绿色矿山背景下矿山土壤修复技术的研究

魏延丽，布多

（西藏大学 理学院，西藏 拉萨 850000）

矿产资源是人类生存和发展最主要的能源支撑，也是各国经济发展的重要物质保障[1]。我国疆域辽阔，矿种齐全，是世界上资源总量丰富的国家，成矿地质条件非常优越。然而在大力开采矿产资源获得经济高速增长的同时，我国的生态环境也遭到了严重的破坏，因矿产资源开发而受污染的国土面积不断扩大。在矿山的开采过程中，会产生大量的污染元素，这些元素固定在土壤中并不断积累，最终会导致土壤成分、性质和功能不断恶化。矿山土壤污染具有持续时间长、不可逆、难降解的特点，而且土壤中的重金属元素可以在生物体内富集，并通过食物链进入人体内，最终会严重威胁到人类的生命健康安全[2]。

“十四五”期间，国家高度重视生态文明建设，过去对环境的末端治理导致了很多生态方面的历史遗留问题，如今随着中国经济结构的转型，矿业也进入到了精细化开采和注重生态保护的新阶段。绿色矿山建设已经上升为国家战略，提出和贯彻绿色发展理念是时代发展的必然要求，深入推进矿区环境的综合治理和生态修复,竭力加强全国范围内绿色矿山的建设也成为我国“环境保护与修复”项目中的一项重点工程，这既是实现矿业高质量发展的重要途径和必然要求，又是优化矿区环境、开创生态文明新时代的必由之路[3]。为了更好开展矿区污染土壤修复工作，在探讨矿山污染土壤现状及危害的基础上，对不同的修复方法进行了归纳总结，并介绍了藻类在矿山土壤治理方面所发挥的重要作用，这将为今后绿色矿山建设提供理论依据和技术支持。

1 矿山土壤污染现状

1.1 基本情况

根据矿床特征、矿体的赋存状态和经济限制等因素，可以把矿山开采方式分为露天开采和地下开采[4]。露天开采是世界范围内常见的开采技术，在此过程中会产生大量的废弃物，这些采矿废弃物是重金属污染的主要来源[5]。煤炭的开采被认为在很大程度上推动了工业革命的进程[6]，但长时间、高强度、大规模的矿产资源开发会严重影响到生态环境，采矿活动产生的高浓度潜在毒性元素会对生态系统产生不利影响[7]。

采矿作业中产生的矿业废渣含有大量的毒性或重金属物质，随着氧化、风化等自然进程的发生，这些污染物很可能会伴随地表径流裹挟或大气扩散等途径在区域生态环境中扩散，富集在土壤中，使土壤失去正常的理化特性。

中国是采矿活动造成土壤重金属污染严重且广泛的典型国家。目前中国因采矿破坏的土壤面积已经达到了5 860 000 hm2，且该面积仍以每年40 000 hm2的速度递增[8]。

1.2 矿山污染土壤的危害

矿山污染土壤中的重金属对人体和其他生物体的危害非常大，特别是与受污染的沉积物相接触的野生动物，这会导致生物多样性和种群规模的减少[9]。土壤是细菌、真菌等不同微生物的自然栖息地，这些微生物在提高土壤质量、维持土壤肥力方面发挥着重要作用[10]。然而土壤中重金属的存在抑制了微生物的活性，破坏了土壤微生物的生长代谢过程[11]。Filimon 等[12]的研究表明，在重金属含量高的土壤中，土壤微生物的数量和多样性都会减少。矿山附近土壤微生物的生物量明显低于远矿区[13]。

随着过量的重金属进入岩层，土壤质量也会下降，原有的地表植被无法生存，将会大面积剥离，使地表裸露，这将会影响生态环境质量，降低农业产量，最终会导致土壤生产力和粮食安全性下降[14]。此外，受污染土壤中的重金属可能会引起植物生理和代谢活动的变化，影响区域内的植物生长[15]。Laghlimi 等[16]研究发现，Ni、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb 等金属可引起植物萎黄、坏死、抑制根和茎生长、减少叶绿素产生并破坏其光合作用。

综上，矿山开采不仅会破坏生态功能，造成一定程度的环境污染，还会严重影响到人类的身体健康。因此，矿业转型发展与矿山生态修复将是无法逃避的问题。

2 矿山污染土壤的修复方法

对于矿山污染土壤的处理主要采用原位修复和异地修复两种方式。原位修复优于异地修复，因为这一修复方法通常更具成本效益和环境友好性[17]。从技术层面来说，对于重金属污染土壤的治理是矿区土壤修复中的重点与难点，重金属污染会抑制植物生长，还会导致土壤贫瘠和极端pH 值等连带问题[18]。目前对重金属污染土壤的修复技术逐渐趋于多元化，无害化处理污染土壤是当今的研究热点。

2.1 物理修复

物理修复技术是利用物理方式来降低土壤重金属含量的一种方法，分为热处理法、工程修复法和电解法等。

2.1.1 热处理法

热处理法是将污染土壤破碎成粒,然后向土壤中添加一些可以分解重金属化合物的添加剂，接着通过红外辐射、蒸汽或射频加热，将挥发性重金属元素从土壤中分解去除的方法[19]。热处理法由于其具有较好的修复效果和较短的修复时间被广泛应用，但在高温条件下，土壤中稳定金属的生物毒性会增大，这将导致土壤有机肥力下降。

2.1.2 工程修复法

适用于小面积污染土壤的处理，主要分为客土法、换土法和深耕翻土等，是一种切实有效的修复方法。客土法是将与原有土壤理化性质相似的干净土壤加入受污染的土壤中；换土法是将被污染的土壤挖除，置换为干净的新土；深耕翻土法是将深层干净的土壤翻至表面，代替表层被污染的土壤。利用这些方法去除污染物的效果非常显著[20]。但经济成本过高且未能从根本上去除重金属，因此不适合对大面积污染的土壤进行修复。

2.1.3 电解法

其原理是在污染部位的两端插入石墨电极，在电场的作用下，土壤中的重金属离子会移动到电极附近，进行富集，进而导出重金属离子，从而实现金属离子和土壤的分离，减少污染[21]。电解法对土壤原生态影响较小，无二次污染，修复周期短，效率高，但是在实际应用中会受到电压梯度、电解液组分等多方面的影响。

2.2 化学修复

化学修复是一种原位修复技术[22]。主要是运用化学方法，利用化学物质对矿山污染土壤进行处理，具体又可分为改良剂法与淋洗法两种。

2.2.1 土壤改良剂法

将合适的化学改良剂加入到受污染的土壤中，通过吸附、络合和沉淀等方式改变土壤中重金属元素的形态，将污染土壤固封为低渗透系数的固化体，或改变污染物的化学性质，使其变为不活泼形态，从而有效减少土壤中污染物的迁移性和流动性[23]。其优点是技术难度不大，经济有效，对大面积低浓度污染土壤具有良好的应用前景。缺点是并没有真正去除污染物，会有产生二次污染的风险。

2.2.2 土壤淋洗修复法

淋洗剂可以与土壤中的重金属发生解吸作用，通过沉淀、离子交换、吸附螯合等过程使土壤中的重金属元素从土壤中转移到液相中，然后提取出淋洗废液对其进行单独处置[24]。该技术操作简便，修复时间周期短，适用于大面积污染严重且渗透性较高的土壤。但为了防止二次污染，需要谨慎选择化学淋洗剂，优先选择环境友好并对生态影响较小的，同时要对后续的淋出液进行安全处理。

2.3 生物修复

主要是利用动物、植物、微生物的生长代谢活动，吸收、降解、转化残留在土壤中的污染物，从而改善土壤质量，使土壤各项指标恢复到安全范围内，土壤基本功能恢复正常的一种手段。利用生物技术进行修复具有经济有效且不会产生二次污染的优点，能够有效实现生态修复，目前已经成为环境保护领域的新热点。

2.3.1 微生物修复法

在适宜的环境条件下，微生物通过吸附、沉淀、氧化和还原等作用，降低污染浓度，使土壤环境进入稳定状态的技术即为微生物修复技术[25]。这些微生物必须具有某些特性，如能降解相关污染物的酶或对受污染地区的重金属具有高抗性。微生物可以通过固定、移动或转化等方式，降低有害物质的毒性。其修复原理主要包括生物积累、生物吸着等生物富集，利用生物的代谢活动将重金属离子贮存到细胞中或胞外基质[26]。还包括还原、甲基化与去甲基化、溶解、有机络合等生物转化方式。微生物可以通过改变重金属在土壤中的化学形态和氧化还原状态，使重金属化合价改变，从而改变其稳定性，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性。微生物具有分布范围广、繁殖代谢快、适应能力强等优点，因而日益受到人们的重视，成为重金属污染土壤修复领域的研究热点。

2.3.2 植物修复法

植物修复是一种既经济又环保的土壤修复方法。选择对金属耐受阈值相对较高的特定植物，通过提取、转移、分解和固定等方式对土壤中的污染物质进行去除，使污染土壤恢复其正常功能。在利用植物修复土壤时，要因地制宜，根据不同的地质特征选择不同植物。植物种类和重金属种类的不同会导致植物的金属吸收过程有所差异，但总体包括对金属的吸收、转运、积累和渗透调节等方面[27]。耐受性植物能够通过枝叶分解物和根系分泌物固定土壤中的重金属污染物，同时，植物根系的分泌物也能增强土壤中的微生物活性，促进其对污染物的转化和降解。植物修复技术既能降低土壤中的重金属含量，又能同步改善土壤的养分条件，恢复土壤功能，并且具有永久性、美观性、低成本等优势，在修复过程中一般无二次污染，是一种绿色、清洁、具有市场潜力的技术。

2.3.3 动物修复法

动物修复是指利用土壤动物的生长发育、呼吸代谢等过程对污染物进行分解、富集、去除的技术。在实际矿山的重金属污染土壤中发现了存活的蚯蚓，并在蚯蚓体内检测出了污染物元素，表明用对重金属有忍耐作用的动物来修复土壤是可行的[28]。通过土壤动物的生命活动，能够有效改善土壤生态环境，但蚯蚓在高浓度污染土壤中的富集能力有限，当污染浓度过高时，会导致蚯蚓重金属中毒死亡。

3 藻类在矿山土壤修复中的作用

藻类作为生物进化史上一类具有特殊意义的生物类群，具有一套对极端环境的适应机制，能够在干旱、贫瘠等恶劣环境下生存。藻株可以利用尾矿基质表层暂时可用的水分快速生长和繁衍，并与异养微生物、尾矿砂相互作用，在尾矿基质表层形成几毫米厚的藻类结皮，影响和改变尾矿库环境[29]。

藻类在矿山土壤修复过程中，主要作用如下。

3.1 藻类对土壤中的重金属具有一定的耐性机制，能够诱导有机物质自由基或活性氧的生成，是污染土壤修复技术的常用方式之一，通过藻类细胞壁的结合作用，能够很好地吸附土壤中的重金属离子，其吸附性能往往高于其他生物[30]。

3.2 藻类在土壤中大量生长，能向体外分泌以多糖为主的胞外产物[31]，从而粘结土壤颗粒和沙粒，形成结皮，可以防止土壤侵蚀和土壤沙漠化。

3.3 藻类作为光合自养生物，能够把无机物合成为有机物，从而增加土壤中的有机物含量，为其他微生物的生存提供营养，同时在光合作用过程中释放氧气，有利于土壤中生物的生长，这对通气不良的土壤尤其重要。3.4 固氮蓝藻能将空气中游离的氮气固定为有机氮进入土壤生境，增加土壤中的氮含量。

3.5 已有研究表明藻类能够增加土壤中有效磷的含量，改善土壤中磷的供应状况[32]。

4 结语

矿山废弃物导致大量土壤重金属污染，影响植物、动物、土壤微生物和人类健康。因此，土壤治理改良是矿区生态环境恢复的重要环节，也是首要环节。在当前可持续发展的背景下，人们需要根据被污染土壤的性质和污染物的组成，选择针对性的高效修复技术，并结合多种污染治理和修复技术，以实现优势互补，加快土壤修复进程，实现矿区自然生态的治理和恢复。藻类是极端环境的先锋植物，可以形成抗逆性强、生态价值高、维护成本较低的藻类结皮，作为新型的土壤环境改良植物广泛运用于待修复重建的生态系统中。