（环境工程专业论文）矿山石漠化形成机理及评价指标体系研究——以赫章县妈姑镇为例.pdf

矿山石漠化形成机理及评价指标体系研究 一以赫章县妈姑镇为例 摘要 矿山石漠化是宋建波教授2 0 0 4 年首次提出、与喀斯特石漠化并存且广泛分布的 一种特殊的石漠化类型，已严重影响到人民的生产生活和社会的可持续性发展。本论 文以贵州省为例，探讨了矿山石漠化现象存在的事实，揭示了矿山石漠化形成机理， 初步建立了矿山石漠化等级划分标准及评价指标体系，取得了以下几点认识： 1 、以贵州省为例，通过实地调查，探讨了矿山石漠化客观存在的事实。初步将 矿山石漠化定义为随意排放的矿山废弃物( 废渣、废液、废气) 导致地表呈现类似荒 漠化景观的岩石逐渐裸露的过程及结果。 2 、矿山石漠化除具备喀斯特石漠化引发的生态、经济、社会等一系列危害之外， 同时因“三废 中含有大量的有毒有害物质，导致了严重的环境污染问题和人畜健康 问题。因此，矿铀石漠化比喀斯特石漠化危害更大。 3 、喀斯特石漠化主要是由于乱砍滥伐、刀耕火种以及不合理的土地利用等造成 的；而矿山石漠化则是由于矿山开采及冶炼导致土壤等环境介质中的有害元素超标造 成的。二者形成机理完全不同，前者侧重物理过程，后者侧重化学过程。 4 、依据矿山石漠化形成机理，其等级划分和评价指标体系除参照喀斯特石漠化 外，尚需综合考虑环境介质中的有毒有害物质的含量，及其造成的严重危害。所以矿 山石漠化等级划分标准和评价指标体系与喀斯特石漠化不同。 5 、赫章县妈姑镇土法炼锌区的矿山石漠化主要是由于土法炼锌产生冶炼烟尘和 废渣中重金属( p b 、z n 、c d 等) 导致土壤污染、植被死亡，引发水土流失造成的。 对该区矿山石漠化污染土壤进行了生态风险评价，评价结果表明，该区矿山石漠化土 壤c d 元素污染最为严重，矿山石漠化污染土壤生态风险大。 矿山石漠化形成机理的初步揭示、等级划分标准和评价指标体系的初步建立，不 仅对喀斯特地区矿山石漠化的综合治理有着重要意义，而且可以丰富和发展石漠化研 究的内容，对我国尤其贵州“十一五”期间即将开展的喀斯特石漠化综合治理工程也 有重要价值。 关键词：喀斯特石漠化；矿山石漠化：土法炼锌；重金属；评价指标 t h es t im yo nf o r 删gm 匮c h a n i s ma n de 、厂a i 忑i a n o n i n d e xs y s t e mo fm i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ac a s es t u d yo fm a g ut o w ni nh e z h a n g c o u n t y a b s t r a c t m i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni ss p e c i a lt y p eo fr o c k yd e s e r t i f i c a t i o nw h i c hi sc o e x i s t i n g w i t hk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o na n dd i s t r i b u t e dw i d e l y , s u g g e s t e df i r s t l yb yp r o f e s s o r s o n gj i a n b oo fg u i z h o uu n i v e r s i t yi n2 0 0 4 i t se x i s t e n c eh a sa f f e c t e dn o to n l yt h e p e o p l ep r o d u c t i o na n dl i v i n gb u ta l s os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ys e v e r e l y t h e p a p e rt a k e sg u i z h o up r o v i n c ea sa l le x a m p l e ，d i s c u s s i n gt h ef a c tt h ep h e n o m e n o no fm i n e r o c k yd e s e r t i f i c a t i o ne x i s t s ，r e v e a l i n gt h ef o r m i n gm e c h a n i s m o fi t ，p r e l i m i n a r i l y e s t a b l i s h i n gc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r da n de v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fi t s o m ev i e w p o i n t sa s f o l l o w sa r ea c h i e y e d 1 t h ep a p e rt a k e sg u i z h o up r o v i n c ea sa ne x a m p l e ，d i s c u s s i n gt h ef a c tm i n er o c k y d e s e r t i f i c a t i o ne x i s t so b j e c t i v e l yb yi n v e s t i g a t i o no nt h es p o t ，m i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o n i sap r o c e s sa n dr e s u l tt h a tt h ee a r t h ss u r f a c ei ss i m i l a rt od e s e r tl a n d s c a p e sf o l l o w i n g b e d r o c ke x p o s e dg r a d u a l l y ，o w i n gt om i n ew a s t e sd i s c h a r g e da tw i l lw h i c h c o n s i s to f w a s t er e s i d u e ，w a s t eu q u i da n dw a s t eg a s 2 ag r e a td e a l o fp o i s o n o u sa n dh a r m f u lm a t t e ro ft h r e ew a s t e si nm i n er o c k y d e s e r t i f i c a t i o nr e g i o n s s t i l lr e s u l ti ns e v e r ep r o b l e m so fe n v i r o n m e n ta n dt h eh e a l t ho ft h e l o c a lp e o p l ea n dl i v e s t o c ke x c e p tf o ras e r i e so fe c o l o g y ，e c o n o m ya n ds o c i e t yd a n g e r ss o o np o s s e s s e db yk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ，s ot h ed a n g e ro fm i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni s b i g g e rt h a nk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n 3 k a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni sm a i n l ym a k e nb yd e n u d a t i o no ff o r e s t ，s l a s ha n db u m c u l t i v a t i o n ，i r r a t i o n a lu s eo fl a n d ，e t c ，h o w e v e r , m i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni sm a k e nb y h a r m f u le l e m e n t so fs o i la n do t h e re n v i r o n m e n t a lm e d i at oe x c e e ds t a n d a r df o re x p l o i t a t i o n a n ds m e l t i n go fm i n e s ob o t hf o r m i n gm e c h a n i s ma r ee n t i r e l yd i f f e r e n t ，t h ef o r m e rp l a c e e x t r ae m p a s i so np h y s i c a lp r o c e s s ，t h el a t t e rp l a c ee x t r ae m p a s i so nc h e m i c a lp r o c e s s 4 a c c o r d i n g t ot h ef o r m i n gm e c h a n i s mo fm i n er o c k yd e s e n i f i c a t i o n ，t h e c l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r da n de v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo fi ts t i l ls y n t h e t i c a l l yc o n s i d e rt h e c o n t e n to fp o i s o n o u sa n dh a r m f u lm a t t e ri ne n v i r o n m e n t a lm e d i aa sw e l la ss e v e r ed a n g e r l e dt ob yi t s ob o t hc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r da n de v a l u a t i o ni n d e xs y s t e ma r ed i f f e r e n t 5 w i t hm a g ut o w ni nh e z h a n gc o u n t ya ss t u d ya r e a ，w ed i s c o v e rr o c k yd e s e r t - l l i f i c a 曲no ft h i sa r e ai sm a d em a i n l yb e c a u s eh e a v ym e t a l ( e b 、z n 、c ae t c ) m a k es o i l c o n t a m i n a t e c a u s ed e a t ho fv e g e t a t i o n ，a n di n c u rs o i la n dw a t e rl o s sf r o mr e f i n i n gd u s t 锄d w a s t er e s i d u ep r o d u d e db yt h ez i n c s m e l t i n gw i t hi n d i g e n o u s m e t h o d v 矿ec a r r yo u t e c o l o 西c a lr i s ka s s e s s m e n tf o rc o n t a m i n a t e ds o i l o fm i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni nt h i s a r e a a n dr e s u l t si n d i c a t et h a tc o n t a m i n a t i o no fc d i sm o s ts e v e r ei nm i n er o c k y d e s e r t i f i c a r t is o i lo ft h i sa r e a ，a n dc o n t a m i n a t e ds o i lo fm i n er o c k y d e s e r t i f i c a t i o ni sg r e a t t h ep r e l i m i n a r yr e v e a l m e n to ff o r m i n gm e c h a n i s ma n d e s t a b l i s h m e n to fc l a s s i f i c a t i o n s t 趾d a r da sw e l la se v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ，n o to n l yh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n to fm i n er o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ，b u ta l s oe n r i c ha n dd e v e l o pt h e s t u d yc o n t e n to fr o c k yd e s e r t i f i c a t i o n ，b e s i d e s ，h a v ei m p o r t a n tv a l u ef o rc o m p r e h e n s i v e t r e a t m e n tp r o j e c to fk a r s tr o c k yd e s e r t i f i c a t i o ni n o u rc o u n t r ye s p e c i a l l y 1 1 1 g u i z h o u p r o v i n c eb e i n g a b o u tt od e v e l o pd u r i n gt h e ”e l e v e n t hf i v e - y e a rp l a n ”p e r i o d k e yw o r d s ：k a r s tr o c kd e s e r t i f i c a t i o n ；m i n er o c kd e s e r t i f i c a t i o n ；z i n cs m e l t i n gw i t h i n d i g e n o u sm e t h o d ；h e a v ym e t a l ；e v a l u a t i o ni n d e x 1 1 1 贵州大学硕士研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 6 2 贵州大学硕士研究生学位论文 1 绪论 p 1 1 选题依据及研究意义 “南石( 石漠化) 北沙( 沙漠化) ”是制约我国西部地区可持续发展的两大生态 环境问题。喀斯特石漠化( 即狭义的石漠化) 是指在我国南方湿润地区，碳酸盐岩发 育的喀斯特脆弱生态环境下，由于人为干扰造成植被持续退化，乃至丧失，导致水土 资源流失、土地生产力下降、基岩大面积裸露、地表( 或砾石堆积) 皇现类似荒漠景观 的土地退化过程( 王德炉等，2 0 0 4 ) 。其科学内涵可以概括为：以脆弱的生态地质环 境为背景、以强烈的人类活动为驱动力、以土地生产力退化为本质、以出现类似荒漠 景观为标志( 王世杰，2 0 0 2 ) 。 。 喀斯特石漠化的广泛存在一方面吞噬大量的土地，导致土地生产力下降，激化人 地矛盾；另一方面使自然灾害频繁发生，人畜饮水困难，加剧贫困，不仅直接威胁着 西南喀斯特山区人民的生存环境与可持续发展，而且影响着长江、珠江中下游地区的 生态安全与发展，已成为影响西部大开发和实现小康目标所面临的关键问题之一。基 于喀斯特石漠化的严重危害性，党中央国务院在“十五”计划中，将“推进黔、滇、 桂岩溶地区石漠化综合治理 列为国家目标。 贵州省地处云贵高原动部，境内矿产资源种类齐全，分布广泛，成矿地质条件好， 保有资源储量较丰富，是我国的矿产资源大省之一。在2 0 0 5 年贵州省发改委组织的 石漠化调查及综合防治规划过程中发现，贵州除因乱砍滥伐、陡坡开垦以及樵采等造 成的石漠化之外，随意排放的矿山废弃物( 废渣、废液、废气) 也是导致岩石裸露的 原因之一。针对这种现象，2 0 0 4 年1 2 月，贵州大学宋建波教授在贵州省发改委组织 的喀斯特石漠化综合防治动员大会培训讲义中首次提出了矿山石漠化概念，并将 它归为与喀斯特石漠化并列的一种石漠化类型，即石漠化包括喀斯特石漠化与矿山石 漠化两种类型，并初步将矿山石漠化定义为因随意排放矿山废弃物( 废渣、废液、废 气) 导致地表呈现类似荒漠化景观岩石逐渐裸露的过程及结果。 本论文依托导师宋建波承担的2 0 0 7 年贵州省科技攻关项目( 社会发展类) 一“矿 贵州大学硕士研究生学位论文 山石漠化综合治理模式研究及示范一以赫章县妈姑镇为例 ，探讨了贵州因矿山开采 及冶炼导致的矿山石漠化现象存在的事实，并以有色金属矿山开采及冶炼导致的矿山 石漠化为研究对象，结合土法炼锌导致的矿山石漠化实例研究，初步揭示了矿山石漠 化形成机理，建立了矿山石漠化等级划分标准及评价指标体系。所取得的阶段性研究 成果，不仅对保障喀斯特地区和矿山开采地区生态重建、保证人民生存环境和生命财 产安全有重要的意义，而且可以建立矿山石漠化理论研究体系、丰富和发展石漠化研 究的内容，对我国尤其贵州“十一五”期间即将开展的喀斯特石漠化综合治理工程也 有积极的指导意义。 1 2 国内外研究现状 矿山石漠化是贵州大学宋建波教授于2 0 0 4 年1 2 月首次提出的一种石漠化类型， 经维普网上资料查询，至今国内未见矿山石漠化的概念及相关文献报导。但自2 0 世 纪9 0 年代起，矿业开发产生的环境地质问题和生态环境问题已引起政府部门和专家 学者的关注，并己成为相关学科研究的热点。可以说，虽然我国目前尚未开展矿山石 漠化方面的相关研究，但与矿山石漠化密切相关的研究内容，如矿山废弃物对生态环 境影响机理、重金属毒害机理、喀斯特石漠化等方面己取得了大量的研究成果。 1 2 1 矿山废弃物对生态环境影响 矿山按其产品性质分类，可分为冶金矿山( 黑色金属、有色金属、稀土元素、放 射性元素等) 和非金属矿山( 煤矿、石料、陶土等) 两大类；按开采方式分类，可分 为露天开采矿山和地下开采矿山两大类。虽然不同性质的矿山和矿山不同的开采方式 对生态环境破坏的过程和特征有很大差异，但矿山在采、选、冶过程中都会产生大量 的废弃物，如废石、尾矿、废渣、废气、烟尘、废水等。这些废弃物中的有害物质通 过在矿山环境的迁移、转化和积累，将会使土壤、水和大气环境介质遭受严重的污染， 从而破坏周围的生态环境。目前，许多专家学者在矿山废弃物对生态环境的影响机理 方面已做了大量的研究工作，现该方向已成为环境科学、环境工程专业研究的热点之 一。关于这方面的研究成果较多，在此不再赘述。 而对赫章县妈姑镇土法炼锌矿山石漠化区，中科院地化所刘丛强研究员及其科研 团队从环境地球化学的角度出发，对该地区进行了长达3 年的研究，并发表了6 篇学 术论文，如：炼锌废渣中重金属p b 、z n 的矿物学特征( 吴攀等，2 0 0 2 ) ，土法炼锌 废渣堆中的重金属及其释放规律( 吴攀等，2 0 0 2 ) ，铅锌矿山开发导致的重金属在环 境介质中的积累( 杨元根等，2 0 0 3 ) ，炼锌固体中重金属( p b 、z n ) 的存在状态及环 2 贵州大学硕士研究生学位论文 境影响( 吴攀等，2 0 0 3 ) ，贵州赫章土法炼锌导致的土壤重金属污染特征及微生物生 态效应( 杨元根等，2 0 0 3 ) ，贵州赫章土法炼锌导致的重金属积累( 刘丛强等，2 0 0 3 ) 。 这些研究成果主要侧重于重金属污染特征及微生物效应、重金属在环境介质中的积累 和释放规律、重金属形态特征及潜在风险分析、植物体内的重金属积累等方面。以下 是该科研团队取得的代表性研究结论：( 1 ) 土法炼锌不仅使植被遭受破坏，而且使土 壤中重金属大大超过了土壤背景值；( 2 ) 喀斯特地貌通常造成较碱性的介质环境，使 土壤和沉积物中重金属的结合形态与碳酸盐有很大的关系。此外，表生条件下铁的氧 化物和氢氧化物的强烈固定能力也使土壤和沉积物中重金属的积累升高；( 3 ) 矿山尾 矿废渣中原始矿物的氧化和溶解作用，直接影响富含重金属元素的酸性矿山水体的排 放。这些金属可通过沉淀、吸附或离子交换作用进入次生矿物相，或通过溶解态形式 从尾矿和废渣中迁移出去，进而污染地表及地下水。悬浮物和沉积物作为河流中重金 属搬运迁移的主要载体，成为潜在的二次污染源；( 4 ) 矿山废渣堆或尾矿库中含有的 碳酸盐，大大降低了重金属的迁移能力及硫化物的氧化速率，使大量的重金属沉淀到 沉积物上或被悬浮物和胶体吸附而随水体迁移，并导致水文生态系统的灾难性变化： ( 5 ) 长期的风化淋滤作用对重金属的释放有影响，矿渣层的重金属( 除c u 外) 随时 间的增长而递减，其自然释放过程可用负指数方程描述。但废渣堆中金属总量高，自 然释放时间长，从而对环境构成严重的威胁。此外，贵州省环境科学研究院的林文杰 博士( 2 0 0 7 ) 、贵州大学的李海英和吴志强( 2 0 0 7 ) ，也对该研究区的生态环境及污染 现状进行了大量的调查。 1 2 2 土壤中重金属迁移转化规律及重金属毒害机理 许多研究表明，进入土壤的重金属污染物由于土壤胶体的吸附、代换、络合和螯 合作用以及生物的作用，大部分被固定在耕作层中，很少向下迁移。如，张学询( 1 9 8 2 ) 等的研究表明，污灌区土壤中7 7 - - - 8 6 6 的c d 累积在3 0 a m 以内的土层，尤其以0 5 c m 、5 - - - l o c m 内含量最高，即使在长期污灌条件下也很少向下淋溶。姜理英等( 2 0 0 2 ) 对富阳污染较严重的工业区的研究发现，土壤表层的重金属污染严重。阮心玲等 ( 2 0 0 6 ) 研究了大气污染情况下土壤重金属的迁移情况，结果表明，重金属在土壤表 层明显富集，向下迁移的距离较小。 关于重金属毒害机理，周启星( 2 0 0 4 ) 、何翠屏( 2 0 0 4 ) 、代全林( 2 0 0 6 ) 、李裕 红( 2 0 0 6 ) 、刘万玲( 2 0 0 6 ) 、吕开云( 2 0 0 6 ) 等人已作了一些研究工作，可将主要研 究结论概括如下：( 1 ) 重金属影响植物根系对土壤营养元素的吸收；( 2 ) 重金属引起 植物细胞超微结构的改变；( 3 ) 重金属影响细胞膜透性；( 4 ) 重金属影响植物光合作 用和呼吸作用；( 5 ) 重金属影响植物物质代谢，引起化学成分变化；重金属导致产 3 贵州大学硕士研究生学位论文 生大量自由基，引起膜脂过氧化。此外，唐柱云等人( 2 0 0 6 ) 综述了重金属联合毒性 作用的机理、预测模型，分析了重金属联合毒性作用的影响因素，指出了联合毒性作 用研究中存在的问题，展望了联合毒性作用研究的发展趋势；陈怀满等人( 2 0 0 5 ) 研 究了重金属对土壤肥力、土壤微生物以及酶的影响；孙铁珩等人( 2 0 0 5 ) 研究了重金 属在土壤一植物系统中的迁移转化过程。 1 2 3 喀斯特石漠化 喀斯特石漠化因其危害大、难治理、难恢复，已成为我国实施西部大开发和“十 五扶贫攻坚计划 中的一块“硬骨头 。为此，许多专家学者对喀斯特石漠化的发生 机理和评价体系进行了大量的研究，可将这些成果简单概括如下。 ( 1 ) 喀斯特石漠化现状调查技术：应用r s 和g i s 技术对石漠化进行监测已成为 目前的研究热点。熊康宁等人( 2 0 0 2 ) 在“喀斯特石漠化的遥感川i s 典型研究 项 目中，利用“3 s 技术，建立了石漠化遥感解译指标体系。吴虹等人( 2 0 0 2 ) 将遥感 技术应用在广西都安县石漠化的预测分析研究中，讨论了应用遥感技术圈定石漠化区 域与遥感地质填图的异同，提出了“对石漠化区域的确定也就是对满足条件 d r d cnd v 区域的确定”的数学分析结论，及两种提取石漠化遥感影像信息方案。 胡宝清等人( 2 0 0 4 ) 在“气象卫星遥感技术的应用研究课题中，采用r s 和g i s 技 术，对广西都安喀斯特石漠化程度分级状况与驱动因素进行全面调查，建立了全县 1 ：1 0 万喀斯特石漠化数据库。 ( 2 ) 喀斯特石漠化成因：李阳兵等人( 2 0 0 3 ) 认为，喀斯特石漠化的形成包括 自然因素和人为因素。自然因素主要有岩性、水文、地貌、植被、气候等，人为因素 主要包括毁林开垦、陡坡垦殖、粗放耕作方式、过度樵采、烧灰积肥、荒坡放牧等， 并认为人类活动的加剧是导致喀斯特地区生态环境恶化的最重要的因素。张冬青等人 ( 2 0 0 6 ) 认为，贵州喀斯特自然环境从各自侧面奠定了喀斯特石漠化形成的基础，在 其上叠加的不合理的人类活动，则加速了喀斯特石漠化的形成。其中，不合理的人类 活动主要包括陡坡开垦、乱伐森林、毁林开荒等；宋维峰( 2 0 0 7 ) 认为，人为因素是 石漠化形成的主要因素，人为因素主要包括过度樵采、不合理耕作、过渡开垦、乱砍 滥伐、过度放牧等。 ( 3 ) 喀斯特石漠化等级划分及评价指标：目前对喀斯特石漠化的划分，由于划 分依据的不同，存在着多种方案。最具代表性的有：王宇等( 2 0 0 3 ) 根据裸岩面积 比例，将石漠化土地分为3 个等级，即严重石漠化土地，裸岩面积 7 0 ；中度石漠 化土地，裸岩面积5 0 - - - 7 0 ；轻度石漠化土地，裸岩面积 3 0 ；王连庆 等( 2 0 0 3 ) 在渝东南岩溶石山地区石漠化遥感调查时，也将石漠化土地分为相同的3 4 贵州大学硕士研究生学位论文 个等级，但裸岩面积比例有所差异，分别为严重石漠化土地，裸岩面积 8 0 ；中度 石漠化土地，裸岩面积5 0 - - - 8 0 ；轻度石漠化土地，裸岩面积 3 0 ；熊 康宁等( 2 0 0 2 ) 根据喀斯特等石漠化的定义，综合考虑自然、社会经济、资源、环境 等各方面因素，采用基岩裸露面积、土被面积、坡度、植被加土被面积、平均土厚等 多项指标，将喀斯特石漠化分为潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、强度石漠化、 极强度石漠化6 个等级。李瑞玲等( 2 0 0 4 ) 对喀斯特石漠化评价指标体系做了比较全 面系统的研究，指出喀斯特石漠化应从现状、危险性以及发展速率3 个方面进行评价。 其中，现状指标包括植被覆盖率、岩石裸露率、土层厚度、植被类型4 个方面；危险 度指标包括坡度、岩性、地貌、人口密度、陡坡耕地率共5 个方面；发展速率指标包 括石漠化土地增长率和年石漠化土地增长占地率。 1 3 研究内容与方法 1 3 1 研究内容 本论文的总体研究目标是：以贵州省为例，探讨了因矿山开采及i 冶炼导致的矿山 石漠化存在的事实；以金属矿山开采及冶炼导致的矿山石漠化为研究对象，尤其以赫 章县妈姑镇土法炼锌导致的矿山石漠化为例，初步揭示了矿山石漠化的形成机理，建 立了矿山石漠化等级划分标准及评价指标体系。 本论文包括“矿山石漠化的概念及危害”、“矿山石漠化形成机理 、“矿山石漠化 评价指标体系”三部分研究内容。 ( 1 ) 矿山石漠化的概念及危害：以贵州省为例，探讨矿山石漠化存在的事实以 及造成的危害，具体内容包括： 贵州省矿产资源分布特征：包括贵州省地质条件及矿产资源概况、贵州省矿 产资源开发利用情况、贵州省矿产资源产出特征3 部分内容。 矿山石漠化存在的事实：在对赫章县妈姑镇土法炼锌区、黔西南州金矿开采 冶炼区、开阳磷矿区实地调查的基础上，证明了矿山石漠化存在的客观性。 矿山石漠化的危害：包括矿山石漠化对生态环境的破坏、诱发的灾害、对环 境的污染等方面。 ( 2 ) 矿山石漠化形成机理：以有色金属矿山开采冶炼导致的矿山石漠化为研究 对象，将土法炼锌导致的矿山石漠化作为实例，初步揭示了矿山石漠化的形成机理。 具体内容包括： 矿山环境重金属的迁移转化：即研究矿山废弃物中重金属在矿山环境中的迁 5 贵州大学硕士研究生学位论文 移转化规律。 土壤中重金属的迁移转化：即研究进入土壤中的重金属的迁移转化规律及其 影响因素。 重金属对土壤和植物的毒害作用：重金属对土壤肥力、微生物和酶活性的影 响，以及重金属对植物生长、光和作用、呼吸、细胞的影响。 ( 3 ) 矿山石漠化评价指标体系：以有色金属矿山开采冶炼导致的矿山石漠化为 研究对象，初步建立矿山石漠化的评价指标体系，并对土法炼锌导致的矿山石漠化污 染进行了生态风险评价，具体研究内容包括： 矿山石漠化等级划分：包括矿山石漠化等级划分原则及划分标准。 矿山石漠化评价指标体系：包括矿山石漠化评价指标、污染土壤生态风险及生 态毒理诊断。 研究区矿山石漠化污染土壤生态风险评价：使用内梅罗法、潜在生态危害指数 法和地累积指数法，对研究区矿山石漠化污染土壤进行生态风险评价。 1 3 2 研究方法 本论文研究以系统论为理论基础，以野外调查、理论研究、数学分析为方法学基 础，通过岩溶学、环境地质学、环境地球化学、环境质量评价学、环境样品分析学、 统计学、土壤污染学、系统地学等多学科交叉，探讨因矿山开采及冶炼导致的矿山石 漠化现象存在的事实，揭示矿山石漠化形成机理，建立矿山石漠化等级划分标准及评 价指标体系。图卜1 为论文总体研究技术路线图，具体研究方案如下： ( 1 ) 矿山石漠化概念及危害：以贵州省为例，通过实地调查，拍摄大量珍贵照 片，收集相关资料，探讨矿山石漠化存在事实，初步提出矿山石漠化的概念，并系统 阐述其造成的危害。 ( 2 ) 矿山石漠化形成机理：主要为室内理论研究。以有色金属矿山开采导致的 矿山石漠化为研究对象，研究重金属在矿山环境迁移转化规律、以及重金属对土壤和 植物的毒害机理，结合土法炼锌导致的矿山石漠化，初步探讨矿山石漠化形成机理。 ( 3 ) 矿山石漠化评价指标体系：主要为室内理论研究。参照省发改委制定的喀 斯特石漠化强度分级标准，以有色金属矿 山开采冶炼导致的矿山石漠化为研究对象， 依据矿山石漠化形成机理，初步建立矿山石漠化评价指标体系。 6 贵州大学硕士研究生学位论文 图卜i 论文总体研究技术路线框图 7 贵州大学硕士研究生学位论文 2 矿山石漠化的概念及危害 概述 贵州成矿条件好、矿产资源丰富，是我国著名的矿产资源大省。但矿业在带动当 地经济发展的同时，也不可避免地造成严重的环境问题。2 0 0 4 - - - , 2 0 0 5 年，贵州省发 改委在组织开展喀斯特石漠化调查及综合防治规划过程中发现，除过垦、滥伐导致的 喀斯特石漠化外，高速发展的采矿、选矿、冶炼，及掠夺性的粗放型生产和随意排放 的废渣、废气、废液，也是导致岩石大面积裸露的原因之一。针对此现象，宋建波教 授首次提出了矿山石漠化概念，并将其归为与喀斯特石漠化并列的一种石漠化类型。 据宋建波教授的定义，矿山石漠化是指因随意排放的矿山废弃物( 废渣、废液、 废气) 导致地表呈现类似荒漠化景观的岩石逐渐裸露的过程及结果。矿山石漠化的广 泛存在，不仅导致了严重的环境污染和生态破坏、引发了一系列地质灾害，而且土壤 中的有毒有害物质将通过食物链危害人畜健康，甚至进入表生地球化学循环，造成地 方疾病的蔓延。为了检验矿山石漠化定义的正确性，作者在简单介绍贵卅i 矿产资源开 发利用现状的基础上，结合大量实地调查结果，探讨了矿山石漠化存在的客观事实， 阐明了矿山石漠化的概念和危害。 2 2 贵州成矿地质条件及矿产资源概况 2 2 1 贵州矿产资源概况 贵州属于云贵高原的一部份，在长达1 0 多亿年的地质演化过程中，经历了武陵、 雪峰、加里东、华力西一印支和燕山一喜马拉雅等5 个构造阶段。期间，激烈的褶皱 运动、缓和的升降运动，促成了贵州三大岩类的发育，并具有良好的成矿地质条件。 对此，冯学仕等认为( 2 0 0 2 ) ，贵州的区域成矿与其所处的大地构造部位和地壳结构 带有关，并经历了不可逆的演化进程。中、新元古代至早古生代早期，成矿背景是 8 贵州大学硕士研究生学位论文 r o d i n i a 超大陆的聚合、裂解及其演化；早古生代中后期，则与陆内碰撞相联系；而 晚古生代至中生代初期( 早三叠世) 主要与陆内离散、裂陷活动有关；中三叠世至早 白垩世的成矿背景则与特提斯洋的发生、发展和消亡相匹配；晚白垩世至早第三纪与 西太平洋板块斜向俯冲作用紧密相关；晚新生代( 晚第三纪) 至今则与青藏高原隆升 相联系并受其制约，且区内沉积岩分布广泛，岩类繁多。火成岩出露面积不大，分布 零星，但岩类较多；变质岩以层状浅变质岩系为主，属绿片岩相，具面型分布。这些 良好的地质条件造就了黔山秀水，形成了矿产资源丰富、分布广泛、门类齐全、矿种 众多的优势格局，并使贵州成为全国重要的矿产资源大省之一。截至1 9 9 8 年底，全 省已发现1 1 0 种矿产，近3 0 0 0 个矿床、矿点，己探明储量的矿种7 6 个，资源潜在价 值达人均2 0 万元。按2 0 0 1 年8 月国土资源部发布的( ( 2 0 0 0 年保有储量全国排序表 排序，贵州有1 9 种矿产保有储量据全国前5 位，居前1 0 位的有2 3 种( 高贵龙等， 2 0 0 3 ) ( 表2 - 1 ) 。 表2 1 贵州省主要矿产储量统计表 9 贵州大学项士研竞生季位论文 22 2 贵州主要矿产资源产出特征 贵州大宗开发利用的矿产资源有煤、磷、铝、金、重晶石，其次有铅、锌、铁、 锑、汞等。上述矿产分布详见图2 1 ，基本全部分布在碳酸盐岩分布区。张竹如( 2 0 0 6 ) 的研究成果也表明，贵州主要矿产从平面展布到赋矿地层岩石均与碳酸盐岩关系密 切，具体表现在：贵州煤炭资源分布面积达7 00 0 0k 日1 ，占全省面积的4 0 左右，主 要含煤地层为上二叠统，其夹于中二叠统茅口组厚层块状灰岩及上二叠统长兴组燧石 灰岩之间：贵州磷矿以质优量大著称于全国，属沉积矿床，主要开采的矿层产予上震 旦统陡山沱组( 7 m ) 中；贵州铝土矿探明储量居全国第三，“大宗开采的铝士矿产于 下石炭统大塘组( c 埘) 中；贵州西北部的铅锌矿及铁矿也是当地开采强度较大的矿 产，其铝、锌、铁均呈层状、似层状和透镜状等，产于混盆系一石炭系的一套白云岩、 石灰岩中；贵州西南的泥堡、戈塘、紫木凼、水银洞金矿赋矿层位为上二叠统碎屑岩 夹不纯碳酸盐岩，此赋矿层上、下均为碳酸盐岩；重晶石产出层位较多，计有寒武系、 奥陶系自云岩、寒武系硅质岩、奥陶系碳酸盐岩、二叠系茅口灰岩等。 。一：鼍，- -一， - # - _ 土_- 一， t 。 1 一。，e 。，t 。 “j ：一。- f = 矗j 。一 t i；e * - 一。m “，” l e # 围2 - - 1 贵州省主要矿产与碳酸盐岩分布示意图 醢盐岩分布e2 非碳酸岩分布区3 攥矿：4 铝士矿5 磷矿：6 锑矿 7 汞矿：8 金矿9 铅锌矿1 0 铁矿：1 1 重盘石：1 2 市；1 3 县 贵州大学硕士研究生学位埝文 2 3 矿山石漠化的概念 贵州成矿条件好、矿产资源丰富，是我国著名的矿产资源大省，并已奠定了以矿 业为基础的工业体系。贵州矿业开发在为国民经济做出巨大贡献的同时，也给生态环 境造成了严重的污染和破坏。大量的现场调查结果表明，贵州因矿山开采及冶炼已产 生了大量的岩石裸露现象，有些地方甚至已出现了寸草不生的荒凉景象。本节即以赫 章县妈姑镇土法炼锌区、黔西南州金矿开采区、开阳磷矿开采区为例，以铁的证据揭 示矿山石漠化客观存在的事实，并深入探讨矿山石漠化的危害。 2 3 1 土法炼锌导致的石漠化 赫章县被誉为乌蒙山区聚宝盆，有3 3 种 金属和d 金属矿，含量大、品位高的有1 3 种， 其中铅锌矿储量9 8 8 万吨，居贵州之首。主 要分布在榨子厂、天桥、白腊厂、猫猫厂、丫 都、羊角厂、草子坪等地，有矿床3 0 多处， 其中，中型矿床2 个，小型矿床8 个，矿点 1 5 个，矿石分三类：硫化矿、氧化矿和砂矿。 土法炼锌是指利用本地丰富的氧化锌矿 石、煤炭资源和熟练的制罐技术，沿用传统的 图2 2 土法炼锌流程图 冶炼技术生产粗锌( 图2 2 ) 。丰富的矿产资源造就了赫章县曾经辉煌的土法炼锌历 史。据记载，赫章县土法炼锌历史悠久，早在明代民间就已掌握了土法炼锌技术，至 今已有3 0 0 多年的历史。到2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，全县炼锌炉已发展到5 0 0 多 个，炼锌区污染面积达1 2 0 0 多h 珈2 ，产生废渣3 0 0 0 多万吨。废渣在场区范围及附近 随意倾倒，堆积如山，是全省土法炼锌的重点区域。 多年来，土法炼锌排放了大量的废气、废液、废渣，且未采取任何防治措施，致 使冶炼区及周围环境的土壤、大气、水等环境介质的重金属含量严重超标。杨元根等 人( 2 0 0 3 ) 对土法炼锌附近的土壤和溪流沉积物进行研究，发现土壤中c o ( p b ) 达到 3 7 2 4 x 1 0 。o - 3 0 1 0 0 x l o 一，( z n ) 为1 6 2 2 3 x 1 0 。o - - 3 1 6 2 5 x 1 0 由，f o ( c d ) 为0 5 0 x l o 击 1 1 3 x 1 0 击，大大超过了当地的土壤背景值。吴攀等人( 2 0 0 2 ) 对赫章后河水体进行研 究，发现上游未受炼锌污染的采样点7 、8 和9 以及未受污染支流样点2 水质清澈， 其重金属含量明显的比其它采样点低；而后河主河道受妈姑镇附近土法炼锌和天桥铅 锌矿选矿的影响，水体溶解态重金属含量明显偏高。如采样点6 在接纳了土法炼锌废 贵州上学硕士研究生学位冉文 渣、废水及居民生活废水，p b 、z n 、c u 含量有所升高，p b 为45 3 札g l 1 、z n 为 1 5 7 2 2 z g l 2 1 、c u 为07 2 1 # 9 1 2 1 ，且水体中的悬浮物和沉积物中重金属台量较高，可 能成为潜在的二次污染源。沈新尹等人( 1 9 9 1 ) 对土法炼锌造成的大气污染进行了研 究，发现土法炼锌对大气造成了严重的p b 、c d 污染，尤其是在土炉集中区的1 号采 样点，p b 达到1 1 吼g 加。，c d 达到4 8 0 n g m 。，远远高于p b 的允许值0 7 , u g m3 ，c a 的允许值2 0n g m 。 重金属含量的超标及其迁移、转化，不仅对冶炼区及周围的生态环境造成严重破 坏，导致山坡焦土一片、草死术枯、片荒凉，而且山体因为无植被覆盖，水土流失 十分严重，从而导致岩石大面积裸露。换言之，土法炼锌导致了严重的矿山石漠化。 可由作者在土法炼锌区采集的大量图片( 图2 - 3 图2 8 ) ，来说明土法炼锌区矿山石 漠化现象的严重性。 镳嚣罐 毒鬻莲 图2 - 3 大量废石废渣压石漠化土壤导致植被死亡 圈2 - 4 石漠化附近土壤上种植的零星蔬菜 贵州大学硕士研晃生学位论文 图2 - 5 废渣地上石芽裸露 图2 - 6 土法炼锌炉周围石漠化现象严重 图2 7 石潼化区随处可见的壤渣废罐 音州太学硕士研艽生学位论文 图2 - 8 土法炼锌基地一角寸草不生 2 32 黔西南州金矿开采及冶炼导致的石漠化 黔西南卅是我国滇黔桂金三角的重要组成部分，全州各县( 市) 都有金矿产出， 目前发现并已探明的有特大型矿床l 处( 烂泥沟) 、大型矿床4 处( 紫术凼、戈塘、 老万场、水银洞) 、中型矿1 处( 丫他) 、小型矿床4 处( 板其、百地、大观、豹子洞) 及矿点矿化点数十处，已探明的资源储量达16 84 吨。预计全州黄金远景资源量约 5 0 0 吨，专家估计远景资源量可达8 0 0 1 0 0 0 吨。到2 0 0 3 年末，共生产黄金约2 j 吨， 消耗资源量约3 0 吨，占探明资源量的1 8 ，占预测资源量的6 。按年产黄金6 吨的 生产规模、7 0 的回收率估算，到2 0 1 5 年末，共生产黄金1 0 9 吨，共消耗资源量l j 6 吨分别占探明的和预测的资源量的9 3 和3 1 。 探明的资源储量以贞丰占全州乃至全省之首，其次为兴仁、安龙、册亨、普安、 晴隆。黔西南州的金矿，可以分为“卡林型”和“红土型”两大类型，以卡林型为主。 根据台矿岩石和产出特征，卡林型金矿分为3 个亚娄：第一亚类为以陆源硅质碎屑岩 为容矿岩石的金矿床，分布于本州东南部的右江造山带，包括兴义市南部、贞丰县南 部、册亨县大部和望谟县。赋矿地层为早一中三叠世斜坡至盆地相的陆源硅质细碎屑 岩。贞丰烂泥淘金矿、册亨板其余矿和丫他金矿、望谟大观金矿等属于该亚类，第二 亚类为以不纯碳酸盐岩为客矿岩石的金矿床，分布于扬子陆块内，主要分布于安龙县、 贞丰县北部、辫仁县及兴义市。赋矿岩石主要为晚二叠世及早三叠世台地相的不纯碳 酸盐岩及细碎屑岩。安龙戈塘会矿、贞丰水银洞会矿、兴仁紫木凼金矿等属于此亚娄： 第三亚类为