矿山废弃土地复垦技术研究进展

矿山废弃土地复垦技术研究进展[摘要]矿业开发破坏和侵占了大量的土地资源，其生态恢复成为当前世界尤其是我国急需解决的问题之一。

简要介绍了国内外废弃地的研究现状以及我国矿区废弃地复垦的紧迫性，同时总结了矿区废弃地的复垦技术以及复垦后的效果。

0引言矿山废弃地是指采矿剥离土、废矿坑、尾矿、矸石和洗矿废水沉淀物等占用的土地，还包括采矿作业面、机械设施、矿山辅助建筑物和矿山道路等先占用后废弃的土地。

矿山废弃地往往含有多种污染物，如高含量的重金属、极端的pH值和有害的选矿材料等。

这些污染物通过大气和水体等途径广为扩散，污染矿山及周边地区，导致生态系统受到破坏；未经处理的废石和尾矿堆，因其结构不稳定，还会导致严重的水土流失，并可能引发地质灾害等。

我国是一个矿产资源大国，随着国民经济的快速发展，矿产资源开发的速度越来越快，矿山废弃地的数量也越来越多。

尽管我国自20世纪80年代初期开始进行了矿山土地复垦方面的工作，可是在经济、技术、政策上明显落后于欧、美等发达国家，因此矿山废弃地的生态恢复作为保护耕地资源的重要手段之一，应在我国可持续发展战略中占有一席之地。

1 国内外对矿山废弃地复垦的研究现状欧美等国家对土地复垦技术的基础研究开展较早，促进了对土壤改造、政策法规及现场管理等方面的研究和水平的提高，积累了大量的成功经验，形成了庞大的技术产业。

国外普遍采用的技术方案可归纳为直接恢复法和快速转换法，或是两者的结合。

土地复垦后的利用模式则可以多种多样，通常是视采矿废弃地自身的特点、位置而定。

可供选择的利用模式有林、农、牧、保护区、娱乐、工商业用地、房地产及垃圾填埋等多种形式。

国外在此领域取得了以下成就：1)开创了应用生态学的新领域——恢复生态学，并在此基础上建立了多种矿山土地复垦模式和自维持生态系统；2)经复垦后的矿山废弃地有了新的使用价值，改善了人类社会的生存环境并创造了全新的生态系统；3)在环境恶化的区域，矿山废弃地面积有所减少，生态环境质量得到改善；4)发展了一支由专业化程度较高、具有较高理论和实践水平的科研和工程技术人员组成的队伍，为进一步开展工作奠定了坚实的基础。

我国矿山废弃地生态恢复工作起步于20世纪70年代末80年代初，由于当时的政策和技术方面的原因，废弃地生态恢复工作在总体上处于零星、分散、小规模、低水平的状态。

改革开放20多年以来，我国土地复垦经历了从自发性零星复垦到自觉性有计划复垦、从单一型复垦到多形式复垦、从无组织到有组织、从无法可依到有法可依的巨大变化。

尤其是1988年国务院颁布的《土地复垦规定》实施以后，采矿塌陷地、矸石山、露天采矿场、排土场、尾矿场和砖瓦窑取土坑等各类破坏土地的复垦工作受到了全社会的高度重视，也取得了较大的进展，复垦方法从“一挖二平三改造”的简单工程处理发展到基塘复垦、疏排降非充填复垦、矸石和粉煤灰等充填复垦、生态工程和生物复垦等多种形式、多种途径、多种方法相结合的复垦技术体系。

近几年，我国对于废弃地的复垦技术不仅逐渐向生态恢复转变，还对修复后的土壤肥力以及各项指标进行了研究，使我国的废弃地复垦工作逐渐迈上了系统化、整体化和高效化相结合的生态发展阶段。

2矿区废弃地的复垦技术2．1 物理措施改善矿区受污染土壤的物理措施包括排土、换土、去表土、取客土4种方法能够解决上述各种问题，但覆盖土壤的费用较高，在经济条件较好、生态环保意识较强的矿山较容易使用。

在清水塘重金属污染地区的复垦中，使用客土的方法进行修复，修复后的效果较好[1]。

露天和井下采矿因采矿工序的不同所产生的废弃地不尽相同，因此在其物理修复过程中采用不同的方法：——露天采矿废弃地物理复垦技术：露天采矿主要会产生露天的采场和排土场，以及废弃的矿坑和堆放的尾渣，其复垦方法：1)露天采场的复垦主要是将矿坑内排土回填后，再覆盖一定厚度表土，形成供农业或林业发展用的梯田；2)排土场复垦主要包括排弃物料的分采、分堆和土场的整治。

分采分堆是根据土壤和围岩的物理化学性质，实现排弃物料的合理立体分布，形成适合农业或林业的土层；排土场整治主要指土场的后期整平和变坡措施；3)废弃矿坑的复垦主要是充填复垦技术，现在较成熟的采用粉煤灰充填复垦，该方法既利用了固体废弃物，又防止其占用土地和污染地下水；4)尾渣堆的复垦主要采用覆土方法，将废弃尾渣平整后，用熟土和尾渣的混合土进行覆盖。

舒俭民等[2]在对石墨矿尾渣堆的复垦中发现，复垦后的土壤必须补充一定的水分和肥料后才能恢复种植。

——井下采矿废弃地物理复垦技术：主要造成的废弃地就是塌陷地，其土地复垦主要包括疏干法、挖深垫浅法以及充填复垦。

疏干法主要是指开挖大量排水渠，使塌陷区的积水排干，再加以必要的整修工程，使塌陷区不再积水，并得以恢复利用；挖深垫浅法是将塌陷深的区域再挖深，形成水(鱼)塘，取出的土方充填塌陷坑浅的区域，形成耕地，达到水产养殖和农业种植并举的目的；充填复垦技术是采用粉煤灰进行充填。

李芬等[3]通过对采煤沉陷地的新型修复材料进行研究发现，粉煤灰和糠醛渣以4：1和9：1的质量比混配的新型基质适合多种植物正常生长的肥力标准，而且重金属含量不超标，为沉陷地的修复提供了新的理论与途径，而且以废治废，大大降低了复垦成本，该方法值得借鉴。

对于废弃地的物理修复还有动电修复方法，它是在污染土壤中插入电极对，并通以直流电，使重金属离子在电场作用下通过电渗析向电极室迁移，然后将其收集，并作进一步的处理。

动电修复作为一种原位修复技术，近年来发展较快。

但由于土壤系统中组分的复杂性，经常出现实际应用与实验结果相反的现象，而使该方法的推广受到限制。

2．2化学措施由于矿区废弃地受到破坏与污染，其土壤结构很差或被破坏，土壤养分本来就不多且流失加速，或含有过高的重金属以及过酸或盐渍化，因此要采取一定的措施降低其酸性，提高土壤肥力。

目前采用的化学措施主要有：——施用易溶性磷酸盐可促使土壤中重金属形成难溶性盐，可以减少土壤中大多数重金属的生物有效性。

如在土壤中增施易溶性磷酸盐(Na3PO4等)，可提高土壤中磷的含量，增加土壤肥力，也可促使重金属形成不溶性化合物(磷酸盐)，其形态有利于这些重金属的固定，并可降低其生物可利用性。

Ma[4]发现磷石灰(Ca5(PO4)3OH)可以固定溶解性的铅；Cotter- Howells[5]对污染土壤中的铅和锌的磷酸盐形态的修复进行了研究，结果表明用无机磷酸盐会促使矿区废弃地中的重金属磷酸盐的形成，从而降低重金属的生物有效性；Sally Brown [6]等用交互实验研究调查镉、铅和锌污染土壤修复的效果，结果发现磷以颗粒态或磷酸的形式加入可降低重金属的生物有效性，增加植物产量。

——施用含Ca2+化合物。

在废弃地中施加CaSO4或CaCO3等可以解决Ca2+含量低和改善其酸性条件的问题。

一般来说，重金属氢氧化物溶解度仅次于硫化物，并可通过施加CaCO3提高pH 值，降低其溶解度。

土壤中施用石灰，使重金属生成氢氧化物，而且可以提高土壤的pH值，引起重金属与钙共沉淀现象来促进重金属沉淀的产生。

当废弃地的酸性较高时，应少量多次施用碳酸氢盐与石灰，防止局部石灰过多而使土壤呈碱性；对于碱性废弃地，宜采用CaSO4以及硫酸氢盐等物质改善废弃地的环境。

J．G．Davis[7]等通过对污染土壤中锌毒性实验研究，结果发现加入石灰石能提高土壤 pH值，降低植物中锌的浓度，同时提高了植物的产量。

——添加营养物质提高土壤肥力。

大部分矿山废弃地缺乏N、P等营养物质，一般添加肥料或利用豆科植物的固氮能力提高土壤肥力。

速效的肥料极易被淋溶，因此须少量、多次的施肥补充土壤的肥力效果才好；有机肥料可分为：1)生物活性有机肥料，如动物粪便、人粪尿、鸟粪、污水污泥等；2)生物惰性有机肥料，如泥炭和泥炭类物质及各种矿质添加剂的混合物。

这些都可作为阴阳离子的有效吸附剂，提高土壤的缓冲能力，降低土壤中盐分的浓度，促使多种重金属的植物毒性降低，阻碍它们进入植物体，同时加入的有机质还可以螯合或者络合部分重金属离子，缓解其毒性，提高基质持水保肥的能力。

2．3生物措施——植物修复。

主要是利用超积累植物对重金属的吸收作用、改善土壤理化性质，把重金属由地下转移到地上部分(含根茎)，随后收割地上部分进行集中处理，以降低土壤中重金属含量。

它是一种有效和廉价处理某些有害废物的新方法。

Mishraa [8]等对盐碱化土壤种植植物后的理化特征研究表明，随着种植年限的增加，土壤的理化性质都发生了明显的改变，提高了土壤肥力。

我国曾在植物修复方面作过很多研究[9，10]。

但在实际操作过程中还存在较多问题，因此植物修复技术还有待于进一步完善。

——微生物修复。

指利用微生物的生命代谢活动减少土壤中有毒有害物的浓度或使其完全无害化，从而使受污染的土壤能够部分或完全地恢复到原始状态。

因为有些微生物具有嗜重金属性，利用微生物对重金属污染介质进行净化，在水体污染中被证明是一种较好的方法。

微生物修复用于土壤污染的治理已近十余年，是一种行之有效的方法。

目前我国对污染土壤微生物修复的原理进行了积极的研究。

目前修复技术包括：添加营养、接种外源降解菌、生物通气、土地处理、堆肥式处理等。

3矿区废弃地复垦效果研究尽管对于废弃地的修复有诸多措施，但不同的方法都存在着利弊关系。

近年来，对废弃地的科学研究已经从单一的复垦措施发展到对修复后的土壤各项指标的广泛研究。

张蕾娜[11]等对采煤沉陷区复垦土地的养分含量、物理性质以及作物产量的变化进行了研究，结果发现用粉煤灰充填复垦的土壤随着复垦年限的增加，土壤养分含量呈增加的趋势，土壤容重逐渐减小，种植作物的产量逐渐增加，5年后基本达到或超过中等水平。

孙泰森[12]等通过对五阳矿区采煤塌陷地混推和剥离两种复垦技术以及不同复垦时间条件下土壤养分(有机质、氮、磷、钾)和重金属元素(镉、铅、铬、汞)含量及物理性质进行分析研究，结果表明煤矿区采煤塌陷地复垦的技术对土壤养分含量、物理性状以及在土体中的分布状况影响较大，并且剥离复垦技术的效益较好，为合理确定矿区土地复垦的技术和地力恢复时间提供一定的借鉴。

然而，胡振琪等[13，14]通过对粉煤灰充填复垦土壤理化形状进行研究，结果发现随着复垦年限的增加，土壤渗透率也逐渐增加，复垦土壤碱性过强土壤有机质含量低。

通过对复垦时间不同的粉煤灰复垦土壤中各种重金属和微量元素含量的时空变异性的研究发现，随着复垦时间的增加，表层复垦土壤的污染指数呈递增趋势，复垦12年的土壤受粉煤灰的污染影响最重。

胡宏伟等[15]对广东乐昌铅锌尾矿废弃地的复垦试验地研究表明，在12种不同的改良措施中，在废弃地上覆盖厚约20cm垃圾及20kg/m2石灰的改良效果最好，两年后收获的生物量最高。

Chen 等[16]在镉污染土壤中添加碳酸钙、铁矿泥和炉渣，结果发现炉渣能有效地提高作物产量和降低土壤中镉的浓度，同时种植香根草研究发现，化学和植物修复联合使用对重金属污染的修复效果最好。