大宝山矿山历史遗留生态恢复成效及治理经验分析

陈 涛

(广东省大宝山矿业有限公司，广东 韶关 512127)

1 引言

矿山开采为我国经济社会发展提供了大量工农业原材料，但同时也不可避免地带来了一系列伴生问题。据统计，全国矿山开采占用损毁土地已达300多万hm2，且每年都在以3～4万hm2的速度增加[1]。矿山能够通过废渣、粉尘和废水等多种介质将重金属污染输入到周边区域环境中，导致水体污染、农田土壤重金属超标等系列严重问题，使得周边居民的身体健康受到影响[2～4]。矿山作为环境重金属污染源头防控的重点环节，必须及时开展有效治理[5]。此外，矿山开采引发的问题还包括土地占用、生态环境破坏、水土流失、景观碎裂化等[6,7]。在矿山类别方面，我国采矿历史悠久，各类历史遗留矿山占矿山待治理面积的比重较大，达到60%以上[8]，其中大部分属于无主矿山，亟需采取有效措施。基于经济环保的优势特点，生态恢复成为目前治理矿山环境问题的主要模式，其又分为间接植被(包括客土或覆膜隔离植被等方式)和直接植被2种技术方式。间接植被存在取土困难、运土成本高、二次环境破坏等缺陷，使得直接植被越来越成为优选的方式[9]。过往研究人员围绕矿山生态恢复过程中的边坡整治、土壤改良、固废应用、植物品种的选择和效益评价等多个方面展开了工作[10～14]，促进了相关治理技术的发展。在技术应用上，姚志龙等[15]在襄阳真武山历史遗留采石场裸露山体坡面采用挂网、坡顶种植悬垂植物、坡脚种植攀援植物对坡面进行绿化，施工后坡面复绿效果好，绿化率高；周航彬等[16]在金华市废弃石料矿针对不同类型区域，分别采用缓坡种植、客土喷播、藤蔓植物种植、水生植物种植等方式，绿化覆盖率由30%上升至90%以上，营造了良好的生态环境。但总体而言，大多数相关研究仍处于室内试验或野外小试阶段，并且受矿山土壤本底的极端理化条件带来的难度，目前对于历史遗留矿山成功治理工程案例的报道仍较少，特别是缺乏金属矿山类型以及直接植被治理方式的工程案例报道。

近年来，国家密集发布了多项政策文件，均提出要加快推动矿山治理工作，总结矿山治理成功案例经验可以有效地提供借鉴和参考。近期，广东省大宝山矿业有限公司在新山片区成功实施了历史遗留矿山生态恢复工程(一期)项目，通过采用基于微生物群落调控的“原位基质改良+直接植被技术”，实现了重金属酸性矿山土壤上直接植被治理，并经历了4年的效果验证。综合上述背景，以大宝山矿新山片区一期项目为例，通过分析相关的治理思路和实施成效并总结相关的经验模式，以期为国内同类型历史遗留矿山的生态恢复工作提供经验借鉴。

2 大宝山矿新山片区概况及治理的重难点

2.1 新山片区概况

新山片区历史遗留矿山区域位于大宝山矿区露天采场的南东侧，总面积约90 hm2，1980年以前为林地，不在大宝山矿的矿权范围。从1984年开始，当地民采盗采活动兴起并逐渐发展为对矿产资源的大肆掠夺，历史上新山片区出现的非法矿窿达119条、选矿厂8个、洗矿点20多个，对矿区生态环境及下游水环境造成了严重破坏[17]。据统计，从1984～2005年，仅新山片区排入到李屋拦泥库中的各种固体废弃物就达900万t以上，每年产生的含重金属废水约为170.6万t。2005年后，各级政府对民采盗采行为进行了严厉打击；2015年后，大宝山矿将新山片区矿权整合，并以国企担当的责任感主动承担了该区域的环境整治工作。

新山片区历史遗留矿山主要由废弃的沟道、民采露采场和排土场组成，历史上长期的民采盗采使得该区域地形地貌景观已遭到破坏，水土流失问题非常突出，成为威胁大宝山矿及周边区域生态环境问题的最主要风险来源，严重影响到矿区安全生产、周边居民健康和下游农作物质量[18,19]。

2.2 治理的重难点分析

新山片区严峻的生态环境风险使得治理工作迫在眉睫，但由于历史遗留的各项问题和该区域本底土壤的极端性质，导致生态恢复治理技术难度极大，主要表现在以下几个方面，相关指标数据见表1。

2.2.1 极端酸性和重金属问题

新山片区土壤含有大量低价的金属硫化物，在氧气、水和铁硫氧化微生物的作用下长期氧化产酸，导致大部分区域土壤pH值降低至3.0以下，初步调查结果平均值为2.65，EC值高达1810 μS/cm，呈极端酸性，并进一步造成土壤中的原本稳定的重金属大量溶出。同时，初步调查结果也显示该区域的重金属含量很高，其中总铅、总锌、总铜分别为5480 mg/kg、824 mg/kg和704 mg/kg。极端酸性与重金属毒性会导致植物种子难以萌发，严重影响植物的生长定居并造成植被退化问题，使得区域裸露。土壤中高比例的铁硫氧化微生物导致治理后的区域极易发生返酸问题，影响植被系统的长期稳定性。张世文等[20]对大宝山矿区的研究结果也表明，长期的矿业开采活动造成了区域土壤酸化和重金属富集等问题，开采区域相比其他区域生态修复优先级最高，其治理首要重点包括降低pH值和重金属有效态含量、提高植被覆盖度等。陈家栋等[21]对该矿区的调查结果同样显示，大部分区域土壤的重金属含量都高于国家三级标准，其中露采区的Cu、Cd、Zn、Cr含量最高。

2.2.2 酸性矿山废水污染问题

过往民采和民选产生的废土、废石和尾矿大多在地表进行就地堆放，未进行有效的防护措施，一遇雨天，产生的民窿废水、尾矿水和冲刷的废土等在拦泥坝前形成了酸性水库。暴雨时，雨水混合大量酸性、重金属泥浆水排入下游李屋溪，对下游矾洞水、横石水水质造成了极大的影响，下游地区农田也受到严重污染[22]。据初步调查结果，外排的酸性废水pH值低至3.01，铅、锌、铜含量则分别达到0.82 mg/L、142 mg/L和21 mg/L，远超标准限值。吴永贵等[23]的研究结果表明，大宝山矿民采拦泥库溢出的酸性废水使得下游河水毒性增强，并显著破坏了水生生物的生存环境，致使下游水生态系统遭受严重破坏，影响范围甚至到达下游50 km处。许超等[24]在大宝山下游酸性矿山废水污灌区采集的21个水稻土样品分析结果显示：稻田土壤pH值呈酸性，主要为Cd和Cu为主的多金属复合污染，有效态含量较高，会对农作物安全造成影响。

2.2.3 土壤侵蚀和地形地貌破坏问题

大范围的露天开采和不规范的民采，对地表造成了强烈的扰动和破坏，使得新山片区山体破碎、植被毁坏殆尽，造成了比较严重的土壤侵蚀与土壤环境问题[25]。勘察结果表明，土壤平均侵蚀模数达到2462 t/(km2·a)，边坡稳定性系数为1.125，低于安全系数1.35，存在一定的滑坡风险。此外，新山片区原始地形地貌在长期无序民采活动中破坏较严重，地表形变范围大，程度较严重；地面塌陷、滑坡和泥石流等地质灾害潜在风险突出。区域内以中低山丘陵地貌为主，中度、强度和极强度侵蚀以大斑块状镶嵌在其中，剧烈侵蚀和极强度侵蚀区主要集中在区域内中低山地的工矿用地，绝大多数为矿山开采区及排土场等堆积区。

2.2.4 水土流失严重问题

区域内原始的清污分流工程、防洪工程措施不完善，在控制水土流失的作用方面甚微，周围山体汇水面积大，造成水土流失问题极为突出。由于排土场未设置任何防护措施以及长期无序民采的掠夺性开采，造成外围西部、西南部水土保持状况很差。从表1结果可以看出，地表侵蚀造成的水土流失相当严重，为重度流失区，水土流失面积合计占总面积的52.9%，对地质环境造成了严重影响[5]。大量废水、泥沙流入下游的拦泥库和尾矿库，造成库容迅速减少，李屋拦泥库的实际使用寿命甚至比设计使用时间减少了近40年[17]。

表1 新山片区治理重难点的相关指标数据

综上，新山片区历史遗留民采区采矿场、排土场等占地面积广，对土壤、水质环境质量影响大，地形地貌景观破坏问题严重，矿区及外围存在大量水土流失，土地资源压占、地质灾害等矿山地质环境问题突出，植物在现有条件下难以生长，生态环境条件恶劣，治理技术难度极大。

3 大宝山矿新山片区治理思路及成效

3.1 治理思路

大宝山矿新山片区历史遗留矿山区域面积大，治理难度高，采取何种有效可行的植被重建措施，是该区域重金属酸性土壤污染治理的关键和亟待解决的问题[26]。针对上述问题，广东省大宝山矿业有限公司进行科学部署，分多期工程实施对新山片区范围进行生态恢复治理，其中新山片区(一期)项目治理面积为25万m2。

在治理思路方面，如前所述，有直接植被和间接植被两种方式可以选择。向慧昌等[27]通过分析大宝山矿区生态影响并识别生态恢复限制性因素，认为土壤是制约废弃地生态恢复的关键因素，提出“客土覆盖+土壤改良+植被恢复”的间接植被方案，并进行了小试，取得较好的效果。但在实际实施中，因项目治理面积大，难以寻找到足够数量的土源，并且还会对取土点造成环境破坏，运输费用造成的成本提高也是需要考虑的问题。综合考虑比选下，该项目最终采用直接植被的治理思路，针对新山矿区治理的重难点问题，在打击非法民采民选、封堵民采盗采矿窿基础上，紧紧围绕“控源截污+植被恢复”的方针开展源头治理，主要治理技术路线见图1。相关工作包括：①新建民窿废水收集工程收集酸性废水纳入污水处理厂管网；②新建清污分流工程，建设截排水沟，合理排洪与分流，减少铁龙新山片区周边山体清水流入李屋拦泥库，从源头上减少废水产生量；③对历史遗留矿山实施生态恢复治理工程，采用基于微生物群落调控的“原位基质改良+直接植被技术”重建该区域植被系统，并实现该区域生态环境的整体改善。项目整体实施时间为2018年4～10月份。

图1 大宝山矿新山片区历史遗留矿山治理技术路线

“原位基质改良+直接植被技术”是直接植被方式，不改变矿业废弃地的地形与土壤结构，无需覆土，在原位进行基质改良后，直接在矿业废弃地上种植植物和撒播种子，柔性改良土壤结构、土壤理化性质，通过调控微生物群落与控制产酸的微生物类群，重建一个人工或半人工的生态系统，通过植物稳定重金属，降低重金属的迁移性，达到治理矿业废弃地污染的目的，实现源头控制重金属污染[9]。在原位基质改良方面，基于废弃物酸化机制与控制原理、废弃地的基质改良等关键理论与技术问题的长期研究成果，通过调控微生物群落以及合理的改良材料添加，逐渐渗透到下层并改善下层的理化性质，使得下层条件逐渐得到提升，最终促使下层土壤的理化性质向正常土壤发展。在植被重建方面，基于对植物重金属耐性机制与耐性物种选择和原生演替的研究成果，充分考虑到生物多样性，植物配置以草本为主，灌木次之，小乔木为辅的原则，并按照不同植物地上地下部分的分层布局，充分利用多层次空间生态位，保证整个植被系统的稳定性。在改良材料用量方面，具体为：石灰10 kg/m2，土壤改良基质15 kg/m2，土壤改良调节剂5 g/m2，抑酸微生物菌剂4 g/m2，无机肥1 kg/m2；在植物材料方面，具体为：乔灌草结合，营养袋苗的密度为2株/m2，种子用量为50 g/m2。

通过采用该直接植被技术，实施成本相比覆土植被等间接方式降低了40%左右，有效确保资金投入的效果产出，避免了取土覆土造成的二次环境破坏、影响坡面稳定性等各类问题，并且自维持、不退化，显著降低了后期维护成本。

3.2 治理成效分析

项目实施后，新山一期项目区域土壤和地表水污染情况均得到有效治理，具体检测结果见表2。可以看出，修复后土壤pH值显著升高，由原始的2.60上升至中性以上，土壤潜在产酸能力明显下降，NAG-pH由2.62上升至4.63，从强产酸水平变为基本不产酸；同时，有效铅、有效锌、有效铜含量相比原始土壤均显著降低，明显减少了铅、锌、铜等重金属元素的溶出。以上治理效果主要来源于石灰、抑酸微生物菌剂等改良材料与植物固化的共同作用[28]。相比新山原始水样，新山一期项目区域修复后的地表水样pH值显著升高，从2.69上升至6.12，重金属含量显著降低，其中铅、锌、铜、镉的降低比例均达到90%以上，浑浊度数值明显下降。通过新山片区历史遗留矿山生态恢复一期工程及配套废水处理设施，新山片区随外溢水进入横石水的含重金属污泥每年削减约6万t，横石水水质得到有效改善，目前已从治理前的Ⅴ类水体稳定上升为Ⅲ类水体。

表2 新山一期项目修复前后土壤和水样重金属检测数据结果

项目区域现已被植被覆盖，形成多种植物匹配互长的生长态势，已记录的植物品种达到32种，涵盖乔木、灌木、草本等，整体覆盖度高达97%。这说明以乔灌草结合的多样性配置模式进行植被恢复是最佳的方式，能够显著提升恢复效果，这与周鹏飞等[29]在该矿山的研究结果是一致的。项目实施至今已有4年，目前已从最初的草本群落演替为乔灌群落，优势植物包括马尾松(Pinusmassoniana)、苎麻(Boehmerianivea)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、大叶女贞(Ligustrumcompactum)、狗牙根(Cynodondactylon)等，并且未发生任何返酸退化问题，自维持、不退化的植被系统已初步成型，现场已观察到鸟类回迁，区域生态环境质量显著得到改善。以上优势植物的结果可以为后期的同类型项目植物选种和配置提供有效的参考借鉴。项目实施显著促进了新山片区历史遗留矿山的减排增汇，促使其由“碳源”向“碳汇”转变。

通过新山片区一期工程项目的实施，该区域向下游李屋拦泥库流失的土壤量显著降低，水土流失问题得到有效控制，成功经受了2019年、2020年连续创纪录暴雨的考验。目前，大宝山矿已完成新山片区的全面整治工作，整个新山民采区预计每年将减少周边8 km2汇水面积，约500万m3干净水进入，地表径流pH值上升至5以上，并通过李屋拦泥库的排洪隧洞外排下游水体，水土流失情况基本消失，从而完全切断其对李屋拦泥库的影响。

4 大宝山矿新山片区治理模式

4.1 NAG试验法快速预测土壤酸化

过去矿山生态恢复常根据土壤的现有酸性来计算土壤改良材料用量，并未考虑到其内部金属硫化物后续氧化所带来的潜在产酸，这会导致土壤改良措施在刚添加的一段时间内有效，但随着潜在产酸的不断释放，改良的作用将不明显，并出现返酸现象。本项目通过采用NAG-pH酸化快速预测技术，能够在短时间内大规模地评估土壤的潜在产酸量，从而精准有效地计算改良材料的添加量，确保土壤改良效果的长期有效，为后期植被系统实现自维持、不退化奠定坚实的基础[30]。

4.2 “控源截污+生态恢复”开展源头治理

在控源截污方面，从源头民采区的封堵矿窿、修建截水沟、土地平整、加高拦泥坝，到受纳李屋拦泥库的清污分流、排洪隧洞、清淤腾库容，最后到下游应急坝拦截突发风险、污水处理厂彻底解决库内废水等，逐步解决矿山源头的每个高风险点。在生态恢复方面，采用“原位基质改良+直接植被技术”不仅可以避免挖损周边山体、保持项目区域的原本稳定性，并且可以一劳永逸地解决修复后土壤再返酸的问题；以生态学的思维开展生态恢复工作，最终可以实现项目区域形成与周围环境相协调的自然生态景观。

4.3 协同开展工作，开展长效评估

新山片区历史遗留矿山治理工作涉及范围广、技术难度大。为了有效开展相关工作，大宝山矿与市环保局、科研院所等共建了“广东省大宝山及周边地区土壤环境污染修复联合平台”，形成了“环保部门为主导、大宝山矿为主体、科研院所为支撑、第三方单位长期评估”的工作推进方式。此外，资金问题也是困扰历史遗留矿山治理的首要问题。在省市各级政府的努力下，大宝山矿积极争取，申请到了中央重金属专项、中央土壤污染防治专项、山水林田湖草专项、省级污染防治专项等资金，为新山片区历史遗留矿山的源头治理工作提供了重要的资金支持。最后，通过与科研院所合作开展相关研究，对项目实施效果进行长效评估，为后续项目提供技术和数据支撑。

5 结语

历史遗留矿山的环境治理工作需求迫切，意义重大。大宝山矿新山片区历史遗留矿山生态恢复工程(一期)项目通过采用“原位基质改良+直接植被技术”，取得了显著的治理成效，并总结形成了一套历史遗留金属矿山的直接植被治理经验模式。在后续的工作中，还将继续加强对新山一期项目治理效果的跟踪调查，不断总结相关技术经验，并拓展矿山碳汇的研究工作。该项目在实施和管理过程中的经验模式能够为同类历史遗留矿山生态恢复治理项目提供参考，并助力我国矿山生态环境修复和双碳工作。