矿区废弃地的生态恢复研究综述

矿区废弃地的生态恢复研究现状与展望

摘要：矿山废弃地对生态环境有着极大的破坏作用，危及人类的生存与健康，并影响到区域生态经济的可持续发展。对矿区废弃地实施生态恢复是目前解决矿区生态环境问题的重要措施之一，积极开展矿区废弃地生态恢复的研究至关重要。本文回顾我国矿区采矿的历史，分析了矿区采矿所带来的生态环境负面影响问题，并归纳出我国矿区废弃地的类型和特点，综述了我国矿区生态环境修复的主要方法。最后，展望我国未来矿区生态环境修复研究的前景并提出了合理的建议。

关键词:矿区废弃地生态恢复修复技术

矿区废弃地是指矿区开采过程中,露天采矿场、排土场、尾矿坝、塌陷区以及受重金属污染而失去经济利用价值的土地[1]。矿区废弃地是一种极端裸地, 植被稀少, 水土流失严重,可造成矿区水体、土壤和大气的严重污染, 引发一系列经济、生态、社会等方面的问题。特别是露天煤矿矸石山排土场含有煤粉、高硫煤矸、深层岩石, 对周边地区造成了严重的危害。这些污染危害如果不加速治理, 将对环境产生不可逆转的后果。矿区废弃地治理已经成为制约矿区经济发展的关键因素, 而矿区废弃地生态恢复是促进采矿业与农业的持续协调展的主要手段和保护矿区社会稳定的重要措施, 同时也是保护环境、改善生态环境的必要条件。因此, 在矿区废弃地上进行快速、高效的生态恢复, 已成为当前生态环境保护所面临的紧迫任务, 是必须要解决的问题。

1.我国矿区废弃地的类型与特点

矿业废弃地是指为采矿活动所破坏的, 非经治理而无法使用的土地。根据其来源可划分为4种类型：1）由剥离表土、开采的岩石碎块和低品位矿石堆积而成的废石堆废弃地;2）随着矿物开采而形成的大量采空区和塌陷区,即采矿坑废弃地;3）开采出来的矿石经各种分选方法分选出精矿后的剩余物排放堆积形成的尾矿废弃地;4）采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和道路交通等先占用后废弃的土地。

由于受采矿活动的剧烈扰动, 矿业废弃地具有众多危害环境的极端理化性质, 其主要特点如下[2]。

(1) 表土层破坏导致缺乏植物能够自然生根和伸展的介质,水分缺乏、营养物质不足、毒性物质含量过高。

(2) 极端贫瘠, N、P、K 及有机质含量极低, 或是养分的不平衡。

(3) 存在限制植物生长的物质, 如重金属含量过高、极端pH 值或盐碱化等。2.矿区开采的生态环境效应

2. 1 占用和破坏大量的土地资源

一般而言, 露天采矿所占用土地面积大约相当于采矿场面积的5倍以上。我国现有国营矿山企业8000 多个,个体矿山23万多个。我国矿区破坏土地面积累计达2.88万km2,并且每年以大约467km2的速度增长,进一步加剧了我国人多地少

的矛盾。

2. 2 对地表景观的改变

矿山开采主要分为露天开采和地下开采两种方式。露天开采必须砍伐植物

和剥离表土, 因而地表植被往往荡然无存, 取而代之的是大片的裸地;地下开采常导致地表沉陷、裂缝, 影响土地耕作和植被正常生长,从而引发地貌和景观生态的改变。尽管两类采矿方式对土地的破坏途径、程度和方式不同,但都不可避免地造成地表景观的改变, 导致数倍于开采范围的区域生态和自然景观的破

坏。据统计,中国因采矿直接破坏的森林面积累计达106×104hm2, 破坏草地面

积达26.3×104hm2。

2. 3 产生环境污染, 危害人体健康

矿业废弃物中含有大量的酸性、碱性、毒性或重金属成分物质, 这些物质

通过迳流和大气扩散,污染水、大气、土壤及生态环境,其影响的区域远远超过

了矿区的范围。重金属污染是矿业废弃地普遍存在且最为严重的问题, 这些重

金属在风吹、水蚀作用下能迅速向四周扩散并在土壤中积累,当积累达到一定量后就会对土壤、植物系统产生毒害, 不仅导致土壤退化,农作物产量和品质降低, 而且还将通过迳流和淋洗作用污染地表水和地下水,使水文环境恶化,并可能通

过直接接触、食物链等途径危及人类的生命和健康。

2. 4 破坏生物群落的生态平衡和生物多样性

勘矿、采矿引起的地表与地下水的扰动可以对生物群落造成很大的危害,

且许多是不可逆的。如选矿废水的污染, 导致鱼虾几乎绝迹。

2. 5 地面塌陷, 诱发地震

采矿业对地质结构的强烈扰动, 无论是正在开采或已废弃的矿, 都有产生

地塌陷和诱发地震的危险。广东凡口铅锌矿地表开裂影响区近5km2, 建筑受损

面积7 × 104m2, 农田受损面积0. 7km2。河流中断, 矿坑涌水加剧。大同煤矿

因采空区顶部冒落产生地震几十次, 最大达里氏3.4级。

3.我国矿区土地生态环境恢复的方法

由于矿区废弃地对生态环境造成严重的破坏,因此迫切需要对矿区废弃地进行生态恢复与重建。但是,目前我国矿区废弃地的生态恢复工作总体上还处于初期阶段, 因此, 在我国大力开展矿区废弃地的生态恢复工作是当务之急。生态

恢复的关键的是生态系统功能的恢复和合理结构的构建,而生态系统的各种功能是靠系统的各组成成分相互作用来实现的。因此,要恢复生态系统的功能,必须

恢复系统的非生物成分的功能,进行植被的恢复及动物群落和微生物群落的构建。

3.1 土地复垦

土地复垦技术主要有疏干法、挖深垫浅复垦法、充填复垦法、直接利用法

和生态工程复垦法[3]。

3.1.1疏干法

疏干法适用于有少量塌陷地的缓坡地段。开挖大量排水渠,将塌陷区的积水

排干, 再加以必要的修整, 使塌陷区不再积水, 并得以恢复利用。

3.1.2挖深垫浅复垦法

当沉陷区潜水位较高、积水深浅不一时, 可以将塌陷区内深度较大的区域挖成水塘, 用于养殖。再将挖出的土填垫到较浅的塌陷区域内, 使其恢复成为农业用地, 达到水产养殖和农业种植并举的目的。这种复垦技术成本低、投资少、效率高, 可以获得较高的经济效益。

3.1.3 充填复垦法

充填复垦是一种常用的复垦方法, 是将无污染或污染可以有效防治的充填物(如粉煤灰、煤矸石等)充填塌陷地。充填复垦既使沉陷矿区得以复垦, 又解决了矿山固体废弃物处理的问题, 具有较高的经济效益。

3.1.4 直接利用法

直接利用法是针对大面积的塌陷地, 特别是大面积积水、积水较深、稳定塌陷地以及暂难复垦的塌陷地。根据塌陷地现状, 因地制宜地直接加以利用。如在塌陷地网箱养鱼, 养鸭, 种植耐湿作物或将塌陷地改造成景点等。

3.1.5生态工程复垦法

生态工程复垦法目前已成为矿区复垦关注的焦点, 是将土地复垦工程技术与生态工程技术结合起来, 综合运用生物学、生态学、经济学、环境科学、农业科学、系统工程的理论, 及生态系统物种共生和物质循环再生等原理, 结合系统工程对破坏土地所设计的多层次利用的工艺技术。生态工程复垦法已在全国多个矿区推广, 具有较大的社会综合效益和发展前景。

3.2土壤治理改良

矿区生态环境恢复的重要环节也是首要环节是土壤治理改良，它包括矿区周围地区土壤质量的治理改善、覆盖在土壤上的尾矿及废弃矿石堆性能的治理改良。之所以说其重要和首要，是因为植被的修复必须建立在土壤治理改良取得成效的前提下，否则，矿区土壤上种上任何植物都不生长或生长艰难，则植被修复将根本不可能。土壤治理改良有许多方法，可归纳为主要的四种方法：物理方法、化学方法、生物方法和复合或综合方法。

3.2.1 物理方法

矿区被污染土壤的物理治理改良方法是指通过不改变土壤中物质的成分，只是通过物理方法，改变土壤中的各组分的分布，改变土壤的结构，使土壤恢复原有的组成结构或趋于更好更优的组成结构，以达到改良土壤的物理特性。矿区土壤的表土常常因采矿而流失或遭到破坏。土壤物理性治理改良的关键是覆盖、培育与维持表土，改善土壤结构，建立植被覆盖，有效控制土壤侵蚀。在矿区被污土壤物理治理改良过程中，通常粉碎压实、剥离、分级、排放等技术被用于改进矿区退化土地的物理特性，其实际操作还包括梯田种植、排流水道和稳定塘设置、覆盖物或有机肥施用等。植物残体余物(如稻草或大麦草)可作为覆盖物将土表层与极端气候变化隔开，以增加土壤的持水量和减少地表径流对土壤造成的侵蚀；施用有机肥可显著改善土壤结构。

还有一种客土、排土法。由于重金属污染大多集中于地表数厘米或较浅层。挖去污染层，用无污染客土覆盖于原污染层位置可以解决重金属污染问题。但此法需耗费大量劳动力，并需有丰富的客土资源。

3.2.2 化学方法

对许多矿山的研究表明，矿山尾矿及废弃矿中均缺少植被生长所必须的有机质和氮、磷、钾等物质。如果将修复后的土地用于农业生产，首先要恢复土壤肥力，提高土壤生产力。因此对矿山土壤进行化学改良是必要的。有机废弃物如污水污泥、垃圾或熟堆肥可作为土壤添加剂，并在某种程度上充当一种缓慢释放的营养源，同时可通过螯合有毒金属而降低其毒性。有机肥对多种污染物在土壤中的固定有明显影响。例如:对富含较高碳酸钙及pH 值的矿山废弃物，可利用适当的煤炭腐殖酸物质进行改良。红壤施用紫云英后，镉在土壤溶液中的含量明显减少。另外研究表明，适量使用有机肥可以防止作物的汞污染，这可能是汞与腐殖酸的螯合作用降低了汞的迁移能力。但值得注意的是，有机肥对各种污染物的作用在不同的土壤中的表现不一。因而在施加有机肥时，应根据对不同土壤的科学研究结果并结合实践，施加适当和适量的有机肥。除有机添加剂以外，无机添加剂也可改善土壤特性，包括采石废弃物、粉碎的垃圾、煤灰、石灰、石膏、氯化钙和硫酸等。如在有毒的尾矿废弃物上覆盖一层如煤渣、钢渣等惰性材料、可防止有毒金属向表层土迁移，起到化学稳定修复作用。

3.2.3 生物方法

矿区被污染土壤的生物修复改良方法是指通过种植植物或放养动物或细菌或微生物，通过这些生物的生长繁殖过程中对土壤实施物理化学的作用，以改变土壤的组分和结构以达到修复改良土壤的目的[5]。

生物修复改良方法又有植物修复改良法和动物修复改良法与细菌修复改良法和微生物修复改良法，这种方法现在越来越倡导和实施得力，这种方法能达到一举几得的效果。植物修复改良方法通过种植适宜的植物，通过植物的生长发育过程的生理变化使得土壤中的组分和结构得到改善以达到修复改良的功效。例如在盐碱土壤上种植苜蓿、三叶草等植物以减低土壤盐碱度并取得丰硕的成果和显著的功效。动物修复改良方法是通过放养动物，利用动物的生长发育过程中对土壤的物理和化学作用，改善土壤的组分与结构。在过去二十五年中，已经有人利用细菌清除油污，但他们都是在温暖的气候条件下让这些微生物清除油污，细菌是比较容易在温暖的情况下繁殖和分解污染物的。阿根廷科学家目前正在研究一种清除南极洲土壤中油污的生物方法，让一种细菌既能在零摄氏度以下的环境中繁殖和吃油，也能适应20 摄氏度的环境并分解油污，其目的是解决世界各地油泄漏造成的土壤油污染难题，试验已经取得了可喜进展。据美国媒体报道，美国俄勒冈州立大学6 月11 日发表声明称，来自该大学和中国西安农业科技大学及南京农业大学的科学家经过共同研究，发现了一种可以帮助清除墨西哥湾油污的细菌。美国俄勒冈州立大学还表示，对清除环境

污染物质安全和有效方法的研究对发现这种生物表面活性剂和PA H s 降解微生物起到了重要的促进作用。这些是土壤修复改良的生物方法利用的成功实例，相关实例取不胜举。

矿区生态环境修复中，生物方法应用效果非常显著，这种方法既经济又环保，特别是通过微生物的作用达到被污染土壤的修复。这种方法更是目前广大科研人员攻关的阵地，是生态环境修复的研究前沿。

3.3植被修复

生态系统的恢复应该以最少的投入、最短的时间获得最大的效益为前提。植被恢复也不例外。应在调研基础上，借鉴国内外经验，首先对污染元素进行分析，再对土壤的物化、生化性质进行分析，查明土壤的pH值、土壤含水量、通气性、土壤氮素及土壤温度等，进而选择树种。树种的选择是植被恢复中最为关键的一环，它应该遵循下列原则:

1）生长快、适应性强、抗逆性好；

2）优先选择固氮树种；

3）尽量选择当地优良的乡土树种和先锋树种，也可以引进外来速生树种；

4）选择树种时不仅要考虑经济价值高，更主要是树种的多功能效益。

另外，矿区污染物与植被的初步研究表明，不同植物对不同污染物有一定的适应性，这些植物多为该污染物的耐性植物。所以，选择这些植物是要经过大量的选优工作的积累，耗费巨大的时间和精力。植被的修复是矿区生态环境修复的关键和难点，只有矿区植被得到修复，才可能使原有的矿区景观得到恢复。

3.4景观恢复

矿区生态环境的修复是以恢复矿区原有的景观为目标和终结的，景观恢复是在矿区植被修复得到了良好功效的前提条件下进行的，其实矿区植被得到修复也是矿区景观恢复的一个最基本的工作成效。但仅仅矿区的植被得到恢复，还远远不够，还需要采取一定的工程措施，并和前面的方法和措施相结合，才能有所功效使原有的矿区景观得到恢复的目标早日实现。具体有如下工程措施必须考虑，并在采矿过程中加以严格实施。

1）开采前严格规划弃土场、尾矿坝

根据矿场范围内地形特点以及矿种、蕴藏量、开采方式等规划弃土场。弃土场要求选择山垄肚大，出口窄，排土量多，地质条件稳定的地方，有效容积要比采矿弃土量高40% 左右。弃土场必须先设置拦砂坝(挡土墙)，以控制植被恢复前水土流失。拦砂坝应根据弃土场地形以及每年弃土量而逐年加固加高。同时弃土场周围要修防洪沟。尾矿坝必须纳入整个工程预算之内，与主体工程同时施工，同时验收投产，以减少对下游农业生产和群众生活的危害。

2）采取必要的护坡护岸工程

矿区采场台阶、边坡以及公路等附属工程的边坡，应全部规划护坡工程，以防止采场及公路等出现滑坡、崩塌。同时矿区下游河道也要对河坝、河堤等

加固、加高，经常清理河床淤积的泥沙石，以防洪水冲毁堤坝、农田、公路、桥梁、房屋等。

3）尾矿必须得到综合利用

未经处理或再利用的尾矿不仅占用了大量土地而且还污染环境，因此尾矿的综合利用与治理是非常重要的环节。

（1）从废弃物中进一步回收有价元素，不仅降低了成本，还可以减少环境污染。

（2）作为二次资源制取新形态物质，不仅能变害为利，更能降低有毒、有害物质对人类造成的伤害。铬渣中含Cr6+，是对人体危害最大的8种化学物质之一，有致癌作用，且Cr6+的水溶性较强，无控制地堆积对环境造成极大危害。研究表明，利用矿渣与铬渣结合物作混合材料不仅可以提高水泥的强度，也可使铬渣中的Cr6+得到有效固化，解除毒性，具有重要的社会效益、环境效益和经济效益。

（3）用废石与尾矿作为井下采空区的充填材料不仅能节省费用,还能避免土地占压，又减少了水土流失源。当然，该采取的工程措施还有众多，就不一一列举。具体工程措施必须根据矿区的实际情况加以采用，才能起到预期的功效。4.结语

总之，矿区在采矿过程中，生态环境将不可避免地遭受不同程度的破坏作用，而且长期以来，由于我国粗放经营的模式的实施，传统的采矿方式方法曾给我国各矿区带来了生态环境的噩梦，也使中国在生态环境保护方面得到很多国家的指责。随着经济全体化和低碳经济的呼声高涨，我国加强生态环境保护的意识越来越强，并且实施行动的步伐加大，也促使有关部门狠抓矿区生态环境的修复工作。目前已经取得了显著的成效，而且随着科技的发展，矿区生态环境修复的方法越来越多，越来越有功效，但新的问题也不断涌现，但从修复方法去研究还远远不够，还必须建立一定的政策、规章和法律及制度来加以制约矿区的生态环境的污染，制止生态环境的恶化，标本兼治，才能取得长久的功效。

故我国矿区生态环境修复的路还很长，广大科研工作人员不应该懈怠，应该不断努力开创矿区生态环境修复的研究新局面。

参考文献：

[1]师雄，许永丽，李富平.矿区废弃地对环境的破坏及其生态恢复[J].矿业快报，2007，6（6）

[2]魏艳，侯明明，王宏镔，卿华.矿业废弃地的生态恢复与重建研究[J].矿业快报，2006，11（11）：451

[3]薛爱爱, 张磊. 矿区废弃地生态恢复探讨[J]. 山西林业科技.2011,40(2)

[4]邓绍云，邱清.我国矿区生态环境修复研究现状与展望[J]科技信

息.2010，23（2）:38—41

[5]李玲，路婕.矿区重金属污染土壤的修复［J］.安徽农学通报，2006，12（12）：54- 56.