废弃矿山生态修复技术研究

2022-04-08牛百强张玉有

能源与环保 2022年2期

牛百强，张玉有

(1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质勘查院，河南郑州 450001；2.山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队，山东泰安 271000)

人类社会的快速发展离不开各种矿产资源的支持，近现代包括中国在内的人类开采了大量的矿产资源[1]。不可否认的是，这些矿产资源为人类社会发展提供了大量的原材料和能源，作出了巨大的贡献[2]。但是人类也逐渐意识到，在矿产资源开采过程中会对附近的生态环境，尤其是地质环境造成非常大的损害[3]。对于一些金属型矿山，开采时会在附近堆放大量的废弃土和尾矿，这些废弃土和尾矿不仅占用了大量的土地资源，还会威胁生态环境，比如废弃土产生的边坡可能会引发泥石流、山体滑坡等地质灾害，尾矿库会对土壤产生严重的重金属污染问题[4]。党的十八大以来，我国越来越重视生态环境建设工作。在这样的大背景下，人们越来越重视废弃矿山的生态修复问题，全国各地均采取了相关的措施对其进行修复与治理，在长期的实践过程中积累了很好的经验，且取得了一定的效果[5]。本文主要以某废弃矿山为案例，对其生态修复过程与技术进行了详细介绍，以期为其他废弃矿山治理提供借鉴。

1 废弃矿山基本情况

本文主要以某县城的铁矿山为例进行分析。该县城已经探明有大量的矿产资源并且类型丰富，主要包括煤炭资源、化学原料、钢铁原料、有色金属等。目前已经探明的煤炭储量、铁矿储量和铜矿储量分别达到了5 000万t、3 000万t和5 000万t。由矿产资源含量可以看出，县城具有非常丰富的矿产资源，但整个矿区的土壤地质相对较为松软，特别容易出现泥石流、山体滑坡等地质灾害问题，水土流失现象较为严重。研究铁矿山经过多年的开采，资源已经枯竭，现已成为一座废弃矿山。矿产资源开采时还配套建设了排土场和尾矿库，随着矿山的废弃，这些场所也随之变成了废弃地。铁矿资源的开采虽然极大地促进了本地区的社会经济发展，但同时也导致附近区域的生态环境急剧恶化，不利于附近居民的身体健康。基于此，有必要对废弃矿山基本情况进行分析和研究，在此基础上提出针对性的生态修复基础措施。

2 废弃矿山土壤理化性质研究

2.1 影响生态修复的关键指标

(1)土壤颗粒组成。土壤颗粒组成会对土壤的养分、有机质含量等产生一定的影响[6]。废弃矿山排土场中堆放的主要是碎石，直径在10～100 cm内，同时包含有一定的泥土。在排土场中4个点进行取样，分析发现，取样土壤中碎石颗粒粒径超过1 mm的比例分别为83.2%、76.6%、76.3%、80.1%。表明土壤有很大的空隙，储水能力较差。尾矿库中主要以砂质土为主，取样检测发现粒径小于1 mm的比例为98.3%。

(2)土壤养分。土壤中的养分决定了土壤种植植物的效果，速效钾、速效磷、全氮、有机质等都是土壤中非常重要的有机养分[7]。对排土场和尾矿库的土壤养分进行试验检测，废弃矿山土壤主要养分及其含量如图1所示。图中P1—P4为排土场中的取样数据，W为尾矿库中的取样数据。基于图中所示数据、结合土壤养分分级情况可知，废弃矿山中的土壤养分比较贫瘠，并不适合植物种植。

图1 废弃矿山土壤主要养分及其含量Fig.1 Main nutrients and contents of soilin abandoned mines

(3)土壤酸碱度。土壤的酸碱度会对植物的生长过程产生明显的影响，对于绝大多数植物而言，如果土壤的pH值低于3.5或者高于9，就难以生存[8]。对上述5个取样点的土壤酸碱度进行检测，发现其pH值依次为8.63、8.52、8.48、8.53、8.85，都属于碱性土壤，且尾矿库中的pH值比排土场要高。对于此类型土壤，施肥时不得使用碱性肥料，而应该使用酸性肥料，以便对土壤的酸碱度进行中和。

(4)土壤重金属。对5个样品中的重金属类型及其含量进行了检测，所得结果如图2所示。

图2 废弃矿山土壤重金属类型及其含量Fig.2 Types and contents of heavy metals in soil of abandoned mines

该废弃矿山所在地区的铅、铜、锌、镉重金属含量背景值分别为21.9、24.1、71.1、0.1 mg/kg。对比图2中数据可知，废弃矿山排土场中的铅、铜、锌、镉重金属含量平均值依次为13.54、15.65、12.94、6.97 mg/kg，分别是对应背景值的0.62、0.65、0.18、69.72倍。尾矿库中铅、铜、锌、镉重金属含量分别是对应背景值的0.001、0.210、0.150、232.100倍。废弃矿山的铁元素含量非常高，原因是该矿山属于铁矿。

2.2 废弃矿山土壤性质分析

基于以上分析可以看出，废弃矿山排土场和尾矿库中的土壤细粒所占比例较少，土壤间隙较大，难以存储水分。土壤养分比较贫瘠，有机质、有效磷和全氮的含量偏低，并且整体偏碱性，不利于植物的生长。土壤中的镉元素和铁元素远远超过了该地区的背景值，存在严重的重金属污染问题。

3 矿山排土场边坡生态修复技术

3.1 生态修复植物和场地的选择

在充分考虑废弃矿山排土场土壤基本属性以及该地区气候条件的基础上，尊重植物的基本生长规律，对乔、灌、草不同的植物种类进行搭配[9]。最终选择的植物包括5种，分别为苦楝、火炬树、刺槐、紫穗槐、盐肤木。在整个排土场范围内选取比较典型的场地开展试验工作，选择的场地面积约为1 km2，边坡角度为35°，该场地的土壤性质与上文所述性质相同。

3.2 具体操作方案

正式施工前对试验场地进行修整和清洁处理，确保整个场地的平整性，清除松动的大块岩石，以便后续的植物播种。在平整的场地面上铺设高镀锌菱形铁丝网，铺设时自上而下进行，铁丝网接头部位要求搭接宽度不得小于100 mm，并且用钢丝进行牢固捆扎。通过挂网可以使基质与土壤基体形成一个整体。基质由大量的有机物质进行充分搅拌混合而成，其中最主要的物质包括腐殖土、锯末、花生壳、草纤维、营养肥料等，以上有机物质必须确保有科学的比例。理论上喷播的基质厚度在2～8 cm，考虑到实际操作时基质会丧失一定的水分，导致其厚度减小。因此，在实际操作时，厚度可以比设计厚度高出25%左右。

喷播的植物类型前文已述，对于乔、灌木种子，喷播前需要利用温水对其进行浸泡1 d处理，对于草本植物，喷播前需要用温水浸泡种子1～2 h，确保湿润。将浸泡后的种子与基质进行充分混合，然后利用专业的设备将其均匀喷播到铁丝网表面。

3.3 植物的生长情况统计

(1)监测内容与方法。试验中喷射的基质厚度为8 cm，但由于边坡坡度较大，基质在重力作用下厚度发生了变化。其中，顶部位置厚度变成7 cm，越往下厚度越大，底部位置厚度为12 cm。自上而下选择4块区域进行分析，分别标记为区域1—区域4，每块区域的面积为1 m2，4块区域的基质厚度依次为7、9、10、12 cm。7月初完成喷播工作后，每月对各种植物的冠幅、地径、高度等指标进行监测。

(2)植株发芽情况。8月和9月不同植物的发芽情况如图3所示。由图3可知，在研究的5种植物类型中，火炬树、刺槐、紫穗槐的发芽率相对较好，在喷播后的2个月时间内出现了大量的发芽情况，整体情况良好；苦楝和盐肤木在喷播后的1个月内并没有出现发芽的情况，待第2个月才出现发芽，且数量并不多。

图3 8月和9月不同植物的发芽情况Fig.3 Germination of different plants in August and September

(3)植株的生长情况。由于气候方面原因，导致紫穗槐在10月份时不再生长。因此，未对其进行监测。研究中主要对另外4种植物的生长指标进行了监测。10月份时各种植物的生长指标情况见表1。由表中数据可知，刺槐的植株高度为5.9～15.9 cm，平均高9.45 cm；火炬树的植株高度在2.2～5.3 cm，平均高3.55 cm；苦楝的植株高度为2.9～6.6 cm，平均高5.125 cm；盐肤木的植株高度为10.5～22.9 cm，平均高15.775 cm。

表1 10月份各种植物的生长指标情况Tab.1 Growth indicators of various plants in October

对比各项指标可知，经过3个月的生长后，10月份刺槐和盐肤木的生长速度相对较快，而苦楝和火炬树的生长速度相对较慢。

对不同区域的物种生长情况进行对比发现，随着种植区域不断下移，刺槐的数量呈现出逐渐降低的趋势，但是由于区域4具有较高的基质厚度，所以后期生长速度相对较快。在区域1和区域2，火炬树的生长情况相对较好，在区域4盐肤木的生长情况相对更好，苦楝在不同区域的生长情况差异较小。基于此，在边坡的上部分区域应该种植火炬树，下部区域应该选择种植盐肤木和刺槐。

3.4 基质和土壤理化性质情况

(1)物理结构变化情况。对土壤和基质中粒径≤20 mm的颗粒比例进行统计分析发现，在正式喷播之前，土壤和基质中对应颗粒的比例分别为86.2%和89.5%。经过几个月的植物种植以后，到10月份再次进行试验检测时发现，土壤中4个区域样品中小颗粒的比例分别为89.2%、96.4%、88.2%、85.1%，基质中4个区域样品中小颗粒的比例全部为100%。可见，在排土场上方种植植物，可以对土壤中的矿渣起到很好的风化作用，土壤中粒径不超过20 mm的颗粒比例有了一定程度的提高，基质中粒径不超过20 mm的颗粒比例则达到了100%。由于本次只开展了3个月时间的试验，如果时间足够长，则土壤中小颗粒的比例将会进一步提高，从而增加土壤的蓄水能力，慢慢能够适应植物的生长。

(2)养分变化情况。10月份4个区域土壤中有机质和速效磷的养分情况如图4所示。由图4可知，土壤中的有机质含量与原始数据相比较有了一定程度提升，而速效磷的含量则出现了一定程度的降低，说明通过植物种植能够提升土壤中的有机质含量，但是会降低速效磷的含量。

图4 10月份4个区域的土壤养分情况Fig.4 Soil nutrient situation in four regions in October

(3)重金属含量情况。10月份4个区域重金属含量情况如图5所示。由图5中数据可知，进行3个月时间的植物种植后，排土场中的重金属含量均出现了不同程度的降低，尤其是铁元素的含量降低幅度最大。说明选择的植物对重金属具有一定的富集作用，对铁元素的富集作用最为明显。

图5 10月份4个区域重金属含量情况Fig.5 Heavy metal content in four regions in October

基于以上分析可知，通过在排土场边坡上进行挂网喷播，加速了土壤中大颗粒矿渣的风化速度，小颗粒物质所占比例有了一定程度的提高，土壤中典型的营养成分也有了大幅度提高，重金属污染问题得到了明显的改善，有效改善了废弃矿山土壤的各项理化性质，生态问题得到很好的改善，说明利用该技术对废弃矿山进行生态修复是可行的。

4 尾矿库重金属污染植物修复技术

4.1 试验方法

已有的研究表明，通过植物种植可以对土壤中的重金属元素进行有效的吸收[10]。为了获得最优的植物类型，在草本植物、灌木和乔木中分别选择不同的物种进行盆栽试验，盆栽中使用的土壤全部来自尾矿库。草本植物主要有蜈蚣草、狼尾草、狗牙根、鸡冠花、紫花苜蓿、高羊茅；灌木类型主要有柠条、紫穗槐、胡颓子、胡枝子、银合欢；乔木类型中只有刺槐。

使用的盆栽直径和高度均为15 cm，所有植株的种子经特殊处理后在盆栽中进行种植，整个种植期间施加相同的肥料。种子放入盆栽后，先在室内放置5 d，然后全部移到室外进行种植，整个过程持续4个月时间。试验期间部分植物长势不好，不参与统计计算，分别在第2月和第4月检测长势较好植物对重金属的富集浓度情况。

4.2 结果分析

第2个月和第4个月不同植物对重金属的富集浓度基本情况如图6和图7所示。由图6、图7中数据可以看出，本研究中选择的植物对尾矿库土壤中的重金属元素均有一定的富集作用，但不同植物对不同重金属的富集浓度具有一定差异。

图6 第2个月不同植物对重金属的富集浓度Fig.6 Enrichment concentration of heavy metalsin different plants in the second month

图7 第4个月不同植物对重金属的富集浓度Fig.7 Concentration of heavy metals in different plants in the fourth month

对于镉元素而言，狼尾草、高羊茅、紫花苜蓿、蜈蚣草、银合欢、紫穗槐6种植物均有不同程度的富集作用，并且后三者比前三者的富集作用更加显著。将第4个月植物中的重金属元素含量与本地区相同植物中对应的重金属元素含量进行对比发现，蜈蚣草、银合欢、紫穗槐3种植物中镉元素的含量分别为背景值的85.5、52.8、140.4倍，狼尾草、高羊茅、紫花苜蓿3种植物中镉元素的含量分别是背景值的19.2、24.1和28.1倍。

对于铁元素，蜈蚣草、鸡冠花、狼尾草、狗牙根、高羊茅、紫花苜蓿、银合欢都对铁元素具有不同程度的富集效果，其中前2种植物对铁元素的富集作用最为显著。实践数据表明，随着时间的延长，紫穗槐内部包含的铁元素含量出现了逐渐降低的趋势，说明该植物对铁元素不存在富集效果。