矿区生态修复技术研究进展

矿区生态修复技术研究进展中文摘要全球资源、环境和人口问题的日益突出，人 类活动的影响对生态系统造成了严重破坏，走可持续发展道路也成为世界各国发展的主流。矿区生态环境问题已经成为制约矿区可持续发展乃至区域生态安全的重大隐患。综述了我国矿区主要的生态环境问题和具体的修复方法及其研究进展。关键词：矿区；生态修复；土壤；植被AbstractGlobal resource, environment and population issues have become increasingly prominent, the impact of human activities on the ecosystem is seriously, take the road of sustainable development has become the mainstream in the countries development all over the world. Mining area ecological environment problem has become the biggest safety hazard of the constraints of sustainable development and regional ecological. Summarized the main ecological environment problems of mining area in our country and the specific repair method and its research progress.Key wrods:mining area;ecological repairment;soil;vegetation1.矿区生态修复的意义及目的全球资源、环境和人口问题的日益突出，人类活动的影响对生态系统造成了严重破坏，走可持续发展道路也成为世界各国发展的主流。矿区集矿产资源开采、利用与土地资源占用与破坏为一体，是资源、环境与人口矛盾相对集中显现的区域之一。矿区生态环境不断恶化，为了改善退化了的生态系统，保护并合理利用有限的自然资源和生存空间，人们正在开展各种形式的退化治理与生态恢复工作。矿区生态恢复的目的是使被矿山开采破坏了的生态系统重新具有生产价值、社会服务功能和生态环境平衡功能，即重新实现经济效益、生态效益和社会效益的平衡。2.生态修复的定义生态恢复指通过人工方法，按照自然规律，恢复天然的生态系统。“生态恢复”的含义远远超出以稳定水土流失地域为目的种树，也不仅仅是种植多样的当地植物，“生态恢复”是试图重新创造、引导或加速自然演化过程。人类没有能力去恢复出真的天然系统，但是我们可以帮助自然，把一个地区需要的基本植物和动物放到一起，提供基本的条件，然后让它自然演化，最后实现恢复。因此生态恢复的目标不是要种植尽可能多的物种，而是创造良好的条件，促进一个群落发展成为由当地物种组成的完整生态系统。或者说目标是为当地的各种动物提供相应的栖息环境。生态恢复的方法有物种框架方法和最大多样性方法。生态恢复是研究生态整合性的恢复和管理过程的科学,现已成为世界各国的研究热点。目前,恢复已被用作一个概括性的术语,它包括了重建、改建、改造、再植等含义,一般泛指改良和重建退化的生态系统,使其重新有益于利用,并恢复其生物学潜力.生态恢复的原则包括自然法则、社会经济技术原则和美学原则。3.矿区生态存在的问题矿山开发与生产过程中会对地表景观和生态系统的破坏(如挖损、压占土地、地表塌陷、破坏地表原生植被等)，同时会产生的大量废水、废渣等有害物质严重污染矿区的土壤。主要表现为矿区土地及其周边地区生物、生存条件的恶化、生量物减少，环境总适宜性降低 1。因此，土壤治理改良、植被修复、景观恢复是矿区生态环境恢复的主要任务。4.生态修复存在的误区完整性的生态系统包括：完整的植被结构、丰富的植被层次和充分的地表覆盖；完整的生态循环系统和丰富的生态功能群体；完整的生态（服务）功能和效益产出体系；丰富的生物多样性。因此，对废弃地的土壤进行植被恢复成为矿区生态恢复的重中之重，但因此也带来了不少问题，存在以下几种误区 2：（1）片面强调植被的覆盖率。生态修复的目的是恢复生态系统的功能，而植被的恢复是基础。植被覆盖率并不是评价生态修复工作的唯一指标，动植物和微生物种类的多样性、环境效应、水土保持情况以及经济的可持续能力等，也是评价生态修复工作的重要指标。（2）忽略了健康的生态系统对多样性的要求。一般人为修复完成的矿区的生态物种单一、年龄结构大体相同、空间排列整齐有序，但这往往导致修复完成的矿区变成一大片的“绿色沙漠” 。因为天然的生态系统具有多样性，包括物种组成、空间结构上的多样性以及资源利用上的多样性等等。只有这样的生态系统才能够为多种动、植物和微生物提供各种各样的生存机会和条件。（3）大量使用外来物种。由于片面强调植被的覆盖率，于是人们大量引进生命力特强的外来物种。但这往往导致外来入侵物种采用各种方式杀死或排挤土著物种。由外来物种组成的生态系统所具有的生态功能和作用要远远低于天然生态系统，这并不能达到生态修复的目的。5.矿区生态修复原理矿区生态环境的修复具体对象主要包括土壤、植被和景观三者：被污染土壤的治理改良；被破坏的植被的复种、修复和保护；被破坏的原有景观的恢复。这三个方面是矿区生态环境修复的主要直接基本事项，也是矿区生态环境修复的三个主要程序、步骤和阶段，且层层深入，逐步升华。土壤治理改良是基础、根本、重点，植被修复是关键和难点，景观恢复是目标和终结。6.矿区生态修复技术6.1 土壤治理改良土壤治理改良是矿区生态环境恢复的重要环节也是首要环节，它包括矿区周围地区土壤质量的治理改善、覆盖在土壤上的尾矿及废弃矿石堆性能的治理改良。之所以说其重要和首要，是因为植被的修复必须建立在土壤治理改良取得成效的前提下，否则，矿区土壤种植任何植物都不生长或生长艰难，则植被修复将成为不可能。土壤治理改良主要可归纳为三种方法：物理方法、化学方法和生物方法 3。6.1.1 物理方法矿区被污染土壤的物理治理方法是指不改变土壤中的成分，只是通过物理方法，改变土壤中各组分的分布，改变土壤的结构，使土壤恢复原有的组成结构或趋于更好更优的组成结构，以达到改良土壤的物理特性 4。通常粉碎压实、剥离、分级、排放等技术被用于改进矿区退化土地的物理特性，其实际操作还包括梯田种植、排流水道和稳定塘设置、覆盖物或有机肥施用等。植物残体（如稻草或大麦草）可作为覆盖物将土表层与极端气候变化隔开，以增加土壤的持水量及减少地表径流对土壤造成的侵蚀；施用有机肥可显著改善土壤结构。此外，还有一种客土、排土法 5。由于重金属污染大多集中于地表数厘米或较浅层。挖去污染层、用无污染客土覆盖于原污染层位置可以解决重金属污染问题。但此法需耗费大量劳动力，并需要有丰富的客土资源。6.1.2 化学方法如果将修复后的土地用于农业生产，那么必须要对矿山土壤进行化学改良。已有许多对矿山的研究表明，矿山尾矿及废弃矿中均缺少植被生长所必须的有机质和氮、磷、钾等物质。可使用有机废弃物如剩余污泥、堆肥的垃圾等作为土壤添加剂，以恢复土壤肥力，提高土壤生产力，并在某种程度上充当一种缓慢释放的营养源，同时可通过螯合有毒重金属而降低其毒性。同时，有机肥对多种污染物在土壤中的固定有明显影响。例如，对富含较高碳酸钙及 pH 值的矿山废弃物，可利用适当的煤炭腐殖酸物质进行改良；红壤施用紫云英后，镉在土壤溶液中的含量明显减少 6；另外研究表明，适量施用有机肥可以防止作物的汞污染。值得注意的是，有机肥对各种污染物的作用在不同的土壤中表现不一，在施加有机肥时，应根据对不同土壤的科学研究结果并结合实践，施加适当和适量的有机肥。除了有机添加剂以外，无极添加剂也可改善土壤特性，包括粉碎的垃圾、煤灰、石灰、石膏、氯化钙和硫酸等。例如在有毒的尾矿废弃物上覆盖一层煤渣、钢渣等惰性材料、可防止有毒金属向表层土迁移，起到化学稳定修复作用。6.1.3 生物方法生物方法是指通过种植植物或放养动物或细菌或微生物，在这些生物的生长繁殖过程中对土壤实施物理化学的作用，以改变土壤的组分和结构，从而达到修复改良土壤的目的。由于生物方法能达到一举几得的效果，人民越来越倡导生物方法。利用生物的生长发育过程的生理变化可使得土壤中的组分和结构得到改善，以达到修复改良的功效。例如在盐碱土壤上种植苜蓿、三叶草等植物以减低土壤盐碱度已经取得丰硕的成果和显著的功效。6.1.3.1 动物修复通过放养动物，可利用动物的生长发育过程中对土壤的物理和化学作用，改善土壤的组分与结构。6.1.3.2 微生物修复6.1.3.2.1 土壤重金属微生物修复研究现状矿区生态环境修复中，生物方法应用效果非常显著，这种方法既经济又环保。特别是通过微生物的作用达到被污染土壤的修复。微生物可使还原态重金属氧化，并能释放出抑制铅的代谢产物，同时能够吸收部分铅。KacatknhaT曾用铬还原细菌将六价高毒铬离子还原成低毒形态 7。微生物修复土壤是目前广大科研人员攻关的阵地，是生态环境修复的研究前沿。在进行微生物修复时，土壤微生物对重金属的抗性低于植物，故可选用较敏感的土壤微生物作为指示作物。同时，土壤专性微生物的区系的迅速形成，能够促使重金属离子参与微生物体组成，增强生物吸收重金属的能力，减弱植物对重金属的摄入，降低重金属的毒害作用。据美国媒体报道，美国俄勒冈州立大学 6 月 11 日发表声明称，该大学和中国西安农业科技大学及南京农业大学的科学家经过共同研究，发现了一种可以帮助清除墨西哥湾油污的细菌。美国俄勒冈州立大学还表示，在清除环境污染物质安全和有效方法的研究中发现，这种微生物对表面活性剂和 PAHs 的降解起到了重要的促进作用。这些是微生物修复改良土壤的成功实例，相关实例不胜枚举。6.1.3.2.2 土壤重金属污染微生物修复研究展望目前，利用微生物修复土壤重金属污染技术尚不成熟，研究者仍朝以下几个方向研究以提高微生物吸附重金属的效果。降低重金属对微生物降解的抑制效应及寻找外源物质促进微生物降解的效应；通过遗传工程构建高效降解的微生物菌株，创造超积累型转基因菌株；研究化学萃取修复与电动力修复和微生物修复联用的重金属污染土壤修复技术；通过研究，寻找有广泛来源的、廉价的、高效的、对土壤破坏性小，并且不造成二次污染的新型试剂，并将之运用于一些重金属污染土壤的修复。6.2 植被修复生态系统的恢复应该以最少的投入、最短的时间获得最大的效益为前提。植被恢复也不例外，应在调研基础上，借鉴国内外经验，首先对污染元素进行分析，再对土壤的物化、生化性质进行分析，查明土壤的 pH 值、土壤含水量、通气性、土壤氮素及土壤温度等，进而选择树种。树种的选择是植被恢复中最为关键的一环，它应该遵循下列原则：生长快、适应性强、抗逆性好；优先选择固氮树种；尽量选择当地优良的乡土树种和先锋树种，也可以引进外来速生树种；选择树种时不仅要考虑经济价值高，更主要是树种的多功能效益。另外，矿区污染物与植被的初步研究表明，不同植物对不同污染物有一定的适应性，这些植物多为该种污染物的耐性植物。所以，选择这些植物要经过大量的选优工作的积累，耗费巨大的时间和精力。植被的修复是矿区生态环境修复的关键和难点，只有矿区植被得到修复，才可能使原有的矿区景观得到恢复。6.2.1 植物修复的研究现状刘秀梅等在温室砂培盆栽条件下，研究了两种乡土植物羽叶鬼针草和酸模，这两种植物能够富集重金属铅，对铅有很好的耐性，铅含量是该项研究工作中另四种植物的 220 倍，能把绝大部分的铅迁移到茎叶，可以作为先锋植物去修复被铅污染的土壤 8。陈同斌等通过湖南省野外调查和栽培实验，发现砷超富集植物蜈蚣草，砷的分布规律与普通植物也明显不同，羽片叶柄 根系，室内栽培实验发现，羽片含砷量可高达 5070mgkg，且蜈蚣草生长快，生物量大，地理分布广，适应性强 9。韦朝阳 10等对位于湖南省一些高砷区的植物和土壤进行了一系列野外调查，研究表明，与砷超富集植物蜈蚣草同属的另一种植物大叶井口边草，对砷也具有显著的富集特征。蒋先军 11胡等采用温室盆放试验，研究了印度芥菜对土壤中锌镉污染的忍耐、积累能力，以检验这种植物修复 Zn、Cd 污染土壤的可能性及其潜力。在分别加入 Zn 500 和 1000 mgkg 的土壤中 12，印度芥菜生长 66d 后，叶片中积累 Zn 的平均浓度分别达 280 和 662mgkg，地上部带走的 Zn 分别为每盆 2195和 3412pg。在加入 Cd 200 mgkg 的土壤中生长的印度芥菜，叶片中积累 Cd浓度为 161mgkg，地上部带走的 Cd 为每盆 381pg。叶春和以 10mmolL Pb(NO3)2 处理紫花苜蓿幼苗 l0d，分析了 Pb 在紫花苜蓿幼苗根、茎、叶中的积累情况，Pb 在根表皮细胞中的亚细胞区域化特点以及Pb 在紫花苜蓿体内主要存在形式 13。吴龙华在芥菜营养生长旺盛期施用 EDTA，可显著提高旱地红壤 Cu 的活性，EDTA 可显著增加芥菜草叶、根的 Cu 浓度和吸收量。并且 EDTA 用量越大，效果越明显，表明 EDTA 对植物修复铜污染土壤具有强化作用 14。沈振国等在对 12 种植物吸收重金属的研究时指出，蓼车(Smartweed)是吸收 Mn、 Cd、 Cu、NiCr 、Pb 、Hg、As 等的最好植物种类 15。6.2.2 植物修复的研究展望6.2.2.1 用生物技术及基因工程手段筛选修复植物用生物化学技术鉴定基因代码，使能吸收大量金属的高积累因子转移至生长良好的、非食用的植物上。应用现代分子生物学与基因工程技术，可使超积累植物的生物学性状(个体大小、生物量、生长速率、生长周期等)得到进一步的改善与提高，并构建高效降解污染物的微生物基因工程菌，提高植物与微生物对污染土壤生物修复的效率。6.2.2.2 酶判断作植物修复效果和生态环境改善的依据Cd 对土壤脲酶活性的影响比较大，对过氧化氢酶活性的影响比较小，随土壤 Cd 浓度增加，脲酶活性下降趋势比较明显，可用土壤脲酶活性变化反应土壤受 Cd 污染程度。Cd 对土壤酶活性有抑制作用，可尝试把脲酶活性恢复情况，作为修复效果和生态环境恢复的重要依据。过氧化氢酶不宜作判断植物修复效果和生态环境改善的依据 16。6.2.2.3 超富集植物的处理研究土壤的各种理化性质对超积累吸收的作用，在有超积累植物生长的条件下，调控土壤性质，促进金属的释放；在考虑到土壤缓冲容量的情况下，重新评价酸度对超积累吸收的作用；在金属元素被带走后，它的各种形态在土壤中的重新平衡以及对其它元素(特别是氢离子)的吸附与解吸平衡产生的影响 17。寻找、筛选和培育对重金属具有超积累能力的植物，进行超积累植物资源调查，了解其分布，收集并建立超积累植物的数据库。我国的野生资源十分丰富，开发野生植物在植物修复中的应用具有较大优势 18。富集重金属(Cu、Ni)的植物可以焚烧，残渣用来回收金属。浓缩了普通金属( 如 Pb、Zn) 的植物，需干燥并放在有保护作用的筒中填埋，这一点像常用的处理土壤污染的方法。但由于植物质量轻，处理富集金属的植物时比直接处理土壤经济、方便。若将其焚烧，残渣可填埋或用作回收金属。通过应用化学试剂、微生物或土壤改良剂、酸碱调节剂等，增加目标重金属的生物有效性，提高植物吸收速率；采取合理种植、科学施肥、深耕等耕作管理措施与技术，提高植物生物量或增加收割次数，从而提高植物修复的效率。6.3 植物与徽生物联合修复的研究6.3.1 植物与专性降解菌的联合修复日本发现一种嗜重金属菌，能有效地吸收土壤中的重金属 19。Robinson 对4 种根际荧光假单胞菌对 Cd 的富积与吸收的研究发现，根际细菌中 Cd 的富积量高出环境中的 100 倍以上。也有人发现，在被 Cu 污染土壤中，芦苇根际环境存在耐 Cu 细菌。很多微生物在自然条件下，通过氧化还原作用、甲基化作用和脱烃作用等途径，参与自然界中重金属的转化，将重金属转化为无毒或低毒的化合物形式。俄罗斯科学院斯克里亚宾生物化学与微生物生理学研究所科研人员培育出一种不怕重金属污染并保护植物生长的细菌，这种细菌在Zn、Ni 、Cd 和 Co 存在的条件下，能够产生位于染色体外、能够自动复制的环状 DNA 分子，有效阻止重金属离子进入细胞，同时能够刺激并保护植物的生长。Whiting 等利用 Zn 的超积累植物结合植物根际细菌的应用结果表明，重金属得到明显的活化，提高了植物对 Zn 的吸取 20。因而，研究具有重金属耐性的促植物生长根际细菌的应用，将为重金属污染土壤的植物修复提供更佳的新方案。6.3.2 植物与真菌的联合修复菌根是土壤中的真菌菌丝与高等植物营养根系形成的一种联合体。Bradley等在调查英国矿区植物时发现，在金属尤其是重金属含量很高的矿区，植物非常稀疏。少量生存的植物中多为菌根植物，且与非菌根植物相比生长较好。含有大量微生物的菌根是一个复杂的群体，包括放线菌、固氮菌和真菌。这些菌类有一定的降解污染的能力；同时，菌根根际提供的微生态，使菌根根际维持较高的微生物种群密度和生理活性，从而使微生物菌群更稳定。菌根表面延伸的菌丝体，可大大增加根系的吸收面积，大部分菌根真菌具有很强的酸溶和酶解能力，可为植物吸收传递营养物质，并能合成植物激素，促进植物