水一起也会造成严重的污染与危害：例如，燃煤电厂产生的大量粉煤灰，在干旱或者风季里易漂浮在空气中，污染大气环境，并在降落地表后，造成土壤、水体污染[14]。在采矿造成的环境污染中，土壤污染不像大气污染、水污染那样直观，很难被人类察觉，随着时间的推移，污染日益加重，严重威胁农产品安全及人体健康，因此土壤受到的影响最为深刻[15]。

2 采矿区土壤环境污染

在一定程度上，土壤可以作为大部分污染物在环境中的储存库。研究表明，世界上90%的污染物最终都将会滞留在土壤中，严重威胁人类及动植物的生存与发展[16]。据环境保护部和国土资源部2014年公布的《全国土壤污染调查公报》结果显示，我国耕地点位超标率达19.4%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞等重金属以及多环芳烃等有机污染物，耕地土壤环境质量堪忧，而工矿业废弃地土壤环境问题突出。矿区土壤污染主要来自于包括开采、选矿与运输过程中产生的粉尘、废气和废水，以及选矿后堆积的尾矿和废矿渣[17]。在采矿造成的各种土壤环境污染中，重金属和有机污染成为近年来被关注的焦点问题。

2.1 矿区土壤重金属污染

重金属一般指密度大于4.5g/cm3的金属，包括金、银、铜、锌、铅、铬、镉、铁、锰、镍等45种元素，在环境污染方面所说的重金属主要是指汞、镉、铅、铬、铜、锌，以及具有显著生物毒性的类金属砷元素等[18-19]。重金属是环境中普遍存在的一类污染物，具有难降解性、持久性和生物累积性，且在一定环境条件下可转化为毒性更强的金属有机复合物，进而在人体或动物体内不断累积，对人类健康和生态系统产生严重毒害[20-23]。

采矿等人类活动致使很多微量有害元素进入土壤，在土壤的吸附、络合、沉淀等作用下，绝大多数元素会残留在土壤中，造成土壤中的重金属含量超过背景值，引发土壤重金属污染。矿区土壤重金属污染主要源自于以下几个方面：①原矿石：例如，煤中微量元素的异常富集是造成矿区土壤重金属污染的重要原因之一[24]；②采矿固废：废石、废渣、尾矿等采矿固废中含有不同程度的有毒有害重金属物质，在日晒、雨淋和风吹等自然条件下，造成矿石的风化、淋溶等，从而使重金属污染物进入土壤[25]；③大气干湿沉降：例如，煤矿开采过程中产生的粉尘在大气作用下迁移沉降，使粉尘在煤矿周围土壤中被重新分布，通过淋溶渗滤进入土壤中，造成土壤污染；④矿井废水：采矿产生的废水中含各种不同的金属元素，可能会通过灌溉、溢流或渗漏等不同途径进入土壤，使土壤受到污染[26]。由于土壤污染具有隐蔽性和滞后性等特点，污染后不易被人类察觉，随着时间的推移，土壤重金属污染日益加重，农田土壤肥力也逐渐衰退，进而导致农作物产量降低、品质下降，严重制约经济的发展，威胁人类的食品安全及身体健康[27]。目前，国内多地矿区土壤均被报道受到重金属污染：孙锐等曾研究了湖南水口山铅锌矿区及其周围地区土壤中重金属的污染特征，发现受铅锌选矿和冶炼活动影响，表层土壤已经明显受到重金属污染[28]；孙贤斌和李玉成曾发现安徽淮南大通煤矿废弃地土壤中重金属含量超标，化工厂和煤矸石堆区域重金属复合污染严重[29]；徐友宁等曾对小秦岭金矿区农田土壤中重金属污染展开研究，发现该矿区矿业活动导致土壤、地下水、农作物中重金属元素均出现不同程度的累积或超标，且存在重金属导致的不可接受的人体健康高非致癌风险和致癌风险[30]。

2.2 矿区土壤有机污染

研究表明，中国受各种有机污染或化学污染的农田共计达6 000×108m2，而每年出产的主要农产品中多环芳烃(PAHs)残留高达20%以上[31]。PAHs是一类在环境中普遍存在的持久性有机污染物，由两个或两个以上的苯环构成[32]。由于PAHs具有很强的致癌、致畸、致突变性，美国环保局建议将16种PAHs列为优先控制的污染物，其中的七种，包括苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽以及茚并[1,2,3-cd]芘被国际防癌研究委员认定为毒性极强[33]。PAHs等持久性有机污染物具有半挥发性、远距离传输性、疏水性和亲脂性，它们可以通过大气传输到偏远地区，通过各种各样的路径到达土壤环境，并经食物链在生物体内进行进一步地累积和放大，进而影响人体健康[34]。矿区土壤中PAHs主要来自于煤炭等化石燃料的不完全燃烧、油田开采利用过程中石油及其精炼产品的泄露、采矿三废以及矿产运输过程中机动车尾气的排放等。目前，多地矿区土壤中均发现有PAHs检出：刘静静等曾对安徽淮北芦岭矿区土壤进行PAHs的污染调查研究，发现部分土壤受到PAHs中度到重度污染[35]；潘峰等曾对中原油田开采区土壤中PAHs的残留量进行调查，发现苯并[a]芘的检出率达100%，运行中和停产时间较短的油田周围土壤的生态风险较高[36]；王新伟等研究了煤矸石堆放对土壤环境PAHs污染的影响，发现煤矸石山堆积区土壤已受到PAHs的严重污染，且土壤中16种优控PAHs的总量与煤矸石山距离呈负相关关系，主要来自于煤矸石山扬尘沉降、煤矸石燃烧、原煤煤尘降落与燃烧[37]。

3 矿区土壤污染修复

为了实现土壤的可持续利用，保障人类的食品安全，对于已经受到污染的土壤，迫切需要研究并提出经济、可行、高效的土壤污染修复技术对其进行治理[38]。目前，污染土壤治理方法主要包括物理、化学及生物修复，即采用物理、化学或生物的方法使土壤中的污染物被降解、转化和吸收至浓度达到可接受的水平或者将有毒有害物质转化为无害的过程。

3.1 物理/化学修复

污染土壤的物理修复主要是利用污染物与环境之间各自物理特性的差异，达到将污染物从环境中去除的目的；化学修复是利用加入到土壤中的化学修复剂与污染物发生一定的化学反应，使污染物被降解和毒性被去除或降低的修复技术[39]。土壤的物理/化学修复技术主要包括客土换土法、淋洗法、热解析法、电动修复法、固定/稳定化技术等[40]。客土换土法属于传统的土壤修复手段，能够有效去除土壤中污染物，但该法费用高，工程量大，被换的污染土壤占用大量堆积空间，且存在二次污染风险，多用于范围较小的重污染区土壤治理[41]；淋洗法是利用淋洗液将污染物从土壤固相转移到液相中去，再将富集的废水进一步回收处理的修复技术，该技术虽能有效去除轻质土和砂质土中的污染物，但对渗透系数很低的土壤修复效果不佳[40,42]；热解析技术是采用直接或间接的技术对污染土壤进行加热，使某些污染物挥发，收集挥发产物进行集中处理的过程，该法对部分挥发性污染物去除效果较好，但能耗成本高，且对于挥发产物的收集和处置还有待进一步研究[40]；电动修复是在污染土壤两侧施加电压，利用电场作用将污染物带到电极两端再进行集中处理，该法可同时去除重金属和有机污染物、不搅动土层、操作简单、效率高，但易导致土壤理化性质变化[43]；固定/稳定化技术是将污染土壤与能聚结成固体的黏结剂混合，从而将污染物捕获或固定在固体结构中的技术，该法经济、快速，但缺乏关于固化体长期稳定性的研究[44]。

3.2 生物修复

生物修复是指利用特定生物的生命代谢活动将污染物吸收、富集、转化、转移和降解，进而恢复土壤系统正常生态功能的过程，主要包括植物修复、动物修复以及微生物修复[45]。植物修复是指利用植物对土壤中的污染物进行提取、吸收、转化和固定等过程对污染土壤进行修复，主要包括植物提取、植物挥发、植物稳定和根际过滤四种方式[46-47]。动物修复是指通过特定的动物对土壤中的污染物进行吸收、转化、富集等，以达到恢复土壤功能的目的[48]；微生物修复是利用微生物(细菌、藻类和酵母等)的代谢活动来减轻或消除土壤污染[49]。生物修复的产物大多是无害物质，不会产生二次污染，修复效果好、成本低、易于操作管理，是环境修复技术目前主要的研究和发展方向[50-51]。

4 结语

面对土壤污染的严峻形势，国务院于2016年颁布了《土壤污染防治行动计划》(简称“土十条”)，自此，我国土壤污染修复事业受到的关注度又被提上了一个新的高度，矿区土壤污染修复工作更加迫在眉睫。然而，如前所述，矿区土壤污染来源复杂，环境修复技术又种类繁多，为了提高土壤修复工作效率，笔者建议按照如下流程开展工作，实现矿区土壤污染防治“三步走”。

①积极开展矿区土壤污染预防工作。对于未受污染的区域，切勿滥挖滥采，应对矿产资源进行合理开发，且在开发利用过程中采取一系列措施将污染的可能性降到最低。例如，积极探索采矿固体废弃物(如煤矸石)的综合利用途径，如发电、制砖等，提高固废的综合利用率，减少固废的堆放，对于采矿产生的废水经处理后再排放等。

②加强矿区重金属及有机污染物环境调查，建立矿区污染物环境地球化学信息库。通过野外实地采样及实验室分析测试，研究采矿区土壤重金属及有机污染物含量、形态和分布特征，利用GIS等技术，结合土地利用类型图及其它自然要素图，绘制矿区土壤污染分布图，探索重金属及PAHs等有机污染物在矿区土壤中的迁移转化模型，同时根据污染物的类型、污染程度以及相关环境质量标准进行土壤质量评价、生态风险及人体健康风险评价，从而建立矿区土壤污染环境地球化学信息库，为污染土壤的治理与恢复提供参考[15]。

③根据实际情况合理选择土壤修复技术，恢复土壤功能。不同矿区土壤受污染的程度以及污染物的种类不同，根据前面建立的矿区污染物环境地球化学信息库，选择合适的环境修复技术，因地制宜进行土壤修复。

[1] 中国地质调查局.中国矿产资源管理报告[M].北京：地质出版社，2016.

[2] 张复明．矿产开发负效应与资源生态环境补偿机制研究[J].中国工业经济，2009，(12)：5-15.

[3] 李玲，宋莹，陈胜华，等.矿区土壤环境修复[J].中国水土保持，2007，(4)：22-24.

[4] 涂常青，温欣荣，张镜，等.硫化铜矿区周边农田土壤重金属污染及其生态危害评价[J].土壤通报，2013，44(4)：987-992.

[5] 邹鲤岭，程先锋，周志红，等.我国矿区土壤污染对农作物污染的研究现状[J].北京农业，2015，(7)：167-169.

[6] 顾继光，林秋奇，胡韧，等.矿区重金属在土壤-作物系统迁移行为的研究——以辽宁省青城子铅锌矿为例[J].农业环境科学学报，2005，24(4)：634-637.

[7] 仇文俊.我国矿产资源特点与环境影响及对策[J].太原城市职业技术学院学报，2012，(1)：62-63.

[8] 陈毓川，常印佛，郑绵平.我国矿产资源形势与实现可持续供应的对策[J].矿床地质，2002，21：1-3.

[9] 华玉鑫．露天采矿对环境的影响与对策[J].中国新技术新产品，2011，(2)：169.

[10] 范立民，杨宏科.神府矿区地面塌陷现状及成因研究[J].陕西煤炭技术，2000，(01)：7-9.

[11] 刘大平，刘成玉.大庆油田石油开采对水文地质环境的影响及应因对策[J].东北师大学报(自然科学版)，2012，44(3)：136-141.

[12] 曹慧玲.对露天矿开采地下水环境的探讨[J].华北国土资源，2014，(3)：109-111.

[13] 肖瑶.矿区环境污染现状及防控对策——以煤矿为视角[J].北方环境，2013，29(1)：55-56.

[14] 严平，郭志中，王继和，等.永昌电厂粉煤灰危害及其综合治理[J].中国沙漠，1996，16(1)：32-36.

[15] 钟顺清.矿区土壤污染与修复[J].资源开发与市场，2007，23(6)：532-534.

[16] 付建华.我国土壤修复的研究现状[M]//中国环境科学学会.中国环境科学学会学术年会优秀论文集.北京：中国环境科学出版社，2008：1056-1057.

[17] 王曙光，李鹏锋，刘伟.矿区土壤污染与修复技术分析[J].土地开发工程研究，2016，(4)：65-69.

[18] 栗萍.重金属污染土壤的生物修复[J].绿色科技，2014，(8)：207-210.

[19] 刘少文，焦如珍，董玉红，等.土壤重金属污染的生物修复研究进展[J].林业科学，2017，53(5)：146-155.

[20] Alloway B, Ayres DC. Chemical principles of environmental pollution[M].CRC Press,1997.

[21] Jain C. Metal fractionation study on bed sediments of River Yamuna, India[J].Water Research, 2004, 38, 569-578.

[22] Nemati K, Bakar NKA, Abas MR, Sobhanzadeh E. Speciation of heavy metals by modified BCR sequential extraction procedure in different depths of sediments from Sungai Buloh, Selangor, Malaysia[J].Journal of Hazardous Materials, 2011, 192, 402-410.

[23] 柳后起．黄河三角洲微量元素环境地球化学研究[D].中国科学技术大学，2016.

[24] 王帅杰，狄楠楠，王杰林，等.煤中微量元素的环境效应[J].环境科学与技术，2010，33(10)：179-189.

[25] 党志，刘丛强，尚爱安．矿区土壤中重金属活动性评估方法的研究进展[J].地球科学进展，2001，16(1)：86-89.

[26] 李婷婷．贵州省煤矿区开发引起土壤环境污染的研究[J].大科技，2010，(7)：302-304.

[27] 林强．我国的土壤污染现状及其防治对策[J].福建水土保持，2004，16(1)：25-28.

[28] 孙锐，舒帆，郝伟，等.典型Pb/Zn矿区土壤重金属污染特征与Pb同位素源解析[J].环境科学，2011，32(4)：1146-1153.

[29] 孙贤斌，李玉成．淮南大通煤矿废弃地土壤重金属分布及变异特征[J].地理科学，2013，33(10)：1238-1244.

[30] 徐友宁，张江华，柯海玲，等.某金矿区农田土壤重金属污染的人体健康风险[J].地质通报，2014，33(8)：1239-1252.

[31] 王秋娟．POPs污染土壤植物修复技术[J].能源与节能，2017，(4)：96-97.

[32] Menzie CA, Potocki BB, Santodonato J.Exposure to carcinogenic PAHs in the environment[J].Environmental Science & Technology, 1992,26, 1278-1284.

[33] Rey-Salgueiro L, Martínez-Carballo E, García-Falcón MS, Simal-Gándara J. Survey of polycyclic aromatic hydrocarbons in canned bivalves and investigation of their potential sources[J].Food Research International, 2009,42, 983-988.

[34] Ping L, Luo Y, Zhang H, Li Q, Wu L. Distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in thirty typical soil profiles in the Yangtze River Delta region, east China[J].Environmental Pollution, 2007, 147, 358-365.

[35] 刘静静，王儒威，刘桂建，等.淮北芦岭矿区土壤中PAHs的分布特征及分析[J].中国科学技术大学学报，2010，40(7)：661-666.

[36] 潘峰，耿秋娟，楚红杰，等.石油污染土壤中多环芳烃分析及生态风险评价[J].生态与农村环境学报，2011，27(5)：42-47.

[37] 王新伟，钟宁宁，韩习运．煤矸石堆放对土壤环境PAHs污染的影响[J].环境科学学报，2013，33(11)：3092-3100.

[38] 串丽敏，赵同科，郑怀国，等.土壤重金属污染修复技术研究进展[J].环境科学与技术，2014，37(120)：213-222.

[39] Guo GL, Zhou QX, Ma LQ. Availability and assessment of fixing additives for the in situ remediation of heavy metal contaminated soils: A review [J].Environmental Monitoring and Assessment, 2006, 116 ,513- 528.

[40] 黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报，2013，32(3)：409-417.

[41] 朱玉斌．土壤重金属污染现状及修复技术比较[J].中国资源综合利用，2017，35(5)：56-58.

[42] 董彬．中国土壤重金属污染修复研究展望[J].生态科学，2012，31(6)：683-687.

[43]樊霆，叶文玲，陈海燕，等.农田土壤重金属污染概况及修复技术研究[J].生态环境学报，2013，22(10)：1727-1736.

[44] 张长波，罗启仕，付融冰，等.污染土壤的固化/稳定化处理技术研究进展[J].土壤，2009，41(1)：8-15.

[45] 李飞宇．土壤重金属污染的生物修复技术[J].环境科学与技术，2011，34(12H)：148-151.

[46] 王卫华，雷龙海，杨启良，等.重金属污染土壤植物修复研究进展[J].昆明理工大学学报(自然科学版)，2015，40(2)：114-122.

[47] 叶生晶，何见，但新球．矿区土壤重金属污染植物修复探讨——以新余市仰天岗为例[J].中南林业调查规划，2015，34(4)：41-53.

[48] 李秀悌，顾圣啸，郑文杰，等.重金属污染土壤修复技术研究进展[J].环境科学与技术，2013，36(12M)：203-208.

[49] 钱春香，王明明，许燕波．土壤重金属污染现状及微生物修复技术研究进展[J].东南大学学报(自然科学版)，2013，43(3)：669-674.

[50] 张小凤．土壤重金属污染及修复浅析[J].江西化工，2017，(3)：19-21.

[51] 周俊，陈雪芬，陈志英．土壤多环芳烃的生物修复研究[J].广东化工，2014，41(8)：109-110.

MiningAreaSoilEnvironmentalContaminationandRehabilitationStudy

Liu Guijian, Yuan Zijiao, Zhou Chuncai, Sun Hao and Xu Zhongyu

(School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026)

The exploitation and utilization of mineral resources have brought great wealth and convenience to human beings, but also caused ecological destruction and environmental contamination at the same time. With the continuous exploitation of mineral resources, soil contamination in mining areas has become more and more serious, which threatened the agricultural products safety and human health. Through investigating the present situation of mineral resources exploitation and its impact to the environment in our country, the present research work elaborates the urgency of prevention to the soil contamination in mining areas and summarizes different environmental rehabilitation technologies. In the end, the thoughts of "three-step way" to prevent and control the soil contamination in mining areas is proposed based on the above-mentioned analysis.

mineral resource exploitation; mining area; soil contamination; environmental rehabilitation; contamination control

国家科学部支撑计划(2012BAC10B02)，安徽省国土资源厅科技项目(2015-K-13)，安徽省公益性地质工作项目(2015-g-37)

刘桂建(1966—)，教授，博士生导师。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.07

1674-1803(2017)09-0037-04

A

责任编辑：孙常长