锡矿尾矿砂或锡矿矿渣用于露天矿山生态修复人工土壤的持水性能探讨

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锡矿尾矿砂或锡矿矿渣用于露天矿山
生态修复人工土壤的持水性能探讨
郭 敏，瞿志良
摘要：现阶段，越来越多的研究开始着眼于探讨利用废弃矿渣、尾矿砂、污泥等固定废弃物配置人工土壤，再将其用于露天矿山生态修复的可行性。

基于此，本着更加高效、有效恢复矿区生态环境，提高区域生态环境质量，最大化利用露天矿区被破坏的土地，促进矿区生态良性循环的目的，本文结合云南省“三区三线”划定成果、土地利用总体规划等，在遵循城镇规划与矿区规划相协调的原则上，以云南省个旧市老厂分公司锡矿矿区露天矿山的生态修复为例，探讨了锡矿尾矿砂或锡矿矿渣用于露天矿山生态修复制备人工土壤的可行性，重点分析了人工土壤的持水性能。

关键词：锡矿；尾矿砂/矿渣；露天矿山；人工土壤；持水性能
现阶段，国内常用于矿山生态修复中的手段，大多存在着资源耗费量大、收益低的问题。

同时大多数矿山的生态修复效果评价体系游离于矿区生态修复工程实质之外，无法做到客观、综合地反映所评矿山生态修复实际状况，并且缺乏对生态修复全过程的长期、不断追踪和评估。

另外，大部分露天矿山开采后开采面基岩裸露，并经长时间风化作用，采区内遗留的少部分土壤也养分贫乏。

因此通常在对露天矿山的土壤进行修复时，需采用客土、覆土、土壤培肥等工程措施，重新构造土壤基质。

再通过选择先锋、适地植物物种，实施植被配置、栽植及管护，重新构建持续稳定的植物群落，保持水土稳定。

调查发现，目前我国许多露天矿区已面临着无土可取的局面，在此背景下，甚至不惜花重金购买红线外土地取土。

但是这一做法既不能解决矿山中长期利用的土源，还额外损害了珍贵的土地资源。

由此可见，在对矿山进行有效生态修复时，首先需要解决的便是长期以来面临的土源问题。

在此背景下，人工土壤修复成为了近年研究的热点所在，基于生态、环保、绿色的原则，同时为了切实发挥人工土壤的生态修复效果，本文下面就锡矿尾矿砂或锡矿矿渣用于露天矿山生态修复人工土壤的持水性能进行分析和探讨。

1 研究区土壤概况
云南省个旧市土壤划分为10个土类、14个亚类、33个土属、49个土种。

主要土壤类型为赤红壤、黄壤、黄红壤、红壤、冲积土和水稻土。

项目区土壤呈等高带状展布，海拔2500m〜3000m之间为棕壤，海拔1800m〜2500m之间为黄红壤，海拔1000〜1900为黄壤，海拔800〜1400为赤红壤。

非地带性土壤如石灰土、紫色土、燥红土、火山灰土、冲积土及水稻土则零星分布于不同区域。

2 锡矿尾矿砂或矿渣制备人工土壤的必要性
云南省个旧市老厂分公司锡矿开采历史悠久，自明清时期开始，就采用土法开采地表砂锡矿和浅部的氧化矿矿体。

直至2004年11月云南锡业股份有限公司收购后更名为云南锡业股份公司老厂分公司，形成了以采、选为一体的大型有色矿山。

该矿山矿区面积约为41km2，开采矿种为锡矿、铜矿、铅矿，开采方式为露天+地下开采，生产规模超过180 t/a。

矿山历史露天采场无序开采、采富弃贫现象严重，部分区域还采用水力机械化进行开采。

经过多年开采，露天采场面积超过15km2，均呈不规则形状，部分为蜂窝状，未形成规范的台阶、边坡。

开采边坡高约5m〜80m之间，边坡角为30°〜70°，局部近垂直。

开采边坡大多处于欠稳定状态，滑坡、崩塌等地质灾害随处可见。

露天采场内基岩裸露，结构破碎，黏土资源匮乏。

3 锡矿尾矿砂或矿渣制备人工土壤的可行性
3.1 锡矿尾矿砂及矿渣的特征及处理现状
锡矿的尾矿砂和矿渣是在经过中矿、精矿的浮选后，经破碎后的残留物，是一种重要的工业固体废物。

因为锡矿尾矿砂/矿渣粒度细、质量轻、比表面积大，所以在堆积的时候，很容易造成流动、塌漏等现象，还会对植被造成破坏；同时其本身还含有一定量的重金属离子等有害物质，这些物质进入大气将对环境产生严重污染。

此外，尾锡矿渣在风的作用下，容易被风吹散，引起大气、土壤的污染，土壤的退化、沙化、盐渍化，使生态环境恶化、生物多样性降低、粮食产量降低，对人类的健康也有很大的危害。

个旧市老厂矿区露天矿山的锡矿尾矿砂及矿渣的年排放量高达万吨，形成的尾矿库既占用矿区土地，并且还
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对人类的生活环境造成严重污染与危害，打破生态平衡。

统计资料表明，老厂矿区锡矿尾矿砂和矿渣，每到春秋季节，都会有大量粉尘产生，对周围的环境及个旧市区带来了严重的污染，使得个旧市的空气质量急剧恶化。

同时尾矿库给附近水源造成了危害。

近年来，研究发现锡矿尾矿砂和矿渣中含有维持植物生长和发育的微量元素，因此越来越多的学者认为可将其作为土壤改良剂用于制备人工土壤。

锡矿尾矿的磁性矿物经过磁化处理可发生磁团聚现象，从而使土壤团粒结构得到改善，增加土壤孔隙度、透气性和透水性，恰恰是根据锡矿尾矿上述农学特性,使得锡矿尾矿渣及矿渣制备人工土壤，用于矿区生态修复成为可能。

3.2 锡矿尾矿砂或矿渣制备人工土壤的持水性能
土壤水分为土壤中液相组成部分，为作物生长发育需水的主要给源。

土壤水分状况对农作物生长及产量具有决定性的意义。

土壤水分丰缺状况，直接影响作物生育及产量，水多涝、水少早，“有收无收在于水”,这说明了水在农业中的重要地位。

土壤中的含水量可分为田间持水量和贮蓄量。

水分对土壤的形成具有极为重要的影响，主要涉及土壤物理化学及生物化学过程，例如矿物的风化、有机质的分解和合成等等。

因此，提高土体持水性成为了土壤学中一个非常重要的研究课题。

当前对污泥、铁尾矿在矿山修复以及土地复垦中的应用研究，尤其是对其持水性能的研究较少。

针对这一情况，本次研究通过模拟自然降雨和雨后自然条件土壤表面水分蒸发情况，检验了人工土壤在矿山修复中的持水性能。

3.3 试验样品
本实验所用对照土壤采自中国科学院云南生态试验站的棕壤。

硅灰采自个旧市某铁合金工厂；污泥采自个旧市污水处理厂的生化污泥；尾矿砂与矿渣采自个旧市老厂矿区尾矿库。

3.4 实验装置
试验采用了自制装配模拟自然降雨装置，主要有铁架台、木架、滴定管等组成、塑料杯等等构成，其中，滴定管用于在模拟降雨时，对待测样品进行匀速加水。

土壤水分状况对农作物生长及产量具有决定性的意义。

塑料杯选直径8.5cm硬质塑料杯，滴定管选择50mL的酸式滴定管，预先固定在专用木架上，用六根酸式滴定管模拟自然降雨，将水匀速滴在杯子里。

试验开始之前，先将塑料杯的杯底均匀地扎上几个小孔，将待检测样品置于塑料杯内，同时，为了避免泥土黏附滤纸，首先，将中等尺寸塑料纱网平放在试样表面，然后在纱网上平铺一层滤纸（这样可以保证滴管滴下的水能先渗入滤纸后再均匀地渗入土壤中）。

将盛有水和土样的玻璃棒插入装有石英砂、细沙等材料的容器内。

把塑料杯装在木架框内，供试样品达到吸水饱和后，水就是从杯底小孔里渗出来了，这时应立即停止滴水，当底部小孔不再渗水后，进行称量，再把试样置于室内，使之自然挥发。

3.5 试验方法
3.5.1 蓄水性能测试
通过模拟天然降水及雨后天然情况下的土表水分蒸发，对在矿山修复中使用的锡矿尾矿砂和矿渣进行了研究，并对基岩裸露的露天采场及废石场人造土壤进行了持水性能的研究。

分别称取40.00g硅灰、污泥、尾矿砂/矿渣、对照土壤、人工土壤，每一处均取3次重复，加水至饱和时称重，并计算土壤样品的饱和含水量及饱和含水率。

试验结果表明，降水量以1mm·h-1的中等雨量为宜。

3.5.2 持水性能试验
待样品加水饱和后，放于自然条件下蒸发，通过统计不同时间测试样品的质量来考察样品的持水能力。

3.5.3 验证实验
为了进一步验证上述实验结果的准确性，本次研究同时进行一系列的模拟等体积水汽蒸发试验。

为了保证试验样品的蒸发面积和含水量都是一样的，本次研究取了同样体积的待测样品（50ml），添加等质量的水（10g，每个样品持水量均未饱和），各处理均取3次重复，之后对其水分的蒸发情况进行观察和研究。

3.6 实验结果
3.6.1 不同配比人工土壤的蓄水性能
按照不同比例配置人工土壤，硅灰、污泥、锡矿尾矿砂/矿渣分别按照以下5种比例方案设置：
Ⅰ=3：1：0。

Ⅱ=210。

Ⅲ=1：1：0。

Ⅳ=1：2：0。

Ⅴ=2：1：1。

研究结果显示，污泥的饱和含水率最高，达到了95.01%。

表明在不同条件下，硅灰和尾砂的饱和含水量均很小，分别为54.06%和52.09%；在不同配比的人造土样中，以处理IV为最，III为次之，均大于对照。

处理Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ的饱和含水率较低，进行差异显著性分析后，发现各配比人工土壤间差异极显著（P<0.05）。

此外，我们还发现，随着污泥施用比例的下降，人造土壤的饱和含水率也在下降（IV>III>II>I），而在各种配比的土壤中，在V的处理中，加入25%的尾矿砂，其饱和含水率是最低的。

处
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理II、III与对照组相比，其持水性更好。

对各处理的饱和含水量与有机质含量进行了相关性分析，结果表明，各处理的饱和含水量与有机质含量呈极显著地正相关。

3.6.2 不同配比人工土壤水分的蒸发
水分是影响林木存活与生长的最主要限制因素，为了在裸露基岩的开敞式矿山、废弃矿坑等地实现植被恢复，其所采用的人造土及回填土应具备一定的保水性与持水性。

土壤保水性是土壤最基本的物理化学性质之一，其最主要的原因是土壤表层的水分以水蒸气的形式通过地表向空气中的蒸发，是自然水分循环的关键环节。

当土壤水分迅速蒸发时，很容易引起土壤水分迅速流失，从而引起地表干旱，从而对植被的生长发育及存活产生不利的影响。

本次研究结果表明，不同试样之间的持水性、持水性、持水性有很大差别。

其中，锡矿尾矿砂/矿渣的水分挥发最为迅速，在实验第二天，水分挥发率为64.31%，而在实验第三天，水分挥发率为95.03%，几乎为零。

结果表明，在不同的试样中，泥沙、硅灰的持水性能都很好，尤其是泥沙，在试样的第一天，其持水性能最差，只有19.36%。

在各种混合比下，在处理I、II、III中，随着使用污泥量的增大，其水分蒸发速率减缓，保水性提高。

但在不同配比下，人工土层中的水分蒸发量明显增加，保水时间明显缩短。

在处理V中，加入锡矿石尾矿/矿石砂石后，其水分蒸发率相对缓慢，1d蒸发率为25.65%，与对照组的22.94%最接近。

其他处理在第1d时，水分蒸发速率的变化规律是：锡矿尾矿砂/矿渣>I>II>IV>III>对照土淤泥。

3.6.3不同配比人工土壤持水时间
本次研究结果表明：淤泥和飞灰的持水性均较好，淤泥23天，飞灰22天。

但当这两种物质以特定的比例混合时，其保水性均小于这两种物质的保水性。

与对照土壤比较，处理Ⅰ、Ⅳ的持水时间较短，而Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ的持水时间较长，尤其是处理Ⅴ的持水时间最长，达22天，而处理Ⅳ最接近于对照土壤。

3.7 实验结论
在所有人工土壤中，以1∶2的硅灰和污泥配比为1∶2的处理，其饱和含水量最大，但其水分蒸发速度也最快，保水时间最短。

随着淤泥掺量的增大，人造土的保水性和保水性均有提高，而在淤泥和硅灰掺量的2：1后，人造土的保水性有降低的趋势。

虽然锡矿石尾砂饱和含水量、持水量均为最小，但当锡矿石尾砂掺加到人造土壤中时，其持水量为各处理之最。

4 结语
当前，以尾矿砂/矿渣、污泥等为代表的固体废物为对象，利用其进行矿区土壤恢复与复垦的研究日益活跃。

但目前关于垃圾填埋场的相关研究多侧重于垃圾填埋场的重金属污染及营养元素水平，对垃圾填埋场的物理化学特性进行了较为系统的研究，尤其是垃圾填埋场人工填埋场的保水性及保水性等问题尚无相关报道。

本项目以物理化学特性优良的棕壤为对照，采用人工降水与地表蒸发相结合的方法，对其水分保持特性进行对比研究。

研究发现，淤泥具有最大的饱和含水量、最大的保水时间，这可能与污泥、硅灰、锡矿石的物性、化学组成等因素有关。

结合本次研究结果，我们认为，使用锡矿尾矿砂或锡矿矿渣用于露天矿山生态修复人工土壤是切实可行的，但考虑到锡矿尾矿砂或锡矿矿渣的持水性能较差，单独将其用于修复人工土壤效果较差。

对此，建议将其无害化处理后与污泥、硅灰按照一定比例混合，以有效提高人工土壤的持水性能，更好地发挥人工土壤的生态价值。

锡矿尾矿（砂/渣）是经过破碎、浮选、精选后残留的细颗粒，其有机质量分数只有0.535%，其饱和含水量也是目前已知的最小值。

然而，污泥中有机质含量很高（根据我们的实验测定，其有机质含量为36.69%），且以胶体为主，其中有机胶体对水的吸附力很强。

飞灰组分以二氧化硅、二氧化钙为主，且有很少的有机质（该试验中使用的飞灰组分为2.655%），飞灰组分以微细玻璃为主体，添加到飞灰组分中，可以提高飞灰组分的孔隙率，提高飞灰组分的结构组合，从而得到具有更好性能的人工土壤。

但在添加量大于某一值时，土壤的保水性会有所降低。

污泥中的水分蒸发是最缓慢的，而且，随着污泥比例的增大，人工土壤的持水时间也在延长，对其进行分析，这可能是由于污泥黏度大、易结块，在污泥表面水分蒸发完之后，顶层污泥便结成了坚实的硬块，从而阻碍了下层土壤中的水分的蒸发。

在不同浓度的淤泥中，随着淤泥含量的增大，其蒸发速率逐渐减缓。

但随着泥沙和飞灰比的增大，土壤表面的水分蒸发量增大，土壤的保水时间缩短。

结果表明，土壤的持水性除与其组分相关外，还与其孔隙率及结构密切相关。

综上所述，尽管锡矿尾矿砂/矿渣的有机质含量、含水饱和量极低，但可以将其与污泥、硅灰联合应用制备人工土壤，三者按照一定比例结合可显著提升人工土壤的持水性能。

将其用于露天矿山生态修复中有积极价值，不仅能够解决锡矿尾矿砂/矿渣的堆放问题，也能够“变废为宝”，为土地复耕助力。

（作者单位：西南有色昆明勘测设计（院）股份有限公司）
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