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第四章土壤污染生态修复技术授课教师：李宁授课对象：环境工程专业污染环境生态修复技术第四章土壤污染生态修复技术第一节土壤农药污染与修复第二节土壤重金属污染与修复第三节土壤石油污染与修复第四节矿山废弃地生态恢复污染环境生态修复技术第四节矿山废弃地生态修复矿山废弃地矿山废弃地的环境影响矿区废弃地生态修复相关研究与实例据统计，我国95%以上的能源、80%以上的工业原料、70%以上的农业生产资料都来自矿产资源。它不仅是社会经济发展必不可少的物质基础，也是创造社会财富的重要源泉。目前，我国现有大中型矿山9000余座，26万座小型矿山，因采矿侵占土地面积已接近40000km2，因此而废弃的土地面积达330km2/a。在我国人均土地相对贫乏的情况下，加强矿山废弃地的生态修复与重建已迫在眉睫。工业废弃地矿产资源开发电力石油交通水利建筑……一、矿山废弃地中国的土地中只有14%是适耕地，而人均耕地只有0.106hm2，远低于世界平均水平的0.236hm2矿山废弃地：在采矿或采石过程中所破坏的、未经一定处理而无法使用的土地。主要是指采矿剥离土、废矿坑、尾矿、矸（gān）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。一、矿山废弃地一、矿山废弃地矿山废弃地---类型来源来源排土场和废石堆废弃地排土场和废石堆废弃地采矿废弃地采矿废弃地尾矿废弃地尾矿废弃地其他废弃地其他废弃地由剥离的表土、开采的废石及低品位矿石堆积形成的废石堆废弃地。废石堆废弃地:开采矿石必须首先剥离废石(露天矿)或开拓(地下矿),由此生产出没有工业价值的废石。我国煤炭年产量已达13亿吨以上，也要开拓或剥离出以亿吨计的废石。加上其他金属和非金属矿产开发，化工原料及建筑材料开采，每年从地球内部开挖的总量可达数十亿吨。1、排土场和废石堆废弃地:露天采矿露天采矿地下采矿地下采矿采矿采矿矿山废弃地---类型图阜新海州露天矿排土场在矿山开采过程中人工堆垫形成的特殊地貌，其组成物质结构杂乱、质地松散、孔隙状况差，持水、保肥能力差，田间持水量低，入渗速率高，土壤含水量低，水分与养分容易流失，地表非均匀沉降与形变剧烈、径流紊乱、水土流失严重。根据排土工艺和设备的不同，排土场顶部形状有等锥形、连脊形、横向弧形和平坦形（铁路、汽车排土场形成的）四种。1、排土场和废石堆废弃地:矿山废弃地---类型排弃物一般包括腐植表土、风化岩土、坚硬岩石以及混合岩土，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿等。随着矿物开采形成的大量的采空区域及塌陷区,即开采坑废弃地。2、开采（坑）废弃地：往往形成一个深坑，常年积水或形成潮湿的湿地。矿山废弃地---类型采空区由于表层土壤遭到破坏，土地结构、水循环被破坏，导致土地肥少水少，且保水能力差。部分采煤塌陷区由于割裂了地下水层，有时会造成地下水渗出地表，形成湖泊。而积水受到环境的污染，水质特点根据具体环境条件的不同有所不同。2、开采（坑）废弃地：矿山废弃地---类型金属非金属矿山进行矿石选别后排排放的废渣矿渣，多以泥浆形势外排，日积月累形成尾矿库。通常采用筑坝拦截谷口或围地的方式贮存。是一个具有高势能的人造泥石流危险源，存在溃坝危险，一旦失事，容易造成重特大事故。矿山废弃地----类型3、尾矿废弃地由于选矿回收率比较低，所以尾矿排放量比较大。占地面积大，据初步统计，我国每年矿山排出的尾矿约2亿吨，并以每年10%的速度增加。经过选矿时的粉碎，尾矿颗粒一般较细，在0.5～1mm之间。极松散、易流动，在大风时会漫天飞扬，影响景观环境。尾矿中常含有一些潜在的矿产资源，但同时往往含有有毒元素，如重金属、氰化物等。和空气、水接触后容易酸化，并引起周边环境土壤和水体的重金属污染，随意排放，将会造成资源流失，大面积覆没农田或淤塞河道，污染环境。矿山废弃地---类型3、尾矿废弃地矿山生产设施、矿场建设主要包括矿部办公用房、居住用房、工业广场、洗选厂房、各类加工场地、球磨车间、仓库等，这些地面设施占用了较多的土地资源。许多矿山闭坑后，矿山地面设施基本废弃，其占用土地难以复垦利用，造成了大量土地资源的闲置和荒芜。矿山废弃地---类型4、其他废弃地二、矿山废弃地的环境影响对地表景观的改变露天开采对地表景观的破坏大于地下开采,能使采矿区产生不可逆的变化,甚至使高山变成人工湖。但若地下坑道没有被及时填充,则有发生地面沉陷的危险。占用大量的土地资源产生环境污染矿业废弃物（尤其是有色金属矿业）中的酸性、碱性、毒性或重金属成分,通过径流和大气扩散会污染水、大气、土壤及生物环境,其影响的区域远远超过了矿区的范围。由矿业废弃地而产生的粉尘污染及放射性元素亦不容忽视。破坏生物栖息生境，降低生物多样性诱发灾害（地面塌陷和诱发地震）۩地面塌陷和诱发地震。例如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。۩地表植被破坏、水系紊乱以及采空区的形成将会加剧水土流失，带来极具破坏力的灾害，如泥石流和山洪暴发，更严重的是可能会加速荒漠化。۩据报道，人为的破坏尤其是矿山的采矿及矿石运输是形成沙尘暴的重要因素之一。۩此外采矿地裸露地面也是产生沙尘流动源的重要因素。二、矿山废弃地的环境影响二、矿山废弃地的环境影响二、矿山废弃地的环境影响二、矿山废弃地的环境影响矿区废弃地生态修复实质是矿区废弃地基质改良、土壤侵蚀控制和植物种类的筛选，并在正确评价废弃地类型、特征的基础上，进行植被的恢复与重建，进而使生态系统实现自行恢复并达到良性循环。矿区废弃地生态修复基本技术（基质改良和植被重建）具体措施三、矿区废弃地生态修复三、矿区废弃地生态修复以重金属矿山废弃地为研究对象的话、将以环境污染的控制和自然生态系统的恢复为主要目的。以下是其两个重点修复场所的修复思路：（1）对于排土场以植被恢复为主的重金属矿业废弃地：通过开展以耐性植物生态配置模式为主体的排土场植被恢复技术，集成土壤生物多样性与植物多样性的协同作用的生态恢复技术，以确定重金属矿业废弃地生态恢复阈值与相应的生物评价指标体系为修复方案的关键点；（2）对于尾矿库以植被稳定为主的重金属矿业废弃地：通过开展以尾矿重金属钝化为主体的尾矿库植被稳定技术，建立起稳定、安全、自维持的植被生态系统，解决重建生态系统的安全性和稳定性问题。对于煤矿开采形成的废弃地，由于其污染程度相对较低，在控制其污染的基础上，将其复垦为耕地应该是中国的必然选择。矿山废弃地主要的生态问题表现为:表土层破坏，土壤基质物理结构不良、水分缺乏，持水保肥能力差，导致缺乏植物能够自然生根和伸展的介质;极端贫瘠，氮、磷、钾及有机质等营养物质不足或是养分不平衡;存在限制植物生长的物质，如重金属等有毒有害物质含量过高，影响植物各种代谢途径;极端pH值或盐碱化等生境条件，影响植物的定居;生物数量和生物种类的减少或丧失，给矿区废弃地恢复带来了更加不利的影响。（一）矿区废弃地生态修复基本技术1、矿山废弃地基质改良技术例如：在刁江流域，有些已经废弃了十几年的尾矿仍是寸草不生。主要原因：一是尾矿中含铁量高达30%以上，铁被氧化成Fe2O3，尾矿库表层十分坚硬；二是尾矿中还含有其他重金属元素。在这样的尾矿库，不经过基质改良，植物是无法生长的。1、矿山废弃地基质改良技术（一）矿区废弃地生态修复基本技术针对矿山废弃地以上退化特征及其极端的立地条件，开展生态修复与重建的首要问题是进行矿区废弃地的基质改良。客土法：是废弃地上根本没有土壤层，必须先覆土，再改良，或者是废弃地的毒性很大，唯一可以选择的方法是在废弃地上面铺一层隔离层，以阻挡有毒物质通过毛细管的作用而向上迁移。客土法的关键是寻找土源和确定覆盖的厚度与方式。直接改良法：是废弃地上有土壤层，可进行直接改良，或虽然没有土壤层，但具备进行直接改良的条件。1、矿山废弃地基质改良技术—技术思路（一）矿区废弃地生态修复基本技术（1）表土覆盖技术（表土转换）1、矿山废弃地基质改良技术（2）物理、化学基质改良技术（3）生物改良技术（4）固体废弃物人工基质改良技术（一）矿区废弃地生态修复基本技术（1）表土覆盖技术（表土转换）地表物质是植物生长的介质，植物生长立地条件的好坏，在很大程度上取决于地表性质。一般认为，回填表土是一种常用且最为有效的措施。表土是当地物种的重要种子库，它为植被恢复提供了重要种源。同时也保证了根区土壤的高质量，包括良好的土壤结构，较高的养分与水分含量等，还包含有较多的微生物与微小动物群落。表土转换是在动工之前，先把表层30cm及亚层30—60cm的土壤剥离保存好，然后在工程结束后再将其放回原处，这样虽然植被已破坏，但土壤基本保持原样，无需更多的投入。1、矿山废弃地基质改良技术卞正富和张国良以开滦矿区为实验点，进行了研究，结果表明，通过条带式覆土或全面覆土对矸石酸性的控制好于穴植覆土。Barth认为，覆土越厚越好，这样可以避免根系穿透薄薄的表土层而扎进有毒的矿土中。但是，覆土越厚，工作量越大，费用越高，而且在超过覆土厚度一定范围后，修复效果增长反而不显著。Holmes和Richardson研究表明，覆盖10cm厚的表土能使植物的盖度从20%上升到75%，覆盖30cm土层，植物盖度上升到90%，但这两种深度的表土对提高植物密度方面没有明显差异，甚至在播种18个月后，浅表土(10cm)上的植物密度要高于深表土(30cm)。Redente等在一个煤矿地比较了4个厚度(15、30、45、60cm)的表土后，发现覆盖15cm即可以取得较好的恢复效果。因此，表土的覆盖可以选择10～15cm厚度，而且应该依据种植的植物类型进行调整。（1）表土覆盖技术（表土转换）回填表土所产生的改土和修复效果比较显著，但回填表土也存在较大的局限性，主要因为：此项工程涉及到表土的采集、存放、二次倒土等大量工程，所需费用很高、管理不便；而且我国大部分矿区在山区，土源较少，多年采矿后取土也越来越困难，不少矿区已无土可取；一些矿山企业甚至花费巨资进行异地熟土覆盖。这种做法既解决不了矿山长期使用土源问题，又破坏我国宝贵的耕地资源。因此，回填表土和异地熟土覆盖的基质改良方法只能在条件允许的矿区适用，在土源短缺的矿区，应该选择其他行之有效的基质改良措施。（1）表土覆盖技术（表土转换）（2）物理、化学基质改良技术矿地翻耕在废弃地恢复中通过克服一些物理因子的不足，如挖松紧实的土壤、进行矿地深耕、整理土壤表面等措施来改善矿区土壤环境也常在复垦实践中应用。研究表明，矿地恢复后的作物产量与翻耕深度呈良好的线性关系。矿地翻耕添加化学物质施肥如果废弃地pH值过高或过低时，可以向其中添加化学物质进行中和。在碱性较大的矿区，可以投加FeSO4、硫磺、石膏和硫酸等;在酸度较大的矿区，施用石灰可以有效地提高pH值。胡宏伟等(1999)在Pb/Zn尾矿废弃地上铺盖厚约20cm垃圾与20kg·m－2石灰石，不但提高了尾矿pH值、降低了电导率，而且较有效地防止了下层尾矿的酸化，植物生长也较好。Ye等(1999)观测到，施用160kg·hm－2石灰能使基质的pH值从2.4上升至7左右。但是，这一改良措施只能在一段时间内有效。因为所添加的石灰量是根据土壤的有效酸度计算的，并未考虑潜在酸度和未风化的硫铁矿的进一步氧化。（2）物理、化学基质改良技术--添加化学物质由于大部分矿山废弃地土壤物质中缺乏有机质、氮、磷等植物所需的营养物质，这就需要在矿山废弃地修复中不断添加肥料。研究表明，矿地恢复初期，施肥能显著提高植被的覆盖度，特别是在无表土覆盖的矿地。Ye等(2001)观测到，每公顷施用80t以上的石灰配合施用100t有机肥，不仅显著降低土壤酸度、电导率和Pb、Zn的有效性，而且有效促进植物萌发，并使生物产量达最大值。然而，化肥的效果只是短期的，停止施肥后，植被覆盖度、物种数和生物量都会显著下降。可见，采用物理或化学措施进行矿地基质改良需要长期的人力、物力投入，较难管理，效果持续时间短。（2）物理、化学基质改良技术—施肥（3）生物改良技术在矿地的基质修