矿区废弃地土壤生态恢复研究进展

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　　摘   要  矿山废弃地生态恢复是解决矿区生态问题的重要举措之一，积极开展矿山废弃地生态恢复对社会经济效益及环境保护均具有重要的意义。综述国内外矿山废弃地生态恢复现状，主要从土壤改良，土壤重金属污染治理，矿区植被恢复，土壤动物、微生物恢复措施等方面阐述了矿区废弃地生态恢复技术。
　　关键词    矿区;废弃地土壤;生态恢复;土壤改良
　　中图分类号：X75    文献标志码：C    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.13.014
　　随着社会经济的发展，矿产开采日益频繁，开采规模逐渐扩大，对矿区周边的生态环境造成了严重的影响，矿山废弃地生态恢复已经成为亟需解决的问题。开展矿区土地复垦治理，是建设资源节约型和生态友好型社会、落实耕地保护制度和节约集约用地制度的重要举措，也是推进矿—农—牧复合区区域经济发展方式转变的有效途径。目前，我国在矿山生态环境治理方面已经取得了较大突破，但与发达国家相比仍有很多不足，因此，加强矿山废弃地生态恢复研究具有十分重要的意义。
　　1 国内外矿区废弃地生态恢复现状
　　据统计，世界范围内矿区废弃地面积为6.7×106 hm2。美国年均采矿占地面积已经达到4 600 m2，其生态恢复率仅为70%左右，进而影响了对生态环境的有效维护[1]。德国是一个煤炭资源丰富的国家，其开采方式主要为露天开采，自19世纪20年代开始，德国就开始对煤矿废弃地进行生态修复和复垦，主要采用植物修复方式，截至1996年，已完成复垦、生态恢复的土地面积达8.23万公顷，恢复率达到53.5%[2]。英国通过颁布法律法规、经济制裁等措施强制生态恢复[3]，利用8年时间，使生态修复土地面积达16 952 hm2，恢复率达到87.6%，生态恢复成果显著[4]。
　　我国现有国营矿山企业8 000多个，个体矿山达23万多个[5]。据统计[6]，全国矿区破坏面积达288万公顷，且每年在以4.67万公顷的速度增长。矿产资源需求量的增大加速了矿产产业的发展，显著加大了生态环境压力。1998年10月，国务院颁布了《土地复垦规定》，开启了土地复垦的新时代，先后在河北、江苏、山东、陕西等省份设置了23个土地复垦试点，至1992年底已复垦土地面积达3.3万公顷。据统计，在河北马兰铁矿的复垦率达85%，广西平果铝矿的复垦率达73%，江西永平铜矿的复垦率达55%，陕西安康金矿的复垦率达69%，取得了较好的复垦效果[7]。目前，我国矿业废弃地平均恢复率为10%～12%[8]，工矿废弃地复垦工作已逐渐得到重视。
　　2 矿区废弃地生态恢复技术
　　2.1 土壤改良
　　采取生物措施、工程措施能够改良土壤的理化性质，起到修复和重建污损土地的作用。土壤改良是生态恢复的前提，为了提高矿区废弃地土壤孔隙度，短时间内可以采用施有机肥、犁耕等方式。例如，在pH值大于7的矿区，可以通过施加硫磺、石膏、FeSO4等;在酸度较大的矿区可以通过添加石灰石提高土壤pH。有研究表明，废弃尾矿区每平方米施加20 kg石灰石能有效提高其土壤pH，施用160 kg/hm2石灰石使矿区废弃地土壤pH值从2.4上升至7.0左右。城市污水污泥、城市生活垃圾、作物秸秆、豆科绿肥和畜禽粪便能促进土壤团粒结构的形成，降低土壤容重，增强土壤持水能力[9]。矿山废弃地缺乏N、P等营养元素，直接限制了植物生长，Warman等的研究表明有机固体废物可有效增加N、P含量[10];Guerrero等研究表明猪粪施用到土壤中可避免土壤无机氮的释放，提高氮利用率[11]。生物固氮的原理是通过固氮植物、微生物等来提高土壤氮素利用率，是改良土壤氮肥的有效方法之一，有研究表明，在矿山废弃地种植豆科植物能够有效提高土壤氮含量。此外，微生物菌肥目前也被广泛用于矿山废弃地土壤改良。
　　2.2 土壤重金屬污染治理
　　矿区土壤重金属污染主要是由尾矿库和矸石山中所挟带的大量重金属通过淋溶等途径造成的[12]。目前，治理矿区土壤重金属污染的方法主要有物理技术、化学技术和生物技术。富集重金属的植物约400多种，有研究发现，刺儿菜、虎尾草、葎草地下部分对铜、砷离子的富集能力较强，且在铜矿废弃地的长势表现良好;狗尾草对铅离子，野西瓜苗对锌离子的富集能力和转运能力均较强[13]。刘洪胜等研究表明，马唐草和望江南这两种植物对矿区重金属Mn、Zn具有较强的吸收和转移能力，是Mn和Zn的超富集植物[14]。黄小娟等研究表明，垂序商陆、酸模叶蓼对复合重金属污染具有较好的修复效果，其主要是将重金属囤积于根部;黄花蒿、长波叶山蚂蝗、钻形紫菀可种植在重金属污染严重且使用价值相对较低的矿山废弃地上[15]。将柠条、红柳、沙木蓼、驼绒藜种植于金昌市矿山绿化地，通过对植物中重金属含量进行分析，发现这些植物对重金属Ni、Cu具有较好的吸收能力，且植物长势良好[16]。刘周莉等的研究表明，忍冬在高浓度重金属污染土壤中长势较好[17]。面对矿山废弃地及周边污染土壤的特殊生境，单一的植物修复技术无法达到生态修复目的，微生物强化植物修复技术被广泛应用。有研究表明，微生物在促进植物生长和营养吸收方面起着重要作用，例如接种菌根能显著促进植物生长，提高植物对N、P等的吸收，降低土壤重金属浓度[18]。
　　2.3 矿区植被恢复
　　矿山废弃地往往土层贫瘠、污染严重、土壤肥力低下，造林难度相对较大，因此矿山植被恢复应根据矿山地形地貌、气候条件及自然环境等选择乡土植物。在毒性较低的矿山废弃地中生物固氮的利用价值越来越高。豆科植物与根瘤菌将大气中的氮固定于土壤中，有研究显示，豆科植物能够在污染土壤中正常生长，并且能够有效固定氮素，使得土壤中的氮得以积累，特别是有根瘤的一年生豆科植物，在瘠薄或重金属污染的土壤中生长良好，可作为矿山废弃地植被恢复的理想植物[19]。还有一些植物也具有较强的固氮能力，例如沙棘、杨梅等。油松是一种常青植物，具有很强的耐旱性，其凋零物及林下土层持水能力较好，作为矿山废弃地植被建设树种具有良好的经济效益。另外，沙棘、柠条、刺槐等具有发达的根系，适应能力较强，能够固沙保水，有效增加土壤N、P、K等速效成分含量，可作为矿山废弃地生态修复的优选植被。 　　矿区废弃地生态植被恢复是一项全面而复杂的工程，科学选择先锋植被，合理配置植被比例，不仅要考虑当地的自然条件、矿区结构，还要考虑之后的管护问题，与周边植被是否相适应等，使植被恢复形成一个良性循环，最大限度地与自然生态系统相统一。
　　2.4 土壤动物、微生物恢复措施
　　矿区废弃地生态恢复不仅包括土壤改良和植被恢复，完整的生态恢复还需要土壤微生物的分解功能。微生物恢复是指利用微生物生命代谢减少矿山废弃地土壤有毒有害物质的浓度。另外，土壤微生物对土壤的形成发育、物质循环、肥力演变及植物生长等均有重大影响[20]。植物的残根败叶经土壤微生物作用，才能腐烂分解，释放出营养元素，供作物利用，并形成腐殖质，改善土壤结构。
　　近年来，利用动物、微生物进行矿山生态修复已被广泛研究应用。施用微生物菌肥能够减少土壤环境中有毒有害物质的浓度，从而减轻其危害;矿山微生物体系的恢复有利于提高土壤酶活性，进一步促进矿山废弃地生土向熟土转化，有效缩短了矿山生态恢复周期。有研究表明，在银合欢的根部接种根瘤菌能有效促进固氮根瘤菌的形成，从而刺激植物根系发育;在钼污染土壤接种菌根微生物，能有效降低土壤中钼浓度[21]。亦有研究表明，植物与固氮菌、菌根真菌等相互协同，能够增加对污染物的吸收和降解[22]。接种AM真菌能够改善采煤沉陷区植被的生长指标、光合作用和抗逆性，从而更好地促进复垦植物适应矿区生态环境[23]。实践证明，菌根对煤矸石场土地恢复具有明显的效果，植物接种菌根后能够明显提高宿主植物的抗旱性，减轻病虫害和重金属毒害，且抗酸性、抗极端温湿度能力也有显著增强[24]。最常见的土壤动物为蚯蚓，蚯蚓的活动能够增加土壤孔隙度，改善了土壤理化性质，此外，蚯蚓还能富集重金属，从而达到矿山废弃土地复垦和生态恢复的双重目的。
　　3 展望
　　我国矿产资源丰富，土地资源短缺，人多地少，使得矿区废弃地生态修复具有很大的发展空间，但也面临严峻的挑战。根据矿山废弃地的地形地貌、自然环境条件，深入研究不同类型的矿山废弃地生态恢复技术，以特定矿山为研究对象，以提高土地利用效率和环境保护效果为主要目标，强化土地复垦技术生态化。矿区废弃地生态恢复在人为接种菌根、培肥等的基础上，应重视其与植物协同作用的研究，力争提高矿区废弃地生态环境治理成效，实现生态效益、社会效益、经济效益的统一。
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　　（责任编辑：易  婧）
　　收稿日期：2020-02-19
　　基金项目：陕西省土地工程建设集团内部科研项目（DJNY2020-21）。
　　作者信息：王娜（1990—），女，陕西宝鸡人，硕士，助理工程师，主要从事污损土地修复治理研究。E-mail： 1370199046@qq.com。
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