＊周星星 賈凌寒

（1.寧夏理工學(xué)院 建筑與環(huán)境學(xué)院 寧夏 753000 2.沈陽市生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合行政執(zhí)法隊(duì) 遼寧 110058）

1.前言

煤礦開采是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。然而，從歷史上看，礦區(qū)浪費(fèi)和危廢堆積的現(xiàn)象越來越多，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生了越來越嚴(yán)重甚至不可逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響，如果不采取預(yù)防措施，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境破壞，如土地退化、地形變化、土壤和水污染及生態(tài)惡化。在格拉斯哥氣候變化大會(huì)之后，逐步淘汰煤炭并轉(zhuǎn)向可再生能源是全球所有國家的主要政策關(guān)注點(diǎn)之一，其中煤礦的關(guān)閉和復(fù)墾是主要問題。礦山尾礦中通常含有大量潛在有毒元素（PTEs）和化學(xué)制劑，可以在礦山周邊持續(xù)數(shù)百年。煤礦中的PTEs污染、其生物可利用性及其對(duì)人類健康的影響在復(fù)墾過程中往往沒有得到重視。PTEs 屬于生態(tài)系統(tǒng)中最普遍、最持久、對(duì)環(huán)境最有害的污染物，其中Cd、As、Cu、Cr、Pb、Ni、Hg 和Zn 被確定為煤礦區(qū)毒性最強(qiáng)的元素，如堆積物中生物利用度極高且可溶態(tài)的PTEs 含量不斷增加，會(huì)對(duì)煤礦區(qū)的水生環(huán)境造成危害。人類也會(huì)通過進(jìn)食、呼吸、飲水和觸摸等方式接觸PTEs，其可通過腸道進(jìn)入人體，因?yàn)樗鼈兙哂凶銐虻乃苄?，與循環(huán)系統(tǒng)一起轉(zhuǎn)移到各個(gè)器官，并被不同的器官吸收，上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞等都會(huì)直接受到傷害。因此開展礦區(qū)污染評(píng)價(jià)和生態(tài)治理修復(fù)至關(guān)重要。

2.礦區(qū)污染評(píng)價(jià)

(1)內(nèi)梅羅污染指數(shù)

內(nèi)梅羅污染指數(shù)是PTEs 常用的污染評(píng)價(jià)方式之一，該方法的特點(diǎn)是兼顧了污染物的平均值和其最大值，可以突出高濃度污染物的污染作用。缺點(diǎn)是只對(duì)單污染物評(píng)價(jià)，無法對(duì)區(qū)域進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)。其公式可參照姜等人進(jìn)行方法計(jì)算。陸等人其利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)發(fā)對(duì)肅北蒙古自治縣條湖溝礦區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，共采集80 個(gè)樣品，結(jié)果證實(shí)Pb、Cd 濃度高于本底值，內(nèi)梅羅污染指數(shù)證實(shí)Pb 污染最高，Zn 污染最低，表明礦區(qū)必須采取強(qiáng)有力的措施，加大對(duì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境治理及生態(tài)恢復(fù)力度。他等人對(duì)商洛市尾礦庫進(jìn)行評(píng)價(jià)，內(nèi)梅羅污染指數(shù)證實(shí)5 號(hào)（10.22）和13號(hào)（3.78）點(diǎn)位為重污染，其中5 號(hào)點(diǎn)位Cd 的污染最為嚴(yán)重，是礦區(qū)污染的主要原因。因內(nèi)梅羅污染指數(shù)強(qiáng)調(diào)最大值的貢獻(xiàn)，因此使用該方法更能夠強(qiáng)調(diào)最不利因素的影響，能夠引起決策者的重視。

(2)地質(zhì)累積污染指數(shù)

地質(zhì)累積指數(shù)法最早是由Muller 提出，用來評(píng)價(jià)沉積物、水體和土壤中PTEs 的污染程度，該方法評(píng)價(jià)結(jié)果主要受當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸岛腿藶榛顒?dòng)的影響。故該方法能夠反應(yīng)出PTEs 分布的自然特征，也可分辨污染是否為人為活動(dòng)所造成，是區(qū)分環(huán)境污染的主要參數(shù)。撫順西露天礦去閉礦后，李等人對(duì)礦區(qū)PTEs進(jìn)行評(píng)價(jià)，地質(zhì)累積指數(shù)法結(jié)果為Cd（3.70）＞Hg（2.60）＞Ni（0.90）＞Cu（0.87）＞Zn（0.21）＞Cr（-0.17）＞Pb（-1.40）＞As（-2.00），表明Cd 的污染程度最高，從嚴(yán)重污染到極度污染，其次是Hg，表現(xiàn)為嚴(yán)重污染。其中Cr、Cu、Zn 和As 主要來自母巖的地球化學(xué)風(fēng)化作用，Cd 和Hg 明顯受到工業(yè)排放和采礦活動(dòng)的干擾，As 可能來自人類活動(dòng)。表明一旦礦山關(guān)閉，就需要實(shí)施更有效、更嚴(yán)格的污染控制。姚等人對(duì)遵義的鎳鉬礦進(jìn)行評(píng)價(jià)，礦區(qū)旱地（14.7 mg·kg-1）、水稻土（8.67 mg·kg-1）和森林土壤（16.5 mg·kg-1）中鈾平均含量均超過當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸担ㄖ饕獮檩p度污染），但在部分旱地中存在中度污染-重污染級(jí)別，這需有關(guān)部門重視，采取相關(guān)管控措施。

(3)潛在生態(tài)危害指數(shù)

潛在生態(tài)指數(shù)法是由Hakanson 教授提出的，是通過沉積學(xué)角度來評(píng)價(jià)PTEs 和潛在生態(tài)危害的一種方法。該方法不僅考慮了PTEs 的污染程度，還將PTEs 的環(huán)境效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)及環(huán)境毒理學(xué)聯(lián)系在一起的等價(jià)指數(shù)評(píng)價(jià)方法。陳等人探究了湖南某煤礦的PTEs 污染現(xiàn)狀和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，土壤中PTEs 的濃度分別為Pb（8.51 mg·kg-1）、Zn（38.59 mg·kg-1）、Cr（18.65 mg·kg-1）、As（10.01 mg·kg-1）、Hg（0.18 mg·kg-1）和Cd（3.41 mg·kg-1），生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Cd 最高為339.80，Cr 最低為0.85，其余指數(shù)均介于0.98-28.55 之間，礦區(qū)綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)（計(jì)算值為390.3），表明污染程度為危險(xiǎn)。李等人對(duì)某煤矸石堆積區(qū)進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)，PTEs 含量排序?yàn)镸n ＞Cu ＞Zn ＞Cr ＞Ni ＞Pb ＞Cd，單元素和礦區(qū)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)均為低風(fēng)險(xiǎn)生態(tài)危害，其中主要危害元素為Cd 和Cu，證實(shí)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和綜合利用過程中應(yīng)優(yōu)先考慮Cd 和Cu 的污染。

3.礦區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)

(1)物理修復(fù)

礦山物理修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)是處理成本較低，適用范圍廣泛，因此是我國廢棄礦山生態(tài)修復(fù)應(yīng)用最廣泛的方法，主要包括客土覆蓋、礦區(qū)原表土覆蓋等方式實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)?？屯粮采w是指礦山矸石表面覆蓋一層具有一定厚度未受污染的土壤，其能夠固定礦山裸露的巖石為植物的定植創(chuàng)造條件，還能起到預(yù)防自然災(zāi)害的功能。同時(shí)客土中還含有健康的土壤微生物種群，廢棄的矸石中土壤結(jié)構(gòu)破壞，養(yǎng)分含量低，水溶性差，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性遭到嚴(yán)重破壞，當(dāng)其覆蓋一定厚度的客土后，土壤微生物的多樣性會(huì)很快恢復(fù)，短期內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)。

礦區(qū)原表土覆蓋修復(fù)。礦區(qū)原表土覆蓋是指在礦坑修復(fù)期間，將儲(chǔ)存的礦區(qū)原表層土壤施用到礦井棄土上，該方法通常是首選方法。將這種表土添加到矸石堆中是為了減少矸石對(duì)植物生長的不利影響。然而，觀察多年后恢復(fù)情況，能觀測到其中許多地點(diǎn)土壤養(yǎng)分、土壤有機(jī)碳、土壤結(jié)構(gòu)、水文特性未能恢復(fù)。有研究發(fā)現(xiàn)使用20～30 cm 的積土修復(fù)棄土場，在停止管理后（即自然恢復(fù)5 年后），也需要施肥、病蟲害防治、植株定期噴灌，否則復(fù)墾面積會(huì)受到侵蝕，植被發(fā)生嚴(yán)重退化，主要原因是土壤肥力條件差、侵蝕和土壤板結(jié)。同時(shí)在修復(fù)過程中將表土與礦山棄土混合會(huì)稀釋表土的剩余價(jià)值，有學(xué)者預(yù)估廢棄矸石將在大約36 年后能恢復(fù)，以匹配等效的天然未開采土壤。如想盡快恢復(fù)其土壤水平，需要定期添加肥料（氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)），這部分支出也會(huì)增加采礦后對(duì)礦山的管理成本。

(2)植物修復(fù)

20 世紀(jì)后期，有學(xué)者提出可以通過在礦區(qū)種植適宜植物去除/吸收PTEs，以降低土壤中PTEs 濃度的設(shè)想。植物修復(fù)技術(shù)能夠很好的保護(hù)矸石污染，預(yù)防PTEs 的淋溶和遷移，同時(shí)植物的根系可產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)沉淀和鈍化一部分PTEs，具備超富集能力的植物能夠吸收PTEs，進(jìn)而降低土壤中PTEs 的濃度。隨著植物修復(fù)年限的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)含量會(huì)得到明顯改善，礦山復(fù)墾土壤也會(huì)朝著更加有利于植被生長的方向發(fā)展。目前植物修復(fù)礦區(qū)污染土壤的主要問題有兩個(gè)，其一是對(duì)于超富集植物的篩選，超富集植物篩選的思路是在污染場地中尋找能夠很好存活的植物，這類植物通常能夠大量富集土壤中PTEs，但這類植物的缺點(diǎn)也較為明顯生長周期長、生物量小，對(duì)氣候具有較強(qiáng)的依賴性，將其移栽至目標(biāo)修復(fù)場地后會(huì)因自身原因生長緩慢甚至死亡。其二是通過現(xiàn)代生物學(xué)和農(nóng)學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)強(qiáng)化超積累植物或本地優(yōu)勢植物的修復(fù)性能，最終提高PTEs 吸收水平。眾所周知植物育種、優(yōu)勢種的篩選和培育需要較長的時(shí)間周期，因此未來的主要研究方向是從已有礦區(qū)修復(fù)植物中篩選高富集植物。

(3)生態(tài)修復(fù)

無脊椎動(dòng)物修復(fù)。在礦山修復(fù)過程中，關(guān)于無脊椎動(dòng)物修復(fù)的報(bào)道很少，關(guān)于它們對(duì)植物的定植和其他土壤生物的相互作用探討更是鮮有報(bào)道。有研究證實(shí)無脊椎動(dòng)物會(huì)對(duì)土壤食物鏈貢獻(xiàn)1/3 的份額，但它們?cè)谏锏厍蚧瘜W(xué)循環(huán)恢復(fù)、土壤結(jié)構(gòu)形成和礦山廢物修復(fù)過程中的重要性很少被討論，這會(huì)成為今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容。其中，Collembola 是一種微型節(jié)肢動(dòng)物，被確定為土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的重要介質(zhì)，因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^直接和間接的活動(dòng)幫助劣質(zhì)土壤變得肥沃。實(shí)現(xiàn)無脊椎動(dòng)物修復(fù)有兩種方案，第一種是直接接種無脊椎動(dòng)物，第二種是通過物理、化學(xué)或生物的刺激使周邊土壤的無脊椎動(dòng)物遷徙到待恢復(fù)土壤中。

矸石固有的低養(yǎng)分濃度（有機(jī)碳、氮）、嚴(yán)酷的土壤化學(xué)環(huán)境和煤質(zhì)棄土長期貧瘠條件使現(xiàn)有的微生物種群在細(xì)胞生長、資源獲取和脅迫耐受性之間進(jìn)行權(quán)衡，換句話說微生物種群，在矸石環(huán)境中大多處于生存模式，缺乏促進(jìn)加速土壤發(fā)生所必需的生物地球化學(xué)過程的能力。因此，在微生物修復(fù)礦山環(huán)境時(shí)，多接種叢枝菌、根真菌和固氮菌，同時(shí)添加有機(jī)和無機(jī)肥料，短期結(jié)果（兩年內(nèi)）表明，氮、磷和鉀營養(yǎng)得到改善，礦山矸石中的植物能夠穩(wěn)定。目前大多數(shù)的微生物修復(fù)多在實(shí)驗(yàn)室中完成，還沒有大規(guī)模的野外實(shí)驗(yàn)，同時(shí)面臨兩個(gè)問題，也是未來研究的主要方向：第一是如何選擇有助于加速廢棄矸石轉(zhuǎn)化的土壤微生物，第二是如何提高其在廢棄矸石中的“自然”存活率。

4.結(jié)論

通過礦山污染評(píng)價(jià)，能夠明晰主要污染物，可為決策者制定政策提供數(shù)據(jù)支撐，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理，改善受損的生態(tài)系統(tǒng)，為脆弱的生態(tài)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定提供保障，為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。