矿山废弃地生态修复中土壤基质改良技术研究综述

胡晓萧+李小英

摘要 近年来，矿山废弃地开发利用造成的土壤复垦问题和矿山整体环境问题成为科学研究的热点。本文针对我国矿山废弃地土壤存在的复垦问题，重点分析目前我国矿山废弃地现状，简要综述国内外土壤基质改良的技术方法，介绍现行矿山土壤复垦物理、化学和生物等改良技术方法，特别是土壤基质改良技术在矿山生态修复中的应用与发展，为我国矿山生态修复与土地资源利用提供参考。

关键词 生态修复；基质改良；矿山废弃地

中图分类号 TD88 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）01-0184-03

Review on Improvement of Soil Matrix in Ecological Restoration of Abandoned Mines

HU Xiao-xiao LI Xiao-ying

（Southwest Forestry University，Ecology and Soil-water Conservation Institute，Kunming Yunnan 650000）

Abstract The soil reclamation problem and the whole environmental problem of mine had become the hot spots in recent years. In the light of soil reclamation problems of abandoned mines in China，this paper mainly analyzed the current status of abandoned mines in China，briefly introduced the technical methods to improve the soil matrix at home and abroad，and the current mine soil reclamation methods including physical，chemical and biological and other methods，especially the application and development of soil matrix improved technology in the ecological restoration of mines，so as to provide the reference for China′s mine ecological restoration and land resource utilization.

Key words ecological restoration；matrix improvement；abandoned mine

1 研究背景

目前，矿山开采活动是影响土地利用方式、改变土地形态以及人为破坏陆生生态系统的最大规模人类活动[1]。相关报道显示，目前全球的矿山废弃地约为670万hm2，其中荒废地和露天采矿破坏的土地约占50%[2]。据统计，我国70%以上的农业生产资料，80%以上的工业原料以及95%以上的能源均来源于矿产资源[3]；现有国营矿山逾8 000个，其他小矿山达23万个，因采矿业而破坏的土地面积为140万～200万hm2，并以每年4万hm2的速度递增[4]，且土地的复垦率仅为13.3%，与西方发达国家75%的复垦率差距较大，其中侵占农田和林地等土壤问题尤为突出[5]。采矿活动中所产生的生态环境破坏首当其冲的是土壤退化，导致土壤环境因子发生改变，如土壤理化性质遭到破坏、微环境改变、结构变异、养分流失、保水保肥功能丧失、抵抗有毒有害物质能力降低等。

矿山资源的开采利用造成的破损、压占、塌陷等土地破坏问题约占整体土地总量的30%[6]，极大地浪费了有限的土地资源。一般情况下，矿山开采超过了其自身以及生态系统的承受阈值，若通过矿山自然演替恢复植被则需100～1 000年，若废弃地上没有表土，恢复植被则需逾1 000年[7]。因此，开展人工恢复矿山废弃地生态修复和土壤复垦工作成为必要的手段，采用人工恢复措施可使得恢复周期大大缩减。

土地复垦终极目标是恢复土壤的生态环境、生产力和经济价值，是恢复生态重建的基础。土壤是植物生长的基质，基质的改良是矿山废弃地生态系统恢复的主要问题。土壤基质改良技术措施有很多种方法[8]，主要是围绕以下几个方面展开：改良土壤的物理结构、剔除有毒有害物质、改善基质保水保肥能力、提供适合植物生长的环境。本文通过介绍壤基质改良技术措施，着重阐述矿山废弃地生态修复过程中的基质改良技术，以期为矿山废弃地生态修复提供参考。

2 国内外矿山复垦概况

2.1 国外矿山复垦概况

德国和美国最早于20世纪20年代开展废弃矿山土地恢复工作[9]，主要包括沉陷区植被恢复、废弃地复垦技术、固废物利用、重金属去除等。德国的莱茵露天煤矿和鲁尔井工煤矿通过农业复垦进行土地恢复，将采坑回填并于其上方覆盖1.0 m厚的剥离的黏土，通过施肥和种植作物以改良土壤，恢复土壤的生产力，改善环境[10]，截至2000年，德国已复垦62%因煤矿开采而破坏的土地[11]。美国于20世纪30年代先后制定关于露天开采以及矿区土地复垦工作法规，边开采边开展复垦工作，使得复垦率达到85%，远高于我国的12%[12]。尤其是在利用电厂粉煤灰改良土壤、矸石山植樹等方面，积累了大量经验[13]。1951年，英国规定矿山企业开矿时应统筹考虑开采后矿山的复垦和管理工作，明确要求按照相关复垦标准进行复垦，对已经污染的土地开展复垦工作使其成为农林用地[14]。阿克顿海尔煤矿将煤矸石移植邻近的矿坑中以进行复垦；巴特威尔露天矿采取边开采边回填的方式，以完成覆土造田。近年来，英国将遥感和计算机信息技术运用于矿区土壤基质改良工作中，如Bakr等[15]将GIS用于埃及土地复垦工作中，以反映复垦区土壤变化。以采矿业为支柱产业的澳大利亚，在防止地表侵蚀和稳定地表技术、处置扰动土方面位于世界前列，其采用效用—效率优化原则来设计生态修复方案并通过先进的设备观测生态恢复过程，不仅注重土地的恢复，还考虑到动物栖息地的恢复，目前已经形成高科技指导、多专业联合、综合修复等技术手段[16-18]。法国将修复后的煤矿建设为比赛、娱乐等场所，实现了土地的再利用。La Martinie煤矿所创建了土地复垦“脚坝”技术，对土地复垦和生态修复具有重要的指导意义。

2.2 国内矿山复垦概況

20世纪50年代末期至60年代初期，我国开始开展矿山废弃地生态修复工作和土地退化研究，当时我国矿山废弃地复垦率<1%[19]。20世纪50—80年代，我国开始重视并开展矿山废弃地生态修复工作，相继颁布《土地复垦规定》和《中华人民共和国环境保护法》，80年代末期复垦率提高至12%[20]。1999年生效的《中华人民共和国土地管理法》进一步加大耕地保护，实行土地管理制度、耕地补偿制度以及农田保护制度。土地复垦工作有序展开，复垦率直线上升[21]。2011年，我国颁布实施《土地复垦条例》，使土地复垦工作更加有序、科学。目前，我国矿山废弃地复垦的主要方法有直接复垦、改善阳离子交换能力、改善土壤物理结构和化学性质、增强土壤肥力等[22]，如利用豆科植物改善有毒金属和贫瘠土壤、利用蚯蚓改善土壤理化性状等[23]。国土资源部提出2015年我国矿区恢复率达30%[24]，2020年达到绿色矿山标准的目标，我国矿区生态修复进入快速发展时期。

3 土壤基质改良技术

3.1 物理改良技术

目前常用且有效的土壤基质物理改良措施为表土回填技术，在采矿前先将0～30 cm和30～60 cm的土壤剥离并加以存放，等回填的时候再运回使用，为植被恢复提供具有结构良好、高养分、高水分、较多微生物与微小动物群落的高质量土壤[24]。卞正富等[25]在开滦矿区进行矿山土复垦利用试验，发现条带式覆土或全面覆土能较好地控制矸石酸性，穴植覆土则无法取得控制效果。Barth等[26]研究发现，较厚的回填土层可以有效避免根系伸入有毒的矿土，当填土厚度超过一定范围时，增加填土厚度的修复效果增强不显著。Holmes等[27]研究发现，当回填10 cm表土时，植物盖度可达50%；当回填30 cm表土时，植物盖度可达70%。Redente等[28]研究发现，回填15 cm表土即可取得较好的恢复效果。因此，建议煤矿地回填表土厚度为10～15 cm，具体厚度可根据种植的植物类型进行调整。对于缺乏土地资源的地区而言，可利用农田废弃物如秸秆、枯枝落叶、凋落物等来代替土壤进行基质改良，农废物带来了有效的氮素、微生物为矿区植被的重建生长创立有利条件。于君宝等[29]研究发现，矸石回填覆土初期，土壤中营养元素含量增长较快，重金属含量逐渐减少，覆土中重金属主要来源于外界输入，施肥后表层土壤重金属和营养元素含量高于底层。矸石回填覆土能有效改良土壤，但因其费用较高而具有一定的局限性。

3.2 化学改良技术

3.2.1 添加营养物质提高土壤肥力技术。大部分矿山废弃地土壤中缺乏氮、磷、钾等植物生长营养物质，因而需要通过添加肥料或种植豆科植物来提高土壤肥力。张鸿龄等[30]研究表明，配合施用石灰80 t/hm2与有机肥100 t/hm2可有效降低土壤电导率和酸度。Sheoran等[31]研究表明，木屑能够提高灌木、非禾本植物的存活率；种植豆科植物需要辅助施加磷肥、调节酸碱度等措施以提高氮肥的利用率。

3.2.2 施加含Ca2+化合物缓解重金属毒性技术。施用CaCO3或CaSO4时，溶液中Ca2+的离子拮抗作用可以有效降低重金属离子的毒性，减少植物对重金属的吸收。黄 凯等[32]利用试验方法在铅锌矿的尾砂中加入有机肥、泥炭，观测到土壤基质改良剂的加入使重金属的有效性降低，稳定性增加，从而达到降低重金属危害的目的。Davis等[33]研究发现，石灰石能够有效提高土壤的pH值，降低植物锌浓度，提高作物产量。周 航等[34]研究发现CaCO3能有效降低土壤中交换态重金属铅、镉、锌含量。

3.2.3 调节土壤pH值技术。当土壤酸性较高时，可少量多次施用碳酸氢盐与石灰，以减少土壤酸性；当土壤呈碱性时，可施用硫酸、硫酸氢盐等物质来改善土壤环境。胡宏伟等[35]研究发现，施用石灰石可提高尾矿pH值、降低电导率，有效防止下层尾矿的酸化，有助于植物生长。王志宏等[36]研究研发，CaSO4·H2O可将土壤中的钠离子置换为钙离子，以降低土壤盐碱化程度，提高土壤水的渗透能力，以改善土壤基质。

3.3 生物改良技术

3.3.1 土壤动物改良技术。土壤动物是食物链的基础，是生态系统中的初级消费者和分解者。在矿区废弃地复垦过程中加入有益的土壤动物，可完善重建的系统功能、加快生态恢复进程。戈 峰等[37]研究发现，蚯蚓对铜矿中铜元素的富集能力很强，尾砂土和复垦土中加入蚯蚓和蚯蚓粪可有效提高植物的生物量。Boyer等[38]研究发现，蚯蚓能有效改良废弃地土壤的理化性质、富集重金属，以实现矿山废弃地土地复垦和生态恢复。

3.3.2 植物改良技术。客土或者覆土可能带来土壤的二次污染，种植先锋植物以吸收土壤基质中污染元素能够达到改良土壤的目的。植物修复主要利用植物对重金属的吸收作用，将重金属转移至地上部分（含根茎），收割后进行集中处理，以降低土壤中重金属含量。王 新等[39]在重金属污染条件下展开紫花苜蓿（Medicago sativa）田间小区试验，重点分析了重金属污染物对紫花苜蓿生长的影响、紫花苜蓿对重金属污染土壤的修复能力以及植物体内重金属吸收特性。结果表明，低浓度的重金属对紫花苜蓿的生长具有良好的促进作用，并且对镉污染的土壤具有一定的修复能力。李 影等[40]采用野外调查和温室营养液砂培相结合的方法，研究生长在铜尾矿附近的蕨类植物对铜的吸收累积作用，研究结果还表明，蜈蚣草（Ciliaris）和节节草（Equisetum ramosissimum）对铜也有较强的累积功能，可以作为先锋植物来修复铜矿污染过的土壤。杨肖娥等[41]在浙江某一铅锌尾矿区研究发现，东南景天（Sedum alfredii Hance）对铅具有富集能力。刘 威等[42]研究发现，宝山堇菜（Viola baoshanensis）是一种镉超富集植物，通常情况下，宝山堇菜地上部分含量为1 168 mg/kg。

3.3.3 微生物改良技術。利用微生物的生命代谢活动以减少土壤环境中有毒有害物质的浓度并使其无害化，重新建立和恢复土壤微生物体系，增加土壤活性，加快土壤改良进程，缩短复垦周期。赵永红等[43]研究发现，植物与固氮菌、菌根真菌协同作用可增加对污染物的吸收和降解，具有较大的科研价值。王红新等[44]以唐山马兰庄铁矿尾矿作基质接种VA等菌根，结果显示，接种VA菌根真菌使得菌根植株上从尾矿中吸收钾素增加。

3.4 工农业固体废弃物土壤基质改良技术

工农业废弃物基质研究的范围扩展到珍珠岩、沸石、泡沫塑料等无机原料以及污泥、泥炭、椰子壳、垃圾、木屑、枯枝落叶、稻壳、秸秆等。利用工农业废弃物制作土壤基质，使农业废弃物资源化，有利于环境保护和发展设施农业。Li[45]研究表明，使用污泥等固体废弃物作为土壤基质改良剂用于矿山废弃地修复时，污泥的施用量与废弃地中有机质含量、理化性质成正相关变化，污泥的施用量越大，废弃地中有机质含量积累越多，土壤理化性质变化越明显。罗秀光等[46]利用大豆培肥后的铝土矿尾矿用于采矿区复垦，经过1年的培肥熟化后种植农作物，其产量不低于当地农作物的产量水平，有效解决矿区复垦土源不足的难题。因为污泥中含有病原微生物、微量重金属和寄生虫卵通过各种途径传播危害土壤，所以在使用过程中应该合理控制年限和数量防治土壤基质的二次污染。程五良[47]选择万寿菊（Tagetes erecta）、高羊茅（Festuca elata）、百日草（Zinnia elegans）和黑麦草（lolium perenne）4种植物进行污泥混配土壤盆栽试验，结果表明，4种植物在污泥混配土壤中生长较好；当污泥施加比例控制为5%～20%时，茎长、生物量、生长状况均明显好于施化肥的植物。陈同斌[48]发明了草皮土壤基质的制备方法，主要利用垃圾、污泥、农作物秸秆、养殖业废弃物等为主要原料，通过堆肥处理，补充钾肥、蛭石后与土壤进行混合，同时调节基质中的C∶N为10～35∶1，以开发草皮土壤基质改良剂。

4 展望

根据矿山废弃地生态恢复研究区域性强的特点，针对不同区域、不同类型矿山废弃地土壤退化的类型、退化程度与退化原因，因地制宜、就地取材地开展矿山废弃地基质改良工作，以小流域为单元对区域进行综合整治。针对具体的矿区实际调查生态环境状况，发掘潜在的环境问题，采用物理、化学、生物等其他改良措施综合整治并结合3S技术手段有效开展矿山废弃地土壤基质改良工作。此外，2种或多种土壤基质改良剂混配、土壤基质改良剂与肥料等同时施用等技术相结合，可以很好地弥补单组分改良的局限性，并对改良矿区贫瘠土壤、改善植物生长微环境、提高经济作物产量等均有较大的促进作用。笔者认为今后的研究将多集中于将矿山固体废弃物搭配多组分基质改良剂应用于不同类型矿山废弃地土壤生态修复，同时也是矿山固体废弃物资源化、生态化以及解决矿山生态环境问题的有效途径。

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