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矿山废弃地生态修复技术研究

2022-11-22

中国金属通报 2022年10期
关键词:植被重金属矿山

刘 峰

我国是一个矿产资源大国。矿产资源也是我国社会经济发展的重要能源类型之一,是我国工业及其他相关产业的发展基础。但在矿山的开发过程中,对开发地的生态环境带来了严重的破坏,如对地表植被造成了破坏,在开发过程中对原有地貌的严重破坏、开发中污染源以及废弃材料处理不当对自然环境水体、大气以及土壤造成的污染与破坏。上述现象对生态环境造成了严重的破坏,严重影响了周边居民的生活环境以及生产活动,因此加强对矿山废弃地的生态环境恢复工作迫在眉睫。受我国建国初期的特殊国情决定,我国在废弃矿山的修复研究上起步较晚,与发达国家相比研究进程较短,在治理经验以及治理技术方面都相对不足。但近年来我国逐渐重视矿山废弃地的修复技术研究,对矿山废弃地生态修复技术的研究的投资力度逐步加大,也逐渐成为业内的研究热点,矿山生态修复的相关理论以及技术研究工作迅速发展,并取得了多项研究成果。目前,在我国矿山废弃地生态修复已经成为生态修复业内重要的论题之一,并基于生态系统退化与机理等相关的技术理论为基础,建立了以恢复矿山开发生产中破坏的生态系统为主要目标的技术体系,通过相应的技术手段,最大限度的对受到破坏的生态系统进行还原以及重新构建,降低矿山废弃地对人类生存、生活、发展可能产生的影响。

1 矿山废弃地土地资源生态修复的重要性

矿堆废弃所有者主要是指在采矿活动中受到严重破坏,没有得到完全有效管理,不能再使用的一块土地,主要类型有废弃的石堆矿山废弃地、采矿用的坑石堆废弃地、尾矿石堆废弃地和其他不同类型矿山废弃地等。由于大型矿山化工废弃物埋地的大量存在,不仅为矿山周围环境资源带来了严重污染,也在一定程度上破坏了自然景观,易直接引起各种自然地质灾害与生产安全隐患。会严重破坏一些矿区地下水所含有的水层,导致严重浪费矿区土地的水资源,并引起各种新的社会矛盾。因此,要充分结合现有矿山处理废弃地,采取一套科学合理的矿山生态环境修复治理方法,并不断提高对生态景观环境营造的重视程度,为矿区整体生态环境持续保护发展创造更加有利的环境条件。

2 废弃矿山现状与危害

“十二五”以来,通过矿产资源整合,先后关闭了一批资源枯竭、在“三带两线”可视范围内、对生态环境影响较大的砖瓦小粘土矿。矿山关闭后因未及时进行修复治理,形成了一批生产厂房、坑塘水面、地表堆积物等形式的废弃露天矿山,由此造成地貌景观、土地资源以及水土环境的破坏,安全隐患突出。废弃矿山的生态环境危害按其表现形式有以下几点:一是废弃黏土矿山整体生态系统基本结构功能遭到严重破坏,耕地被大量废弃、地表土质严重沙化、水土资源严重流失;同时采矿者在生产经营过程中从矿体内部排出的大量有害粉尘、有毒有害金属化学物和气体也直接影响周围环境;二是下游农业河道区域整体地质生态系统及其功能结构遭到严重破坏,矿区土地开采项目废弃导致下游矿区农业河道区域水土资源淤塞,影响下游河道灌溉和防洪安全,破坏下游农业河道区域整体地质生态系统。由于人工挖掘和大量废弃岩土堆积,矿区地面形成严重起伏及地下沟槽的复杂分布,地表山体植被也因此遭受到了严重破坏,使矿区坡面山体冲刷活动强度不断加大,导致整个矿区的主要水土资源流失。

3 矿山废弃地生态修复技术

3.1 构建生态产品价值补偿机制

通过对生态产品价值的分析,可以明确生态补偿的主体、客体(未做详细介绍)和对象,建立产品价值核算方法。通过以上步骤分析,构建生态补偿机制,并使其向着多元化和市场化的方向转变,在生态补偿机制中,主要环节是补偿主体、补偿对象的确认。依据受益者原则进行分析,明确生态补偿机制中的受益者是生态产品供给方,而生态产品的供给者作为客体存在。针对生态修复进行分析可知,该过程中的生态补偿主体,包括个人、区域政府等。考虑到生态修复方案的实施现状,将承受损失的企业、地方政府等机构作为补偿机制中的客体。用市场价值法和机会成本法进行生态产品价值合理分析,从而获取生态补偿标准数据,降低生态修复成本。基于生态产品价值识别建立生态产品价值实现模式。依据矿山废弃地的特性进行分析,综合原生态环境实现、生态环境保护、生态环境治理三个方面完成生态产品价值提升。在生态修复过程中,面对市场模式出现失灵的情况,需要政府主导进行补偿方式的组合。尤其是补偿机制开始之初,需要地方政府承担起生态产品价值提升的职责。补偿机制中的补偿对象以及受偿人群都确定后,可以完成补偿实施方案的设计。在补偿方案实施过程中,以生态产品价值流转步骤为基础,由政府建立交易平台和规则,使得交易成本得以降低,提升生态产品交易的合理性。通过生态产品价值提升,激发人们生态修复积极性,推动生态产品价值的实现,从而保证生态修复方案长期有效进行,促进矿山废弃地生态保护,以及环境质量提升。

3.2 平整矿山废弃地生态地形

我国许多矿山由于存在历史遗留问题及不规范开采,忽视了安全管理,导致大量腐朽废矿密集堆积在路边和开采巷道顶部,存在大量用于山体塌方挖掘的断面,极易因此引起山体塌方与矿区泥石流等地质灾害。基于此,要更加注重通过引入建筑坡道表面污水处理的新技术,提升建筑坡道表面的稳固性,达到斜坡平整性和处理废弃物的目的。对深层下部土层堆放一些含有不良土壤成分的优质岩土,在上部分别安排易发生风化性变质岩层等岩土品质较为适宜的优良土层,在地下排土场顶部与岩体表层则分别安排其他富含不良养分的优质土层。在选矿加工区基层剥离时,检出任何含有有害成分或放射性物质成分后,则应通过磨砂碎石方法进行基层深度处理覆盖,并同时做好基层防渗防水处理。结合国家规划设计中的规定,在一些有较大海拔高差、高度变化的特殊地方,选择逐级调整修建大型种植观赏平台的一种方式,可构成多个不同层次的种植观赏面。

3.3 土壤改良技术

土壤是矿山废弃地恢复中最重要的限制因素之一,因此土壤条件的改善也是矿山废弃地生态恢复的重点和难点。土壤改良的方法较多,但从技术类别角度可以分为物理改良法、化学改良法、生物改良法三种类型。其中,物理改良法是出现最早的土壤改良技术,采用排土、换土、客土等具体的施工方法,实现对土壤条件的改良。物理改良技术一般不单独应用,通常作为化学改良以及生物改良的预处理技术,在使用其他改良技术前,通过物理改良法改变土壤密度以及土壤结构,如果土层过薄或土壤中污染物成份严重超标,客土法收效最为明显。化学改良法是根据实际的土壤条件,以及土壤中有机物含量和污染元素种类,向土壤中加入相应的材料以及化学试剂,实现改良土壤条件的目的。目前常用的添加剂有堆肥、粪肥、木屑、无毒有机污泥等等,可以增加土壤肥力,降解土壤中有害元素。城市污泥获取难度低,同时污泥中含有大量的营养元素以及有机物质,并具备适当的粘性以及持水性,可以有效的提高土壤的肥力。石灰和碳酸钙类添加剂适用于酸度较高的废弃地土壤改良中,通过酸碱中和的作用,可以有效降低土壤酸性,减少土壤中重金属离子的含量。生物改良是目前最为高新的土壤改良技术,通过在土壤中加入土壤动物以及微生物,利用其生命活动以及特定的代谢产物,来实现对土壤条件的改良。

3.4 植物修复技术

植物修复是植被对污染土壤和沉积物进行原位处理的方法,植物在生态系统中起着不可或缺的作用,在矿山土壤改良中不仅能够固定或修复重金属污染土壤,还能改善土壤理化性质,提高土壤肥力等。植物对土壤改良的原理大致可归纳为:通过植物的吸收、挥发、降解、稳定等作用,从而降低土壤环境中的污染物。我国许多学者对植物修复方面做了大量研究,下面主要综述几种改良矿山废弃地优选植物及效果。

3.4.1 超富集植物

超富集植物是指从土壤中超量富集重金属并能将其转移到地上部,对重金属的吸收量超过一般植物100倍以上的植物,积累Cd 在100μg/g,积累Cr、Co、Ni、Cu、Pb 含量一般在1000μg/g,积累Mn、Zn含量一般在10mg/g(干重)以上,且不影响正常生理活动的植物。如运用砷超富集植物蜈蚣草将土壤中的砷吸收并转运到植物的地上组织中,发现其地上部分砷含量达到植物干重的2.3%,从而降低土壤中砷的含量,达到土壤修复的效果。近几年来关于砷超富集植物又有了新发现,如粉叶蕨、大叶井口边草、长叶甘草蕨,以及狭眼凤尾蕨和琉球凤尾蕨等均能够富集砷,这些砷超富集植物中除了粉叶蕨外都属于凤尾蕨。通过对已废弃3000余年的湖北铜绿山古冶炼渣堆进行了植被和土壤调查,发现鸭跖草可富集大量Cu,其地上部分和根部的Cu2+质量分数分别达到1034mg/kg和1224mg/kg,故超富集植物鸭跖草可用于铜污染土壤的植物修复。尽管至今已发现很多重金属超富集植物,但大都是针对单一重金属的超富集植物,而实际环境中土壤一般包含两种或两种以上重金属的复合污染,故筛选出多金属耐性植物以修复多金属复合污染废弃地仍有待进一步研究。

3.4.2 先锋植物

先锋植物是指在某种恶劣环境下仍能正常生长的植物。因矿山废弃地土壤物理结构差,植被生长条件极差,故在植被恢复过程中对植被的选择是至关重要的,应本着生长快、适应性强、抗逆性好的原则筛选植物,以达到最好的修复效果。要根据废弃地污染物的性质选择适宜的先锋植物。在高浓度重金属废弃地中,可种植抗重金属较强的植物。

3.4.3 绿肥

绿肥是一种养分完全的生物肥源,它多数是豆科植物,也有禾本科、十字花科等非豆科植物,它是一种良好的天然绿色土壤改良剂,对改良土壤环境也有很大作用。豆科植物可以将空气中的氮通过根瘤固定下来,从而增加土壤中氮含量,故目前豆科植物的运用较为广泛。研究表明,对于煤矸石废弃地的植物复垦,选用豆科植物不仅能快速地适应土壤条件,还能有效改善土壤肥力。不同的科属绿肥间具有不同的养分作用,因此,根据具体情况实行绿肥混播,能更好地改善土壤理化性质。

3.4.4 植物辅助

为了植物可以在不良的土壤环境下正常生长,可以采取一些辅助措施以提高植物修复效率的方法:①可以在土壤中施加有机化合物,阻挡重金属离子的沉淀,增强重金属活性,加快植物对各种重金属元素的吸收;②可以添加螯合剂来促进植物修复,螯合剂可以与金属离子形成可溶性的络合物,从而提高植物修复的效率,但螯合剂本身是一种难分解物质,使用时需注意,以防引发二次污染;③利用植物激素促进植物生长、调剂植物的生理代谢过程,可用来解决目前超富集植物植株矮小的问题;④针对有机污染,可以添加生物碳和黑炭等吸附剂来加速清除干净土壤中有机污染物;⑤将基因工程和现代分子生物技术结合到植物修复技术中,鉴定和克隆抵抗重金属的植物基因,并通过转基因技术创造一批新的植物品种,提高超富集植物的提取能力和生物产量。

3.4.5 本土地域植被

本土地域植被的应用应因地制宜,结合我国各地区的实际情况,对特定地区的工矿废弃地进行具体分析,利用当地的资源要素,特别是适应性强、抗逆性好、成活率高、成本低、地方特色鲜明的地域植被,突出地域特色,使当地居民产生强烈的认同感和归属感,加速实现国内工矿废弃地生态修复景观设计的目标。

3.5 微生物修复技术

对于废弃金属矿山的生态恢复,仅仅恢复土壤和植被是不够的,还要恢复矿山微生物群落。改善生态系统的功能,才能使恢复后的废弃矿山生态系统得以自然维持。微生物群落的恢复不仅要恢复该地区原有的群落,还要接种其他微生物,以除去或减少污染物。微生物的接种有两种方式:一是抗污染的菌种,这些细菌有的能把污染物质作为自己的营养物质,把污染物质分解成无污染物质,或是把高毒物质转化为低毒物质;二是利于植物吸收营养物质的微生物,有些微生物不但能在高污染条件下生存,而且能为植物的生长提供营养物质,如固氮菌、固磷菌,改善微环境。

4 矿山废弃地水土保持生态恢复与重建研究展望

矿山废弃地水土保持生态修复重建的关键问题是土壤基质改良,为植物生长发育创造环境条件。自然界中存在着对废弃地极端环境具有适应性的一些先锋植物种类,能同时改善大气、水体和土壤的环境质量,研究植物生长特性,筛选出适宜的先锋植物对矿山废弃地的植被恢复与重建具有重要意义。另外,土壤微生物和动物的生命活动及其代谢产物对土壤理化性质改善和土壤肥力的提高等方面发挥着重要作用,研究土壤微生物和动物的功能特性也是矿山废弃地水土保持生态恢复与重建的重要研究课题。土壤与植被是一种相互依赖和制约的关系,并随着植物群落的演替而发生变化。在土壤 - 植被系统中,两者的关系复杂且同时受到其它多种环境因子的影响,土壤与植被相互影响机制和演替规律目前尚不明确,需要对矿山废弃地的植被恢复与重建开展长期定位监测研究,才能了解恢复过程中土壤与植物群落的演替规律与作用机制,为矿山废弃地水土保持生态恢复与重建提供科学依据。同时,植被类型影响着植物群落特征和土壤基质改良效果,不同植物恢复模式产生的恢复效果存在差异,需要通过长期监测植被恢复情况,综合评价不同植物配置模式的植被恢复效果,才能筛选出矿山废弃地的适宜的植物种类和恢复效果显著的植物配置模式,加快水土保持生态恢复与重建的进程。

5 结语

综上所述,在矿山废弃地生态环境修复中,要注重生态新技术的综合应用,特别是矿山废弃地的再开发利用和矿山资源的循环利用,并积极结合矿山生态学、美学等相关学科,提升利用矿山处理废弃物用地在生态环境修复与自然景观环境营造中的效果。

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