劉英琴

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

礦山廢棄地植被恢復(fù)技術(shù)研究

劉英琴

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

礦山廢棄地的物理結(jié)構(gòu)不良、重金屬含量過高、極端pH值等眾多危害環(huán)境的極端理化性質(zhì)特點(diǎn),使得其對(duì)環(huán)境的危害持久而嚴(yán)重。文章針對(duì)礦山廢棄地植被恢復(fù)技術(shù)中的基質(zhì)改良和植物物種選擇兩方面進(jìn)行了分析,探討了基質(zhì)改良的基本方法及其原理,物種選擇原則、方法及耐性植物篩選策略。

礦山廢棄地;環(huán)境危害;植被恢復(fù);基質(zhì)改良;物種選擇

環(huán)境與發(fā)展,是當(dāng)前國際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問題。礦業(yè)作為中國的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了95%的一次能源,80%以上的工業(yè)原材料和70%以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料。然而,采礦活動(dòng)及其廢棄物的排放不僅破壞和占用大量的土地資源、加劇我國土地資源的短缺,也帶來了一系列影響深遠(yuǎn)的環(huán)境問題。據(jù)“‘十五’國土資源生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃”報(bào)道,中國采礦活動(dòng)破壞的土地面積已達(dá)400×104hm2,平均每年增加近2×104hm2,但礦山廢棄地復(fù)墾率不到12%。因此,以植被恢復(fù)為第一步和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的礦山廢棄地生態(tài)恢復(fù)與重建,已成為我國當(dāng)前所面臨的緊迫任務(wù)之一。

1 礦山廢棄地類型及危害

1.1 礦山廢棄地類型

礦山廢棄地是指在采礦活動(dòng)中被破壞、未經(jīng)治理而無法使用的土地[1]。根據(jù)礦山廢棄地的來源可劃分為三種類型:(1)由剝離表土、開采的巖石碎塊和低品位礦石堆積而成的廢石堆廢棄地;(2)隨著礦物開采而形成的大量的采空區(qū)和塌陷區(qū),即采礦坑廢棄地;(3)開采出來的礦石經(jīng)各種分選方法分選出精礦后的剩余物排放堆積形成的尾礦廢棄地。

1.2 對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害

由于礦山廢棄地具有物理結(jié)構(gòu)不良、持水保肥能力差、極端貧瘠或養(yǎng)分不平衡、重金屬含量過高、極端pH值、干旱或生理干旱嚴(yán)重等眾多危害環(huán)境的極端理化性質(zhì)特點(diǎn),尤其是重金屬含量過高,對(duì)生態(tài)環(huán)境將造成持久而不可逆的危害。

其危害主要表現(xiàn)在以下六個(gè)方面:

1.礦山開采占用并破壞大量土地。破壞的土地主要有露天采礦場(chǎng)、排土場(chǎng)、尾礦場(chǎng)、塌陷區(qū)及其他礦山地質(zhì)災(zāi)害破壞的土地面積。一般而言,露天采礦所占用的土地面積約相當(dāng)于采礦場(chǎng)面積的5倍以上。我國現(xiàn)有國營礦山企業(yè)8 000多個(gè),個(gè)體礦山達(dá)到23萬多個(gè)。數(shù)量龐大的礦山開發(fā)使得大量土地因被占用而廢棄,原有利用方式所取得的效益也隨之下降或喪失。

2.露天開采必須砍伐植物和剝離表土,因而地表植被往往蕩然無存,取而代之的是大片的裸地;地下開采常導(dǎo)致地表沉陷、裂縫,影響土地耕作和植被正常生長(zhǎng),從而引發(fā)地貌和景觀生態(tài)的改變。

3.礦山廢棄物中含有大量具有酸性、堿性、毒性或重金屬成分的物質(zhì),這些物質(zhì)可通過徑流和大氣擴(kuò)散,污染水、大氣、土壤及生物環(huán)境,其影響的區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了礦區(qū)的范圍。

4.礦山廢棄地受到劇烈擾動(dòng),其地表植被蕩然無存,基質(zhì)持水能力下降;地表裸露,溫度變化大,蒸發(fā)加強(qiáng),從而改變了水源的補(bǔ)給關(guān)系,破壞了礦區(qū)水資源的動(dòng)態(tài)平衡。

5.探礦、采礦引起的地表與地下的擾動(dòng)對(duì)生物群落造成極大的危害,且許多是不可逆的,嚴(yán)重摧毀了動(dòng)植物和微生物的生存環(huán)境。

6.地表植被的破壞、水系的紊亂以及采空區(qū)的形成會(huì)加劇水土流失,帶來極具破壞力的災(zāi)害,如泥石流和山洪暴發(fā),更嚴(yán)重可能會(huì)加速荒漠化。

2 礦山廢棄地的植被恢復(fù)技術(shù)

礦山廢棄地屬于退化生態(tài)系統(tǒng),需要以人工手段改善土壤條件和植物種類,促進(jìn)植被在短時(shí)期內(nèi)得以恢復(fù)。

2.1 基質(zhì)改良

礦山廢棄地植被恢復(fù)的關(guān)鍵問題就是基質(zhì)改良,只有土壤的性狀得到修復(fù),植被恢復(fù)才能得以進(jìn)行。礦山廢棄地的土壤一般都極端貧瘠、有害元素含量居多,具有較差的保水保肥能力和較差的物理性狀,這些性質(zhì)都為礦山廢棄地的植被恢復(fù)造成了一定的難度,自然演替過程一般需要100年左右的時(shí)間才能獲得滿意的植被覆蓋[2]。因此,有必要通過人工手段對(duì)礦山廢棄地的土壤進(jìn)行修復(fù)。

2.1.1 物理修復(fù)

礦山廢棄地的土壤結(jié)構(gòu)一般會(huì)比平常的土壤緊致,植被修復(fù)前應(yīng)該對(duì)礦區(qū)土壤進(jìn)行處理。主要方法是用工具翻動(dòng)或者深耕土壤,然后才可以采用剝離、粉碎、壓實(shí)、固定、灌溉等基本技術(shù)進(jìn)行基質(zhì)修復(fù)。實(shí)際操作中還包括梯田種植、排流水道和穩(wěn)定塘設(shè)施等[3]。如果土壤污染嚴(yán)重,最好的方法就是客土法或換土法。客土法的關(guān)鍵是尋找土源和確定覆蓋的厚度與方式。為解決土源問題,有些國家或企業(yè)要求在采礦工程動(dòng)工之前,先把表層(30 cm)及亞表層(30～60 cm)土壤取走,并加以保存,待工程結(jié)束后再把它們放回原處[4]。如果礦區(qū)污染嚴(yán)重、并易于擴(kuò)散,且污染物可在一段時(shí)間后分解,可以使用隔離法。常用的有振動(dòng)束泥漿墻、平板墻、薄膜墻、化學(xué)泥漿幕、地下冷凍、噴射泥漿等[5]。另外還可以利用電解法,在污染土壤中通入直流電,使重金屬在電解、電遷移、電滲和電泳等的作用下被移走。

2.1.2 化學(xué)修復(fù)

在廢棄地表面施用化學(xué)物質(zhì),固定表層尾礦。采用沉淀法、有機(jī)質(zhì)法、抑制劑法等改良措施,向污染土壤投加改良劑,增加土壤有機(jī)質(zhì)、陽離子代換量和粘粒含量,以及改變pH和電導(dǎo)等性質(zhì),使土壤中的重金屬發(fā)生氧化、還原、沉淀、吸附、抑制和拮抗等作用,以降低重金屬的生物有效性。無機(jī)添加劑可改善土壤特性,包括采石廢棄物、粉碎的垃圾、煤灰、石灰、石膏肥料、氯化鈣和硫酸等。在有毒的尾礦廢棄物上覆蓋一層如煤渣、鋼渣等惰性材料,可防止有毒金屬向表土層遷移,起到化學(xué)穩(wěn)定修復(fù)作用。

生活污泥、垃圾或熟堆肥等有機(jī)物可作為土壤添加劑,如果應(yīng)用于礦山廢棄地,可改善廢棄地的營養(yǎng)狀態(tài),提高土壤肥力,從而改變土壤的生物學(xué)性狀。試驗(yàn)證實(shí)在尾礦中混入30～60 mm底泥或60～90 mm的垃圾均可顯著促進(jìn)植物在尾礦中的生長(zhǎng)[6]。

2.1.3 生物修復(fù)

生物修復(fù)是一種利用微生物、植物和動(dòng)物將土壤、地下水中的危險(xiǎn)污染物降解、吸收或富集的生物工程技術(shù)系統(tǒng)。物理修復(fù)和化學(xué)修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)是快速,但是所需投入較大,而且不能改變?cè)械某舐坝^。而生物修復(fù)具有投入較少,治理后不僅能夠有效阻止對(duì)周圍環(huán)境的污染,且能美化環(huán)境,改變小氣候、水文等條件,還可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。目前生物修復(fù)主要技術(shù)方法有:原位生物修復(fù)技術(shù)、異位生物修復(fù)技術(shù)和原位-異位聯(lián)合生物修復(fù)技術(shù)。依據(jù)參與修復(fù)的生物類型,可分為植物修復(fù)、微生物修復(fù)、菌根生物修復(fù)、菌根根際生物修復(fù)、動(dòng)物修復(fù)。

1.植物修復(fù)。包括水的植物修復(fù)與土壤的植物修復(fù)兩類?？捎酶H過濾技術(shù)、水力泵技術(shù)、廢物填埋淋洗技術(shù)、人工濕地構(gòu)建技術(shù)、植物固化技術(shù)、植物蒸發(fā)技術(shù)、根際生物降解的植物誘導(dǎo)技術(shù)等對(duì)植物進(jìn)行修復(fù)。土壤的植物修復(fù)多為原位生物修復(fù),其機(jī)理主要有植物吸收和植物固定作用。據(jù)文獻(xiàn)[7]報(bào)導(dǎo),蕨類植物對(duì)鎘的富集能力很強(qiáng),楊柳科能大量富集鎘,十字花科的蕓苔能富集鉛,芥子草能富集鉛、錫、鋅、銅等。目前我國大約共有44種非豆科固氮樹種,包括沙棘、楊梅、馬桑植物等對(duì)礦山廢棄地的基質(zhì)改良有幫助[4]。

2.微生物修復(fù)。從污染土壤中篩選出能降解污染物的細(xì)菌、放線菌、固氮菌、酵母和酶菌,在實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)其進(jìn)行馴化、修飾等,提高其生物降解能力,然后制成菌劑,再用于污染土壤的修復(fù)。然而適宜的細(xì)菌或真菌劑競(jìng)爭(zhēng)不過土著的微生物群,從而導(dǎo)致目標(biāo)微生物或其代謝活性的喪失,故實(shí)踐效果并不理想。

3.菌根生物修復(fù)。菌根是土壤中的真菌菌絲與高等植物營養(yǎng)根系形成的一種聯(lián)合體。20世紀(jì)末,研究人員利用菌根能有效降解和轉(zhuǎn)移環(huán)境污染物的特點(diǎn),將其應(yīng)用到生物修復(fù)中。如VA菌根外生菌絲盡管重量只占根重1%～5%,卻能幫助植物從土壤中吸收礦質(zhì)營養(yǎng)和水分,從而促進(jìn)植物生長(zhǎng),提高植物的耐鹽、耐旱性,不但能修復(fù)土壤,也能改善土壤質(zhì)量、提高植物抗病力和作物產(chǎn)量等[8]。目前,菌根生物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)引起了國內(nèi)外科研人員廣泛關(guān)注,并運(yùn)用于污染土壤的治理方面。

4.菌根根際生物修復(fù)。菌根根際包括菌根的根(即真菌菌絲表面),也包括從菌根發(fā)出侵染周圍土壤的外延菌絲的菌絲表面。從某種意義上說,菌根根際生物修復(fù)是上述三種修復(fù)技術(shù)的綜合。由于其存活時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)污染物的耐受程度高、應(yīng)用方法簡(jiǎn)便、二次污染小等眾多優(yōu)點(diǎn),故是今后生物修復(fù)技術(shù)發(fā)展的主方向。

5.動(dòng)物修復(fù)。土壤中的某些低等動(dòng)物(如蚯蚓和鼠類)能吸收土壤中的重金屬。如在重金屬污染的土壤中放養(yǎng)蚯蚓,待其富集重金屬后,采用電激、灌水等方法驅(qū)出蚯蚓集中處理,能一定程度地降低污染土壤中重金屬的含量。此方法只有待植被恢復(fù)取得階段性進(jìn)展后,方才有實(shí)施的可能和效果。

2.2 植被恢復(fù)中的物種選擇

礦山及其周圍是一個(gè)非常特殊的生態(tài)環(huán)境,構(gòu)成所謂孤立的生態(tài)學(xué)“島嶼”。島嶼上的植物群落明顯不同于正常生態(tài)環(huán)境中的植物群落。

2.2.1 物種選擇原則

礦山廢棄地常具有極端生態(tài)條件,在對(duì)其植被恢復(fù)中的物種選擇應(yīng)遵循以下原則:(1)生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、抗逆性好;(2)選用固氮樹種或當(dāng)?shù)貎?yōu)良的鄉(xiāng)土樹種和先鋒樹種,也可引進(jìn)外來速生樹種; (3)抗旱、耐濕、抗污染、抗風(fēng)沙、耐瘠薄、抗病蟲害以及具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的樹種[9]。

2.2.2 物種選擇方法

物種選擇主要有兩種方法:(1)以先鋒物種為主,迅速固土、蓄水,然后逐年補(bǔ)植其他抗性樹種,以造成生境的多樣性,穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng);(2)引入外來物種,穩(wěn)固地表,改善土壤環(huán)境以有利于土壤其它生物的進(jìn)入。

2.2.3 耐性植物篩選

尾礦廢棄地由于是選礦排棄物,質(zhì)地細(xì),主要成分是石英巖碎屑物,在選擇物種時(shí)選擇能適應(yīng)重金屬毒害的抗性植物。禾本科與茄科植物對(duì)鉛鋅礦渣生境具較強(qiáng)的忍耐能力;鹽膚木和杜虹花能將重金屬聚集到葉,然后通過葉的脫落,使有害重金屬離開植物,減少植物重金屬負(fù)荷,對(duì)重金屬尾礦廢棄地的植被恢復(fù)有一定的作用[10]。

礦渣廢棄地中細(xì)粒的物質(zhì)少,無灌溉條件,選擇能適應(yīng)重金屬毒害并且能夠生長(zhǎng)在堿性土壤上的抗性植物,如刺槐、沙棗、楊樹等喬木樹種,胡枝子、山杏等灌木樹種。如欒樹對(duì)Mn抗性強(qiáng),生長(zhǎng)速度快,屬于落葉樹種,可在一定程度增強(qiáng)土壤肥力,屬于優(yōu)良的堿性土壤適生植物,是含Mn量高礦渣廢棄地植被恢復(fù)的首選植物。

采石坑廢棄地由于有沙泥的積聚及植物繁殖體的入侵,其地上植被以草本植物為主,在邊坡上有少許灌木,可適當(dāng)引入一些喬灌木種類,無論是種子或是種植幼苗,都會(huì)有助于加快該廢棄地的群落演替和自然植被的恢復(fù)[11]。

引入外來物種時(shí),應(yīng)對(duì)外來引入的物種要加強(qiáng)管理,切勿引發(fā)外來物種泛濫,以免給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)帶來破壞。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度看,鄉(xiāng)土物種在礦山廢棄地的植被恢復(fù)中具有其它不可替代的優(yōu)勢(shì),故最終植被恢復(fù)應(yīng)該是鄉(xiāng)土物種,這符合保護(hù)生物學(xué)的原理。

3 總 結(jié)

我國礦山廢棄地的植被恢復(fù)基本處于研究論證階段,筆者認(rèn)為我國礦山廢棄地的植被恢復(fù)應(yīng)著重考慮以下幾點(diǎn):

1.基質(zhì)改良以生物修復(fù)為主,以物理和化學(xué)修復(fù)為輔,同時(shí)加大加快新技術(shù)的應(yīng)用。

2.物種選擇中,應(yīng)注意結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件,篩選種植鄉(xiāng)土物種為主,同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)效益。

3.從源頭上解決礦山廢棄地問題,把生態(tài)恢復(fù)作為礦業(yè)生產(chǎn)的一部分,提倡清潔生產(chǎn),積極開展廢棄物的有效利用,使礦業(yè)廢料作為一種新型資源,變廢為寶。

[1] 默格爾.工業(yè)廢棄地上的植物定居[M].北京:科學(xué)出版社, 1987.

[2] Brad shaw,A.D..Restoration of mined land sausing natural processes[J].Eco Logical Eng Ineering,1997,8:25-269.

[3] 李洪遠(yuǎn),鞠美庭.生態(tài)恢復(fù)的原理與實(shí)踐[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[4] 宋書巧,周永章.礦業(yè)廢棄地及其生態(tài)恢復(fù)與重建[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2001,(5):43-49.

[5] 胡振琪,楊秀紅,鮑艷,等.論礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)[J].資源與環(huán)境,2005,1:38-41.

[6] 束文圣,葉志鴻,張志權(quán),等.華南鉛鋅尾礦生態(tài)恢復(fù)的理論與實(shí)踐[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(8):1 629-1 639.

[7] 夏星輝.土壤重金屬污染治埋方法研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué), 1997,18(3):74-75.

[8] 耿春女,李培軍,韓桂云,等.生物修復(fù)的新方法——菌根根際生物修復(fù)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2001,2(5):349-362.

[9] 谷金鋒,蔡體久,肖洋,等.工礦區(qū)廢棄地的植被恢復(fù)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(3):19-22.

[10]孫慶業(yè),藍(lán)崇鈺,黃銘洪,等.鉛鋅尾礦上自然定居植物[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21(9):1 457-1 462.

[11]束文圣,張志權(quán),藍(lán)崇鈺.中國礦業(yè)廢棄地的復(fù)墾對(duì)策研究(Ⅰ)[J].生態(tài)科學(xué),2000,19(2):24-25.

Investigation into Vegetation Recovery in Mine Spoils

LIU Ying-qin

(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

It is an enduringly serious harm to environment due to poor soil,high heavy metal,extremely pH values in mine spoils.In this paper,the vegetation recovery strategies in mine spoils were discussed from substrate amendment and vegetation selection.The basic methods and principles for substrate amendment and vegetation selection in mine spoils were studied.The screening strategies for tolerant species were also investigated in this study.

mine spoils;environmental hazard;vegetation recovery;substrate amendment;vegetation selection

Q143

A

1003-5540(2010)04-0050-04

劉英琴(1983-),女,助理工程師,主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)工作。

2010-05-25