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            礦區復墾地土壤改良研究進展

            2022-05-20 14:40:55| 發布者: admin| 查看: 97

            礦區復墾地土壤改良研究進展

            趙鵬1,史興萍 2,尚卿 2,譚菁 1,王夕剛 3,黃占斌 1*

            1.中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院,北京 100083;2.青海威斯特銅業有限責任公司,青海 瑪沁,814000;3.北京金元易生態環境產業股份有限公司,北京 100081) 

            摘 要:礦產資源開發造成土地資源和生態環境破壞,甚至影響區域經濟可持續發展。我國礦區土地復墾,特別是土壤改良已成為生態修復重要組成部分。由于礦區廢棄物堆場等復墾土地的土壤結構和肥力較差,土壤改良則成為礦區土地復墾的核心問題。本文概述礦區復墾地土壤改良的重要性,根據國內外礦區土壤改良現狀,結合我國礦區復墾地土壤特征,深入分析礦區土壤改良原理及其技術,并根據礦區土壤改良研究和應用中存在的問題,結合礦區生態修復的綠色、穩定和可持續發展導向,提出針對礦區土壤改良需要加強研究的改良方法、標準制定和管理對策,旨在為今后礦區復墾地土壤改良與生態修復工作和可持續協調發展提供依據。

            關鍵詞:礦區;復墾地;土壤改良;改良原理;改良技術;環境材料

            收稿日期2021-11-20 

            作者簡介:趙鵬(1990—),女,山東菏澤人,博士研究生,主要研究方向為土壤改良與修復。E-mail: 2317939073@qq.com

            *通信作者:黃占斌 E-mail: zbhuang2003@163.com

            基金項目:青海威斯特銅業有限責任公司科研項目

                我國是世界上最大的煤炭、黃金和稀土生產國,擁有 萬多個生產礦山。此外,我國是世界上人口最多和最大的發展中國家。據資料統計,20162020 年,我國煤炭產量由 34.1 億 增加到39.0 億 t,累積產煤近 184 億噸[1]。另一方面,雖然采礦業對我國經濟貢獻巨大,但卻帶來嚴重的環境影響,包括植被破壞、土地廢棄和環境污染。廢棄土地復墾成為我國生態修復和實行土地置換政策的重要工作。所以,礦區環境恢復和土地復墾修復,逐漸成為礦區綜合治理的重要方面,其中土壤結構和肥力的恢復,是促進土地復墾修復的核心[2]。

                隨著礦產資源工業的成功發展,因采礦而破壞的土地面積不斷擴大,礦區生態環境不斷惡化[3]。盡管土壤對采礦活動高度敏感,但它仍可以通過平衡土壤養分、水和能量流,來確保生產力和維持生物多樣性,在土壤圈的物質循環中發揮著至關重要的作用[4]。在礦山開采與復墾過程中,開挖、運輸、傾倒和堆積會使原始礦區土體的結構和性質發生劇烈變化。最后,受采礦作業干擾的各種固體廢棄物(碎石、礦渣、粉煤灰、城市污泥、煤矸石等)重新排列,并通過一系列物理、化學、生物和工程措施,使其快速熟化為人類可利用土壤(可以定義為礦土)[5]。因此,礦土的質量和性質會根據地理條件(例如地質、氣候、土地利用)而異。礦土系統作為礦區開采和復墾系統的重要組成部分,在調節礦區的植物、水、景觀等子系統中發揮著重要作用。事實上,礦土的質量在很大程度上決定了礦區未來的復墾方向。因此,需要進一步了解礦區采礦和復墾過程對土壤性質變化的影響。

                礦區在連續開采過程中會破壞植被/土壤系統,降低土壤生產力和肥力,而復墾的目標是通過一系列復墾方法恢復土壤營養特征,使礦土恢復到原始狀態[6]。土地復墾作為一種將被擾動的土地恢復到有用狀態的方法,可以實現耕地總量的動態平衡[7],且通過適當管理和保護,可以在短時間內取得較高的生態和經濟效益。然而,由于礦區土壤的異質性和復雜性,利用它們來種植作物和恢復植被,提升土壤生產力和生態系統的可持續性,仍面臨一定挑戰。近十幾年來,為改善礦區生態環境,最大限度地利用礦區土地資源,開展了大量礦區土壤改良技術研究。在美麗中國、綠色礦山建設戰略,以及“綠水青山就是金山銀山”等生態文明理念的引領下,礦區土地復墾進一步形成了礦區生態修復模式。中共中央國務院《關于加快推進生態文明建設的意見》提出:以自然恢復為主,與人工修復相結合作為生態建設與修復的基本原則[8]。

                早在 20 世紀 80 年代,我國就已開始有組織地對采煤塌陷地進行綜合治理。一些研究還評估了采礦、建立植被和開發再生礦土的影響[9]。這些研究使人們對礦土的性質和生態系統服務功能有了初步認識。針對不同種類礦土的不同退化機制和性質,需要采取適宜的改良措施。由于礦區廢棄物堆場等復墾地的土壤結構和肥力較差,土壤改良則成為礦區復墾的核心問題。為了充分理解礦區復墾地土壤改良的重要性,根據國內外礦區土壤改良現狀,結合我國復墾地土壤特征,深入分析礦區土壤改良原理及其技術;并根據礦區復墾地土壤改良研究和應用中存在的問題,結合礦區生態修復的綠色、穩定和可持續發展導向,提出針對礦區土壤改良需要加強研究的改良方法、標準制定和管理對策。為今后礦區復墾地土壤改良與生態修復工作和可持續協調發展提供依據。

            礦區復墾地土壤改良的重要性

                采礦業傳統上被認為是世界上最古老和最重要的活動,僅次于農業??v觀歷史,礦業活動為世界文明作出了巨大而重要的貢獻。但與此同時它也造成了嚴重的土地資源破壞和生態環境污染。據統計,我國的采礦業已破壞了近 40000 km2土地,而且僅廢棄礦區地以每年 330 km2的速度增加[10]。多年來,采礦業對經濟、環境和社會的影響引起了一些觀點。圖 概括了采礦業對這三個類別的影響以及每個類別下的凈效應[10]。雖然采礦業改變了許多經濟,但它也對環境產生了負面影響,在某種程度上還對社會產生了負面影響。礦區開采過程中會產生大量尾礦庫,對人類健康和環境構成重大風險[11]。由于尾礦庫土質松散,堆積時容易流失和崩塌,經常發生災難性的潰壩,造成財產損失和人員傷亡[12]。礦山尾礦中還含有大量難降解重金屬或有機污染物,對生態系統會產生有害影響。過量的重金屬往往會抑制植物根系的生長,導致葉片黃化和生物量降低。例如,高濃度的重金屬會增加作物對重金屬的吸收,并對植物生長產生負面影響,有時會導致植物死亡[13]。因此,人們為了改善礦區生態環境,最大限度地利用礦區土地資源,開展了大量的礦區土地復墾與土壤改良技術研究。

            圖 采礦業一般影響的概念化框架

                礦區土地復墾一般被認為是一項持續進行的計劃,因為隨著礦山發展的不同階段,對環境的影響會逐漸增加。采礦是土地的臨時用途,從可持續發展的角度來看,礦區土地復墾顯然是合理的[14]。礦區土地復墾已成為許多國家可持續發展戰略的重要組成部分,它可以達到物理穩定性、廢物管理和可接受的土地利用,提高土地的彈性、生產力和生物多樣性[15]。不同礦區對場地復墾有不同的原理和方法,因此想要對所有場地進行復墾是不可行的,但所有被采礦活動干擾的土地都具有經濟、娛樂和美學用途的潛力。因此,復墾的核心是識別礦區的獨特潛力,并選擇適當的改良技術和措施,將這種潛力轉化為可持續的能力[14]。在土地長期可持續性的范圍內,復墾可提供生態調整或采礦土地實際再利用的潛力。

                經開采擾動的礦區土壤通過適當的復墾技術和復墾管理措施,可以得到恢復。然而,如果沒有適當的復墾規程,礦區復墾地很難恢復到原來的狀態。一個滿意的礦區通常需要 50 年或 100 年才能開發出,但完全恢復的情況并不總是發生[16]。土地復墾的終極目標是恢復礦區土壤的生產力、生態環境和經濟價值以及礦區的綠色生態。植物是綠色生態的主題。土壤是植物生長所需水分、養分和生存環境的基礎,還是地球大循環生態系統中重要的組成部分。因此,土壤改良是土地復墾的關鍵和基礎,進行礦區復墾地土壤改良對實現礦區生態修復和可持續綠色發展具有核心意義。

            國內外礦區復墾地土壤改良進展

            2.1 國外

                礦區開采造成的土地浪費和生態環境破壞已是全球面臨的重要問題,由此引發的礦區復墾改良研究受到國內外學術界和政府的著重關注。美國、德國、英國、加拿大、澳大利亞等一些礦業發達國家,十分重視礦產資源開采后的土地復墾工作[16],為礦區復墾地土壤改良的科學研究和治理工作投入了大量資金和技術。早在 20 世紀 20 年代初,美國和德國就開始在開采后的礦區進行植樹綠化試驗恢復礦區植被[17]。20 世紀 50 年代末,一些國家已系統地進行礦區土壤改良綠化活動。20 世 紀 60 年代,一些發達國家開始制定有關礦區復墾地土壤改良等方面的法律法規,依法開展土壤改良工作,研究復墾地的利用方向、復墾地土壤改良技術和改良效益等,制定復墾地土壤改良規劃和實踐改良工作,并獲得突出的經濟、環境和社會效益,進入復墾地科學土壤改良時代[18]。20 世紀70 年代,復墾地土壤改良工作已逐步發展成一門多學科、多行業、多部門聯合協作的系統工程,很多企業都自覺將土改歸入設計、施工和生產實踐中。在國家法令和高科技的支持下,美國的礦區環保和恢復取得了卓越效果,尤其是在粉煤灰改良土壤、矸石山植樹造林等實踐上積累了豐富經驗。德國采用農業復墾對萊茵露天煤礦和魯爾井工煤礦進行土地恢復,通過施肥和種植作物改良土壤,恢復礦土生產力,改善礦區生態環境。2000 年時德國因采煤而破壞的土地已被復墾 62%。以采礦業為主題產業的澳大利亞,更是把土地復墾視為礦區開發活動的必要組成部分,在地表侵蝕防治和擾動土處置方面居世界前列。在礦區治理過程中,不但注重土地的恢復,還會注重動物棲息地的恢復,目前已形成高科技指導、多專業聯合、綜合治理開發的土地復墾改良模式[19]。此外,法國、日本、加拿大等也在礦區復墾地土壤改良方面做了大量研究。國外還對遙感和計算機信息技術指導礦區復墾地土壤改良做了深入研究,如 BAKR [20]將 GIS 用于埃及礦區復墾地土壤改良的研究中,通過遙感監測反映土地覆蓋變化,以準確高效地評價人類活動對礦區環境的影響。上世紀 90 年代后,國外將土地復墾目標提升到一個新階段,轉向生態復墾和混合土地復墾[21]。例如:德國的北萊茵礦區,開始轉向物種保護重視、休閑用地設施和循環體系建設等方面,形成了人與自然更加協調的混合土地復墾模式[22]。美國礦區土地復墾研究者通過一系列試驗表明,橡樹因具有較好的土壤密實和積水耐受性,可被用作濕地復墾的主要樹種,以恢復礦區生態環境[22]。

            2.2 國內

                我國人多地少,且耕地后備資源不足[23],對農業用地的需求要高于大部分國家。因此,我國的土地復墾工作不僅要恢復礦區生態環境,更要提升復墾耕地的質量,即更強調對土地的珍惜和利用。我國對礦區土地復墾的研究滯后于發達國家。20 世紀 50 年代末,我國最早開始研究礦區生態修復和土地復墾工作,土地復墾率還不到 1%。我國的礦區土地復墾與生態恢復工作真正得到重視是在 20 世紀 80 年代[24],先后頒布了《土地復墾規定》和《中華人民共和國環境保護法》,到 80 代末土地復墾率提高至 12%,標志著我國礦區土地復墾研究得到了飛速發展。1999 年,《中華人民共和國土地管理法》生效,進一步加強土地管理,切實保護耕地。2011 年,我國頒布實施《土地復墾條例》,土地復墾工作更加有序、科學地進行。2019 年 月 日,國務院常務會議通過《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法(修訂草案)》,明確指出我國對固體廢物污染環境的防治,實行減少固體廢物的產生量和危害性、充分合理利用固體廢物和無害化處置固體廢物的原則,促進清潔生產和循環經濟發展。隨著經濟社會發展對土地資源的迫切需要,人們采用超前式治理模式,利用補償設計對采礦塌陷區進行回填整治和土地復墾。礦區開采過程中會嚴重破壞區域碳平衡, 使礦區碳固存能力下降甚至喪失[25]。在 2020 年提出的“碳達峰,碳中和”目標下,研究者對礦區碳源/匯開展了大量研究,如礦區低碳土地利用[26,27],露天礦碳源構成[28],礦區節能減排對策[29]等。國土資源部整治中心與德國合作開展了“中德低碳土地利用項目”,借鑒德國低碳土地整治成熟經驗,開展我國生態型低碳土地整治工作。礦區開采努力做到“少占地、少損毀、多造地、礦復墾”,實現礦區“低排放、高碳匯、高效益”的土地利用發展狀態[30]。20 世紀末,我國礦區復墾主要是恢復耕地,如今隨著現代生態農業、生態旅游、景觀規劃、生態修復以及碳達峰碳中和等理念的引導,已形成綜合生態復墾模式。我國礦區復墾地土壤改良的方法主要有物理法、化學法、生物法以及后來的聯合改良,主要用于研究土壤重構問題。近年來,我國也逐漸開始將 RS、GIS 和 GPS 遙感數據技術用于露天煤礦的土壤改良工作中。我國正處于工業化快速發展階段,雖已在礦區土壤改良研究上取得很大成果,但仍還有許多亟待解決的問題:提高土壤改良認知,加強土壤改良法制標準,加大土壤改良資金,創新土壤改良技術,闡述土壤改良原理等。


            礦區復墾地土壤特征

                礦山開采過程中,因挖損、塌陷、壓占等造成破壞的土地、未經一定處理而無法使用的土地均統稱為礦山廢棄地。根據礦山廢棄地來源可分為以下四種類型:一是由剝離的表土、開采的廢石以及低品位礦石堆積成的廢石堆廢棄地(排土場);二是露天開采形成的采空區和地下開采形成的塌陷區;三是經各種分選方法分選出精礦物后的剩余物排放形成的尾礦庫;四是采礦作業面、機械設施、礦山輔助建筑物和道路交通等先后占用后廢棄的土地。這四種類型礦山廢棄地土壤的共同特征主要表現在:表層土被破壞,物理結構不良、持水保肥能力差、貧瘠、極端 pH 值、抑制植物生長、高含量重金屬。礦土作為礦區開采與復墾的重要組成部分,在很大程度上決定著礦區未來復墾的方向。因此,需要進一步了解復墾過程對礦區土壤性質變化的影響。

            3.1 物理性質

                礦區復墾地的物理特征主要體現在土壤結構上。土壤結構、容重、透氣性等物理性質,可通過控制土壤水力性和水文穩定性對土壤改良產生很大影響。礦土結構因地而異,有些會與周圍未被破壞的土壤結構相似,但有些會由于原狀土的材料被不同質地的覆蓋層取代而有所不同。在相同條件下,采場的平均土壤粒徑會小于未采場的平均土壤粒徑。此外,復墾過程中大型機械壓實會引起土壤聚集性的變化,根系生長受到限制,從而導致水分和養分有效性、透氣性和植物產量下降[31],造成實質性的、長期的、有時是不可逆轉的破壞,從而對土壤生產力和生態系統功能產生負面影響[32]。土壤壓實是土壤退化的物理表現形式,改變土壤的結構和生產力[33],對采礦和復墾的可持續發展構成潛在威脅。在礦區,容重是表征礦土壓實度最常用的參數。復墾土通常有較高的容重(1.55~1.86 mg·m-3[34],但隨著復墾的進行,更多的根進入土壤,使孔隙度增加,降低土壤的容重。

            3.2 化學性質

                有關采礦和復墾對特定土壤化學性質的影響已有很多報道[35, 36]。一個主要的環境問題是風化對礦區土壤功能的影響。礦渣內的重金屬元素和酸液通過風化和溶解作用進入水體和土壤,改變礦區土壤的化學性質。風化過程會除去堿性礦物中的可溶性礦物,導致電導率和 pH 值降低。在大多數情況下,風化的腐壞物和回收的土壤會有利于礦區恢復[37]。在礦區恢復過程中,土壤 pH 可調節植物養分的有效性。含有碳酸鹽的未風化超載材料污染會引起 pH 值的變化[35]。復墾活動也會顯著改變土壤 pH 值,從而影響特定樹種的生長。根據不同的研究,電導率受土壤質地、深度、復墾時間、基質和風化條件等因素的影響,但在較長一段時間后(20 年以上),電導率和其他特性可以維持一個有利于本地物種生長的水平[35, 38, 39]。在礦區,不可持續的管理會導致土壤碳氮流失,這些地區很可能成為溫室氣體排放的凈源[40]。研究礦區土壤碳氮動態對理解土壤碳氮循環和生態系統功能具有重要意義。擾動土中碳庫的流失主要是由礦化、侵蝕和淋溶作用造成的。采礦和復墾活動后,礦土中土壤有機碳(SOC)濃度呈下降趨勢。有研究者證實,開采復墾后 的損失在 0~15 cm 土層最大(60%)[41]。此外,人類活動在采礦過程中也添加了重金屬(As、Cd、Co、Cr、Hg、Ni、Pb、Se)。因此,礦區廢棄物中金屬釋放的環境影響一直是復墾實踐中的一個重大問題。

            3.3 生物學性質

                土壤生物活動可以為監測因嚴重的礦區開采擾動而產生的土壤質量提供有用的信息,而且微生物特性已越來越多地用于評價土壤恢復力[42]。由于微生物群落對土壤環境非常敏感,與多種土壤過程有關,包括有機殘體的分解、養分循環、有毒化合物和污染物的降解等,已被許多研究人員作為嚴重擾動礦區的生態指標[43-45]。微生物群落負責養分循環和土壤有機質積累,為復墾植物的生長提供基礎。對礦區微生物特性的野外調查研究表明,復墾場址測量的大多數土壤微生物參數與未受干擾場址測量的土壤微生物參數相當[46]。證明復墾活動對土壤微生物沒有顯著影響。土壤酶調控著生態系統功能,在土壤系統有機質轉化和養分循環整個過程中發揮著關鍵的生化功能。礦質土壤的擾動容易影響酶的活性。隨著復墾演替年齡的增加,大部分酶活性提高,且復墾地的酶含量高于對照組,但不同植被處理復墾地的酶活性差異不顯著[47]。土壤動物在土壤有機質的分解與融合中具有重要作用。未開墾地中動物群落發育較差,而開墾地中動物群落豐富。土壤動物多樣性可以反映生態系統的新陳代謝,可作為評價礦區土壤質量的指標評價礦區的恢復狀況。


            礦區復墾地土壤改良原理及其技術

            4.1 改良原理

                礦區復墾地的土壤改良原理可依靠恢復生態學原理及理論,其相關原理的研究還會涉及到群落演替理論、限制性因子理論、生物多樣性理論、景觀生態學理論等[48],其中群落演替理論是指導礦區土壤改良和生態恢復的基礎理論,即礦區植被恢復過程中引入的先鋒植物經過一系列演替,最終達到頂級群落,并以整體性原理、結構穩定與功能協調原理、自生原理與循環再生原理為核心原[49]。礦區生態恢復的目標本是一個結構復雜的多層次系統,可以實現多樣的功能。礦區復墾地的土壤改良應持有生態學視角,以植被恢復和生物多樣性保護為目標,選用適宜的技術改良土壤。礦區生態恢復可采納白中科提出的礦區地貌重塑、土壤重構、植被重建、景觀重現、生物多樣性重組與保護恢復重建的五階段[50]。地貌重塑主要是通過有序排棄和土地整形等措施,重新塑造一個與周邊景觀協調的新地貌,提高土地利用率。土壤重構的主要目的是應用工程措施及物理、化學、生物等改良措施,恢復或重構礦區損毀土地的土壤,是礦區生態恢復的核心。植被重建是在地貌重塑和土壤重構的基礎上,針對礦區不同土地損毀類型和程度,綜合外界環境條件,進行不同損毀土地類型物種篩選(先鋒和適生植物)、制備配置、栽植及管護,使重建的植物群落持續穩定。景觀重現則是遵循山、水、林、田、湖、草生命共同體理念,重建一個與周邊景觀相協調的生態系統。生物多樣性重組與保護主要是借助人工支持和誘導,調控生物種群的組成和結構,逐步修復生態系統功能,誘導生態系統最終演替為一個符合代際(間)需求和價值取向的可持續生態系統。胡振琪等總結出礦區生態修復目標遵從的 條原則:尊重自然,以人為本;因地制宜,宜林則林、宜耕則耕、宜水則水、宜建則建、宜荒則荒;安全高效、可持續利用;注重生態環境效益,經濟合理;恢復耕地、草地、林地優先;控制源頭和過程,末端治理[51]。

            4.2 改良技術

                穩定的土壤結構對維持農業生產力和減少水土流失具有重要意義。然而,礦區的物理化學特性由于極端 pH 值、高鹽度、低保水能力、高濃度重金屬、土壤有機質和肥力不足等因素,不利于植物的自然生長。因此,應采取適當的改良措施,改善礦區的物理、化學和生物特性,以促進植物定植。目前,礦區土壤改良技術主要包括物理、化學、生物和聯合改良技術。

            4.2.1 物理改良技術

                物理改良是礦區復墾的基礎,因為它是土壤重建的核心,對礦區景觀和地形的發展有巨大的影響。改良礦區土壤的物理方法有回填、傾倒、覆蓋或固化等,是幾乎所有類型礦區恢復最簡單的修復方法。物理改良是一種可以快速有效的改善土壤條件和防止污染物遷移的方法,并為植物生長提供適宜的基質。但該技術處理效率低,成本高,不適合大規模處理污染土壤。此外,物理處理也沒有利用礦區中有價值的成分?;靥畋硗潦悄壳白畛S们矣行У奈锢砀牧挤椒?,在礦區開采前先剝離保存好 0~30 cm 和 30~60 cm 的土層,以備回填時使用,好為植被恢復提供富含高質量生物群落的土壤[24]。很多研究都證實回填表土可以有效減少風蝕和水蝕,產生很好的改土和修復效果。HOLMES [52]研究發現,回填 10 cm 和 30 cm 表土都可以高效提高植物蓋度。REDENTE [53]研究表明,回填 15 cm 表土即可很好的達到恢復效果。也有研究表明,越厚的回填土層越可以有效避免根系長入有毒的礦土,但超過一定厚度范圍后,對礦區的修復效果增長不顯著[54]。因此,礦區回填表土厚度可建議為 10~15 cm,具體厚度可根據礦區不同的物理、化學、生物特性實際調整。但回填表土涉及到表土的剝離、存放、二次倒土等很多工作,費用高、難管理,且大部分礦區位于山區,土源少,有些礦山企業甚至花巨資進行異地熟土覆蓋。因此,這種技術的應用會受到適當材料的可用性和運輸費用高的局限性。物理改良技術的總體目標是實現三件事:1)減少侵蝕;2在改善土壤質量的同時減少土壤壓實;3)創造適宜于恢復礦山廢棄地的條件。

            4.2.2 化學改良技術

                化學改良的目的是改變礦土的不平衡狀態,采取一定措施調節土壤 pH、緩解其重金屬毒性、提高土壤肥力等?;谥参锏淖罴焉L條件,利用有機和/或無機材料在礦區進行土壤改良已被廣泛嘗試。研究表明,石灰、粉煤灰、磷酸鹽材料和有機材料(如生物固體、凋落物、堆肥和糞肥等),都可用于礦區的土壤改良。石灰處理是氧化礦區中最廣泛采用的中和酸性和降低金屬毒性的方法之一[55]。但由于浸灰劑的溶解和浸出,特別是在酸性環境下,它的作用逐漸受到限制[56]。MCGOWEN 等報道,添加磷酸鹽基材料可以有效固定土壤中 Cd、Pb、Zn[57]。MORENO 等進一步提出浮石是改善細粒礦區排水的優良無機材料[58]??偟膩碚f,無機改良劑主要改善礦區土壤的物理性能(如排水性能),或有限的化學性能(如 pH 值和過量的可溶性金屬含量)[59]。ALCANTARA [60]進行礦區重金屬提取研究表明,使用 75%的生物固體和 25%的礦土組合可以最大化促進印度芥菜和胡蘿卜的生長,并可最大化進行汞(Hg)和金(Au)的植物提取。ASENSIO[61]在污泥改良劑對銅礦土壤質量的影響研究中,證實污泥可以中和土壤 pH 值、降低金屬濃度和提高土壤肥力,對植物生長發育也有顯著影響。此外,污泥的添加還可以改善銅礦土壤的生物特性和生物群落結構。FELLET [62]提出,生物炭作為有價值的有機物質來源,可以通過提高土壤營養和改善礦山結構,包括 pH 值、陽離子交換量、持水能力和 Cd、Pb、Ti、Zn 的生物有效性,幫助建立植被的覆蓋。與無機材料相比,有機材料可以緩沖土壤 pH 值,從而間接影響金屬在礦區土壤中的吸附和絡合作用,也可以改善土壤性質、營養狀況、水分入滲和持水能力?;瘜W改良技術的總體目標是提高植物對養分的吸收,調節土壤 pH 值,改善土壤質地和結構,提高重金屬的生物有效性和溶解度等,最終改善土壤的整體理化性質,減少土壤污染[63]。但化學改良方法會由于缺乏持久性和需要定期檢查而受到限制。

            4.2.3 生物改良技術

                礦區土壤改良也會采用一些生物改良方法,主要有土壤動物改良、植物改良、微生物改良、植-微生物聯合改良。土壤動物作為生態系統中的消費者和分解者,對改良土壤結構、增加土壤肥力和促進生態恢復等方面都具有重要的作用。BOYER [64]在蚯蚓對露天開采后恢復生態系統服務的潛力的研究中表示,蚯蚓不但可以改良礦土的理化性質,而且能富集重金屬,增加表土肥力從而加速土地復墾,促進礦區生態系統功能的恢復。植物改良是一種利用植物移除、解毒和累積土壤中有機和無機污染物的生物修復技術,是一種高效、廉價、環境友好的改良策略[12]。礦區植被恢復是通過穩定土壤來降低全球環境風險的有效方法。此外,還可以通過提高土壤有機質、養分濃度和生物活性來改善土壤質量[65, 66]。植物改良技術在礦山尾礦和污染土壤修復中的應用已得到證實。植物在清除環境污染物方面起著排毒作用。根據不同的植物特性,可以區分三種主要的植物改良技:植物提?。ㄍㄟ^根部吸收污染物或金屬)、植物穩定(通過冠層減少風成擴散,根防止水蝕、固定重金屬和防止淋失)和植物揮發(植物與水一起吸收污染物并通過氣孔將其釋放到大氣中)。微生物改良主要是利用微生物的生命代謝活動減少或無害化礦土中有毒害物質,幫助實現礦區的生態恢復。微生物可以產生某些有機酸,通過改變重金屬的土壤環境(pH 值和氧化還原電位),提高重金屬的溶解度。微生物分泌的部分多糖容易與土壤顆粒結合,從而改善土壤團聚體結構,增強土壤結構穩定性。例如,球囊霉素和叢枝菌根真菌釋放的其他糖蛋白可通過增加顆粒聚集和穩定團聚體抵抗風蝕和水蝕來改善土壤結構。此外,一些土壤細菌能夠降解礦物加工過程中產生的有毒有機化合物,包括溶劑。ZHU [67]將滴滴涕降解菌接種到 Cd 超富集植物-景天屬中,培養超過 18 個月后,土壤 Cd 和滴滴涕含量分別下降 32.1%~40.3%和 33.9%~37.6%,而未種植和未接種對照土壤 Cd 滴滴涕含量分別下降 3.25%和 3.76%。WU [68]研究表明叢枝菌根真菌接種到 Pb/Zn 尾礦中,可以減少土壤中 Pb/Zn 的遷移,顯著降低香根草根系中重金屬含量,有效緩解重金屬對植物的毒害作用。樓駿篩選出兩株對菲具有較高降解能力的變形菌門下的馬賽菌,通過液體培養降解菲實驗得出,在 48 h 內可以完全降解 100 mg·L-1的菲,可以作為修復礦區菲污染土壤的環境友好型生物材料[69]。生物改良技術以最大限度地減少現有和潛在污染物的有害影響。盡管該技術在處理重金屬和其他污染物污染的礦山廢棄地方面具有潛力,但仍有一些局限性,尤其是植物修復。例如:(1)大多數自然發生的超富集草木和灌木物種生長緩慢,生物量產量低;(2)污染土壤修復周期長;(3)如果不建立適當的處置機制,有將重金屬重新回收到環境中的風險;(4)金屬生物利用度有限;(5)其適用性有限。例如,并不是所有的超富集植物都適合于所有含有中等或高度毒性金屬濃度的場所[70]。

            4.2.4 聯合改良技術

                針對礦區污染程度的不同和理化特性的多樣性,單一的改良技術已經很難達到低成本、高效、穩定和可持續發展的礦區生態修復效果。因此,結合多項單一改良技術的聯合改良技術逐漸成為我國礦區生態修復的發展方向。目前,應用較多的聯合改良技術主要包括化學/物化-生物、物理-化學、微生物-植物、物理/化學-植物等聯合改良技術。其中又以化學-植物、微生物-植物聯合改良技術最適于礦區的生態修復?;瘜W-植物聯合改良技術是對污染土壤先進行原位化學改良,改善土壤環境,以防止污染元素進一步擴散轉移,再篩選具有特殊吸收富集能力的植物種植在污染土壤上,徹底吸附土壤中的污染元素,最后收獲并處理植物即可將污染元素移除土體,達到礦區污染治理和生態修復的目的。蘇銀萍通過室內盆栽試驗,研究海泡石、沸石對短毛蓼修復錳礦區土壤效果的影響,結果表明海泡石、沸石可顯著提高短毛蓼對 Mn 污染土壤的修復效率[71]。王靜雯等研究表明,施加適量 EDTA 可增強魚腥草對 Pb、Zn、Cu、Cd 的吸收富集能力,即可增強魚腥草對礦區重金屬復合污染土壤的修復能力,因而可用于礦區重金屬復合污染土壤的植物修復[72]。微生物-植物聯合改良技術可通過微生物活動改變土壤 pH 值,影響重金屬的生物有效性并改變其賦存形態,增加植物對重金屬的吸附特性,同時還可以通過微生物與植物之間的協同作用,高效降解土壤中的有機污染物。ZHU [73]將 DDT 降解菌與 Cd 超累積植物-東南景天聯合改良重金屬-有機復合污染土壤,試驗結果表明可以很好地降低土壤中的 Cd 和 DDT 含量,可分別降低 31.1%和 53.6%。很多研究表明,微生物在植物修復技術中發揮著重要作用,微生物與植物的協同作用,在植物修復過程中可促進對重金屬的去除和解毒。例如,生物降解菌、植物生長促進菌和絲狀真菌等微生物可以通過改變土壤環境,增加生物量產量和重金屬生物有效性,降低重金屬毒性,對植物修復具有一定作用[74](圖 2)。因此,可以將微生物和植物聯合用于礦區的土壤改良。

            圖 微生物對尾礦植物修復的貢獻


            環境材料在礦區復墾地土壤改良中的應用

                環境材料(Environmental Materials 或 Eco-materials),是 20 世紀 90 年代初日本學者山本良一等最早提出,定義為特別優異的環境協調性材料或那些本身具有凈化環境、修復土壤等功能的材料。我國學者認為,環境材料是那些在加工、制造、使用和再生過程中資源消耗最少、無二次污染、可循環再生利用、具有良好性能/功能并與環境協調的材料。因此,環境材料是一類要綜合考慮資源、能源和環境問題的材料總稱,既包括經改造后的現有傳統材料,也包括新開發的環境材料。環境材料可分為天然材料、循環再生材料、高分子材料、低環境負荷材料等?;诃h境材料的功能性、環境協調性和經濟性,已被廣泛應用于環保、工業、農業生產等領域。目前,環境材料在礦區的土壤改良上也得到廣泛應用,其對礦區土壤和植物的綜合影響總結如下(圖 3)。我國目前應用較多的環境材料主要有腐植酸、生物炭、保水劑、微生物菌肥等,并在水肥保持和環境治理方面具有很好的實踐效果。

            圖 環境材料對礦區土壤和植物的綜合影響

                腐植酸被稱為土壤的生命核,含有 20 多種活性官能團(羥基、羧基、酚羥基、羰基等),這些官能團使腐植酸具有酸性、親水性、陽離子交換性,可與土壤中的污染物發生吸附、離子交換、絡合和氧化還原,使得腐植酸及其各類腐植酸產品被廣泛應用于農業生產和污染土壤修復中。LIU[75]研究表明,向玉米種植地中施加腐植酸可以使土壤大團聚體增加 77.59%~125.58%。候月卿等[76]在研究環境材料對豬糞堆肥中 Zn 的鈍化效果試驗中表明,嘉博文生物腐植酸對 Zn 的鈍化效果顯著高于對照組,高達 64.94%。PERMINOVA [77]在研究不同來源腐植酸對多環芳烴的解毒特性時發現,土壤腐植酸、泥炭腐植酸和淡水腐植酸都可以降解蒽、熒蒽和芘,而且富含芳烴的腐植酸解毒潛力最高。于學勝在生物腐植酸對礦區廢棄土壤微生態重建作用的研究中表明,在生物腐植酸的單施情況下,添加量為 30 kg/畝處理效果最好,與空白對照相比,其可培養微生物數量提高 96%,植物量提高 34%,真菌多樣性指數提高 6.5%;在生物腐植酸與肥料混施的情況下,30 kg/畝生物腐植酸加 50 kg/畝復合肥處理效果最好,與空白對照相比,其可培養微生物數量提高 94%,植物量提高 70%,真菌多樣性指數提高 15%[78]。

                生物炭是有機廢棄物在完全或部分缺氧條件下熱解炭化生成的一種穩定、富碳和高度芳香化的難溶高聚物。生物炭原料來源廣泛,植物、動物糞便、市政固體廢物等在熱解、水熱碳化和微波碳化等過程中均能制備成生物炭。生物炭因具有較大比表面積、孔結構豐富且具有大量無機灰分和極性官能團,對重金屬具有很好的吸附性,已被廣泛應用于土壤重金屬修復中。生物炭可通過靜電相互作用、離子交換、物理吸附、絡合和沉淀等反應,鈍化土壤中的重金屬,降低重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性[79]。李光炫等[80]研究表明,廢菌棒生物質炭可以有效改良礦區土壤酸性,提高土壤速效養分和土壤酶活性,豐富細菌多樣性和有益菌群,分別降低 TCLP 提取態 Cd12.1%~24.8%)、Zn8.3%~31.4%)、Pb32.9%~53.7%)。楊凱等[81]在利用生物炭修復鉛礦區污染土壤的研究中表明,在 30 d 恒溫恒濕、干濕交替和凍融循環 種老化條件下,玉米桿生物炭的添加可分別使 Pb 的有效態含量分別下降 47.4%、16.1%和 45.0%。

                保水劑是一種三維網絡結構的高分子聚合物,攜帶大量的親水基團,具有很好的吸水和保水性,短時間可吸收自身質量的 400-600 倍甚至更高倍數的水。保水劑施加于土壤可改善土壤環境,為植物提供更多的水分,且用量少、見效快,已被廣泛應用在農業生產、水土保持和環境治理等方面[82]。保水劑可主要分為淀粉類、纖維素類和合成聚合物類,它們的共性是分子中都攜帶大量羧基和羥基,可以與重金屬發生絡合/螯合反應,從而降低其在環境中的生物活性[83]。秦端端等研究表明,在水溶液吸附試驗中,鎘濃度為 200 mg·L-1時,保水劑對鎘的吸附量可達 120 mg·g-1以上;在培養 60 d 的土盆試驗中,僅添加保水劑處理組,可使土壤鎘下降 20%以上,添加保水劑且種植黑麥草處理組,可使土壤鎘下降 36%以上[83]。在高粱的盆栽種植試驗中,添加 0.2%保水劑的處理組,植株地上部 Cd 濃度、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶活性均降低,且還能促進高粱的生長[84]。SANTOS [85]對廢礦物修復的研究中表明,保水劑用量為 75 和 150 mg·hm-2 時,可顯著降低植物對重金屬的吸收,促進土壤保水保肥,增加與營養循環和微生物活性相關的酶活性。

                微生物菌肥(微生物肥料),是以特定、可繁殖的微生物活動為核心,使植物獲得所需營養的一種綠色環保、高產高效、多功能的新型生物肥料或菌劑。微生物菌肥具有改善土壤肥力、促進植物生長和絡合重金屬等作用,同時,某些特定菌種還可以分解土壤中有機污染物,活化或鈍化土壤重金屬離子等[86]。針對我國礦區土壤重金屬污染嚴重、肥力低下等情況,可以施用微生物菌肥修復礦區復墾地土壤。微生物菌肥對重金屬的強化機制可通過兩種途徑:一是活化重金屬,促進植物吸收,減少土壤中重金屬含量以達國家標準;二是鈍化重金屬,降低土壤重金屬污染和防止再二次食物鏈傳遞[87]。李曉越等[88]研究表明,微生物肥在添加比例為 1.5%時,可使煙葉中降 Cd 率(與CK 相比)最高達 63.9%,添加比例為 3.0%時,可使煙葉中降 Cd 率(與 CK 相比)最高達 66.6%。張淼等[89]研究表明,微生物菌劑可以使水稻根部、莖鞘、谷殼和糙米中降 Cd 率(與 CK 相比)分別為 46.19%、52.46%、38.39%和 55.31%。楊繼飛等[90]研究表明,菌肥添加使玉米地上部對 Pb 吸收率(與 CK 相比)提高 17.0%~40.1%,玉米根部提高 19.5%~20.6%。周普雄等[91]研究表明,重金屬污染土經 12 d 生物淋濾(氧化亞鐵硫桿菌接種的淋濾液)后,Cu、Zn、Cd 和 Pb 的去除率分別達到 66.5%、55.1%、72.8%和 35.6%。


            礦區復墾地土壤改良存在問題與發展方向

            6.1 存在問題

                礦區開采會對土地資源造成一系列影響,對生態環境造成巨大壓力。礦區土地復墾與土壤改良已成為幾十年來備受科學家關注的世界性課題。但由于礦區的復雜性和脆弱性使復墾研究和改良實踐面臨多重困難,在實際研究過程中存在一些亟待解決的問題:

            6.1.1 缺乏對礦區復墾地土壤改良原理研究

                目前對礦區復墾地土壤改良的研究,主要是針對土壤改良材料對礦區復墾地土壤性質、植物生長、環境治理等的改良效果評價,而對土壤改良材料與土壤、植物以及微生物之間的相互作用機制研究很少。不同改良材料的改良機理不同,其改良效果會受重金屬離子種類,植物種類、土壤類型以及環境因素的影響。因此,針對不同區域、不同類型礦區復墾地選用恰當的改良材料,并進一步深入系統地研究改良材料的改良機理。

            6.1.2 缺乏對礦區復墾地土壤改良技術研究

                土壤改良技術是礦區土地復墾的核心基礎,經過近幾十年的研究與實踐,我國礦區土壤改良技術已經有了突出的進展工作。從物理改良、化學改良、生物改良到多項改良技術聯合改良等,每種改良技術都具有一定的實用性或先進性,但同時他們又不可避免地具有某些局限性,仍未形成一種能高效、經濟、穩定、成熟地改良礦區復墾地的改良技術。礦區土壤污染存在隱蔽性、累積性、不可逆性和難治理性等特點,因此更需要加強對礦區復墾地土壤改良技術的研究。

            6.1.3 缺乏礦區復墾地土壤改良的相關標準規范

                據統計,2020 年北京有 20 個礦區土地復墾用于置換驗收中基本不合格,正在完善相關標準。各地土地復墾改良的置換缺乏驗收評價標準。我國已出臺的有關綠色礦區構建法律條例和規范,也缺少針對礦區開采全過程動態的生態環境保護內容。目前我國土地復墾技術標準建設相對落后,且國家技術標準存在共通性、整體控制的特點,缺乏因地制宜地制定詳盡、具體的規范性標準。因此,我國需要加強礦區復墾地土壤改良相關法律和標準的研究制定。

            6.1.4 缺乏礦區土地復墾監管體系

                礦區土地復墾監管是一個包括礦區開采、土地復墾與生態環境恢復全過程的監測和管理活動。近年來,我國礦區土地復墾監管體系已初步建成,但仍存在很多問題,如我國監管體系較為單一,監管機構不明確,缺乏具體有效的監管部門,監管手段落后等。因此,我國需要加強監管體系的完善,盡快建立完備、可操作的監管機制。

            6.2 我國礦區復墾地土壤改良的發展方向

                礦區開采伴隨的環境問題是土壤改良研究的難題,也是制約社會、經濟可持續發展的障礙。在當今這個越來越重視環境保護的大環境下,我國礦區復墾地土壤改良研究已取得了一些成效,但與礦業發達國家相比,仍有很多不足之處。因此,我國應抓住當前科技快速發展的機遇,加大對礦區修復的支持和研究,做到技術創新,開創一條礦區開采與環境保護協調發展的文明道路。

            6.2.1 加強礦區復墾地土壤改良原理研究

                針對不同礦區復墾地選用的不同改良材料,分析其結構組分和理化特性,結合礦區復墾地改良前后土壤的理化和生物特性變化以及植物的生長和品質變化,揭示改良材料對礦區復墾地土壤的改良原理,在此基礎上研發針對不同類型礦區復墾地相應的新型環保低價的土壤改良材料。

            6.2.2 加強礦區復墾地土壤改良技術研究和集成

                在當今“碳達峰,碳中和”的戰略目標下,礦區復墾地土壤改良工作要做到減排增匯。以礦區固體廢棄物(粉煤灰、煤矸石等)為原料,因地制宜、就地取材地配制新型表土回填材料,還可以利用生產和生活廢物研究固體廢物充填技術,達到“廢物減排、以廢治退”的目標;盡量減少大型機械的使用,綠色施工,減輕土壤壓實,以減少碳排放;增施有機肥,增加土壤有機碳,提高植被覆蓋面積和綠量,以增加碳匯;優化土地利用結構,對積水坑進行濕地改造固碳,建設郊野公園等。發揮“3S”技術集成優勢,即采用遙感技術(RS)獲取礦區復墾地影像,確定土改范圍、面積和類型;采用全球定位系統(GPS)對礦區復墾地定位、測繪;采用地理信息系統(GIS)對礦區復墾地進行適宜性評價。圍繞復墾實踐的三大核心技術,即地貌重塑、土壤重構和植被恢復,恢復礦區復墾地生態功能,實現碳源向碳匯的轉變。此外,還可以采用截排水、邊坡穩定、農業調控等輔助措施綜合應用到礦區復墾地土壤改良中,更好地實現礦區的土壤改良。

            6.2.3 加強礦區復墾地土壤改良相關法律和標準的研究制定

                礦區開采與修復將是一項長期持久的工程,因此,為了降低礦區開采后修復的難度和對周邊環境造成的污染和損毀程度,要制定邊開采邊復墾的采礦計劃,同時對周邊造成損毀的地區進行保護。堅持開采與保護并舉、損毀與復墾并重的采礦原則。我們應進一步修改完善相關法律體系,構建以生態環境保護可持續發展礦業為核心的標準規范,包括礦區開采、土地復墾與環境保護、閉礦驗收等動態全過程。針對地區特點、礦區企業差異,因地制宜地制定符合自身區域特點、企業特點的土壤改良法律體系和標準規范。構建以礦區環境保護、土壤改良和生態恢復為核心的礦區土壤改良標準體系。

            6.2.4 加強礦區復墾地的土壤質量管理和評價

                礦山開采會產生大范圍的土地擾動和生態環境破壞,所以我們應該在開采前先進行環境影響評價,依法編制土地采復與環境保護規劃,在采復過程中實時跟蹤監測生態環境指標。礦區環境與社會利益密切相關,可建立公眾參與機制,鼓勵社會公眾和土地權益人積極參與礦區生態環境保護工作,共同監督共同受益。加強礦區恢復目標的管理,建立“3S+N”生態目標評價和監管機制,即努力構建安全、穩定、無污染、可持續的礦區生態環境指標體系。建立一套管理法律政策完備、管理層級分明、部門職責清晰、管理方式多樣、管理指標健全生物綜合全面的管理體系。提出具有地區針對性的、過程控制的土地復墾質量控制標準與管理要求,并根據礦區恢復過程中的實際情況,建立全面、科學、合理、實用、有效的礦區生態恢復質量評價體系。

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            文章來源:農業資源與環境學報Journal of Agricultural Resources and EnvironmentISSN 2095-6819,CN 12-1437/S