碳中和视角下露天废弃矿山生态修复技术优化

田占良

(河北省地矿局 国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081)

随着国土空间开发和城市化进程的不断推进，露天废弃矿山这一历史遗留问题已经逐渐成为较严重的生态问题[1-3]。为充分挖掘废弃矿山的潜在利用价值，废弃矿山的生态修复与改造利用作为一种积极的举措受到人们的关注[4-6]。因此，如何确保露天废弃矿山在修复过程中的有效性，达到碳中和目标，降低污染与能耗，满足露天废弃矿山生态修复的可持续性成为当下研究的重点。鉴于露天废弃矿山治理与修复的重要性，相关学者进行了较多的案例研究，并积累了大量的经验[7-9]。如，覃茂刚等[10]以海南某露天废弃矿山的治理为案例，阐述了台阶式降坡卸荷的方法，并在设置防护网与警示标志的基础上，结合设立鱼塘、植树种草等举措，实现生态环境的综合治理。郭党生[11]依托北京密云区某废弃矿山修复工程，提出了基于不同边坡类型采取针对性绿化措施的“立体绿化模式”，有效治理了该矿山存在的土地资源破坏、地质灾害严重等生态环境问题。闻彩焕等[12]针对传统矿山修复时全站仪或GPS-RTK测量存在的弊端，提出了基于无人机倾斜摄影测量技术的矿山生态修复开展方法，阐述了其在方案设计、施工管理等阶段的技术优点，认为无人机倾斜摄影测量技术在矿山治理的安全性、效率以及信息化方面具有显著优势。

“碳中和”中的“碳”即为二氧化碳，主要指人们在工农生产和交通运输过程中所排放的温室气体；“中和”意为正负相抵，主要通过植物对温室气体的吸收来实现[13]。对于露天废弃矿山而言，相关的治理报道大多侧重于治理手段的改善以及局部的生态环境营造，而基于碳中和视角下的露天废弃矿山生态修复方法则鲜有报道。为此，本文在已有研究成果的基础上，从“碳中和”角度出发，通过有效运用基质改良、植物修复、自然修复、微生物修复以及辅助修复等优化技术，达到露天废弃矿山生态修复的目的，并实现碳中和的目标。

1 废弃矿山生态修复的价值

(1)改善生态环境，构建生态文明。这些年在我国社会经济快速发展过程中，矿山开采成为其发展的基础与保障，很多露天矿山在失去开采价值后便被废弃，对当地生态环境造成极大破坏。所以在碳中和视角下，利用生态修复技术，实现露天废弃矿山的绿色生态治理，能够改善当地生态环境，构建生态文明。

(2)实现绿水青山，合理开发旅游资源。露天废弃矿山在修复过程中，利用生态修复技术，让遭到破坏的环境逐渐得到改善，并开始变绿。让满目疮痍的露天矿山变绿，通过旅游资源的合理开发，能增加当地群众的收入。

(3)推进绿色生产，提升节能减排和固碳增汇能力。露天矿山生态修复过程中碳达峰、碳中和是十分重要的组成部分，不仅可以体现低碳转型理念，还能在生态修复过程中探索低碳土地利用与开发模式。将低碳绿色生产生活、低碳节能产业用地转型等理念与方法融入到矿山修复中，能极大改善当地生态环境，合理利用土地，利用综合治理，推进绿色生产，提升节能减排和固碳增汇能力。

2 露天废弃矿山存在的问题

目前，露天废弃矿山存在的问题主要表现为：①土地占用量大，破坏严重。露天矿山活动过程中需要修建厂房、公路等基础设施，同时也会产生大量废弃物，占用大量土地的同时也会对生态环境产生极大破坏，如图1(a)所示；②地质灾害较多。废弃矿山虽然没有开采活动，但是依然会受到各种地质灾害的影响，如滑坡、泥石流、地下采空区、局部塌陷等，对矿山附近的城市及村庄形成威胁，如图1(b)所示；③环境污染。矿山在活动过程中形成大量废水、废气、废渣等，这些废物并未经过合理处理就随意排放到河流、大气及土壤中，对当地生态环境产生极大影响；④水土流失与荒漠化。露天矿山的开采会将周围的植物全部砍伐完，造成严重的水土流失问题，水土流失继续发展，就会形成荒漠化。

图1 废弃矿山存在的危害Fig.1 Hazards of abandoned mines

3 废弃矿山生态修复技术的优化

目前露天废弃矿山生态修复技术的研究相对较多，在国内外都有大量案例，比如日本国营明石海峡公园、法国Biville采石场等都是利用先进的生态修复技术，实现矿山的绿色发展，以此达到碳中和目标。下面就对露天废弃矿山生态修复技术的优化进行介绍。

3.1 生态恢复技术

3.1.1 基质改良技术

(1)物理改良。露天废弃矿山生态恢复过程中，需合理使用基质改良技术，其中物理改良是十分重要的组成部分。由于废弃矿山基质结构性差，且土壤失去养分，有重金属毒性，到最后生态修复难度较高。包括表土回填(图2)、客土法等是比较常见的物理改良方法，如果是金属矿山，土层会被重金属污染，且由于土层过薄，没有土壤层产生，所以基质改良中客土法的应用价值较高。按照基质成分及物理性质等，对覆土厚度进行确定，恢复土地为农业与林业两类，前者覆土厚度需达到50～100 cm，后者则需达到10～30 cm。Holmesetal在研究中指出，当覆土厚度分别为10、30 cm时植物的盖度能提高50%与70%。在具体应用中，要考虑土壤来源以及运费，且避免对其他区域的植被造成破坏。一般情况下，基质改良过程中的土壤可以使用秸秆等发酵后代替使用，提升土壤养分。

图2 废弃矿山表土回填Fig.2 Backfilling site of waste mine topsoil

(2)化学改良。酸碱化问题在露天废弃矿山中比较常见，在对这类土壤进行改良过程中可以使用硫酸亚铁、石膏、碳酸氢盐等。土壤碱化程度可以通过石膏的应用得到有效减轻，土壤中水的渗透能力也能有效增强，土壤基质会得到极大改善。将碳酸氢盐和石灰投入到基质中，能有效中和酸性废弃地。通过少量多次的方法将碳酸氢盐或石灰投入到酸性较高或产酸较持久的废弃地中，也能对土层进行有效改善。露天废弃矿山缺少各类植物生长所需的氮、钾等营养物质，所以在改良过程中，可以将化肥、生活垃圾等加入到土层中。如可以将粪肥和石灰施加到铅锌尾矿库，对尾砂的改良效果较高，一般情况下粪肥与石灰的用量分别为37.80、2.00 t/hm2。同时也可以使用城市污泥(图3)，不仅可以对露天废弃矿山土壤进行改良，还能确保土壤具有良好肥力。由于城市污泥属于固体废弃物，整体成本较低，且能实现废物资源的有效利用，但是要在污泥使用前进行检测，避免发生二次污染。

图3 城市污泥Fig.3 Municipal sludge

(3)生物改良。在土壤结构改良过程可以引进蚯蚓，增加土壤保水保肥能力。对于重金属铅、铜等蚯蚓的富集作用较强，对于重金属土壤蚯蚓有良好的净化能力。也可以在废弃改良期间应用菌根、酶等微生物，增加土壤微生物菌群的活性，根际周围的微生物环境能得到有效改善。某废弃矿山在物理、化学以及微生物等综合改良措施前后的情况如图4所示。

图4 某废弃矿山在基质改良前后的对比Fig.4 Comparison of an abandoned mine before and after matrix improvement

3.1.2 植物修复技术

碳中和作为一种绿色环保理念与形式，在生态修复过程中要利用好植物修复技术，提升碳汇储量，满足我国生态文明建设需求。露天废弃矿山生态修复过程中，植物修复技术应用前景广阔。在废弃矿山的土层上逐渐建立起适宜、稳定的植物群落，能有效改善土壤及周围生态环境，达到碳中和的目标。碳中和的实现要求在生态修复过程中，减少或者无污染，降低能耗，减少CO2的排放，如图5所示。

图5 某废弃矿山的植物修复前后Fig.5 Before and after phytoremediation of an abandoned mine

植物修复技术的要点是选择适宜的物种，尤其是在露天废弃矿山上，植物的营养元素均来源于重金属土层，所以只有保证物种选择的科学性，才能逐渐改善矿山生态环境。植物物种以重金属耐性植物、富集或超富集植物为主，常见的有高山甘薯、酸模羽叶鬼针草等。选择何种植物，可以根据图6结构进行确定。

图6 植物选择Fig.6 Plant selection

同时，也可以选择杨柳植物进行生态修复，常见的有北京杨、加拿大杨、旱柳等。以旱柳为例，对于铜的富集能力较强，且在对铜矿尾砂的修复过程中，约在220 d时，根系中铜的含量可以达到1 650.00 mg/kg左右，而且植株生长良好，毒害作用并不显著。对于露天废弃矿山修复，通过超富集植物的选择与应用，能起到良好的生态修复与土层改良效果，在植物生长过程中植物体的重金属含量较高，所以一定要做好这些植物的处理，避免对环境产生二次污染。

3.2 自然恢复技术

自然恢复技术应用最为著名的为法国Biville采石场生态修复项目，由于采石场在废弃之后遗留下很多问题，导致这里生态环境恶劣，不适宜动植物及人类生存与居住。但是通过自然恢复技术的有效应用，能对生态退化严重的采石场进行有效改善。

在修复过程中还与旅游业紧密结合，让采石场成为重要的旅游景点。采石场在自然恢复技术的应用后，效果如图7所示。

图7 Biville采石场恢复效果Fig.7 Recovery of Biville quarry

Biville采石场在废弃之后形成了一道直线形裂缝，其宽度与长度均为450 m，边坡十分贫瘠，坡角达到40°，落差20～40 m。在生态修复过程中，将其设计为休闲区，改善之后还具备湖泊。石料开采过程遗留的痕迹并没有被刻意隐藏，而是将其作为一种历史与痕迹被保留下来，这样就可以更好地进行自然恢复。为了让采石场恢复到自然状态，修复过程中引入适宜植被。在谷底通过引导水流的设施和设备，能形成一个湖泊。为了开发当地旅游业，不仅在湖边建设了休闲区，还在坑壁修建了阶梯，便于游客进入谷底。

3.3 微生物修复技术

碳中和与生态修复的最终目的是一致的，为改善露天废弃矿山生态环境，降低修复过程中对生态环境产生的污染，可以合理应用微生物修复技术。土壤环境可以通过根际微生物的活动进行改良，植物的生长发育过程中也能通过该技术的应用，对植物营养条件进行改善，确保植物的健康生长。丛枝菌根在铁矿尾砂基质中的接种，能有效提升植株对磷的吸收；在锌、镉污染的土壤中接种菌根(苜蓿)，可发现苜蓿体内由根系向地上部分转移的重金属增加，其原理如图8所示。在生态修复期微生物修复技术的应用，要对微生物群落进行合理筛选，通过在矿山定居植物根系微生物的培养和繁殖，并将其运用到修复过程中，不仅可以确保微生物具备良好的适应性，还能有效改善土壤结构。

图8 微生物作用下植物吸收重金属的原理Fig.8 Principle of plant absorption of heavy metals under the action of microorganisms

3.4 辅助修复技术

虽然矿山生态恢复过程中采取的方法为自然恢复，有效提升生态系统固碳能力，但是也要在实际运用过程中合理引入辅助修复技术。辅助修复技术比较常见的有截排水措施、边坡稳定技术等，通过与生态修复技术的有效结合，达到生态修复的效果，具体如图9所示。

图9 废弃矿山治理中的辅助修复措施Fig.9 Auxiliary restoration measures inabandoned mine treatment

(1)边坡稳定技术。矿山在废弃之后，一般都会形成高陡边坡，对矿山的安全性与稳定性形成极大影响，所以可以使用边坡稳定技术确保坡面的稳定。稳定边坡时所使用的方法有挂网加锚杆固定、削坡卸载等。

(2)截排水措施。为了有效排出坡面降水，减少水土流失的出现，要将截排水沟设置在坡顶、坡面，这样可以避免对坡面基质产生冲刷，影响前期的生态修复工作。通过截排水措施的有效应用，坡面基质能实现长期稳定，且能有效避免滑坡等危险因素的产生。

(3)覆盖措施。在边坡修复过程中可以使用植物种子，播种后需及时覆盖，覆盖材料为草帘、无纺布等，这样能避免雨水对种子及基质进行冲刷或者受到大风吹蚀，而且还有良好的保温作用，使种子生长的速度加快。

3.5 矿区植被重建要点

减排增汇是促进碳中和过程中的重要手段，在对露天废弃矿山进行治理的过程中，要紧紧围绕“绿水青山就是金山银山”的理念开展各项工作，在尊重自然与社会经济发展规律基础上，增强自然生态系统碳汇功能。矿区植被重建是碳中和背景下露天废弃矿山修复工作的重点，要通过综合手段提升节能减排和固碳增汇能力。矿区植被重建需要遵循以下要点。

(1)CBS植被混凝土技术喷浆型。将立体塑料网或者平面铁丝等架立在大坡度岩面上，并进行锚固，然后将混合材料(土壤、肥料、疏松材料等)使用压力喷混机喷涂在岩面上的网架内，等第1层固化之后开始喷涂第2层，最后将含草籽的混合料喷涂在最上面。喷涂一定要分层进行，且要确保上一层牢固后开始下一层喷涂。

(2)营造台阶型。营造台阶式可以在矿山坡度大、坡面致密稳定，对边坡覆土种植不易和投入较大的区域的使用，台阶的高度为10～20 m，宽1～2 m，设置种植槽台阶上，槽高需控制在60 cm以上。需注意种植槽内排水沟的合理设置，同时要将种植土回填到槽内。

4 结语

碳中和作为一种新型环保形式，在实现绿色生产与发展中发挥着重要作用。露天废弃矿山的绿色治理是当下最为棘手的问题之一，“碳中和”提供了新的思路与方法，利用生态修复技术，恢复矿山自然生态，改善矿山生态环境。“碳中和”与我国绿色发展目标相一致，所以需针对露天废弃矿山实际情况，选择合适的生态修复技术，在恢复矿山生态过程中紧密结合旅游业，让矿山继续发挥其经济效益。